光纤通信课程设计

课程设计说明书 第 页 课程设计任务书 20152016 学年第二学期 专业： 学号： 姓名： 课程设计名称： 光纤通信系统课程设计 设计题目： EDFA 在 WDM 传输系统中的应用 完成期限：自 2016 年 6 月 6 日至 2015 年 6 月 19 日共 2 周 一、设计依据 在长距离传输中,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和制约, 使得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出 现失真。因此,要进行长距离的信号传输,就需要在光信号传输一定距离后加中继器,以 放大衰减的信号,使光脉冲得到再生。掺铒光纤放大器（EDFA）可以省去大量的光中继 器,延长传输距离,这对于长途干线传输系统具有重要意义，本设计主要研究 EDFA 在 WDM 中的应用。 二、要求及主要内容 1查阅相关的文献，概要介绍了EDFA的研究背景，包括掺铒光纤放大器的特点、 应用、发展前景以及研究的必要性； 2对掺 EDFA 研制过程中的主要光电器件从原理及性能等方面作了系统的描述； 3介绍 EDFA 在波分复用系统 WDM 中的应用，进行仿真分析。 三、途径和方法 1查找相关文献，了解 EDFA 的工作原理，主要包括掺铒光纤的基本概念及参数； 2着重了解现代通信系统中 EDFA 的作用； 3运用的理论分析，介绍了 EDFA 在 WDM 中的基本原理，对掺铒光纤放大器的 参数进行了详细的介绍。 四、时间安排 1课题讲解：2 小时。 2阅读资料：10 小时。 课程设计说明书 第 I 页 3撰写设计说明书：12 小时。 4修订设计说明书：6 小时。 5、主要参考资料 1 王延恒光纤通信技术基础M北京：天津大学出版社，1990 2黄章勇光纤通信用光电子器件和组件M北京：北京邮电大学出版社，2001. 3 黄章勇光纤通信用新型光无源器件M北京：北京邮电大学出版社，2002 4 孙学军，张述军等DWDM 传输系统原理与测试北京：人民邮电出版社， 1997 5 纪越峰光波分复用系统M北京：北京邮电大学出版社,1999 6原荣光纤通信技术M机械工业出版社，2011 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日 课程设计说明书 第 II 页 EDFA 在在 WDM 传输系统中的应用传输系统中的应用 摘要摘要 在长距离传输中,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和制约,使 得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出现失 真。因此,要进行长距离的信号传输,就需要在光信号传输一定距离后加中继器,以放大衰 减的信号,使光脉冲得到再生。掺铒光纤放大器（EDFA）可以省去大量的光中继器,延 长传输距离,这对于长途干线传输系统具有重要意义。本文首先介绍了 EDFA 和 WDM 的基本原理和应用，其次使用 optisystem 模拟仿真软件，利用仿真，分析系统的性能 和影响性能的参数因子，优化系统，最后对光路结构修改提高 EDMA 在 WDM 传输系 统中的性能。 关键词：EDFA，WDM，长距离传输，OptiSystem 课程设计说明书 第 III 页 目录目录 1.绪论.1 1.1. 光纤通信的历史和发展.1 1.2. 光纤放大器.2 1.2.1. 传输型光纤放大器.2 1.2.2. 掺稀土元素光纤放大器.2 1.3. 论文结构和内容.3 2.EDFA 在 WDM 系统中的应用.4 2.1. 掺铒光纤放大器（EDFA）.4 2.1.1. EDFA 的主要结构.4 2.1.2. EDFA 的工作原理.6 2.1.3. EDFA 的工作特性.7 2.1.4. EDFA 的性能参数.8 2.1.5. EDFA 的应用.10 2.2. 波分复用（WDM） .12 2.2.1. WDM 系统结构及分类.12 2.2.2. WDM 原理及应用.13 2.2.3. WDM 系统关键技术.15 2.3. WDM 系统对 EDFA 的要求.18 3.EDFA 在 WDM 系统中的应用仿真分析.21 3.1. OPTISYSTEM 软件简介.21 3.2. EDFA 在 WDM 系统中的应用研究.21 3.3 本章小结.25 总结.25 参考文献.26 课程设计说明书 第 0 页 1.绪论 1.1.光纤通信的历史和发展 光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为 20 世纪 90 年代的技术。