EDFA長(zhǎng)度優(yōu)化模型及泵浦模式差異分析

PAGE摘要EDFA是長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其工作性能是決定通信系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵，目前在實(shí)際運(yùn)用中EDFA并沒有完全發(fā)揮其應(yīng)有的性能，尤其是在DWDM和長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中，并沒有完全發(fā)揮其增益的性能或造成了EDFA性能的浪費(fèi)，使長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)沒有發(fā)揮出其應(yīng)有的性能。為了解決該問題，本課題針對(duì)DWDM光纖通信系統(tǒng)環(huán)境為基礎(chǔ)，建立仿真模型，分析泵浦光源功率、泵浦光源波長(zhǎng)變化，泵浦形式，信號(hào)光功率等參數(shù)對(duì)EDFA的性能的影響，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證優(yōu)化方案，為長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。本文主要從以下幾個(gè)方面展開研究:首先探究泵浦光源及泵浦形式對(duì)EDFA性能的影響，使用不同波長(zhǎng)的泵浦光，采用不同的泵浦方式測(cè)試EDFA性能，選擇場(chǎng)景最優(yōu)的泵浦光和泵浦方式。其次，探究信號(hào)光功率對(duì)EDFA的影響，建立數(shù)學(xué)模型，尋找限制條件下的最優(yōu)解。綜合分析對(duì)比上述因素，優(yōu)化EDFA設(shè)計(jì)，針對(duì)DWDM和長(zhǎng)距離多級(jí)聯(lián)光纖通信系統(tǒng)提出可行的最佳EDFA長(zhǎng)度優(yōu)化模型。關(guān)鍵詞EDFA；光纖通信系統(tǒng)；Optisystem仿真；DWDM；設(shè)計(jì)優(yōu)化AbstractEDFAisanimportantcomponentoflong-distanceopticalfibercommunicationsystems,anditsperformanceiscrucialtothequalityofthecommunicationsystem.However,inpracticalapplications,theEDFAhasnotfullydemonstrateditsperformance,especiallyinDWDMopticalfibercommunicationsystems,wherethegainperformanceoftheEDFAhasnotbeenfullyutilizedorhascausedwasteofEDFAperformance,resultinginthelong-distanceopticalfibercommunicationsystemnotachievingitsfullpotential.Toaddressthisissue,thisstudyfocusesontheDWDMandlong-distancecascadedopticalfibercommunicationsystemenvironment,establishesasimulationmodel,analyzestheeffectsofpumppower,pumpwavelengthchanges,pumpform,signalpower,andotherparametersontheperformanceofEDFA,designs,andverifiesoptimizationsolutions,providingareferencefortheoptimizationoflong-distanceopticalfibercommunicationsystems.Thispapermainlyinvestigatesthefollowingaspects:Firstly,theinfluenceofpumpsourcesandpumpformsontheperformanceofEDFAisstudied.Differentwavelengthsofpumpsourcesareused,anddifferentpumpingmethodsaretestedtodeterminethebestscenarioforpumpsourcesandpumpingmethods.Secondly,theinfluenceofsignalpowerontheperformanceofEDFAisinvestigated,andamathematicalmodelisestablishedtofindtheoptimalsolutionunderlimitingconditions.Bycomprehensivelyanalyzingandcomparingtheabovefactors,theEDFAdesignisoptimized,andafeasibleoptimalEDFAlengthoptimizationmodelisproposedforDWDMandlong-distancecascadedopticalfibercommunicationsystems.KeywordsErbium-DopedFiberAmplifier;opticalfibercommunicationsystem;Optisystemsimulation;DenseWavelengthDivisionMultiplexing;designoptimization目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1EDFA的放大原理 11.2EDFA的結(jié)構(gòu)及特性 11.2.1EDFA的基本結(jié)構(gòu) 11.2.2EDFA的三種結(jié)構(gòu) 21.2.3EDFA的特性 31.3EDFA的仿真 41.3.1Optisystem簡(jiǎn)介 41.3.2基于Optisystem7.0的仿真搭建 41.4研究背景及研究意義 61.5國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6第二章長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)EDFA的最佳長(zhǎng)度仿真 82.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 82.1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 82.1.2仿真數(shù)據(jù)處理 82.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析 92.2.1980nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 92.2.21480nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 122.2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 14第三章探究信號(hào)光波長(zhǎng)變化時(shí)的不同泵浦方式差異 153.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 153.1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 153.1.2仿真數(shù)據(jù)處理 153.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析 163.2.1980nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 163.2.21480nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 183.2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 21第四章探究信號(hào)光功率變化時(shí)的不同泵浦方式差異 224.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 224.1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 224.1.2仿真數(shù)據(jù)處理 224.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析 224.2.1980nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 224.2.21480nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 254.2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 27結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29致謝 30第一章緒論1.1EDFA的放大原理EDFA的放大原理是基于摻鉺光纖的增益特性。當(dāng)鉺離子摻雜在光纖中時(shí)，它們可以吸收特定波長(zhǎng)的光子，并將其激發(fā)到高能級(jí)。當(dāng)這些高能級(jí)的鉺離子退激發(fā)時(shí)，它們會(huì)釋放出能量并產(chǎn)生發(fā)射光子[1]。這個(gè)放大過程可以通過注入激光泵浦信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。