光纤通信系统光放大器设计学士学位论文(编辑修改稿)

光纤通信系统光放大器设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

通信系统。 应当说，频率和波长是紧密相关的，频分也即波分，但在光通信系统中，由于波分复用系统分离波长是采用光学分光元件，它不同于一般电通信中采用的滤波器，所以我们仍将两者分成两个不同的系统。 波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一 根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。 光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用（ OFDM），只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制。 随着电 光技术的向前发展，在同一光纤中波长的密度会变得很高。 因而，使用术语密集波分复用（ DWDMDense Wavelength Division Multiplexing），与此对照，还有波长密度较低的 WDM 系统，较低密度的就称为稀疏波分复用（ CWDMCoarse Wave Division Multiplexing）。 这里可以将一根光纤看作是一个 “多车道 ”的公用道路，传统的 TDM 系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。 而使用 DWDM 技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。 WDM 系统组成。 光波长转换单元（ OTU）将非标准的波长转换为 ITUT 所规范的标准波长，系统中应用光 /电 /光（ O/E/O）的变换，即先用光电二极管 PIN 或 APD 把接收到的光信号转换为电信号， 然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的合乎要求的光波长信号。 波分复用器可分为发端的光合波器。 光合波器用于传输系统的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。 光分波器用于传理工大学学士学位论文 8 输系统的接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将多个不同波长信号分类开来。 光放大器不但可以对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大器，是新一代光纤通信系统中必不可 少的 关键器件。 在目前实用的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（ EDFA）、半导体光放大器（ SOA）和光纤拉曼放大器（ FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能被广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统中，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。 光监控信道是为 WDM 的光传输系统的监控而设立的。 ITUT 建议优选采用 1510nm 波长，容量为 2Mbit/s。 靠低速率下高的接收灵敏度（ 优 于 50dBm）仍能正常工作。 但必须在 EDFA 之前下光路，而在 EDFA 之后上光路 [4]。 EDFA 在 WDM 系统中的应用 EDFA 在 WDM 系统中可以作为前置放大器、线路放大器和功率放大器。 EDFA 作前置放大器时，放在光接收机之前，以提 高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约 40dBm。 要求 EDFA 的增益足够高，噪声系数则越小越好。 EDFA 用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大器，省去了电中继器的光／电／光转换过程，直接放大光信号，以补偿 传输线路损耗，延长中继距离。 一般工作在近饱和区，信号输入功率约 20dBm。 要求 EDFA 同时具有较高的增益和输出光功率，还应有对其工作 状态的实时监控。 EDFA 作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。 通常工作于深饱和区，要求 EDFA 在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率，必要时可用双泵浦。 WDM 系统对 EDFA 的要求 为了确保 WDM 系统的传输质量， WDM 系统中使用的 EDFA 应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。 EDFA 增益带宽 目前， EDFA 可用增益频谱范围为 l530～ l565nm，增益带宽为 35nm 左右，可以满足 4～ 32 信道的 WDM 系统。 如果希望进一步增大带宽，以利用波长资源，则必须开发新型的光放大器。 WDM 系统对 EDFA 增益平坦度的要求 理工大学学士学位论文 9 EDFA 的增益平坦度 (GF)是指在整个可用增益的带宽内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。 在 WDM 系统中，要求 EDFA 的 GF 越小越好。 一般 EDFA在它的工作波段内存在着一定的增益起伏，即不同波长所得到的增益不同。 虽然增益差值不大，但当多个 EDFA 级联应用时，这种增益差值会线性积累，严重时，信号到达接收端后，有些高增益信道的接收光功率过大使接收机过载，而某些低增 益信道的接收光功率过小而达不到接收机灵敏度。 因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦。 使光纤放大器增益平坦的技术有两种途径：一是增益均衡技术；二是光纤技术。 （ 1） 增益均衡技术增益均衡技术是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益 均衡器 来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦。 增益均衡技术可以分为固定式的和动态的。 现阶段实用化的固定式增益平坦技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。 增益均衡用的光纤光栅是一种长周 期光纤光栅。 其光栅周期一般为数百 微米。 通过多个长周期的光栅组合，可以构成具有与 EDFA 增益波长特性相反的增益均衡器。 使用该技术，在 1528～ 1568nm 的 40nm 带宽内，可以实现增益偏差在 5％以内的带宽增益平坦的EDFA。 动态的增益均衡技术是指动态增益可调的增益平坦滤波器技术，主要有 法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导 M—Z 型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。 （ 2） 光纤技术所谓光纤技术是指通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变 EDF 的特性，从而 改善 EDFA 的增益平坦性。 可分为滤波器型和本征型两类。 滤波器型是在 EDFA 中内插无源滤波器将 1530nm 的增益峰降低，或专门设计其透射谱与EDFA 增益谱相反的光滤波器将增益谱削平，但滤波器型结构工艺都较复杂，附加损耗大，输出功率会减小。 