掺铒光纤放大器的优化设计

1、分类号：O432U D C：D10621-408-(2015)0904-0密 级：公 开编 号：2011031014成都信息工程大学学位论文掺铒光纤放大器的优化设计论文作者姓名：赖晓强申请学位专业：电子科学与技术申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：何修军（副教授）论文提交日期：2015年05月26日2掺铒光纤放大器的优化设计摘 要本文首先对EDFA的基本结构、泵浦方式、放大机理及主要应用等方面进行了详细的介绍，其次阐述了影响EDFA性能的主要指标，以此同时也对EDFA理论进行了分析。在此基础上利用光纤通信仿真软件OptiSystem7.0对EDFA的性能做优化设计，通过对EDFA中掺铒

2、光纤长度、泵浦功率的参数进行了优化设计，得出了在不同泵浦方式下的增益特性、掺铒光纤最佳长度和输出光谱图。通过对这些数据进行分析和处理后，进而得出了最佳化的EDFA设计。结果表明对于给定泵浦功率的情况下，随着掺铒光纤长度的不断增大，EDFA的增益不断增大；当掺铒光纤长度增大到某一值后增益不仅不再增大、反而开始逐渐变小。在掺铒光纤长度给定的条件下，功率增益随泵浦功率的增大而增大，当泵浦功率达到一定值之后，增益不再增大、也不减小（基本保持不变）。泵浦工作方式（单泵浦、双泵浦和阵列泵浦）的不同，同样会影响EDFA的增益特性。关键词：掺铒光纤放大器；仿真；增益；OptiSystemOptimum Des

3、ign of Erbium-Doped Fiber AmplifierAbstractThis paper first introduce the basic structure of EDFA, the pump, the amplifier and its main application. Then it expounds on the influence of the properties of EDFA and the theoretical analysis of the main index; next it uses optical fiber communication si

4、mulation software Optisystem7.0 to optimize the performance of EDFA. In addition, this article through to design the erbium-doped fiber length, pump power parameters; after get the gain characteristic under different pump, the best erbium-doped fiber length and output spectra. After the analysis of

5、the data and processing, the optimization design of EDFA are obtained. Through simulation, the following several conclusions are made: first, for a given pump power, with the increase of erbium-doped fiber length, the gain of EDFA first increased, after increasing to a certain value, it remains the

6、same. Second, under certain conditions of erbium-doped fiber length, the gain increaseds with erbium-doped fiber length first and followed with decreasing values. Finally, the pump works (single pump, double pump and pump laser array) with the difference in pumps working style, the gain of EDFA can

7、also be affected.Key words: erbium-doped optical fiber amplifier; simulation; gain; OptiSystem目 录论文总页数：27页1 引言12 概述22.1 EDFA的基本结构及泵浦方式22.2 EDFA的放大原理42.3 EDFA的工作原理72.4 EDFA的主要应用方式83 EDFA的主要指标83.1 EDFA的增益特性83.2 EDFA的增益饱和特性103.3 EDFA的噪声特性114 EDFA的理论分析114.1 铒离子的二能级速率方程114.2 三能级原子速率方程125 掺铒光纤放大器的优化设计135.

8、1 单泵浦的增益特性分析135.1.1 建立仿真模型135.1.2 EDF长度对EDFA增益的影响135.1.3 泵浦功率对EDFA增益的影响155.1.4 泵浦功率和EDF长度共同对增益的影响175.2 双泵浦的增益特性分析185.2.1 建立仿真模型185.2.2 EDF长度对EDFA增益的影响185.2.3 泵浦功率对EDFA增益的影响205.3 阵列泵浦的增益特性分析215.3.1 建立仿真模型215.3.2 EDF长度对EDFA增益的影响215.3.3 泵浦功率对EDFA增益的影响23结 论24参考文献25致 谢26声 明271 引言光纤通信技术未来的发展趋势离不开长距离、大容量和高

