掺铒光放大器的设计与仿真1

1摘要光放大器在光纤通信领域中承担着重要的角色，也是光纤通信中必不可少的组成部分。其中，掺铒光放大器（EDFA）的研究和实用化，更是促进了光纤通信领域的发展。EDFA在密集波分复用（densewavelengthdivisionmultiplexing,DWDM）光通信系统和光纤有线电视（CommunityAntennaTelevision,CATV）系统中都有着广泛地应用。掺铒光纤放大器直接对光信号进行放大，无需进行光电光变换，且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，已成为现代光通信系统的重要器件之一。关键词：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器（EDFA），设计，仿真2ABSTRACTDWDM(densewheredivisionmultiplexing,DWDM)opticalcommunicationsystemandopticalfibercable(CommunitycanAntennaTelevisionbeused,CATV)arewidelyusedinthesystem.Directopticalsignalisamplifiedanderbiumdopedfiberamplifierwithoutphotoelectriclighttransformation,andhasalargeoutputpower,highgain,wideworkingfrequencybandandhasnothingtodowiththepolarization,lownoisefigure,amplificationcharacteristicshasnothingtodowiththesystembitrate,dataformat,etc,hasbecomeoneoftheimportantdeviceofmodernopticalcommunicationsystem.Keywords:opticalfibercommunication,opticalamplifier,erbium-dopedfiberamplifier(EDFA),designandsimulation3引言在新一代光纤通信中，人们采用光放大器代替原有的光电光中继，实现全光信号的高速传输和信息处理。光放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。主要包括半导体光放大器、掺稀土元素光纤放大器、非线性光放大器半导体激光放大器。掺铒光纤放大器是掺稀土元素光纤放大器一种，它比其它光放大器更加引人注目，是所有光放大器中最为常用的。掺铒光纤放大器具有增益高、带宽宽、插入损耗低、结构简单、无偏振性、4易耦合、高饱和输出功率，工作在低损耗的波长1.55nm窗口，并能对其较宽的带宽范围内（30nm以上）提供均衡和稳定的增益特性等优点，淘汰了传统再生中继的光电光转换，是一种理想的光纤放大器。商用化的普通掺铒光纤放大器已经广泛使用于通信传输干线及通信网中。采用波分复用(WDM)技术能够大幅度提高系统的传输容量，被公认为是实现全光通信最关键的底层。传统的光放大器一般只能进行单信道信号放大，适合波分复用系统而特殊设计的光放大器，例如均衡增益的双芯掺铒光纤放大器，可以把不同波长的信号同时放大，即用同一个放大器对多个信道提供增益，并且增益不受信号偏振的影响，在高速多信道的传输系统中也不会产生串扰和脉冲失真。WDM系统的发送端用光纤放大器提升信号功率，可以补偿波分复用器的插入损耗，提高光纤线路的功率。在WDM接收端，为补偿解复用器的插入损耗，提高接收机灵敏度等，也必须在解复用器之前配置光纤放大器作为前置放大器。正是光纤放大器的运用使得WDM全光网实现成为可能。在光纤接入网中出现了FTTH（光纤到户），FTTO(光纤到办公室)，FTTB(光纤到楼)，FTTC(光纤到路边)等方式，其中运用范围最大的是FFTH，其难度是光纤终端分支太多，对无源网络而言，几次分支后，用户接收到的光功率就非常之低，使得终端无法正常工作。采用光纤放大器后，发射功率增大，经过多分支后，用户端仍能正常接收，这样FTTH的实现才成为可能。总之，随着光纤通信向高速宽带网络方向发展，对光纤放大器的性能提出了更新更高的要求，研究具有自动增益控制和平坦宽带的光放大器，给光纤通信研究和开发人员带来了机遇和挑战。一、光放大器分类光放大器通过受激发射放大入射光信号，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。目前实用的光放大器分为三类：半导体光放大器(SOA，SemiconductorOpticalAmplifier)、掺稀土元素光纤放大器、非线性光放大器。每类又可以分成不同的应用结构和方式。半导体光放大器：驻波式（SWA)、行波式（TWA，Traveling-WaveAmplifier）掺稀土元素光纤放大器：掺铒光纤放大器EDFA、掺铥光纤放大器TDFA、掺钕光纤放大器NDFA、掺镨光纤放大器PDFA非线性光放大器：光纤喇曼放大器(FRA，FiberRamanAmplifier)、光纤布5里渊放大器FBA、光纤参量放大器FOPA。二、掺铒光纤放大器的特点无论从理论还是实用方面，掺铒光纤放大器都是最为成熟的，也最受大众关注。掺铒光纤放大器是新一代大容量光纤通信系统发展的催化剂。EDFA具有各方面的优点：1）已商用化的EDFA的工作波段1530nm～1565nm是光纤传输损耗最低的窗口，这样可以延长传输距离。2）增益高，小信号的增益可以达30dB以上。饱和输出功率较高。3）噪声指数比较低，一般为4～7dB。4）频带宽，可以进行多信道传输，便于信道容量的扩展。5）EDFA的增益调整特性，具有自动增益调整能力，可以使用于网络中的不同位置，如线路放大，前置放大等。