摻鉺光放大器的設計與仿真1[共15頁]

摘要光放大器在光纖通信領域中承擔著重要的角色，也是光纖通信中必不可少的組成部分。其中，摻鉺光放大器（EDFA）的研究和實用化，更是促進了光纖通信領域的發(fā)展。EDFA 在密集波分復用（dense wavelength division multiplexing, DWDM）光通信系統(tǒng)和光纖有線電視（Community Antenna Television, CATV）系統(tǒng)中都有著廣泛地應用。摻鉺光纖放大器直接對光信號進行放大，無需進行光電光變換，且具有輸出功率大、增益高、工作頻帶寬、與偏振無關、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率、數(shù)據(jù)格式無關等特點，已成為現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的重要器件之一。關鍵詞：光纖通信，光放大器，摻鉺光纖放大器（EDFA），設計，仿真ABSTRACTDWDM (dense where division multiplexing, DWDM) optical communication system and optical fiber cable (Community can Antenna Television be used, CATV) are widely used in the system. Direct optical signal is amplified and erbium doped fiber amplifier without photoelectric light transformation, and has a large output power, high gain, wide working frequency band and has nothing to do with the polarization, low noise figure, amplification characteristics has nothing to do with the system bit rate, data format, etc, has become one of the important device of modern optical communication system.Key words: optical fiber communication, optical amplifier, erbium-doped fiber amplifier (EDFA), design and simulation引言在新一代光纖通信中，人們采用光放大器代替原有的光電光中繼，實現(xiàn)全光信號的高速傳輸和信息處理。光放大器是光纖通信系統(tǒng)中能對光信號進行放大的一種子系統(tǒng)產品。主要包括半導體光放大器、摻稀土元素光纖放大器、非線性光放大器半導體激光放大器。摻鉺光纖放大器是摻稀土元素光纖放大器一種，它比其它光放大器更加引人注目，是所有光放大器中最為常用的。 摻鉺光纖放大器具有增益高、帶寬寬、插入損耗低、結構簡單、無偏振性、易耦合、高飽和輸出功率，工作在低損耗的波長 1.55nm 窗口，并能對其較寬的帶寬范圍內（30nm 以上）提供均衡和穩(wěn)定的增益特性等優(yōu)點，淘汰了傳統(tǒng)再生中繼的光電光轉換，是一種理想的光纖放大器。商用化的普通摻鉺光纖放大器已經廣泛使用于通信傳輸干線及通信網(wǎng)中。采用波分復用(WDM)技術能夠大幅度提高系統(tǒng)的傳輸容量，被公認為是實現(xiàn)全光通信最關鍵的底層。傳統(tǒng)的光放大器一般只能進行單信道信號放大，適合波分復用系統(tǒng)而特殊設計的光放大器，例如均衡增益的雙芯摻鉺光纖放大器，可以把不同波長的信號同時放大，即用同一個放大器對多個信道提供增益，并且增益不受信號偏振的影響，在高速多信道的傳輸系統(tǒng)中也不會產生串擾和脈沖失真。WDM 系統(tǒng)的發(fā)送端用光纖放大器提升信號功率，可以補償波分復用器的插入損耗，提高光纖線路的功率。在 WDM 接收端，為補償解復用器的插入損耗，提高接收機靈敏度等，也必須在解復用器之前配置光纖放大器作為前置放大器。