【正文】 stem； 光纖通信 ； 摻鉺光纖放大器 Abstract Optical fiber munication uses optical fiber to transmit information in order to achieve the purpose of munication. Optical fiber munication owns some advantages such as, the munication capacity, high transmission rate, long service life and so on. So it is widely used in optical 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 munication lines to achieve a novel alloptical. This paper introduces a theory of erbium doped fiber amplifier. First, it is introduce the kinds of fiber amplifier. Secondly describes the history and development of erbium doped fiber amplifier, as well as working principle of the erbiumdoped fiber functions and the use of simulation software Optisystem are also introduced in this paper. It focuses on the amplification process of erbium doped fiber amplifier and studies and analyzes the problem that the channel gain erbiumdoped fiber amplifier is not flat. Keywords: Optisystem。 光纖 放大器 是指運用于光纖通信線路中，實現(xiàn)信號放大的一種新型全光放大器。摘 要 光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。 本論文介紹了摻鉺光纖放大器的相關理論。Optical fiber munication。有了光放大器后就可直接實現(xiàn)光信號放大。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋 S、 C、 L 頻帶 ， 摻銩光纖放大器的增益帶是 S 波段 ； 摻鐠光纖放 大器的增益帶在1310nm 附近。其工作帶寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。中繼器的這種工作模式帶來了不少問題，如使得成本高，系統(tǒng)復雜，可靠性降低等。它使光通信技術產(chǎn)生了革命性的變化：用 相對簡單價廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復雜昂貴的光 —電 —光混合式中繼器，從而可實現(xiàn)比特率及調(diào)制格式的透明傳輸， 升級換代也變得十分容易， 尤其是性能十分優(yōu)秀的 EDFA 與 WDM 技術的珠聯(lián)璧合，奠定了高速大容量 WDM 光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡大規(guī)模應用的基理工大學學士學位論文 2 礎。 半導體 光放大器 半導體光放大器的結構 半導體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導體激光器結構作為放大裝置使用的器件 ， 因為具有能帶結構 ， 所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。以平面波人射單層介質(zhì)層時 ， 抗反射膜的條件相對于厚度為 1/4 波長。為了消除這種偏振波依賴性 ， 可以引人運用窄條結構使激活波導光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應力 ， 以增大 TM 波增益的應變量子阱結構。 半導體光放大器 的原理 半導體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同 ， 其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔的特性。電致發(fā)光是指用電學方法將非平衡載流子直接注人到半導體中而產(chǎn)生發(fā)光 ， 這常借助于 PN 結來完成。半導體的輻射躍遷包括自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個過程。如果半導體未受光泵浦激勵 ， 則半導體將吸收光子 ， 其實半導體的兩個能帶所扮演的角色類似于 EDFA 中的能帶 E1 和 E2 所起的作用 ， 只是它的能帶比 EDFA 的能帶更寬。 于是導帶底和 Epn之間的每個態(tài)都被添滿 ， 而價帶頂和之間的所有態(tài)都是空的 ， 從而實現(xiàn)光放大 。 光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。