9、速率沈伟. 浅谈光纤通信技术的发展趋势J. 计算机光盘软件与运用, 2003, 13。可是阻碍光纤通信朝着更好的方向发展的瓶颈是传输过程存在的色散和损耗，致使长距离光纤通信受到了限制。在光纤通信系统中更易于实现的是控制损耗，因此首要任务是尽可能的减小系统在传输过程中存在的损耗，其次是通过在传输线路中加中继站来使得衰减的光信号被放大。但是在光放大器发明之前，通常都是使用传统的光-电-光中继来解决衰减信号光发达的问题。但是光电中继器的缺陷是结构极其复杂，成本昂贵，可靠性差且不便于维护黄学达, 王典洪, 雷非, 陈分雄. 光通信中EDFA的工作原理和发展J. 期刊论文-四川理工学院学报（自然科学版）

10、, 2004, 17(3)  。为了弥补光电中继器存在的不足之处，近几年人们研制出了体积小、结构简单的光放大器，它的出现使得光放大器的成本大大降低，设备更加简化，维护运转更加便捷。掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）的研究最早始于二十世纪六十年代早期，但由于当时未解决热淬灭效应的问题。八十年代中期，EDFA的研究取得重大突破，南安普敦大学的Mears, D.Payne等人成功研制出了EDFA，而且还研制出来了以650nm波长50mW的红染料激光器为泵浦光源且具有25dB的小信号增益的EDFA；以此同时，贝尔实验室的研究人员也

11、同样研制出了以不同波长为泵浦源具有22dB的小信号增益的EDFA陈璐. 铒/镱共掺光纤放大器的设计和优化. 学位论文硕士,2009。1989年日本的NTT公司成功将1480nm的半导体激光器作为EDFA的泵浦源，并开展了关于光放大器原理及应用相关的会议，这对今后EDFA的创新奠定了厚实的基础。1992年日本KDD公司联合美国AT&T公司，完成了9000公里距离5Gb/s的通信速率传输试验，该试验一共使用了274个EDFA，并且充分展示出了EDFA的优越性能。九十年代中期，几十路信道传输上千公里无中继的试验也相继取得突破；另外，为了扩展EDFA的增益带宽，还提出了长波段EDFA的方案，该

12、方案采用的仍是传统的掺铒光纤，它的工作波长在L波段（15701610nm）。EDFA不仅延长传输的距离，简化系统的结构和节约成本，而且还提高了整体的可靠性，为实现超长距离的跨洋海底和陆地通信提供了技术保障。由于EDFA具备优良的性能，再加上半导体泵浦源的使用之后，使得1550nm窗口的光纤通信技术产生了巨大的飞跃，并促使了WDM技术走向实用化和广泛应用。EDFA未来的发展方向：多功能、小型化EDFA(Mini EDFA)，EDFA+FRA混合放大；高性能李现勤. 光放大器现状及未来发展J. 期刊论文-光通信技术, 2002, 26(4)(低噪声，增益平坦，高增益，高功率，宽带宽)。2 概述2.

13、1 EDFA的基本结构及泵浦方式掺铒光纤输入光信号光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器输出光信号泵浦光源图2-1 EDFA结构示意图EFDA 结构如图2-1所示。EDFA 的核心部分是掺铒光纤，是在石英基质中掺入铒离子制成，它利用铒离子的受激辐射原理来实现光信号的放大。光隔离器主要放置在信号光的输入端与输出端之间，它的目的主要是为了减少信号光在光纤中的来回的反射，尽可能使放大器的噪声处于最低水平。泵浦光源是能量提供的主要来源，通常用其来诱导信号光。耦合器可以将信号光和泵浦光一同耦合进入掺铒光纤之中，在泵浦光的诱导之下，激励铒离子产生受激辐射放大来使得信号光被放大。光滤波器能够滤除EDFA的噪声，改

14、善掺铒光纤放大器系统性能的可靠性和稳定性。EDFA 主要有如下三种泵浦方式，它们分别为同向泵浦方式、反向泵浦方式和双向泵浦方式陈琳, 徐军, 邵晓鹏, 李高峰. 掺铒光纤放大器增益和噪声研究J. 期刊论文-光通信研究, 2006, 1。(1)同向泵浦输出光信号掺铒光纤光隔离器光耦合器泵浦光源输入光信号光隔离器光滤波器图2-2 反向泵浦方式EDFA结构输入光信号与泵浦光源一同通过光耦合器耦合进入掺铒光纤中，这种方式被称作同向泵浦，图2-2为同向泵浦方式，该方式有很好的噪声性能。(2)反向泵浦掺铒光纤输入信号光光隔离器光隔离器光耦合器光滤波器图2-3 反向泵浦方式EDFA结构泵浦光源输出信号光反向

