光纤通信系统光放大器设计

1、摘 要光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。光纤通信具有通信容量大、传输速率高、使用寿命长，等诸多特点。因而得到了普遍的应运，其中光放大器是光纤系统中的重要组成部分。光纤放大器是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。本论文介绍了掺铒光纤放大器的相关理论。首先对光纤放大器的种类进行大致的简介，其次阐述了掺铒光纤放大器的历史和发展，以及对掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍又介绍了仿真软件Optisystem的使用及功能。重点关注了掺铒光纤放大器的放大过程以及对掺饵光纤放大器各信道增益不平坦问题进行了初步研究并分析。关键字：Optisystem；光纤通信；掺铒光

2、纤放大器AbstractOptical fiber communication uses optical fiber to transmit information in order to achieve the purpose of communication. Optical fiber communication owns some advantages such as, the communication capacity, high transmission rate, long service life and so on. So it is widely used in opti

3、cal amplifier and it is an important part of optical fiber systems. Fiber amplifier is a kind of signal amplifier, which is used in optical fiber communication lines to achieve a novel all-optical.This paper introduces a theory of erbium doped fiber amplifier. First, it is introduce the kinds of fib

4、er amplifier. Secondly describes the history and development of erbium doped fiber amplifier, as well as working principle of the erbium-doped fiber amplifier.The functions and the use of simulation software Optisystem are also introduced in this paper. It focuses on the amplification process of erb

5、ium doped fiber amplifier and studies and analyzes the problem that the channel gain erbium-doped fiber amplifier is not flat.Keywords: Optisystem;Optical fiber communication; Erbium-doped fiber amplifier目 录1 绪论11.1 光纤通信系统中放大技术11.1.1 光纤放大器的分类11.1.2 半导体光放大器21.1.3 光纤放大器41.2 掺铒光纤放大器的发展历史41.3 EDFA的发展方向5

6、2 EDFA在密集波分复用系统中应用72.1 波分复用（WDM）的基本概念72.1.1 波分复用系统的组成72.1.2 EDFA在WDM系统中的应用82.1.3 WDM系统对EDFA的要求82.1.4 密集波分复用（DWDM）原理概述102.2 EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析112.2.1 EDFA在DWDM系统中的作用和应用方式112.2.2 DWDM中对EDFA的主要性能要求133 光通讯系统和放大器设计软件OptiSystem153.1 独特优势153.2 应用领域153.3 功能说明164 掺铒光纤放大器的工作原理及放大分析194.1 掺铒光纤放大器的介绍194.1

7、.1 EDFA的放大原理204.1.2 EDFA的基本性能214.2 EDFA的放大设计214.2.1 模型设计布局图214.2.2 研究分析224.3 EDFA的优缺点314.4 EDFA的主要应用形式334.5 EDFA的增益特性33结 论36致 谢37参考文献38附 录39附录 A 英文原文39附录 B 中文翻译48理工大学学士学位论文1 绪论1.1 光纤通信系统中放大技术1.1.1 光纤放大器的分类光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要实现

8、光电变换及电光变换，即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器主要有3种：光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带，掺铥光纤放大器的增益带是S波段；掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应喇曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的

9、。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。半导体光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的。但增益幅度稍小一些，制造难度较大。这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。 迄今为止的光纤通信系统，为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。而中继器无一例外都是采用光 电光的转换方式。中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高，系统复杂，可靠性降低等。于是，人们设想，是否用光放大器直接进行光信号放大，以实现全光通信。经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。在

10、光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。它使光通信技术产生了革命性的变化：用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光电光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输， 升级换代也变得十分容易， 尤其是性能十分优秀的 EDFA 与 WDM 技术的珠联璧合，奠定了高速大容量WDM 光通信系统与网络大规模应用的基础。光放大器主要有两类：光纤光放大器和半导体光放大器。光纤放大器又分为两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散射，受激希里渊散射等）的光放大器1。半导体光

