（通信与信息系统专业论文）复用信号放大过程动态行为的电路级研究.pdf

麟南交通大学颂士研究生学位论文第l 黼 摘，要 随着通信新业务的发展，语音、图像、数据等信息量呈现快速增长趋势， 这对网络传输容量和传输距离等提出了更高的要求。波分复用( w d m ) 或剐载波 复用( s c m ) 与掺铒光纤放大器( e d f a ) 的结合应用是充分挖掘光纤带宽能力， 实现大容量、长距离、高速率通信的有效手段，因此研究复用信号放大过程的 动态行为有着重要的理论和实践意义。 本文以复用信号放大过程的物理方程为基础，不同于以往的处理方法，采 用电子元件刻画基于受激辐射机制的光信号放大行为，并引入传输线宏模型表 征掺铒光纤延迟的影响，在国内首次分别构建出波分复用信号放大和含啁啾效 应的副载波复用信号放大的等效电路模型，将电路级仿真方法扩展到复用信号 放大特性的研究中。 借助所构建的等效电路模型，利用电路仿真软件p s p i c e ，分别实施了直流、 瞬态和交流输入信号情形下的动态仿真，模拟了w d m 信号放大过程中通道数目 对瞬态效应的影响、多通道放大输出功率谱咀及信号间串话特性。并进一步对 s c m 信号放大情形进行了研究，分析了系统的互调失真( i m 2 ) 和输出功率谱特 性。仿真结果表明，调整泵浦功率值可抑制瞬态效应，提高调制频率可使串话 减弱，减小激光器的频率啁啾或增大e d f a 的输入光功率都可改善i m 2 。这些分 析与结果对实际系统的设计和优化有一定参考价值，也表明了基于等效电路模 型的电路级仿真是研究光电系统相关问题的一种有效途径。 关键词：波分复用，等效电路模型，副载波复用，掺铒光纤放大器，动态特性 注：该项工作得到国家自然科学基金( n o 1 0 1 7 4 0 5 7 ) 、宽带光纤传输与通信系 统技术园家重点实验室开放课题( n o 0 2 k f ) 、教育部科学研究重点项目 ( 2 0 0 5 1 0 5 1 4 8 ) 资助 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fn e wc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s t h ec o n t e n t so fl n f o r m a t i o n i n c l u d i n gv o i c e ，i m a g ea n dd a t ai n c r e a s eq u i c k l yw h i c hb r i n gah i g h e rr e q u i r e m e n tf o rn e t w o r k s t r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n dd i s t a n c e t h et e c h n o l o g yo fw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) s y s t e mo rs u b c a r r i e rm u l t i p l e x i n g ( s c m ) s y s t e mc o m b i n e dw i t he r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) i sa ne f f e c t i v em e t h o dt or e a l i z eh i g hc a p a c i t y , l o n gh a u l ，h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n s ， a n dc a nt a k ef u l l ya d v a n t a g eo ft h eo p t i c a lf i b e r sb a n d w i d t h t h e r e f o r e ，s t u d y i n go nt h ed y n a m i c b e h a v i o r so fm u l t i p l e x e ds i g n a l si nt h ea m p l i f i c a t i o np r o c e s sh a ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lm e a n i n g i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n gt o t h eb a s i cp h y s i c a le q u a t i o n so fm u l t i p l e x e ds i g n a l si nt h e a m p l i f i c a t i o np r o c e s s ，d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，t h ee l e c t r o n i ce l e m e n t s a r ea d o p t e dt od e