EDFA+WDM系统

1、EDFA放大器+WD系统设计班级：通信13-2班姓名：闫振宇学号：1306030222成绩：电子与信息工文档学院考信息与通信工程系学习文档仅供参考EDFA放大器+WD系统设计、八 、刖言光纤通信是用光为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种传输方式。 它首先要在发 射端将需要传送的，电报，图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后复原成原信号。现 如今用光纤来传递信息已成为非常重要的信息传递方式。在光纤通信系统中光放大又是一个非常重要的环节。光放大器是可将微弱的光信号直接进行光放大的器件。它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃

2、；它使光波分复用 WDM丨技术迅速成熟并得于商用，同时 他为未来的全光通信网奠定了扎实的根底， 成为现代和未来光纤通信系统中不可少的重要 器件。近年来，包括有线电视在内的光纤通信系统，由于光纤干线的普及，由于光纤干 线的普及为了，适应通信容量的扩大和远距离传输光纤网络高功能化的需要，波分复用WDM丨技术有了新的开展。但在 WDM系统中，最有力的关键技术，就是光纤放大器 的实用化。在通信系统中，由于早期铺设的光纤条件的限制，利用1条光纤传 的高速信号比拟复杂，但如利用2.5GbpsX4的四波WDM传输，那么很容易实现。因此，从90年代后 期起WDM的开展，也推动了 EDFA的进步。1. 光纤通信

3、系统光纤通信系统可分为三个根本单元：光发射机，光纤和光接收机构成示意图如图1-1所示光发射机光接收机图1-1光纤通信系统构成示意图光发射机有将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传 输装置组成。光源是其核心器件，有半导体发光二极管 LED 过着激光二极管 LD 构成； 光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在； 光接收机由光检测器， 放大电路和信号恢复电 路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源，无源 器件，连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用， 光耦合器用于需要传输的光分路或合 路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定

4、距离后，因光纤衰 减产生的光功率减弱。2. 掺杂光纤放大器2.1 放大器光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。光信号沿光纤传输一定距离后， 会因为光纤的衰减特性而减弱， 从而使传输距离受到限制。 光纤通信早起使用的是光 电光再生中继器，需要进行光电转换，电放大，再定时脉冲整形及电光转换。在光纤 网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时， 无法使用 传统的中继器，因此产生了对光放大器的需要。与传统的中继器比拟起来，它具有两个明显的优势：1. 它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，即光放大器对任何比特率和格式的 信号格式都是透明的；2. 它不只是对单个信号波

5、长，而是在一定的波长范围内对假设干个信号都可以放大。2.2 放大器的工作原理光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。工作原理如图 2-1 所示。图中的激活介质为一种稀土掺杂光纤， 它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳到高能 级上，产生粒子数反转，输入信号光子通过受激辐射过程这些这些已经激活的电子，使他 们跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的信号。2.3掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。 光纤通信系统 最适合掺杂光纤放大器是工作波长为 155Onm的掺杂光纤放大器和工作波长为 130Onm的 掺杂光纤放大器。2.3.1 EDFA 结构掺铒光纤放大

6、器EDFA是利用掺铒光纤作为增益介质，使用激光器二极管发出的泵浦 光对信号光进行放大的器件。掺铒光纤放大器的结构如图2-2所示。光隅离器波分复用器撞弭光纤光隔离器滤液器图2-2掺铒光纤放大器的结构图掺铒光纤是EDFA的核心部件。它是以石英光纤作为基质，在纤芯中掺入固体激光工 作物质一一铒粒子。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。掺铒光纤的模场直径为 36 m，比常规光纤的 9 16 m要小得多。这是为了提高信号 光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。但掺铒光纤纤芯径的减少也使得它 与常规光纤的模场不匹配，从而产生较大的反射和链接损耗，解决的方法是在光纤中掺入

7、少许氟元素，使折射率降低，从而增大模场半径，到达与常规光纤可匹配的程度。为了实现更有效的放大，在制作掺铒光纤时，将大多数铒离子集中在纤芯的中心区域，因 为在光纤中，可认为信号光与泵浦光的光场近似为高斯分布，在纤芯轴线上光强最强，铒 离子在近轴区域，将使光与物质充分作用，从而提高能量转换效率。一个典型的掺铒光纤放大器主要由以下几局部组成：1. 泵浦源：EDFA的另一个核心部件，它为光信号放大提供足够的能量，是实现增益介质粒子数反转的必要条件，由于泵浦源直接决定着EDFA的性能，所以要求其输出功率 高，稳定性好，寿命长。实用的EDFA泵浦源都是半导体激光二极管，其泵浦波长有980nm 和1480n

