1、精選優質文檔-傾情為你奉上基于opt system的摻鉺光纖放大器(EDFA)性能研究摘要：首先介紹摻鉺光纖放大器(EDFA)放大原理，其次對摻鉺光纖放大器(EDFA)的結構作簡要分析，重點分析了EDFA放大增益和入射光波長、Er3+濃度之間的關系，以及雙向泵浦摻鉺光纖的性能和泵浦功率的關系。關鍵詞：EDFA，放大增益，飽和功率，噪聲特性。一、前言摻鉺光纖放大器(EDFA即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號放大器。)是1985年英國南安普頓大學首先研制成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發明之一。摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺(Er)離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的

2、核心。從20世紀80年代后期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。WDM技術、極大地增加了光纖通信的容量。成為當前光纖通信中應用最廣的光放大器件。它具有以下優點：1.摻鉺光纖的放大區域恰好與單模光纖的最低損耗區域相重合。那么，被摻鉺光纖放大器放大的光在光纖中的傳輸損耗小，能傳輸比較遠的距離。2.對摻鉺光纖進行激勵的泵浦功率低。3.放大頻帶寬，能在同一根光纖中傳輸幾十甚至上百個信道。4.噪聲指數低，接近量子極限，意味著可級聯多個放大器。5.增益飽和的恢復時間長，各個信道間的串擾極小。二、EDFA的工作原理摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖中摻雜離子在泵浦光的作用下，形成粒子數反轉，從而對入

3、射光信號提供光增益。對于波長為980nm的泵浦源，摻鉺光纖相當于一個三能級的系統。鉺離子通過受激吸收入射波長為980nm的光子的能量，從N1能級躍遷到N3能級，由于N3能到N2能級的馳豫時間很短，N3能級上的粒子很快躍遷到N2能級，N3能級上的粒子數基本上可認為是零。 圖1 摻餌光纖放大器的工作原理圖1N2能級到N1能級的馳豫時間比較長，為毫秒量級，是一個亞穩態。當有波長1550nm左右的信號光子輸入時，N2能級的粒子受激輻射向N1能級躍遷，產生和入射光子同頻、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。N2能級沒有受激輻射的粒子會以自發輻射的方式向N1能級躍遷，產生波長1550nm左右的光子

4、，其頻率、相位、方向時隨機的。EDFA主要是由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、光耦合器，光隔離器以及光濾波器等組成。在輸入端和輸出端各有一個隔離器，目的是使光信號單向傳輸。泵浦激器波長為980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把輸入光信號和泵浦光耦合進摻鉺光纖中，通過摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉移到輸入光信號中，實現輸入光信號的能量放大。實際使用的摻鉺光纖放大器為了獲得較大的輸出光功率，同時又具有較低的噪聲指數等其他參數，采用兩個或多個泵浦源的結構，中間加上隔離器進行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲線，還加入了增益平坦濾波器。按照它的泵浦方式不同，EDFA有前向泵浦、后向泵浦和

5、雙向泵浦三種泵浦方式，不同的泵浦方式放大器具有不同的性能，結構圖如下圖2 EDFA的前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦三種泵浦方式2三、opt system仿真圖3是基于opt system的前向、后向、雙向EDFA的結構仿真全局變量的設置是：Bit rate是10GBis/s、Sequence length是128Bis/s。EDFA的光纖長度是9m。泵浦波長是980nm。(a)(b)(c)圖3前向(a)、后向(b)、雙向(c)泵浦EDFA的仿真圖四、結果分析EDFA的增益(Gain)定義為Gain(dB)=10lg(Pout-PASE)/Pin式中Pout表示輸出光功率；PASE表示自發輻射功率

6、；Pin表示輸入功率。摻鉺光纖放大器的噪聲只要來源有信號光的散彈噪聲，信號光波與放大器自發輻射光波的差拍噪聲，被放大的自發輻射光的散彈噪聲，光放大器自發輻射的不同頻率光波間差拍噪聲等。噪聲系數(NF)定義為NF=(SNR)i/(SNR)o=PASE(s)/hv GainBo(s)式中(SNR)i是輸入信噪比，(SNR)o是輸出信噪比；PASE(s)為ASE功率；hv是光子能量；Bo(s)是光濾波器帶寬。4.1信號波長和增益、噪聲的關系由于泵浦波長和Er3+離子吸收效率等因素的影響，亞穩態能帶中各分立能級Er3+離子數不同，導致不同波長的信號光增益和NF隨著波長變化而變化。在EDFA中，由于增益

7、平坦濾波器的作用，使信號增益和NF在一定帶寬內變化不大，但是這是以損失增益為代價；另外，增益平坦濾波器還有濾除噪聲的作用。因此，設計性能良好的增益平坦濾波器也是提高增益、減小NF所必須的。圖5給出了信號波長與增益、噪聲的關系?？梢钥闯觯珽DFA的增益帶寬真正平坦的區間大致在15401560nm范圍。圖5信號波長和增益、噪聲的關系4. 2 Er3+離子的濃度與增益、噪聲的關系摻Er3+離子的濃度對增益和噪聲也有顯著的影響。實驗中，Er3+離子的濃度與增益、噪聲的關系如圖6所示?？梢钥闯?，其增益隨著離子濃度的增加，有現增加后減小的趨勢。事實上，若摻雜過低，在摻雜離子總有效數少于入射光子的部分，激發

8、態有可能被耗盡，所以光信號的放大受限于可被利用的有限的離子數目。反之, 若摻雜過多，則會出現兩種情況：其一是出現所謂濃度遏制的問題，即高摻雜時相鄰離子之間會出現非輻射交叉馳豫過程，該過程將使激光上能級的有效粒子數減少；另一個問題是，高摻雜將會導致玻璃基質中出現結晶現象，這對激光的形成也是不利的3。(a)(b)(c)圖4 前向(a)、后向(b)、雙向(c)EDFA中Er3+離子的濃度與增益、噪聲的關系4.3雙向EDFA中泵浦功率和增益、噪聲的關系(a)(b)(c)圖6雙向EDFA中泵浦功率和增益、噪聲的關系當第一個泵浦功率由10-100mv變化，而第二個保持10mv不變時，增益和噪聲的變換曲線如

9、圖6(a)所示?？梢园l現：增益是隨著第一個泵浦功率的增加而增加的。當第二個泵浦功率由10-100mv變化，而第一個保持10mv不變時，增益和噪聲的變換曲線如圖6(b)所示?？梢园l現：增益在泵浦功率為30-70mv時，有一個較大的波動。當功率大于70時，增益較平坦。當第一個和第二個泵浦的功率都在變化時，增益和噪聲的變換曲線如圖6(c)所示。其結果類似于第二種情況。五：結論EDFA的增益平坦的區間大概在1540-1560nm的范圍。在一定范圍內，EDFA的放大增益隨著Er3+的濃度增加而增加，但是當Er3+的濃度超過一定范圍后，放大增益反而會下降。對于雙向泵浦EDFA，當連接在光纖后面的泵浦功率由小變大時，放大增益會在一個區間內有較大波動，