进入 21 世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、 数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了 更为迫切的需求。 20世纪90 年代初，掺铒光纤放大器和低损耗传输光纤的研制成功以及波分复用技 术的广泛应用，极大地增加了光纤通信传输的信息容量并延长了光纤通信的传输距离， 光纤通信得到了快速的发展。 光纤通信技术中的波分复用技术充分利用了单模光纤低损耗区的优势，获得了大 的带宽资源。波分复用技术基于每一信道光波的频率和波长不同等情况出发，把光纤 的低损耗窗口规划为许多个单独的通信管道，并在发送端设置了波分复用器，将波长 不同的信号集合到一起送入单根光纤中，再进行信息的传输，而接收端的波分复用器 把这些承载着多种不同信号的、波长不同的光载波再进行分离。 光纤通信网络对全球经济发展起着极其重要的作用，信息全球化推动经济全球化， 而经济全球化又反过来促进信息全球化。到目前为止，光纤通信技术已经成为最重要 的现代信息传输技术之一，在现在的信息社会背景下得到了普遍意义上的应用，迄今 尚未发现可以取代它的更好的技术。从现代通信的发展趋势来看，光纤通信技术也必 将成为未来通信发展的主流，带领人类进入全光网络时代自从有了人类，就有了信息 交流和传递的需要。我过古代的狼烟和烽火可以说是最早的利用光进行信息传递的方 式。随着科技的进步，电话、电报一直到目前连接全球的因特网，通信技术，特别是 近代通信技术，经历了一个从低频到高频，从高频到微波进而到达光频的演变过程。 通信技术在人类社会起到了越来越大的作用，成为这个信息时代的支柱技术。光纤通 信技术的诞生和发展是电信史上的一次重要革命，三十多年以来，在经历了三代进化 之后，它正在以超摩尔定律的速度向前发展。目前世界上 80%以上的信息是通过光纤 传送，未来的传送网必然是建立在光纤通信技术之上的。近几年来，随着密集波分复 用（DWDM）技术、掺铒光纤放大器（EDFA）技术和光时分复用（OTDM）技术的 发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、超大容量、超长距离通信系统发展，并且 课程设计说明书 第 1 页 逐步向全光网络演进。 1.2.光纤放大器 光纤放大器是光纤通信和传感在实际应用中的重要光学器件，光在光路传输过程 中，随着传输距离的增加以及光纤器件的损耗，光信号会逐渐变弱。这就需要光纤放 大器对其进行放大。早在1964年人们就开始对光纤放大器进行研究，随着低损耗光纤 的使用和稀土掺杂光纤技术的不断发展，直到1984 年才开始在实际中使用。近年来， 互联网和光纤通信网的数字传输技术的迅速发展，激发了人们对光纤光源和光放大器 的研究兴趣。 光纤放大器是一种新型全光放大器，传统的光电光再生中继器有许多缺点。 首先，通信设备很复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在WDM系统中更为突出， 因为先要解复用出每个波长信道，把光信号转换成电信号，然后再把电信号转换成光 信号，最后再通过复用器把放大后的各路光信号送回光纤中传输，所需设备更复杂， 费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。因此全光传输型中继器正在取代光 电光再生中继器。光放大器分为光放大器和半导体光放大器两类，半导体光放大器 （Semiconductor Optical Amplifier，SOA）的放大介质为半导体晶体材料构成的正向偏 压的P-N结2。光放大器按照原理主要可以分为两大类： 1.2.1. 传输型光纤放大器 这类光纤放大器基于光在光纤中传输的非线性效应包括光纤布里渊放大器（Fiber Brillion Amplifier，FBA）和光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA）等。 对于光纤布里渊放大器，它是通过相当于泵浦光频率下移的斯托克（Stocks）波的 产生来进行光放大，其频移量由非线性介质决定3。虽然通过一定的设计，光纤布里渊 放大器能获得可观的的增益，但是其放大的带宽非常窄，应用并不广。光纤拉曼放大 器是将强泵浦与微弱信号光一起耦合在一根光纤中传输，若是将信号光波长比泵浦光 波长长，并且波长差在一定范围内，由于受激拉曼散射效应，强泵浦的功率部分转移 到微弱信号光上，使信号光获得增益。