【正文】 ical fiber in realizing national information modernization access plays a more and more important role, is an indispensable part of modern munications network. Mo。不積跬步何以至千里，各位任課老師認(rèn)真負(fù)責(zé)，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。其中還介紹了摻餌光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn)以及主要的應(yīng)用形式和增益特性。包括波分復(fù)用系統(tǒng)的組成，波分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)摻餌光纖放大器的要求等等。而且未來(lái)的光纖光源是以更高功率，更寬更平坦光譜，超連續(xù)、多波長(zhǎng)的方向發(fā)展。這種泵浦方式結(jié)合了前向泵浦與反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使得泵浦光在光纖中均勻分布，從而其增益在光纖中也均勻分布。（2)反向泵浦泵浦光與信號(hào)光從不同的反向輸入EDFA，兩者在光纖中傳輸方向相反。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)信號(hào)光的增益隨傳播長(zhǎng)度的變化。當(dāng)泵浦光功率、EDF一定時(shí)，輸入信號(hào)光功率不同時(shí)獲得的增益不同，輸入信號(hào)光功率越大，增益越小。 （5）取相同參數(shù)的摻餌光纖長(zhǎng)度20m，信號(hào)光功率為1181。W。 （4）輸入信號(hào)光分別?。?a) 1181。但由于參數(shù)取值不同，相同泵浦光功率下信號(hào)光獲得的增益較小。W，輸出信號(hào)光功率與信號(hào)光增益與入射泵浦功率關(guān)系。泵浦閾值功率Ppth，只有Pp Ppth時(shí)，G ≥0,且L愈長(zhǎng)，Ppth愈高?？梢赃@樣認(rèn)為，當(dāng)長(zhǎng)度L Lopt時(shí)，泵浦光功率Pp(z) Ppth，在整個(gè)長(zhǎng)度的EDF上，處處滿足放大條件，從而最大限度利用了泵浦光功率。 181。首先分析EDFA的增益特性。如果綜合上述各種應(yīng)用，一個(gè)EDFA用作接收機(jī)前置放大器，另一個(gè)EDFA用作發(fā)送機(jī)的功率提升放大器，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無(wú)中繼傳輸。(3)前置放大器處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度。(1)功率放大器把EDFA置于光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器之后，光信號(hào)經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o(wú)中繼距離增大，可達(dá)200km以上。在光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。 當(dāng)然EDFA也有其固有的缺點(diǎn)： (1)波長(zhǎng)范圍固定。 (9) 可以同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高比特率信號(hào)和低比特率信號(hào)。例如：在高速光纖通訊領(lǐng)域，可作為光纖調(diào)制器，可調(diào)制相位和偏振態(tài)，在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)下，還可調(diào)制振幅，也可作為高速光開關(guān)；在非線性光學(xué)領(lǐng)域，可作為光學(xué)參量頻率轉(zhuǎn)換器件，光子對(duì)放大器，例如利用三波混頻，以擴(kuò)展高功率二極管激光器的波長(zhǎng)范圍；在光纖傳感領(lǐng)域，其可調(diào)制特性，可作為本征光纖傳感器，測(cè)量電壓等參量；帶有布拉格反射光柵的、集成化的電光有源光纖傳感器在替代現(xiàn)有傳感器上是非常吸引人的。 (5) 頻帶寬，在1310nm和1550nm窗口各有2040nm帶寬，可以進(jìn)行多信道傳輸，便于擴(kuò)大傳輸容量，從而節(jié)省成本費(fèi)用。 (4) 增益高、噪聲低、輸出功率大。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于與傳輸光纖耦合連接，也可以用熔接在一起，熔接后反射損耗小。 經(jīng)過(guò)EDFA的光譜圖（不考慮噪聲只看信道光譜）由上圖可以看出經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)置放大器的16信道光譜圖波動(dòng)在20dbm與25dbm之間，相對(duì)比較平坦。 MPO中要優(yōu)化的參數(shù)Result：這里要設(shè)定我們希望最后優(yōu)化完成的目標(biāo)，在本例中為16個(gè)信道的增益平坦一致為23dB。雖然實(shí)現(xiàn)了放大，但是增益不是十分平坦。 