光泵浦信號(hào)的波長(zhǎng)通常為980nm或1480nm，它們被注入到摻鉺光纖中，被吸收并將鉺離子激發(fā)到高能級(jí)。當(dāng)信號(hào)光子經(jīng)過摻鉺光纖時(shí)，它們會(huì)被鉺離子吸收，并被激發(fā)到高能級(jí)，然后在退激發(fā)時(shí)產(chǎn)生更多的發(fā)射光子。這些發(fā)射光子與原始信號(hào)光子相互作用，從而產(chǎn)生放大效果。需要注意的是，EDFA的放大增益受到飽和效應(yīng)和放大帶寬的限制。為了最大限度地提高放大效果，需要優(yōu)化摻鉺光纖的參數(shù)，如摻雜濃度、摻雜長(zhǎng)度和波長(zhǎng)等[2]。同時(shí)，還需要控制光泵浦功率和波長(zhǎng)，以避免飽和效應(yīng)和光纖非線性效應(yīng)的影響。1.2EDFA的結(jié)構(gòu)及特性1.2.1EDFA的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，EDFA主要由摻鉺光纖(Er-dopedFiber)、泵浦光源(pumplaser)、光濾波器(filter)、光隔離器(ISO)和波分復(fù)用器(WDM)五個(gè)部分組成[3]。圖1-SEQ圖1—\*ARABIC1EDFA結(jié)構(gòu)示意圖摻鉺光纖是EDFA的核心組成部分，用來放大信號(hào)的主體。摻鉺光纖內(nèi)摻入鉺離子,鉺離子的基態(tài)能級(jí)與信號(hào)光子能量匹配，可以提供光子放大的作用。其摻雜濃度、長(zhǎng)度等參數(shù)決定了EDFA的性能。當(dāng)泵浦光源的波長(zhǎng)與鉺離子的共振波長(zhǎng)相匹配時(shí)，鉺離子會(huì)被激發(fā)到高能級(jí)并在退激發(fā)時(shí)放出能量，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。摻鉺光纖的增益系數(shù)與摻雜濃度、激發(fā)光泵浦功率和摻雜長(zhǎng)度等因素有關(guān)。泵浦光源通常采用波長(zhǎng)為980nm或1480nm的半導(dǎo)體激光器，用于提供足夠強(qiáng)度的激光光來激發(fā)鉺離子,使其升至激發(fā)態(tài)。常見的泵浦激光有GaAs半導(dǎo)體激光器和Nd:YAG激光器。光濾波器主要用于過濾雜散波長(zhǎng)，以避免對(duì)放大信號(hào)的干擾。EDFA的光放大器通常只放大特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)，因此需要使用光濾波器來過濾掉其他波長(zhǎng)的信號(hào)，確保放大信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。常用的有波長(zhǎng)選擇濾波器和調(diào)制搭配濾波器。光隔離器主要用于在光信號(hào)傳輸路徑上實(shí)現(xiàn)單向傳播，抑制反向光信號(hào)。在EDFA中起到屏蔽反向光干擾，保護(hù)光源和接收器，提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵作用。波分復(fù)用器可以將多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)合并成一個(gè)復(fù)合光信號(hào)，從而在同一根光纖中傳輸多個(gè)信號(hào)，以提高光纖的利用率。1.2.2EDFA的三種結(jié)構(gòu)前向泵浦（也稱同向泵浦）、后向泵浦（也稱反向泵浦）以及雙向泵浦是目前EDFA采用的三種主流泵浦方式，下面對(duì)這三種泵浦方式進(jìn)行說明。圖1-2前向泵浦如圖1-2可以看出前向泵浦的結(jié)構(gòu)是直接將激光從摻鉺光纖的輸入端接入，這種結(jié)構(gòu)最為直接且不需要額外的光纖組件。由于激光僅從光纖一段接入，前向泵浦的利用效率較低。前向泵浦下，泵浦激光只激活光纖輸入端附近的鉺離子，而輸出端的鉺離子不能得到有效激發(fā)，這就使得前向泵浦的放大效率比后向或雙向泵浦更低。圖1-3后向泵浦如圖1-3所示，后向泵浦的原理是將泵浦激光器安裝在需要放大的信號(hào)通過后的光纖輸出端，再將泵浦激光引入放大光纖。由于信號(hào)是從激光泵浦器這一端傳出的，所以稱為后向泵浦。區(qū)別于前向泵浦，后向泵浦的泵浦激光會(huì)從輸出端進(jìn)入鉺光纖，沿整個(gè)鉺光纖傳播，能激發(fā)整個(gè)鉺光纖上的所有鉺離子。因此后向泵浦可以產(chǎn)生比前向泵浦更多更寬的譜線增益，使得后向泵浦的放大帶寬也更寬。圖1-4反向泵浦從圖1-4可以看出，雙向泵浦指的是在EDFA放大器的輸入端和輸出端同時(shí)設(shè)置泵浦激光的方法。與后向泵浦相似，雙向泵浦可以讓整個(gè)光纖上的鉺原子都能獲得有效的激發(fā)。但與僅采用后向泵浦相比，雙向泵浦同時(shí)利用輸入端和輸出端兩路泵浦，進(jìn)一步提高了放大效率。通常情況下，雙向泵浦的放大效率可比后向泵浦高10%~30%。缺點(diǎn)是在放大信號(hào)的同時(shí)，噪聲也得到了放大[4]。綜上所述，不同的泵浦方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同的泵浦方式。在實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)綜合考慮泵浦能量、泵浦效率、光纖損傷和激光的光譜和時(shí)間特性等因素，來選擇最適合的泵浦方式。同時(shí)，泵浦方式也可以與波長(zhǎng)分復(fù)用、脈沖調(diào)制等技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步提高激光器的性能和應(yīng)用范圍。1.2.3EDFA的特性1.增益特性：EDFA的增益特性是其最主要的性能特性之一。EDFA的增益通常在1550納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，具有高增益、寬帶寬、低噪聲等特點(diǎn)。2.噪聲特性：EDFA的噪聲特性是指其在放大信號(hào)的過程中會(huì)引入噪聲，影響信號(hào)的質(zhì)量。EDFA的噪聲特性通常用噪聲系數(shù)來描述，噪聲系數(shù)越小，表示EDFA的噪聲特性越好。EDFA的噪聲主要來自于自發(fā)輻射光譜和信號(hào)光之間的拍頻噪聲。3.飽和輸出功率特性：隨著輸入光功率的不斷增加，EDFA的輸出功率不會(huì)無限制的增加，而是會(huì)逐漸飽和。4.響應(yīng)時(shí)間特性：EDFA的響應(yīng)時(shí)間特性是指其在接收到輸入信號(hào)后需要多長(zhǎng)時(shí)間才能輸出穩(wěn)定的放大信號(hào)。EDFA的響應(yīng)時(shí)間通常在微秒級(jí)別，響應(yīng)時(shí)間越短，表示EDFA的快速響應(yīng)能力越好[5]。1.3EDFA的仿真1.3.1Optisystem簡(jiǎn)介Optisystem是一款由加拿大Optiwave公司開發(fā)的光纖通信系統(tǒng)仿真軟件，用于設(shè)計(jì)、模擬和分析光通信系統(tǒng)中的光學(xué)組件，以及各種光傳輸協(xié)議、光調(diào)制技術(shù)和光信號(hào)處理算法。該軟件采用基于圖形化界面的用戶友好設(shè)計(jì)，使得用戶可以快速地構(gòu)建和模擬復(fù)雜的光纖通信系統(tǒng)，并且可以進(jìn)行可視化的結(jié)果分析。Optisystem提供了豐富的光學(xué)組件庫(kù)，包括光纖、光放大器、光調(diào)制器、光檢測(cè)器、光衰減器、光濾波器、光波導(dǎo)等。用戶可以通過拖拽和放置組件來構(gòu)建各種光通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可以通過設(shè)置各種參數(shù)和屬性來對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。除此之外，Optisystem還提供了多種光學(xué)仿真工具，如波導(dǎo)模擬器、模式分析器、光譜分析器、光束傳輸模擬器等，使得用戶可以對(duì)光學(xué)組件和光學(xué)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的分析和優(yōu)化。用戶還可以使用Optisystem內(nèi)置的算法進(jìn)行信號(hào)處理，如調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼、調(diào)制格式轉(zhuǎn)換等[6]。Optisystem在光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模擬和優(yōu)化等方面應(yīng)用廣泛，因其光學(xué)組件庫(kù)豐富、光學(xué)仿真工具多樣、支持多種光學(xué)仿真、強(qiáng)大的信號(hào)處理算法等特點(diǎn)，多被用于光通信系統(tǒng)的性能分析、信號(hào)傳輸和處理、光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等。同時(shí)，Optisystem也被廣泛用于教學(xué)和研究領(lǐng)域，提供模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，使得學(xué)生和研究人員可以進(jìn)行光學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)。1.3.2基于Optisystem7.0的仿真搭建本實(shí)驗(yàn)選用Optisystem的主流版本Optisystem7.0對(duì)EDFA進(jìn)行仿真。基于EDFA的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)三種主流泵浦方式進(jìn)行了仿真。