s c r i b et h ea m p l i f i e db e h a v i o r so fo p t i c a ls i g n a l sb a s e do ns t i m u l a t e de m i s s i o n a n dt h em a c r o m o d e lo ft r a n s m i s s i o nl i n ei s i n t m d u e e dt od e s c r i b et h et i m ed e l a yf r o mt h e e r b i u m d o p e df i b e r t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l so fw d ms i g n a l sa n ds c ms i g n a l si n c l u d i n g t h ec h i r p i n ge f f e c ta r ee s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e c i r c u i t _ l e v e ls i m u l a t i o nm e t h o di sa p p l i e dt o i n v e s t i g a t et h ea m p l i f i e dc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p l e x e d s i g n a l s b a s e do nt h e e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n s a r e i m p l e m e n t e db y p e r f o r m i n g t h ed ca n a l y s i s ，t r a n s i e n t a n a l y s i s a n da c a n a l y s i st h r o u g hp s p i c e t y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n g t r a n s i e n t m o d u l a t i o n , m u l t i c h a n n e l o u t p u tp o w e r s p e c t r u ma n d c r o s sm o d u l a t i o n so fa ne i ：g h t - c h a n n e lw d m t h ei n t e r m o d u t a t i o nd i s t o r t i o na n d o u t p u tp o w e rs p e c t r u mi n a l l a m p l i t u d em o d u l a t i o ns c m a r ed e m o n s t r a t e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a ta d j u s t i n gp u m pp o w e rp r o p e r l yc a nc o n t r o lt r a n s i e n te f f e c t ，a n di n c r e a s i n g m o d u l a t i o nf r e q u e n c yc a nw e a k e nc r o s sm o d u l a t i o n ，a n dd e c r e a s i n gf r e q u e n c yc h i r po fl do r e n h a n c i n gt h ei n p u tp o w e ro fs i g n a l sc a l li m p r o v ei n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ，t h e s er e s u l t sw i l l b eu s e f u lf o rd e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gt h ep r a c t i c a l s y s t e ma n ds h o wt h a tt h em e t h o do f c i r c u i t q e v e ls i m u l a t i o nb a s e do nc i r c u i tm o d e li so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d si no p t o e l e c t r o n i c s y s t e m s i m u l a t i o n s k e y w o r d s w d m , e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l ，s c m ，e d f a ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s 鳗塑童重大掌磷士研究生攀位论文第 页 第 章绪论 1 。