8、m两种，应用较多的是980nm泵浦源，其优点是噪声低，泵浦功率高。2. 波分复用器：也称为和波器，它的功能是将 980/1550nm或1480/1550nm波长的泵 浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。3. 光隔离器：是使广德传输具有单向性，防止光反射回原器件，因为这种反射会增加 放大器的噪声并降低放大效率。4. 光滤波器：滤掉工作带宽之外光放大器中的噪声，以提高系统的信噪比。2.3.2 EDFA工作原理EDFA的工作机理基于受激辐射。为了实现受激辐射，需要产生能级2与能级1之间的粒子数反转，即需要泵浦源将铒离子从能级1激发到能级2。有两种波长的泵浦源

9、可以满足要求：1.980nm波长的泵浦源：粒子从能级1跃迁到能级3,停留短暂的1 m，无辐射降到 能级2,在能级2停留10 m,粒子源源不断进入能级2,曹成能级2粒子数远大于能级1 粒子数，实现了能级 1,2的粒子数反转。信号鼓励铒离子从能级 2回到能级 1，释放的能 量以与输入光波相同方向, 相位,波长的放大了的光波。 少数粒子以自发辐射回到能级 1, 产生自发辐射的噪声,其特性随即变化,并得到放大。2. 1480nm 波长的泵浦源：直接将铒离子从能级 1 跃迁到能级 2,实现粒子数反转, 同样在输入光鼓励下由 2 回到 1 释放的光特性与输入光相同,且得到了放大。2.3.3 EDFA 增益

10、平坦性增益平坦性是指增益与波长的关系, 我们所希望的 EDFA 应该在我们所需要的工作波 长范围具有较为平坦的增益, 特别是在 WDM 系统中使用时, 要求对所有信道的波长都具 有相同的放大倍数。但是作为 EDFA的核心部件一一掺铒光纤的增益平坦性却不理想。为了获得较为平坦的增益特性,增大 EDFA 的带宽,有两种方法可以采用：1. 采用新型宽谱带掺杂光纤；2. 在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。3. 波分复用技术 WDM采用单波长光载波与传统的电时分复用 TDM 相结合的技术, 虽然目前传输速率可 以到达 40Gb/s 的水平,但是由于受到电子迁移速率的限制,进一步提高传输速率已经十 分困难了

11、；而且单波长传输波长应用到光网络时,还需构建新的光纤路由。所有这些都限 制了单波长光纤传输系统的开展与应用。为避开这些限制,有两种方法：1. 采用波分复用 WDM 技术,通过多个波长的复用增加单根光纤中传输的信道数来提 高光纤的传输容量；2. 采用光时分复用 OTDM 技术,通过光的时分复用技术提高单信道传输速率来到达 增加通信容量的目的目前采用WDM技术实现的最咼速率已达1仃b/s,而OTDM技术在实验室实现的单 信道最高速率也已到达640Gb/s。3.1 WDM工作原理WDM技术，就是以光波作为载波，在一根光纤内同时传输多个不同波长的光载波信号的技术。每个波长的光波都可以单独携带语音、数据

12、和图像信号，因此，WDM技术可以让单根光纤的传输容量获得倍增。WDM传输系统工作原理如图3-1所示。坷L*光纤0解 £ 用A亠SE f一心心-心图3-1 WDM传输系统工作原理图在发送端，n个光发射机分别工作在n个不同波长上，这n个不同的波长间有适当的 间隔分隔，分别记为1， 2，n,这n个光波作为载波分别被信号调制而携带信息。一 个波分复用器将这些不同波长的光载波信号进行合并，耦合入单模光纤，在接受局部由一个解复用器将不同波长的光载波信号分开，送入各自的接收机进行检测。在长波长波段，光纤有两个低损耗传输窗口，即1310nm和1550nm窗口。这两个窗口的波长范围分别为1270 13