15、泵浦方式是信号光和泵浦光源分别从掺铒光纤的两端注入，图2-3为反向泵浦方式。这种泵浦方式能输出很高的信号功率，但噪声性能较差。掺铒光纤光隔离器光耦合器图2-4 双向泵浦方式EDFA结构泵浦光源输入光信号光隔离器光滤波器输出信号光(3)双向泵浦双向泵浦方式是将两个泵浦光源从掺铒光纤的两端同时注入，这种方式的泵浦光可采用相同波长的泵浦光源，也可采用980nm和1480nm共同作为泵浦光源。图2-4所为双向泵浦结构的EDFA，采用这种方式的输出功率最大。图2-5 噪声系数与输出功率的曲线从图2-5可看出，在一定的条件下，噪声系数随着EDFA的输出功率的增大而增大，其中反向泵浦的噪声系数（NF）最大，

16、同向泵浦居中，双向泵浦最小。2.2 EDFA的放大原理EDFA采用的是石英（）中的作为光增益的介质，它的原理基于受激辐射放大。EDFA的核心是掺铒光纤，它的制造是以石英为原材料，只需要在生产光纤的过程中，往光纤中填入少量的，就可制成一根掺铒光纤。石英玻璃中掺杂能产生1550nm波段的荧光辐射，该辐射对应于石英光纤的一个低损耗通信窗口（1550nm窗口），因此只要在光纤中掺入，然后使用合适的泵浦方式就能利用的受激辐射过程对该波段的光信号进行放大。1520-1570nm10ms980nm1480nm图2-6 铒离子的能级图铒离子的3个能带为、和，如图2-6所示。其中能带为基态，能带为亚稳态，粒子在

17、亚稳态上的平均寿命为十毫秒；能带为激发态，其在激发态的寿命大约为一微秒。由激光原理的基础知识可知，当一个二能级系统的频率满足时，它们之间就有可能发生受激吸收、自发辐射和受激辐射。这三个过程都能使得光信号被放大，放大的三个过程如图2-7所示。E1E2E2E1E2E1hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收（b）自发辐射（c）受激辐射图2-7 放大的三个关键过程(1)受激吸收处于低能级E1的一个粒子吸收一个能量为的光子后跃迁到高能级E2，该过程叫做受激吸收。设在E2上的粒子数密度是，单位体积内的增益介质的总的粒子数是，满足能量守恒条件，可维象地描述为：(2-1)其中，为自发辐射速率，称为Ei

18、nstein自发辐射系数， 表示为量纲，该量纲的倒数是E2能级上的粒子的自发辐射寿命王志强. 基于两级泵浦机制EDFA增益平坦化的研究. 学位论文硕士, 2011：(2-2)(2)自发辐射处于高能态E2的一个粒子通过发射出一个能量为的光子而跃迁到低能级E1，该过程被称为自发辐射。为粒子受激辐射截面。假设光子在介质内运动的速度为，则在单位时间内所产生的光子数密度为：(2-3)，称为Einstein受激辐射系数。(3)受激辐射处于高能级E2的一个粒子受到外来光子能量为的激励之后，从高能级E2跃迁到低能级E1，并且释放出一个和入射光子完全相同的另外一个光子，该过程称为受激辐射。为粒子的受激吸收截面。

19、因受激吸收而在单位时间内减少的光子数密度为：(2-4)，称为Einstein受激吸收系数。有很多的吸收带，不同的吸收带能吸收不同波长的光子，如图2-8 所示。665nm807nm980nm1480nm图2-8 铒离子不同能级间受激吸收的波长在EDFA中的泵浦光源的波长采用560纳米、680纳米、810纳米、980纳米或者1480纳米，泵浦光首先将处于基态的跃迁到激发态，然后粒子数发生反转现象，最后通过信号光的诱导对输入的信号光进行受激辐射放大丁炜. EDFA光纤放大器原理及应用 J. 期刊论文-有线电视技术, 2004。但是由于807nm、665nm等附近的能带的泵浦光源易发生受激吸收，造成泵