未經(jīng)過(guò)EDFA的16信道光譜圖由上圖可以看出未經(jīng)過(guò)放大的的光譜是平坦的光譜圖，下面我們來(lái)觀察未經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)置直接進(jìn)行放大的光譜圖是什么樣子。噪聲特性：EDFA的輸出光中，除了有信號(hào)光外，還有被放大的噪聲。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，增益一般為15dB~40dB。在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。耦合器——用于將信號(hào)光和泵浦光耦合到摻鉺光纖中。下圖為摻鉺光纖放大器實(shí)物圖。摻Nd光纖放大器的工作波長(zhǎng)為1060nm及1330nm，由于偏離光纖通信最佳宿口及其他一些原因，其發(fā)展及應(yīng)用受到限制。這一全面的新特征可以測(cè)量插入損耗（IL）、差分群速延遲（DGD）、偏振色散（PDC），消偏率，散射，散射斜度，和群延遲（GD）。四波混頻、布里淵散射模擬、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、和拉曼散射模擬都包含在OptiSystem的光纖模型中。14 雙向AWG（BiDirectional AWG）新特征加強(qiáng)了OptiSystem獨(dú)特的雙向能力，使PONs的AWG的設(shè)計(jì)更加容易。12 多設(shè)計(jì)版面（multiple layouts）你可以在同一個(gè)項(xiàng)目文件（project file）中創(chuàng)建多個(gè)設(shè)計(jì)，這使得創(chuàng)建和修改變得快速而高效。產(chǎn)生的結(jié)果可以被表示為大小可調(diào)、可以移動(dòng)的電子列表、文本、2D和3D圖形。9 計(jì)算數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)查看（Stateoftheart calculation dataflow）計(jì)算流程列表通過(guò)決定元件模型（根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)流模型）的執(zhí)行系數(shù)來(lái)控制模擬。OptiSystem表現(xiàn)了在元件和系統(tǒng)上真正的分等級(jí)定義。6 數(shù)據(jù)監(jiān)視（Data monitors）你可以選擇元件端口用于保存數(shù)據(jù)，還可以在模擬終端粘貼監(jiān)視器（monitors）。OptiSystem采用與模擬精度和效率有關(guān)的適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法計(jì)算信號(hào)。它結(jié)合來(lái)自不同廠商的測(cè)試測(cè)量設(shè)備。 獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：提供全面的系統(tǒng)性能洞察；評(píng)估參量靈敏度以輔助設(shè)計(jì)容差規(guī)格；為潛在客戶真實(shí)呈現(xiàn)設(shè)計(jì)選項(xiàng)和細(xì)節(jié)；為廣泛的系統(tǒng)特征參數(shù)的設(shè)定提供簡(jiǎn)單接口；提供自動(dòng)參數(shù)掃描和優(yōu)化；結(jié)合廣泛應(yīng)用的Optiwave產(chǎn)品。3 光通訊系統(tǒng)和放大器設(shè)計(jì)軟件——OptiSystem在成本效力和生產(chǎn)效率對(duì)于成功至關(guān)重要的光通訊工業(yè)里，獲獎(jiǎng)軟件OptiSystem可以在光通訊系統(tǒng)、連接和元件的設(shè)計(jì)中最小化時(shí)間需要和降低成本。在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中為了容納更多的信道，提高系統(tǒng)容量，有兩種方法：一種是降低信道的間隔；另一種是拓展摻鉺光纖放大器的工作波長(zhǎng)范圍。光信噪比定義：OSNR = Psig / Pase可以看出，可以通過(guò)提高每個(gè)信道的光功率即提高摻鉺光纖放大器的總輸出功率來(lái)提高光信噪比，也可以通過(guò)降低放大了大自發(fā)輻射噪聲（ASE噪聲）來(lái)提高光信噪比?！　。≒reAmplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度（在光信噪比(OSNR)滿足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機(jī)本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒有太大的要求[7]。在用戶網(wǎng)中，當(dāng)用戶系統(tǒng)距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)需要使用線路放大器；為了提高各支路的光功率分配數(shù)量，也要使用這類放大器。這樣一來(lái)被分配到每個(gè)分支獲得光信號(hào)就相當(dāng)?shù)娜?，不能保證用戶的終端設(shè)備的接收質(zhì)量。由于可以級(jí)聯(lián)使用，特別適合海底遠(yuǎn)程通信和陸地超長(zhǎng)距離傳輸使用。