1、 光 纤 通 信 课 程 设 计题目：掺铒光纤放大器在通信网中的应用院（系）名称 专 业 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 2015 年 6 月 20 日摘 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。光放大器的问世不仅解决了光的衰减对光信号传输距离的限制，而且在光纤通信中引起一场技术革命，其性能的优劣直接影响到网络通信的容量和质量。掺铒光纤放大器是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，掺铒光纤放大器及相关技术的迅速实
2、用化和商业化，标志着一个以光纤放大器为支撑的光通信技术产业化时代的到来，将在未来“信息高速公路”的建设中发挥重要作用。本论文介绍了掺铒光纤放大器的相关理论。首先对掺铒光纤放大器的历史进行大致的简介，以及对光放大器的种类和掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍，进而深入剖析了 EDFA 工作机理。本文的重点在于在熟悉 EDFA 光放大机理和工作原理的前提下，运用 OptiSystem 软件构造研究 EDFA 特性的系统电路图，然后对 EDFA 电路图进行数据模拟仿真，进而得到仿真图，通过图形来研究分析 EDFA 的特性。关键字：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器，OptiSystem 仿真目录1 绪论
3、 .11.1 概述 .11.2 掺铒光放大器的发展及介绍 .11.3 EDFA 的优缺点 .22 EDFA 的工作原理及应用 .42.1 EDFA 光放大机理 .42.2 EDFA 的工作原理 .72.3 EDFA 结构和泵浦方式 .72.3.1 同向泵浦 .82.3.2 反向泵浦 .82.3.3 双向泵浦 .92.4 EDFA 的主要应用 .92.4.1 EDFA 作为前置放大器 .92.4.2 EDFA 作为功率放大器 .102.4.3 EDFA 作为光中继器 .103 EDFA 的工作特性分析 .113.1 EDFA 的主要工作特性参数 .113.1.1 功率增益 .113.1.2 输出
4、饱和功率 .133.1.3 噪声系数 .133.2 EDFA 性能的定性分析 .144 基于 OptiSystem 的 EDFA 仿真 .164.1 掺铒光纤放大器在通信网中瑞利散射效应的仿真 .164.1.1 仿真系统电路图布局 .164.1.2 仿真参数设置及结果分析 .174.2 掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统的仿真 .234.2.1 仿真系统电路图布局 .234.2.2 仿真参数设置及结果分析 .245 结论 .26致谢 .27参考文献 .2801 绪论1.1 概述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
5、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；它使光波分复用技术，光孤子通信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基础，成为现代和未来光纤通信系统中不可少的重要器件。在光放大器，尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功使光纤通讯技术产生了革命性的变化：用相对简单廉价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，尤其是和 WDM 技术的珠联璧合，奠定了向未来的全光通信发展的基础。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
6、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。1.2 掺铒光放大器的发展及介绍掺铒光纤放大器(EDFA)，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子 Er3 + 的光信号放大器。是 1985 年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒
7、光纤放大器的核心。从 20 世纪 80 年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。在 1999 年，分子光电公司和蒂1姆光子学公司制成首件掺饵波导放大器产品。极大地增加了光纤通信的容量成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。石英光纤掺稀土元素(如 Nd、Er、Pr、Tm 等) 后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。提供合适的反馈后则构成光纤激光器。掺 Nd 光纤放大器的工作波长为 1060nm 及 1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。EDFA 及 PDFA 的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗(1550nm)及零色
