基于optisystem的EDFA仿真设计(下).docx

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 24 页3 3 摻铒光纤放大器的仿真分析摻铒光纤放大器的仿真分析3.13.1 掺铒光纤放大器的增益特性分析掺铒光纤放大器的增益特性分析3.1.1 建立仿真模型建立下图 3.1 模型，其中信号光源波长为 1552.52nm图 3.1 仿真模型3.1.2 泵浦功率对 EDFA 增益的影响从下图 3.2 中可看出当泵浦功率小于 50mw 时增益随着泵浦功率的增加迅速增加，而在 100mW 以后增益随着泵浦功率的变化不大，那么 50mw 就是 EDEA 饱和功率出现此种现象主要是因为掺铒光纤长度一定时，当泵浦功率超过一定值时，粒子数反转度总是处于饱和状态，所以当泵浦功率增加时，增益变化不大因此，实际应用中应选择其饱和功率值作为泵浦功率其中泵浦功率分别为 50mw，100mw 时，EDFA 的增益分别为 14.112881dB 和 17.39838dB其他数据见下表 3.1，通过以下数据描绘出上图，特到功率特性曲线本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 24 页泵浦功率对噪声的影响05101520710 20 30 40 50 60 70 80 90 100泵浦功率增益L=3L=5L=6图 3.2 泵浦功率对增益的影响表 3.1 不同泵浦功率下的增益功率 mw L=5 增益 L=3 增益 L=6 增益7 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001.2003213 4.4364644 9.1981242 11.490603 12.995258 14.112881 15.001034 15.737164 16.365264 16.913001 17.398383.5962143 5.647317 9.2429675 11.154304 12.442925 13.408905 14.178251 14.815462 15.358057 15.82962 16.245753—— 3.3715864 8.8772822 11.339632 12.921254 14.084307 15.00315 15.762228 16.408482 16.970996 17.4690843.1.3 泵浦波长及位置对 EDFA 增益的影响在 980nm 泵浦、泵浦功率为 100mw、EDF 长度为 5m 的情况下，反向泵浦要比正向泵浦的增益要大一些，两者相差不多，但反向泵浦的噪声指数大于前向泵浦，所以980nm 激光大多数情况都是作为前向泵浦。

在相同的泵浦功率条件下和以上采用的参数下，980nm 泵浦比 1480nm 泵浦所得到的增益要大得多在 100mw 的泵浦功率下980nm 和 1480nm 前向泵浦条件下：1480nm 泵浦的增益小于 98Onm 泵浦的增益，所以实际中一般采用 980nm 泵浦但这是在我们所采用的以上参数下得出的结论，不同类本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 24 页型的掺铒光纤有不同的情况也有 1480nm 泵浦比 98Onm 泵浦增益大的情况 1480nm泵浦不管是前向泵浦还是后向泵浦，噪声指数都比 980nm 高，这是由铒离子的能级结构决定的，所以 1480nm 激光泵浦时，要注意噪声指数的变化噪声变化将在下一节中介绍不同泵浦方式下的增益，如下图 3.3 所示，在双向泵浦且波长为 980nm 泵浦功率都为 100mw 时的增益最大为 20.515013dB不同泵浦工作方式下的增益15161718192021双980双1480前980后 1480 前1480后 980前980 后980前1480 后1480 增益增益图 3.3 不同泵浦工作方式下的增益表 3.2 不同泵浦工作方式下的增益工作方式增益双 980 双 1480 前 980 后 1480 前 1480 后 980 前 980 后 980 前 1480 后 1480 20.515013 20.386898 20.441215 20.443267 17.39839 17.40938 17.892259 17.8922463.1.4 EDF 长度对 EDFA 增益的影响下图 3.4 是 EDFA 的增益谱峰值随掺铒光纤(EDF)长度的变化曲线，其中信号波长为 1551nm，前向泵浦，功率分别为 50mw，80mw，100mw。

由图可看出，在 Pm=50mW 时，掺铒光纤长度为 5m-6m 时有最大增益，而当光纤长度大于 6m 后，增益逐渐减小这是因为泵浦光激发基态粒子到上能级，通过受激辐射实现光信号放大，当泵浦光沿着 EDF本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 24 页传输时，因受激吸收而不断衰减，导致反转粒子数不断减少，当长度超过最佳长度后，泵浦光就不能让信号光得到充分的放大，同时信号光也被吸收，此时增益下降由下表 3.3 可以看出，在 EDF 为 5 米左右时获得最大增益，为 25.048431dB，当 EDF 增长时，增益减小，通过仿真我们验证了 EDFA 最佳长度特性EDF长度对增益的影响020406023456789 10 11 12 13长度/m增益/dBP=50P=80P=100图 3.4 EDF 最佳长度表 3.3 不同 EDF 长度下的增益EDF 长度/m 泵浦功率 50mw 泵浦功率 80mw 泵浦功率 100mw2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1320.652835 28.384502 31.746369 33.256753 34.076376 34.430858 34.287433 33.540552 32.110477 31.843666 26.821303 26.77128521.203255 27.148136 33.297747 34.136471 36.012893 36.676084 37.004982 36.953667 36.4388289 36.391885 34.157346 34.34551818.975862 27.534952 32.593949 34.866724 36.161898 37.048959 37.678957 38.053375 38.145249 37.914469 37.356578 34.993943.1.5 不同波长信号经 EDFA 放大后的增益建立下图 3.5 所示模型，在光谱仪中可以观察到不同波长信号的增益情况。

