光纖通信課程設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書 第 頁課程設(shè)計任務(wù)書20152016 學年第二學期專業(yè)： 學號： 姓名： 課程設(shè)計名稱： 光纖通信系統(tǒng)課程設(shè)計 設(shè)計題目： EDFA 在 WDM 傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用 完成期限：自 2016 年 6 月 6 日至 2015 年 6 月 19 日共 2 周一、設(shè)計依據(jù) 在長距離傳輸中,由于受發(fā)送功率、接收機靈敏度,甚至色散等因素的影響和制約,使得光脈沖從光發(fā)射機輸出經(jīng)過光纖傳輸一定距離后,其幅度會受到衰減,波形也會出現(xiàn)失真。因此,要進行長距離的信號傳輸,就需要在光信號傳輸一定距離后加中繼器,以放大衰減的信號,使光脈沖得到再生。摻鉺光纖放大器（EDFA）可以省去大量的光中繼器,延長傳輸

2、距離,這對于長途干線傳輸系統(tǒng)具有重要意義，本設(shè)計主要研究 EDFA 在WDM 中的應(yīng)用。 二、要求及主要內(nèi)容 1查閱相關(guān)的文獻，概要介紹了EDFA的研究背景，包括摻鉺光纖放大器的特點、應(yīng)用、發(fā)展前景以及研究的必要性； 2對摻 EDFA 研制過程中的主要光電器件從原理及性能等方面作了系統(tǒng)的描述； 3介紹 EDFA 在波分復(fù)用系統(tǒng) WDM 中的應(yīng)用，進行仿真分析。 三、途徑和方法 1查找相關(guān)文獻，了解 EDFA 的工作原理，主要包括摻鉺光纖的基本概念及參數(shù)； 2著重了解現(xiàn)代通信系統(tǒng)中 EDFA 的作用； 3運用的理論分析，介紹了 EDFA 在 WDM 中的基本原理，對摻鉺光纖放大器的參數(shù)進行了詳細

3、的介紹。 四、時間安排 1課題講解：2 小時。 2閱讀資料：10 小時。 課程設(shè)計說明書 第 I 頁 3撰寫設(shè)計說明書：12 小時。 4修訂設(shè)計說明書：6 小時。 5、主要參考資料 1 王延恒光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)M北京：天津大學出版社，1990 2黃章勇光纖通信用光電子器件和組件M北京：北京郵電大學出版社，2001. 3 黃章勇光纖通信用新型光無源器件M北京：北京郵電大學出版社，2002 4 孫學軍，張述軍等DWDM 傳輸系統(tǒng)原理與測試北京：人民郵電出版社，1997 5 紀越峰光波分復(fù)用系統(tǒng)M北京：北京郵電大學出版社,1999 6原榮光纖通信技術(shù)M機械工業(yè)出版社，2011 指導教師（簽字）： 教研

4、室主任（簽字）： 批準日期： 年 月 日課程設(shè)計說明書 第 II 頁EDFA 在在 WDM 傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要摘要在長距離傳輸中,由于受發(fā)送功率、接收機靈敏度,甚至色散等因素的影響和制約,使得光脈沖從光發(fā)射機輸出經(jīng)過光纖傳輸一定距離后,其幅度會受到衰減,波形也會出現(xiàn)失真。因此,要進行長距離的信號傳輸,就需要在光信號傳輸一定距離后加中繼器,以放大衰減的信號,使光脈沖得到再生。摻鉺光纖放大器（EDFA）可以省去大量的光中繼器,延長傳輸距離,這對于長途干線傳輸系統(tǒng)具有重要意義。本文首先介紹了 EDFA 和 WDM的基本原理和應(yīng)用，其次使用 optisystem 模擬仿真軟件，利用仿

5、真，分析系統(tǒng)的性能和影響性能的參數(shù)因子，優(yōu)化系統(tǒng)，最后對光路結(jié)構(gòu)修改提高 EDMA 在 WDM 傳輸系統(tǒng)中的性能。關(guān)鍵詞：EDFA，WDM，長距離傳輸，OptiSystem課程設(shè)計說明書 第 III 頁目錄目錄1.緒論.11.1. 光纖通信的歷史和發(fā)展.11.2. 光纖放大器.21.2.1. 傳輸型光纖放大器.21.2.2. 摻稀土元素光纖放大器.21.3. 論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容.32.EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用.42.1. 摻鉺光纖放大器（EDFA）.42.1.1. EDFA 的主要結(jié)構(gòu).42.1.2. EDFA 的工作原理.62.1.3. EDFA 的工作特性.72.1.4. EDFA

6、的性能參數(shù).82.1.5. EDFA 的應(yīng)用.102.2. 波分復(fù)用（WDM） .122.2.1. WDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分類.122.2.2. WDM 原理及應(yīng)用.132.2.3. WDM 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù).152.3. WDM 系統(tǒng)對 EDFA 的要求.183.EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用仿真分析.213.1. OPTISYSTEM 軟件簡介.213.2. EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.213.3 本章小結(jié).25總結(jié).25參考文獻.26課程設(shè)計說明書 第 0 頁1.緒論1.1.光纖通信的歷史和發(fā)展光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動通信并列為20 世紀 90