參考泵浦結(jié)構(gòu)原理圖1-2、圖1-3和圖1-4，從器件庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)器件在工程文件中還原各泵浦模式下EDFA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并連接器件，得到如圖1-5、圖1-6和圖1-7的三張仿真原理圖。圖1-5前向泵浦仿真原理圖圖1-6后向泵浦仿真原理圖圖1-7雙向泵浦仿真原理圖仿真時(shí)，除了必要的EDFA器件，如泵浦激光源、信號(hào)激光源、摻鉺光纖等之外，還使用了兩種觀測(cè)器件，分別為光譜分析儀（OpticalSpectrumAnalyaer）和雙端口波分復(fù)用分析儀（DualPortWDMAnalyzer）。其中光譜分析儀可以直接以圖形展示摻鉺光纖的自發(fā)輻射譜線所產(chǎn)生的噪聲和信號(hào)光波長(zhǎng)系數(shù)，并通過采樣功能觀察輸入信號(hào)經(jīng)過摻鉺光纖增益之后的圖形。波分復(fù)用儀則直接給出分析數(shù)據(jù)，得到增益、噪聲系數(shù)等EDFA性能參數(shù)的具體值。本實(shí)驗(yàn)主要利用雙端口波分復(fù)用儀對(duì)EDFA的兩大性能指標(biāo)——噪聲系數(shù)和增益進(jìn)行分析，并輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于光路稍微復(fù)雜的后向泵浦和雙向泵浦，為了使運(yùn)行后能輸出正確的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)使用了Optisystem的延遲和迭代功能。同時(shí)針對(duì)變量參數(shù)，使用了Optisystem的掃描功能。此時(shí)需要注意需要對(duì)應(yīng)在雙端口波分復(fù)用儀的信號(hào)索引（SingalIndex）中進(jìn)行調(diào)整，以得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]。此外，和實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)際的EDFA所不同，仿真實(shí)驗(yàn)中有一些雙端口器件，會(huì)存在無用的輸入端或者輸出端，此時(shí)需要注意在工具庫(kù)中尋找接地器件和零輸入器件。1.4研究背景及研究意義EDFA是長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其工作性能是決定通信系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵，目前在實(shí)際運(yùn)用中EDFA并沒有完全發(fā)揮其應(yīng)有的性能，尤其是在DWDM和長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中，并沒有完全發(fā)揮其增益的性能或造成了EDFA性能的浪費(fèi)，使長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)沒有發(fā)揮出其應(yīng)有的性能。摻鉺光纖放大器（Erbium-dopedfiberamplifier，簡(jiǎn)稱EDFA），是在石英光纖中摻雜微量的鉺離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下，使三價(jià)鉺離子的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)與基態(tài)能級(jí)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而在信號(hào)光通過時(shí)發(fā)生受激輻射實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。摻鉺光纖放大器在大容量、長(zhǎng)距離的通信傳輸中表現(xiàn)良好，從根本上推動(dòng)了現(xiàn)代光纖通信的發(fā)展。光纖通信系統(tǒng)，尤其是長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)，在廣電網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)、軍事領(lǐng)域、傳統(tǒng)通信等各方面應(yīng)用廣泛[8]。與其他中繼系統(tǒng)相比，EDFA由于其效率高、噪聲低、頻帶寬、增益高等特點(diǎn)，與其他光電中繼器相比就有顯著優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用十分廣泛。充分發(fā)揮EDFA系統(tǒng)的性能，能顯著提高光纖通信系統(tǒng)的效能，提高效益。目前專業(yè)領(lǐng)域主要聚焦于對(duì)長(zhǎng)距離光纖系統(tǒng)中的EDFA開展應(yīng)用分析、提升速率邊界、傳輸損耗等研究，但長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中的EDFA的運(yùn)行性能還收受多方面影響（如泵浦光源功率、泵浦光源波長(zhǎng)變化，泵浦形式，信號(hào)光功率等參數(shù)），因此EDFA長(zhǎng)度優(yōu)化的研究仍需深入。由于EDFA的各參數(shù)將影響到EDFA的工作效率，進(jìn)而影響到長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的整體性能，因此，如何設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)，優(yōu)化EDFA參數(shù)，在尋找限制條件下的最優(yōu)解以提高系統(tǒng)的整體性能，成為了值得研究的一個(gè)課題。1.5國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀人類信息歷史可以追溯到數(shù)千年前，但隨著技術(shù)的發(fā)展，信息傳遞的方式也在不斷改進(jìn)。光通信便是其中的一項(xiàng)重要技術(shù)，傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)采用光-電-光結(jié)構(gòu)，即將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，再通過光纖傳輸，然后再將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。不過，這種系統(tǒng)存在著信號(hào)衰減和傳輸距離限制等問題，制約了其應(yīng)用。然而，隨著光放大器的出現(xiàn)，光通信迎來了全新的面貌和突破發(fā)展。光放大器是一種通過放大光信號(hào)的強(qiáng)度來增強(qiáng)光信號(hào)的設(shè)備。1985年，英國(guó)南漢普頓大學(xué)發(fā)明了EDFA，可以在不需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的情況下，直接增強(qiáng)光信號(hào)的強(qiáng)度，提高傳輸?shù)木嚯x和速率，同時(shí)還可以減少信號(hào)衰減和失真[9]。EDFA的問世和后續(xù)研究，給光通信技術(shù)帶來了全新的面貌和新的發(fā)展機(jī)遇。EDFA是一種高效率、低噪聲、廣帶寬、增益大的光放大器，同時(shí)還可以在不同波長(zhǎng)通道之間進(jìn)行信號(hào)放大，從而實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用和多路解復(fù)用，可以大量應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中[10]。我國(guó)自1990年代開始研究EDFA，盡管起步較晚，但隨著以武漢郵電科學(xué)研究院、電子科技大學(xué)、華為、中興等為代表科研單位和企業(yè)研制出了一系列高效、低成本、高可靠性的EDFA高新技術(shù)與產(chǎn)品，配合國(guó)家政策傾斜，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的快速崛起，不斷推動(dòng)著光通信技術(shù)的發(fā)展[11][12]。光纖通信系統(tǒng)作為光通信技術(shù)的核心，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。然而，光纖通信系統(tǒng)在長(zhǎng)距離傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸和傳輸損耗等方面仍然存在一些技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行深入研究和探索。本論文旨在研究長(zhǎng)距離光纖系統(tǒng)中的EDFA（摻鉺光纖放大器）的應(yīng)用分析、提升速率邊界、降低傳輸損耗等方面的問題。EDFA作為光纖通信系統(tǒng)中最常用的放大器之一，具有放大范圍廣、放大增益高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。然而，EDFA在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題，例如受到泵浦光源功率、泵浦光源波長(zhǎng)變化、泵浦形式、信號(hào)光功率等因素的影響，從而影響其性能表現(xiàn)。為了解決這些問題，我們將結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，深入探究EDFA的性能及優(yōu)化方案。