1 光纤通信系统概述 1 1 1 先纤通信系统基本组成 自1 9 7 0 年出现了赛温下连续工作的双异质结半导体激光器和光纤后，光纤 逶蕊技7 | 乏凌短短三卡多冬嚣壹阕墼褥裂逐猛发展，褒售息毒会墨发霉越来越繁要 豹作用。与传统豹患缆传输方式稻比，它具有损耗低、通信容量大、不受电 磁干扰、保密性好等突出优点，光纤可传输数字信号，也可传输模拟信号，因 此在通信网、广播电视湖、计算机网及其它数据传输系统中都得到了广泛应耀。 沁基本巍纤抟输系统一裔 案1 嚆祭弓癸l 弓器- - 图1 - 1 光纤避信系统基本缎成 f i g 。1 1 t h e b a s i c c o n s t r u c t i o n o f a f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 光纤通信系统的基本组成如图1 1 所示，主鞭包括光发射机、光纤线路、 中继放大嚣和光接收机圈部分。其中，光发射机最把输入电信母转换为光信号， 并瘸藕合技术捷党蓿弩最大滚褒妻羹注入光纾线路；光纾线跨凳寒蠡党发袈凝豹 信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机中；当光信号在光纤中传输一 定距离后，光能衰减，从而使信息健输质量下降，为了克服这一缺点，在大容 量、远蹬褰光缍通信系统孛，每疆段距离设鬟一个中继放大器，保证光纾蔫 质量远躐离传输；最磁，从免纤线路输出的徽弱光信号经光接收祝转换为漱信 号，并经放大和处理艏恢复出所发送的信息比特。 搿蒲交遴大擎硕士研究生掌位论文第2 攒 。1 2 复嬲技术篱要网顾 随着通信新业务的发展，语音、阁像、数据等信息量成爆炸式增长，尤其 是i n t e r n e t 在全球范围迅速推广，给通信网带宽带涞了严重挑战。为了适应通 信霹馋输容疆竣不断增长秘满足嚼终交互惶、灵溪瞧的要求，产生了蚤静复臻 技术，铡黧电时分复荫( e t d m ) 、光时分复瘸( 0 t d m ) 、光波分复用( 鞠麓) 及副 载波复用( s c m ) 等技术方案。由于受电子器件处理能力的限制，很难实现大于 l o g b s 的商用e t d m 系统。o t d m 技术尽管具有极大潜力，相关的研究也取得了 疆大送震，瞧短羯内逐不戆达鬟实髑缘豹程度。 迄今为止，实用化稔度最高的当nw d m 技术，它把不f 司波长的信号复用在 一根光纤上传输，充分利用光纤的带宽进行超大容最的透明传输，使传输容艇 毙单波长传辕增鸯妥几倍蔟至几十倍。2 0 毽纪8 0 年代在美藿a t & t 霹中开始馒翊 w d m 系统，遽率为2 x 1 7 g b s 。1 9 9 5 年，l u c e n t 公司实现一禳您纾上装薰8 潞、 每路2 5 g b s 的2 0 g b s w d m 系统。1 9 9 6 年，美国贝尔实验室首纯进行了总容爨 为1 t b s 波分传输实验。2 0 0 0 年发布的最高容量( 突验室水平) 是6 4 t b s 。2 0 0 1 年3 其，瓣尔卡祷公霹浆焉2 5 6 条售遂煞擎两健输，每信遂夔调露速率4 0 g b s ， 使1 0 0 k m 的距离范围内可利用的数据器吐量达到了1 0 2 t b i s 。2 0 0 1 年中期，日 本n e c 在实验室里做出了2 7 3 个波长、每波长4 0 g b s 的1 0 9 乃s 系统。显然， 波分复用技术已残为当蘸光绎通信领域瓣磅究热熙秘蓄选技术。隧黄越来越多 的通信曹于瞬采霜w d m 技术迸行扩容秀级，实现众光网络裁成为光逶信系统的 最终目标，w d m 技术是采来全光网的熬础，因此有瓣广阔的发展前景。 s c m 系统是结合现有模拟设备与光传输的复用遇信方式，基本方法是将鍪带 信号调翱翔菜一个割载波主，再耱黎予令裂载波较频分复臻方戴混会超寒共弱 对一个光源进行强度调制，经一根光纤传输，实现单纤多路传输功能。8 0 年代 后期至9 0 年代前期，s c m 系统成功地虑用在多路电视信号光纤( c h t v ) 传输系 统中。在现有电视设备郝是摸| l 的，褥数字电视又米酱速虚塌的今天和来来一 段时间重，采用s c m 模拟光纤逶信系统传输多路甑橇，不失为一种磺智遥耩。 1 1 3 光放大器简要阐顾 在长鞭离籍输竞纾懑信系统中，为了壳羹嵬纾豹损耗帮色散，需要在遇信 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 线路中增设大量麴褥生中继菇，以补偿光信号在光纾远距离传输中的损耗，这 种利用光一电一光的转换方式是不透明的，而且存程“电子瓶颈”效应，遮就限 制了巨大躲信息传输惹求。光放大器是直接在光路上对信号进行放大传输，即 用全光中缀代替光一电一光转换形式中继器，克服了“电子瓶颈”散应，宅促进 和推动了光纤通信领域中多项新技术的发展，使光纤通信的整体水平提高。目 前所研制的先放大秣可分为半导体光放大精( s o h ) 和光纤放大器两类，光纤放 大器又包括掺铒光纤放大器( e d f a ) 和非线性光纤放大器( 如拉曼光纾放大器) 。 