【文章內(nèi)容簡介】 個(gè)軟件，并對(duì)EDFA 在WDM傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用的仿真分析。課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁2. EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用. 摻鉺光纖放大器（EDFA ）. EDFA 的主要結(jié)構(gòu)EDFA 主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器和光濾波器等組成，如圖 所示。圖 EDFA 的基本組成(1) 摻鉺光纖（EDF）：光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，其長度為 10m~100m 左右，鉺離子的摻雜濃度一般為 2100~ 2022ppm 左右。因而使摻鉺光纖的設(shè)計(jì)最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA 的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。(2) 泵浦源對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個(gè)波長可有效激勵(lì)摻鉺光纖?，F(xiàn)在采用的半導(dǎo)體激光器，輸出功率為 10~200mW，工作波長為 或 。最先使用 1480 nm 的多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達(dá) 100mW，泵浦增益系數(shù)較高。現(xiàn)在一般采用 980nm 波長泵浦，它的效率更高, 噪聲更低。(3) 波分復(fù)用器其作用是使泵浦光與信號(hào)光進(jìn)行復(fù)合。對(duì)它的要求是插入損耗低，因而適用的 WDM器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4) 光隔離器在輸入、輸出端插入光隔離器目的是抑制光路中的反射，保證信號(hào)單向傳輸、防止反射光影響 EDFA 的工作穩(wěn)定性，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對(duì)隔離器的課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。(5) 光濾波器濾除放大器噪聲，提高信噪比。EDFA 的內(nèi)部按泵浦方式分，有三種基本的結(jié)構(gòu)：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。（1）同向泵浦這是一種信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱為前向泵浦，如圖 所示。輸入泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，其增益系數(shù)大。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡單，噪聲指數(shù)較??；缺點(diǎn)是輸出功率較低。圖 同向泵浦（2）反向泵浦這是一種信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)，也稱后向泵浦，如圖 所示。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，輸出功率比同向泵浦高；缺點(diǎn)是噪聲性能差。圖 反向泵浦（3）雙向泵浦這是一種同向泵浦與反向泵浦同時(shí)泵浦的結(jié)構(gòu)，如圖 所示。用多個(gè)泵浦源從多個(gè)方向激勵(lì)光纖。多個(gè)泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點(diǎn)。使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布。課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁圖 雙向泵浦圖 （a）給出了三種泵浦方式的信號(hào)輸出功率與泵浦功率的關(guān)系。由于這三種方式的微分轉(zhuǎn)換效率（即圖中曲線斜率）不同，因此再同樣的泵浦條件下，同向泵浦式 EDFA 的輸出功率最低。圖 （b）給出噪聲指數(shù) NF 與輸出功率之間的關(guān)系。由于輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)下降。因此，在未飽和區(qū)，同向泵浦式 EDFA 的噪聲指數(shù)最小，但是在飽和區(qū)，情況就不同。圖 （c）給出了噪聲指數(shù)與光纖長度的關(guān)系。可見，不管摻餌光纖的長度如何，同向泵浦 EDFA 噪聲指數(shù)均最小。 (a)信號(hào)輸出功率與泵浦功率的關(guān)系 (b)噪聲指數(shù)與輸出功率的關(guān)系 (c)噪聲指數(shù)與光纖長度的關(guān)系圖 相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系. EDFA 的工作原理EDFA 的工作原理與半導(dǎo)體激光器類似：當(dāng)較弱的信號(hào)光和較強(qiáng)的泵浦光一起輸入摻餌光纖時(shí)，泵浦光激活 EDF 中的鉺粒子并形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；在信號(hào)光子的感應(yīng)下，產(chǎn)生受激輻射并實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大作用。由于 EDFA 的核心放大元件是摻餌光纖，其具有細(xì)長的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)有源區(qū)的能量密度較高，從而降低了對(duì)泵浦功率的要求。 鉺粒子的能級(jí)分布如圖 所示。課程設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁圖 鉺離子工作能級(jí) 當(dāng) WDM 的信號(hào)光通過這段粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的 EDF 時(shí)，電子在 WDM 信號(hào)光作為感應(yīng)光場的情況下，從亞穩(wěn)態(tài)受激輻射到基態(tài)上，并產(chǎn)生與輸入光子完全一樣（具有相同波長、相同方向和相同相位）的光子，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光在 EDF 的傳播過程中被放大。 