基于optisystem的EDFA仿真设计上Word格式.docx
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4掺铒光纤放大器在高速通信系统中的应用……………………………………21
4.140G单模光纤传输系统………………………………………………………21
4.28*10GWDM系统性能分析……………………………………………………23
结论………………………………………………………………………………31
致谢………………………………………………………………………………32
参考文献…………………………………………………………………………33
1引言
随着光纤通信系统的发展,密集波分复用技术越来越广泛的应用到系统中,系统的复杂性也在不断的增加,因而光纤通信系统的计算机辅助设计系统变得非常重要。
光纤通信系统是一门多学科专业交叉渗透的综合技术，它涉及到通信基础理论（如数字通信技术）,微波技术（如光纤信道的电磁场分析）以及电路设计与微电子技术（如A2SIC专用集成电路）等，无论是系统的规划与设计还是新型传输系统与体制的探索与研究，都要遇到冗长繁杂的计算。
为了高效地完成日趋复杂通信系统的仿真研究，在对光纤通信系统分析的基础上利用仿真软件建立了高速大容量光纤系统的仿真模型，得到了高速光纤通信系统特性激光器的调制频率偏置电流的关系以及光纤的损耗和色散的仿真结果，亦可利用仿真软件非常灵活地设计满足需要的仿真系统。
1.1掺铒光纤放大器仿真的目的及意义
利用现代的计算机进行光纤通信系统的仿真,可以直接搭建激光器、光纤及测试仪器的模型,并在此基础上进行器件、系统的性能分析和测试,避免了直接的昂贵的器件和设备投资。
同时系统的仿真对器件选型、系统结构优化及整体系统的可形性研究都具有重大意义。
此外,为了验证其性能是否合乎要求,还需反复进行实验研究与测试。
如果每次都直接用真实系统进行实验,不仅耗资昂贵,费工费时,有时甚至难于找到问题症结所在,因此,解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术,即通过建立部件乃至系统的模型,并用模型在计算机上做实验,利用计算机的高速运算处理能力,完成对光纤通信设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。
显然,建立光纤通信系统的计算机仿真平台,既能提高设计的一次成功率,又能大大缩短研发周期。
随着通信技术的发展,通信网络的数量和复杂度的迅速增长,在通信系统设计中运用计算机仿真技术已成为新系统设计时缩短设计周期、提高设计可靠性和已有系统性能改进的不可缺少的工具。
新产品研制周期和节省投资费用,还能极大地促进光纤通信的基础理论研究,并为相关工程技术人员的技术培训提供理想实验手段。
1.2掺铒光纤放大器仿真的研究现状
仿真分为电路级仿真和系统级仿真。
电路级仿真就是由电阻、电容、电感等组成等效的电路模型来模拟器件的外特性。
系统级仿真是用传输函数或数学公式来模拟器件的外特性的模拟。
国外已有一些光纤通信系统仿真软件,用于电路分析时,其侧重点不同,例如Boss是一种界面友好的光链路仿真软件,它包括光纤器件模型,但只适用于单一波长系统。
SCOPE是一种把系统的光电器件和光器件用两端口网络模型来模拟的非线性微波仿真软件,其主要用途是对在微波频率的光通信系统进行仿真。
DEXSOLUS（SimulationofLightUsingSpice）是基于Spice电路仿真软件的专用于光通信领域的信号分析软件,它采用等效电路模型来模拟光电器件,这些模型的光功率在仿真中用电压来表征。
还有其它电路级的仿真软件如iSMILE和MISIM等。
IBM的OLAP（OpticalLinkAnalysisProgram）是一个把SYSTID和低级的光器件仿真软件综合起来应用的软件。
还有一些新的仿真软件如iFROST等,用户可调用其他仿真软件来提供混合级的仿真环境。
1.3optisystem软件简介
Optisystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。
它的广泛应用包括:
物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计、CATV或者TDM⁄0WDM网络设计、SONET⁄0SDH的环形设计，RadiooverFiber系统，自由空间光通信系统（FSO）、传输器、信道、放大器和接收器的设计、色散图设计、不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估、放大的系统BER和连接预算计算主要特点。
1.4本文研究的主要内容
本文研究了EDFA的基本原理及结构，阐述了影响EDFA性能的因素，分析了波分复用（WDM）技术及系统的设计原理，介绍了常见的仿真软件和国内外仿真现状以及Optisystem软件强大的仿真功能。
并在此基础上，给出了基于Optisystem的波分复用光传输链路仿真模型的搭建，概述了在WDM系统中EDFA的应用和要求以及关键技术。
对复用后的光信号进行仿真得出光谱图，研究了各信道的增益情况，验证了光纤的两个窗口。
