光学课程设计报告二

光学课程设计报告

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EDFA掺铒光纤放大器

一、设计任务与要求

设计目的与要求：

掺饵光纤放大器的设计，系统要求为：

1、进一步熟练Optisystem软件的使用，双向系统的模拟；

2、掌握掺铒光纤放大器的工作原理；

3、设计前向泵浦的EDFA，并采用光学延迟工具来解决双向模拟问题；

4、研究掺铒光纤放大器的增益与噪声指数随信号光波长的变化。

5、掺铒光纤的长度（2 m~40m）范围内进行优化，使得EDFA的增益最大，记录优化后的光纤长度。

二、设计原理

EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。

掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数反转，从而对入射光信号提供光增益。对于波长为980nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从N1能级跃迁到N3能级，由于N3能到N2能级的驰豫时间很短，N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级，N3能级上的粒子数基本上可认为是零。

掺饵光纤放大器的工作原理图

N2能级到N1能级的驰豫时间比较长，为毫秒量级，是一个亚稳态。当有波长1550nm左右的信号光子输入时，N2能级的粒子受激辐射向N1能级跃迁，产生和入射光子同频、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。N2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向N1能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向时随机的。

掺铒光纤放大器的基本物理结构：

在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为

980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。

EDFA有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种泵浦方式，不同的泵浦方式放大器具有不同的性能，结构图如下：

三、设计内容

1、设计实现一个前向泵浦的EDFA系统；

2、信号光频率为1550 nm，激光功率为0dB；比特率为2.5G bps；泵浦光源采用980 nm波长的激光器，功率为100 mW；掺铒光纤长度5 m；

3、设计一个前向泵浦的EDFA，用光学延迟（optical delay）工具来解决双向模拟问题；

4、计算增益与噪声指数随波长的变化（1530-1568 nm），输出二维图。

5、对掺铒光纤的长度（2 m—60m）范围内进行优化，使得EDFA的增益最大，记录优化后的光纤长度。

四、设计步骤

1、搭建前向泵浦的EDFA系统

本设计图主要器件是CW laser,Pump laser 隔离器，光延时器，双向泵联轴器，EDFA。CW laser产生的信号经过隔离器，和pump laser产生的信号进入双向泵联轴器后进入EDFA，最后经过隔离器输出。在最后要加个optical Null相当于接地，要不然出不来结果。因为有隔离器的存在，所以要加延时器，延时器加的位置尽量不要影响的正常信号的传输。

2、设置器件实验参数

●首先设置全局变量

将信号卷标Single tab 的Initial Delay 的初始值改为6

●在设置CW laser

●光纤参数设置

●3、运行仿真，分析增益与噪声指数随波长的变化

相同波长

不同波长

从仿真结果可以看出随着波长不断增加，增益不断增大，噪声不断减小。

4、对掺铒光纤的长度（2 m—60m）范围内进行优化，运行仿真

五、学习体会

在本次实验中，通过对光纤通信系统的设计，进一步掌握了EDFA掺铒光纤放大器的性能的。这次实验采用多路的传输系统，分别设置各路衰减参数、色散参数及非线性参数，对比分析各参数对系统误码率及Q因子的影响。本次实验，使我进一步加深了对EDFA 掺铒光纤放大器特性的认识与掌握以及进一步熟练Optisystem软件的使用，通信系统的模拟.特别是通过迭代法选出波长的最优值。