光电综合设计报告学号：姓名：一、课题6：1、课题要求及技术指标①课题名称：EDFA 设计②课题任务：采取不同结构和泵浦波长设计一个EDFA，结构分为同向泵浦，反向泵浦，双向泵浦三类。
③技术指标：可选泵浦光源波长为980nm 和1480nm；泵浦光源的功率在10～20dBm，测试输入信号功率为－20dBm。
④课题要求：1．在上述条件下要求EDFA 噪声指数小于4.5dB。
2．在满足一定条件下，最大输出功率可达到18dBm，最大增益可达到25dB（两者不要求同时满足）。
3．需要分别比较三种结构下的EDFA 的以下特性，并根据比较结果优化设计：（1）掺铒光纤长度的优化，需要从输出功率、噪声指数、增益三个方面验证；（2）泵浦光源波长（可选择980nm 和1480nm）的优化，需要从输出功率、噪声指数、增益三个方面验证；4．给出设计图和性能参数比较图，参数取点不少于10 个，参数应具有合理性和可行性。
2、课题分析及设计思路①课题分析：铒纤长度在4～15m 之间取值。
仿真模型中，掺铒光纤选用Default/Amplifiers Library/Optical/EDFA/ErbiumDoped Fiber；泵浦光源选用Default/Transmitters Library/Optical Sources/PumpLaser；泵浦光耦合器采用Default/WDM Multiplexers Library/Multiplexers/ IdealMux。
②设计思路：设计参考反向泵浦EDFA 结构图，参考图如下：根据下述实验原理，可知同向EDFA Pump Laser 位于与CW Laser 同向的合波器前，而光纤输出端则不设置。
同理，双向EDFA就是两侧均放置了Pump Laser。
③实验原理：掺铒光纤放大器EDFA1、EDFA的结构和工作原理图 1 给出了双向EDFA 的原理性光图，其主体是泵浦源和掺铒光纤（EDF）。
泵浦源用来提供能量；EDF 作为有源介质，提供反转粒子；波分复用器（WDM）的作用是将泵浦光和信号光混合，然后送入EDF 中，对它的要求是能将信号有效地混合而损耗最小；光隔离器（ISO）的作用是防止反射光对EDFA 的影响，保证系统稳定工作；滤波器的作用是滤除EDFA 的噪声，提高系统的信噪比（SNR），在两级宽带EDFA 中，它还起到增益平坦的作用。
EDFA 的泵浦过程需要使用三能级系统（如图 2.3 所示）。
实际上基态能级、亚稳态能级和泵浦能级受斯托克斯分裂（Stock Splitting）和热效应的影响，形成了一个近似联系的能带。
由于亚稳态能级和基态能级具有一定的宽度，因此EDFA 的放大效应具有一定波长范围。
在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3 +离子抽运到激发态，处于激发态的Er3 + 离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。
由于Er3 +离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。
当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3 +离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。
Er3 + 离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射（ASE），它造成EDFA 的噪声。
图1为EDFA 双向泵浦结构示意图。
图 1 双向泵浦结构在EDFA 的光路结构设计中，常见的泵浦方式有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦3 种。
这些泵浦方式各有其特点：前向泵浦由于在输入端有高的粒子数反转而具有比较低的噪声；而由于背景损耗小，输出端具有高的粒子数反转，因此反向泵浦具有较高的泵浦效率和增益。
当EDF 长度较短时，3种泵浦方式的小信号增益基本相同，NF 也相差不大，原因在于3 种泵浦方式都已使整个光纤的Er3+ 离子发生完全反转；当EDF 长度增加时，双向泵浦方式的增益最高，反向泵浦方式的增益次之，同向泵浦方式的增益最低。
噪声系数（NF）则表现不同，其中同向泵浦方式的NF 最小，反向泵浦方式的NF 最大，双向泵浦方式的NF介于二者之间。
泵浦光功率、泵浦方式与增益、噪声的关系：在给定的EDF 长度范围内，EDFA 的增益随泵浦功率的增加而增大，其NF 随泵浦功率增加而减小，但是，当泵浦功率增加到一定值后，增益趋于饱和，NF 也趋于定值。
图2 是实验得到的泵浦功率与小信号增益、NF 的关系。
