【文章內(nèi)容簡介】 通信系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)說，頻率和波長是緊密相關(guān)的，頻分也即波分，但在光通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長是采用光學(xué)分光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以我們?nèi)詫烧叻殖蓛蓚€不同的系統(tǒng)。波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一 根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。光波分復(fù)用的實質(zhì)是在光纖上進行光頻分復(fù)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。隨著電 光技術(shù)的向前發(fā)展，在同一光纖中波長的密度會變得很高。因而，使用術(shù)語密集波分復(fù)用（ DWDMDense Wavelength Division Multiplexing），與此對照，還有波長密度較低的 WDM 系統(tǒng)，較低密度的就稱為稀疏波分復(fù)用（ CWDMCoarse Wave Division Multiplexing）。這里可以將一根光纖看作是一個 “多車道 ”的公用道路，傳統(tǒng)的 TDM 系統(tǒng)只不過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增加單位時間內(nèi)的運輸量。而使用 DWDM 技術(shù)，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。 WDM 系統(tǒng)組成。光波長轉(zhuǎn)換單元（ OTU）將非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為 ITUT 所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長，系統(tǒng)中應(yīng)用光 /電 /光（ O/E/O）的變換，即先用光電二極管 PIN 或 APD 把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 然后該電信號對標(biāo)準(zhǔn)波長的激光器進行調(diào)制，從而得到新的合乎要求的光波長信號。波分復(fù)用器可分為發(fā)端的光合波器。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(yù)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。光分波器用于傳理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 輸系統(tǒng)的接收端，正好與光合波器相反，它具有一個輸入端口和多個輸出端口，將多個不同波長信號分類開來。光放大器不但可以對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大器，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可 少的 關(guān)鍵器件。在目前實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。光監(jiān)控信道是為 WDM 的光傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控而設(shè)立的。 ITUT 建議優(yōu)選采用 1510nm 波長，容量為 2Mbit/s?？康退俾氏赂叩慕邮侦`敏度（ 優(yōu) 于 50dBm）仍能正常工作。但必須在 EDFA 之前下光路，而在 EDFA 之后上光路 [4]。 EDFA 在 WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)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。 EDFA 作前置放大器時，放在光接收機之前，以提 高光接收機的靈敏度，一般工作于小信號或線性狀態(tài)，信號輸入功率約 40dBm。要求 EDFA 的增益足夠高，噪聲系數(shù)則越小越好。 EDFA 用作線路放大器時，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)換過程，直接放大光信號，以補償 傳輸線路損耗，延長中繼距離。一般工作在近飽和區(qū)，信號輸入功率約 20dBm。要求 EDFA 同時具有較高的增益和輸出光功率，還應(yīng)有對其工作 狀態(tài)的實時監(jiān)控。 EDFA 作為功率放大器時，裝在光發(fā)送機之后，對光源發(fā)出的光信號進行放大，以補償無源光器件的損耗和提高發(fā)送光功率。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，必要時可用雙泵浦。 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(yīng)具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率。 EDFA 增益帶寬 目前， EDFA 可用增益頻譜范圍為 l530～ l565nm，增益帶寬為 35nm 左右，可以滿足 4～ 32 信道的 WDM 系統(tǒng)。如果希望進一步增大帶寬，以利用波長資源，則必須開發(fā)新型的光放大器。 WDM 系統(tǒng)對 EDFA 增益平坦度的要求 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 EDFA 的增益平坦度 (GF)是指在整個可用增益的帶寬內(nèi)，最大增益波長點的增益與最小增益波長點的增益之差。在 WDM 系統(tǒng)中，要求 EDFA 的 GF 越小越好。 一般 EDFA在它的工作波段內(nèi)存在著一定的增益起伏，即不同波長所得到的增益不同。雖然增益差值不大，但當(dāng)多個 EDFA 級聯(lián)應(yīng)用時，這種增益差值會線性積累，嚴(yán)重時，信號到達接收端后，有些高增益信道的接收光功率過大使接收機過載，而某些低增 益信道的接收光功率過小而達不到接收機靈敏度。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。使光纖放大器增益平坦的技術(shù)有兩種途徑：一是增益均衡技術(shù)；二是光纖技術(shù) 。 （ 1） 增益均衡技術(shù)增益均衡技術(shù)是利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反的增益 均衡器 來抵消增益的不均勻性，這種技術(shù)的關(guān)鍵在于放大器的增益曲線和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦。增益均衡技術(shù)可以分為固定式的和動態(tài)的?，F(xiàn)階段實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。增益均衡用的光纖光柵是一種長周 期光纖光柵。其光柵周期一般為數(shù)百 微米 。通過多個長周期的光柵組合，可以構(gòu)成具有與 EDFA 增益波長特性相反的增益均衡器。使用該技術(shù)，在 1528～ 1568nm 的 40nm 帶寬內(nèi)，可以實現(xiàn)增益偏差在 5％以內(nèi)的帶寬增益平坦的EDFA。動態(tài)的增益均衡技術(shù)是指動態(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波器技術(shù)，主要有 法拉第旋轉(zhuǎn)體型增益可調(diào)濾波器技術(shù)、波導(dǎo) M—Z 型增益可調(diào)型濾波器技術(shù)、陣列波導(dǎo)型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)和聲光型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)等。 （ 2） 光纖技術(shù)所謂光纖技術(shù)是指通過改變光纖材料或者利用不同光纖的組合來改變 EDF 的特性，從而 改善 EDFA 的增益平坦性?？煞譃闉V波器型和本征型兩類。濾波器型是在 EDFA 中內(nèi)插無源濾波器將 1530nm 的增益峰降低，或?qū)ｉT設(shè)計其透射譜與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，輸出功率會減小。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)。其最大優(yōu)點是無需制作和引入附加元件。 （ 3） EDFA 增益特性的優(yōu)化技術(shù) 。 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。 