13、50nm和1480 1.6nm的谱宽裕量，应是合理的。3.2 WDM系统的根本组成WDM系统必须有工作在不同波长上的激光器，有能够将不同波长的光信号进行合并, 选择和分路的波分复用器和解复用器，还要有将解复用后的光信号进行光电检测的光接收 机，以便复原出原始信号。假设要传输更长的距离，那么还需要能够将各路光信号同时进行 放大的放大器等。WDM 系统还应有光监控局部和网络管理局部。WDM 系统可以有双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输指的是一根光纤完成 一个方向的传输， 而另一根光纤那么完成反方向的传输。 由于两个方向的传输分别有两根光 纤完成，因此，同一个波长可以在两个方向上同时被利用。单

14、纤双向传输那么是由同一根光 纤完成两个方向上的信号传输， 两个方向的信号必须分配不同的波长。 同一个波长不能被 两个方向的信号同时利用。3.3WDM技术的主要特点1. 充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到 几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低本钱，具有很大的应用价值和经济价值。2. 由于 WDM 技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号， 完成各种信号的综合和别离，实现多媒体信号混合传输。3. 由于许多通信都采用全双式方式，因此采用 WDM 技术可节省大量线路投资。4. WDM系统中的光放大器在 WDM 系统中，有多个波长的信号传输时， 中继

15、器将无法工作， 否那么必须先解复用， 再对每个波长进行中继处理。这样将导致中继器非常庞大、复杂。这是制约 WDM 技术发 展的一个重要问题。所以可以引入掺铒光纤放大器 EDFA。由于EDFA在光纤的低损耗传 输窗口 1550nm 附近约 35nm 的带宽范围内具有很高的增益，可对多个光波信号同时进行 在线放大以补偿信号在光纤中的所经历的衰弱，不需要进行光 /电和电 /光的转换，而且对 信号的传输速率透明。 因此，它解决 WDM 系统中多信道信号放大的问题， 取代了中继器。WDM 系统中应用 EDFA 时必须注意以下三点：1增益的平坦性当EDFA只用于放大一个波长的信号时，具有很好的放大特性。但

16、是，当多个波长进入 EDFA 时，由于增益的不平坦，将导致有的信号得到的增益高，有的信号得到 的增益低。当多个 EDFA 进行级联时，这种功率差异会被放大，不仅使各信道在接收 机上的信噪比不一样，而且可能导致到达接收机的信号功率超出接收机的动态范围而 使接收机无法工作。有几种方法来均衡这种不平坦，这里介绍两种方法：1. 预均衡：在光发射机端预先将各信道的功率设置成上下不同的值，那些将在放大 器中得到高增益的信道的功率设置成低功率，反之那么设置为高功率。2. 在 EDFA 模块中参加一个精心设计的滤波器，使其通带特性正好补偿放大器的增 益不平坦，从而到达平坦放大器增益的目的。这种 WDM 用光放

17、大器的核心部件之一是一个能够平坦放大器增益的滤波器。 现阶段 使用的滤波器主要由多层介质薄膜滤波器和光纤光栅滤波器。 这种滤波器的损耗特性通常 是固定不变的。 这样，当 EDFA 在系统中应用时其增益平坦度仍然只能在某些工作条件下 得到保证，而在另外的条件下增益还是不平坦的。2功率暂态与自动增益控制在实际的系统中，当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行上/下路时， EDFA的输入功率就会突然增加 /减少，导致 EDFA 的增益发生暂态变化，其他信道从 EDFA 得 到的增益就会减小或增大， 最终导致那些仍留在光纤链路上的信道到达各自接收机的功率 发生暂态变化，这就叫做功率暂态。为防止功率暂态的现象发生，放大器的增益必须得到控制。通常， EDFA 在 WDM 系 统中工作时的模式有三种：自动增益控制模式、自动功率控制模式及自动电流控制模式。 当工作在自动增益控制模式时，其增益是恒定的，假设输入光功率的大小改变，那么控制电 路可根据要求的增益，调整泵浦电流使 EDFA 仍然工作在指定的增益点上。 3 ASE 噪声：EDFA级联应用时，上一级的ASE噪声作为信号与真正的信号一起输入下一级 EDFA 而被放大，这样， A