20、浦光功率利用率降低、粒子数数目也相应的减少，量子效率降低以及增益也降低。但是可喜的是980纳米和1480纳米的泵浦光可以有效减少受激态吸收（ESA），所以通常采用980nm和1480nm作为泵浦光的波长。衰变至低能态980nm光子受激辐射受激吸收泵浦跃迁泵浦跃迁亚稳态能带4I11/24I13/24I15/2泵浦能带快速非辐射衰变泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子基态能带图2-9 离子的简化能级图和各种跃迁过程图2-9所示为的各种跃迁过程。EDFA的工作机理是利用铒离子的受激辐射原理实现光信号的放大，对于不同波

21、长的泵浦，电子跃迁到的能级也不同，如表2-1中所示。表2-1 受激跃迁表泵浦波长1480nm980nm807nm655nm跃迁能级跃迁至跃迁至跃迁至跃迁至当用980nm的泵浦光源作为泵浦光去激励铒离子时，由图2-9中的过程为铒离子的跃迁过程，在激发态上载流子的寿命只有1us，因此在激发态是极其不稳定，它会以非辐射衰变的方式并从激发态跃迁到亚稳态上去，该过程如图2-9中的所示。但是在亚稳态上面，铒离子的平均寿命比较长，有10ms量级。另外一方面，泵浦光的作用在不断的进行着，因此载流子数目不断的在亚稳态上面增长，进而出现亚稳态上的粒子数量大于基态上的数量，最终实现粒子数反转。当有1.55um波段的

22、信号光经过粒子数反转分布状态下的掺铒光纤时，处于亚稳态上的在信号光的诱导下以受激辐射从亚稳态跃迁至基态，并且释放出一个和入射光子完全相同的一个光子，从而实现光信号在EDF中的放大。该过程如图2-9中的过程。当信号光在掺铒光纤中被放大的时候，由于亚稳态上的铒离子会通过自发辐射的形式从亚稳态上跃迁至基态上，此过程如图2-9中的过程所示，不过该过程给放大器带来噪声。当用1480nm的泵浦源激励时，处于基态的铒离子跃迁到亚稳态的上端，如图2-9中跃迁过程所示，然后积累的这些粒子又转移到亚稳态的较低端（跃迁过程）。除此之外，处于基态的吸收一部分外部的光子，因此这些离子将以受激吸收的方式跃迁到亚稳态，如图

23、2-9中跃迁过程所示。2.3 EDFA的工作原理输出光信号光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器掺铒光纤 图2-10 EDFA工作原理结构之一泵浦光源输入光信号典型的一个EDFA是由掺铒光纤、光波分复用器、光隔离器、泵浦源和光滤波器等器件组成，它的一个简单的工作原理结构图，如图2-10。输入的信号光和泵浦光通过光耦合器耦合在一起输入光纤中，再经过能降低信号光的噪声的光隔离器；接着泵浦光激励掺铒光纤中的铒离子，使亚稳态和基态之间形成粒子数反转，铒离子产生受激辐射被跃迁到基态，从而使得光信号被放大；被放大的信号光最后经过隔离器和滤波器输出，即完成了光信号的放大。2.4 EDFA的主要应用方式(1)前置放

24、大器：将EDFA放在光接收机前面，以改善光接收机灵敏度，对噪声要求苛刻，如图2-11，一般要求噪声指数小，对输出功率不作要求。(2)功率放大器：直接将EDFA放置在光发射机的输出端，以提高发射光功率，主要目的用于减小系统的损耗，延长传输距离，如图2-12，对噪声指数要求要特别小，输出功率要大。EDFAEDFA光发射机光纤图2-11 EDFA作为前置放大器光接收机光纤EDFAEDFA图2-12 EDFA作为功率放大器光接收机光发射机光发射机光接收机光纤光纤光纤图2-13 EDFA作为光中继器(3)中继放大器：在传输光纤中每隔一定的距离放置一个光放大器，它位于光发射机和光接收机之间，如图2-13。