8、散波长(1300nm)窗口，TDFA 工作在S 波段，都非常适合于光纤通信系统应用。尤其是 EDFA，发展最为迅速，已实用化在掺铒光纤发展的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器(DBFA)，是一种宽带的光放大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用(WDM) 带宽。类似的产品还有超宽带光放大器(UWOA)，它的覆盖带宽可对单根光纤中多达 100 路波长信道进行放大。下图为掺铒光纤放大器实物图。图 1-1 掺铒光纤放大器1.3 EDFA 的优缺点EDFA 之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点，如：(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用
9、。(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至 0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。(3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。2(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB，输出功率在单向泵浦时可达 14dBm，双向泵浦时可达 17dBm，甚至可达 20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至 34dB，串话也很小。(5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA 增益对温度不敏感，在 100内增益特性稳定，另外，增益也与偏振
10、无关。(6) 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。但 EDFA 也有其固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大 1.55m 左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在 WDM 系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。但就其总体性能而言，EDFA 在现代通信网中的应用还是挺广泛的。下章就对其工作原理和性能进行分析。32 EDFA 的工作原理及应用2.1 EDFA 光放大机理EDFA 的放大过程，实际上类似于激光的产生
11、过程，即铒离子在粒子数反转分布下受激辐射的过程，放大的三个关键过程示意图如下图 2.1。铒离子一般状态下是处于基态或低能态 E1的。当它吸收一个能量适当的光子 后，会上升h到激发态或高能态 E2。E 1和 E2之间的能量差正好等于所吸收的光子的能量 ，E2-E1= 其中 h 为普朗克常数， 为被吸收的光子或光波的频率。使原子从低能态上升到高能态的过程叫泵浦或抽运。这种通过吸收光子即用光来进行抽运的方法叫光泵浦。处于高能态的原子是不稳定的，它会跃迁返回低能态。返回的方式可能是无辐射跃迁，其多余的能量以热或声子的形式而不是以光的形式释放出来；也可能是辐射跃迁，其多余的能量是以光子或光波的形式向外释
12、放的，也就是说，在跃迁返回时将向外发射一个光子 ，其能量为两能态之间的h能量差。E1E2E2E1E2E1hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收 （b）自发辐射 （c）受激辐射图 2.1 放大的三个关键过程4辐射跃迁有两种方式，一种是自发辐射，一种是受激辐射。所谓自发辐射，是指在没有任何外界因素影响的情况下，处于高能态的原子经过一段时间后会自然而然的掉下来回到低能态而发射一个光子 。而所谓受激辐射，是指处于h高能态 E2的原子在受到能量正好为 =E2-E1，入射光子的影响或诱发时，从高能态 E2跃迁返回低能态 E1，同时发射一个光子 。该受激辐射的光和入射光同频率、同相位，而且方向相同。
13、这种辐射又称为相干辐射，利用这种受激辐射，输入一个光子，可以得到两个光子输出，于是使入射光得到了放大。在热平衡下，处于激发态的电子密度很小。大部分入射光子被吸收掉，以至于受激辐射实际上可以忽略不计。只有当处于激发态的电子数量大于基态电子数量时，受激辐射才能超过光的吸收。这种情况称为粒子数反转。由于这是一种非平衡状态，因此必须通过各种“泵浦”技术来实现粒子数反转。选用何种波长的泵浦、以及可以产生放大的波段都取决于增益介质的能级结构。对于掺铒光纤放大器而言，增益介质为纤芯中掺稀土元素铒离子（Er 3+）的单模石英光纤。铒离子有许多吸收带，在这些吸收带上能吸收不同波长的光子，高能级与基态之间跃迁对应
14、的吸收波长示意图如图 2.2。665nm807nm980nm1480nm5图 2.2 铒离子不同能级间受激吸收的波长由于每个能级的精细结构和均匀加宽的影响，实际产生受激发射或吸收时是以这些波长为峰值的吸收和发射光谱带。其中有一个自发辐射波长在 1530nm附近的能级具有较高的寿命（约 10ms） ，其它能级的寿命很短(微秒量级)，故其它高能带都用作泵浦带，而 1530 附近能级充当用于放大的亚稳态。而对应于807nm、665nm 等附近的能带用于泵浦时，具有很强的激发态吸收（ESA） ，造成了泵浦能量的浪费，而 1480nm 和 980nm 不存在 ESA，泵浦效率高，故目前仅使用 1480nm 和 980nm 波长激光器作为泵浦源。铒离子的简化能级图如下图 2.3 所示。4I11/24I13/24I15/2泵浦能带衰变到低能态亚稳态能带快速非辐射衰变泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子基态能带