11、放大器主要是半导体激光放大器。1.1.2 半导体光放大器1、半导体光放大器的结构半导体光放大器是一种把发光器件一一半导体激光器结构作为放大装置使用的器件，因为具有能带结构，所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。另外，通过改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过100nm，这是半导体光放大器的一个突出特点。半导体光放大器由有源区和无源区构成，有源区为增益区，使用Inp这样的半导体材料制作，与半导体激光器的主要不同之处是SOA带抗反射涂层，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。以平面波人射单层介质层时，抗反射膜的条件相对于厚度为1/4波长。实际的

12、放大器，传输光是数微米的点光，可以研究假想波导模严格的无反射条件。去除端面反射影响的另一种方法，也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。把光放大器作为光通信中继放大器使用，入射光的偏振方向是无规则的，最好是偏振波依赖性小的放大器。为了消除这种偏振波依赖性，可以引人运用窄条结构使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力，以增大TM波增益的应变量子阱结构。目前，实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种，如张应变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。有源区4C3T采用混合应变量子阱结构，即4个压应变量

13、子阱，3个张应变量子阱，压应变和张应变量子阱之间用与LPN晶格匹配的宽的IaGaAsp垒层隔开上下波导层分别为波长1.15um的IaGaAsP匹配材料包层为p型Inp，接触层为重P型掺杂IaGaAsP材料，材料的外延法生长过程中，n型掺杂源为硅烷，p型掺杂源为二甲基锌材料；生长完成后，采用标准的光刻、反应离子刻蚀、湿法腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。2、半导体光放大器的原理半导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同，其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。它虽也是粒子数反转放大发光但发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对而非稀有元素。半导体的发光可根据激发方式的不同

14、分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光是指用半导体的光吸收作用来产生非平衡载流子，实际上是一种光向另一种光转换的过程。电致发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注人到半导体中而产生发光，这常借助于PN结来完成。在半导体中电子的能级限制在导带和价带两个带内，在导带中电子充当移动载流子，在价带中空穴充当载流子。 半导体在外界激发下，可将价带中的电子激发到导带中，同时在价带中留下空穴，所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶，这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射，称为无辐射跃迁，与此同时，导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合，并同时发射光子，二者形成动态平衡，与热平衡状态下的情况不同，这时

15、的电子和空穴为非平衡载流子，载流子的分布不再是费米统计分布。由于电子从导带底跃迁到价带顶的时间常数即辐射寿命与无辐射跃迁的时间常数相比相对较长，所以可以认为电子和空穴各自保持热平衡状态，对载流子的这种准平衡状态分别用准费米能级和来表示。半导体的辐射跃迁包括自发跃迁和受激跃迁两个过程。自发辐射跃迁是指占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与空穴复合，同时发射一个光子，这一过程称为自发辐射发光受激辐射跃迁是指与一个理想的光子相互作用后导致的受激辐射。这两个过程类似于掺饵光纤放大器(EDFA)中的自发辐射和受激辐射过程。半导体在外界激励下会产生非平衡载流子，半导体在泵浦光激励下怎样产生光放大为了

16、尽可能简单，假设半导体在0 K，费米能级在禁带的中间位置，因此在Ep以下的每个有效能级上被电子充满，则半导体将吸收子。如果半导体未受光泵浦激励，则半导体将吸收光子，其实半导体的两个能带所扮演的角色类似于EDFA中的能带E1和E2所起的作用，只是它的能带比EDFA的能带更宽。一个带隙Ex把处在下面的导带和上面的价带分开，这样，从一个能带转移到另一个能带内所发生的能量改变至少是Eg，因此，若hv>E则半导体吸收光子，当吸收了泵浦光子后就会在导带中产生电子，而在价带中留下空穴，然后电子和空穴都迅速向能带的最底点弛豫，并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。如果泵浦源的强度越来越大，电子将会

17、趋向于累积在导带的底部，空穴趋向于累积在价带的顶部，直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。如果假设带内驰豫过程比带间复合速率快得多，那么可以利用准费米能级Epn和Epp来描述电子空穴的数目。于是导带底和Epn之间的每个态都被添满，而价带顶和之间的所有态都是空的，从而实现光放大。通过适当的选择半导体材料，就可获得能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围(如1300nm或1550nm)内的带隙。1.1.3 光纤放大器 光纤放大器不但可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、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光

