EDFA+WDM系統(tǒng)

1、EDFA放大器+WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)班 級(jí)： 通信13-2班 姓 名： 閆振宇 學(xué) 號(hào)： 1306030222 成 績(jī)： 電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系EDFA放大器+WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言光纖通信是用光為信息的載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種傳輸方式。它首先要在發(fā)射端將需要傳送的電話，電報(bào)，圖像和數(shù)據(jù)等信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即將電信號(hào)變成光信號(hào)，再經(jīng)光纖傳輸?shù)浇邮斩?，接收端將接收到的光信?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后還原成原信號(hào)?，F(xiàn)如今用光纖來傳遞信息已成為非常重要的信息傳遞方式。在光纖通信系統(tǒng)中光放大又是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。光放大器是可將微弱的光信號(hào)直接進(jìn)行光放大的器件。它的出現(xiàn)使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍；它

2、使光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)迅速成熟并得于商用，同時(shí)他為未來的全光通信網(wǎng)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代和未來光纖通信系統(tǒng)中不可少的重要器件。近年來，包括有線電視在內(nèi)的光纖通信系統(tǒng)，由于光纖干線的普及，由于光纖干線的普及為了，適應(yīng)通信容量的擴(kuò)大和遠(yuǎn)距離傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)高功能化的需要，波分復(fù)用（WDM）技術(shù)有了新的發(fā)展。但在WDM系統(tǒng)中，最有力的關(guān)鍵技術(shù)，就是光纖放大器的實(shí)用化。在通信系統(tǒng)中，由于早期鋪設(shè)的光纖條件的限制，利用1條光纖傳的高速信號(hào)比較復(fù)雜，但如利用2.5Gbps4的四波WDM傳輸，則很容易實(shí)現(xiàn)。因此,從90年代后期起WDM的發(fā)展，也推動(dòng)了EDFA的進(jìn)步。1. 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)可分為三

3、個(gè)基本單元：光發(fā)射機(jī)，光纖和光接收機(jī)。構(gòu)成示意圖如圖1-1所示。圖1-1 光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成示意圖光發(fā)射機(jī)有將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào)送入光纖的傳輸裝置組成。光源是其核心器件，有半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED過著激光二極管LD構(gòu)成；光纖在實(shí)用系統(tǒng)中一般以光纜的形式存在；光接收機(jī)由光檢測(cè)器，放大電路和信號(hào)恢復(fù)電路組成。光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)也稱為光端機(jī)。在光纖通信系統(tǒng)中還包括大量的有源，無源器件，連接器起著各種設(shè)備與光纖之間的連接作用，光耦合器用于需要傳輸?shù)墓夥致坊蚝下返膱?chǎng)合，光放大器起著對(duì)光波放大的作用，用于彌補(bǔ)光信號(hào)傳輸一定距離后，因光纖衰減產(chǎn)生的光功率減弱。2. 摻雜光纖放大器2

4、.1 放大器光放大器是可將微弱光信號(hào)直接進(jìn)行光放大的器件。光信號(hào)沿光纖傳輸一定距離后，會(huì)因?yàn)楣饫w的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。光纖通信早起使用的是光電光再生中繼器，需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，電放大，再定時(shí)脈沖整形及電光轉(zhuǎn)換。在光纖網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有許多光發(fā)送器以不同比特率和不同格式將光發(fā)送到許多接收器時(shí)，無法使用傳統(tǒng)的中繼器，因此產(chǎn)生了對(duì)光放大器的需要。與傳統(tǒng)的中繼器比較起來，它具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：1. 它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，即光放大器對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)格式都是透明的；2. 它不只是對(duì)單個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)，而是在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)若干個(gè)信號(hào)都可以放大。2.2 放大器的工作原理光

5、放大器是基于受激輻射機(jī)理來實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的。工作原理如圖2-1所示。圖2-1 光放大器工作原理圖圖中的激活介質(zhì)為一種稀土摻雜光纖，它吸收了泵浦源提供的能量，使電子跳到高能級(jí)上，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)光子通過受激輻射過程這些這些已經(jīng)激活的電子，使他們躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大的信號(hào)。2.3 摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大的。光纖通信系統(tǒng)最適合摻雜光纖放大器是工作波長(zhǎng)為1550nm的摻雜光纖放大器和工作波長(zhǎng)為1300nm的摻雜光纖放大器。2.3.1 EDFA結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器EDFA是利用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，使用激光器二極管發(fā)出的泵浦光對(duì)信