它的优点是宽宽带和低噪声，缺点是需要很强 的泵浦功率，其应用也受到很大的限制。 1.2.2. 掺稀土元素光纤放大器 课程设计说明书 第 2 页 稀土元素即元素周期表中的镧系元素，铒（Er）、镨（Pr）、铥（Tm）、镱 （Yb）、钕（Nd）等属于此系，目前通信领域对掺稀土光放大器的研究比较多的集中 在掺镱光纤放大器（Ytterbium Doped Fiber Amplifier，YDFA）、掺铒光纤放大器 （Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）和掺铥光纤放大器（Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA）上，其中掺铒光纤放大器是其中最典型、最成功的例子。 与传输性光纤放大器相比，掺稀土元素光纤放大器中，EDFA是性能优异、技术最 成熟、应用最广泛的光纤放大器。自从1985 年，英国南安普敦大学首先成功地研究出 掺铒光纤，并与1986年首次研制出针对光纤通讯第三个窗口（1.55m波段）的光纤放 大器，EDFA技术得到了迅速的发展。到1988年，低损耗的掺铒光纤技术已相当成熟， 并达到实用水平。它的研制成功是光纤通信领域内的一次革命4。 1.3.论文结构和内容 通过阅读大量的资料及现在人们对信息传送速率和信息容量的要求，本文主要研 究EDFA在WDM传输系统中的应用。第一章研究了光通信的发展，现状，提出本文的 设计目的及意义；其次讲解了光纤放大器的分类，提出掺铒光纤放大器；并简单的介 绍了波分复用的定义及其应用。第二章介绍了掺铒光纤放大器的结构组成及工作原理， 说明了掺铒光纤放大器的性能指标，泵浦方式及其在通信中的应用；其次介绍了波分 复用的结构组成及工作原理，极其关键技术和应用。第三章介绍了OptiSystem这个软件， 并对EDFA在WDM传输系统中的应用的仿真分析。 课程设计说明书 第 3 页 2. EDFA 在在 WDM 系统中的应用系统中的应用 2.1.掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA） 2.1.1. EDFA 的主要结构的主要结构 EDFA 主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器和光滤波器等组 成，如图 1.1 所示。 图 1.1 EDFA 的基本组成 (1) 掺铒光纤（EDF）： 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，其长度为 10m100m 左 右，铒离子的掺杂浓度一般为 2100 2000ppm 左右。因而使掺铒光纤的设计最佳化是 主要的技术关键。EDFA 的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径 以及泵浦光功率等。 (2) 泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。 几个波长可有效激励掺铒光纤。现在采用的半导体激光器，输出功率为 10200mW， 工作波长为 0.98m 或 1.48m。最先使用 1480 nm 的多量子阱(MQW)激光器，其输出 功率可达 100mW，泵浦增益系数较高。现在一般采用 980nm 波长泵浦，它的效率更 高, 噪声更低。 (3) 波分复用器 其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的 WDM 器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。 (4) 光隔离器 在输入、输出端插入光隔离器目的是抑制光路中的反射，保证信号单向传输、防 止反射光影响 EDFA 的工作稳定性，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的 课程设计说明书 第 4 页 基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。 (5) 光滤波器 滤除放大器噪声，提高信噪比。 EDFA 的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：同向泵浦、反向泵浦和双向泵 浦。 （1）同向泵浦 这是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前 向泵浦，如图 1.2 所示。输入泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大。