7、 年代的技術(shù)。進入 21 世紀后，由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用的增長，對大容量（超高速和超長距離）光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)有了更為迫切的需求。 20世紀90 年代初，摻鉺光纖放大器和低損耗傳輸光纖的研制成功以及波分復(fù)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地增加了光纖通信傳輸?shù)男畔⑷萘坎⒀娱L了光纖通信的傳輸距離，光纖通信得到了快速的發(fā)展。光纖通信技術(shù)中的波分復(fù)用技術(shù)充分利用了單模光纖低損耗區(qū)的優(yōu)勢，獲得了大的帶寬資源。波分復(fù)用技術(shù)基于每一信道光波的頻率和波長不同等情況出發(fā)，把光纖的低損耗窗口規(guī)劃為許多個單獨的通信管道，并在發(fā)送端設(shè)置了波分復(fù)用器，將波長不同的信號集合到一起送入單根光纖中，再進

8、行信息的傳輸，而接收端的波分復(fù)用器把這些承載著多種不同信號的、波長不同的光載波再進行分離。 光纖通信網(wǎng)絡(luò)對全球經(jīng)濟發(fā)展起著極其重要的作用，信息全球化推動經(jīng)濟全球化，而經(jīng)濟全球化又反過來促進信息全球化。到目前為止，光纖通信技術(shù)已經(jīng)成為最重要的現(xiàn)代信息傳輸技術(shù)之一，在現(xiàn)在的信息社會背景下得到了普遍意義上的應(yīng)用，迄今尚未發(fā)現(xiàn)可以取代它的更好的技術(shù)。從現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢來看，光纖通信技術(shù)也必將成為未來通信發(fā)展的主流，帶領(lǐng)人類進入全光網(wǎng)絡(luò)時代自從有了人類，就有了信息交流和傳遞的需要。我過古代的狼煙和烽火可以說是最早的利用光進行信息傳遞的方式。隨著科技的進步，電話、電報一直到目前連接全球的因特網(wǎng)，通信技術(shù)

9、，特別是近代通信技術(shù)，經(jīng)歷了一個從低頻到高頻，從高頻到微波進而到達光頻的演變過程。通信技術(shù)在人類社會起到了越來越大的作用，成為這個信息時代的支柱技術(shù)。光纖通信技術(shù)的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命，三十多年以來，在經(jīng)歷了三代進化之后，它正在以超摩爾定律的速度向前發(fā)展。目前世界上 80%以上的信息是通過光纖傳送，未來的傳送網(wǎng)必然是建立在光纖通信技術(shù)之上的。近幾年來，隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)、摻鉺光纖放大器（EDFA）技術(shù)和光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信技術(shù)正向著超高速、超大容量、超長距離通信系統(tǒng)發(fā)展，并且課程設(shè)計說明書 第 1 頁逐步向全光網(wǎng)絡(luò)演進。1.2.光纖放大器

10、光纖放大器是光纖通信和傳感在實際應(yīng)用中的重要光學器件，光在光路傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加以及光纖器件的損耗，光信號會逐漸變?nèi)?。這就需要光纖放大器對其進行放大。早在1964年人們就開始對光纖放大器進行研究，隨著低損耗光纖的使用和稀土摻雜光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，直到1984 年才開始在實際中使用。近年來，互聯(lián)網(wǎng)和光纖通信網(wǎng)的數(shù)字傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，激發(fā)了人們對光纖光源和光放大器的研究興趣。光纖放大器是一種新型全光放大器，傳統(tǒng)的光電光再生中繼器有許多缺點。首先，通信設(shè)備很復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在WDM系統(tǒng)中更為突出，因為先要解復(fù)用出每個波長信道，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后再把電信號轉(zhuǎn)

11、換成光信號，最后再通過復(fù)用器把放大后的各路光信號送回光纖中傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。因此全光傳輸型中繼器正在取代光電光再生中繼器。光放大器分為光放大器和半導體光放大器兩類，半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）的放大介質(zhì)為半導體晶體材料構(gòu)成的正向偏壓的P-N結(jié)2。光放大器按照原理主要可以分為兩大類： 1.2.1. 傳輸型光纖放大器這類光纖放大器基于光在光纖中傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)包括光纖布里淵放大器（Fiber Brillion Amplifier，F(xiàn)BA）和光纖拉曼放大器（Fiber Raman Amplifi