6、號(hào)光進(jìn)行放大的器件。摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)圖摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它是以石英光纖作為基質(zhì)，在纖芯中摻入固體激光工作物質(zhì)鉺粒子。在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi)，光與物質(zhì)相互作用而被放大，增強(qiáng)。摻鉺光纖的模場(chǎng)直徑為36，比常規(guī)光纖的916要小得多。這是為了提高信號(hào)光和泵浦光的能量密度，從而提高其相互作用的效率。但摻鉺光纖纖芯徑的減少也使得它與常規(guī)光纖的模場(chǎng)不匹配，從而產(chǎn)生較大的反射和鏈接損耗，解決的方法是在光纖中摻入少許氟元素，使折射率降低，從而增大模場(chǎng)半徑，達(dá)到與常規(guī)光纖可匹配的程度。為了實(shí)現(xiàn)更有效的放大，在制作摻鉺光纖時(shí)，將大多數(shù)鉺離子集中在纖芯

7、的中心區(qū)域，因?yàn)樵诠饫w中，可認(rèn)為信號(hào)光與泵浦光的光場(chǎng)近似為高斯分布，在纖芯軸線上光強(qiáng)最強(qiáng)，鉺離子在近軸區(qū)域，將使光與物質(zhì)充分作用，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。一個(gè)典型的摻鉺光纖放大器主要由以下幾部分組成：1. 泵浦源：EDFA的另一個(gè)核心部件，它為光信號(hào)放大提供足夠的能量，是實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件，由于泵浦源直接決定著EDFA的性能，所以要求其輸出功率高，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)。實(shí)用的EDFA泵浦源都是半導(dǎo)體激光二極管，其泵浦波長(zhǎng)有980nm和1480nm兩種，應(yīng)用較多的是980nm泵浦源，其優(yōu)點(diǎn)是噪聲低，泵浦功率高。2. 波分復(fù)用器：也稱為和波器，它的功能是將980/1550nm或1480/1

8、550nm波長(zhǎng)的泵浦光和信號(hào)光合路后送入摻鉺光纖，對(duì)它的要求是插入損耗小，而且對(duì)光的偏振不敏感。3. 光隔離器：是使廣德傳輸具有單向性，防止光反射回原器件，因?yàn)檫@種反射會(huì)增加放大器的噪聲并降低放大效率。4. 光濾波器：濾掉工作帶寬之外光放大器中的噪聲，以提高系統(tǒng)的信噪比。2.3.2 EDFA工作原理EDFA的工作機(jī)理基于受激輻射。為了實(shí)現(xiàn)受激輻射，需要產(chǎn)生能級(jí)2與能級(jí)1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即需要泵浦源將鉺離子從能級(jí)1激發(fā)到能級(jí)2。有兩種波長(zhǎng)的泵浦源可以滿足要求：1. 980nm波長(zhǎng)的泵浦源：粒子從能級(jí)1躍遷到能級(jí)3，停留短暫的1，無輻射降到能級(jí)2，在能級(jí)2停留10，粒子源源不斷進(jìn)入能級(jí)2，曹成能

9、級(jí)2粒子數(shù)遠(yuǎn)大于能級(jí)1粒子數(shù)，實(shí)現(xiàn)了能級(jí)1,2的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。信號(hào)激勵(lì)鉺離子從能級(jí)2回到能級(jí)1，釋放的能量以與輸入光波相同方向，相位，波長(zhǎng)的放大了的光波。少數(shù)粒子以自發(fā)輻射回到能級(jí)1，產(chǎn)生自發(fā)輻射的噪聲，其特性隨即變化，并得到放大。2. 1480nm波長(zhǎng)的泵浦源：直接將鉺離子從能級(jí)1躍遷到能級(jí)2，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，同樣在輸入光激勵(lì)下由2回到1釋放的光特性與輸入光相同，且得到了放大。2.3.3 EDFA增益平坦性增益平坦性是指增益與波長(zhǎng)的關(guān)系，我們所希望的EDFA應(yīng)該在我們所需要的工作波長(zhǎng)范圍具有較為平坦的增益，特別是在WDM系統(tǒng)中使用時(shí)，要求對(duì)所有信道的波長(zhǎng)都具有相同的放大倍數(shù)。但是作為EDFA的