其优 点是构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。 图 1.2 同向泵浦 （2）反向泵浦 这是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦， 如图 1.3 所示。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出 功率比同向泵浦高；缺点是噪声性能差。 图 1.3 反向泵浦 （3）双向泵浦 这是一种同向泵浦与反向泵浦同时泵浦的结构，如图 1.4 所示。用多个泵浦源从多 个方向激励光纤。多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。使泵浦光在光 纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布。 课程设计说明书 第 5 页 图 1.4 双向泵浦 图 1.5（a）给出了三种泵浦方式的信号输出功率与泵浦功率的关系。由于这三种 方式的微分转换效率（即图中曲线斜率）不同，因此再同样的泵浦条件下，同向泵浦 式 EDFA 的输出功率最低。 图 1.5（b）给出噪声指数 NF 与输出功率之间的关系。由于输出功率加大将导致粒 子反转数下降。因此，在未饱和区，同向泵浦式 EDFA 的噪声指数最小，但是在饱和 区，情况就不同。 图 1.5（c）给出了噪声指数与光纤长度的关系。可见，不管掺饵光纤的长度如何， 同向泵浦 EDFA 噪声指数均最小。 (a)信号输出功率与泵浦功率的关系 (b)噪声指数与输出功率的关系 (c)噪声指数与光纤长度的关系 图 1.5 相关参数之间的关系 2.1.2. EDFA 的工作原理的工作原理 EDFA 的工作原理与半导体激光器类似：当较弱的信号光和较强的泵浦光一起输 入 掺饵光纤时，泵浦光激活 EDF 中的铒粒子并形成粒子数反转分布；在信号光子的感应 下，产生受激辐射并实现信号光的放大作用。由于 EDFA 的核心放大元件是掺饵光纤， 其具有细长的结构特点，因此可以实现有源区的能量密度较高，从而降低了对泵浦功 率的要求。 铒粒子的能级分布如图 1.6 所示。 课程设计说明书 第 6 页 图 1.6 铒离子工作能级 当 WDM 的信号光通过这段粒子数反转分布的 EDF 时，电子在 WDM 信号光作 为感应光场的情况下，从亚稳态受激辐射到基态上，并产生与输入光子完全一样（具 有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光在 EDF 的传播过程中被 放大。 因此，简单地说，EDFA 放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效 率很高。 泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm 半导体激光器更适合于 EDFA 的泵浦 光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm 相对于 1480nm 而言，增益高、噪声小，是目前 EDFA 的首选泵浦光源，只用几毫瓦的泵浦功率就可 获得高达 30 40 dB 的放大器增益。 2.1.3. EDFA 的工作特性的工作特性 (1) 工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区( 1500 nm )； (2) 因为 EDFA 的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到 0.1 dB; (3) 噪声指数低，一般 4 7 dB； (4) 增益高，约 20 40 dB，饱和输出功率大，约 815 dBm； (5) 频带宽，在 1 550 nm 窗口有 20 40 nm 带宽，可进行多信道传输，便于扩大 传输容量，从而节省成本费用; (6) 与半导体光放大器不同，光纤放大器的增益特性与光纤极化状态无关，放大特 课程设计说明书 第 7 页 性与光信号的传输方向也无关，可以实现双向放大 ( 光纤放大器内无隔离器时 ); (7) 所需泵浦功率较低(数十毫瓦)，泵浦效率却相当高，用 980nm 光源泵浦时，增 益效率为 10dB/mW，用 1480nm 光源泵浦时为 5.1dB/mW；泵浦功率转换为输出信号 功率的效率为 92.6%，吸收效率为 88%； (8) 在多信道应用中可进行无串话传输； (9) 放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构简单，可靠性高，体积小； (10) 对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即与准同步数字体系(PDH) 和同步数字体系(SDH)的各种速率兼容，调制方案可任意选择； (11) EDFA 需要的工作电流比光-电-光再生器的小，因此可大大减小远供电流，从 而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要求。 