实验4讲义.docx

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实验4讲义

通信与信息技术公共实验中心

光通讯与光信息技术与系统实验平台

实验指导说明书

（四）

实验名称：

光纤放大模块分析实验

2005.6

一、实验名称：

光纤放大模块系统分析实验

二、实验类型：

开放性

三、实验学时：

3学时

四、实验对象：

研究生

五、实验目的：

了解和掌握光纤放大器的工作原理和构成光纤放大器所需的最基本组成部分；了解光放大器的性能指标及主要设计参数对性能的影响。

六、实验内容：

掌握软件使用方法（见附件）。

通过构建光放大器模型并进行仿真分析，了解和掌握构成一个光放大器的工作原理和所需的最基本组成部分，了解光放大器的性能指标及各项参数。

七、实验设备：

PC机,OptiSystem4.0

八、实验原理：

1．EDFA系统的基本组成

使用铒离子作为增益介质的光纤放大器称为掺铒光纤放大器（EDFA）。

这些铒离子在光纤制作过程中被掺入纤芯中，使用泵浦光直接对光信号进行放大，提供光增益。

它包括掺铒光纤和高功率泵浦源，作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反馈和减小系统噪声在输入和输出端使用的光隔离器。

掺铒光纤放大器的结构因泵浦方式不同而不同，目前主要有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦方式。

图4.1正向泵浦系统框图

2．EDFA的主要指标

（1）.增益特性

增益特性代表了放大器的放大能力，定义为输出功率与输入功率之比。

对于EDFA，其增益大小与多种因素如光纤中的掺铒浓度、泵浦光功率、光纤长度、泵浦光的波长等因素有关。

（2）.噪声系数

由于放大器中产生自发辐射噪声，使得放大后的信噪比下降。

信噪比的劣化用噪声系数

表示。

它定义为输入信噪比与输出信噪比之比:

（3）.放大器带宽

放大器的放大作用有一定的频率范围。

定义在小信号情况下，增益低于峰值小信号增益3dB的频率间隔为放大器的带宽。

（4）.饱和输出增益

在泵浦功率一定的情况下，当信号功率接近饱和输入功率时，放大倍数会随着减小。

定义当放大器增益减小为峰值增益的一半时，对应的输出功率就叫饱和输出功率。

九、实验步骤与结果：

搭建如图4.2所示系统，双击空白页面，改变全局变量Simulation/Sequencelength为32，Samplesperbit为32，Signal/Iterations改为6。

设置totalsweepiteration为20。

所用器件为

1．Default/TransmittersLibrary/OpticalSource/CWLaser

2．Default/TransmittersLibrary/OpticalSource/PumpLaser

3．Default/AmplifiersLibrary/Optical/EDFA/ErbiumDopedFiber

4．Default/PassivesLibrary/Optical/Isolator/IsolatorBidirectional

5．Default/PassivesLibrary/Optical/Couplers/PumpCouplerBidirectional

6．Default/ReceiversLibrary/Photodetectors/PhotodetectorPIN

7．Default/VisualizersLibrary/Optical/DualPortWDMAnalyzer

8．Default/VisualizersLibrary/Optical/OpticalSpectrumAnalyzer

9．Default/ToolsLibrary/OpticalDelay

10.Default/ToolsLibrary/OpticalNull

图4.2

本实验需要用到的器件基本参数初始设置如下：

元件

参数

大小

单位

激光器（CWLaser）

Power

-20

dBm

Frequency

1550

nm

泵浦激光器（PumpLaser）

Power

100

mW

掺铒光纤（ErbiumDopedFiber）

Length

7

m

（1）EDFA的增益频谱

将CW激光器（CWLaser）的参数Frequency设为Sweep模式，使其从1520到1570线性递增。

运行系统后在Report里DualPortWDMAnalyzer下的result里分别得到增益系数Gain1和噪声系数NoiseFigure1与信号频率Frequency的关系。

在Gain—Frequency图和NoiseFigure—Frequency图上读出以下数据：

峰值增益：

__________________dB；

峰值增益波长：

______________nm；

3dB带宽：

___________nm（波长_________nm至_________nm。

）；

3dB带宽内的噪声系数范围：

__________dB至___________dB。

（2）增益饱和特性

将参数改为初始值（即将CW激光器Frequency参数设为normal模式，1550nm）后，改变CW激光器的参数Power设置，选为sweep模式，大小从－40dBm到－10dBm线性递增。

运行系统后在report里DualPortWDMAnalyzer下的result里得到增益系数Gain1和噪声系数NoiseFigure1与信号功率Power的关系。

在Gain—Power图上读出以下数据：

放大器小信号增益：

__________dB；

放大器3dB饱和的信号输入功率：

__________dBm；

计算输入为－40dBm时的信号输出功率：

__________dBm；

计算输入为3dB饱和信号输入功率时的信号输出功率：

__________dBm；

比较后两个功率值并分析其物理意义：

_____________________________________________________________________________________________________________________________。

（3）.泵浦光功率对增益的影响

将参数改为初始值后（即将CW激光器Power参数设为normal模式，－20dBm），泵浦（Pump）激光器的参数Power设置为sweep模式，从20mW到200mW线性递增。