12、er，F(xiàn)RA）等。對于光纖布里淵放大器，它是通過相當于泵浦光頻率下移的斯托克（Stocks）波的產(chǎn)生來進行光放大，其頻移量由非線性介質(zhì)決定3。雖然通過一定的設(shè)計，光纖布里淵放大器能獲得可觀的的增益，但是其放大的帶寬非常窄，應(yīng)用并不廣。光纖拉曼放大器是將強泵浦與微弱信號光一起耦合在一根光纖中傳輸，若是將信號光波長比泵浦光波長長，并且波長差在一定范圍內(nèi)，由于受激拉曼散射效應(yīng)，強泵浦的功率部分轉(zhuǎn)移到微弱信號光上，使信號光獲得增益。它的優(yōu)點是寬寬帶和低噪聲，缺點是需要很強的泵浦功率，其應(yīng)用也受到很大的限制。1.2.2. 摻稀土元素光纖放大器課程設(shè)計說明書 第 2 頁稀土元素即元素周期表中的鑭系元素，鉺

13、（Er）、鐠（Pr）、銩（Tm）、鐿（Yb）、釹（Nd）等屬于此系，目前通信領(lǐng)域?qū)较⊥凉夥糯笃鞯难芯勘容^多的集中在摻鐿光纖放大器（Ytterbium Doped Fiber Amplifier，YDFA）、摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）和摻銩光纖放大器（Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA）上，其中摻鉺光纖放大器是其中最典型、最成功的例子。與傳輸性光纖放大器相比，摻稀土元素光纖放大器中，EDFA是性能優(yōu)異、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的光纖放大器。自從1985 年，英國南安普敦大學首先成功地研究出摻鉺光纖，并與1

14、986年首次研制出針對光纖通訊第三個窗口（1.55m波段）的光纖放大器，EDFA技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。到1988年，低損耗的摻鉺光纖技術(shù)已相當成熟，并達到實用水平。它的研制成功是光纖通信領(lǐng)域內(nèi)的一次革命4。1.3.論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容通過閱讀大量的資料及現(xiàn)在人們對信息傳送速率和信息容量的要求，本文主要研究EDFA在WDM傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。第一章研究了光通信的發(fā)展，現(xiàn)狀，提出本文的設(shè)計目的及意義；其次講解了光纖放大器的分類，提出摻鉺光纖放大器；并簡單的介紹了波分復(fù)用的定義及其應(yīng)用。第二章介紹了摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，說明了摻鉺光纖放大器的性能指標，泵浦方式及其在通信中的應(yīng)用；其次介紹了波分

15、復(fù)用的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，極其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。第三章介紹了OptiSystem這個軟件，并對EDFA在WDM傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用的仿真分析。課程設(shè)計說明書 第 3 頁2. EDFA 在在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1.摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA）2.1.1. EDFA 的主要結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)EDFA 主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器和光濾波器等組成，如圖 1.1 所示。圖 1.1 EDFA 的基本組成(1) 摻鉺光纖（EDF）：光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，其長度為 10m100m 左右，鉺離子的摻雜濃度一般為 2100 2000pp

16、m 左右。因而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA 的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。(2) 泵浦源對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖?，F(xiàn)在采用的半導體激光器，輸出功率為 10200mW，工作波長為 0.98m 或 1.48m。最先使用 1480 nm 的多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達 100mW，泵浦增益系數(shù)較高?，F(xiàn)在一般采用 980nm 波長泵浦，它的效率更高, 噪聲更低。(3) 波分復(fù)用器其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合。對它的要求是插入損耗低，因而適用的 WDM器件主

17、要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4) 光隔離器在輸入、輸出端插入光隔離器目的是抑制光路中的反射，保證信號單向傳輸、防止反射光影響 EDFA 的工作穩(wěn)定性，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對隔離器的課程設(shè)計說明書 第 4 頁基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。(5) 光濾波器濾除放大器噪聲，提高信噪比。EDFA 的內(nèi)部按泵浦方式分，有三種基本的結(jié)構(gòu)：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。（1）同向泵浦這是一種信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱為前向泵浦，如圖 1.2 所示。輸入泵浦光較強，故粒子反轉(zhuǎn)激勵也強，其增益系數(shù)大。其優(yōu)點是構(gòu)成簡單，噪聲指數(shù)較??；缺點是輸出功率較

18、低。圖 1.2 同向泵浦（2）反向泵浦這是一種信號光與泵浦光從兩個不同方向注入進摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)，也稱后向泵浦，如圖 1.3 所示。其優(yōu)點是：當光信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和，輸出功率比同向泵浦高；缺點是噪聲性能差。圖 1.3 反向泵浦（3）雙向泵浦這是一種同向泵浦與反向泵浦同時泵浦的結(jié)構(gòu)，如圖 1.4 所示。用多個泵浦源從多個方向激勵光纖。多個泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點。使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布。課程設(shè)計說明書 第 5 頁圖 1.4 雙向泵浦圖 1.5（a）給出了三種泵浦方式的信號輸出功率與泵浦功率的關(guān)系。由于這三種方式的微分轉(zhuǎn)換效率（