2.1.4. EDFA 的性能参数的性能参数 EDFA 主要性能参数包括功率增益、输出功率和噪声等。 1.功率增益 功率增益（dB）表示了 EDFA 的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比， 即 EDFA 的增益大小与输入信号功率、泵浦功率、掺饵光纤长度等多种因素有关， 通常为 1540dB。 图 1.7 给出了 EDFA 信号增益与泵浦光功率的关系。 =10logdB 输出光功率 功率增益 输入光功率 课程设计说明书 第 8 页 图 1.7 增益（G）与泵浦光功率的关系 由图可见，小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当放大器增 益出现饱和时，即使泵浦功率增加很多，增益也会基本保持不变。此时放大器的增益 效率（图中曲线斜率）将随着泵浦功率的增加而下降。 图 1.8 给出了增益与掺饵光纤长度的关系。 由图可见，刚开始是增益随掺饵光纤长度的增加而上升，但是光纤超过了一定长 度之后，由于光纤本身的损耗，增益反而逐渐下降，因此存在一个可获得最佳增益的 最佳长度。这一长度只能是最大增益长度，而不是掺饵光纤的最佳长度，因为还牵涉 到其他诸如噪声等的特性。 图 1.8 增益（G）与掺饵光纤长度的关系 2.输出功率 对于 EDFA 而言，当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数， 使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。EDFA 的输入/输出关系如图 1.9 所示。 课程设计说明书 第 9 页 图 1.9 EDFA 的输入/输出关系 衡量 EDFA 的输出功率特性通常使用 3dB 饱和输出功率，其定义为饱和增益下降 3dB 时所对应的输出功率值。 3.噪声 EDFA 的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成 了影响信号光的噪声源，EDFA 的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声；被 放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐 射光谱间的差拍噪声。 以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定 EDFA 性能的主要 因素。 理论分析表明，EDFA 的噪声指数 Fn的极限值是 3dB。这表明在即使是在理想情 况下，每经过一个 EDFA，信噪比也会下降一半。因此，即使 EDFA 的增益完全补偿 光纤线路的损耗，实际使用中也不能无限制地级联 EDFA，这样会导致接收到信号的 信噪比难以承受。 2.1.5. EDFA 的应用的应用 在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，EDFA 有多种应用形式，其基本作 用是： 1） 延长中继距离，使无中继传输达数百公里。 2） 与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。 课程设计说明书 第 10 页 3） 与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信。 4） 与 CATV 等技术结合，对视频传播和 ISDN 具有积极作用。 EDFA 的具体的应用形式有三种。 （1）线路放大（LA） 线路放大是指将 EDFA 置于光纤链路原有中继器的位置，对信号进行在线放大， 如图 1.10 所示。LA 是 EDFA 最常见的应用形式，广泛应用于长途和本地通信系统中， 替代复杂昂贵的光中继器。 图 1.10 线路放大（LA） （2）功率放大（BA） 功率放大是指将 EDFA 设置于光发送机后，如图 1.11 所示。