本文还对链路传输性能及EDFA的掺铒光纤长度，泵浦功率等参数进行分析，得到了各种泵浦工作方式下的增益特性，EDFA最佳长度以及饱和增益特性曲线，并验证了EDFA的正确性和设计方案的可行性，近而得出最佳化的EDFA设计。
2掺铒光纤放大器的理论研究
2.1掺铒光纤放大器的工作原理
EDFA的基本结构如图2.1所示，它主要由有源媒质（几十米左右长的掺铒石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度（25-1000）x10-6）、泵浦光源（990或1480nmLD）、光耦合器及光隔离器等组成。
信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（双向泵浦）传播。
当信号光与泵浦光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。
其放大的自发发射（ASE）谱，带宽很大（达20-40nm），且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。
其中掺铒光纤提供放大,泵浦源提供足够强的泵浦功率,波分复用器起信号光与泵浦光的混合作用。
泵浦源：
为信号放大提供足够强的功率，使物质达到粒子数反转分布。
光耦合器：
将信号光和泵浦光耦合进入掺铒光纤。
光隔离器：
使光传输具有单向性，隔离反馈光信号，保证稳定工作。
掺铒光纤：
提供光放大。
掺铒光纤是光纤放大器的核心，铒离子的外层电子具有三能级结构——E1，E2和E3，其中,E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级。
如图2.2所示
图2.1摻铒光纤放大器的基本结构图2.2铒粒子能级图
当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时,可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级上。
然而,高能级是不稳定的,因而铒离子很快会经历无辐射衰减，即不释放光子落入亚稳态能级,受激电子将发出很宽光谱范围的光,称荧光带。
当泵浦光足够强时,可以使能级和、间形成电子的反转分布,此时如果入射信号光的波长恰好落在上述荧光带时,则当泵浦与信号光同时通过该掺铒光纤时,荧光带能量会转移到信号光上,即信号光可以通过受激辐射过程从离子系统获取能量,从而不断增强而获得放大信号。
由于泵浦光与信号光在光纤中均以导波形式传输,因而二者之间可以有效地交换能量,效率相当高。
整个信号通道中没有电接口,仅有的光纤放大器与线路之间的藕合损耗也小到完全可以忽略的程度,因而可以实现高增益宽频带放大特性。
光纤放大器的基本指标有三项,即功率增益、输出饱和功率和噪声系数。
光纤放大器的功率增益指输出功率与输入功率之比,通常为一,报导的最高数值达46.5dB。
功率增益与泵浦功率的关系如图2.3所示。
图2.3信号功率增益与泵浦功率关系
注：
输入功率为-3.9dB泵浦源波长1480nm掺铒光纤50m摻杂浓度25ppm
但工程上实际应用的光放大器,功率增益一般只有十几dB。
功率增益和掺铒光纤的长度也有很密切的关系,如图2.4。
由图可知,当泵浦功率增加时,信号功率增益迅速增加,然后趋于饱和。
由图可知,掺铒光纤长度有一可使功率增益最大的最佳范围,但在噪声特性要求较高的场合,使功率增益最大的长度不一定是最佳的长度。
输出功率并不总是与输入功率成比例增加的,而是呈现饱和趋势,如图2.5所示,通常以信号功率增益相对非饱和状态增益跌落点的功率看作是最高输出信号功率。
该值随泵浦功率而增加,因而,为了获取高功率输出,要求输入功率大且泵浦功率强。
光纤放大器的噪声来自信号和自发辐射,以及自发辐射之间的差拍噪声。
通常,大部分自发辐射之间的差拍噪声可以利用光带通滤波器滤除。
光纤放大器能够有放大作用的关键是具有增益特性的掺铒光纤,因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要技术关键，图2.6显示了两根具有不同纤芯玻璃成分的掺铒光纤的荧光谱。
可以看出这两种掺铒光纤在光纤的低损区1550nm波长附近恰为荧光谱峰值，因而可以对1550nm的光信号起放大作用。
其中掺铒磷锗铝的光纤具有较宽的、几乎是连续的增益谱,因而适用于整个1550nm波长区的系统应用。
同时,由于掺铒光纤荧光谱的峰值主要集中在1550nm波长附近，因此，利用对光信号进行放大,是在1550nm窗口方式下使用的。
图2.4信号功率增益与掺铒光纤长度关系
泵浦功率30mV泵浦波长1480nm摻杂浓度25ppm
图2.5光纤放大器的输入/输出关系
曲线A表示同向泵浦64mW
图2.6.两种不同光纤的荧光谱
2.2掺铒光纤放大器的性能分析
EDFA的性能参数主要有功率增益和噪声系数。
泵浦波长，泵浦功率以及泵浦的位置都会影响EDFA的功率增益，此外，EDFA的增益还与掺铒光纤的长度，铒粒子浓度有关。
EDFA中的噪声系数是其重要的性能参数，EDFA在放大信号的同时加入了噪声，噪声过大会使得系统可靠性大大降低。
泵浦的工作方式，掺铒光纤长度不同，EDFA的噪声也不同。
2.2.1功率增益
增益特性表示了放大器的放大能力。
功率增益为输出功率与输入功率之比。
EDFA的功率增益通常为15～40dB。
影响EDFA增益的因素主要有泵浦光功率、掺铒的浓度以及掺铒光纤的长度等。