同時(shí)，為了提高研究效率和降低成本，我們將采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，利用OptiSystem這一光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)光通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。第二章長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)EDFA的最佳長(zhǎng)度仿真EDFA作為一種廣泛用于光通信系統(tǒng)中的光放大器，其放大性能受到許多因素的影響，其中包括摻鉺光纖的長(zhǎng)度。最佳長(zhǎng)度仿真可以通過計(jì)算和比較不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖對(duì)光信號(hào)的增益和噪聲性能的影響，來確定最佳的摻鉺光纖長(zhǎng)度。2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)選用主流的兩種激光泵浦波長(zhǎng)，分別為980nm和1480nm。在仿真原理圖1-5、圖1-6、圖1-7的基礎(chǔ)上設(shè)置變量參數(shù)，并運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)摻鉺光纖長(zhǎng)度仿真范圍為1-20m的長(zhǎng)度區(qū)間，以此作為變量參數(shù)，利用Optisystem中的掃描功能設(shè)置20層掃描，使用Linear功能讓參數(shù)在給定的1-20m內(nèi)線性變化，對(duì)不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖進(jìn)行仿真測(cè)試。由于本次仿真僅針對(duì)長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行變量測(cè)試，因此其余的影響因素均設(shè)置為典型值。其中主要性能影響參數(shù)設(shè)置為如下典型值：信號(hào)光波長(zhǎng)為1550nm，信號(hào)光功率為-20dB，泵浦光分別選用980nm和1480nm，泵浦激光功率設(shè)置為100mW。同時(shí)，針對(duì)光路圖稍微復(fù)雜的后向泵浦和雙向泵浦設(shè)置值為6的延時(shí)迭代，以得到最佳仿真數(shù)據(jù)。2.1.2仿真數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完成后，運(yùn)行工程文件，等待運(yùn)行完成并在觀測(cè)器件中查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用Optisystem中的report功能繪制基于長(zhǎng)度線性變化的最大增益值、噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)表。首先選取信號(hào)光的線性變化值，再選取雙端口波分復(fù)用分析儀中結(jié)果一欄中的Max.Gain結(jié)果值和NoiseFigure結(jié)果值，依次拖拽到圖表中，并使用仿真數(shù)據(jù)結(jié)果繪制基于數(shù)據(jù)的平滑曲線圖，更直觀地對(duì)不同長(zhǎng)度以及不同泵浦方式下不同的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了得到摻鉺光纖長(zhǎng)度的最佳值，實(shí)驗(yàn)中選用了Optisystem的單變量參數(shù)優(yōu)化功能進(jìn)行再次仿真。圖4-1單變量參數(shù)優(yōu)化功能示意圖如圖4-1所示，選中運(yùn)行中的Optimizations選項(xiàng)卡，為了得到最為精確得仿真結(jié)果，取結(jié)果容忍度為0.1，設(shè)置優(yōu)化項(xiàng)目為摻鉺光纖長(zhǎng)度，并利用雙端口波分復(fù)用分析儀中的增益數(shù)據(jù)作為優(yōu)化指標(biāo)，再次運(yùn)行后得到了最佳的摻鉺光纖長(zhǎng)度數(shù)值。2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析2.2.1980nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2-1、表2-2、表2-3所示，其中Length為摻鉺光纖長(zhǎng)度，單位是m。Max.Gain是雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的最大增益結(jié)果，NoiseFigure為雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的噪聲系數(shù)，兩者的單位為dB。表2-1980nm前向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Length(m)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)110.87062.9072221.39793.11724329.23493.30376432.48843.6045533.62613.81546633.98393.93048734.00353.99018833.86384.02213933.64434.04041033.37784.051941133.07584.060191232.74054.066861332.36974.072861431.95874.078651531.5014.084461630.98874.090371730.4124.096351829.75944.102271929.01694.107982028.16784.1133從表2-1中可以看出，以摻鉺光纖長(zhǎng)度作為變化參量時(shí)，增益在1-7m內(nèi)逐漸增大，在5m處左右進(jìn)入增益飽和區(qū)，并在7m處得到最佳增益為34.0035dB，隨后增益隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸減小。說明摻鉺光纖在7m附近存在最佳長(zhǎng)度。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大而增大，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，980nm前向泵浦激光下的摻鉺光纖最佳長(zhǎng)度為6.59412m。表2-2980nm后向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Length(m)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)110.87642.90206221.40373.11642329.25143.37793432.60774.09043533.97925.01528634.63375.98119734.91396.99003834.92168.09297934.69719.320261034.263710.66221133.635612.09451232.814313.60561331.781815.21051430.502916.94851528.922918.88271626.956221.11041724.465723.78141821.249427.11041917.042631.37772011.644636.8016從表2-2中可以看出，以摻鉺光纖長(zhǎng)度作為變化參量時(shí)，增益在1-8m內(nèi)依然呈逐漸增大趨勢(shì)，5m處同樣進(jìn)入增益飽和區(qū)，并在8m處得到增益最大值為34.9216dB，獲得了更大的增益，隨后增益隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而快速下降。說明摻鉺光纖在8m附近存在最佳長(zhǎng)度，且增加過度增加光纖長(zhǎng)度會(huì)嚴(yán)重影響后向泵浦模式EDFA的增益效果。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大快速增長(zhǎng)。同時(shí)，根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，980nm后向泵浦激光下的摻鉺光纖最佳長(zhǎng)度為7.70294m。表2-3980nm雙向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Length(m)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)111.0362.88959221.88483.08726330.75343.26252434.86823.71624536.57994.12194637.53614.3165738.12894.34704838.46924.30765938.63074.262061038.67474.231291138.6464.216121238.5714.212471338.46424.216621438.33254.226251538.17884.239931638.00364.256931737.80614.27681837.58434.299311937.3364.324252037.05854.35152從表2-3中可以看出，以摻鉺光纖長(zhǎng)度作為變化參量時(shí)，增益在1-10m內(nèi)逐漸增大，在5m附近進(jìn)入增益飽和區(qū)，并在10m處增益最大值為38.6747dB，隨后增益隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸減小。說明摻鉺光纖在10m附近存在最佳長(zhǎng)度。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大緩慢增大，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，980nm雙向泵浦激光下的摻鉺光纖最佳長(zhǎng)度為9.97058m。