光传输系统中掺铒光纤放大器的研究与设计

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作者：

高凡

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摘要：

光纤损耗是高速光网络应用的一个限制因素.然而,这种损耗可以通过各种光放大器来补偿.拉曼放大器和掺铒光纤放大器Erbium Doped Fiber Amplifier(EDFA)放大器在光通信系统中有着广泛的应用.与拉曼放大器相比,EDFA在1550nm波长上放大信号,光纤损耗最小.除此之外,EDFA放大器不存在脉冲隔离问题.随着EDFA等光放大器的出现,在光网络应用中实现高比特率是可行的.本文设计了一个基于增益平坦滤波器gain flattening filter(GFF)的前向泵浦双极EDFA(工作在C波段1525-1565nm)仿真平台,以评估工作在C波段(1525~1565nm)的前向泵浦EDFA的增益,增益平坦度以及噪声系数等性能参数.利用Optisystem以及实验平台可以完整地表征和优化EDFA的性能. 近年来,对光放大器的研究越来越多.放大器需要在一定波长范围内同时放大许多光信号.本文主要工作内容为: 1.分析EDFA的基本原理,组成结构,Giles模型,性能指标以及各项参数对增益的影响.仿真模型分析了掺铒光纤放大器的泵浦功率,掺铒光纤长度,掺铒离子浓度,和输入信号功率,输入信号波长.分析得出:功率较小,增益变化不大.增益随着信号功率的增加而减小.增益开始出现在泵功率的某个值(泵阈值)后继续快速增加并在较高的泵功率值下饱和.随着Erbium-Doped Fiber(EDF)掺饵光纤长度增加至一定长度,观察到增益增加达到最大值后并随着EDF长度的增加而开始减小.放大器增益随掺铒光纤浓度的增加而增大,后不再增加.只要泵浦功率接近其最高值,就有可能在不同波长获得相同的增益. 2.分析了增益不平坦的原因,通过加入GFF增益平坦滤波器,完成了增益平坦度的简单优化.利用光通信仿真软件对基于GFF的单泵浦双极EDFA单波输入信号和基于GFF的单泵浦双极EDFA多波输入信号系统的增益,增益平坦度以及噪声进行了理论研究和仿真.确定最佳前后饵纤最佳长度,优化了输出增益平坦度.对于双极单波放大器,输入信号光功率为-20dBm,经过一级放大后信号光功率大小为10.305dBm,增益为30.229dB;经过二级放大后信号光输出功率27.682dBm,增益增长到47.607dB,输出噪声4.433dB.高增益且噪声较小.对于双极多波放大器,输入多波信号光功率为-20dBm.经一级放大输出信号功率5.4762dBm,增益25.4762dB;二级放大后信号输出功率22.964dBm.Average Gain平均增益增长到42.954dB,最大增益43.001dB,最小增益42.918dB.增益平坦度0.083dB.噪声小于4dB. 3.研究了8×10Gbps密集波分复用Dense Wavelength Division Multiplexing(DWDM)系统中半导体放大器Semiconductor Optical Amplifier(SOA),EDFA,拉曼放大器Raman和混合放大器(SOA+EDFA,EDFA+EDFA,Raman+EDFA)在50GHz频率间隔下的性能.仿真结果表明,对于少量的传输距离,SOA+EDFA提供了更好的输出功率.对于较长距离,SOA+EDFA具有更稳定的性能.SOA+EDFA比EDFA+EDFA和Raman+EDFA具有更好的眼图,误码率也比EDFA+EDFA和拉曼+EDFA混合光放大器好得多.随着光纤长度从10km增加到40km,系统的性能开始下降,输出功率和Q因子减小.与Raman和EDFA相比,SOA具有最大的输出功率和良好的Q因子. 4.搭建实验平台实现测试.确定了单泵浦双极放大器前后两级饵纤比的最佳长度,进行系统增益曲线谱及噪声系数测量等.最后确定前后级饵纤长度为1m6m.得出最大增益可达40dB.增益平坦度1dB左右.由于实验误差,噪声大于5dB较大.理论与实际都获得了增益平坦度优化效果.

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关键词：

光传输系统 掺铒光纤放大器

学位级别：

硕士

学位年度：

2019