18、网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用化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现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。

19、目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。1.2 掺铒光纤放大器的发展历史掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier ，缩写为EDFA)是90年代开始在光纤传输系统中应用的新型器件，它的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。掺铒光纤主要在1.55um波段的应用的有源光纤的研究基础上发展起来的。前期的工作是研究光纤激光器和

20、研究掺稀土元素光纤，后来发现了在光纤中掺铒元素能够实现放大的作用，其工作波长对应于光纤的1.55um传输波长，人们用掺铒光纤制作成功掺铒光纤放大器。何谓CATV用掺铒光纤放大器它的应用状况如何？在近几年来，光纤CATV系统特别是1500nm光纤CATV系统包括模拟系统和数字系统在我们国家迅速发展，掺铒光纤放大器在光纤CATV系统中也得到了广泛应用。功率放大器是在CATV系统的前端将发射机的输出光放大后再进行分配，以供各方向的光纤干线传输用。功率放大器与功率分配器也可考虑做成两段重复使用2。从远离前端处将光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以补偿分支损耗。在光纤传输网

21、络管理中如何实现对掺铒光纤放大器的监控。光纤放大器作为整个系统的一个功能模块，纳入网管系统的方法一般有两种：其一是通过光纤放大器的232C接口电路将光纤放大器的性能参数和告警信息传输给网管系统，进行统一管理，显示和处置。其二是由光纤放大器的开关量信息接口向网管系统送开关量信息进行管理显示。在工程实践中已采用过这两种成功的方法。何谓DWDM用增益平坦掺铒光纤放大器？它的应用状况如何？采用在1550nm窗口附近的密集型WDM技术是扩大现有光纤通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纤放大器是DWDM传输系统的关键部件，可以十分有效地解决由于光波分复用/解复用带来的插入损耗，使WDM系统的中继问题变得十

22、分简单。由于EDFA具有40nm的工作带宽，它可以同时放大多个波长不同的光信号，因此它可以十分方便地应用于DWDM系统中，补偿各种光衰耗。模块是集成化的掺铒光纤放大器，如图1.1所示。图1.1 EDFA内部方块图1.3 EDFA 的发展方向EDFA 的发展方向 EDFA 从C波段( conventional band )15301560nm(常规的 ED-FA)向L波段(long wavelength band)15701605nm发展，可采用掺铒氟化物光纤放大器 (EDFFA)，带宽可达75nm；采用碲化物EDFA，带宽可达76nm；采用增益位移掺铒光纤放大器(GS-EDFA)，通过控制掺铒

23、光纤的铒粒子数反转程度，可在15701600nm 波段实现放大，它与普通的EDFA 组合，可得到带宽约80nm的宽带放大器；采用覆盖 C波段和L波段的超宽带光放大器(UWOA)，可用带宽80nm，能在单根光纤上放大100多路波长信道；采用常规EDFA和扩带光纤放大器(EBFA)组成的基于掺铒光纤的双带光纤放大器(DBFA)，工作波长为15281610nm；将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器串联使用，可获得带宽高于100nm的超宽带增益平坦放大器；EDFA 应具有动态增益平坦特性的小型化、集成化方向发展。EDFA是目前及未来一段时间放大器的主要选择，在骨干网和城域网/接入网中发挥着关键性作用。

24、但EDFA级联噪声大以及带宽受限，它与DRA混合使用，在长距离、大容量传输中是当前的一种优秀方案。FRA：宽带、低噪声、抑制非线性、提高传输距离，进行色散补偿等，必将成为下一代光放大器的主流。城域网/接入网中光放大器目前具有竞争力的技术为Mini EDFA、EDWA 和 SOA 技术，这种低价放大器正在标准化。随城域网建设的兴起，光放大器在低价领域必有一番作为3。2 EDFA在密集波分复用系统中应用2.1 波分复用（WDM）的基本概念2.1.1 波分复用系统的组成光通信系统可以按照不同的方式进行分类。如果按照信号的复用方式来进行分类，可分为频分复用系统（FDM-Frequency Divisi

