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文章目录基本原理OptiCommPy实现基本原理掺铒光纤放大器 (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) 是一种直接在光域对光信号进行放大的有源器件是现代光纤通信系统尤其是 C 波段 1530–1565 nm 和 L 波段 1565–1625 nm的核心组件。EFFA的增肌机制基于铒离子Er 3 \text{Er}^{3}Er3在石英光纤介质中的受激辐射其物理过程可通过三能级或二能级模型描述。Er 3 \text{Er}^{3}Er3的基态为4 I 15 / 2 ^4\text{I}_{15/2}4I15/2亚稳态为4 I 13 / 2 ^4\text{I}_{13/2}4I13/2泵浦能级为4 I 11 / 2 ^4\text{I}_{11/2}4I11/2。在980nm激光的泵浦下Er 3 \text{Er}^{3}Er3从基态被激发到4 I 11 / 2 ^4\text{I}_{11/2}4I11/2能级该能级寿命极短迅速通过无辐射跃迁进入亚稳态4 I 13 / 2 ^4\text{I}_{13/2}4I13/2。亚稳态约有10ms寿命在此期间可与基态实现离子数反转最终形成受激辐射。EDFA的输入输出关系可表示为E o ( t ) G E i ( t ) n ( t ) E_o(t) \sqrt{G}E_i(t)n(t)Eo(t)GEi(t)n(t)其中E i E_iEi是输入E o E_oEo是输出G GG是增益n ( t ) n(t)n(t)是是自发辐射噪声。OptiCommPy实现edfa的函数签名为optic.models.devices.edfa(Ei,paramNone)其中Ei是输入信号场param是OptiCommpy自定义的参数类其成员包括成员说明单位默认值param.G放大器增益dB20param.NF噪声系数dB4.5 dBparam.Fc中心光频率Hz193.1 THzparam.Fs采样频率samples/sparam.seed噪声生成器的随机数种子简单示例如下importnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotaspltfromoptic.models.devicesimportedfafromoptic.utilsimportparameters,lin2dB,dB2lin paramparameters()param.G20# 增益 20 dBparam.NF4.5# 噪声系数 4.5 dBparam.Fc193.1e12# 中心频率 193.1 THzparam.Fs64e9# 采样率 64 GHz (决定了噪声带宽)param.seed42# 固定随机种子保证结果可复现# 生成输入信号 (例如一个简单的恒定光场功率为 0 dBm / 1 mW)num_samples10000Einp.sqrt(1.0)*np.ones(num_samples)Eoedfa(Ei,param)# 调用 EDFA 模型# 4. 结果分析与验证# 计算输入输出功率 (mW)P_innp.mean(np.abs(Ei)**2)P_outnp.mean(np.abs(Eo)**2)# 计算实际增益actual_gain_dB10*np.log10(P_out/P_in)# 计算理论 ASE 噪声功率 (在仿真带宽 Fs 内)h6.626e-34G_lindB2lin(param.G)NF_lindB2lin(param.NF)# 理论 ASE 功率 (双边带带宽近似为 Fs)P_ase_theoryh*param.Fc*(G_lin-1)*NF_lin*param.Fsprint(f输入信号功率:{lin2dB(P_in*1000):.2f}dBm)print(f输出信号总功率:{lin2dB(P_out*1000):.2f}dBm)print(f实际测量增益:{actual_gain_dB:.2f}dB (设定值:{param.G}dB))print(f理论 ASE 噪声功率 (在{param.Fs/1e9}GHz 带宽内):{lin2dB(P_ase_theory*1000):.2f}dBm) OptiCommPy中的掺铒光纤放大器(EDFA)
文章目录基本原理OptiCommPy实现基本原理掺铒光纤放大器 (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) 是一种直接在光域对光信号进行放大的有源器件是现代光纤通信系统尤其是 C 波段 1530–1565 nm 和 L 波段 1565–1625 nm的核心组件。EFFA的增肌机制基于铒离子Er 3 \text{Er}^{3}Er3在石英光纤介质中的受激辐射其物理过程可通过三能级或二能级模型描述。Er 3 \text{Er}^{3}Er3的基态为4 I 15 / 2 ^4\text{I}_{15/2}4I15/2亚稳态为4 I 13 / 2 ^4\text{I}_{13/2}4I13/2泵浦能级为4 I 11 / 2 ^4\text{I}_{11/2}4I11/2。在980nm激光的泵浦下Er 3 \text{Er}^{3}Er3从基态被激发到4 I 11 / 2 ^4\text{I}_{11/2}4I11/2能级该能级寿命极短迅速通过无辐射跃迁进入亚稳态4 I 13 / 2 ^4\text{I}_{13/2}4I13/2。亚稳态约有10ms寿命在此期间可与基态实现离子数反转最终形成受激辐射。EDFA的输入输出关系可表示为E o ( t ) G E i ( t ) n ( t ) E_o(t) \sqrt{G}E_i(t)n(t)Eo(t)GEi(t)n(t)其中E i E_iEi是输入E o E_oEo是输出G GG是增益n ( t ) n(t)n(t)是是自发辐射噪声。OptiCommPy实现edfa的函数签名为optic.models.devices.edfa(Ei,paramNone)其中Ei是输入信号场param是OptiCommpy自定义的参数类其成员包括成员说明单位默认值param.G放大器增益dB20param.NF噪声系数dB4.5 dBparam.Fc中心光频率Hz193.1 THzparam.Fs采样频率samples/sparam.seed噪声生成器的随机数种子简单示例如下importnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotaspltfromoptic.models.devicesimportedfafromoptic.utilsimportparameters,lin2dB,dB2lin paramparameters()param.G20# 增益 20 dBparam.NF4.5# 噪声系数 4.5 dBparam.Fc193.1e12# 中心频率 193.1 THzparam.Fs64e9# 采样率 64 GHz (决定了噪声带宽)param.seed42# 固定随机种子保证结果可复现# 生成输入信号 (例如一个简单的恒定光场功率为 0 dBm / 1 mW)num_samples10000Einp.sqrt(1.0)*np.ones(num_samples)Eoedfa(Ei,param)# 调用 EDFA 模型# 4. 结果分析与验证# 计算输入输出功率 (mW)P_innp.mean(np.abs(Ei)**2)P_outnp.mean(np.abs(Eo)**2)# 计算实际增益actual_gain_dB10*np.log10(P_out/P_in)# 计算理论 ASE 噪声功率 (在仿真带宽 Fs 内)h6.626e-34G_lindB2lin(param.G)NF_lindB2lin(param.NF)# 理论 ASE 功率 (双边带带宽近似为 Fs)P_ase_theoryh*param.Fc*(G_lin-1)*NF_lin*param.Fsprint(f输入信号功率:{lin2dB(P_in*1000):.2f}dBm)print(f输出信号总功率:{lin2dB(P_out*1000):.2f}dBm)print(f实际测量增益:{actual_gain_dB:.2f}dB (设定值:{param.G}dB))print(f理论 ASE 噪声功率 (在{param.Fs/1e9}GHz 带宽内):{lin2dB(P_ase_theory*1000):.2f}dBm)