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本文研究了EDFA的基本原理及结构，阐述了影响EDFA性能的因素，分析了波分复用（WDM）技术及系统的设计原理，介绍了常见的仿真软件和国内外仿真现状以及Optisystem 软件强大的仿真功能。并在此基础上，给出了基于Optisystem 的波分复用光传输链路仿真模型的搭建，概述了在WDM系统中EDFA的应用和要求以及关键技术。对复用后的光信号进行仿真得出光谱图，研究了各信道的增益情况，验证了光纤的两个窗口。本文还对链路传输性能及EDFA的掺铒光纤长度，泵浦功率等参数进行分析，得到了各种泵浦工作方式下的增益特性，EDFA最佳长度以及饱和增益特性曲线，并验证了EDFA的正确性和设计方案的可行性，近而得出最佳化的EDFA设计。
关键词 摻铒光纤放大器 增益 仿真 波分复用
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目 录
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1引言…………………………………………………………………………………1 1.1掺铒光纤放大器仿真的目的及意义……………………………………………1 1.2掺铒光纤放大器仿真的研究现状………………………………………………1 1.3 optisystem 软件简介…………………………………………………………2 1.4本文研究的主要内容……………………………………………………………2 2掺铒光纤放大器的理论研究………………………………………………………2 2.1掺铒光纤放大器的工作原理……………………………………………………2 2.2掺铒光纤放大器的性能分析……………………………………………………6 2.3掺铒光纤放大器的应用 ………………………………………………………10 3掺铒光纤放大器的仿真分析 ……………………………………………………11 3.1掺铒光纤放大器的增益特性分析 ……………………………………………11 3.2掺铒光纤放大器的噪声特性分析 ……………………………………………16 3.3掺铒光纤放大器的多信道放大特性 …………………………………………19 4掺铒光纤放大器在高速通信系统中的应用 ……………………………………21 4.1 40G单模光纤传输系统 ………………………………………………………21 4.2 8*10G WDM系统性能分析 ……………………………………………………23 结论 ……………………………………………………………………………… 31 致谢 ……………………………………………………………………………… 32 参考文献 ………………………………………………………………………… 33
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1引言
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随着光纤通信系统的发展, 密集波分复用技术越来越广泛的应用到系统中, 系统的复杂性也在不断的增加, 因而光纤通信系统的计算机辅助设计系统变得非常重要。光纤通信系统是一门多学科专业交叉渗透的综合技术，它涉及到通信基础理论(如数字通信技术) , 微波技术(如光纤信道的电磁场分析) 以及电路设计与微电子技术(如A2SIC专用集成电路) 等，无论是系统的规划与设计还是新型传输系统与体制的探索与研究，都要遇到冗长繁杂的计算。为了高效地完成日趋复杂通信系统的仿真研究，在对光纤通信系统分析的基础上利用仿真软件建立了高速大容量光纤系统的仿真模型，得到了高速光纤通信系统特性激光器的调制频率偏置电流的关系以及光纤的损耗和色散的仿真结果，亦可利用仿真软件非常灵活地设计满足需要的仿真系统。
1.1掺铒光纤放大器仿真的目的及意义
利用现代的计算机进行光纤通信系统的仿真, 可以直接搭建激光器、光纤及测试仪器的模型, 并在此基础上进行器件、系统的性能分析和测试, 避免了直接的昂贵的器件和设备投资。同时系统的仿真对器件选型、系统结构优化及整体系统的可形性研究都具有重大意义。此外,为了验证其性能是否合乎要求, 还需反复进行实验研究与测试。如果每次都直接用真实系统进行实验, 不仅耗资昂贵, 费工费时, 有时甚至难于找到问题症结所在, 因此, 解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术,即通过建立部件乃至系统的模型, 并用模型在计算机上做实验, 利用计算机的高速运算处理能力, 完成对光纤通信设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。显然, 建立光纤通信系统的计算机仿真平台, 既能提高设计的一次成功率, 又能大大缩短研发周期。随着通信技术的发展, 通信网络的数量和复杂度的迅速增长, 在通信系统设计中运用计算机仿真技术已成为新系统设计时缩短设计周期、提高设计可靠性和已有系统性能改进的不可缺少的工具。新产品研制周期和节省投资费用, 还能极大地促进光纤通信的基础理论研究, 并为相关工程技术人员的技术培训提供理想实验手段。