25、on Multiplexing ）、时分复用系统（TDM-Time Division Multiplexing）、波分复用系统（WDMWavelength Division Multiplexing）和空分复用系统（SDM-Space Division Multiplexing）。所谓频分、时分、波分和空分复用，是指按频率、时间、波长和空间来进行分割的光通信系统。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

26、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（ DWDM-Dense 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（CWDM-Coarse Wave Division Multiplexing）。这里可以将一根光纤看作是一个“多车

27、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ITU-T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

28、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

29、输系统的监控而设立的。ITU-T 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。2.1.2 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

30、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。2.1.3 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。 1、 EDFA增益带宽目前，EDFA可用增益频谱范围为l530l565nm，增益

31、带宽为35nm左右，可以满足432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。 2、 WDM系统对EDFA增益平坦度的要求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

32、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15281568nm

33、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MZ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

34、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

35、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。ITU-T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

36、”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。2.1.4 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

37、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

38、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。ITU-T G.692 建议，DWDM 系统的绝对参考频率为193.1THz（对应的波长1552.52nm），不同波长的频率间隔应为100GHz的整数倍（对应波长间隔约为0.8nm的整数倍）。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

39、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。2.2 EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析2.2.1 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

40、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：1.1 掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通

41、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。  1.2 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。  1.3 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、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 1.4 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，

42、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160200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。   1、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。2、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，

43、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。3、用户接入网中的光纤放大器光纤放大器在用户接入网中也占有重要地位。在光纤用户网中，虽然用户系统的距离较短，但是用户网的分子太多，光线干线中的光信号功率要进行众多的分配，甚至是多级进行分配。这样一来被分配到每个分支获得光信号就相当的弱，不能保证用户的终端设备的接收质量。为此，需要将光信号进行放大，这就需要光纤放大器。将光纤放大器置于光发射机后端，以提高入纤的光功率，使整个线路系统的光功率得到提高，以满足各级需要，这就要

44、用到光纤功率放大器。 在用户网中，当用户系统距离过长时需要使用线路放大器；为了提高各支路的光功率分配数量，也要使用这类放大器。 总之，光线放大器在用户接入网中主要是提高光信号的功率，即可以补偿光耦合器灯光器件所造成的光损耗，又可以大大提高用户数量以及复用密度，对降低用户网建设成本也会起到很大作用。掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用主要是补偿传输中的光纤损耗，根据放大器在系统中的位置及作用，可以分成以下三种类型：1.功率放大器（booster-Amplifier），处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对

45、一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。2.线路放大器（Line-Amplifier），处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。3.前置放大器（Pre-Amplifier），处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度（在光信噪比(OSNR)满足要求情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度），要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求7。2.2.2 DWDM中对EDFA的主要性能要求为了满足在密集波分复用系统中应用的要求，掺铒光纤放大器的性能和功能上有其特殊的要

46、求，光信号传输后最重要的一个指标是光信噪比（OSNR）。掺铒光纤放大器除了放大输入的光信号之外，还产生ASE噪声，可以等效成一个理想的增益为G的放大器，和一个功率为Pase的噪声源相叠加。对于一个N个放大器的级联系统，每一级放大器将前一级的ASE噪声放大G倍，同时叠加上本身产生的ASE噪声，噪声逐级积累，于是，光信噪比（OSNR）将逐级劣化。光信噪比定义：OSNR = Psig / Pase可以看出，可以通过提高每个信道的光功率即提高掺铒光纤放大器的总输出功率来提高光信噪比，也可以通过降低放大了大自发辐射噪声（ASE噪声）来提高光信噪比。对于一个N段光纤的系统，有N+1个光放大器级联，假设每一