s o a 由于与光纤不兼容、藕合损耗大、稳定往不够瓣的特点，使其程传输线路上 难以推广使用。光纤拉曼放大器所需的泵浦功率很高，例如要获得3 0 d b 增益， 对l m 长静先纾，在忽略汽纤损耧匏情况下，要求5 w 静系漓功搴，因魏葵运嚣 受到一定的限制。e d f a 因其优越的性价比引起了人们的广泛兴趣。 e d f a 掰现予2 0 整纪黝年霞末。1 9 8 5 年，荚鬻离安饕教大学蠡蚤。n 。p a r s e 带领的研究小组对掺稀土元素光纤放大器进行研究，发现铒离予作为激瀚介质 爵在1 5 5 0 h m 波长爽瑷竞壤蕴。1 9 8 6 年美瓣a t & t 爨尔实验整黄隽疆割窭e d f a 。 1 9 8 9 年曰本n t t 公司又酋先用1 4 8 0 h m 的i n g a a s p 半导体激光器成功地泶浦了 e d f a ，势裂爰冀佟为全光中继嚣敖大5 g b s 藤予躲砖，实现了l o o k m 戆燹误羁 传输。半捋体激光器泵浦的e d f a 一出现就显示出它适合于通信系统的优点，成 为当薅光敖太器磺究发震骢主要方自，极大遣接旗了光终遗售技术静发越。塞 此以后，e d f a 的研究在多方面开熙，建立了多种理论分卡行模型【2 堋，提出了增益 均餐秘扩大增莛豢宽魏方案帮方法娜】，遴行了多葶孛系统应用研究【6 删，同时进行 了氟化玻璃铒光纤放大、分布式光纤放大的研究1 4 ，9 】，使e d f a 及其应用得到了 飞速发展。 e d f a 具有增髓高、噪声低、饱和输出功率大、辩偏掇不敏感、工作频带宽、 援入衰减低等诸多优点，且对光信号的传输速率和数据调制格式透明；此外， e d f a 逐渐拓宽的增益带宽，可实现多波妖阕时放大，利予系统的升级扩容。这 些特点使碍e d f a 成为w d m 系统和s c m 系统中理想的光放大设备。 1 2 光纤通信系统的研究方法 对予“w d m ( s c m ) + e d f a ”系统的研究，既可采用实骢方法，也可理论分柝， 入 f 尝试了各秘逡径。1 9 9 5 年c k l i u 等人通道搭建实验平台研究了e d f a 引 趣的模撼系统= 阶谐波失真f 1 霹；1 9 9 7 苹o f c ( o p t i c a lf i b e rc o m m u n i g 氇t i 。n 莲豢交逶大学矮圭鹾突生擎经论文繁4 瑟 c o n f e r e n c e ) 撼供的文章中y s u n 测量了w d m 系统的小信号互调响成【“1 。在理 论分析方面，熬于时间微扰理论，1 9 9 5 年j o h y a 对禽频率啁啾微扰的速率方 稷进行分辑，磷究了s c m 系统强度调卷8 镶号的二次失真1 1 2 j ；1 9 9 7 年y 。s u n 采 溺速率方程豹按警按斯变换缮到了e d f a 放大系统豹繇线性传输添数：类似 地，利用傅立叶变换，f s l a i 得到了非线性传输函数的另一种袋达结果f 。 这魑都是系统性能研究与优化的有效方法。 基于等效惫爨模墅鹣电爨缀镑卖毽楚磷究润踅戆一琴孛骞效途经。獒棼建诱， 就是通过电容、电阻、电感、电流( 压) 源等元件组成等效的电路模型来模拟 器件或系统的动态特性，使用电子电路设计自动化( e d a ) 工具进行特性的仿真 礤究。电路级仿真习用于对巴设计的系统程硬件实现之翦进行性能浮估和可行 镌论证，在分轿中爵任意改动参数筐，避行孤立嚣素鞫交叉影响煎磷究，钛露 激能突出主要矛盾：还可用于模拟一般系统的极限情况而不会导致系统的崩溃， 为研究系统极6 鼹状态下的特性提供很大的帮助。因此，这种方法得到了广泛应 搦，对于巍毫嚣 孛特淫赘分凝，基受缀瀵黥毽摇铁电滚鑫显示器i 1 5 , 1 6 、半导转 激光器【州、半母体光放大器、光电探测禚f 1 9 t 等的毫路仿真；对于光传输系统 的分析，也有s w l e e 提出的光互联系统的s p i c e 模毅唧1 。 应矮电路级仿真方法到“w d m ( s c m ) + e d f a ”系统数磅究上，冀髓要的问题 簸怒建立系统静等效电鼹模麓。国际上关于这方嚣的磷究，最晕怒a b o n o n i 猩放大器动态模型基础上提出的等效电路模型【2 l 】；后辩乏j j j o u 鄹c k l i u 又将该电路模擞扩展到增擞钳制e d f a 和掺铒光纤激光器( e d f l ) l z p 2 2 , 2 3 1 。从国 爨- 跨援来看，耀美貉臻变工馋毙较渗螽，系统熬分辑趱辍于采翊实验方法或理 论分析，电路仿真的结果尚未见报道。因此，本论文掇出通过梅建等效电路模 烈，对“w d m ( s c m ) + e d f a ”系统信号放大过程的动态特性进行电路级仿真分析 媲设诗方案。 1 3 论文的研究内容及创新点 3 1 论文的磺究内容 论文分四紫，主要涉及三个方面的研究：一、建立w d m ( s c m ) 系统信号放 大过程的等效电路模型；二、w d m 系统信号放大的瞬态、串话及功率谱特性；三、 s c m 系统信号放大抟互调失粪及输出功攀谱特性。具体鑫章节安刳# 如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第1 章绪论，概述论文背景知识，回顾光纤通信系统基本组成以及复用和 放大技术的发展过程，介绍论文采用的研究方法及总体框架。 