双向掺铒光纤放大器的分析设计

摘要

单纤双向传输不仅可以提高系统容量，还可以节约50%的传输光纤，这对于降低成本非常有益，在本文所提及的一种改良的反射式同步零差相干接收系统中，同时存在光载波和经调制后反射回来的光信号在单根光纤链路中传输，为弥补激光功率往返传输损耗就要求对单向放大的光放大器进行改造设计出适合系统要求的能对正反两个方向光同时提供增益的光放大器，掺铒光纤放大器（EDFA）在过去十年中被广泛应用于各种高容量传输应用，因此本文基于EDFA的理论基础和结构模型开始对双向掺铒光纤放大器(Bidirectional Erbium Doped Fiber Amplifier ,Bi-EDFA)的分析和设计。 EDFA中都会加入光隔离器，这能减少光钎链路中存在的离散分布的反射，但却使得光只能单向传输，双向EDFA如果不加光隔离器，其最大允许增益将会受到严重限制。即使通过仔细处理光纤链路中的所有连接点可将离散反射在一定程度上降低，但瑞利背向散射光纤本身的特性之一是不能被消除的。信道中还会存在各种拍频噪声，反射如果足够强烈，自激振荡也是可能的，这可能加速整个传输系统的恶化。本文在设计时充分考虑了这些因素。 在分析Bi-EDFA的增益和噪声特性的时候，利用了经典的速率方程、传播方程理论以及数值模拟方法。在讨论以单根掺铒光纤和光纤型环形器构成的Bi-EDFA结构方案基础上，给出了一种改良的Bi-EDFA的方案设计，但这种单纤双向放大结构模型的放大器会与常规单向放大器表现有所不同，由于在单根掺铒光纤中同时存在相向的正反向光，这势必会影响放大器的增益、噪声指数等工作参数与泵浦功率、铒纤长度以及泵浦方式等结构参数之间的关系。本文通过设计仿真实验针对这些工作参数利用Optisystem7.0光通信仿真软件搭建仿真模型，得到了Bi-EDFA的一些相关特性，结果表明，在正反向光波长相等的前提下，始终能得到一致的正反向增益，其大小由输入总功率决定，在Bi-EDFA中是对正反向光同时放大，具有更复杂的噪声特性，单向抽运的情况下正向噪声指数优于反向噪声指数，最后完成了对改进型Bi-EDFA的增益和噪声性能评估，在满足系统增益要求的条件下，有更低的噪声指数。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 光纤通信概述

1.3 相干光通信技术

1.4 光放大器研究现状和发展态势

1.5 论文的主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 掺铒光纤放大器的理论基础和应用研究

2.1 EDFA的结构

2.2 EDFA的原理分析

2.3 EDFA的简化理论模型

2.3.1 Saleh模型

2.3.2 Giles模型

2.4 EDFA的数值模拟方法

2.5 EDFA的主要指标

2.5.1 增益特性

2.5.2 饱和增益特性

2.5.3 噪声特性

2.5.4 泵浦功率转换效率

2.6 本章小结

第三章 Bi-EDFA的理论模型和结构方案

3.1 Bi-EDFA理论模型构建

3.2 Bi-EDFA的结构方案

3.2.1 EDFA的核心架构

3.2.2 Bi-EDFA的基本结构模型

3.2.3 三种双向放大结构模型性能优劣的比较

3.3最简单Bi-EDFA模型仿真实验

3.3.1 掺铒光纤长度的优化

3.3.2 不同抽运光功率条件下铒纤长度的优化

3.3.3 抽运光功率的优化

3.4 本章小结

第四章 Bi-EDFA的优化设计及其应用

4.1 改进型的双向掺铒光纤放大器设计实现

4.2 数值模拟及结果分析

4.2.1 不同输入功率条件下增益与铒纤长度的关系

4.2.2 几组不同条件下增益与泵浦总功率之间的关系

4.2.3 Bi-EDFA正反向输出光功率与反向输入光功率变化的关系

4.2.4 Bi-EDFA的增益、噪声系数与掺铒光纤长度的关系

4.2.5 Bi-EDFA的增益、噪声系数与泵浦功率的关系

4.2.6 结果讨论

4.3 改进型Bi-EDFA的性能评估

4.3.1 增益特性评估

4.3.2 噪声特性评估

4.3.3 与常规双向全通行性EDFA的性能对比

4.3.4 基于改进型Bi-EDFA仿真环境下200km的测试

4.4 光纤放大器中布里渊散射的分析

4.4.1 光纤中的布里渊散射效应

4.4.2 布里渊散射的增益谱

4.4.3 布里渊散射的阈值特性

4.4.4 结果讨论

4.5 双向掺铒光纤放大器在零差同步相干接收系统中的应用

4.6 对改进型双向掺铒光纤放大器的扩展

4.7 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 全文回顾

5.2 研究的总结及前景

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果