【正文】 通信系統(tǒng)中是用光無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 22 波作為信號(hào) 的載波，根據(jù)每一個(gè)信道光波的頻率（或波長(zhǎng)）不同將光纖的低損耗窗口劃 分成若干個(gè)信道， 從而在一根光纖中實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)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(shí)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(shí)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(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。 ITUT 建議， DWDM 系統(tǒng)的絕對(duì) 參考頻率為 （對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) ），不同波長(zhǎng)的頻率間隔 應(yīng)為 100GHz 的整數(shù)倍（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)間隔約為 的整數(shù)倍）。 DWDM 系統(tǒng)的構(gòu)成，發(fā)送端的光發(fā)射機(jī)發(fā)出波長(zhǎng) 不同而精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的光信號(hào)，經(jīng)過光波長(zhǎng)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(bǔ)合波器引起的功率 損失和提高 光信號(hào)的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號(hào)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(dá)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(zhǎng)傳輸距離）放大以后，送入光波長(zhǎng)分 波器分解出原來的各路光信號(hào)。 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(chǎng)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(jī)的功率，使發(fā)射機(jī)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(bǔ)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(diǎn)，它已成為新一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 23 摻鉺光纖放大器用在系統(tǒng)發(fā)射機(jī)輸出短，提高發(fā)送功率，延長(zhǎng)傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補(bǔ)償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機(jī)前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)防大，可提高光接收機(jī)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(hào)還是傳輸模擬信號(hào)，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(kuò)容，由低碼率改變?yōu)楦叽a率時(shí)，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?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)。實(shí)現(xiàn)語音、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(gè)摻鉺光纖放大器可同時(shí)傳輸若干波長(zhǎng)的光信號(hào)，即用光波復(fù)用擴(kuò)容時(shí)，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。 實(shí)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(dá)到 。如果采用飽和功率為 18dBm 的放大器，可是實(shí)現(xiàn) 160— 200km無中繼通信。如 果有必要，還可將中繼距離延長(zhǎng)更遠(yuǎn)。 前置放大器 把摻鉺光纖放大器置于光接收機(jī)關(guān)監(jiān)測(cè)器前面。來自光纖的光信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測(cè)器檢測(cè)。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(jī)具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機(jī)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(hào)進(jìn)行放大，可以大大延長(zhǎng)傳輸距離，也成為中繼放大器。線路放大器的顯著優(yōu)點(diǎn)是增益高，通常大于 30dB。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。使用線路放大器必須解決遠(yuǎn)程監(jiān)控問題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已制定出多種無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 24 監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，可以按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遠(yuǎn)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網(wǎng)中也占有重要地位。在光纖用戶網(wǎng)中，雖然用戶系統(tǒng)的距離較短，但是用 戶網(wǎng)的分子太多，光線干線中的光信號(hào)功率要進(jìn)行眾多的分配，甚至是多級(jí)進(jìn)行分配。這樣一來被分配到每個(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。為此，需要將光信號(hào)進(jìn)行放大，這就需要光纖放大器。將光纖放大器置于光發(fā)射機(jī)后端，以提高入纖的光功率，使整個(gè)線路系統(tǒng)的光功率得到提高，以滿足各級(jí)需要，這就要用到光纖功率放大器。 在用戶網(wǎng)中，當(dāng)用戶系統(tǒng)距離過長(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。 總之，光線放大器在用戶接入網(wǎng)中主要是提高光信號(hào)的功率，即可以補(bǔ)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(fù)用密度，對(duì)降低用戶網(wǎng)建設(shè)成本也會(huì)起到很大作用。 摻鉺光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是補(bǔ)償傳輸中的光纖損耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型： （ boosterAmplifier），處于合波器之后，用于對(duì)合波以后的多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行功率提升，然后再進(jìn)行傳輸，由于合波后的信號(hào)功率一般都比較大，所以，對(duì)一功率放大器 的噪聲指數(shù)、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。 （ LineAmplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。 （ PreAmplifier），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。