正是光纖放大器的運用使得 WDM 全光網(wǎng)實現(xiàn)成為可能。在光纖接入網(wǎng)中出現(xiàn)了 FTTH（光纖到戶），F(xiàn)TTO(光纖到辦公室)，F(xiàn)TTB(光纖到樓)，F(xiàn)TTC(光纖到路邊)等方式，其中運用范圍最大的是 FFTH，其難度是光纖終端分支太多，對無源網(wǎng)絡而言，幾次分支后，用戶接收到的光功率就非常之低，使得終端無法正常工作。采用光纖放大器后，發(fā)射功率增大，經過多分支后，用戶端仍能正常接收，這樣 FTTH 的實現(xiàn)才成為可能?？傊?，隨著光纖通信向高速寬帶網(wǎng)絡方向發(fā)展，對光纖放大器的性能提出了更新更高的要求，研究具有自動增益控制和平坦寬帶的光放大器，給光纖通信研究和開發(fā)人員帶來了機遇和挑戰(zhàn)。一、 光放大器分類 光放大器通過受激發(fā)射放大入射光信號，其核心是當放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉獲得光增益。目前實用的光放大器分為三類：半導體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)、摻稀土元素光纖放大器、非線性光放大器。每類又可以分成不同的應用結構和方式。半導體光放大器：駐波式（SWA)、行波式（TWA，Traveling-Wave Amplifier）摻稀土元素光纖放大器：摻鉺光纖放大器 EDFA、摻銩光纖放大器 TDFA、摻釹光纖放大器 NDFA、摻鐠光纖放大器 PDFA 非線性光放大器：光纖喇曼放大器(FRA，F(xiàn)iber Raman Amplifier)、光纖布里淵放大器 FBA、光纖參量放大器 FOPA。二、摻鉺光纖放大器的特點無論從理論還是實用方面，摻鉺光纖放大器都是最為成熟的，也最受大眾關注。摻鉺光纖放大器是新一代大容量光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的催化劑。EDFA 具有各方面的優(yōu)點： 1）已商用化的 EDFA 的工作波段 1530nm1565nm 是光纖傳輸損耗最低的窗口，這樣可以延長傳輸距離。 2）增益高，小信號的增益可以達 30d B 以上。飽和輸出功率較高。 3）噪聲指數(shù)比較低，一般為 47d B。 4）頻帶寬，可以進行多信道傳輸，便于信道容量的擴展。5）EDFA 的增益調整特性，具有自動增益調整能力，可以使用于網(wǎng)絡中的不同位置，如線路放大，前置放大等。三、EDFA 的基本光路結構EDFA 的基本光路結構包括摻鉺光纖，泵浦源，光波分復用器，光隔離器以及其他的光學器件。EDFA 的基本結構如圖1）摻鉺光纖 摻鉺光纖（EDF, erbium-doped fiber）是 EDFA 的主體，它的特性對 EDFA的性能起到很大的影響作用。在摻鉺光纖放大器技術中，摻鉺光纖的工藝技術至關重要。摻鉺光纖的主要參數(shù)有數(shù)值孔徑、鉺離子濃度等，其中大的數(shù)值孔徑有利于確保泵浦光和信號光在摻鉺光纖芯中更好的傳輸；鉺離子濃度越高相同泵浦功率時單位長度的增益越高，一般鉺離子濃度在幾十到幾千 PPM。 2）泵浦激光器泵浦源為信號放大提供能量，即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。泵浦源是 EDFA一項關鍵技術。它將粒子從低能級抽到高能級使粒子處于反轉狀態(tài)，從而產生放大，實用化的 EDFA 采用 In Ga As P 半導體激光器做光源。對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命，這是保證光纖放大器性能的主要因素。較為常用的泵浦源波長是 980nm、1480nm 等，摻鉺光纖可在這幾個波長上被有效地激勵。3）波分復用器波分復用器（WDM, wavelength division multiplexed）是 EDFA 必不可少的組成部分，它的作用是把泵浦光和信號光耦合于鉺纖中。它是摻鉺光纖放大器的一個關鍵元件，其完成泵浦光與信號光的混合并送入摻鉺光纖，對它的要求是能將兩信號有效的混合而損耗最小。目前，在光放大器中采用的波分復用器主要有兩種：介質薄膜型波分復用器，熔錐型波分復用器。4）光隔離器光隔離器是一種單向光傳輸器件，為了抑制光路中光反射回來，只允許光單向傳輸?shù)臒o源光器件。