前期的工作是研究光纖激光器和研究摻稀土元素光纖，后來發(fā)現(xiàn)了在光纖中摻鉺元素能夠實現(xiàn)放大的作用，其工作波長對應于光纖的 傳輸波長，人們用摻鉺光纖制作成功摻鉺光纖放大器。 從遠離前端處將光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放理工大學學士學位論文 5 大器，以補償 分支損耗。在工程實踐中已采用過這兩種成功的方法。 模塊是集成化的摻鉺光纖放大器 ， 如圖 。 FRA： 寬帶、低噪聲、抑制非線性、提高傳輸距離，進行色散補償?shù)?，必將成為下一代光放大器的主流。如果按照信號的復用方式來進行分類，可分為頻分復用系統(tǒng)（ FDMFrequency Division Multiplexing ）、時分復用系統(tǒng)（ TDMTime Division Multiplexing ）、波分復用系 統(tǒng)（ WDMWavelength Division Multiplexing）和空分復用系統(tǒng)（ SDMSpace Division Multiplexing）。光波分復用的實質(zhì)是在光纖上進行光頻分復用（ OFDM），只是因為光波通常采用波長而不用頻率來描述、監(jiān)測與控制。而使用 DWDM 技術，類似利用公用道路上尚未使用的車道，以獲取光纖中未開發(fā)的巨大傳輸能力。光合波器用于傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，是一種具有多個輸入端口和一個輸出端口的器件，它的每一個輸入端口輸入一個預選波長的光信號，輸入的不同波長的光波由同一輸出端口輸出。光監(jiān)控信道是為 WDM 的光傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控而設立的。 EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應用 EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中可以作為前置放大器、線路放大器和功率放大器。一般工作在近飽和區(qū)，信號輸入功率約 20dBm。 WDM 系統(tǒng)對 EDFA 的要求 為了確保 WDM 系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量， WDM 系統(tǒng)中使用的 EDFA 應具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率。在 WDM 系統(tǒng)中，要求 EDFA 的 GF 越小越好。使光纖放大器增益平坦的技術有兩種途徑：一是增益均衡技術；二是光纖技術 。增益均衡用的光纖光柵是一種長周 期光纖光柵。動態(tài)的增益均衡技術是指動態(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波器技術，主要有 法拉第旋轉體型增益可調(diào)濾波器技術、波導 M—Z 型增益可調(diào)型濾波器技術、陣列波導型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技術和聲光型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技術等。本征型是在 EDFA 中摻入別的雜質(zhì) (如摻鋁 EDFA、摻釔 EDFA)或改變 EDF 基質(zhì) (如氟化物 EDFA、碲化物 EDFA)。 EDFA 的增益控制技術有許多種，典型的有控制泵浦源增益的方法， EDFA 內(nèi)部的監(jiān)測電路通過監(jiān)測輸入和輸出功率的比值來控制泵浦源的輸出，當輸入波長某些信號丟失時，輸入功率會減小，輸出功率和輸入功率的比值會增加，通過反饋電路，降低泵浦源的輸出功率，保持 (輸出／輸入 )增益不變，從而使理工大學學士學位論文 10 EDFA 的總輸出功率減少，保持輸出信號電平的穩(wěn)定。當線路的多波長信號恢復時，飽和波長的輸出功率會相應減少，這種方法直接控制飽和波長激光器的輸出，速度較控制泵浦源要快一些。 ITUT 建議規(guī)定：單路或合路入纖最大光功率電平為 +17dBm。在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常利用頻分復用的方法。與模擬的載波通信系統(tǒng)中的頻分復用不同的是，在光纖通信系統(tǒng)中是用光波作為信號的載波，根據(jù)每一個信道光波的頻率（或波長）不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，從而在一根光纖中實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。 ITUT 建議， DWDM 系統(tǒng)的絕對參考頻率為 （對應的波長），不同波長的頻率間隔應為 100GHz 的整數(shù)倍（對應波長間隔約為 整數(shù)倍）。摻鉺光纖放大器用在系統(tǒng)發(fā)射機輸出短，提高發(fā)送功率，延長傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機前，對信號進行預防大，可提高光接收機靈敏度。如果需要擴容，由低碼率改變?yōu)楦叽a率時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。 