19、即圖中曲線斜率）不同，因此再同樣的泵浦條件下，同向泵浦式 EDFA 的輸出功率最低。圖 1.5（b）給出噪聲指數(shù) NF 與輸出功率之間的關(guān)系。由于輸出功率加大將導致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)下降。因此，在未飽和區(qū)，同向泵浦式 EDFA 的噪聲指數(shù)最小，但是在飽和區(qū)，情況就不同。圖 1.5（c）給出了噪聲指數(shù)與光纖長度的關(guān)系?？梢姡还軗金D光纖的長度如何，同向泵浦 EDFA 噪聲指數(shù)均最小。 (a)信號輸出功率與泵浦功率的關(guān)系 (b)噪聲指數(shù)與輸出功率的關(guān)系 (c)噪聲指數(shù)與光纖長度的關(guān)系圖 1.5 相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系2.1.2. EDFA 的工作原理的工作原理EDFA 的工作原理與半導體激光器類似：當較弱的信

20、號光和較強的泵浦光一起輸入摻餌光纖時，泵浦光激活 EDF 中的鉺粒子并形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；在信號光子的感應(yīng)下，產(chǎn)生受激輻射并實現(xiàn)信號光的放大作用。由于 EDFA 的核心放大元件是摻餌光纖，其具有細長的結(jié)構(gòu)特點，因此可以實現(xiàn)有源區(qū)的能量密度較高，從而降低了對泵浦功率的要求。 鉺粒子的能級分布如圖 1.6 所示。課程設(shè)計說明書 第 6 頁圖 1.6 鉺離子工作能級 當 WDM 的信號光通過這段粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的 EDF 時，電子在 WDM 信號光作為感應(yīng)光場的情況下，從亞穩(wěn)態(tài)受激輻射到基態(tài)上，并產(chǎn)生與輸入光子完全一樣（具有相同波長、相同方向和相同相位）的光子，從而實現(xiàn)信號光在 EDF 的傳播過程中被

21、放大。 因此，簡單地說，EDFA 放大就是把泵浦能量轉(zhuǎn)換為信號光的能量，而且它的效率很高。 泵浦效率等因素的影響，980nm、1480nm 半導體激光器更適合于 EDFA 的泵浦光源，而且這兩種半導體激光器已經(jīng)得到很好的商用化。另外，980nm 相對于 1480nm而言，增益高、噪聲小，是目前 EDFA 的首選泵浦光源，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達 30 40 dB 的放大器增益。2.1.3. EDFA 的工作特性的工作特性(1) 工作波長恰好落在光纖通信的最佳波長區(qū)( 1500 nm )；(2) 因為 EDFA 的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達到0.1 dB;(3

22、) 噪聲指數(shù)低，一般 4 7 dB；(4) 增益高，約 20 40 dB，飽和輸出功率大，約 815 dBm；(5) 頻帶寬，在 1 550 nm 窗口有 20 40 nm 帶寬，可進行多信道傳輸，便于擴大傳輸容量，從而節(jié)省成本費用;(6) 與半導體光放大器不同，光纖放大器的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特課程設(shè)計說明書 第 7 頁性與光信號的傳輸方向也無關(guān)，可以實現(xiàn)雙向放大 ( 光纖放大器內(nèi)無隔離器時 );(7) 所需泵浦功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當高，用 980nm 光源泵浦時，增益效率為 10dB/mW，用 1480nm 光源泵浦時為 5.1dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出信號功

23、率的效率為 92.6%，吸收效率為 88%；(8) 在多信道應(yīng)用中可進行無串話傳輸；(9) 放大器中只有低速電子裝置和幾個無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積?。?10) 對不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，即與準同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)的各種速率兼容，調(diào)制方案可任意選擇；(11) EDFA 需要的工作電流比光-電-光再生器的小，因此可大大減小遠供電流，從而降低了對海纜的電阻和絕緣性能的要求。2.1.4. EDFA 的性能參數(shù)的性能參數(shù)EDFA 主要性能參數(shù)包括功率增益、輸出功率和噪聲等。1.功率增益功率增益（dB）表示了 EDFA 的放大能力，其定義為輸出功率與輸入

24、功率之比，即EDFA 的增益大小與輸入信號功率、泵浦功率、摻餌光纖長度等多種因素有關(guān)，通常為 1540dB。圖 1.7 給出了 EDFA 信號增益與泵浦光功率的關(guān)系。=10logdB輸出光功率功率增益輸入光功率課程設(shè)計說明書 第 8 頁圖 1.7 增益（G）與泵浦光功率的關(guān)系由圖可見，小信號輸入時的增益系數(shù)大于大信號輸入時的增益系數(shù)。當放大器增益出現(xiàn)飽和時，即使泵浦功率增加很多，增益也會基本保持不變。此時放大器的增益效率（圖中曲線斜率）將隨著泵浦功率的增加而下降。圖 1.8 給出了增益與摻餌光纖長度的關(guān)系。由圖可見，剛開始是增益隨摻餌光纖長度的增加而上升，但是光纖超過了一定長度之后，由于光纖本

