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基于optisystem的EDFA仿真设计.docx
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基于optisystem的EDFA仿真设计.docx
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3 摻铒光纤放大器的仿真分析
3.1 掺铒光纤放大器的增益特性分析
3.1.1 建立仿真模型
建立下图 3.1 模型,其中信号光源波长为 1552.52nm
图 3.1 仿真模型
3.1.2 泵浦功率对 EDFA 增益的影响
从下图 3.2 中可看出当泵浦功率小于 50mw 时增益随着泵浦功率的增加迅速增加,
而在 100mW 以后增益随着泵浦功率的变化不大,那么 50mw 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。其中泵浦功率分别为 50mw,100mw 时,EDFA 的增益分别为
14.112881dB 和 17.39838dB。其他数据见下表 3.1,通过以下数据描绘出上图,特到功
率特性曲线。
第 2 页共 26 页
图 3.2 泵浦功率对增益的影响
表 3.1 不同泵浦功率下的增益
功率 mw L=5 增益 L=3 增益 L=6 增益
7
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1.2003213
4.4364644
9.1981242
11.490603
12.995258
14.112881
15.001034
15.737164
16.365264
16.913001
17.39838
3.5962143
5.647317
9.2429675
11.154304
12.442925
13.408905
14.178251
14.815462
15.358057
15.82962
16.245753
——
3.3715864
8.8772822
11.339632
12.921254
14.084307
15.00315
15.762228
16.408482
16.970996
17.469084
3.1.3 泵浦波长及位置对 EDFA 增益的影响
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。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: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
泵浦功率对噪声的影响
0
5
10
15
20
7 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
泵浦功率
增益
L=3
L=5
L=6
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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。噪声变化将在下一节中介绍。
不同泵浦方式下的增益,如下图 3.3 所示,在双向泵浦且波长为 980nm 泵浦功率
都为 100mw 时的增益最大为 20.515013dB。
图 3.3 不同泵浦工作方式下的增益
表 3.2 不同泵浦工作方式下的增益
工作方式
增益
双 980
双 1480
前 980 后 1480
前 1480 后 980
前 980
后 980
前 1480
后 1480
20.515013
20.386898
20.441215
20.443267
17.39839
17.40938
17.892259
17.892246
3.1.4 EDF 长度对 EDFA 增益的影响
下图 3.4 是 EDFA 的增益谱峰值随掺铒光纤(EDF)长度的变化曲线,其中信号波长为
1551nm,前向泵浦,功率分别为 50mw,80mw,100mw。由图可看出,在 Pm=50mW 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。由下表
不同泵浦工作方式下的增益
15
16
17
18
19
20
21
双980
双1480
前980后
1480
前1480后
980
前980
后980
前1480
后1480
增益
增益
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3.3 可以看出,在 EDF 为 5 米左右时获得最大增益,为 25.048431dB,当 EDF 增长时,
增益减小,通过仿真我们验证了 EDFA 最佳长度特性。
图 3.4 EDF 最佳长度
表 3.3 不同 EDF 长度下的增益
EDF 长度/m 泵浦功率 50mw 泵浦功率 80mw 泵浦功率 100mw
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
20.652835
28.384502
31.746369
33.256753
34.076376
34.430858
34.287433
33.540552
32.110477
31.843666
26.821303
26.771285
21.203255
27.148136
33.297747
34.136471
36.012893
36.676084
37.004982
36.953667
36.4388289
36.391885
34.157346
34.345518
18.975862
27.534952
32.593949
34.866724
36.161898
37.048959
37.678957
38.053375
38.145249
37.914469
37.356578
34.99394
3.1.5 不同波长信号经 EDFA 放大后的增益
建立下图 3.5 所示模型,在光谱仪中可以观察到不同波长信号的增益情况。
EDF长度对增益的影响
0
20
40
60
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
长度/m
增益/dB
P=50
P=80
P=100
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图 3.5 仿真模型
图 3.6 不同波长信号经 EDFA 放大后的增益
上图 3.6 为信号经过 EDFA 放大后各路信号的增益。由图可看出其增益谱在
1530nm-156Onm 处有一个增益峰值,这与掺铒光纤的吸收和发射系数有关,因为吸收和
发射峰值就在 1530nm-1560nm 处,尤其是在 1530-1540nm 处 EDFA 有较大的增益。光纤
通信常用的波长有 1310nm 和 1550nm。其中 1310nm。光传输窗口又被称之为零色散窗口,
光信号在此窗口传输色散最小;1550nm 窗口称之为最小损耗窗口,光信号在此窗口传输
的衰减最小。
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