25、3 EDFA的主要指标3.1 EDFA的增益特性EDFA的输入功率和输出功率可表示为：(3-1)其中式中，和分别是输出信号光功率和输入信号光功率，是输入泵浦功率，和分别是泵浦波长和信号波长。该式意味着从EDFA中输出的信号光功率不能大于输入的能量总和。由式(3-1)可得，放大器的增益G可定义为：(3-2)当非常大时（即>>），放大器增益最大值为1。从图3-1可知，在一定条件下，放大器增益随着泵浦光功率的增加不断增加；当泵浦光功率大到一定值时，放大器增益的增长速率逐渐变小，放大器功率增益也趋向饱和。图3-1 功率增益与泵浦功率的关系曲线从式子3-2可以推算出，放大器要达到最大增益，输

26、入功率必须满足下式：(3-3)放大器的增益还受掺铒光纤长度的影响，图3-2为EDFA的功率增益与掺铒光纤长度的关系曲线。图3-2 功率增益与掺铒光纤长度的关系曲线从图3-2可知，起初增益随着EDF长度的增大而增大，当EDF长度大到某个值以后，增益随着光纤长度的增大而减小；当光纤长度为某个值的时候，功率增益最大，此时的EDF长度为最大功率增益的长度。在求放大器最大增益时，需同时考虑泵浦功率和掺铒光纤长度。最大增益G的表达式为：(3-4)由于。放大器最大功率的表达式为：(3-5)图3-3为不同泵浦功率下，放大器的增益与泵浦功率和掺铒光纤的长度的关系曲线。图3-3 泵浦光强度和光纤长度与增益的关系曲

27、线从图3-3可以看出，在EDFA的设计过程中，选择合适的泵浦功率能使得EDFA工作在最佳长度。例如采用980nm的泵浦光源时，EDF长度和泵浦功率分别为10m和5mW时，获得的最大增益为5dB；EDF长度和泵浦功率分别为30m和30mW时，获得的最大增益为50dB。3.2 EDFA的增益饱和特性从图3-3可以看出，在光纤长度一定的条件下，功率增益随泵浦功率的增加而增加，但当泵浦功率大到某一值之后，放大器增益趋向不变的现象叫做增益饱和。如图3-4所示，在泵浦功率一定的条件下，并且输入信号功率很小的时候，功率增益随功率的增加，仍然继续保持不变的现象；当功率增大到某一值之后，增益随功率的增加而减小，

28、该过程解释了EDFA出现饱和现象的原因。图3-4 功率增益对输入光功率的关系曲线我们常常将3dB饱和输出功率表征EDFA的最大输出功率。从图3-4可得，当放大器饱和增益降至3dB时所对应的输出功率值称为3dB饱和输出功率，它表示EDFA的最大输出能力。3dB饱和输出功率与掺铒光纤的长度和泵浦功率的大小有关，如果EDF长度越长，那么3dB饱和输出功率越大；当泵浦功率越大的时候，3dB饱和输出功率也随着增大。3.3 EDFA的噪声特性放大器的噪声主要是放大的自发辐射噪声（ASE），它是由于EDFA中的电子空穴对产生的自发复合。由于自发复合出现在整个放大带宽范围内，并且与被放大的信号光一起在光纤中传

29、播和放大，因此不可能将ASE全部滤除。通常利用噪声系数（NF）来表征EDFA的噪声特性，其定义为：(3-6)式中为放大器输入信噪比，为放大器输出信噪比。但对于不同波长的泵浦源，噪声特性也是各有各的差异。自发辐射噪声可以通过功率谱密度来表征，功率谱密度为：(3-7)式中表示粒子数反转因子，其定义为：(3-8)式中和分别表示两个不同能态的电子数密度。4 EDFA的理论分析4.1 铒离子的二能级速率方程当EDFA采用1480nm作为泵浦源时，该系统是一个准二能级跃迁系统，通过利用传统的速率方程组来帮助我们分析EDFA的工作的整个过程。图4-1 铒离子的能级简图在单模掺铒光纤中，二能级模型粒子数速率方