25、身的損耗，增益反而逐漸下降，因此存在一個可獲得最佳增益的最佳長度。這一長度只能是最大增益長度，而不是摻餌光纖的最佳長度，因為還牽涉到其他諸如噪聲等的特性。圖 1.8 增益（G）與摻餌光纖長度的關(guān)系2.輸出功率對于 EDFA 而言，當輸入功率增加時，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于平穩(wěn)。EDFA 的輸入/輸出關(guān)系如圖 1.9 所示。課程設(shè)計說明書 第 9 頁圖 1.9 EDFA 的輸入/輸出關(guān)系衡量 EDFA 的輸出功率特性通常使用 3dB 飽和輸出功率，其定義為飽和增益下降3dB 時所對應(yīng)的輸出功率值。3.噪聲EDFA 的輸出光中，除了有信號光外，還有自發(fā)輻

26、射光，它們一起被放大，形成了影響信號光的噪聲源，EDFA 的噪聲主要有以下四種：信號光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；自發(fā)輻射光譜與信號光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定 EDFA 性能的主要因素。理論分析表明，EDFA 的噪聲指數(shù) Fn的極限值是 3dB。這表明在即使是在理想情況下，每經(jīng)過一個 EDFA，信噪比也會下降一半。因此，即使 EDFA 的增益完全補償光纖線路的損耗，實際使用中也不能無限制地級聯(lián) EDFA，這樣會導致接收到信號的信噪比難以承受。2.1.5. EDFA 的應(yīng)用的應(yīng)用在長距離、大容量、高速率光纖通信

27、系統(tǒng)中，EDFA 有多種應(yīng)用形式，其基本作用是：1） 延長中繼距離，使無中繼傳輸達數(shù)百公里。2） 與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，可迅速簡便地實現(xiàn)擴容。課程設(shè)計說明書 第 10 頁3） 與光孤子技術(shù)結(jié)合，可實現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信。4） 與 CATV 等技術(shù)結(jié)合，對視頻傳播和 ISDN 具有積極作用。EDFA 的具體的應(yīng)用形式有三種。（1）線路放大（LA）線路放大是指將 EDFA 置于光纖鏈路原有中繼器的位置，對信號進行在線放大，如圖 1.10 所示。LA 是 EDFA 最常見的應(yīng)用形式，廣泛應(yīng)用于長途和本地通信系統(tǒng)中，替代復(fù)雜昂貴的光中繼器。圖 1.10 線路放大（LA）（2）功率放大（BA）功率

28、放大是指將 EDFA 設(shè)置于光發(fā)送機后，如圖 1.11 所示。BA 可以提高注入光纖的有效光功率，從而延長中繼距離。BA 的引入會導致入纖功率的大幅提高，可能會在光纖中激發(fā)出較強的非線性效應(yīng)，因此在實際應(yīng)用中要對其輸出功率進行仔細控制。應(yīng)具有較高的飽和輸出功率。圖 1.11 功率放大（BA）（3）前置放大（PA）前置放大是指將 EDFA 置于光接收機之前，如圖 1.12 所示。PA 可以將光纖線路傳輸?shù)奈⑷豕庑盘栠M行放大，從而提高光接收機的靈敏度。PA 一般工作在小信號狀態(tài)，因此需要有較高的噪聲性能和增益系數(shù)，而不需要很高的輸出功率以避免造成光接收機過載。課程設(shè)計說明書 第 11 頁圖 1.1

29、2 前置放大（PA）2.2.波分復(fù)用（波分復(fù)用（WDM）2.2.1. WDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分類WDM 系統(tǒng)主要有以下五個部分組成：光發(fā)送機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.1 所示。光發(fā)射機是光波分復(fù)用系統(tǒng)的核心。它發(fā)出波長不同，但精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的光信號，經(jīng)過光波分復(fù)用器（即合波器）合成一路送入光功率放大器放大，然后耦合到光纖上進行傳輸。光中繼放大器一般采用摻鉺光纖放大器，主要是用于補償光信號由于長距離傳輸所圖 2.1 WDM 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖造成的信號衰減。光接收機主要由前置放大器、光分波器等組成。光前置放大器首先放大經(jīng)傳

30、輸而衰減的光信號，然后利用分波器分離各特定波長的光信號進行接收。光監(jiān)控信道是監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，在發(fā)送端插入本節(jié)點產(chǎn)生的波長的光監(jiān)控信號，與主信道的光信號混合輸出。在接收端，將接收到的光信號分波，獲得課程設(shè)計說明書 第 12 頁光監(jiān)控信號。幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)均是通過光監(jiān)控信道來傳遞的。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是通過光監(jiān)控信道的物理層傳送開銷字節(jié)到其它節(jié)點或接收其它節(jié)點的開銷字節(jié)對光波分復(fù)用系統(tǒng)迸行管理。主要實現(xiàn)配置、故障、性能、安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)相連。根據(jù) WDM 線路系統(tǒng)中是否設(shè)置有在線光中繼放大，可以將 WDM 線路系統(tǒng)分為有線路光放大器 WDM 系統(tǒng)和無線

