光纤放大器在光通信的应用—张虎城(3)

1、本科生毕业论文（设计）打印专用纸毕业论文（设计）论文（设计）题目： 光纤放大器在光通信中的应用 院系名称： 计 算 机 学 院 专业名称： 通 信 工 程 学生姓名： 张 虎 城 学 号： 200613240522 指导教师： 蒲 斌 成绩评定： 教 务 处 制 2010年 月 日目录光纤放大器在光通信的应用3摘 要3关键词：3第一章 引言4第二章 EDFA的原理及结构51 EDFA的原理52 EDFA的结构53 EDFA的特性及性能指标64 EDFA的带宽6第三章 EDFA的级联应用71 EDFA的级联结构72 EDFA级联应用的增益721 增益计算722 影响增益的因素8第四章 光纤放大器

2、的其它应用101 功率放大器102 前置放大器113 线路放大器114 用户接入网中的光纤放大器115 光纤CATV中的放大器126 在密集型波分复用（DWDM）系统中的应用14第五章 结语14参考文献：15致谢16光纤放大器在光通信的应用张虎城计算机学院通信工程专业2006级 指导老师：蒲斌摘 要：本文首先着重介绍了采用EDFA级联的方法，实现了光信号30dB的增益，满足无线光通信光功率传播的要求，使得光信号能在大气信道进行远距离，高稳定性传输。同时在现有的基础上，提出了需改进的问题，为今后研究的进一步开展指出了方向；其次还具体列举了光纤放大器的其他应用，包括海缆系统，本体网，用户接入网，光

3、纤CATV等工程。方便以后在工作和学习中运用，解决实践中遇到的问题。关键词：泵浦 噪声系数 基态 EDFA 信号增益 频谱带宽 光纤放大器 光通信 功率放大器 前置放大器 DWDM CATV Fiber amplifier applications in optical communicationsZhang huchengComputer Science, Communication Engineering 2006 Instructor: PubingAbstract: This paper focuses on the use of EDFA cascade approach to ac

4、hieve 30dB of gain of optical signals, to meet the wireless optical communication optical power transmission requirements, the optical signal channel in the atmosphere for long-range, high stability of the transmission. At the same time the existing basis, put forward the issue needs to be improved

5、for future research further points out the direction; second fiber amplifier also specifically cited the other applications, including submarine cable systems, ontology network, user access network, fiber CATV and other projects. Facilitate the future use of the work and learning to solve problems e

6、ncountered in practice.Key words: Pump ;Noise figure; Ground state ;EDFA ; Signal gain; Fiber Amplifier ; Spectrum bandwidth ; Optical Communication ; DWDM ; CATV; Preamplifier;第一章 引言 无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速

7、。它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。但是，恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空问、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变，要获得更好更快的传输效果，对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展，稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。第二章 EDFA的原理及

8、结构掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点，直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。1 EDFA的原理 EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统，如图1所示。 在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒

9、光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射(ASE)，它造成EDFA的噪声。2 EDFA的结构 典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。 掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强光隔离器的作用是抑制光反射，以确保放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。 图2为单向泵浦方式结构，此外还有反向泵浦，双向泵浦方式结构。 3 EDFA的特性及性能指标增益特

10、性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比：式中：Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益，其单位为dBmW：式中：g0是由泵浦强度定的小信号增益系数，由于增益饱和现象，随着信号功率的增加，增益系数下降；Is，Ps分别为饱和光强和饱和光功率，是表明增益物质特性的量，与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。增益和增益系数的区别在于：增益主要是针对输入信号而言的，而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外，增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关，目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1 48

11、0 nm。由于各处的增益系数是不同的，而增益须在整个光纤上积分得到，故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。4 EDFA的带宽增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率变化关系比理论的复杂得多，它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米而且增益谱较平坦。ED-FA的增益频谱范围在1 5251 565 nm之间。第三章 EDFA的级联应用1 EDFA的级联结构EDFA对光信号功率的放大，特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中，常常采用级联的方式，比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式，是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一

12、个光隔离器，构成带光隔离器的两段级联EDFA，由于光隔离器有效地抑制了第二段：EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信号光能量，从而可以明显改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大，将12 mW的1 550 nm光信号，经EDFA放大到1 W左右。级联结构如图3所示。光信号由LD激光器产生，是已调制的信号，第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器，980 NM单模半导体激光器作为泵浦源，将光功率放大到50 MW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦，先将光信号稳定可靠的放大到一定功率，保证了整个光

13、信号的完整，又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器，多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大，泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中，使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。2 EDFA级联应用的增益21 增益计算 对EDFA级联的整体光功率增益：其中：POUT表示EDFA两级放大后的输出光功率，PIN表示需要放大的输入光功率。 在本文中，光放大采用了两级级联放大，第一级增益为G1：其中第一级的输出为第二级的输入，P''OUT=P''IN=P，所以：即，整体增益等于两级增益之和，本文的整体光功率增益为：

14、第一级增益为17 DB，第二级增益为13 DB，1 W的光功率经过准直聚焦，再有光学镜头发射到大气信道，大大提高了光信号的有效传输距离。22 影响增益的因素 EDFA的增益与诸多因素有关，如掺铒光纤的长度，随着掺铒光纤长度的增加，增益经历了从增加到减少的过程，这是因为随着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率将下降，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数恢复到正常的数值。 由于掺铒光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子，引起增益下降。由上述讨论可知，对于某个确定的入射泵浦功率，存在着一个掺铒光纤的最佳长度，使得增益最大。增益与掺铒光纤长度