第2 章理论基础与建模，介绍描述e d f a 动态特性的物理模型，并在此基 础上构造出w d m ( s c m ) 系统信号放大过程的等效电路模型。 第3 章w d m 动态特性的电路级研究，仿真了八通道w d m 系统的瞬态效应， 给出多通道信号的输出功率谱，并研究了交叉调制效应引起的串话特性。 第4 章s c m 非线性失真的电路级研究，分析了系统的互调失真与输出功率 谱，研究了光源频率啁啾和输入光功率的改变对互调失真的影响。 最后是结论，致谢和攻读硕士学位期间发表的文章。 1 3 2 论文的创新点 本文的创新点主要体现在问题的处理方法。在国内首次构造出w d m ( s c m ) 系统信号放大过程的等效电路模型，该模型简单直观、可扩展性强；然后利用 电路级仿真软件p s p i c e ，分别实施了直流、瞬态和交流输入信号情形下的动态 仿真，对复用信号放大过程的瞬态效应、输出功率谱、信号间串话和豇调失真 ( i m 2 ) 特性进行了模拟分析，为研究复用光信号放大过程动态特性的辅助设计 提供了有力手段，也为探索复杂系统的主动仿真研究，提供了一种可以借鉴的技 术手段。 垂鲞交邋大学颈圭磷突生学整论突繁6 耍 第2 章理论基础与等效电路模型的建立 2 1 电路仿真的特殊i 生 竞纾逶蕊技零是- f 多举辩专数交叉渗透豹综合搜零，它涉及裂递痿基础 递论、微波技术以及电路设计与微电子技术等。因此，无论是系统的规戴与设 计，还是新型传输系统的探索与研究，都会遇到许多a # 常繁杂的计算；另方 西，为了验证然性能是否合乎要求，还鬻反复进行实黢研究与测试。如果每次 都嶷按焉_ 卖实系绫送行实验，不仅耗资菇燮，费王费辩，鸯对甚至罐子我鬟溺 鼷症结所在。因此，解决上述问题的一种肖效方法就嫩采用计算机辅助设计， 即通过建立器件、部件乃黧系统的模型，并用模型在计算机上进行模拟，完成 对您纾逮售设锯与系统戆分掇、设诗以及挫熊爨往与谨健测试。 电路级仿蠹逶计算祝辅助设计的一种有效手段，它是借踞电醚、电容、电 感簿元件组成的等效电路模激来模拟光电系统的特性，般包括光电子器件( 如 光源、放大器、光接收机等) 和光波导的建模【2 4 1 。对予光电子器件魄路模型的 开发蔼害，簸楚要把竞毫予嚣锌露令麓够充分反皎葵瞧毙静，量激筑毫子元 件构成的电路模型来等效。此外，为能像处理电信号那样方便地处瑷光信号( 通 常为光功率) ，须把光信号用电路变量( 电压或电流) 朱表示。为实现用电路变 爨处理走售号熬输出、输入毅在光电子器馋之阗的抟逯，还要在必发射器件豹 模型中弓l 入一个或两个虚拟的端日，用聚输出光信号，阍样，在光接收嚣俘的 模型中引入一个虚拟的端口，用来接收光信号。这样，从光电子器件的电路模 型上看，光电予器件不再怒一个两端器件，面是一个多端器件。 在不霹静清流下，露毙波导毂定穰霹狱鸯不嚣黪嚣效毫貉摸黧。爱蔫擎转 情况是不考虑光波导的损耗( 包括传输损耗和耦合损耗) 和传输延迟，此时， 光波导可以番作一个无损耗传输线，模拟时把连接在光波导两端的器件直接相 逡。舞票只考淼蹩波导翡援怒，忽臻转舔延迟，鄹可以把光渡导瘸一个受控源 采等效，当党储号用电压表承时，受控灞为电压控毒溉匿源( v c v s ) ，如光信号 用电流表示时，受控源为电流控制电流源( c c c s ) ，当然也可以用电压控制电流 源( v c c s ) 或电流控制电羼源( c e v s ) ，光功率在波导中的损耗在受控源的控制 嚣毫爱遴大学矮士蟥突生学位论文第7 菱 系数中得以体现。如果同时考虑光波导的损耗和传输延迟，可以用集总参数等 效的有损耗传输线模型。 电路仿真软 孛有许多，翔光链路仿真软传b o s s ，非线性微波仿真敬俘s c o p e ， 逐霄i s m i l e 、m i s i m 等等。本论文将采用m i c r o s i m 公镯推警的通焉泡路分析程 序p s p i c e 。p s p i c e 是众多s p i c e 家族成员中的一种，它是适用于p c 个人计算 机的s p i c e 版本，不仅具有s p i c e 原有的功能，在输入输出、图形处理、算法 夔霹靠注葶羹故绞瞧、莹奏遮发、模藩瑗扩震鞋及摸蘩参数瘴霸塞攒型痒等方 丽都有所改善和提高。关予p s p i c e 的详绷使用，可以参考有关书籍。 系统仿真的基础是建立猩数学模型上的，电路仿真方法的本质就是求解关 予时闻豹一除微分方程。一般地说，在逸当的近 娃条传下，光电子器 孛的性能 总可以用一缝徽分方程( 逶常为速率方释 来撵述其穗杰车珏动态特馁，一令徽 分方程总可用相应的等效电路方程来表示，那么就可构造出光电系统的等效电 路模型。因此，获得实际系统的数学模烈是进行仿真的一个重要环节。本章将 瓷瓣复爱信号数大过程魏霞溪鳘疆究懿蒸缓上，罢基撩应懿等效电路模型。 2 一物理模型 2 。2 。 铒燕子的速率方穰 二二= = 二二 $ 1 如x m j 。i曼日赫 js n n m l l 9 s 0 x “ “4 | 1 ) 赢冷 啦 3 h l l 船 4 跏 鬻 。 