2.2.21480nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2-3、表2-4、表2-5所示，其中Length為摻鉺光纖長(zhǎng)度，單位是m。Max.Gain是雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的最大增益結(jié)果，NoiseFigure為雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的噪聲系數(shù)，兩者的單位為dB。表2-41480前向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Length(m)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)16.353973.54514212.68984.08005318.95384.20531424.93094.25596530.00774.32574633.46934.44533735.40614.5794836.36444.69149936.75694.77761036.83634.844051136.73654.899351236.5314.948681336.25694.995051435.93115.040151535.55965.084871635.14225.129651734.67565.174561834.15425.219441933.57095.263932032.91775.30748從表2-4中可以看出，以摻鉺光纖長(zhǎng)度作為變化參量時(shí)，增益在1-9m內(nèi)逐漸增大，在7m處進(jìn)入飽和區(qū)，并在9m處增益最大值為36.7569dB，隨后增益隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸減小。說明摻鉺光纖在9m附近存在最佳長(zhǎng)度。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大逐漸增大，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，1480nm前向泵浦激光下的摻鉺光纖最佳長(zhǎng)度為9.85534m。表2-51480nm后向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Length(m)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)16.354543.54476212.69044.08028318.95444.20693424.93164.26235530.01084.35745633.49824.58193735.51044.96953836.60255.5016937.15626.180461037.36177.030921137.32778.054761237.10799.211731336.742210.44141436.242811.69611535.624612.9551634.886314.21751734.021715.49431833.031416.80221931.905818.16092030.63719.5912從表2-5中可以看出，以摻鉺光纖長(zhǎng)度作為變化參量時(shí)，增益在1-10m內(nèi)逐漸增大，在7m處進(jìn)入飽和區(qū)，并在10m處增益最大值為37.3617dB，隨后增益隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸減小。說明摻鉺光纖在10m附近存在最佳長(zhǎng)度。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大快速增大，噪聲指數(shù)的變化范圍較大。同時(shí)，根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，1480nm后向泵浦激光下的摻鉺光纖最佳長(zhǎng)度為10.375m。表2-61480nm雙向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Length(m)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)17.9123.28862215.35893.689322.35773.78421428.64413.83143533.43313.90964636.33824.05702737.95824.22171838.87764.3379939.39694.388511039.66824.394611139.78444.384181239.80334.375031339.75994.374161439.67374.382861539.55534.400481639.40924.426141739.23724.459011839.03874.498811938.81214.545382038.55434.59967從表2-6中可以看出，以摻鉺光纖長(zhǎng)度作為變化參量時(shí)，增益在1-12m內(nèi)逐漸增大，在7m處進(jìn)入飽和區(qū)，并在12m處增益最大值為39.8033dB，隨后增益隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸減小。說明摻鉺光纖在12m附近存在最佳長(zhǎng)度。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大逐漸增大，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，1480nm雙向泵浦激光下的摻鉺光纖最佳長(zhǎng)度為11.6838m。2.2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析從2.2.1和2.2.2的數(shù)據(jù)中可以看出，不論何種泵浦方式，皆存在一個(gè)增益飽和區(qū)，符合EDFA的放大增益效果受到飽和效應(yīng)的特征。這是由于EDFA的增益特性與電子受激輻射有關(guān)，當(dāng)光子數(shù)目達(dá)到一定程度時(shí)，激發(fā)的電子數(shù)目趨向于飽和，增益增加的速度便會(huì)降低，最終達(dá)到飽和。當(dāng)長(zhǎng)度進(jìn)一步增加時(shí)，激發(fā)的電子數(shù)目達(dá)到一定程度時(shí)，增益開始下降。泵浦激光為980nm時(shí)增益飽和區(qū)為5m-10m附近，泵浦激光為1480nm時(shí)增益飽和區(qū)為7m-12m附近。根據(jù)單變量參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，可見1480nm的泵浦激光為達(dá)到最佳增益效果，所需摻鉺光纖長(zhǎng)度更長(zhǎng)。此外，后向泵浦產(chǎn)生的噪聲最大，增加幅度也比較劇烈，但噪聲都是隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加而增加。這是因?yàn)镋DFA中噪聲的主要來源是放大自發(fā)輻射所產(chǎn)生的噪聲，并且自發(fā)輻射的噪聲會(huì)隨著光信號(hào)的傳遞一起傳遞，一起放大。第三章探究信號(hào)光波長(zhǎng)變化時(shí)的不同泵浦方式差異EDFA作為一種光纖放大器，用于放大輸入光信號(hào)，使其在傳輸過程中不會(huì)衰減。信噪比是體現(xiàn)EDFA放大信號(hào)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)選用主流的兩種激光泵浦波長(zhǎng)，分別為980nm和1480nm。在仿真原理圖1-5、圖1-6、圖1-7的基礎(chǔ)上設(shè)置變量參數(shù)，并運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)信號(hào)光波長(zhǎng)變化1525nm-1570nm的變化區(qū)間，以此作為變量參數(shù)，利用Optisystem中的掃描功能設(shè)置20層掃描，使用Linear功能讓信號(hào)光波長(zhǎng)在給定的1525nm-1570nm內(nèi)做線性變化，對(duì)不同波長(zhǎng)的信號(hào)光進(jìn)行仿真測(cè)試。由于本次仿真僅針對(duì)信號(hào)光進(jìn)行變量測(cè)試，因此其余的影響因素均設(shè)置為典型值。其中主要性能影響參數(shù)設(shè)置為如下典型值：信號(hào)光功率為-20dB，泵浦光分別選用980nm和1480nm，泵浦激光功率設(shè)置為100mW。在仿真實(shí)驗(yàn)中，摻鉺光纖的長(zhǎng)度繼承上一實(shí)驗(yàn)單變量參數(shù)優(yōu)化后的最佳長(zhǎng)度。同時(shí)，針對(duì)光路圖稍微復(fù)雜的后向泵浦和雙向泵浦設(shè)置值為6的延時(shí)迭代，以得到最佳仿真數(shù)據(jù)。3.1.2仿真數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完成后，運(yùn)行工程文件，等待運(yùn)行完成并在觀測(cè)器件中查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用Optisystem中的report功能繪制基于波長(zhǎng)線性變化的最大增益值、噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)表。