此外，EDFA增益还与泵浦光波长有关。
从图2.7中可看出当泵浦功率小于5mw时增益随着泵浦功率的增加迅速增加，而在10mW以后增益随着泵浦功率的变化不大，那么5mw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。
图2.7泵浦功率饱和曲线
泵浦的位置亦能影响EDFA性能。
同向泵浦是指泵浦光与信号光从同一端注入EDF。
在EDF的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，信号一进入光纤即可得到较强的放大。
其优点是构成简单，缺点是泵浦光将沿光纤长度衰减，因此容易造成增益饱和而使噪声增加。
反向泵浦是指泵浦光与信号光从不同的方向输入EDF，两者在光纤中反向传输。
其优点是当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，因而噪声性能较好。
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，如图2.8，其中a图为增益的比较，b图为噪声的比较。
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前向泵浦条件下如图2.9：
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。
为了使EDFA中杂质粒子得到充分的激励，可用多个泵浦源激励光纤。
几个泵浦源可同时前向泵浦，同时后向泵浦，或同时进行前向泵浦和后向泵浦（称为双向泵浦）。
双向泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。
双向泵浦的增益和噪声指数都比单向泵浦好一些，如图2.10.但双向泵浦要比单向泵浦多一个泵浦源，提高了成本，所以实际中通常采用980nm正向泵浦。
图2.8正向泵浦与反向泵浦的模拟性能比较
图2.9.980nm泵浦与1480nm泵浦模拟性能比较
图2.10.双向泵浦与单泵浦的性能比较
最佳EDF长度:
即在一定的泵浦功率下，不同的EDF长度有不同的增益谱峰值。
图2.11是EDFA的增益谱峰值随掺铒光纤（EDF）长度的变化曲线，由图可看出，在Pm=1mW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。
图2.11EDFA的增益谱峰值随掺铒光纤（EDF）长度的变化曲线
2.2.2噪声系数（F）
EDFA的噪声主要有信号光的噪声、自发辐射（ASE）喜声、ASE光与信号光之间的差拍噪声以及ASE光谱间的差拍噪声4种。
以上4种噪声中，后两种影响最大，尤其第3种噪声是决定EDFA性能的重要因素。
EDFA的噪声特性可以用噪声系数F来衡量、为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值。
它与同向传播的ASE频谱密度和EDFA的增益相关。
现已证明，对于任何利用受激辐射进行放大的光放大器，其F最小值为3dB，这个极限被称为噪声系统的量子极限。
对于980nm的泵浦，其F基本可达到该极限，数值为3．2～3．4dB；
而l480nm的泵浦，F的典型值为4～6dB。
2.3EDFA在WDM系统中的应用
为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器。
以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。
常见的中继器有电光混合中继器、全光中继器、光电转换的中继器。
电光混合中继器：
结构复杂，价格昂贵，不能用于波分复用系统中。
装置复杂体积大耗能多对色散限制的系统，有必要对信号进行再生，采用光电中继器。
对损耗限制的系统，只用对光信号进行放大，采用光放大器。
光放大器的种类：
半导体光放大器，非线性光线放大器，摻杂光线放大器。
全光中继器：
对光信号进行直接放大。
EDFA在WDM系统中可以作为前置放大器、线路放大器和功率放大器。
EDFA作前置放大器时，放在光接收机之前，以提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约40dBm。
要求EDFA的增益足够高，噪声系数则越小越好。
EDFA用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中。
作为光中继放大器，省去了电中继器的光／电／光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。
一般工作在近饱和区，信号输入功率约20dBm。
要求EDFA同时具有较高的增益和输出光功率，还应有对其工作状态的实时监控。
EDFA作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。
通常工作于深饱和区，要求EDFA在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率。
图2.12.实际WDM的基本结构图
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