EDFA 的增益控制技術(shù)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(dāng)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(xué)學(xué)士學(xué)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。 另外，還有飽和波長的方法。在發(fā)送端，除了傳輸信號的工作波長外，系統(tǒng)還發(fā)送另一個波長作為飽和波長。在正常情況下，該波長的輸出功率很小，當(dāng)線路的某些信號失去時，飽和波長的輸出功率會自動增加，用 以補償丟失的各波長信號的能量，從而保持 EDFA 輸出功率和增益保持恒定。當(dāng)線路的多波長信號恢復(fù)時，飽和波長的輸出功率會相應(yīng)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。 （ 4） 安全要求 。 在某些情況下，光放大器的輸出功率非常高，可能非常接近光纖安全功率的極限。因此，對于含有光放大器的 WDM 系統(tǒng)，安全特別重要。 ITUT 建議規(guī)定：單路或合路入纖最大光功率電平為 +17dBm。對鏈路切斷情況下可能引起的強烈“浪涌 ”效應(yīng)更應(yīng)加以重視，必須保證系統(tǒng)能夠及時關(guān)閉泵浦源和系統(tǒng)，以防止對系統(tǒng)造成損 [5]。 密集波分復(fù)用（ DWDM）原理概述 DWDM 技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時傳輸。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，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點，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。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(fù)用的方法。即在同一根電纜中同時傳輸若干個頻率不同的信號，接收端根據(jù)各 載波頻率的不同利用帶通濾波器濾出每一個信道的信號。同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光的頻分復(fù)用的方法來提高系統(tǒng)的傳輸容量。事實上，這樣的復(fù)用方法在光纖通信系統(tǒng)中是非常有效的。與模擬的載波通信系統(tǒng)中的頻分復(fù)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(fù)用傳輸。由于目前一些光器件（如帶寬很窄的濾光器、相干光源等）還不很成熟，因此，要實現(xiàn)光信道非常密集的光頻分復(fù)用（相干光通信技術(shù)）是很困難的，但基于目 前的器件水平，已可以實現(xiàn)相隔光信道的頻分復(fù)用。人們通常把光信道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復(fù)用稱為光波分復(fù)用（ WDM），再把在同一窗口中信道間隔較小的 DWDM 稱為密集波分復(fù)用（ DWDM）。隨著科技的進步，現(xiàn)代的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長間隔為納米級的復(fù)用，甚至可以實現(xiàn)波長間隔為零點幾個納米級的復(fù)用，只是在器件的技術(shù)要求上更加理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 嚴(yán)格而已，因此把波長間隔較小的 8 個波、 16 個波、 32 乃至更多個波長的復(fù)用稱為 DWDM。 ITUT 建議， DWDM 系統(tǒng)的絕對參考頻率為 （對應(yīng)的波長），不同波長的頻率間隔應(yīng)為 100GHz 的整數(shù)倍（對應(yīng)波長間隔約為 整數(shù)倍）。 DWDM 系統(tǒng)的構(gòu)成，發(fā)送端的光發(fā)射機發(fā)出波長不同而精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的光信號，經(jīng)過光波長復(fù)用器復(fù)用在一起送入摻鉺光纖功率放大器（摻鉺光纖放大器主要用來彌補合波器引起的功率損失和提高光信號的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據(jù)情況決定有或沒有光線路放大器，到達接收端經(jīng)光前置放大器（主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大以后，送入光波長分波器分解出原來的各路光信號 [6]。 EDFA 在密集波分復(fù)用（ DWDM）系統(tǒng)中應(yīng)用的分析 EDFA 在 DWDM 系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式 EDFA 是目前光放大器市場的主流品種，在 DWDM 系統(tǒng)、接入網(wǎng)和有線電視領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在 CATV 系統(tǒng)中通常作為功率放大器以提高發(fā)射機的功率，使發(fā)射機覆蓋的用戶數(shù)大大增加，也可作為光纖線路的中繼放大器，以補償光分路器及線路損耗，使傳輸距離大大增加。 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)格式無關(guān)等特點，它已成為新一代光通信系統(tǒng) 的關(guān)鍵器件之一。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(yù)防大，可提高光接收機靈敏度。應(yīng)用范圍包括干線高速光通信系統(tǒng)、海纜系 統(tǒng)、本地網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)、摻鉺光纖放大器作為功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述如下： 摻鉺光纖放大器可用作數(shù)字、模擬以及相干光通信的功率放大器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數(shù)字信號還是 傳輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放 大器線路設(shè)備。 摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。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(shè)備。 摻鉺光纖放大器做功率放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前提下，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。實現(xiàn)語音、理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖像、數(shù)據(jù)同網(wǎng)傳輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。 一個摻鉺光纖放大器可同時傳輸若干波長的光信號，即用光波復(fù)用擴容時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)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 。如果采用飽和功率為 18dBm的放大器，可是實現(xiàn) 160—200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長更遠。 前置放大器 把摻鉺光纖放大器置于光接收機關(guān)監(jiān)測器前面。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。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預(yù)放大器的光接收機具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機的。 線路放大器 把摻鉺光纖放大器至于光纖傳輸線路中，將已被衰減了的小信號進行放大，可以大大延長傳輸距離，也 成為中繼放大器。線路放大器的顯著優(yōu)點是增益高，通常大于 30dB。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。使用線路放大器必須解決遠程監(jiān)控問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已制定出多種監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，可以按照標(biāo)準(zhǔn)進行遠程監(jiān)控。 用戶接入網(wǎng)中的光纖放大器 光纖放大器在用戶接入