47、级放大器都一样，每一段光纤损耗都等于放大器的增益，那么，终端的放大了的自发辐射噪声Pase = F（G-1）hvB0（N+1）可以看出Pase随放大器的级数线性增长，而光纤的损耗是随着光纤长度增长呈指数增长，根据假设，放大器的增益正好补偿光纤损耗，可以得出以下结论：Pase不变时，降低中继长度（即降低掺铒光纤放大器增益），增加中继个数（即增加掺铒光纤放大器级联个数），要比增加中继长度，减少中继个数传输更远的距离。换一个角度说，传输距离相同的情况下，降低中继长度，增加中继个数，要比增加中继长度，减少中继个数时有较小的Pase，即提高了接收端光信噪比（OSNR）。另外，在系统设计中，除了选择中继距

48、离外，选用噪声指数小的掺铒光纤放大器也是提高光信噪比的一种有效的方法。在密集波分复用系统中为了容纳更多的信道，提高系统容量，有两种方法：一种是降低信道的间隔；另一种是拓展掺铒光纤放大器的工作波长范围。在拓展工作波长范围的同时，还必须保证在工作波长范围增益平坦，因为掺铒光纤放大器是级联使用的，每一级小的不平坦，在多级级联后，就会变得很不平坦，造成在线路终端的各个信道功率差别太大。掺铒光纤放大器的增益特性是小输入光信号增益大，大输入光信号时增益小，在密集波分复用系统中，如果不对线路光纤放大器的增益进行控制的话，那么，在输入信道少时（小输入光信号）的增益要比输入信道多时（大输入光信号）增益大，这会造

49、成输入信道少时，每个信道输出功率大，在极端情况下，只有一个输入信道，那么，就有可能造成输出光信号足够大，在光纤传输中产生非线性失真。因此，线路放大器必须具有增益锁定功能，保证在输入是大信号和小信号时，增益都是一样的，即每个信道的输出光功率在输入信道增减时都保持恒定。3 光通讯系统和放大器设计软件OptiSystem在成本效力和生产效率对于成功至关重要的光通讯工业里，获奖软件OptiSystem可以在光通讯系统、连接和元件的设计中最小化时间需要和降低成本。OptiSystem是一款新颖的、高速发展的、功能强大的软件设计工具，能使用户在从LAN，SAN，MAN到ultra-long-haul的宽光

50、谱光网络的传输层上进行设计、测试和模拟计划所有类型的光连接。它提供从元件到系统水平在传输层光通讯系统设计和预研，同时呈现可视化的分析及特定结果。结合其它Optiwave产品和工业中主要电子设计软件的工具，使OptiSystem加快您的产品投放市场的速度和减小回报周期。3.1 独特优势：提供全面的系统性能洞察；评估参量灵敏度以辅助设计容差规格；为潜在客户真实呈现设计选项和细节；为广泛的系统特征参数的设定提供简单接口；提供自动参数扫描和优化；结合广泛应用的Optiwave产品。3.2 应用领域：OptiSystem为不断演化的光子市场提供功能强大容易使用的光系统设计工具，满足研发科学家、光通讯工程

51、师、系统管理员、学生及各类其它用户的需要。OptiSystem使用户可以设计、测试、和模拟：WNM/TDM 或CATV网络设计，SONET/SDH环设计，发射系统、信道、放大器、和接收系统设计，色散图设计，评估BER和不同接收模型的系统代价，放大系统BER和连接开支计算。3.3 功能说明：1 Component Library(元件库)OptiSystem元件库包含数百给元件，使你可以输入从实际设备中测得的参数。它结合来自不同厂商的测试测量设备。用户可以合并新的元件基于子系统和用户自定义库，或者利用与第三方模拟工具如MATLAB或SPICE的联合模拟。2 结合Optiwave软件工具OptiS

52、ystem允许客户采用特殊的Optiwave软件工具用于元件层面的集成和光纤光学：OptiAmplifier，OptiBPM，OptiGrating，和OptiFiber。3 混合信号表示（Mixed signal representation）OptiSystem为元件库里光信号和电信号处理混合信号方程。OptiSystem采用与模拟精度和效率有关的适当的数值方法计算信号。4 品质和性能运算法则为预测系统的性能，OptiSystem对内部信号干涉和噪声限制的系统采取数值分析或者半分析技术计算参数如BER和Q因子。5 先进的查看工具（Advanced visualization tools）先