10、核心部件摻鉺光纖的增益平坦性卻不理想。為了獲得較為平坦的增益特性，增大EDFA的帶寬，有兩種方法可以采用：1. 采用新型寬譜帶摻雜光纖；2. 在摻鉺光纖鏈路上放置均衡濾波器。3. 波分復(fù)用技術(shù)（WDM）采用單波長(zhǎng)光載波與傳統(tǒng)的電時(shí)分復(fù)用（TDM）相結(jié)合的技術(shù)，雖然目前傳輸速率可以達(dá)到40Gb/s的水平，但是由于受到電子遷移速率的限制，進(jìn)一步提高傳輸速率已經(jīng)十分困難了；而且單波長(zhǎng)傳輸波長(zhǎng)應(yīng)用到光網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還需構(gòu)建新的光纖路由。所有這些都限制了單波長(zhǎng)光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。為避開這些限制，有兩種方法：1. 采用波分復(fù)用WDM技術(shù)，通過多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用增加單根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)來提高光纖的傳輸容量；2

11、. 采用光時(shí)分復(fù)用OTDM技術(shù)，通過光的時(shí)分復(fù)用技術(shù)提高單信道傳輸速率來達(dá)到增加通信容量的目的。目前采用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最高速率已達(dá)11Tb/s，而OTDM技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的單信道最高速率也已達(dá)到640Gb/s。3.1 WDM工作原理WDM技術(shù)，就是以光波作為載波，在一根光纖內(nèi)同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)的技術(shù)。每個(gè)波長(zhǎng)的光波都可以單獨(dú)攜帶語音、數(shù)據(jù)和圖像信號(hào)，因此，WDM技術(shù)可以讓單根光纖的傳輸容量獲得倍增。WDM傳輸系統(tǒng)工作原理如圖3-1所示。圖3-1 WDM傳輸系統(tǒng)工作原理圖在發(fā)送端，n個(gè)光發(fā)射機(jī)分別工作在n個(gè)不同波長(zhǎng)上，這n個(gè)不同的波長(zhǎng)間有適當(dāng)?shù)拈g隔分隔，分別記為，.,這n個(gè)光波作

12、為載波分別被信號(hào)調(diào)制而攜帶信息。一個(gè)波分復(fù)用器將這些不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)進(jìn)行合并，耦合入單模光纖，在接受部分由一個(gè)解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)分開，送入各自的接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段，光纖有兩個(gè)低損耗傳輸窗口，即1310nm和1550nm窗口。這兩個(gè)窗口的波長(zhǎng)范圍分別為12701350nm和14801600nm，分別對(duì)應(yīng)著80nm和120nm的譜寬范圍。而目前光纖通信系統(tǒng)中所使用的高質(zhì)量的1550nm的光源，其調(diào)制后的輸出譜線寬度最大不超過0.2nm，考慮到老化及溫度引起的波長(zhǎng)漂移，給出約0.41.6nm的譜寬裕量，應(yīng)是合理的。3.2 WDM系統(tǒng)的基本組成WDM系統(tǒng)必須有工作在不同波長(zhǎng)上

13、的激光器，有能夠?qū)⒉煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行合并，選擇和分路的波分復(fù)用器和解復(fù)用器，還要有將解復(fù)用后的光信號(hào)進(jìn)行光電檢測(cè)的光接收機(jī)，以便還原出原始信號(hào)。若要傳輸更長(zhǎng)的距離，則還需要能夠?qū)⒏髀饭庑盘?hào)同時(shí)進(jìn)行放大的放大器等。WDM系統(tǒng)還應(yīng)有光監(jiān)控部分和網(wǎng)絡(luò)管理部分。WDM系統(tǒng)可以有雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。雙纖單向傳輸指的是一根光纖完成一個(gè)方向的傳輸，而另一根光纖則完成反方向的傳輸。由于兩個(gè)方向的傳輸分別有兩根光纖完成，因此，同一個(gè)波長(zhǎng)可以在兩個(gè)方向上同時(shí)被利用。單纖雙向傳輸則是由同一根光纖完成兩個(gè)方向上的信號(hào)傳輸，兩個(gè)方向的信號(hào)必須分配不同的波長(zhǎng)。同一個(gè)波長(zhǎng)不能被兩個(gè)方向的信號(hào)同時(shí)利用。3.3WDM