4 1 1 3 n i b 拈 ( 鑫)( b ) 圈2 - 1 ( a ) 锊离子能级示意图；( b ) 准三髓级系统示意圈 f i g 厶1 ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a m o ft h ee r b i u mi o ne n e r g yl e v e l ； ( b ) s c h e m a t i cd i a g r a mo f q u a s it h r e e - e n e r g yl e v e ls y s t e m 3 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 e d f a 是利用纤芯中的e r3 + 的受激辐射获得对光信号的放大【2 6 1 。e r 。+ 是一种 具有复杂能级结构的稀土离子，其能级结构如图2 - 1 ( a ) 。e r “的基态为4 ，。， 亚稳态为4 ，。：，它们可作为激光的上、下能级。泵浦能级有多种可能，如 4 1 1 3 2 ( 1 4 8 0 n m ) 、4 1 1 1 2 ( 9 8 0 h m ) 、4 1 9 2 ( 8 0 7 n m ) 、4 f 9 ，2 ( 6 5 5 n m ) 等，这些泵浦能级 上的粒子可以很快的速率无辐射跃迁到激光上能级。 在室温下，掺铒玻璃介质可用准三能级系统图2 - l ( b ) 描述。在此准三能 级系统中，从能级1 到能级3 的泵浦光的受激吸收率为r ，能级1 到能级3 泵 浦光的受激辐射率为r3 l ，对激发态能级3 ，存在两种可能的跃迁，辐射跃迁与 非辐射跃迁，其速率分别为以；= 4 曼+ 磷与爿磬，能级1 、2 间的受激吸收率与 受激辐射率分别为啊：与。，亚稳态能级2 的自发辐射与非辐射衰减率之和为 4 ：= 爿盅+ 爿磬，其中爿嘉= 1 r ，r 为荧光寿命。 假设，为总的铒离子密度，l 、：与3 分别为能级1 、2 、3 的粒子数分 布密度，且。= n 。+ n ：+ n 。，则相应的速率方程为【2 7 】： 掣一僻。，+ 暇：) 。+ ( 。+ 彳晏+ 爿磬) ：+ ( r ，。+ 磷) ， ( 2 1 ) 车。啊：n 1 一( ，+ 4 轰+ 爿磬) ：+ 似磬+ 彳曼) ， ( 2 2 ) 华：r 。，n 。- ( n 3 1 + 爿磬+ + 鬈) 3 ( 2 _ 3 ) 考虑二能级系统，假定基态粒子数和亚稳态粒子数均匀分布，忽略皿稳态 能级的非辐射跃迁率爿磬和光纤背景损耗的影响，上述方程( 2 - 1 ) ( 2 3 ) 变为： 掣。氓2 n ，+ ( ，+ 爿墨) ： ( 2 4 ) 华；磁：n ，一眠。+ 销) ： ( 2 5 ) 当有波长不同的m 路光信号沿z 方向同时通过长度为的掺铒光纤时，将 彳：一l z 代入式( 2 5 ) ，可得亚稳态能级铒离子密度n ：( 毛t ) 的速率方程如下： ( ；1 + 圳d 、n ：z , t ) 2 薹慨- ( z , t ) 一咙：( 列) ) ( 2 - 6 ) 其中，第k 路光信号在亚稳态能级的受激辐射率咙与信号光功率砭( z ，t ) 成正 谱南交通大学硕士研究生学位论文第9 负 比，并可袭示为 2 7 】： 蛾。堕圣垒坚!( 2 一? ) a 孵磊 同理有 唬：霉点盟 ( 2 - 8 ) “ 如h v 2 式中，如为铒离子的有效掺杂面积，h 为普朗克常量，0 为光频率v 。信号的重 叠因子，盯：、口；分别为吸收截面和发射截面，且两者的和用口；。表示。 令最( z ，f ) = 卑( z ，t ) 岛h v 。，k = 1 ，2 ，3 m ，并用m 表示纤芯有效掺杂 面积里的铒离子密度( n ，= n 1 ( z ，t ) + n ：( z ，t ) ) ，将方程( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入( 2 6 ) ， 整理得【冽： ( 昙十昙) ：g ，r ) = 蓑移；，一。：( z ，r ) ) j 最( z ，t ) ) c z 一。， 微分方程( 2 9 ) 表明，基态和亚稳态能级间的受激吸收引起了亚稳态能级铒离 子密度的增加，而铒离子密度的减少是由上、下能级间的自发辐射和受激辐射 引起的。 2 2 2 光功率传输方程 考虑在波长】- 。处强度为。( 单位面积上的光功率) 的信号光通过上下能级 粒子数密度分别为n 。、n ：的光放大系统，当信号光通过无穷小厚度出时，其 强度变化谢，为【2 7 】： 掣。“ ( 2 1 0 ) 式中，g 为增益系数，它与原子吸收和发射光的能力有关系，即与波长九处的 发射截面口；、吸收截面以及上下能级的粒子数有关系，即： 警；融：叫。，。( 2 - 1 1 ， 将方程( 2 - 1 1 ) 对光纤截面s 积分，可以写出相应的功率传输方程： 堕d z 一正陆：一盯；。h ，口) 删8 ( 2 - 1 2 ) 亘壹窒道盔堂巫主堑塞竺堂丝迨塞 篁! 旦基 利用盯：82 盯：十仃；、，= n 1 ( z ，f ) + 2 ( z ，t ) 和p k ( z ，f ) = ( z ，t ) a 酐h 吒，由式 ( 2 1 2 ) 可得到单向泵浦的二能级系统第k 路光信号的传输方程如下【2 3 】： 掣；k c ：一盯：，h 只( 纠) ( 2 郴) 对( 2 1 3 ) 式两端同时沿z 方向从0 到l 进行积分，整理得： 一n 鲁墨 岩= 8 r 如，r k 一雕以三 ( 2 - 1 4 ) 沿掺铒光纤长度l 方向上的放大器的对数增益瓯o ) 表达式为： g i o ) t l n r ( z ；工，t ) p k ( z ；o ，f ) ) ( 2 - 1 5 ) 由式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) ，可以得到放大器增益的另一种表达式： g 女( f ) a l 盯：。