基于optisystem的EDFA仿真設(shè)計(上)

1、目錄1 引言11.1 摻鉺光纖放大器仿真的目的及意義11.2 摻鉺光纖放大器仿真的研究現(xiàn)狀11.3optisystem軟件簡介21.4本文研究的主要內(nèi)容22 摻鉺光纖放大器的理論研究22.1 摻鉺光纖放大器的工作原理22.2 摻鉺光纖放大器的性能分析62.3 摻鉺光纖放大器的應(yīng)用103 摻鉺光纖放大器的仿真分析113.1 摻鉺光纖放大器的增益特性分析113.2 摻鉺光纖放大器的噪聲特性分析163.3 摻鉺光纖放大器的多信道放大特性194 摻鉺光纖放大器在高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用214.140G單模光纖傳輸系統(tǒng)214.2 8*10GWDM系統(tǒng)性能分析23結(jié)論31致謝32參考文獻331引言隨著光纖通信

2、系統(tǒng)的發(fā)展,密集波分復(fù)用技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用到系統(tǒng)中,系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷的增加,因而光纖通信系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)變得非常重要。光纖通信系統(tǒng)是一門多學(xué)科專業(yè)交叉滲透的綜合技術(shù)，它涉及到通信基礎(chǔ)理論（如數(shù)字通信技術(shù)）,微波技術(shù)（如光纖信道的電磁場分析）以及電路設(shè)計與微電子技術(shù)（如A2SIC專用集成電路）等，無論是系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計還是新型傳輸系統(tǒng)與體制的探索與研究，都要遇到冗長繁雜的計算。為了高效地完成日趨復(fù)雜通信系統(tǒng)的仿真研究，在對光纖通信系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上利用仿真軟件建立了高速大容量光纖系統(tǒng)的仿真模型，得到了高速光纖通信系統(tǒng)特性激光器的調(diào)制頻率偏置電流的關(guān)系以及光纖的損耗和色散的仿真結(jié)果，亦

3、可利用仿真軟件非常靈活地設(shè)計滿足需要的仿真系統(tǒng)。1.1 摻鉺光纖放大器仿真的目的及意義利用現(xiàn)代的計算機進行光纖通信系統(tǒng)的仿真,可以直接搭建激光器、光纖及測試儀器的模型,并在此基礎(chǔ)上進行器件、系統(tǒng)的性能分析和測試,避免了直接的昂貴的器件和設(shè)備投資。同時系統(tǒng)的仿真對器件選型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及整體系統(tǒng)的可形性研究都具有重大意義。此外,為了驗證其性能是否合乎要求,還需反復(fù)進行實驗研究與測試。如果每次都直接用真實系統(tǒng)進行實驗,不僅耗資昂貴,費工費時,有時甚至難于找到問題癥結(jié)所在,因此,解決上述問題的有效方法是采用計算機仿真技術(shù),即通過建立部件乃至系統(tǒng)的模型,并用模型在計算機上做實驗,利用計算機的高速運算處

4、理能力,完成對光纖通信設(shè)備與系統(tǒng)的分析、設(shè)計以及性能優(yōu)化與評估測試。顯然,建立光纖通信系統(tǒng)的計算機仿真平臺,既能提高設(shè)計的一次成功率,又能大大縮短研發(fā)周期。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和復(fù)雜度的迅速增長,在通信系統(tǒng)設(shè)計中運用計算機仿真技術(shù)已成為新系統(tǒng)設(shè)計時縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計可靠性和已有系統(tǒng)性能改進的不可缺少的工具。新產(chǎn)品研制周期和節(jié)省投資費用,還能極大地促進光纖通信的基礎(chǔ)理論研究,并為相關(guān)工程技術(shù)人員的技術(shù)培訓(xùn)提供理想實驗手段。1.2 摻鉺光纖放大器仿真的研究現(xiàn)狀仿真分為電路級仿真和系統(tǒng)級仿真。電路級仿真就是由電阻、電容、電感等組成等效的電路模型來模擬器件的外特性。系統(tǒng)級仿真是用傳輸

5、函數(shù)或數(shù)學(xué)公式來模擬器件的外特性的模擬。國外已有一些光纖通信系統(tǒng)仿真軟件,用于電路分析時,其側(cè)重點不同,例如Boss是一種界面友好的光鏈路仿真軟件,它包括光纖器件模型，但只適用于單一波長系統(tǒng)。SCOPE是一種把系統(tǒng)的光電器件和光器件用兩端口網(wǎng)絡(luò)模型來模擬的非線性微波仿真軟件,其主要用途是對在微波頻率的光通信系統(tǒng)進行仿真。DEXSOLUS(SimulationofLightUsingSpice)是基于Spice電路仿真軟件的專用于光通信領(lǐng)域的信號分析軟件，它采用等效電路模型來模擬光電器件,這些模型的光功率在仿真中用電壓來表征。還有其它電路級的仿真軟件如iSMILE和MISIM等。IBM的OLAP