这是因为，当泵浦功率增加到一定程度时，EDF 中基态能级的Er3 +离子已经基本上被激励到上能级，继续增加泵浦功率对粒子数反转贡献不大，所以增益趋于饱和。
图 2 泵浦功率与小信号增益，噪声系数之间的关系2、EDFA在光纤通信系统中的应用在光纤通信系统中，EDFA 有三种基本的应用方式，分别是用作光发射机输出的功率放大器、用作光接收机前端的前置放大器和作远距离传输的线路放大器。
功率放大器（后置放大器）方式是把EDFA 置于光发射机之后，用以提升输出信号的功率，可用来保证点对多点的光功率分配，并可降低高速系统中半导体激光器直接调制的“啁啾”影响。
功率放大器对放大性能的要求是输出功率大。
前置放大器方式是将EDFA 直接置于光接收机PIN 管光检测器的前面，用以改善输入光信号的信噪比，提高光接收机的接收灵敏度。
前置放大器对放大性能的要求是噪声性能要求高。
线路放大器应用方式是将EDFA 在线插在传输线路的一个或多个位置，用来周期性地补偿光信号衰减。
这种衰减或来自光纤的吸收损耗，或来自网络分配引起的分光损耗。
这种方式下，放大器可以以级联的方式存在。
线路放大器对放大性能的要求则要求输出功率和噪声性能两者兼顾。
由于光放大器对信号的调制方式和传输速率等方面的透明性，EDFA 在模拟，数字光纤通信系统以及光孤子系统中显示了广阔的应用前景。
尤其是在长距离数字通信系统中，波分复用技术与EDFA 结合将大大提高系统容量和传输距离，WDM+EDFA 已经成为当前光纤通信系统最重要的发展方向之一。
在级联EDFA 的系统中，ASE 噪声将不断积累。
由于级联方式不同，系统的噪声性能略有不同。
根据每级增益安排的不同，EDFA 可以有三种不同的级联方式。
第一种级联方式是所谓的“自愈”方式即对每级增益不做专门的控制，在这种方式下，开始几级EDFA 的增益较大，随着信号光功率的增加和ASE噪声的积累，EDFA 增益饱和，最后每级EDFA 输出功率趋于恒定，此时信号光功率不断下降，而ASE 噪声功率不断增加。
第二种方式是保证EDFA 输出功率恒定，光功率的变化趋势与第一种级联方式的后半部分相同，第三种级联方式是保持每级EDFA 的增益恰好抵消级间损耗。
这种情况下，每级EDFA 输出的信号光功率恒定，但是，由于ASE 噪声积累，总功率将不断上升。
在含有EDFA 的系统中，由于EDFA 能提供足够的增益，使信号的传输距离大大延长，随着信号速率的不断提高，光纤色散和非线性效应对系统性能的影响变得突出起来。
3、系统设计（建模）①系统图：同向EDFA设计：反向EDFA设计：双向EDFA设计：②相关说明：泵浦光源功率设定为20dBm，测试输入信号功率已被限定-20dBm,使用Dual Port WDM Analvzer 测定相关参数。
4、仿真结果与仿真分析1、噪声指数、增益、输出功率满足性分析（NF<4.5dB;Gain>25dB）①同向980nm、7m光纤②反向980nm，4m光纤③双向（同980nm，反1480nm），光纤4m2、优化分析：泵浦光源波长以及长度优化（分别从输出功率、增益和噪声指数分析）：①对于同向：同向1480nm同向980nm结论：根据相同条件下输出功率、增益以及噪声指数，同向EDFA泵浦光源波长980nm 性能更好。
选择理由：1480nm噪声指数很难达到要求。
最佳长度：根据图像，最佳长度为光纤5m②对于反向：反向1480nm反向980nm结论：根据相同条件下输出功率、增益以及噪声指数，反向EDFA泵浦光源波长980nm 性能更好。
选择理由：980nm最佳数据点均优于1480nm最佳长度：光纤4.5m③对于双向：双向1480nm双向980nm同向1480nm，反向980nm同向980nm，反向1480nm结论：根据相同条件下输出功率、增益以及噪声指数，双向EDFA泵浦光源波长同向980nm反向1480性能更好。
选择理由：比较噪声指数即可。
最佳长度：光纤7m二、课程设计小结EDFA设计涉及到了泵浦光源以及光纤的选择以及放置，其中涉及到的最优求解问题最为值得关注。
而本实验就是基于简单EDFA模型进行的仿真测试。
实验中，涉及到了许多数据的横向或者纵向比较，最为关注的，是波长选择以及最佳光纤长度选择。
在数据处理方面，我们选择了输出功率、增益以及噪声指数来判断EDFA是否符合要求，这里也设置了一定的参数范围以限定符合要求的光纤放大器。
本实验从实验原理入手，通过计算机软件实现，省去了繁琐的安装过程而得到了更为可靠的实验数据，通过测算不同波长、不同安装方式、不同数据类型的比较，实现了综合分析，在此，我们得出了有用结论，分别列示在实验结果分析上。
除此之外，参数取点达到了12个，非常完整且成功地显示出随光纤长度变化各个数据的变化情况，直观清楚。
而最终的结论也有助于我们今后在实验中或者生产生活中对光纤长度的取舍，省去了麻烦。
本次试验所用到的控制变量、综合分析方法也对相关实验进行了一定启发。