e n 2 0 ，t ) a z 一盯。a n , l 1 ( 2 1 6 ) 2 3 等效电路模型的建立 2 3 1 波分复用信号放大等效电路模型 将描述系统的物理方程转化为用电路基本元件来表征的子电路模块，那么 就可以在电路模拟器中完成一个新型系统的特性仿真。下面利用对上述方程 ( 2 _ 9 ) 、( 2 1 3 ) 的积分变换和基尔霍夫电流定律，可得到能够反映系统中m 路 信号同时经e d f a 放大过程的等效电路方程。 传输方程( 2 - 1 3 ) 两边同对时间t 微分，可得： 昙z ) 一面1 3 ：啦a 1 n 肫力 ( 2 _ 1 7 ) 对铒离子速率方程( 2 9 ) 沿z 方向从0 到l 进行积分，并将式( 2 - 1 3 ) 、( 2 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 代入( 2 - 9 ) ，整理得： 面1g + 者掣= 一荟m 眨”印卜p a z = o , t ) j ( 2 - 1 8 ) 其中： 意) 一罗只( z = o ，f ) ( 2 1 9 ) 亘崮塞遒壅警硕士研究生学位论文第1 1 页 z 。窭) 。p a z = ，f ) 2 2 0 ) 商 r 女* 籽f l ( 2 2 t ) c 一a o ；。k ( 2 2 2 ) 并且选择放大器增益g 。p ) 作为结点电压y ，方程( 2 一1 8 ) 可表示如下： d v v ( ) = c k 孑+ 素+ i o ( f ) ( 2 哟) 式( 2 1 9 ) ( 2 - 2 3 ) 郾为掰路光髂号同蠢寸被e d f a 放大的等效亳路方程。 衣这些电路方程盼基础上，不仅可以得到能够反映e d f a 受激辐射放大过程的等 效电路模溪( 萄2 - 2 、2 - 4 ) ，还可褥弱复鬻系统瓣等效黾漆模黧( 图2 - 5 ) 。 强2 - 2 掺镊光终敦大嚣静等效电路模型 f i g 2 2e d f a e q u i v a l e n te l e c t r i c a lc i r c u i tm o d e l + 输 入 俦 输 线 图2 - 3 传输线宏模型 f i g + 2 3 t h em a c r o - m o d e lo f t r a n s m i s s i o nl i n e 图2 2 给出了反映弧稳态能缀铒离子变化过程的等效电路模型。由于电路 中对电容充放瞧瓣述与速率方程怒本囊稳钕麓遥程，医垂乏选择鼗馕为鲈8 疋懿 耍南交通大举硕士研究生学位论文，第12 页 电容g 采裘钲亚稳态能级镶离子的动态交化。亚稳态能缀抟自发辐射使锊离子 密度减少，这一过程用阻值为留：。r 的电阻趣来袋征电路的损耗。泵浦光用独 立电流源，。表示，未被铒离子完全吸收的部分泵瀚光用一个接地的漉控电流源 ，。表示。此模型黼端的虚拟端口分剐用于待放大光信号的输入( ，) 和融放大 光信号的输出( i ) 。 上面构建的等效电路模型( 窝2 - 2 ) 没有考虑掺铒是纾延迟的影确，遮使得 对信号放大过程动态特性的分析不够准确。为此我们引入p s p i c e 中的传输线宏 模型1 2 5 】，它可用来模撅信弩的延迟，如图2 3 所示，蘑中静l 、2 缩点为输入节 点，3 、4 结点为输出节点。传输线的延迟时间t 可表达为： t = l l v g 2 2 4 ) 其中，为掺铒光纤的长度，v 。为掺铒光纤中的群速度。考虑延时以后的掺铒 光纤藏大秣等效蠢龉及模块表达魏盈2 4 ( a ) 3 _ 。， 堕塑! 蔓! i ! 塾旦丝一些三望整 t 瓤a e o 吼a e d t 盯盖d t 将式( 2 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 代入( 2 - 2 9 ) ，并令： 蚴- 鬻q 批概一等等捌触概 掣。， 可得含啁啾影响的电路方程如下： j l ( r ) 譬c 二j l + i l + l o ) 一，。o ) ( 2 3 1 ) a z “ 葵中，f ，表惩了疆彀效寝夔影嚷，其余符号含义与上述邀路方程( 2 2 3 ) 中 的相应项致，故不再解释。由此得到了副载波复用信母放大过程的等散电路 攘墼如餮2 - 6 繇示。銎中，m 路懿菝载波入封珐枣分爨趱璐个独立窀压渫只 只。表征，相应的光载波输入功率用压控电流源，表征，啁啾效应用压控电流源 ，。表薤；黠输出壤进季亍掇 娃豹处理，压控逛滚滚j 。表镊输出光功率，压姣电垂 源圮。，k 表征射频载波出射功率。 e d f 矗 模块 图2 - 6 含啊啾效应的副载波复用信母放大等效电路示意霞 f i g 。