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 25 DWDM 中對(duì) EDFA 的主要性能要求 為了滿足在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)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(hào)傳輸后最重要的一個(gè)指標(biāo)是光信噪比（ OSNR）。 摻鉺光纖放大器除了放大輸入的光信號(hào)之外，還產(chǎn)生 ASE 噪聲，可以等效成一個(gè)理想的增益為 G的放大器，和一個(gè)功率為 Pase 的噪聲源相疊加。對(duì)于一個(gè)N個(gè)放大器的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，每一級(jí)放大器將前一級(jí)的 ASE噪聲放大 G倍，同時(shí)疊加上本身產(chǎn)生的 ASE 噪聲，噪聲逐級(jí)積累，于是，光信噪比（ OSNR）將逐級(jí)劣化。光信噪比定義： OSNR = Psig / Pase 可以看出，可以通過提高每個(gè)信道的光功率即提高摻鉺光纖放大器的總輸出功率來提高光信噪比，也可以通過降低放大了大自發(fā)輻射噪聲（ ASE噪聲）來提高光信噪比 對(duì)于一個(gè) N段光纖的系統(tǒng)，有 N+1個(gè)光放大器級(jí)聯(lián)，假設(shè)每一級(jí)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(jí)數(shù)線性增長(zhǎng)，而光纖的損耗是隨著光纖長(zhǎng)度增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，根據(jù)假設(shè)，放大器的增益正好補(bǔ)償光纖損耗，可以得出以下結(jié)論： Pase 不變時(shí)，降低中繼長(zhǎng)度（即 降低摻鉺光纖放大器增益），增加中繼個(gè)數(shù)（即增加摻鉺光纖放大器級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)），要比增加中繼長(zhǎng)度，減少中繼個(gè)數(shù)傳輸更遠(yuǎn)的距離。換一個(gè)角度說，傳輸距離相同的情況下，降低中繼長(zhǎng)度，增加中繼個(gè)數(shù)，要比增加中繼長(zhǎng)度，減少中繼個(gè)數(shù)時(shí)有較小的 Pase，即提高了接收端光信噪比（ OSNR）。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了選擇中繼距離外，選用噪聲指數(shù)小的摻鉺光纖放大器也是提高光信噪比的一種有效的方法。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。在拓展工作 波長(zhǎng)范圍的同時(shí)，還必須保證在工作波長(zhǎng)范圍增益平坦，因?yàn)閾姐s光纖放大器是級(jí)聯(lián)使用的，每一級(jí)小的不平坦，在多級(jí)級(jí)聯(lián)后，就會(huì)變得很不平坦，造成在線路終端的各個(gè)信道功率差別太大。 摻鉺光纖放大器的增益特性是小輸入光信號(hào)增益大，大輸入光信號(hào)時(shí)增益小，在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，如果不對(duì)線路光纖放大器的增益進(jìn)行控制的話，那么，在輸入信道少時(shí)（小輸入光信號(hào)）的增益要比輸入信道多時(shí)（大輸入光信號(hào)）增益大，這會(huì)造成輸入信道少時(shí)，每個(gè)信道輸出功率大，在極端情況下，只有一個(gè)輸入信道，那么，就有可能造成輸出光信號(hào)足夠大，在光 纖傳輸中產(chǎn)生非線性無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 26 失真。因此，線路放大器必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號(hào)和小信號(hào)時(shí)，增益都是一樣的，即每個(gè)信道的輸出光功率在輸入信道增減時(shí)都保持恒定。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 27 第四章 總結(jié) 光纖通信已成為當(dāng)今信息社會(huì)不可缺少的神經(jīng)系統(tǒng)，而光源作為光纖通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，其理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究有著十分重要的意義。 以摻鉺光纖為主要核心的摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖光源自 1987 年以來一直是光纖通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)商用化的高濃度摻鉺光纖很多，而且近幾年的價(jià)格下降較快。C波段光源已經(jīng)非常成熟化，目前主要的研究 L波段 和 C+L波段的寬帶光源。而且未來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。 論文主要利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，圍繞寬摻鉺光纖放大器進(jìn)行了一些理論和實(shí)驗(yàn)研究。在本論文中，主要完成了以下工作： （ 1）概要介紹了摻鉺光纖放大器的研究背景，包括摻鉺光纖放大器的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展前景以及研究的必要性。 （ 2）對(duì)摻鉺光纖放大器研制過程中的主要光電器件從原理及性能等方面作了系統(tǒng)的描述。主要包括摻鉺光纖的基本概念及參數(shù)，鉺離子能級(jí)間躍遷原理，摻鉺光纖的熔接問題；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用研究了抽運(yùn)激光二極管的使用 、結(jié)構(gòu)、使用注意事項(xiàng)等；闡明了光纖波分復(fù)用器的原理。 （ 3）運(yùn)用的理論分析，介紹了摻鉺光纖放大器的基本原理，同時(shí)在此基礎(chǔ)上， 對(duì)摻鉺光纖放大器的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 28 致謝 走的最快的總是時(shí)間，來不及感嘆，大學(xué)生活已近尾聲，三年的努力與付出，隨著本次論文的完成，將要?jiǎng)澫峦昝赖木涮?hào)。 本論文設(shè)計(jì)在袁芬老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著袁芬老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，袁芬老師為我提供了種種專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，袁老師一絲不茍 的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度使我深受感動(dòng)，沒有這樣的幫助和關(guān)懷和熏陶，我不會(huì)這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此向袁老師表示深深的感謝和崇高的敬意！ 在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機(jī)會(huì)向在這三年中給予我諸多教誨和幫助的各位老師表示由衷的謝意，感謝他們?nèi)陙淼男燎谠耘?。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。 同時(shí)，在論文寫作過程中，我還參考了有關(guān)的書籍和論文，在這里一并向有關(guān)的作者表示謝意。 我還要感謝同組的各位同學(xué)以及我的各位 室友，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見，對(duì)于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝！ 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 29 參考文獻(xiàn) [1] 孫學(xué)康 ,張金菊等 .光纖通信技術(shù)。北京：北京郵電大學(xué)出版社， 2021. [2] 傅海陽 ,楊龍向 ,李文龍 .現(xiàn)代電信傳輸 .北京：人民郵電出版社， 2021. [3] 紀(jì)越峰等 .現(xiàn)代通信技術(shù) .北京：北京郵電大學(xué)出版社 ,2021. [4] 孫學(xué)軍 ,張述軍等 .DWDM 傳輸系統(tǒng)原理與測(cè)試 .北京：人民郵電出版社 ,1997. [5] 紀(jì)越峰 .光波分復(fù)用系統(tǒng) .北京：北京郵電大學(xué)出版社 ,1999.