因此，簡單地說，EDFA 放大就是把泵浦能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的能量，而且它的效率很高。 泵浦效率等因素的影響，980nm、1480nm 半導(dǎo)體激光器更適合于 EDFA 的泵浦光源，而且這兩種半導(dǎo)體激光器已經(jīng)得到很好的商用化。另外，980nm 相對(duì)于 1480nm而言，增益高、噪聲小，是目前 EDFA 的首選泵浦光源，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá) 30 ~ 40 dB 的放大器增益。. EDFA 的工作特性(1) 工作波長恰好落在光纖通信的最佳波長區(qū)( 1500 nm )；(2) 因?yàn)?EDFA 的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達(dá)到 dB。(3) 噪聲指數(shù)低，一般 4 ~ 7 dB；(4) 增益高，約 20 ~ 40 dB，飽和輸出功率大，約 8~15 dBm；(5) 頻帶寬，在 1 550 nm 窗口有 20 ~ 40 nm 帶寬，可進(jìn)行多信道傳輸，便于擴(kuò)大傳輸容量，從而節(jié)省成本費(fèi)用。(6) 與半導(dǎo)體光放大器不同，光纖放大器的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特課程設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁性與光信號(hào)的傳輸方向也無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)雙向放大 ( 光纖放大器內(nèi)無隔離器時(shí) )。(7) 所需泵浦功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當(dāng)高，用 980nm 光源泵浦時(shí)，增益效率為 10dB/mW，用 1480nm 光源泵浦時(shí)為 ；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)功率的效率為 %，吸收效率為 88%；(8) 在多信道應(yīng)用中可進(jìn)行無串話傳輸；(9) 放大器中只有低速電子裝置和幾個(gè)無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小；(10) 對(duì)不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，即與準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)的各種速率兼容，調(diào)制方案可任意選擇；(11) EDFA 需要的工作電流比光電光再生器的小，因此可大大減小遠(yuǎn)供電流，從而降低了對(duì)海纜的電阻和絕緣性能的要求。. EDFA 的性能參數(shù)EDFA 主要性能參數(shù)包括功率增益、輸出功率和噪聲等。功率增益（dB）表示了 EDFA 的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比，即EDFA 的增益大小與輸入信號(hào)功率、泵浦功率、摻餌光纖長度等多種因素有關(guān)，通常為 15～40dB。圖 給出了 EDFA 信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系。??=10logdB輸 出 光 功 率功 率 增 益 輸 入 光 功 率課程設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁圖 增益（G）與泵浦光功率的關(guān)系由圖可見，小信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)。當(dāng)放大器增益出現(xiàn)飽和時(shí)，即使泵浦功率增加很多，增益也會(huì)基本保持不變。此時(shí)放大器的增益效率（圖中曲線斜率）將隨著泵浦功率的增加而下降。圖 給出了增益與摻餌光纖長度的關(guān)系。由圖可見，剛開始是增益隨摻餌光纖長度的增加而上升，但是光纖超過了一定長度之后，由于光纖本身的損耗，增益反而逐漸下降，因此存在一個(gè)可獲得最佳增益的最佳長度。這一長度只能是最大增益長度，而不是摻餌光纖的最佳長度，因?yàn)檫€牽涉到其他諸如噪聲等的特性。圖 增益（G ）與摻餌光纖長度的關(guān)系對(duì)于 EDFA 而言，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于平穩(wěn)。EDFA 的輸入/輸出關(guān)系如圖 所示。課程設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁圖 EDFA 的輸入/ 輸出關(guān)系衡量 EDFA 的輸出功率特性通常使用 3dB 飽和輸出功率，其定義為飽和增益下降3dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值。EDFA 的輸出光中，除了有信號(hào)光外，還有自發(fā)輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號(hào)光的噪聲源，EDFA 的噪聲主要有以下四種：①信號(hào)光的散粒噪聲；②被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；③自發(fā)輻射光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；④自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定 EDFA 性能的主要因素。理論分析表明，EDFA 的噪聲指數(shù) Fn 的極限值是 3dB。這表明在即使是在理想情況下，每經(jīng)過一個(gè) EDFA，信噪比也會(huì)下降一半。因此，即使 EDFA 的增益完全補(bǔ)償光纖線路的損耗，實(shí)際使用中也不能無限制地級(jí)聯(lián) EDFA，這樣會(huì)導(dǎo)致接收到信號(hào)的信噪比難以承受。. EDFA 的應(yīng)用在長距離、大容量、高速率光纖通信系統(tǒng)中，EDFA 有多種應(yīng)用形式，其基本作用是：1） 延長中繼距離，使無中繼傳輸達(dá)數(shù)百公里。2） 與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，可迅速簡便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。課程設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁3） 與光孤子技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信。4） 與 C