三、EDFA的基本光路结构EDFA的基本光路结构包括掺铒光纤，泵浦源，光波分复用器，光隔离器以及其他的光学器件。EDFA的基本结构如图1）掺铒光纤掺铒光纤（EDF,erbium-dopedfiber）是EDFA的主体，它的特性对EDFA的性能起到很大的影响作用。在掺铒光纤放大器技术中，掺铒光纤的工艺技术至关重要。掺铒光纤的主要参数有数值孔径、铒离子浓度等，其中大的数值孔径有利于确保泵浦光和信号光6在掺铒光纤芯中更好的传输；铒离子浓度越高相同泵浦功率时单位长度的增益越高，一般铒离子浓度在几十到几千PPM。2）泵浦激光器泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。泵浦源是EDFA一项关键技术。它将粒子从低能级抽到高能级使粒子处于反转状态，从而产生放大，实用化的EDFA采用InGaAsP半导体激光器做光源。对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命，这是保证光纤放大器性能的主要因素。较为常用的泵浦源波长是980nm、1480nm等，掺铒光纤可在这几个波长上被有效地激励。3）波分复用器波分复用器（WDM,wavelengthdivisionmultiplexed）是EDFA必不可少的组成部分，它的作用是把泵浦光和信号光耦合于铒纤中。它是掺铒光纤放大器的一个关键元件，其完成泵浦光与信号光的混合并送入掺铒光纤，对它的要求是能将两信号有效的混合而损耗最小。目前，在光放大器中采用的波分复用器主要有两种：介质薄膜型波分复用器，熔锥型波分复用器。4）光隔离器光隔离器是一种单向光传输器件，为了抑制光路中光反射回来，只允许光单向传输的无源光器件。在EDFA中，为了避免端面的寄生腔效应而引起震荡的影响，在有源光纤两端也必须插入光隔离器。保证EDFA工作的稳定可靠，并降低噪声，避免频率漂移和激光振荡。EDFA根据泵浦方式的不同，可以分为三种基本结构，分别是正向泵浦方式，反向泵浦方式和双向泵浦方式。如图7四、系统仿真设计正向仿真图如下8反向仿真图如下双向泵浦仿真图9五、计算表格与图表光纤长度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双向增益4.855.225.325.345.335.325.35.285.265.24光纤长度121314151617181920正向增益3.163.133.093.063.032.992.962.922.89反向增益3.153.123.083.053.022.982.952.912.8710双向增益5.225.25.185.165.145.125.15.085.05光纤长度与增益的关系01234562468101214161820光纤长度m增益db正向增益反向增益双向增益图1输入功率510152025303540正向增10.087.516.145.54.824.313.913.5711益反向增益10.367.86.45.484.824.33.93.57双向增益13.7210.919.338.257.446.816.295.85输入功率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双向增益5.485.164.884.634.44.24.023.853.73.563.31输入光功率与增益的关系05101552035506580100输入功率mw增益db正向增益反向增益双向增益图212掺铒半径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双向增益5.155.165.165.155.145.135.095.024.914.75图3六、计算结果分析通过系统仿真，得出以下EDFA的泵浦方式的不同对增益的影响的计算结果如图1图2所示在输入光功率为50mw的条件下，随着光纤长度从2m~20m的不断增加，在开始阶段，随着掺铒光纤的长度增加，增益也逐渐增大，当光纤增加到一定值时，增益将不再增加，反而有减小的趋势。此外，泵浦方式的不同，也将影响增益的变化。在泵浦波长980nm为定值的条件下，正向、反向、双向三种泵浦方式进行掺铒半径与各向增益的关系02468101212345678910掺铒光纤半径um各向增益db双向增益后向增益前向增益13比较，如图一所示，明显双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随着掺铒光纤的长度的增加增益曲线几乎相同，没有明显差别，而双向泵浦方式的增益随着掺铒光纤的长度的增加效果是正反向泵浦的两倍，图2为输入光功率对增益的影响，在掺铒光纤长度为15m，掺铒半径为2.2um，泵浦波长980nm的条件下，随着输入光功率的增加，增益效果逐渐下降，刚开始下降比较明显，随着输入功率的增加，增益逐渐接近最小的一个数值，最后趋于稳定。当信号功率足够大时，泵浦功率不足以使粒子数实现反转，增益就会下降，最终接近于1，与理论的值相符合。图3为掺铒光纤半径对各向增益的影响，在掺铒光纤长度为15m，泵浦波长980nm的条件下，随着掺铒光纤半径的增加，各向增益效果均下降，在此条件下，增益的最大值在2um左右，而双向增益的效果明显比前向和后向要好，也说明采用双向泵浦方式将得到更好的增益效果。七、结束语通过系统仿真optisystem软件对掺铒光纤泵浦方式的仿真，观察增益曲线的趋势，从而研究泵浦方式的不同所给增益带来的变化，有助于理解泵浦对整个放大器的重要性。八、参考文献（1）江腾蛟嘉应学院物理与光信息科技学院,广东梅州,514015光通信技术OpticalCommunicationTechnology（2）薛飞电子科技大学通信与信息工程学院电子科技大学学报（3）内蒙古工业大学万方数据库14（二〇一五年七月光纤通信课程设计学校代码：10128学号：201220906029题目：光放大器的设计与仿真学