光纤通信实验六报告

光电综合设计报告

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一、课题6：

1、课题要求及技术指标

①课题名称：

EDFA 设计

②课题任务：

采取不同结构和泵浦波长设计一个EDFA，结构分为同向泵浦，反向泵浦，双向泵浦三类。

③技术指标：

可选泵浦光源波长为980nm 和1480nm；泵浦光源的功率在10～20dBm，测试输入信号功率为－20dBm。

④课题要求：

1．在上述条件下要求EDFA 噪声指数小于4.5dB。

2．在满足一定条件下，最大输出功率可达到18dBm，最大增益可达到25dB（两者不要求同时满足）。

3．需要分别比较三种结构下的EDFA 的以下特性，并根据比较结果优化设计：

（1）掺铒光纤长度的优化，需要从输出功率、噪声指数、增益三个方面验证；

（2）泵浦光源波长（可选择980nm 和1480nm）的优化，需要从输出功率、噪声指数、增益三个方面验证；

4．给出设计图和性能参数比较图，参数取点不少于10 个，参数应具有合理性和可行性。

2、课题分析及设计思路

①课题分析：

铒纤长度在4～15m 之间取值。

仿真模型中，掺铒光纤选用Default/Amplifiers Library/Optical/EDFA/Erbium

Doped Fiber；泵浦光源选用Default/Transmitters Library/Optical Sources/Pump

Laser；泵浦光耦合器采用Default/WDM Multiplexers Library/Multiplexers/ Ideal

Mux。

②设计思路：

结构图，参考图如下：EDFA 设计参考反向泵浦．

同向的合波器前，而光纤CW Laser 根据下述实验原理，可知同向EDFA Pump Laser 位于与Pump Laser。输出端则不设置。同理，双向EDFA就是两侧均放置了

EDFA ③实验原理：掺铒光纤放大器的结构和工作原理、EDFA1。泵浦源EDF）给出了双向图1 EDFA 的原理性光图，其主体是泵浦源和掺铒光纤（）的作用是将泵浦WDMEDF 作为有源介质，

提供反转粒子；波分复用器（用来提供能量；

中，对它的要求是能将信号有效地混合而损耗最小；光隔EDF 光和信号光混合，然后送入的影响，保证系统稳定工作；滤波器的作用是滤）的作用是防止反射光对EDFA 离器（ISO中，它还起到增益平坦EDFA ），在两级宽带SNR除EDFA 的噪声，提高系统的信噪比（。实际上基态能级、亚稳所示）EDFA 的作用。的泵浦过程需要使用三能级系统（如图2.3

）和热效应的影响，形成了一个近似联Splitting态能级和泵浦能级受斯托克斯分裂（Stock

的放大效应具有一定波EDFA 由于亚稳态能级和基态能级具有一定的宽度，因此系的能带。离子抽运到长范围。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3 +离子在亚稳态Er3 +激发态，处于激发态的Er3 + 离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于当信号光子通过掺铒光因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。能级上寿命较长，离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的+纤时，与处于亚稳态的Er3

离子处于亚光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3 +

的噪EDFA ASE），它造成稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射（双

向泵浦结构示意图。EDFA 为1声。图

双向泵浦结构1 图种。3 常见的泵浦方式有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦在EDFA 的光路结构设计中，这些泵浦方式各有其特点：前向泵浦由于在输入端有高的粒子数反转而具有比较低的噪声；因此反向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。而由于背景损耗小，输出端具有高的粒子数反转，种原因在于3 3种泵浦方式的小信号增益基本相同，NF 也相差不大，当EDF 长度较短时，双向泵浦方式的EDF 长度增加时，泵浦方式都已使整个光纤的Er3+ 离子发生完全反转；当）则表现增益最高，反向泵浦方式的增益次之，同向泵浦方式的增益最低。噪声系数（NF介于最大，双向泵浦方式的NFNF 最小，反向泵浦方式的NF 不同，其中同向泵浦方式的EDFA 长度范围内，二者之间。泵浦光功率、泵浦方式与增益、噪声的关系：在给定的EDF

随泵浦功率增加而减小，但是，当泵浦功率增加到NF 的增益随泵浦功率的增加而增大，其NF 是实验得到的泵浦功率与小信号增益、NF 也趋于定值。图2 一定值后，增益趋于饱和，离子已经基本Er3 + EDF 中基态能级的的关系。这是因为，当泵浦功率增加到一定程度时，上被激励到上能级，继续增加泵浦功率对粒子数反转贡献不大，所以增益趋于饱和。

2 泵浦功率与小信号增益，噪声系数之间的关系图

在光纤通信系统中的应用2、EDFA有三种基本的应用方式，分别是用作光发射机输出的功率放EDFA 在光纤通信系统中，（后置放功率放大器大器、用作光接收机前端的前置放大器和作远距离传输的线路放大器。置于光发射机之后，用以提升输出信号的功率，可用来保证点对多点

EDFA 大器）方式是把功率放大器对影响。的光功率分配，并可降低高速系统中半导体激光器直接调制的“啁啾”管光检EDFA 直接置于光接收机PIN 放大性能的要求是输出功率大。前置放大器方式是将

前置放大器对放用以改善输入光信号的信噪比，提高光接收机的接收灵敏度。测器的前面，在线插在传输线路的一EDFA 大性能的要求是噪声性能要求高。线路放大器应用方式是将或来自网这种衰减或来自光纤的吸收损耗，个或多个位置，用来周期性地补偿光信号衰减。线路放大器对放大性放大器可以以级联的方式存在。络分配引起的分光损耗。这种方式下，由于光放大器对信号的调制方式和传输速率能的要求则要求输出功率和噪声性能两者兼顾。在模拟，数字光纤通信系统以及光孤子系统中显示了广阔的应用前等方面的透明性，EDFA

结合将大大提高系统容量和传波分复用技术与EDFA 景。尤其是在长距离数字通信系统中，的已经成为当前光纤通信系统最重要的发展方向之一。在级联WDM+EDFA EDFA 输距离，根据每级增噪声将不断积累。由于级联方式不同，系统的噪声性能略有不同。系统中，ASE

可以有三种不同的级联方式。第一种级联方式是所谓的“自愈”方式EDFA 益安排的不同，

即对每级增益不做专门的控制，在这种方式下，开始几级EDFA 的增益较大，随着信号光功率的增加和ASE噪声的积累，EDFA 增益饱和，最后每级EDFA 输出功率趋于恒定，此时信号光功率不断下降，而ASE 噪声功率不断增加。第二种方式是保证EDFA 输出功率恒定，光功率的变化趋势与第一种级联方式的后半部分相同，第三种级联方式是保持每级EDFA 的增益恰好抵消级间损耗。这种情况下，每级EDFA 输出的信号光功率恒定，但是，由于ASE

噪声积累，总功率将不断上升。在含有EDFA 的系统中，由于EDFA 能提供足够的增益，使信号的传输距离大大延长，随着信号速率的不断提高，光纤色散和非线性效应对系统性能的影响变得突出起来。

3、系统设计（建模）

①系统图：

同向EDFA设计：

设计：反向EDFA

双向EDFA设计：