BA 可以提高注入光 纤的有效光功率，从而延长中继距离。BA 的引入会导致入纤功率的大幅提高，可能会 在光纤中激发出较强的非线性效应，因此在实际应用中要对其输出功率进行仔细控制。 应具有较高的饱和输出功率。 图 1.11 功率放大（BA） （3）前置放大（PA） 前置放大是指将 EDFA 置于光接收机之前，如图 1.12 所示。PA 可以将光纤线路 传输的微弱光信号进行放大，从而提高光接收机的灵敏度。PA 一般工作在小信号状态， 因此需要有较高的噪声性能和增益系数，而不需要很高的输出功率以避免造成光接收 机过载。 课程设计说明书 第 11 页 图 1.12 前置放大（PA） 2.2.波分复用（波分复用（WDM） 2.2.1. WDM 系统结构及分类系统结构及分类 WDM 系统主要有以下五个部分组成：光发送机、光中继放大、光接收机、光监 控信道和网络管理系统，其系统总体结构示意图如图 2.1 所示。 光发射机是光波分复用系统的核心。它发出波长不同，但精度和稳定度满足一定 要求的光信号，经过光波分复用器（即合波器）合成一路送入光功率放大器放大，然 后耦合到光纤上进行传输。 光中继放大器一般采用掺铒光纤放大器，主要是用于补偿光信号由于长距离传输所 图 2.1 WDM 系统总体结构示意图 造成的信号衰减。 光接收机主要由前置放大器、光分波器等组成。光前置放大器首先放大经传输而 衰减的光信号，然后利用分波器分离各特定波长的光信号进行接收。 光监控信道是监控系统内各信道的传输情况，在发送端插入本节点产生的波长的 光监控信号，与主信道的光信号混合输出。在接收端，将接收到的光信号分波，获得 课程设计说明书 第 12 页 光监控信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节均是通过光监控信道来传 递的。 网络管理系统是通过光监控信道的物理层传送开销字节到其它节点或接收其它节 点的开销字节对光波分复用系统迸行管理。主要实现配置、故障、性能、安全管理等 功能，并与上层管理系统相连。 根据 WDM 线路系统中是否设置有在线光中继放大，可以将 WDM 线路系统分为 有线路光放大器 WDM 系统和无线路光放大器 WDM 系统，其中无线路光放大器 WDM 系 图 2.2 有线路光放大器 WDM 系统的参考配置 图 2.3 无线路光放大器 WDM 系统的参考配置 统可以认为是点到点的单跨有线路放大器系统（中继段为一）。 2.2.2. WDM 原理及应用原理及应用 光波分复用（wavelength-division multiplex-ing，简称 WDM）技术又称光波长分割 复用技术，是指在一根光纤中能同时传输多个波长光信号的一种技术。它是在发送端 将不同波长的光信号组合起来，耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收 端再将组合波长的光信号分开，恢复出原信号后送入不同的终端。具有以下优点： 1）可充分利用光纤的带宽资源，使同一根光纤的传输容量增加几倍至几十倍，甚 课程设计说明书 第 13 页 至几百倍。 2）由于光波分复用技术使用的波长相互独立，故可以同时传输特性完全不同的信 号。 3）采用全双工方式，光信号可以在一根光纤中同时向两个不同的方向传输，节省 了线路投资，提高了系统的经济效益。 4）对于早期敷设的芯数不多的光缆，波分复用技术可提供“在线升级，平滑过渡” 的技术支持，即在对原有系统不作较大改动的情况下，进行扩容，节省投资。 5）随着传输速率的不断提高，许多光器件的响应速度已明显不足。使用波分复用 技术可以降低对器件性能上的要求。 6）波分复用器件大多是光无源器件，结构简单，体积小，稳定可靠，在网络设计 和施工中有很大灵活性。因此，波分复用技术成为当前迸行扩容、升级改造以及建设 新的高速、大容量通信网络的最佳技术选择。 WDM 系统的主要应用形式有以下三种。 （1）双纤单向传输 双纤单向传输 WDM 系统如图 2.4 所示。双纤单向传输是指一根光纤只完成一个 方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成。双纤单向传输 WDM 系 统可以方便地分阶段动态扩容。例如在对现有网络进行升级和扩容工作中，可以根据 实际业务量的需要逐步增加波长来实现扩容，是目前 WDM 系统最主要的应用形式。 图2. 4双纤单向传输WDM系统 （2）单纤双向传输 单纤双向传输 WDM 系统如图 2.5 所示。单纤双向传输指在一根光纤实现两个方 向光信号的同时传输，两个方向的光信号应安排在不同波长上以实现彼此双方全双工 课程设计说明书 第 14 页 的通信联络。