來(lái)自光纖的光信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測(cè)器檢測(cè)。如果采用飽和功率為18dBm的放大器，可是實(shí)現(xiàn)160—200km無(wú)中繼通信。 摻鉺光纖放大器做功率放大器，可在不改變?cè)性肼曁匦院驼`碼率的前提下，直接放大數(shù)字、模擬活二者混合的數(shù)據(jù)格式，特別適合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。光纖放大器與其他放大器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率、數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，它已成為新一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)間隔為納米級(jí)的復(fù)用，甚至可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間隔為零點(diǎn)幾個(gè)納米級(jí)的復(fù)用，只是在器件的技術(shù)要求上更加嚴(yán)格而已，因此把波長(zhǎng)間隔較小的8個(gè)波、16個(gè)波、32乃至更多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用稱為 DWDM。事實(shí)上，這樣的復(fù)用方法在光纖通信系統(tǒng)中是非常有效的。與通用的單信道系統(tǒng)相比，密集WDM（DWDM）不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴(kuò)容簡(jiǎn)單和性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是它可以直接接入多種業(yè)務(wù)更使得它的應(yīng)用前景十分光明。因此，對(duì)于含有光放大器的WDM系統(tǒng)，安全特別重要。在正常情況下，該波長(zhǎng)的輸出功率很小，當(dāng)線路的某些信號(hào)失去時(shí)，飽和波長(zhǎng)的輸出功率會(huì)自動(dòng)增加，用以補(bǔ)償丟失的各波長(zhǎng)信號(hào)的能量，從而保持EDFA輸出功率和增益保持恒定。采用放大波段內(nèi)的增益控制和光譜均衡方法，能取得EDFA增益特性優(yōu)化的良好結(jié)果。濾波器型是在EDFA中內(nèi)插無(wú)源濾波器將1530nm的增益峰降低，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但濾波器型結(jié)構(gòu)工藝都較復(fù)雜，附加損耗大，輸出功率會(huì)減小。使用該技術(shù)，在1528～1568nm的40nm帶寬內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)增益偏差在5％以內(nèi)的帶寬增益平坦的EDFA?，F(xiàn)階段實(shí)用化的固定式增益平坦技術(shù)主要有光纖光柵技術(shù)和介質(zhì)多層薄膜濾波器技術(shù)等。因此，要使各信道上的增益偏差處于允許范圍內(nèi)，放大器的增益就必須平坦。 WDM系統(tǒng)對(duì)EDFA增益平坦度的要求EDFA的增益平坦度(GF)是指在整個(gè)可用增益的帶寬內(nèi)，最大增益波長(zhǎng)點(diǎn)的增益與最小增益波長(zhǎng)點(diǎn)的增益之差。通常工作于深飽和區(qū)，要求EDFA在保持適中的增益和噪聲系數(shù)下，能提供盡可能高的輸出光功率，必要時(shí)可用雙泵浦。 EDFA用作線路放大器時(shí)，可以直接插入到光纖傳輸鏈路中作為光中繼放大器，省去了電中繼器的光／電／光轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接放大光信號(hào)，以補(bǔ)償傳輸線路損耗，延長(zhǎng)中繼距離。但必須在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路[4]。在目前實(shí)用的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)中，作為前置放大器、線路放大器、功率放大器使用。波分復(fù)用器可分為發(fā)端的光合波器。這里可以將一根光纖看作是一個(gè)“多車道”的公用道路，傳統(tǒng)的 TDM系統(tǒng)只不過(guò)利用了這條道路的一條車道，提高比特率相當(dāng)于在該車道上加快行駛速度來(lái)增加單位時(shí)間內(nèi)的運(yùn)輸量。波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào)。2 EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用 波分復(fù)用（WDM）的基本概念 波分復(fù)用系統(tǒng)的組成光通信系統(tǒng)可以按照不同的方式進(jìn)行分類。但EDFA級(jí)聯(lián)噪聲大以及帶寬受限，它與DRA混合使用，在長(zhǎng)距離、大容量傳輸中是當(dāng)前的一種優(yōu)秀方案。由于EDFA具有40nm的工作帶寬，它可以同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)不同的光信號(hào)，因此它可以十分方便地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中，補(bǔ)償各種光衰耗。