光纖通信實驗六報告

1、光電綜合設計報告學號:姓名:、課題6:1、課題要求及技術(shù)指標課題名稱：EDFA設計課題任務：采取不同結(jié)構(gòu)和泵浦波長設計一個EDFA,結(jié)構(gòu)分為同向泵浦,反向泵浦,雙向泵浦三類.技術(shù)指標：可選泵浦光源波長為980nm和1480nm；泵浦光源的功率在1020dBm,測試輸入信號功率為一20dBm.課題要求：1 .在上述條件下要求EDFA噪聲指數(shù)小于4.5dB.2 .在滿足一定條件下,最大輸出功率可到達18dBm,最大增益可到達25dB(兩者不要求同時滿足).3 .需要分別比擬三種結(jié)構(gòu)下的EDFA的以下特性,并根據(jù)比擬結(jié)果優(yōu)化設計：(1)摻餌光纖長度的優(yōu)化,需要從輸出功率、噪聲指數(shù)、增益三個方面驗證；

2、(2)泵浦光源波長(可選擇980nm和1480nm)的優(yōu)化,需要從輸出功率、噪聲指數(shù)、增益三個方面驗證；4.給出設計圖和性能參數(shù)比擬圖,參數(shù)取點不少于10個,參數(shù)應具有合理性和可行性.2、課題分析及設計思路課題分析：餌纖長度在415m之間取值.仿真模型中,摻餌光纖選用Default/AmplifiersLibrary/Optical/EDFA/ErbiumDopedFiber;泵浦光源選用Default/TransmittersLibrary/OpticalSources/PumpLaser;泵浦光耦合器采用Default/WDMMultiplexersLibrary/Multiplexers

3、/IdealMux.設計思路：設計參考反向泵浦EDFA結(jié)構(gòu)圖,參考圖如下:Subsystem:BackpumpEDFAISweephterartiom;VI根據(jù)下述實驗原理,可知同向輸出端那么不設置.同理,雙向EDFAPumpLaser位于與CWLaser同向的合波器前,而光纖EDFAM是兩側(cè)均放置了PumpLaser.實驗原理：摻餌光纖放大器EDFA1、EDFA的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1給出了雙向EDFA的原理性光圖,其主體是泵浦源和摻餌光纖EDF.泵浦源用來提供能量；EDF作為有源介質(zhì),提供反轉(zhuǎn)粒子；波分復用器WDM的作用是將泵浦光和信號光混合,然后送入EDF中,對它的要求是能將信號有效地混合而

4、損耗最小；光隔離器ISO的作用是預防反射光對EDFA的影響,保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作；濾波器的作用是濾除EDFA的噪聲,提升系統(tǒng)的信噪比SNR,在兩級寬帶EDFA中,它還起到增益平坦的作用.EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統(tǒng)如圖2.3所示.實際上基態(tài)能級、亞穩(wěn)態(tài)能級和泵浦能級受斯托克斯分裂StockSplitting和熱效應的影響,形成了一個近似聯(lián)系的能帶.由于亞穩(wěn)態(tài)能級和基態(tài)能級具有一定的寬度,因此EDFA的放大效應具有一定波長范圍.在摻餌光纖中注入足夠強的泵浦光,就可以將大局部處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài).由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級上壽

5、命較長,因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn).當信號光子通過摻餌光纖時,與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應,產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子,這時通過摻銀光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆?產(chǎn)生信號放大作用.Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時,除了發(fā)生受激輻射和受激吸U以外,還要產(chǎn)生自發(fā)輻射AS日,它造成EDFA的噪聲.圖1為EDFA雙向泵浦結(jié)構(gòu)示意圖.EDF圖1雙向泵浦結(jié)構(gòu)在EDFA的光路結(jié)構(gòu)設計中,常見的泵浦方式有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦3種.這些泵浦方式各有其特點：前向泵浦由于在輸入端有高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而具有比擬低的噪聲；而由于背景損耗小,輸出端具有高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),因此反向泵浦具有較高

6、的泵浦效率和增益.當EDF長度較短時,3種泵浦方式的小信號增益根本相同,NF也相差不大,原因在于3種泵浦方式都已使整個光纖的Er3+離子發(fā)生完全反轉(zhuǎn)；當EDF長度增加時,雙向泵浦方式的增益最高,反向泵浦方式的增益次之,同向泵浦方式的增益最低.噪聲系數(shù)NF那么表現(xiàn)不同,其中同向泵浦方式的NF最小,反向泵浦方式的NF最大,雙向泵浦方式的NF介于二者之間.泵浦光功率、泵浦方式與增益、噪聲的關(guān)系：在給定的EDF長度范圍內(nèi),EDFA的增益隨泵浦功率的增加而增大,其NF隨泵浦功率增加而減小,但是,當泵浦功率增加到一定值后,增益趨于飽和,NF也趨于定值.圖2是實驗得到的泵浦功率與小信號增益、NF的關(guān)系.這是

7、由于,當泵浦功率增加到一定程度時,EDF中基態(tài)能級的Er3+離子已經(jīng)根本上被鼓勵到上能級,繼續(xù)增加泵浦功率對粒子數(shù)反轉(zhuǎn)奉獻不大,所以增益趨于飽和.圖2泵浦功率與小信號增益,噪聲系數(shù)之間的關(guān)系2、EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應用在光纖通信系統(tǒng)中,EDFA有三種根本的應用方式,分別是用作光發(fā)射機輸出的功率放大器、用作光接收機前端的前置放大器和作遠距離傳輸?shù)木€路放大器.功率放大器后置放大器方式是把EDFA置于光發(fā)射機之后,用以提升輸出信號的功率,可用來保證點對多點的光功率分配,并可降低高速系統(tǒng)中半導體激光器直接調(diào)制的“喟啾影響.功率放大器對放大性能的要求是輸出功率大.前置放大器方式是將EDFA直接置于