30、程为：(4-1)并满足粒子数守恒：(4-2)式4-2中，、分别为基态和亚稳态上的粒子数；式4-1中，、分别为信号光和泵浦光的光频，为总粒子数；、分别为信号光和泵浦光的吸收截面，、分别为泵浦光和信号光的光强分布；称为普朗克常量，被称作为亚稳态能级上铒离子的平均寿命。4.2 三能级原子速率方程EDFA采用980nm泵浦时，该系统属于一个典型的三能级跃迁系统，其中能级1为基态，能级2为亚稳态，能级3为激发态。图4-2 三能级系统能级示意图图4-2为三能级激光系统能级图，图中为能级1的泵浦率，为能级3的受激辐射率，能级3存在辐射跃迁和非辐射跃迁两种可能的跃迁方式，它们的速率分别为与；和分别为能级1、2

31、之间的受激吸收率和受激辐射率；为能级2的自发辐射与非辐射衰减率之和，式中,为荧光寿命。假设为总粒子数，、与分别为能级1、2和3中的粒子数（且）。因此三能级原子速率方程为：(4-3)(4-4)(4-5)5 掺铒光纤放大器的优化设计5.1 单泵浦的增益特性分析5.1.1 建立仿真模型该仿真系统由波分复用光发送机（WDM transmitter）、泵浦激光器（Pump Laser）、掺铒光纤（EDF）、光功率计（Optical power meter）、双端口波分复用分析器和光谱仪组成郑立军. 掺铒光纤放大器的特性研究J. 期刊论文-长春大学学报, 2013, 3。其中双端口波分复用分析仪分析增益，

32、光谱仪分析频谱，光功率计用来测量输出功率。仿真模型如图5-1所示。图5-1 单泵浦仿真模型图5-2给出的曲线为不同掺铒光纤长度下的EDFA的Gain1、Gain2、Gain3和Gain4值。从图5-2可以看出，这四个增益值之间的差别不大，几乎相同；因此只要选择其中一个增益值进行数据处理就行，以下都选择用Gain1值通过MATALAB进行数据处理。图5-2 掺铒光纤长度与不同增益的曲线5.1.2 EDF长度对EDFA增益的影响在泵浦功率给定的条件下，改变掺铒光纤长度能影起EDFA功率增益的变化张学勇,陈永诗. 掺铒光纤放大器特性分析及长度优化设计J.光通信研究，1997（2）：21-26。在输入

33、信号功率和泵浦功率分别为-23.5dB和100mW的条件下，通过OptiSystem江腾蛟.JIANG Teng-jiao 利用Optisystem仿真研究EDFA增益的影响因素期刊论文-光通信技术, 2013, 8软件仿真得到的功率增益与EDF长度的关系曲线如图5-2，仿真数据如表5-1。表5-1 不同EDF长度时所对应的增益EDF-Length (m)Gain 1 (dB)16.394192.816.70145.7124622.28465.4420122.02146.5623122.970710-1004.4376920.78787.8753923.7026功率增益 (dB)掺铒光纤长度

34、(m)图5-3 信号功率增益与掺铒光纤长度的关系由图5-3可知，在泵浦功率一定的条件下。起初阶段，当掺铒光纤长度从1m逐渐增大的过程中，功率增益从5dB缓慢上升到20dB。当光纤长度增大到8m以后，增益不仅不再增加，反而逐渐下降。因此存在一个增益最大值的时候所对应的掺铒光纤长度，称之为掺铒光纤最佳长度（EDF长度）。这个光纤的EDF长度为7.5m。其中EDF分别为1m和10m时，EDFA的增益分别为6.39419dB和-100dB。图5-4 经参数设置后EDFA的输出光谱图图5-4为经过参数设置后EDFA的输出光谱图，图中绿色部分代表噪声，蓝色则为增益，由图5-4可以看出经过参数设置后，EDF