6、(OpticalLinkAnalysisProgram)是一個把SYSTID和低級的光器件仿真軟件綜合起來應(yīng)用的軟件。還有一些新的仿真軟件如iFROST等，用戶可調(diào)用其他仿真軟件來提供混合級的仿真環(huán)境。1.3 optisystem軟件簡介Optisystem允許對物理層任何類型的虛擬光連接和寬帶光網(wǎng)絡(luò)的分析，從遠距離通訊到MANS和LANS都適用。它的廣泛應(yīng)用包括：物理層的器件級到系統(tǒng)級的光通訊系統(tǒng)設(shè)計、CATV或者TDM0WDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、SONET0SDH的環(huán)形設(shè)計，RadiooverFiber系統(tǒng)，自由空間光通信系統(tǒng)(FSO)、傳輸器、信道、放大器和接收器的設(shè)計、色散圖設(shè)計、不同接受模式下

7、誤碼率(BER)和系統(tǒng)代價(penalty)的評估、放大的系統(tǒng)BER和連接預(yù)算計算主要特點。1.4 本文研究的主要內(nèi)容本文研究了EDFA的基本原理及結(jié)構(gòu)，闡述了影響EDFA性能的因素，分析了波分復(fù)用(WDM)技術(shù)及系統(tǒng)的設(shè)計原理，介紹了常見的仿真軟件和國內(nèi)外仿真現(xiàn)狀以及Optisystem軟件強大的仿真功能。并在此基礎(chǔ)上，給出了基于Optisystem的波分復(fù)用光傳輸鏈路仿真模型的搭建，概述了在WDM系統(tǒng)中EDFA的應(yīng)用和要求以及關(guān)鍵技術(shù)。對復(fù)用后的光信號進行仿真得出光譜圖，研究了各信道的增益情況，驗證了光纖的兩個窗口。本文還對鏈路傳輸性能及EDFA的摻鉺光纖長度，泵浦功率等參數(shù)進行分析，得到

8、了各種泵浦工作方式下的增益特性，EDFA最佳長度以及飽和增益特性曲線，并驗證了EDFA的正確性和設(shè)計方案的可行性，近而得出最佳化的EDFA設(shè)計。2摻鉺光纖放大器的理論研究2.1摻鉺光纖放大器的工作原理EDFA的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它主要由有源媒質(zhì)（幾十米左右長的摻鉺石英光纖，芯徑3-5微米，摻雜濃度（25-1000）x10-6）、泵浦光源（990或1480nmLD）、光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉺光纖內(nèi)可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或兩個方向（雙向泵浦）傳播。當(dāng)信號光與泵浦光同時注入到鉺光纖中時，鉺離子在泵光作用下激發(fā)到高能級上，并很快衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級上，在

9、入射信號光作用下回到基態(tài)時發(fā)射對應(yīng)于信號光的光子，使信號得到放大。其放大的自發(fā)發(fā)射（ASE）譜，帶寬很大（達20-40nm），且有兩個峰值，分別對應(yīng)于1530nm和1550nm。其中摻鉺光纖提供放大,泵浦源提供足夠強的泵浦功率,波分復(fù)用器起信號光與泵浦光的混合作用。泵浦源：為信號放大提供足夠強的功率，使物質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。光耦合器：將信號光和泵浦光耦合進入摻鉺光纖。光隔離器：使光傳輸具有單向性，隔離反饋光信號，保證穩(wěn)定工作。摻鉺光纖：提供光放大。摻鉺光纖是光纖放大器的核心，鉺離子的外層電子具有三能級結(jié)構(gòu)E，E12和E其中,E是基態(tài)能級，E是亞穩(wěn)態(tài)能級，E是高能級。如圖2.2所示3，123包