运行系统后在report里得到增益系数Gain1和噪声系数NoiseFigure1与泵浦功率Power的关系。

在泵浦功率－增益和泵浦功率－噪声系数图上读出以下各数据：

泵浦功率为20mW时的放大器增益：

__________dB；

泵浦功率为200mW时的放大器增益：

__________dB；

泵浦功率为20mW时的放大器噪声系数：

__________dB；

泵浦功率为200mW时的放大器噪声系数：

__________dB；

比较后两种情况的放大器噪声系数及其变化趋势：

______________________________________________________________________________________________________________________________。

（4）掺饵光纤长度对增益的影响

将参数改为初始值后（即将pump激光器Power参数设为normal模式，100mW），掺铒光纤的参数length设置为sweep模式，大小从1m到19m线性递增。

运行系统后在report里分别得到增益系数Gain1与光纤长度length的函数曲线。

在掺铒光纤长度－Gain图上读出以下数据：

最大放大器增益：

__________dB；

实现最大放大器增益的掺铒光纤长度：

__________m；

描述增益随光纤长度变化的规律：

______________________________________________________________________________________________________________________________。

十、实验思考题

1、分析光纤长度对增益的影响的原因，以及影响最佳光纤长度的因素

2、不同泵浦功率对放大器特性的影响的原因

附：

OptiSystem软件使用基本说明

一、Optisystem软件介绍

OptiSystem是光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LAN和MAN都使用。

一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。

它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。

二、Optisystem用户图形界面基本介绍

Optisystem用户图形界面包括以下几部分，其中

1、图层（layout）：

是主要的工作区，可以在其中插入元件，修改参数及连接元件构建系统；

2、dockers：

包括元件库窗口、工程浏览器窗口以及图层描述窗口，可以通过菜单File/View来选择是否显示在界面上；

3、状态栏（statusbar）：

显示工程计算进程信息、其他提示及帮助信息；

4、菜单栏（menubar）：

每一级菜单都有下拉菜单，具体功能在状态栏中均有提示；

5、工具栏（toolbars）：

新建工程

打开工程

保存工程

运算

三、基本操作

1.打开使用范例

单击工具栏中的

，或者通过File/Open，打开OptiSystem安装目录/Samples，选择所要打开的范例。

2、建立新工程

单击工具栏中的

或者通过File/New，新建工程。

3、插入元件

在元件库窗口中，双击可进入所选择的元件库，选中元件后，将其拖放入图层。

4、复制元件

可按住Ctrl键，单击元件后，将叠放在元件上的复制元件移开即可。

5、连接元件

当把元件放入图层时，系统默认的自动连接会把该元件的输入端口会与距离最近的其他元件输出端口自动连接，输出端口也会与距离最近的其他元件输入端口连接。

可以通过单击图层操作工作栏中的自动连接按钮来打开或者取消自动连接功能。

手动连线时，可把指针放在输出接口处，指针变为十字，说明是可以连接的，此时将会出现端口信息，单击此端口并将指针拖至要连接的端口处，放开鼠标即可。

注意：

连接的两个端口必须同种性质（电或者光），两个输入（或输出）端口之间是不能相连的。

6、连线操作

可通过单击选中连线，按Delete键将其删除。

7、运行系统

在File菜单里选择Calculate，或单击

按钮，在弹出的运算对话框中，左侧有三个选项，由上至下分别为

运算整个工程

运算当前图层的所有扫描值

运算当前

单击运行按钮

，运算结束后在Calc.output栏中，出现Calculationfinished，此时单击

，关闭对话框，通过双击各观测仪来观测仿真结果。

四、参数操作

1、图层全局参数操作

双击主图层的空白部分，出现图层参数对话框，其中的参数对整个图层均有效，

2、元件参数操作

双击元件或右击元件后在快捷菜单中选择ComponentProperties，出现元件参数对话框。

如图所示，Disp单选框决定该参数值是否显示在工程图层中的元件下方，Value、Unit、Mode分别改变参数值、单位及运行模式。

其中Mode下拉框中包括Normal、Sweep、Scrip三个选项，选择normal可以在Value输入或者选择所需要的单个数值；选择Sweep，该参数运行在扫描模式下，通过点击Value中的按钮，选择参数值范围和分布后可以让该系统在不同的参数值下运行多次；选择Scrip，可以在Value中输入脚本语言的语句，实现参数的选择与控制。

四、report操作（绘制仿真结果B与元件参数A的函数曲线）

1、改变参数A的设置

在菜单栏中选择Layout>SetTotalSweepsIteration，出现对话框，设定总扫描次数。

打开元件的参数设置对话框，将参数A的方式改为Sweep；

2、设定A所取数据

单击Value中的

图标，出现ParameterSweeps对话框，可以逐个输入数据或单击参数栏（如图中的Power[dBm]）选定所有数据后单击SpreadTools中的按钮设定数据的变化趋势及起始和最终值；

3、运行系统；

4、在工程页面窗口选择report，单击工具栏中的

图标，建立二维图；

5、在工程浏览器的元件参数中找到A，将其拖至报告窗口的x或y轴，在观测仪的result中找到B，将其拖至报告窗口的y或x轴，可得到所需要的曲线。

五、二维图形的操作

双击观测仪或者通过report作图都可以得到二维图形，如下图所示

如果是report中的二维图，可以在图上点右键，在快捷菜单中选Activate，使图形处于可操作状态。

在二维图形上，单击右键出现12个可供选择的功能按钮

常用的有

放大、

移动等，双击图形或者单击观测仪的AutoSet按钮可以恢复至原始状态。

单击图形左上角的

按钮，选择CopyImageToClipboard，将图形复制至剪贴板。