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摻鉺光纖放大器在通信網(wǎng)中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)-在線瀏覽

2024-10-30 12:17本頁(yè)面
  

【正文】 I 光纖通信課程設(shè)計(jì) 題目:摻鉺光纖放大器在通信網(wǎng)中的應(yīng)用 院(系)名稱 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 2020 年 6 月 20 日 摘 要 光纖通信,就是利用光纖來(lái)傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。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)。 光放大器的問世不僅解決了光的衰減對(duì)光信號(hào)傳輸距離的限制,而且在光纖通信中引起一場(chǎng)技術(shù)革命,其性能的優(yōu)劣直接影響到網(wǎng)絡(luò)通信的容量和質(zhì)量。 本論文介紹了摻鉺光纖放大器的相關(guān)理論。 本文的重點(diǎn)在于在熟悉 EDFA 光放大機(jī)理和工作原理的前提下,運(yùn)用 OptiSystem 軟件構(gòu)造研究 EDFA 特性的系統(tǒng)電路圖,然后對(duì) EDFA 電路圖進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬仿真,進(jìn)而得到仿真圖,通過圖形來(lái)研究分析EDFA 的特性。 在光纖通信系統(tǒng)中光放大又是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。 它的出現(xiàn)使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍 ; 它使光波分復(fù)用技術(shù),光孤子通信技術(shù)迅速成熟并得于商用 , 同時(shí)他為未來(lái)的全光通信網(wǎng)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ),成為現(xiàn)代和未來(lái)光纖通信系統(tǒng)中不可少的重要器件。 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。 摻鉺光放大器的發(fā)展 及介紹 摻鉺光纖放大器 (EDFA), 即在信號(hào)通過的纖芯中摻入了鉺離 子 Er3 + 的光信號(hào)放大器。摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺(Er)離子的光纖,它是摻鉺光纖放大器的核心。 在 1999 年,分子光電公司和蒂姆光子學(xué)公司制成首件摻餌波導(dǎo)放大器產(chǎn)品。 石英光纖摻稀土元素 (如 Nd、 Er、 Pr、 Tm等 )后可構(gòu)成多能級(jí)的激光系統(tǒng),在泵浦光作用下使輸入信號(hào) 光直接放大。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。尤其是 EDFA,發(fā)展最為迅速,已實(shí)用化在摻鉺光纖發(fā)展的基礎(chǔ)上,不斷出現(xiàn)許多新型光纖放大器,例如,以摻鉺光纖為基礎(chǔ)的雙帶光纖放大器 (DBFA),是一種寬帶的光放大器,寬帶幾乎可以覆蓋整個(gè)波分復(fù)用 (WDM)帶寬。下圖為摻鉺光纖放大器實(shí)物圖 。 (2) 耦合效率高。 (3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。 (4) 增益高,噪聲低。 (5) 增益特性不敏感。 (6) 可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸,即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字 信 號(hào),高速率信號(hào)和低速率信號(hào),系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí),可只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。 但就其總體性能而言, EDFA 在現(xiàn)代通信網(wǎng)中的應(yīng)用還是挺廣泛的。 4 2 EDFA 的 工作原理 及應(yīng)用 EDFA 光放大機(jī)理 EDFA 的放大過程,實(shí)際上類似于激光的產(chǎn)生過程,即鉺離子在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布下受激輻射的過程,放大的三個(gè)關(guān)鍵過程示意圖如下圖 。當(dāng)它吸收一個(gè)能量適當(dāng)?shù)墓庾??h 后,會(huì)上升到激發(fā)態(tài)或高能態(tài) E2。使原子從低能態(tài)上升到高能態(tài)的過程叫泵浦或抽運(yùn)。