本征型是在 EDFA 中掺入别的杂质 (如掺铝 EDFA、掺钇 EDFA)或改变 EDF 基质 (如氟化物 EDFA、碲化物 EDFA)。 其最大优点是无需制作和引入附加元件。 （ 3） EDFA 增益特性的优化技术。 采用放大波段内的增益控制和光谱均衡方法，能取得 EDFA 增益特性优化的良好结果。 EDFA 的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法， EDFA 内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持 (输出／输入 )增益不变，从而使理工大学学士学位论文 10 EDFA 的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。 另外，还有饱和波长的方法。 在发送端，除了传输信号的工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长。 在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用 以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持 EDFA 输出功率和增益保持恒定。 当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。 （ 4） 安全要求。 在某些情况下，光放大器的输出功率非常高，可能非常接近光纤安全功率的极限。 因此，对于含有光放大器的 WDM 系统，安全特别重要。 ITUT 建议规定：单路或合路入纤最大光功率电平为 +17dBm。 对链路切断情况下可能引起的强烈“浪涌 ”效应更应加以重视，必须保证系统能够及时关闭泵浦源和系统，以防止对系统造成损 [5]。 密集波分复用（ DWDM）原理概述 DWDM 技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。 与通用的单信道系统相比，密集 WDM（ DWDM）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法。 即在同一根电缆中同时传输若干个频率不同的信号，接收端根据各 载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。 同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。 事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。 与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。 由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（相干光通信技术）是很困难的，但基于目 前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。 人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（ WDM），再把在同一窗口中信道间隔较小的 DWDM 称为密集波分复用（ DWDM）。 随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加理工大学学士学位论文 11 严格而已，因此把波长间隔较小的 8 个波、 16 个波、 32 乃至更多个波长的复用称为 DWDM。 ITUT 建议， DWDM 系统的绝对参考频率为 （对应的波长），不同波长的频率间隔应为 100GHz 的整数倍（对应波长间隔约为 整数倍）。 DWDM 系统的构成，发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器（掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率），再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号 [6]。 EDFA 在密集波分复用（ DWDM）系统中应用的分析 EDFA 在 DWDM 系统中的作用和应用方式 EDFA 是目前光放大器市场的主流品种，在 DWDM 系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在 CATV 系统中通常作为功率放大器以提高发射机的功率，使发射机覆盖的用户数大大增加，也可作为光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加。 光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统 的关键器件之一。 掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预防大，可提高光接收机灵敏度。 应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系 统、本地网、用户接入网、掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的，分述如下： 掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。 即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是 传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放 大器线路设备。 掺铒光纤放大器可传输不同的码率。 如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。 实现语音、理工大学学士学位论文 12 图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 实践证明，使用掺铒光纤放大器的光纤干线传输，经过近千公里 的传输后的误 码率人能达到。 如果采用饱和功率为 18dBm的放大器，可是实现 160—200km无中继通信。 如果有必要，还可将中继距离延长更远。 前置放大器 把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。 来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。 由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器，所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度，其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。 线路放大器 把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中，将已被衰减了的小信号进行放大，可以大大延长传输距离，也 成为中继放大器。 线路放大器的显著优点是增益高，通常大于 30dB。 由于可以级联使用，特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。 使用线路放大器必须解决远程监控问题，国际标准化组织已制定出多种监控标准，可以按照标准进行远程监控。 用户接入网中的光纤放大器 光纤放大器在用户接入。