31、路光放大器 WDM 系統(tǒng)，其中無線路光放大器WDM 系圖 2.2 有線路光放大器 WDM 系統(tǒng)的參考配置圖 2.3 無線路光放大器 WDM 系統(tǒng)的參考配置統(tǒng)可以認為是點到點的單跨有線路放大器系統(tǒng)（中繼段為一）。2.2.2. WDM 原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用光波分復(fù)用（wavelength-division multiplex-ing，簡稱 WDM）技術(shù)又稱光波長分割復(fù)用技術(shù)，是指在一根光纖中能同時傳輸多個波長光信號的一種技術(shù)。它是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端再將組合波長的光信號分開，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端。具有以下優(yōu)點：1）可充分利用光

32、纖的帶寬資源，使同一根光纖的傳輸容量增加幾倍至幾十倍，甚課程設(shè)計說明書 第 13 頁至幾百倍。2）由于光波分復(fù)用技術(shù)使用的波長相互獨立，故可以同時傳輸特性完全不同的信號。3）采用全雙工方式，光信號可以在一根光纖中同時向兩個不同的方向傳輸，節(jié)省了線路投資，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。4）對于早期敷設(shè)的芯數(shù)不多的光纜，波分復(fù)用技術(shù)可提供“在線升級，平滑過渡”的技術(shù)支持，即在對原有系統(tǒng)不作較大改動的情況下，進行擴容，節(jié)省投資。5）隨著傳輸速率的不斷提高，許多光器件的響應(yīng)速度已明顯不足。使用波分復(fù)用技術(shù)可以降低對器件性能上的要求。6）波分復(fù)用器件大多是光無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，穩(wěn)定可靠，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和施工

33、中有很大靈活性。因此，波分復(fù)用技術(shù)成為當前迸行擴容、升級改造以及建設(shè)新的高速、大容量通信網(wǎng)絡(luò)的最佳技術(shù)選擇。WDM 系統(tǒng)的主要應(yīng)用形式有以下三種。（1）雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸 WDM 系統(tǒng)如圖 2.4 所示。雙纖單向傳輸是指一根光纖只完成一個方向光信號的傳輸，反向光信號的傳輸由另一根光纖來完成。雙纖單向傳輸 WDM 系統(tǒng)可以方便地分階段動態(tài)擴容。例如在對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行升級和擴容工作中，可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)量的需要逐步增加波長來實現(xiàn)擴容，是目前 WDM 系統(tǒng)最主要的應(yīng)用形式。圖2. 4雙纖單向傳輸WDM系統(tǒng)（2）單纖雙向傳輸單纖雙向傳輸 WDM 系統(tǒng)如圖 2.5 所示。單纖雙向傳輸指在一根光纖實現(xiàn)兩

34、個方向光信號的同時傳輸，兩個方向的光信號應(yīng)安排在不同波長上以實現(xiàn)彼此雙方全雙工課程設(shè)計說明書 第 14 頁的通信聯(lián)絡(luò)。雙向 WDM 系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量，這對于光接入網(wǎng)等環(huán)境的使用具有明顯的優(yōu)點。（3）光分路插入傳輸光分路插入傳輸 WDM 系統(tǒng)如圖 2.6 所示。通過光分插復(fù)用器（OADM）可以實現(xiàn)圖 2.5 單纖雙向傳輸 WDM 系統(tǒng)圖 2.6 光分路插入傳輸 WDM 系統(tǒng)各波長的光信號在中間站的分出與插入，即完成上/下光路，利用這種方式可以完城DWDM 系統(tǒng)的環(huán)形組網(wǎng)。根據(jù)上/下通路是否針對特定波長設(shè)定，可以分為固定波長光分路插入系統(tǒng)和可變光分路插入系統(tǒng)。2.2.3. W

35、DM 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)由于同時有多個不同波長通路在一根光纖中同時傳輸，因此對于 WDM 系統(tǒng)而言會存在一些單信道光纖通信系統(tǒng)中沒有的問題，包括：1）光源的波長準確度和穩(wěn)定度2）信道串擾課程設(shè)計說明書 第 15 頁3）色散4）非線性效應(yīng)5）光放大器引入的傳輸損傷（1）光源技術(shù)WDM 系統(tǒng)中的光源技術(shù)包括兩方面的內(nèi)容，一是如何保證光元器件發(fā)出的波長的穩(wěn)定度和精準度，而是如何實現(xiàn)以較低成本的方式靈活實現(xiàn)滿足 G.694 標準的多個波長。4 對 WDM 系統(tǒng)采用的光源技術(shù)主要有：波長可調(diào)諧激光器波長可調(diào)諧濾波器高精度光源外調(diào)制技術(shù)（2）波分復(fù)用器/解復(fù)用器光波分復(fù)用/解復(fù)用器（WDM/DWDM