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 24 页图 3.5 仿真模型图 3.6 不同波长信号经 EDFA 放大后的增益上图 3.6 为信号经过 EDFA 放大后各路信号的增益由图可看出其增益谱在1530nm-156Onm 处有一个增益峰值，这与掺铒光纤的吸收和发射系数有关，因为吸收和发射峰值就在 1530nm-1560nm 处，尤其是在 1530-1540nm 处 EDFA 有较大的增益光纤通信常用的波长有 1310nm 和 1550nm其中 1310nm光传输窗口又被称之为零色散窗口，光信号在此窗口传输色散最小；1550nm 窗口称之为最小损耗窗口，光信号在此窗口传输的衰减最小本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 24 页3.23.2 掺铒光纤放大器的噪声特性分析掺铒光纤放大器的噪声特性分析3.2.1 泵浦功率对 EDFA 噪声的影响在信号波长为 1552nm，EDF=5m，980nm 正向泵浦时泵浦功率对噪声的影响如下表所示，当泵浦功率增加是时噪声逐渐减小，当泵浦功率增加到一定数值后，噪声的增益变化不大，趋向于稳定在泵浦功率小于 40mW 时，噪声随着功率的增加迅速减小，但当功率大于 40mW 后，噪声变化趋于稳定。

通过表 3.4 中数据可与描绘出 EDFA 噪声随泵浦功率变化的特性曲线，如下图 3.7表 3.4 不同泵浦功率下的噪声功率 噪声7 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1007.53316 6.33519 4.83348 4.28339 3.99446 3.81616 3.69526 3.60807 3.54235 3.49113 3.45018泵浦功率对噪声的影响024687204060801002001000泵浦功率增益泵浦功率对噪声的影 响图 3.7 泵浦功率对噪声的影响3.2.2 泵浦位置对 EDFA 噪声的影响本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 7 页 共 24 页不同泵浦工作方式下，EDFA 的噪声如下表 3.5 所示，在双向泵浦且泵浦波长都980nm 时噪声最小表 3.5 泵浦位置对 EDFA 噪声的影响工作方式 增益 噪声双 980 双 1480 前 980 后 1480 前 1480 后 980 前 980 后 980 前 1480 后 1480 20.515013 20.386898 20.441215 20.443267 17.39839 17.40938 17.892259 17.8922463.42979 4.29743 3.68242 4.27475 3.45018 5.29379 4.354 4.67556噪声0246双980双1480前980后 1480 前1480 后980前980 后980前1480 后1480 不同泵浦工作方式下的噪声增益噪声图 3.8 不同泵浦方式下的噪声本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 8 页 共 24 页不同泵浦工作方式下的增益0510152025双980双1480前980后1480前1480后980前980后980前1480后1480增益增益 噪声图 3.9 不同泵浦方式下的性能比较通过上图 3.9 可以看出，双向 980nm 泵浦性能最好，但双向泵浦增加了系统成本，因此常采用正向 980nm 泵浦。

3.2.3EDF 长度对 EDFA 噪声的影响在信号波长为 1531nm，980nm 双向泵浦时 EDF 长度对 EDFA 噪声的影响如下表 3.6所示由 3.1.4 节中我们已经得到当 EDF=5m 时，获得最大增益，从下表可以看出，在 EDF 小于 5m 时 EDFA 的噪声不大，但增长较快，当 EDF 长度大于 5m 时随着 EDF 长度的增加，噪声增加缓慢，几乎没有变化因此我们可以得到最佳 EDF 长度，即5m，EDFA 获得最大增益，且噪声较小表 3.6 不同 EDF 长度下的噪声EDF 长度/m噪声/dB2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 133.17368 3.4458 3.86054 4.15038 4.31819 4.40787 4.44865 4.45907 4.44977 4.43803 4.39818 4.39048本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 9 页 共 24 页不同的EDF长度的噪声02462345678910 11 12 13 EDF长度增益噪声图 3.10EDF 长度对噪声的影响3.33.3 掺铒光纤放大器的多信道放大特性掺铒光纤放大器的多信道放大特性EDFA 的增益平坦度(GF)是指在整个可用增益的带宽内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。

在 WDM 系统中，要求 EDFA 的 GF 越小越好 一般 EDFA在它的工作波段内存在着一定的增益起伏，即不同波长所得到的增益不同虽然增益差值不大，但当多个 EDFA 级联应用时，这种增益差值会线性积累，严重时，信号到达接收端后，有些高增益信道的接收光功率过大使接收机过载，而某些低增益信道的接收光功率过小而达不到接收机灵敏度因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦建立如下图 3.11 和图 3.12 所示模型，在 EDFA 后接入反转滤波器图 3.11 仿真模型本本 科科 毕毕 业业 设设。