其二是由光纖放大器的開關(guān)量信息接口向網(wǎng)管系統(tǒng)送開關(guān)量信息進(jìn)行管理顯示。功率放大器與功率分配器也可考慮做成兩段重復(fù)使用[2]。 摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier ，縮寫為EDFA)是90年代開始在光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的新型器件，它的推廣應(yīng)用為光纖通信技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。 光纖放大器 光纖放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件；由于這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用，從而將使超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離的波分復(fù)用（WDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。如果泵浦源的強(qiáng)度越來(lái)越大，電子將會(huì)趨向于累積在導(dǎo)帶的底部，空穴趨向于累積在價(jià)帶的頂部，直到電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。這兩個(gè)過(guò)程類似于摻餌光纖放大器(EDFA)中的自發(fā)輻射和受激輻射過(guò)程。 半導(dǎo)體在外界激發(fā)下，可將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，所產(chǎn)生的電子和空穴分別躍遷到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，這一過(guò)程只與晶格交換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射，稱為無(wú)輻射躍遷，與此同時(shí)，導(dǎo)帶底的電子還要躍遷到價(jià)帶頂與空穴復(fù)合，并同時(shí)發(fā)射光子，二者形成動(dòng)態(tài)平衡，與熱平衡狀態(tài)下的情況不同，這時(shí)的電子和空穴為非平衡載流子，載流子的分布不再是費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。半導(dǎo)體的發(fā)光可根據(jù)激發(fā)方式的不同分為光致發(fā)光、電致發(fā)光和陰極發(fā)光等。采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量子阱光放大器基本結(jié)構(gòu)圖。去除端面反射影響的另一種方法，也可以采用使端面傾斜的方法和窗結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體光放大器由有源區(qū)和無(wú)源區(qū)構(gòu)成，有源區(qū)為增益區(qū)，使用Inp這樣的半導(dǎo)體材料制作，與半導(dǎo)體激光器的主要不同之處是SOA帶抗反射涂層，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。光纖放大器又分為兩種，即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規(guī)光纖的非線性效應(yīng)（如受激拉曼散射，受激希里淵散射等）的光放大器[1]。經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問(wèn)世了。 迄今為止的光纖通信系統(tǒng)，為了拓長(zhǎng)通信距離都需在通信線路中設(shè)置一定數(shù)量的中繼器，以便使衰減的光信號(hào)強(qiáng)度得到補(bǔ)充。半導(dǎo)體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導(dǎo)體激光器相類似。在不斷發(fā)生散射的過(guò)程中，把能量轉(zhuǎn)交給信號(hào)光，從而使信號(hào)光得到放大。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質(zhì)。顧名思義，光放大器就是放大光信號(hào)。重點(diǎn)關(guān)注了摻鉺光纖放大器的放大過(guò)程以及對(duì)摻餌光纖放大器各信道增益不平坦問(wèn)題進(jìn)行了初步研究并分析。因而得到了普遍的應(yīng)運(yùn)，其中光放大器是光纖系統(tǒng)中的重要組成部分。光纖通信具有通信容量大、傳輸速率高、使用壽命長(zhǎng)，等諸多特點(diǎn)。首先對(duì)光纖放大器的種類進(jìn)行大致的簡(jiǎn)介，其次闡述了摻鉺光纖放大器的歷史和發(fā)展，以及對(duì)摻鉺光纖放大器工作原理進(jìn)行了介紹又介紹了仿真軟件Optisystem的使用及功能。 Erbiumdoped fiber amplifier目 錄1 緒論 1 光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 1 光纖放大器的分類 1 半導(dǎo)體光放大器 2