36、）是波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。其功能是將多個波長不同的光信號復(fù)合后送入同一根光纖中傳送（波分復(fù)用器）或?qū)⒃谝桓饫w中傳送的多個不同波長的光信號分解后送入不同的接收機（解復(fù)用器）。波分復(fù)用器和解復(fù)用器也分別被稱為合波器和分波器，是一種與波長有關(guān)的光纖耦合器。光波分復(fù)用器/解復(fù)用器性能的優(yōu)劣對于 WDM 系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有決定性的影響。根據(jù)制造工藝和技術(shù)特點，波分復(fù)用器/解復(fù)用器件大致有熔錐光纖型、干涉濾波器型、光柵型和集成光波導型等幾種類型。（3）光轉(zhuǎn)發(fā)器（OTU）根據(jù)光接口的兼容性可以分成開放式和集成式兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。集成式系統(tǒng)要求接入光接口滿足 DWDM 光接口標準（即 ITU-T G.692 波

37、長標準），開放式系統(tǒng)在波分復(fù)用器前加入了波長轉(zhuǎn)換器（OTU），將 SDH 光接口（即 ITU-TG.957）轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692 規(guī)定的接口標準。OTU 的基本功能是完成 G.957 到 G.692 的波長轉(zhuǎn)換功能，使得包括 SDH 在內(nèi)的各類不具備 WDM 標準波長的光纖通信系統(tǒng)能夠接入 WDM系統(tǒng)，另外，OTU 還可以根據(jù)需要增加定時再生的功能。課程設(shè)計說明書 第 16 頁SDH系統(tǒng)DWDM系統(tǒng)O/EE/O定時再生G957G692OTU圖 2.7OUT 應(yīng)用示例（4）光纖傳輸技術(shù)WDM 系統(tǒng)中的光纖傳輸技術(shù)與一般的光纖通信系統(tǒng)相比，由于存在傳輸速率高和信道數(shù)量多等特點，因此存在著

38、一些特殊的要求，包括光纖選型、色散補償技術(shù)和色散均衡技術(shù)等。（5）光放大器增益箝制技術(shù)WDM 系統(tǒng)中，個別波長通道的故障或者波長上下路等網(wǎng)絡(luò)配置的更改，都會引起光纖鏈路中實際傳輸波長數(shù)量的變化，光功率也隨之變化。為了保證每個波長通道的輸出功率穩(wěn)定，光放大器的增益應(yīng)能隨實際應(yīng)用的波長數(shù)進行自動調(diào)整，即需要光放大器的泵浦源輸出功率能夠隨著輸入信號的變化進行自動調(diào)整。光放大器的增益箝制技術(shù)就是指當輸入功率在一定范圍內(nèi)變化時，光放大器的增益隨之變化并使得其他波長通道的輸出功率保持溫度的技術(shù)。光放大器的增益箝制實現(xiàn)機制主要包括總功率控制法、飽和波長法、載波調(diào)制法和全光增益箝制法等。（6）光監(jiān)控信道技術(shù)在

39、使用光放大器作為中繼器的 WDM 系統(tǒng)中，由于光放大器中不提供業(yè)務(wù)信號的上下，同時在業(yè)務(wù)信號的開銷位置中（如 SDH 的幀結(jié)構(gòu)）也沒有對光放大器進行監(jiān)控的冗余字節(jié)，因此缺少能夠?qū)夥糯笃饕约胺糯笾欣^信號的運行狀態(tài)進行監(jiān)控的手段。此外，對 WDM 系統(tǒng)的其他各個組成部件的故障告警、故障定位、運行中的質(zhì)量監(jiān)控、線路中斷時備用線路的監(jiān)控等也需要冗余控制信息。為了解決這一問題，WDM 系統(tǒng)中通常采用的是業(yè)務(wù)以外的一個新波長上傳送專用監(jiān)控信號，即設(shè)置光監(jiān)控信道課程設(shè)計說明書 第 17 頁（OSC）。光監(jiān)控信道的設(shè)置一般應(yīng)滿足以下幾個條件：1）OSC 的波長不應(yīng)與光放大器的泵浦波長重疊；2）OSC 不應(yīng)限

40、制兩線路放大器之間的距離；3）OSC 提供的控制信息不收光放大器的限制，即線路放大器失效時監(jiān)控信道應(yīng)盡可能可用；4）OSC 傳輸應(yīng)該是分段的，且具有均衡放大、識別再生、定時功能和雙向傳輸功能，在每個光放大器中繼站上，信息能被正確的接收下來；5）只考慮在兩根光纖上傳輸?shù)碾p向系統(tǒng)，允許 OSC 在雙向傳輸，以便若其中一根光纖被切斷后，監(jiān)控信息仍然能被線路終端接受到目前常用的光監(jiān)控信道設(shè)置方案有帶外波長監(jiān)控技術(shù)和帶內(nèi)波長監(jiān)控技術(shù)兩種。圖 2.8 帶外波長監(jiān)控示意圖2.3.WDM 系統(tǒng)對系統(tǒng)對 EDFA 的要求的要求WDM 技術(shù)利用光纖的寬帶特性，提高了光纖的傳輸效率，是長距離光纖干線通信系統(tǒng)擴容的行