10、昌,jX航（VAI“n故坤mm圖2.1摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)圖2.2鉺粒子能級圖當(dāng)用高能量的泵浦激光器來激勵摻鉺光纖時,可以使鉺離子的束縛電子從基態(tài)能級大量激發(fā)到高能級上。然而,高能級是不穩(wěn)定的,因而鉺離子很快會經(jīng)歷無輻射衰減，即不釋放光子落入亞穩(wěn)態(tài)能級,受激電子將發(fā)出很寬光譜范圍的光,稱熒光帶。當(dāng)泵浦光足夠強時,可以使能級和、間形成電子的反轉(zhuǎn)分布,此時如果入射信號光的波長恰好落在上述熒光帶時,則當(dāng)泵浦與信號光同時通過該摻鉺光纖時,熒光帶能量會轉(zhuǎn)移到信號光上,即信號光可以通過受激輻射過程從離子系統(tǒng)獲取能量,從而不斷增強而獲得放大信號。由于泵浦光與信號光在光纖中均以導(dǎo)波形式傳輸,因而二者之間可

11、以有效地交換能量,效率相當(dāng)高。整個信號通道中沒有電接口,僅有的光纖放大器與線路之間的藕合損耗也小到完全可以忽略的程度,因而可以實現(xiàn)高增益寬頻帶放大特性。光纖放大器的基本指標有三項,即功率增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù)。光纖放大器的功率增益指輸出功率與輸入功率之比，通常為一，報導(dǎo)的最高數(shù)值達46.5dB。功率增益與泵浦功率的關(guān)系如圖2.3所示。013蝮»圖2.3信號功率增益與泵浦功率關(guān)系注：輸入功率為-3.9dB泵浦源波長1480nm摻鉺光纖50m摻雜濃度25ppm但工程上實際應(yīng)用的光放大器，功率增益一般只有十幾dB。功率增益和摻鉺光纖的長度也有很密切的關(guān)系，如圖2.4。由圖可知，當(dāng)泵浦

12、功率增加時，信號功率增益迅速增加，然后趨于飽和。由圖可知，摻鉺光纖長度有一可使功率增益最大的最佳范圍，但在噪聲特性要求較高的場合，使功率增益最大的長度不一定是最佳的長度。輸出功率并不總是與輸入功率成比例增加的，而是呈現(xiàn)飽和趨勢，如圖2.5所示，通常以信號功率增益相對非飽和狀態(tài)增益跌落點的功率看作是最高輸出信號功率。該值隨泵浦功率而增加，因而，為了獲取高功率輸出，要求輸入功率大且泵浦功率強。光纖放大器的噪聲來自信號和自發(fā)輻射，以及自發(fā)輻射之間的差拍噪聲。通常,大部分自發(fā)輻射之間的差拍噪聲可以利用光帶通濾波器濾除。光纖放大器能夠有放大作用的關(guān)鍵是具有增益特性的摻鉺光纖,因而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是

13、主要技術(shù)關(guān)鍵，圖2.6顯示了兩根具有不同纖芯玻璃成分的摻鉺光纖的熒光譜?？梢钥闯鲞@兩種摻鉺光纖在光纖的低損區(qū)1550nm波長附近恰為熒光譜峰值，因而可以對1550nm的光信號起放大作用。其中摻鉺磷鍺鋁的光纖具有較寬的、幾乎是連續(xù)的增益譜，因而適用于整個1550nm波長區(qū)的系統(tǒng)應(yīng)用。同時，由于摻鉺光纖熒光譜的峰值主要集中在1550nm波長附近，因此，利用對光信號進行放大，是在1550nm窗口方式下使用的。圖2.4信號功率增益與摻鉺光纖長度關(guān)系排偉碑錯鋁1500i畀515鈾1S75)0itIt(nmJ圖2.6.兩種不同光纖的熒光譜2.2摻鉺光纖放大器的性能分析EDFA的性能參數(shù)主要有功率增益和噪聲

14、系數(shù)。泵浦波長，泵浦功率以及泵浦的位置都會影響EDFA的功率增益，此外，EDFA的增益還與摻鉺光纖的長度，鉺粒子濃度有關(guān)。EDFA中的噪聲系數(shù)是其重要的性能參數(shù)，EDFA在放大信號的同時加入了噪聲，噪聲過大會使得系統(tǒng)可靠性大大降低。泵浦的工作方式，摻鉺光纖長度不同，EDFA的噪聲也不同。2.2.1功率增益增益特性表示了放大器的放大能力。功率增益為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的功率增益通常為1540dB。影響EDFA增益的因素主要有泵浦光功率、摻鉺的濃度以及摻鉺光纖的長度等。此外，EDFA增益還與泵浦光波長有關(guān)。從圖2.7中可看出當(dāng)泵浦功率小于5mw時增益隨著泵浦功率的增加迅速增加,而在10