双向 WDM 系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量，这对于光接入 网等环境的使用具有明显的优点。 （3）光分路插入传输 光分路插入传输 WDM 系统如图 2.6 所示。通过光分插复用器（OADM）可以实 现 图 2.5 单纤双向传输 WDM 系统 图 2.6 光分路插入传输 WDM 系统 各波长的光信号在中间站的分出与插入，即完成上/下光路，利用这种方式可以完城 DWDM 系统的环形组网。根据上/下通路是否针对特定波长设定，可以分为固定波长 光分路插入系统和可变光分路插入系统。 2.2.3. WDM 系统关键技术系统关键技术 由于同时有多个不同波长通路在一根光纤中同时传输，因此对于 WDM 系统而言 会存在一些单信道光纤通信系统中没有的问题，包括： 1）光源的波长准确度和稳定度 2）信道串扰 课程设计说明书 第 15 页 3）色散 4）非线性效应 5）光放大器引入的传输损伤 （1）光源技术 WDM 系统中的光源技术包括两方面的内容，一是如何保证光元器件发出的波长 的稳定度和精准度，而是如何实现以较低成本的方式灵活实现满足 G.694 标准的多个 波长。4 对 WDM 系统采用的光源技术主要有： 波长可调谐激光器 波长可调谐滤波器 高精度光源 外调制技术 （2）波分复用器/解复用器 光波分复用/解复用器（WDM/DWDM）是波分复用系统的关键器件。其功能是将 多个波长不同的光信号复合后送入同一根光纤中传送（波分复用器）或将在一根光纤 中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的接收机（解复用器）。波分复用器 和解复用器也分别被称为合波器和分波器，是一种与波长有关的光纤耦合器。 光波分复用器/解复用器性能的优劣对于 WDM 系统的传输质量有决定性的影响。 根据制造工艺和技术特点，波分复用器/解复用器件大致有熔锥光纤型、干涉滤波 器型、光栅型和集成光波导型等几种类型。 （3）光转发器（OTU） 根据光接口的兼容性可以分成开放式和集成式两种系统结构。集成式系统要求接 入光接口满足 DWDM 光接口标准（即 ITU-T G.692 波长标准），开放式系统在波分复 用器前加入了波长转换器（OTU），将 SDH 光接口（即 ITU-TG.957）转换成符合 ITU-TG.692 规定的接口标准。OTU 的基本功能是完成 G.957 到 G.692 的波长转换功 能，使得包括 SDH 在内的各类不具备 WDM 标准波长的光纤通信系统能够接入 WDM 系统，另外，OTU 还可以根据需要增加定时再生的功能。 课程设计说明书 第 16 页 SDH 系统 DWDM 系统 O/E E/O定时 再生 G957 G692 OTU 图 2.7OUT 应用示例 （4）光纤传输技术 WDM 系统中的光纤传输技术与一般的光纤通信系统相比，由于存在传输速率高 和信道数量多等特点，因此存在着一些特殊的要求，包括光纤选型、色散补偿技术和 色散均衡技术等。 （5）光放大器增益箝制技术 WDM 系统中，个别波长通道的故障或者波长上下路等网络配置的更改，都会引 起光纤链路中实际传输波长数量的变化，光功率也随之变化。为了保证每个波长通道 的输出功率稳定，光放大器的增益应能随实际应用的波长数进行自动调整，即需要光 放大器的泵浦源输出功率能够随着输入信号的变化进行自动调整。光放大器的增益箝 制技术就是指当输入功率在一定范围内变化时，光放大器的增益随之变化并使得其他 波长通道的输出功率保持温度的技术。 光放大器的增益箝制实现机制主要包括总功率控制法、饱和波长法、载波调制法 和全光增益箝制法等。 （6）光监控信道技术 在使用光放大器作为中继器的 WDM 系统中，由于光放大器中不提供业务信号的 上下，同时在业务信号的开销位置中（如 SDH 的帧结构）也没有对光放大器进行监控 的冗余字节，因此缺少能够对光放大器以及放大中继信号的运行状态进行监控的手段。 此外，对 WDM 系统的其他各个组成部件的故障告警、故障定位、运行中的质量监控、 线路中断时备用线路的监控等也需要冗余控制信息。为了解决这一问题，WDM 系统 中通常采用的是业务以外的一个新波长上传送专用监控信号，即设置光监控信道 课程设计说明书 第 17 页 （OSC）。 