41、之有效的辦法。與摻鉺光纖放大器（EDFA）結(jié)合使用，WDM 技術(shù)的優(yōu)越性更加明顯。使用光纖放大器可將原來的電光電中繼改為全光中繼，使中繼過程大大簡化，而且系統(tǒng)的“透明”度也大為增加（即當變換碼速率、增加信道數(shù)或變換傳輸體制時，只需更換首尾端機，無需變更中繼放大器），因而在長途干線中具有廣闊的應(yīng)用前景。在 WDM 長距離傳輸系統(tǒng)中,EDFA 對擴大系統(tǒng)的傳輸能力有強大的促進作用。EDFA 在波長為 980nm 或 1480nm 的光功率泵浦下,EDFA 能在寬度為 35nm 的范圍內(nèi)(波長 1530nm1565nm)提供 40dB 高增益、100mW 高輸出功率和 4dB 低噪聲系數(shù)的性 204

42、8kbit/sEDFAPDLD課程設(shè)計說明書 第 18 頁能。盡管如此,這種 EDFA 卻不一定非常適合于 WDM 長距離傳輸系統(tǒng)。因為 WDM 系統(tǒng)對 EDFA 除了要求其高增益、低噪聲外,對 EDFA 全部帶寬內(nèi)提供的增益平坦化特性要求格外嚴格。如果 EDFA 的增益不平坦,當 WDM 系統(tǒng)中的若干個不同波長信號同時經(jīng)多個 EDFA 級聯(lián)放大傳輸時,接收機各個信道收到的光功率和信噪比(SNR)便各不相同。這種非均衡性對系統(tǒng)的性能非常有害,往往會使各路之間發(fā)生串擾,其具體表現(xiàn)在以下三個方面：1） 接收到的非均衡功率最終會使有些信道的接收光功率超過接收機的動態(tài)范圍;2） SNR 不均衡最終會導

43、致某些波長信道的誤碼率(BER)高于指定值;3） 接收到的最小信號功率可能低于接收機的靈敏度。因此,在 WDM 系統(tǒng)中,要求 EDFA 的帶內(nèi)增益平坦度小于 1.0dB。課程設(shè)計說明書 第 0 頁3. EDFA 在在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用仿真分析系統(tǒng)中的應(yīng)用仿真分析3.1.OptiSystem 軟件簡介軟件簡介隨著光纖通信系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，光通信系統(tǒng)越來越復(fù)雜?，F(xiàn)行的光纖通信系統(tǒng)通常包括眾多非線性器件和非高斯噪聲源，對這樣的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計與分析是非常復(fù)雜的，需要耗費極其多的時間。因此，人工或者單純依靠經(jīng)驗計算設(shè)計光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)越來越顯得力不從心。在這背景下，這些設(shè)計和分析任務(wù)被高效、有

44、效、先進的計算機輔助軟件執(zhí)行已成為必然的趨勢。OptiSystem 就此營運而生。OptiSystem 是一款創(chuàng)新的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真軟件，它集成了設(shè)計、測試和優(yōu)化各種光網(wǎng)絡(luò)物理層等諸多功能，從模擬視頻廣播系統(tǒng)到洲際骨干光纖鏈路的設(shè)計均可以使用 OptiSystem 進行設(shè)計、測試、優(yōu)化。OptiSystem 作為一款獨立的產(chǎn)品，不依賴于其他模擬框架。它是一款基于現(xiàn)實光纖通信系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級仿真軟件。它擁有強大的新的模擬環(huán)境、真正的分層結(jié)構(gòu)定義組件。它允許添加用戶自定義組件，具備良好的系統(tǒng)擴展性，可以實現(xiàn)與其他仿真軟件比如 Matlab 的無縫銜接。OptiSystem 具備全面的用戶圖形

45、界面（GUI,Graphical User Interface）,可以靈活控制光學元件的布局、網(wǎng)表、組件模型、演示圖形等。擁有豐富的元件庫，其中包含大量的有源和無源器件，可以滿足一般情況下系統(tǒng)仿真的需求。并且相關(guān)器件均包括實際的、波長相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。3.2.EDFA 在在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用研究系統(tǒng)中的應(yīng)用研究EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的作為線路放大的方針電路圖如下：課程設(shè)計說明書 第 1 頁圖 3.1 EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用用偽隨機發(fā)生器作為信號源，記過非歸零脈沖發(fā)生器，在通過 M-Z 調(diào)制器調(diào)制，進入復(fù)用器將兩路信號合并。在通過循環(huán)控制電路，進入分波器。實現(xiàn)電路的波分復(fù)用。其中摻鉺光纖放大器后為色散補償光纖，對線路中的色散進行補償，延長傳輸距離，降低色散對