15、mW以后增益隨著泵浦功率的變化不大，那么5mw就是EDEA飽和功率。出現(xiàn)此種現(xiàn)象主要是因為摻鉺光纖長度一定時，當(dāng)泵浦功率超過一定值時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)度總是處于飽和狀態(tài)，所以當(dāng)泵浦功率增加時，增益變化不大。因此，實際應(yīng)用中應(yīng)選擇其飽和功率值作為泵浦功率。圖2.7泵浦功率飽和曲線泵浦的位置亦能影響EDFA性能。同向泵浦是指泵浦光與信號光從同一端注入EDF。在EDF的輸入端，泵浦光較強，故粒子反轉(zhuǎn)激勵也強，信號一進入光纖即可得到較強的放大。其優(yōu)點是構(gòu)成簡單，缺點是泵浦光將沿光纖長度衰減，因此容易造成增益飽和而使噪聲增加。反向泵浦是指泵浦光與信號光從不同的方向輸入EDF，兩者在光纖中反向傳輸。其優(yōu)點是當(dāng)光

16、信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和，因而噪聲性能較好。在980nm泵浦、泵浦功率為lOOmw、EDF長度為5m的情況下，反向泵浦要比正向泵浦的增益要大一些，兩者相差不多，但反向泵浦的噪聲指數(shù)大于前向泵浦，所以980nm激光大多數(shù)情況都是作為前向泵浦，如圖2.8，其中a圖為增益的比較，b圖為噪聲的比較。在相同的泵浦功率條件下和以上采用的參數(shù)下，980nm泵浦比1480nm泵浦所得到的增益要大得多。在lOOmw的泵浦功率下980nm和1480nm前向泵浦條件下如圖2.9：1480nm泵浦的增益小于98Onm泵浦的增益，所以實際中一般采用980nm泵浦。但這是在我們所采用的以上參數(shù)下得出的結(jié)

17、論，不同類型的摻鉺光纖有不同的情況。也有1480nm泵浦比98Onm泵浦增益大的情況。1480nm泵浦不管是前向泵浦還是后向泵浦，噪聲指數(shù)都比980nm高，這是由鉺離子的能級結(jié)構(gòu)決定的，所以1480nm激光泵浦時，要注意噪聲指數(shù)的變化。為了使EDFA中雜質(zhì)粒子得到充分的激勵，可用多個泵浦源激勵光纖。幾個泵浦源可同時前向泵浦，同時后向泵浦，或同時進行前向泵浦和后向泵浦（稱為雙向泵浦）。雙向泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中也均勻分布。雙向泵浦的增益和噪聲指數(shù)都比單向泵浦好一些，如圖2.10.但雙向泵浦要比單向泵浦多一個泵浦源，提高了成本所以實際

18、中通常采用980nm正向泵浦。01即sc-HS欄I顓權(quán)轉(zhuǎn)阿圖2.8正向泵浦與反向泵浦的模擬性能比較圖2.9.980nm泵浦與1480nm泵浦模擬性能比較話201530V占74190IfiC.村片“<Hh/rwri圖2.10.雙向泵浦與單泵浦的性能比較最佳EDF長度：即在一定的泵浦功率下，不同的EDF長度有不同的增益譜峰值。圖2.11是EDFA的增益譜峰值隨摻鉺光纖(EDF)長度的變化曲線，由圖可看出，在Pm=lmW時，摻鉺光纖長度為5m-6m時有最大增益，而當(dāng)光纖長度大于6m后，增益逐漸減小。這是因為泵浦光激發(fā)基態(tài)粒子到上能級，通過受激輻射實現(xiàn)光信號放大，當(dāng)泵浦光沿著EDF傳輸時，因受激

19、吸收而不斷衰減，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷減少，當(dāng)長度超過最佳長度后，泵浦光就不能讓信號光得到充分的放大，同時信號光也被吸收，此時增益下降。圖2.11EDFA的增益譜峰值隨摻鉺光纖(EDF)長度的變化曲線2.2.2噪聲系數(shù)(F)EDFA的噪聲主要有信號光的噪聲、自發(fā)輻射(ASE)喜聲、ASE光與信號光之間的差拍噪聲以及ASE光譜間的差拍噪聲4種。以上4種噪聲中，后兩種影響最大，尤其第3種噪聲是決定EDFA性能的重要因素°EDFA的噪聲特性可以用噪聲系數(shù)F來衡量、為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值。它與同向傳播的ASE頻譜密度和EDFA的增益相關(guān)。現(xiàn)已證明，對于任何利用受激輻射進行放大的光放大器，其F最小值為3dB，這個極限被稱為噪聲系統(tǒng)的量子極限。對于980nm的泵浦，其F基本可達到該極限，數(shù)值為3.23.4dB；而l480nm的泵浦，F(xiàn)的典型值為46dB。2.3EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用為了滿足長