光监控信道的设置一般应满足以下几个条件： 1）OSC 的波长不应与光放大器的泵浦波长重叠； 2）OSC 不应限制两线路放大器之间的距离； 3）OSC 提供的控制信息不收光放大器的限制，即线路放大器失效时监控信道应尽 可能可用； 4）OSC 传输应该是分段的，且具有均衡放大、识别再生、定时功能和双向传输功 能，在每个光放大器中继站上，信息能被正确的接收下来； 5）只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许 OSC 在双向传输，以便若其中一 根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接受到 目前常用的光监控信道设置方案有带外波长监控技术和带内波长监控技术两种。 图 2.8 带外波长监控示意图 2.3.WDM 系统对系统对 EDFA 的要求的要求 WDM 技术利用光纤的宽带特性，提高了光纤的传输效率，是长距离光纤干线通 信系统扩容的行之有效的办法。与掺铒光纤放大器（EDFA）结合使用，WDM 技术的 优越性更加明显。使用光纤放大器可将原来的电光电中继改为全光中继，使中继 过程大大简化，而且系统的“透明”度也大为增加（即当变换码速率、增加信道数或 变换传输体制时，只需更换首尾端机，无需变更中继放大器），因而在长途干线中具 有广阔的应用前景。 在 WDM 长距离传输系统中,EDFA 对扩大系统的传输能力有强大的促进作用。 EDFA 在波长为 980nm 或 1480nm 的光功率泵浦下,EDFA 能在宽度为 35nm 的范围内 (波长 1530nm1565nm)提供 40dB 高增益、100mW 高输出功率和 4dB 低噪声系数的性 2048kbit/s EDFA PDLD 课程设计说明书 第 18 页 能。尽管如此,这种 EDFA 却不一定非常适合于 WDM 长距离传输系统。因为 WDM 系 统对 EDFA 除了要求其高增益、低噪声外,对 EDFA 全部带宽内提供的增益平坦化特性 要求格外严格。如果 EDFA 的增益不平坦,当 WDM 系统中的若干个不同波长信号同时 经多个 EDFA 级联放大传输时,接收机各个信道收到的光功率和信噪比(SNR)便各不相 同。这种非均衡性对系统的性能非常有害,往往会使各路之间发生串扰,其具体表现在以 下三个方面： 1） 接收到的非均衡功率最终会使有些信道的接收光功率超过接收机的动态范围; 2） SNR 不均衡最终会导致某些波长信道的误码率(BER)高于指定值; 3） 接收到的最小信号功率可能低于接收机的灵敏度。 因此,在 WDM 系统中,要求 EDFA 的带内增益平坦度小于 1.0dB。 课程设计说明书 第 0 页 3. EDFA 在在 WDM 系统中的应用仿真分析系统中的应用仿真分析 3.1.OptiSystem 软件简介软件简介 随着光纤通信系统日新月异的发展，光通信系统越来越复杂。现行的光纤通信系 统通常包括众多非线性器件和非高斯噪声源，对这样的光纤通信系统的设计与分析是 非常复杂的，需要耗费极其多的时间。因此，人工或者单纯依靠经验计算设计光纤通 信系统已经越来越显得力不从心。在这背景下，这些设计和分析任务被高效、有效、 先进的计算机辅助软件执行已成为必然的趋势。OptiSystem 就此营运而生。 OptiSystem 是一款创新的光纤通信系统设计与仿真软件，它集成了设计、测试和 优化各种光网络物理层等诸多功能，从模拟视频广播系统到洲际骨干光纤链路的设计 均可以使用 OptiSystem 进行设计、测试、优化。 OptiSystem 作为一款独立的产品，不依赖于其他模拟框架。它是一款基于现实光 纤通信系统模型的系统级仿真软件。它拥有强大的新的模拟环境、真正的分层结构定 义组件。它允许添加用户自定义组件，具备良好的系统扩展性，可以实现与其他仿真 软件比如 Matlab 的无缝衔接。 OptiSystem 具备全面的用户图形界面（GUI,Graphical User Interface）,可以灵活控 制光学元件的布局、网表、组件模型、演示图形等。拥有丰富的元件库，其中包含大 量的有源和无源器件，可以满足一般情况下系统仿真的需求。并且相关器件均包括实 际的、波长相关的参数。参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统 性能的影响。 3.2.EDFA 在在 WDM 系统中的应用研究系统中的应用研究 EDFA 在 WDM 系统中的作为线路放大的方针电路图如下： 课程设计说明书 第 1 页 图 3.1 EDFA 在 WDM 系统中的应用 用伪随机发生器作为信号源，记过非归零脉冲发生器，在通过 M-Z 调制器调制， 进入复用器将两路信号合并。在通过循环控制电路，进入分波器。实现电路的波分复 用。其中掺铒光纤放大器后为色散补偿光纤，对线路中的色散进行补偿，延长传输距 离，降低色