35、A的噪声上下波动在-66dBm与-30dBm之间，相对而言波动范围比较大，因此EDF长度的变化对最后的输出光谱图影响比较大。5.1.3 泵浦功率对EDFA增益的影响表5-2 不同泵浦功率时所对应的增益Pump-Power (mW)Gain 1(dB)74.2939825.65.891355.69546.2541644.62456.1765264.47726.297011006.39419泵浦功率 (mW)功率增益 (dB)图5-5 信号功率增益与泵浦功率的关系如图5-5所示，在掺铒光纤长度为1m，泵浦波长为980nm的情况下，信号功率增益随着泵浦功率的增大而增大，当泵浦功率达到90mW左右时，

36、功率增益开始出现下降，此时放大器的功率增益出现了饱和，即随着泵浦功率的增加然而功率增益基本保持不变。从图5-5中可知90mW为EDFA的饱和功率，其中泵浦功率分别为7mW和100mW时，EDFA的增益分别为4.29398dB和6.39419dB。其他数据见表5-2，图5-5的信号功率增益与泵浦功率的关系曲线，是通过表5-2图5-6 未经过参数设置的光谱图图5-7 经过参数设置后的光谱图 的数据描绘出来的。图5-6和图5-7分别为未经过参数设置的光谱图和经过参数设置后的输出光谱图，图5-7为经过参数设置后EDFA的输出光谱图，其中绿色部分代表噪声，蓝色则为增益，由图5-7可以看出经过参数设置后，

37、EDFA的噪声上下波动在-74dBm与-58dBm之间，相对而言波动范围比较小，因此泵浦功率的变化对最后的输出光谱图的影响比较小。未经过参数设置EDFA的功率增益为-26dB，而经过参数设置后的增益为-20-16dB，说明经过参数设置之后EDFA的功率增益被放大。5.1.4 泵浦功率和EDF长度共同对增益的影响表5-3 不同泵浦功率和不同EDF长度时所对应的的增益Pump-Power(mW)EDF-Length(m)Gain(dB)100427.46521014.6709128.795448.94384.3354525.471349.43334.8502326.189324.44374.592

38、8422.346623.69645.1147222.511724.13625.1233322.6363图5-8 增益与光纤长度和泵浦功率的关系曲线通过同时改变泵浦功率和EDF长度的值肖涛,肖石林. 单波长掺铒光纤放大器的智能优化设计期刊论文-光通信技术, 2009, 8，从而得出EDF长度和泵浦功率对EDFA增益的关系，由表5-3可知，泵浦功率和EDF长度分别为100mW和4mW时，EDFA的增益为27.4652dB。从图5-8可知，开始阶段，随着光纤长度的增大而信号功率保持不变；直到EDF长度为4.6m时，随着泵浦功率和EDF长度共同增大，功率增益急剧增大，功率增益达到24dB；此后功率增益

39、降至22dB，此时对应的泵浦功率和EDF长度分别为96mW和5.2m；然而随着泵浦功率的增大，EDF长度的减小，功率增益又开始增大，功率增益达到最大值27.5dB；最后随着泵浦功率和EDF长度的增加，功率增益反而减小，回到26dB。从图5-8可以看出，当泵浦功率为96mW时，对应的最大功率增益的光纤长度为5.2m。5.2 双泵浦的增益特性分析5.2.1 建立仿真模型如下图5-9所示，该仿真模型由两个泵浦激光器组成，其中泵浦波长均为980nm。图5-9 双泵浦的仿真模型5.2.2 EDF长度对EDFA增益的影响表5-4是通过OptiSystem仿真得到的在不同EDF长度下的信号功率增益，图5-1

40、0是根据表5-4绘制而成。表5-4 不同EDF长度时所对应的增益EDF-Length(m)Gain 1(dB)16.483132.817.37615.7124623.90285.6418723.82146.5623124.76111026.7007功率增益 (dB)掺铒光纤长度 (m)图5-10 功率增益与掺铒光纤长度的关系图5-11 未经过参数设置的光谱图 图5-12 经过参数设置后的光谱图 图5-9 未经过参数设置的光谱图从图5-10可以看出，掺铒光纤从0m增大到8.5m的过程中，功率增益从7dB增大到28dB，此过程中的功率增益跟掺铒光纤长度的增大同步增大；但是当掺铒光纤长度超过8.5m