8、光接收機PIN管光檢測器的前面,用以改善輸入光信號的信噪比,提升光接收機的接收靈敏度.前置放大器對放大性能的要求是噪聲性能要求高.線路放大器應用方式是將EDFA在線插在傳輸線路的一個或多個位置,用來周期性地補償光信號衰減.這種衰減或來自光纖的吸收損耗,或來自網(wǎng)絡分配引起的分光損耗.這種方式下,放大器可以以級聯(lián)的方式存在.線路放大器對放大性能的要求那么要求輸出功率和噪聲性能兩者兼顧.由于光放大器對信號的調(diào)制方式和傳輸速率等方面的透明性,EDFA在模擬,數(shù)字光纖通信系統(tǒng)以及光孤子系統(tǒng)中顯示了廣闊的應用前景.尤其是在長距離數(shù)字通信系統(tǒng)中,波分復用技術(shù)與EDFA結(jié)合將大大提升系統(tǒng)容量和傳輸距離,WDM

9、+EDFA已經(jīng)成為當前光纖通信系統(tǒng)最重要的開展方向之一.在級聯(lián)EDFA的系統(tǒng)中,ASE噪聲將不斷積累.由于級聯(lián)方式不同,系統(tǒng)的噪聲性能略有不同.根據(jù)每級增益安排的不同,EDFA可以有三種不同的級聯(lián)方式.第一種級聯(lián)方式是所謂的“自愈方式即對每級增益不做專門的限制,在這種方式下,開始幾級EDFA的增益較大,隨著信號光功率的增加和ASE噪聲的積累,EDFA增益飽和,最后每級EDFA輸出功率趨于恒定,此時信號光功率不斷下降,而ASE噪聲功率不斷增加.第二種方式是保證EDFA輸出功率恒定,光功率的變化趨勢與第一種級聯(lián)方式的后半局部相同,第三種級聯(lián)方式是保持每級EDFA的增益恰好抵消級間損耗.這種情況下,

10、每級EDFA輸出的信號光功率恒定,但是,由于ASE噪聲積累,總功率將不斷上升.在含有EDFA的系統(tǒng)中,由于EDFA能提供足夠的增益,使信號的傳輸距離大大延長,隨著信號速率的不斷提升,光纖色散和非線性效應對系統(tǒng)性能的影響變得突出起來.3、系統(tǒng)設計建模系統(tǒng)圖：同向EDFA設計:反向EDFA設計:雙向EDFA設計:相關(guān)說明:泵浦光源功率設定為20dBm,測試輸入信號功率已被限定-20dBm,使用DualPortWDMAnalvzer測定相關(guān)參數(shù).4、仿真結(jié)果與仿真分析1、噪聲指數(shù)、增益、輸出功率滿足性分析(NF<4.5dB;Gain>25dB)同向980nm7m光纖反向980nm,4m光

11、纖Dn.aJLFortAnalyzez雙向同980nm,反1480nm,光纖4m2、優(yōu)化分析：泵浦光源波長以及長度優(yōu)化分別從輸出功率、增益和噪聲指數(shù)分析對于同向：同向1480nmTotalGain(dB)(Length(m)DblCickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswrhMouseDragmsC-MO-BOH68101214Output:TotalNoisePower(V/)(Length(m)DblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswithMouseDrag勺NoiseFigure1(dB)(Le

12、ngth(m)NClickOnOfrjettsto.徒.prosertiss.MoObjetlsv/itnMouseOrasLcngtti(m)i'i'i"i'i"i'i"i"ri"i"i"i"i""?irr7-rri'i"rri"rfrr,同向980nmTotalGain(dB)(Length(m)DNCclOnObjectstoopenprapelK.MomObjects-itnMdussDragfflzEE.-EmLength網(wǎng)O

13、utput:TotalSignalPower(W)(Length(m)blCbcIcOnObjectstoopenpropertiesTJoycObjectswithMohmDrag結(jié)論：根據(jù)相同條件下輸出功率、增益以及噪聲指數(shù),同向EDFA泵浦光源波長980nm性能更好.選擇理由：1480nm噪聲指數(shù)很難到達要求.最正確長度：根據(jù)圖像,最正確長度為光纖5m對于反向：反向1480nmDblCickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswrhMouseDrag468101214何INoiseFigure1(dB)(Length(m)DblCbckOnObj&a

14、mp;ctsio»penproperties.MoveObjectswithNouseDrag980nmTotalGain(dB)(Length(m)DMClickOn0附“忸也與.巾property.MoveC因.ct縣withF/Obse口晦(DCEeho一30Output:TotalSignalPower(W)(Length(m)blClickOriObjectstocjenproperties.MoveObjects曾thDrag一晝00.030旦NoiseFigure1(dB)(Length(m)blClickOnObjectstoopenpropertieg.MoveOb

15、jectswithf/tujseDrag結(jié)論：根據(jù)相同條件下輸出功率、增益以及噪聲指數(shù),反向EDFA泵浦光源波長980nm性能更好.選擇理由：980nm最正確數(shù)據(jù)點均優(yōu)于1480nm最正確長度：光纖4.5m對于雙向：雙向1480nmTotalGain(dB)(Length(m)DblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswrhMouseDrag468101214那么Output:SignalPower1(W)(Length(m)DblClickOnObjectstoopenproperties.MoveObjectswrhMouseDragEEob

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