1.2掺铒光纤放大器仿真的研究现状
仿真分为电路级仿真和系统级仿真。电路级仿真就是由电阻、电容、电感等组成等效的电路模型来模拟器件的外特性。系统级仿真是用传输函数或数学公式来模拟器件的外特性的模拟。国外已有一些光纤通信系统仿真软件, 用于电路分析时, 其侧重点不同,
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例如Boss是一种界面友好的光链路仿真软件, 它包括光纤器件模型, 但只适用于单一波长系统。SCOPE是一种把系统的光电器件和光器件用两端口网络模型来模拟的非线性微波仿真软件, 其主要用途是对在微波频率的光通信系统进行仿真。DEXSOLUS (Simulation of Light Using Spice) 是基于Spice电路仿真软件的专用于光通信领域的信号分析软件, 它采用等效电路模型来模拟光电器件, 这些模型的光功率在仿真中用电压来表征。还有其它电路级的仿真软件如iSMILE和MISIM等。IBM的OLA P(Opt ical Link A nalysis Program )是一个把SYSTID和低级的光器件仿真软件综合起来应用的软件。还有一些新的仿真软件如iFROST等, 用户可调用其他仿真软件来提供混合级的仿真环境。
1.3 optisystem软件简介
Optisystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括: 物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计、CATV或者TDM?0WDM网络设计、SONET?0SDH的环形设计，Radio over Fiber系统，自由空间光通信系统（FSO）、传输器、信道、放大器和接收器的设计、色散图设计、不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估、放大的系统BER和连接预算计算主要特点。
1.4本文研究的主要内容
本文研究了EDFA的基本原理及结构，阐述了影响EDFA性能的因素，分析了波分复用（WDM）技术及系统的设计原理，介绍了常见的仿真软件和国内外仿真现状以及Optisystem 软件强大的仿真功能。并在此基础上，给出了基于Optisystem 的波分复用光传输链路仿真模型的搭建，概述了在WDM系统中EDFA的应用和要求以及关键技术。对复用后的光信号进行仿真得出光谱图，研究了各信道的增益情况，验证了光纤的两个窗口。本文还对链路传输性能及EDFA的掺铒光纤长度，泵浦功率等参数进行分析，得到了各种泵浦工作方式下的增益特性，EDFA最佳长度以及饱和增益特性曲线，并验证了EDFA的正确性和设计方案的可行性，近而得出最佳化的EDFA设计。
2掺铒光纤放大器的理论研究
2.1掺铒光纤放大器的工作原理
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EDFA的基本结构如图2.1所示，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺铒石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵浦光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。
其中掺铒光纤提供放大, 泵浦源提供足够强的泵浦功率, 波分复用器起信号光与泵浦光的混合作用。泵浦源：为信号放大提供足够强的功率，使物质达到粒子数反转分布。光耦合器：将信号光和泵浦光耦合进入掺铒光纤。光隔离器：使光传输具有单向性，隔离反馈光信号，保证稳定工作。掺铒光纤：提供光放大。掺铒光纤是光纤放大器的核心，铒离子的外层电子具有三能级结构——E1，E2和E3，其中,E1 是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级。如图2.2所示
图2.1 摻铒光纤放大器的基本结构 图2.2铒粒子能级图
当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时, 可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级上。然而, 高能级是不稳定的,因而铒离子很快会经历无辐射衰减，即不释放光子落入亚稳态能级, 受激电子将发出很宽光谱范围的光, 称荧光带。当泵浦光足够强时, 可以使能级和、间形成电子的反转分布, 此时如果入射信号光的波长恰好落在上述荧光带时, 则当泵浦与信号光同时通过该掺铒光纤时, 荧光带能量会转移到信号光上, 即信号光可以通过受激辐射过程从离子系统获取能量, 从而不断增强而获