首先選取信號(hào)光波長(zhǎng)的線性變化值，再選取雙端口波分復(fù)用分析儀中結(jié)果一欄中的Max.Gain結(jié)果值和NoiseFigure結(jié)果值，依次拖拽到圖表中，并使用仿真數(shù)據(jù)結(jié)果繪制基于數(shù)據(jù)的平滑曲線圖，更直觀地對(duì)不同信號(hào)光波長(zhǎng)以及不同泵浦方式下不同的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析3.2.1980nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3-1、表3-2、表3-3所示，其中Wavelength為信號(hào)光波長(zhǎng)，單位是nm。Max.Gain是雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的最大增益結(jié)果，NoiseFigure為雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的噪聲系數(shù)，兩者的單位為dB。SNR為信噪比，是增益和噪聲系數(shù)二者的比值。在EDFA中，信噪比是衡量EDFA輸出信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，信噪比越大證明EDFA所輸出的信號(hào)能在放大盡量大的同時(shí)做到噪聲盡量低，輸出信號(hào)的損失小，又得到了較大的放大倍數(shù)。表3-1980nm前向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Wavelength(nm)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)SNR152530.60534.523586.7657251527.3734.25893.1253910.961481529.7435.7362.4252414.735041532.1136.1243.695269.7757671534.4735.70634.744547.5257661536.8434.41944.232968.1312841539.2133.41154.422277.5552831541.5833.544.019748.3438231543.9533.934.08538.3053881546.3234.08523.958218.6112661548.6834.06183.974518.5700631551.0533.99293.957728.5890111553.4233.87044.010028.4464421555.7933.73923.978628.4801261558.1633.47283.944858.485191560.5332.77414.233367.7418651562.8931.38123.975367.8939271565.2629.51134.334346.8087181567.6327.25984.735725.75621157024.67324.006116.158892從表3-1中可以看出，以信號(hào)光波長(zhǎng)作為變化參量時(shí)，增益在1525nm-1535nm內(nèi)逐漸增大，增益飽和區(qū)為1527nm-1560nm，并在1532.11nm處得到最大增益值為36.124dB，隨后增益隨著信號(hào)光波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸減小。而噪聲系數(shù)則是隨摻鉺光纖的長(zhǎng)度增大而增大，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。信噪比則是在1529.74nm處達(dá)到最佳放大效果，此時(shí)信噪比的值為14.73504。以上數(shù)據(jù)說明當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)在1530nm附近時(shí)，前向泵浦模式EDFA存在最優(yōu)信噪比。此時(shí)，信號(hào)放大的同時(shí)保持了較高的質(zhì)量。表3-2980nm后向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Wavelength(nm)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)SNR152527.740712.7752.1714831527.3732.374712.0052.6967681529.7434.76111.5753.003111532.1135.552812.48062.8486451534.4735.286112.4382.8369591536.8434.123710.3163.3078421539.2133.31959.64973.4529051541.5833.72318.859653.8063691543.9534.3658.646013.9746661546.3234.72718.239094.2149191548.6834.88457.956354.3844851551.0534.98247.618424.5918181553.4235.01257.40324.7293741555.7935.02117.122924.9166771558.1634.88796.809185.1236571560.5334.2936.818635.0293091562.8932.90726.213875.2957661565.2630.97186.336654.8877251567.6328.63676.553074.369967157025.96115.580074.652469從表3-2中可以看出，以信號(hào)光波長(zhǎng)作為變化參量時(shí)，增益在1525nm-1563nm內(nèi)逐漸增大，增益飽和區(qū)為1530nm-1562nm，并在1558.16nm處得到最大增益值為37.778dB，隨后增益隨著信號(hào)光波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸減小。而噪聲系數(shù)則是隨信號(hào)光波長(zhǎng)的增大而減小，噪聲指數(shù)的變化區(qū)間較大。信噪比同樣在1558.16nm處達(dá)到最佳放大效果，此時(shí)信噪比的值為5.123657。表3-3980nm雙向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Wavelength(nm)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)SNR152529.437.06024.1684371527.3735.07044.9777.0464941529.7437.88823.3446811.32791532.1138.8054.558628.5124451534.4738.62195.438917.1010371536.8437.68935.140787.3314361539.2137.13515.166117.1882131541.5837.58614.474928.3992791543.9538.15844.575998.3388291546.3238.46934.237699.0778941548.6838.61574.109619.3964391551.0538.7094.190959.2363311553.4238.75254.143569.3524651555.7938.77914.012399.6648381558.1638.7294.088879.471811560.5338.44674.38668.7645781562.8937.69794.244968.8806251565.2636.31224.754137.6380331567.6334.1065.358936.36433157031.16814.594936.78315從表3-3中可以看出，以信號(hào)光波長(zhǎng)作為變化參量時(shí)，增益飽和區(qū)為1527nm-1560nm，并在1532.11nm處得到最大增益值為38.805dB。在增益飽和區(qū)后，增益隨著信號(hào)光波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸減小。而噪聲系數(shù)則是隨信號(hào)光波長(zhǎng)的增大逐漸減小，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。信噪比則是在1555.79nm處達(dá)到最佳放大效果，此時(shí)信噪比的值為11.32789。以上數(shù)據(jù)說明當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)在1558nm附近時(shí)，前向泵浦模式EDFA存在最優(yōu)信噪比。此時(shí)，在信號(hào)放大的同時(shí)保持了較高的質(zhì)量。3.2.21480nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3-4、表3-5、表3-6所示，其中Wavelength為信號(hào)光波長(zhǎng)，單位是nm。Max.Gain是雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的最大增益結(jié)果，NoiseFigure為雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的噪聲系數(shù)，兩者的單位為dB。SNR為信噪比，是增益和噪聲系數(shù)二者的比值。在EDFA中，信噪比是衡量EDFA輸出信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，信噪比越大證明EDFA所輸出的信號(hào)能在放大盡量大的同時(shí)做到噪聲盡量低，輸出信號(hào)的損失小，又得到了較大的放大倍數(shù)。