41、以后，增益开始逐渐减小。功率增益在8.5m处达到最大，此时的掺铒光纤长度为最佳掺铒光纤长度。图5-10 经过参数设置后的光谱图图5-11和图5-12分别为未经过参数设置的光谱图和经过参数设置后的输出光谱图，由图5-12可以看出经过参数设置后，EDFA的噪声上下波动在-64dBm与-24dBm之间，相对而言波动范围比较的大，因此EDF长度的变化对最后输出光谱图的影响比较大。未经过参数设置EDFA的功率增益为-26dB，而经过参数设置后的增益为8 dB，说明经过参数设置之后EDFA的功率增益被放大。5.2.3 泵浦功率对EDFA增益的影响表5-5 不同泵浦功率时所对应的增益Pump-Power (

42、mW)Gain 1(dB)025.82172429.944162.832832.674765.192232.789169.009732.966784.164131.06310026.438612021.455功率增益 (dB)泵浦功率 (mW)图5-13 功率增益与泵浦功率的关系从图5-13可得出，泵浦功率从0mW增大到60mW的这一阶段，功率增益从25.8217dB增大到了32.9667dB，该过程的增益随着泵浦功率的增大而增大；当泵浦功率超过60mW以后，功率增益开始出现下降，当泵浦功率为120mW时对应的功率增益为21.455dB；功率增益最大值的时候，所对应的泵浦功率为60mW，说明6

43、0mW的泵浦功率值为最优泵浦功率值。5.3 阵列泵浦的增益特性分析5.3.1 建立仿真模型该模型的泵浦为阵列泵浦激光器，模型中WDM Transmitter:信号光波长为1558nm，频率为-23.5dBm，对于泵浦频率的初始设置是Frequency0为980nm，Frequency1为980nm，Frequency2 为980nm，Frequency3为980nm，对功率的初始设置是Power0为99.999mW，Power1为99.9999mW，Power2为100.01mW，Power3为100.001mW。其他仿真系统参数设置如图5-14所示。图5-14 阵列泵浦的仿真模型5.3.2

44、EDF长度对EDFA增益的影响表5-6 不同EDF长度时所对应的增益EDF-Length(m)Gain 1(dB)16.483143.820.85268.330526.01997.112625.20549.6524826.649115-1006.3475224.538111.69527.3475功率增益 (dB)掺铒光纤长度 (m)图5-15 功率增益与掺铒光纤长度的关系图5-16 未经过参数设置的光谱图 图5-17 经过参数设置后的光谱图 图5-15为增益与掺铒光纤长度的曲线图，开始阶段掺铒光纤长度从012m的过程中，功率增益从5dB一直增大到27.3475dB，该阶段称为增益的增长区；掺铒

45、光纤长度超过12m之后，增益呈线性减小，最佳EDF长度为12m。软件运行结果如图5-17所示，得到经过参数设置EDFA的光谱图，其中绿色部分代表噪声，蓝色则为增益，从1560nm1570nm波段获得了几乎相同的增益,并且噪声上下波动的范围也非常小，几乎可以忽略不计。图5-16和图5-17分别为未经过参数设置的光谱图和经过参数设置后的输出光谱图，由图5-17可以看出经过参数设置后，EDFA的噪声上下波动在-66dBm与-30dBm之间，相对而言波动范围比较的大，因此EDF长度的变化对最后输出光谱图的影响比较大。未经过参数设置EDFA的功率增益为-26dB，而经过参数设置后的增益为010 dB，说

46、明经过参数设置之后EDFA的功率增益被放大。5.3.3 泵浦功率对EDFA增益的影响选择阵列泵浦中的Power0作为研究对象，研究其不同泵浦功率的情况下增益的变化趋势。表5-7为阵列泵浦Power0在不同泵浦功率下时所对应的功率增益，图5-16 中的增益与泵浦功率的关系曲线是根据表5-7的数据绘制出来的。表5-7 不同泵浦功率时所对应的增益Pump-Power (mW)Gain 1(dB)63.3123115.4464219.24213111.3064112.85255114.18826115.437115.46178116.46259116.100310017.9865功率增益 (dB)泵浦功率(mW)图5-18 增益与泵浦功率的关系曲线图5-18为阵