53、进的查看工具产生OSA光谱、信号啁啾、眼图、偏振态、星形图等等。还包括WDM分析工具列出信号功率、增益、噪声图、以及每个信道的OSNR。6 数据监视（Data monitors）你可以选择元件端口用于保存数据，还可以在模拟终端粘贴监视器（monitors）。这允许在模拟后处理数据而不需要重新计算。你可以连接任意数目的观察器到同一个端口的监视器上。7 用子系统分等级模拟（Hierarchical simulation with subsystems）为使模拟工具更加灵活高效，有必要提供在不同层面的模拟，包括系统、子系统和元件层面。OptiSystem表现了在元件和系统上真正的分等级定义。使你能够

54、采用特定的集成光纤光学软件工具在元件层面上，可以模拟希望的精度标准。8 强大的脚本语言（Powerful Script language）你可以输入算数表达式作为参数和创建全局参数（采用VB Script语言可以在元件和系统中进行共享）。在使用脚本页（script page ）时脚本语言可以操作和控制OptiSystem，包括计算、Layout创建和数据处理。9 计算数据流实时查看（State-of-the-art calculation data-flow）计算流程列表通过决定元件模型（根据选择的数据流模型）的执行系数来控制模拟。主要工作于传输层模拟的数据流模型是元件迭代数据流（CIDF）。

55、CIDF主要采用运行时间进程表、支持条件、数据依赖迭代、和真实递归。10 报告页面（Report page）一个用户定制的报告页面允许显示在设计中的设定的任何参数和可用结果。产生的结果可以被表示为大小可调、可以移动的电子列表、文本、2D和3D图形。它同时包含HTML输出和带预先格式化的报告面板的模版。11 材料清单（Bill of materials）OptiSystem提供被设计、安装的系统的成本分析表。成本数据可以输出到其它软件或电子表格中。12 多设计版面（multiple layouts）你可以在同一个项目文件（project file）中创建多个设计，这使得创建和修改变得快速而高效。

56、每一个OptiSystem项目文件（project file）中都可以包含多个设计。设计可以被独立地计算和修改，但是计算结果可以在不同设计间交叉结合，允许进行比较。13 Optisystem的新特征新版本的OptiSystem在基于FTTx的无源光网络（PON）、光无线通信（OWC）、和光纤广播系统（ROF）方面的设计得到了一系列的加强。14 双向AWG（Bi-Directional AWG）新特征加强了OptiSystem独特的双向能力，使PONs的AWG的设计更加容易。15 微波元件（Microwave Components）新的成熟的元件库里包括180度到90度的混合耦合器，DC阻断器，

57、功率分束和结合器。一个理想的ROF模拟应用解决方案。16 光纤和放大器（Optical Fibers and Amplifiers）一个新的离散化参数用于宽带采用信号，为掺杂放大器增益和布里渊计算提供了更好的性能、精度和收敛。四波混频、布里渊散射模拟、自相位调制、交叉相位调制、和拉曼散射模拟都包含在OptiSystem的光纤模型中。17 自由空间光学（FSO）新特征可以模拟复杂卫星间的通信连接。18 星座和极线图（Constellation and Polar Diagrams）一个新的OptiSystem中的计算引擎用于估计用户定义区域和对象的误码。先进分析工具组（Advanced Analysis Toolsets）光子全参数分析器同时测量偏振模散射（PMD）和记录多路径。这一全面的新特征可以测量插入损耗（IL）、差分群速延迟（DGD）、偏振色散（PDC），消偏率，散射，散射斜度，和群延迟（GD）。19 S参数提取（S-Parameter Extractor）从光发射器到接收器的信号特征可以被提取并输出为工业标准格式S参数，有益于EDA工具提供综合S参数支持，这大大缩短了设计周期。4 掺铒光纤放大器的工作原理及放大分析4.1掺铒光纤放大器的介绍石英光纤掺稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)后可构成多