表3-41480nm前向泵浦長(zhǎng)度優(yōu)化數(shù)據(jù)表Wavelength(nm)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)SNR152526.08797.243253.6016841527.3731.93425.757015.5470111529.7435.36944.541847.7874611532.1136.62115.772616.3439411534.4736.4456.439465.6596361536.8435.33655.926755.9622051539.2134.73875.790895.9988531541.5835.32565.122476.8962041543.9536.07515.242416.8813961546.3236.51634.891867.4647071548.6836.74634.725277.776551551.0536.90834.771697.7348491553.4237.00224.678817.9084641555.7937.07064.509088.2213221558.1637.03084.54758.1431121560.5336.66894.774147.6807341562.8935.75054.577077.8107831565.2634.30394.959366.9170011567.6332.25435.423615.947017157029.58124.625316.395506從表3-4中可以看出，當(dāng)選擇信號(hào)光波長(zhǎng)作為變化參量時(shí)，增益飽和區(qū)為1530nm-1560nm，并在1555.79nm處得到最大增益值為37.006dB。在增益飽和區(qū)后，增益隨著信號(hào)光波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸減小。而噪聲系數(shù)則是隨信號(hào)光波長(zhǎng)的增大逐漸減小，噪聲指數(shù)的變化區(qū)間為3dB內(nèi)，尚可接受。信噪比則是在1555.79nm處達(dá)到最佳放大效果，此時(shí)信噪比的值為8.221322。以上數(shù)據(jù)說明當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)在1555nm附近時(shí)，EDFA存在最優(yōu)信噪比。此時(shí)，信號(hào)放大的同時(shí)保持了較高的質(zhì)量。表3-51480nm后向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Wavelength(nm)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)SNR152524.415112.74781.915241527.3730.456211.59192.6273691529.7434.497810.5833.2597371532.1136.179911.48463.1502971534.4736.175611.48563.1496481536.8435.15629.945493.5348891539.2134.68319.284693.7355151541.5835.45818.378674.2319491543.9536.36838.29844.3825681546.3236.92187.777994.7469591548.6837.23827.429075.0124981551.0537.47277.25355.1661541553.4237.63016.998165.3771421555.7937.75476.67655.6548641558.1637.77836.521015.793321560.5337.50316.563895.7135481562.8936.64236.102026.0049461565.2635.13776.295095.5817631567.6332.96656.602044.993381157030.18625.616065.374978從表3-5中可以看出，以信號(hào)光波長(zhǎng)作為變化參量時(shí)，增益在1525nm-1560nm內(nèi)逐漸增大，增益飽和區(qū)為1530nm-1560nm，并在1558.16nm處得到最大增益值為37.778dB，隨后增益隨著信號(hào)光波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸減小。而噪聲系數(shù)則是隨信號(hào)光波長(zhǎng)的增大而減小，噪聲指數(shù)的變化區(qū)間較大。信噪比同樣在1558.16nm處達(dá)到最佳放大效果，此時(shí)信噪比的值為6.004946。表3-61480nm雙向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Wavelength(nm)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)SNR152525.46749.258982.7505621527.3735.07044.9777.0464941529.7436.92254.802267.6885671532.1138.72355.593346.9231441534.4738.74376.193046.2560071536.8437.7935.997356.3016171539.2137.38685.86636.3731481541.5838.16234.920527.7557451543.9538.98974.946327.8825671546.3239.45524.434968.8964051548.6839.70264.187339.4816031551.0539.8734.306479.2588591553.4239.97724.181889.5596241555.7940.05293.9813910.060031558.1640.05454.118779.7248691560.5339.86014.391079.0775371562.8939.29344.323369.0886261565.2638.17164.897097.7947521567.6336.15555.629676.422312157031.16814.594936.78315從表3-5中可以看出，以信號(hào)光波長(zhǎng)作為變化參量時(shí)，增益在1525nm-1558nm內(nèi)逐漸增大，增益飽和區(qū)為1530nm-1560nm，并在1558.16nm處得到最大增益值為40.0545dB，隨后增益隨著信號(hào)光波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸減小。而噪聲系數(shù)則是隨信號(hào)光波長(zhǎng)的增大而減小，噪聲指數(shù)的變化區(qū)間較大。信噪比在1555.79nm處達(dá)到最佳放大效果，此時(shí)信噪比的值為10.06003。3.2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析從3.2.1和3.2.2的數(shù)據(jù)中，可以看出不論何種泵浦方式，都存在一個(gè)增益飽和區(qū)，符合EDFA的放大增益效果受飽和效應(yīng)影響的特征。根據(jù)EDFA的工作原理，當(dāng)摻鉺光纖收到光子的刺激產(chǎn)生自發(fā)輻射，同時(shí)放出光子并對(duì)信號(hào)增益。鉺離子的激發(fā)和發(fā)射都需要特定的波長(zhǎng)，通常為1530-1565nm，。一般來說，當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)接近這個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，EDFA的增益會(huì)最大化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中增益的最大值、信噪比的最大值以及增益飽和的區(qū)間都符合這個(gè)特征。其中980nm泵浦波長(zhǎng)EDFA的最佳信號(hào)光波長(zhǎng)在前向泵浦和雙向泵浦兩個(gè)模式下集中在1532nm附近，反向泵浦模式下則集中在1558nm附近。1480nm泵浦波長(zhǎng)EDFA的最佳信號(hào)光波長(zhǎng)三種泵浦模式下全部集中在1558nm附近。第四章探究信號(hào)光功率變化時(shí)的不同泵浦方式差異4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)選用主流的兩種激光泵浦波長(zhǎng)，分別為980nm和1480nm。在仿真原理圖1-5、圖1-6、圖1-7的基礎(chǔ)上設(shè)置變量參數(shù)，并運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)信號(hào)光功率變化-40dB-0dB的變化區(qū)間，并以此作為變量參數(shù)，利用Optisystem中的掃描功能設(shè)置20層掃描，使用Linear功能讓信號(hào)光功率在給定范圍內(nèi)做線性變化，對(duì)不同波長(zhǎng)的信號(hào)光進(jìn)行仿真測(cè)試。由于本次仿真僅針對(duì)信號(hào)光進(jìn)行變量測(cè)試，因此其余的影響因素均設(shè)置為典型值。其中主要性能影響參數(shù)設(shè)置為如下典型值：信號(hào)光波長(zhǎng)為1550nm，泵浦光分別選用980nm和1480nm，泵浦激光功率設(shè)置為100mW。在仿真實(shí)驗(yàn)中，摻鉺光纖的長(zhǎng)度繼承上一實(shí)驗(yàn)單變量參數(shù)優(yōu)化后的最佳長(zhǎng)度。同時(shí)，針對(duì)光路圖稍微復(fù)雜的后向泵浦和雙向泵浦設(shè)置值為6的延時(shí)迭代，以得到最佳仿真數(shù)據(jù)。4.1.2仿真數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完成后，運(yùn)行工程文件，等待運(yùn)行完成并在觀測(cè)器件中查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用Optisystem中的report功能繪制基于信號(hào)光功率線性變化的最大增益值、噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)表。