15、的关系如图4所示。EDFA的增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子ER3+的浓度都有关系，如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，受激辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，受激辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3 DB饱和输出功率也就越大。其次与当ER3+的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺铒光纤的铒离子浓度。采用EDFA后，提高了注入光纤的功率，但当大到一定数值时，将产生光纤非线性效应和光泄漏效应，这影响了系统的传输距离和传输质量

16、。另外色散问题变成了限制系统的突出问题，可以选用G653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来解决这一问题。 之所以采用EDFA级联的方式，一是插入两级间的光隔离器有效地抑制了第二段EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信号光能量；二是分为两级后，各自的增益可以任意分配，可以根据不同的增益要求和应用环境改变相应的增益。但是，要在保证信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益，还需要解决一些问题： (1)由于增益分为两级，如何分配两级问的增益才能在现有的EDF、泵浦源功率等条件下使得光放大的实现更容易，这

17、与EDF的放大能力，泵浦远功率大小、稳定性，泵浦光波长及其模式等均有密切相关。 (2)在每一级各自一定的泵浦功率下，找到掺铒光纤的最佳长度。当EDF过短时，由于对泵浦吸收的不充分而导致增益降低；而当EDF过长时，由于泵浦光在EDF内被铒离子吸收，泵浦功率逐渐下降，当功率降至泵浦阈值以下时，就不能形成粒子数反转，此时，这部分EDF不仅对信号光无放大作用，反而吸收了已放大的部分信号，造成增益的下降，同时也会引起噪声系数的增大。(3)如果需要更高的光功率输出，几十瓦甚至上百瓦，可考虑更高级联的方法，因为随着增益的增大，泵浦源由于转换效率的问题，功率需求会很高，所需的单级EDF长度也会大大增长，这样的

18、工作条件往往不易达到，且稳定性不强，采用更高级联可以将增益划分到多级，易于实现和控制，光模块的整体增益特性也有较大提高。第四章 光纤放大器的其它应用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、光纤CATV等工程。1 功率放大器掺铒光纤放

19、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、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，

20、即用光波复用扩容时，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160200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。2 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。各

21、类接收机灵敏度示于图5。图5FUMP_LDPINFC/APCCCwDMFC/APCCCc光输出端光输入端ISOIEDFISO2PIN控制单元监控接口3 线路放大器 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。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。 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。 4 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

22、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

23、作用。 5 光纤CATV中的放大器 对 于光纤/同轴混合结构的多种系统并存的CATV网络，掺铒光纤放大器日益抽到重视，尤其是前端集中的系统，点对多点的光波式结构和长距离的干线传输系统更 是如此。对于CATV设计者最常用的树形分配网络中，系统的效率是由每个用户成本所决定的。因此，采用掺铒光纤放大器提高光功率可以在原有发射设备基础 上，为更多的用户服务，从而降低发射机单位毫瓦的造价。另外，在近几年来，包含有掺铒光纤放大器的1550nm光发射设备可以最廉价的实现光纤到路边和光 纤到大楼。总而言之，在CATV光纤干线传输和功率分配系统以及逐步实现语音、图像、数据通路传输的“三网合一”，为最终实现宽带的

24、综合服务数字网，掺铒 光纤放大器将发挥不可估量的作用。如上所述，掺铒光纤放大器在光纤CATV中的应用示于图4。在这三种用途中，当前主要作为功率放大器和线路放大器，其目的是补偿光纤传输损耗或用作补偿光分路器的分支损耗。在CATV系统中，EDFA功率放大器可以将发射机的输出功率从24 mW提高到60mW。一台CATV光接收机需要的接受光功率为1mW，那么不加EDFA一台发射机只能带24台接收机，极不合算。使用EDFA后，发射机光功率提高到60mW，一套发射机+EDFA系统可以带60个接收机，使昂贵的发射系统有更多的用户共享，使每用户成本降低。下面举一例说明：EDFA（c）前置放大器E/OE/OE/

25、O EDFA光纤光纤光分支EDFA（a）功率放大器（b）线路放大器O/E光分支图6 掺饵光纤放大器在CATV中的运用设想有一CATV 网需要240个光接收机，1310nmCATV发射机输出光功率为16mW（价格为15万元），则需要15台发射机，发射设备总价格225万元（网络结构如图5a）；用1550nmCATV系统需要：1550nmCATV发射机，发射光功率4mW（价格30万元）一台，输出光功率为50mW的EDFA5台（50nmWEDFA价格15万元，则发射设备总价格（网络结构如图5b）两者相差120万元，1550nm发射系统的成本仅为1310nm发射系统的47%。由于光缆在1550nm波段的

26、衰耗只有1310波段的57%，因此在发射系统具有相同的发射总功率的情况下，1550nm波段的发射设备比1310nm的设备能传输更长的距离，带更多的光接收机。从以上实例可以看出，应用EDFA的1550nm波段的CATV系统具有明显的性能价格比优势，是目前CATV发展的主流。 功率放大器是在CATV系统的前段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。功率放大器于功率分配器也可考虑做成两端重复使用。从原理前短处奖光纤干线分支时，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。6 在密集型波分复用（DWDM）系统中的应用 由于EDFA具有30nm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的应用于DWDM系统中，补偿各种光衰耗。应用EDFA由DWDM系统如图8所示。图8 掺