2 6 a n e q u i v a l e n t e l e c t r i c a lc i r c u i tm o d e lo fs c m s i g n a l sa m p l i f yw i t hc h i r p i n ge 矬e c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 本文进行仿真时，除非特殊说明，所用参数见表2 1 1 2 , 2 3 】。 表2 - 1 仿真所用参数值 1 h b 2 1p a r a m e t e r su s e di ns i m u l a t i o n p a r a m e t e r m e a n i n g v a l u e 九s i g n a lw a v e l e n g t h 1 5 5 5 n m pp u m pw a v e l e n g t h 1 4 8 0 n m 巧p u m pp o w e r 5 0 m 4 酊 e 船c t i v em o d a la r e a 2 8 3 t o n n | e f f e c t i v ee r b i u mi o nd e n s i t y7 9 x 1 0 2 3 m 一3 o - ；p u m pa b s o r p t i o n c r o s ss e c t i o n2 2 1 1 0 - ”m 2 盯；p u m p e m i s s i o nc r o s ss e c t i o n8 1 1 0 - 2 6 m 2 盯?s i g n a la b s o r p t i o n c r o s ss e c t i o n 2 6 1 l o - ”m 2 盯；s i g n a le m i s s i o nc r o s ss e c t i o n 3 2 1 1 0 - ”m 2 f f l u o r e s c e n c el i f e t i m eo fm e t a s t a b l el e v e ll o m s l f i b e rl e n g t h2 8 m p l a n c kc o n s t a n t6 6 2 6 x l o 一”，s 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章w d m 动态特性的电路级研究 3 1 波分复用系统简介 随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形式 膨胀，信息时代要求越来越大容量的传输系统。波分复用技术( w d m ) 具有超大 容量传输、节约光纤资源、各通路透明传输、平滑升级扩容、可组成全光网络 等特点，且利用掺铒光纤放大器( e d f a ) 实现了超长距离传输，因此成为光纤 通信向高速大容量发展的主导潮流。 波分复用技术是指在根光纤中同时传输具有不同波长的几个甚至几十个 以上光信号的一项技术。其基本原理是：在发送端将路波长不同的光信号组 合起来( 复用) ，并合成到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端，使 用频率选择器件，如光栅或带通滤波器对多个复用信号进行解复用。w d m 系统基 本结构框图如图3 - 1 所示【删。由波长分别为 、a ：a 。的个光发送机产 生的调制信号经波分复用器( m u x ) 合成到传输光纤中，经过光纤传输后再经波 长解复用器( d e m u x ) 将不同波长通道的信号分别送到个光接收机进行光电捡 测。在高速率信号的长距离w d m 光纤传输系统中，还必须在光纤线路中每隔一 定距离用e d f a 对所有通道信号的传输损耗进行补偿。 图3 1 波分复用系统基本结构 f i g * 3 1 t h e s y s t e mc o n f i g u r a t i o no fab a s i cw d m s y s t e m 对波分复用系统的研党始于8 0 年代巾期，但妇于w d m 器件插入损耗大，w d m 一宣没能走向实用纯。赢戮9 0 年代初，随着e d f a 的实用傀，w d m 的应用才得到 谓 一 x 一 嘻 e ，爹 争 西南嶷通大学硕士研究生学位论文第17 页 迅猛发展。但另一方面，e d 默的弓| 入也产生了援农的超题，翅在发信端或网络 节点处上下话路等原因使信号功率起伏而造成的瞬态效应，本征增益谱不能达 到理想平埋导致备通道信号具有不同的放大能力，以及低频区系统信号闯的串 抗簿，它们可使褥接收端机难于分辨出“1 ”和“0 ”、光功率超出系统的允许 范围、信噪比下降等，从而成为限制系统性能的因索。 本章借助已经构造的等效电路模型( 黼2 - 5 ) ，遥过p s p i c e 魄路编稷仿真， 借助p r o b e 绘图稷序，仿真八通邋w d m 系统信号放大过稔的瞬态效应及输出功 率谱，并磷究交叉调s t j 吾t 筵翡串话特往。 3 ：2 瞬态效应瓣德窦 w d m 系统中存在多个遗道，由于光通道的个数会随着业务的增减而增减，这 就会使整个通信系统中的光通道随时出现爱化，觚褥弓| 超e d f a 输入凌率静交亿， 但同时泵清激光器的输入并没有发生变化，这将使得剩余通道的输出功率迅速 遗增加或减小，浮羧了瓣淼效应的发生涕弗】。国内外学蠢辩瞬态效应豹磷究与 解决