在 EDFA 中，為了避免端面的寄生腔效應而引起震蕩的影響，在有源光纖兩端也必須插入光隔離器。保證 EDFA 工作的穩(wěn)定可靠，并降低噪聲，避免頻率漂移和激光振蕩。EDFA 根據(jù)泵浦方式的不同，可以分為三種基本結構，分別是正向泵浦方式，反向泵浦方式和雙向泵浦方式。如圖四、系統(tǒng)仿真設計正向仿真圖如下反向仿真圖如下雙向泵浦仿真圖五、計算表格與圖表光纖長度234567891011正向增益3.113.333.373.373.343.323.293.253.223.19反向增益3.113.323.373.373.343.313.283.253.223.19雙向增益4.855.225.325.345.335.325.35.285.265.24光纖長度121314151617181920正向增益3.163.133.093.063.032.992.962.922.89反向增益3.153.123.083.053.022.982.952.912.87雙向增益5.225.25.185.165.145.125.15.085.05 圖1 輸入功率510152025303540正向增益10.087.516.145.54.824.313.913.57反向增益10.367.86.45.484.824.33.93.57雙向增益13.7210.919.338.257.446.816.295.85輸入功率45505560657075808590100正向增益3.32.892.862.682.522.392.262.152.051.961.8反向增益3.293.052.852.672.522.382.262.152.041.951.79雙向增益5.485.164.884.634.44.24.023.853.73.563.31圖2摻鉺半徑12345678910前向增益3.053.063.063.053.043.0332.952.882.78后向增益3.043.053.053.053.043.0332.952.882.78雙向增益5.155.165.165.155.145.135.095.024.914.75圖3 六、計算結果分析 通過系統(tǒng)仿真，得出以下EDFA的泵浦方式的不同對增益的影響的計算結果如圖1圖2所示在輸入光功率為50mw的條件下，隨著光纖長度從2m20m的不斷增加，在開始階段，隨著摻鉺光纖的長度增加，增益也逐漸增大，當光纖增加到一定值時，增益將不再增加，反而有減小的趨勢。此外，泵浦方式的不同，也將影響增益的變化。在泵浦波長980nm為定值的條件下，正向、反向、雙向三種泵浦方式進行比較，如圖一所示，明顯雙向泵浦方式的增益高于正向和反向，效果更好。正向泵浦和反向泵浦方式隨著摻鉺光纖的長度的增加增益曲線幾乎相同，沒有明顯差別，而雙向泵浦方式的增益隨著摻鉺光纖的長度的增加效果是正反向泵浦的兩倍，圖2為輸入光功率對增益的影響，在摻鉺光纖長度為15m，摻鉺半徑為2.2um，泵浦波長980nm的條件下，隨著輸入光功率的增加，增益效果逐漸下降，剛開始下降比較明顯，隨著輸入功率的增加，增益逐漸接近最小的一個數(shù)值，最后趨于穩(wěn)定。當信號功率足夠大時，泵浦功率不足以使粒子數(shù)實現(xiàn)反轉，增益就會下降，最終接近于1，與理論的值相符合。圖3為摻鉺光纖半徑對各向增益的影響，在摻鉺光纖長度為15m，泵浦波長980nm的條件下，隨著摻鉺光纖半徑的增加，各向增益效果均下降，在此條件下，增益的最大值在2um左右，而雙向增益的效果明顯比前向和后向要好，也說明采用雙向泵浦方式將得到更好的增益效果。七、結束語通過系統(tǒng)仿真optisystem軟件對摻鉺光纖泵浦方式的仿真，觀察增益曲線的趨勢，從而研究泵浦方式的不同所給增益帶來的變化，有助于理解泵浦對整個放大器的重要性。八、參考文獻（1）江騰蛟 嘉應學院物理與光信息科技學院,廣東梅州,514015 光通信技術 Optical Communication Technology（2）薛飛 電子科技大學通信與信息工程學院 電子科技大學學報（3）內蒙古工業(yè)大學萬方數(shù)據(jù)庫學校代碼： 10128學 號： 201220906029 光纖通信課程設計（題 目：光放大器的設計與仿真 學生姓名：曹少飛學 院：理學院系 別：物理系專 業(yè)：電子信息科學與技術班 級：電科12-1指導教師：迎春二一五 年 七月15