實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經(jīng)過近千公里 的傳輸后的誤 碼率人能達到 。來自光纖的光信號經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測器檢測。由于可以級聯(lián)使用，特別適合海底遠程通信和陸地超長距離傳輸使用。這樣一來被分配到每個分支獲得光信號就相當?shù)娜酰荒鼙ＷC用戶的終端設備的接收質(zhì)量。 總之，光線放大器在用戶接入網(wǎng)中主要是提高光信號的功率，即可以補償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數(shù)量以及復用密度，對降低用戶網(wǎng)建設成本也會起到很大作用。 DWDM 中對 EDFA 的主要性能要求 為了滿足在密集波分復用系統(tǒng)中應用的要求，摻鉺光纖放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信號傳輸后最重要的一個指標是光信噪比（ OSNR）。 對于一個 N 段光纖的系統(tǒng)，有 N+1 個光放大器級聯(lián)，假設每一級放大器都一樣，每一 段光纖損耗都等于放大器的增益，那么，終端的放大了的自發(fā)輻射噪聲 Pase = F（ G1） hvB0（ N+1）可以看出 Pase 隨放大器的級數(shù)線性增長，而光纖的損耗是隨著光纖長度增長呈指數(shù)增長，根據(jù)假設，放大器的增益正好補償光纖損耗，可以得出以下結論： Pase 不變時，降低中繼長度（即降低摻鉺光纖放大器增益），增加中繼個數(shù)（即增加摻鉺光纖放大器級聯(lián)個數(shù)），要比增加中繼長度，減少中繼個數(shù)傳輸更遠的距離。在拓展理工大學學士學位論文 14 工作波長范圍的同時，還必須保證在工作波長范圍增益平坦，因為摻鉺光纖放大器是級聯(lián)使用的，每一級小的不平坦，在多級級聯(lián)后，就會變得很不平坦，造成在線路終端的各個信道功率差別太大。 OptiSystem 是一款新穎的、高速發(fā)展的、功能強大的軟件設計工具，能使用戶在從 LAN， SAN， MAN 到ultralonghaul 的寬光譜光網(wǎng)絡的傳輸層上進行設計、測試和模擬計劃所有類型的光連接。 應用領域 ： OptiSystem 為不斷演化的光子市場提供功能強大容易使用的光系統(tǒng)設計工具，滿足研發(fā)科學家、光通訊工程師、系統(tǒng)管理員、學生及各類其它用戶的需要。用戶可以合并新的元件基于子系統(tǒng)和用戶自定義庫，或者利用與第三方模擬工具如 MATLAB 或 SPICE 的聯(lián)合模擬。 4 品質(zhì)和性能運算法則 為預測系統(tǒng)的性能， OptiSystem 對內(nèi)部信號干涉和噪聲限制的系統(tǒng)采取數(shù)值分析或者半分析技術計算參數(shù)如 BER 和 Q 因子。這允許在模擬后處理數(shù)據(jù)而不需要重新計算。使你能夠采用特定的集成光纖光學軟件工具在元件層面上，可以模擬希望的精度標準。主要工作于傳輸層模擬的數(shù)據(jù)流模型是元件迭代數(shù)據(jù)流（ CIDF）。它同時包含HTML 輸出和帶預先格式化的報告面板的模版 。每一個 OptiSystem 項目文件（ project file）中都可以包含多個設計。 15 微波元件（ Microwave Components） 新的成熟的元件庫里包括 180 度到 90 度的混合耦合器， DC 阻斷器，功率分束和結合器。 17 自由空間光學（ FSO） 新特征可以模擬復雜衛(wèi)星間的通信連接。 19 S 參數(shù)提?。?SParameter Extractor） 理工大學學士學位論文 18 從光發(fā)射器到接收器的信號特征可以被提取并輸出為工業(yè)標準格式 S 參數(shù)，有益于EDA 工具提供綜合 S 參數(shù)支持，這大大縮短了設計周期。 EDFA 及 PDFA 的工作波長分別處于光纖通信的最低損耗(1550nm)及零色散波長 (1300nm)窗口， TDFA 工作在 S 波段，都非常適合于光纖通信系統(tǒng)應用。 圖 摻鉺光纖放大器 一個典型的摻鉺光纖放大器主要由以下幾部分組成 (如圖 所示 )： 摻鉺光纖 ——是 EDFA 的主體 ， 在石英基質(zhì)中摻入餌離子制成。 控制電路 ——從放大器輸出端抽取監(jiān)測信號 ， 對放大器的泵浦光功率 及輸入信號光等進行調(diào)節(jié)、控制增益的大小 ， 保證輸出信號的穩(wěn)定。由于 Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級壽命較長，因此，很容易 在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉，即處于亞穩(wěn)態(tài)的 Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的 Er3+粒子數(shù)多。 EDFA 的增益大小與多種因 素有關，增益一般為 15dB~40dB。 噪聲特性： EDFA 的輸出光中，除了有信 號光外，還有被放大的噪聲。 圖 未經(jīng)過 EDFA 的 16 信道光譜圖 由上圖可以看出未經(jīng)過放大的 的光譜 是 平坦的光譜圖，下面我們來觀察未經(jīng)過 參數(shù)