14、技術(shù)的主要特點(diǎn)1. 充分利用光纖的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍到幾十倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2. 由于WDM技術(shù)中使用的各波長(zhǎng)相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號(hào)，完成各種信號(hào)的綜合和分離，實(shí)現(xiàn)多媒體信號(hào)混合傳輸。3. 由于許多通信都采用全雙式方式，因此采用WDM技術(shù)可節(jié)省大量線路投資。4. WDM系統(tǒng)中的光放大器在WDM系統(tǒng)中，有多個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)傳輸時(shí)，中繼器將無法工作，否則必須先解復(fù)用，再對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行中繼處理。這樣將導(dǎo)致中繼器非常龐大、復(fù)雜。這是制約WDM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要問題。所以可以引入摻鉺光纖放大器EDFA。由

15、于EDFA在光纖的低損耗傳輸窗口1550nm附近約35nm的帶寬范圍內(nèi)具有很高的增益，可對(duì)多個(gè)光波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行在線放大以補(bǔ)償信號(hào)在光纖中的所經(jīng)歷的衰弱，不需要進(jìn)行光/電和電/光的轉(zhuǎn)換，而且對(duì)信號(hào)的傳輸速率透明。因此，它解決WDM系統(tǒng)中多信道信號(hào)放大的問題，取代了中繼器。WDM系統(tǒng)中應(yīng)用EDFA時(shí)必須注意以下三點(diǎn)：（1） 增益的平坦性當(dāng)EDFA只用于放大一個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)時(shí)，具有很好的放大特性。但是，當(dāng)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)入EDFA時(shí)，由于增益的不平坦，將導(dǎo)致有的信號(hào)得到的增益高，有的信號(hào)得到的增益低。當(dāng)多個(gè)EDFA進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，這種功率差別會(huì)被放大，不僅使各信道在接收機(jī)上的信噪比不一樣，而且可能導(dǎo)致到達(dá)接收機(jī)

16、的信號(hào)功率超出接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍而使接收機(jī)無法工作。有幾種辦法來均衡這種不平坦，這里介紹兩種方法：1. 預(yù)均衡：在光發(fā)射機(jī)端預(yù)先將各信道的功率設(shè)置成高低不同的值，那些將在放大器中得到高增益的信道的功率設(shè)置成低功率，反之則設(shè)置為高功率。2. 在EDFA模塊中加入一個(gè)精心設(shè)計(jì)的濾波器，使其通帶特性正好補(bǔ)償放大器的增益不平坦，從而達(dá)到平坦放大器增益的目的。這種WDM用光放大器的核心部件之一是一個(gè)能夠平坦放大器增益的濾波器?，F(xiàn)階段使用的濾波器主要由多層介質(zhì)薄膜濾波器和光纖光柵濾波器。這種濾波器的損耗特性通常是固定不變的。這樣，當(dāng)EDFA在系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)其增益平坦度仍然只能在某些工作條件下得到保證，而在另外

17、的條件下增益還是不平坦的。（2）功率暫態(tài)與自動(dòng)增益控制在實(shí)際的系統(tǒng)中，當(dāng)有些信道突然出現(xiàn)故障掉路或在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上/下路時(shí)，EDFA的輸入功率就會(huì)突然增加/減少，導(dǎo)致EDFA的增益發(fā)生暫態(tài)變化，其他信道從EDFA得到的增益就會(huì)減小或增大，最終導(dǎo)致那些仍留在光纖鏈路上的信道到達(dá)各自接收機(jī)的功率發(fā)生暫態(tài)變化，這就叫做功率暫態(tài)。為防止功率暫態(tài)的現(xiàn)象發(fā)生，放大器的增益必須得到控制。通常，EDFA在WDM系統(tǒng)中工作時(shí)的模式有三種：自動(dòng)增益控制模式、自動(dòng)功率控制模式及自動(dòng)電流控制模式。當(dāng)工作在自動(dòng)增益控制模式時(shí)，其增益是恒定的，若輸入光功率的大小改變，則控制電路可根據(jù)要求的增益，調(diào)整泵浦電流使EDFA仍然工作在指定的增益點(diǎn)上。（3） ASE噪聲：EDFA級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)，上一級(jí)的ASE噪聲作為信號(hào)與