首先選取信號(hào)光功率的線性變化值，再選取雙端口波分復(fù)用分析儀中結(jié)果一欄中的Max.Gain結(jié)果值和NoiseFigure結(jié)果值，依次拖拽到圖表中，并使用仿真數(shù)據(jù)結(jié)果繪制基于數(shù)據(jù)的平滑曲線圖，更直觀地對(duì)不同信號(hào)光功率以及不同泵浦方式下不同的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析4.2.1980nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-1、表4-2、表4-3所示，其中Power為信號(hào)光功率，單位是dB。Max.Gain是雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的最大增益結(jié)果，NoiseFigure為雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的噪聲系數(shù)，兩者的單位為dB。表4-1980nm前向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Power(dB)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)-4037.32644.50661-37.894737.29264.50112-35.789537.23844.49229-33.684237.15184.47821-31.578937.0154.45598-29.473736.80264.42145-27.368436.48154.36915-25.263236.01394.29282-23.157935.36674.18697-21.052634.52084.04967-18.947433.47233.88603-16.842132.2263.70981-14.736830.78633.5428-12.631629.16843.40607-10.526327.40253.31262-8.4210525.5223.2673-6.3157923.56683.26925-4.2105321.56653.32071-2.1052619.54273.43032017.51213.61438從表4-1中可以看出，以信號(hào)光功率作為變化參量時(shí)，增益逐漸減小，并在接近0dB時(shí)急劇下落。而噪聲系數(shù)也是隨信號(hào)光功率增大而減小，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。表4-2980nm后向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Power(dB)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)-4037.88067.65011-37.894737.85727.65047-35.789537.82097.65114-33.684237.75987.65213-31.578937.66167.65383-29.473737.50497.65679-27.368437.25737.6621-25.263236.87357.67197-23.157936.29567.69099-21.052635.46367.72804-18.947434.33967.80034-16.842132.92697.93326-14.736834.078087.819548-12.631633.684447.837925-10.526333.290797.856302-8.4210532.897147.874679-6.3157932.50357.893056-4.2105332.109857.911433-2.1052631.71627.929809031.322557.948186從表4-2中可以看出以信號(hào)光功率作為變化參量時(shí)，增益逐漸減小，并在接近0dB時(shí)急劇下落，光功率增大而減小，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。表4-3980nm雙向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Power(dB)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)-407.650115.45605-37.89477.650475.43243-35.78957.651145.39523-33.68427.652135.33802-31.57897.653835.25359-29.47377.656795.13484-27.36847.66214.98048-25.26327.671974.79408-23.15797.690994.58307-21.05267.728044.35537-18.94747.800344.1187-16.84217.933263.88433-14.73687.8195483.66983-12.63167.8379253.49517-10.52637.8563023.37486-8.421057.8746793.31484-6.315797.8930563.31643-4.210537.9114333.38444-2.105267.9298093.5302207.9481863.77449從表4-3中可以看出，以信號(hào)光功率作為變化參量時(shí)，增益逐漸減小，并在接近0dB時(shí)急劇下落。而噪聲系數(shù)也是隨信號(hào)光功率增大而減小，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。4.2.21480nm泵浦波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-4表4-5表4-6示，其中Power為信號(hào)光功率，單位是dB。Max.Gain是雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的最大增益結(jié)果，NoiseFigure為雙端口波分復(fù)用分析儀所輸出的噪聲系數(shù)，兩者的單位為dB。表4-41480nm前向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Power(dB)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)-4041.61335.4749-37.894741.55265.46611-35.789541.45595.45214-33.684241.30455.4301-31.578941.06985.39639-29.473740.71765.346-27.368440.215.27344-25.263239.51075.17559-23.157938.60055.05228-21.052637.47694.90986-18.947436.15164.76057-16.842134.64554.61947-14.736832.98854.49888-12.631631.20434.40766-10.526329.32684.34751-8.4210527.38254.31832-6.3157925.39214.3208-4.2105323.37324.35921-2.1052621.3344.44276019.29164.58648從表4-1中可以看出，以信號(hào)光功率作為變化參量時(shí)，增益逐漸減小，并在接近0dB時(shí)急劇下落。而噪聲系數(shù)也是隨信號(hào)光功率增大而減小，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。表4-51480nm后向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Power(dB)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)-4041.77287.54856-37.894741.7287.54686-35.789541.65597.54413-33.684241.54097.53977-31.578941.35937.53287-29.473741.07747.52214-27.368440.65027.50593-25.263240.02677.48254-23.157939.16627.45084-21.052638.03597.41401-18.947436.6517.37999-16.842135.04737.36531-14.736833.28317.39378-12.631631.41097.49374-10.526329.4647.69176-8.4210528.402897.651409-6.3157928.254347.646066-4.2105327.497427.640724-2.1052626.892597.735381026.287767.830039從表4-5可以看出，以信號(hào)光功率作為變化參量時(shí)，增益快速下降，并在接近0dB時(shí)急劇下落。而噪聲系數(shù)也是隨信號(hào)光功率增大而減小，噪聲指數(shù)的變化始終在1-2dB區(qū)間內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。表4-61480nm雙向泵浦信號(hào)光優(yōu)化數(shù)據(jù)表Power(dB)Max.Gain(dB)NoiseFigure(dB)-4045.5646.02622-37.894745.50196-35.789545.40185.95772-33.684245.327035.926