處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的,它會(huì)躍遷返回低能態(tài)。 圖 放大的三個(gè)關(guān)鍵過程 輻射躍遷有兩種方式,一種是自發(fā)輻射,一種是受激輻射。而所謂受激輻射,是指處于高能態(tài) E2的原子在受到能量正好為 ?h =E2E1,入射光子的影響或誘發(fā)時(shí),從高能態(tài)E2躍遷返回低能態(tài) E1,同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子 ?h 。這種輻射又稱 為相干輻射,利用這種受激輻射,輸入一E1 E2 E2 E1 E2 E1 hv12 hv12 hv12 hv12 ( a)受激吸收 ( b)自發(fā)輻射 ( c)受激輻射 5 個(gè)光子,可以得到兩個(gè)光子輸出,于是使入射光得到了放大。大部分入射光子被吸收掉,以至于受激輻射實(shí)際上可以忽略不計(jì)。這種情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 選用何種波長(zhǎng)的泵浦、以及可以產(chǎn)生放大的波段都取決于增益介質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。鉺離子有許多吸收帶,在這些吸收帶上能吸收不同波長(zhǎng)的光子,高能級(jí)與基態(tài)之間躍遷對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)示意圖如圖 。其中有一個(gè)自發(fā)輻射波長(zhǎng)在 1530nm 附近的能級(jí)具有較高的壽命(約 10ms),其它能級(jí)的壽命很短 (微秒量級(jí) ),故其它高能帶都用作泵浦帶,而 1530附近能級(jí)充當(dāng)用于放大的亞穩(wěn)態(tài)。鉺離子的簡(jiǎn)化能級(jí)圖如下圖 。這些受激離子從泵浦帶到亞穩(wěn)帶衰變(弛豫)得非 ??欤ù蠹s在 1μ s內(nèi)),如圖中躍遷過程②所示。在亞穩(wěn)態(tài)能帶中,激發(fā)態(tài)離子的電子將移至能帶的底端,在這里,人們使用熒光時(shí)間來(lái)表征這個(gè)過程,這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 10ms 左右。吸收一個(gè) 1480nm 的泵浦光子,會(huì)直接把一個(gè)電子從基態(tài)激發(fā)到很少被粒子占據(jù)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的頂部,如圖 中躍遷過程③所示,然后這些電子又將移向粒子數(shù)較多的亞穩(wěn)態(tài)的較低端(躍遷過 程④)。這種現(xiàn)象是所謂的自發(fā)輻射,自發(fā)輻射會(huì)導(dǎo)致放大器的噪聲。第一,處在基態(tài)的離子將吸收一部分處部光子,因此這些離子將躍遷到亞穩(wěn)態(tài),如圖 中躍遷過程⑥所示;第二,在受激輻射過程(躍遷過程⑦)中,信號(hào)光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子下降到基態(tài),從而發(fā)射出一個(gè)與輸入信號(hào)光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的新光子。 EDFA 的工作原理 EDFA 主要由泵浦光源、光耦合器、光隔離器和摻鉺光纖等部件組成,工作原理如下圖 所示。放大的光信號(hào)在經(jīng)過隔離器和濾波器之后便全部完成了整個(gè)信號(hào)光的放大工作。但是,鉺粒子受激輻射過程中,有一小部分粒子自發(fā)輻射躍遷到基態(tài),產(chǎn)生帶寬很寬的雜亂光子,并在傳輸過程中被放大而形成自發(fā)輻射噪聲。 EDFA 之所以能放大光信 號(hào),簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō),是在泵浦源的作用下,在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,產(chǎn)生了受激輻射,從而使光信號(hào)得到放大。 EDFA 結(jié)構(gòu)和泵浦方式 EDFA 的結(jié)構(gòu)因其泵浦方式的不同而不同。 圖 EDFA結(jié)構(gòu)示意圖 光耦合器 光濾波器 光隔離器 光隔離器 摻鉺光纖 光信號(hào)輸入 泵浦光源 光信號(hào)輸出 8 同向泵浦 同向泵浦是一種泵浦光和信號(hào)光在摻鉺光纖的同一端注入,且泵浦光和信號(hào)光在摻鉺光纖種傳輸方向相同的方式。這種配置的噪聲性能較好。它又稱后向泵浦,如圖 所示。 光耦合器 輸入 光信號(hào) 光隔離器 光隔離器 輸出 光信號(hào) 泵浦光源 光濾波器 摻鉺光纖 圖 同向泵浦方式 EDFA結(jié)構(gòu) 圖 反向泵浦方式 EDFA結(jié)構(gòu) 光耦合器 光隔離器 光隔離器 泵浦光源 光濾波器 摻鉺光纖 輸出 光信號(hào) 輸入 光信號(hào) 9 雙向泵浦 雙向泵浦就是在兩個(gè)泵浦光源從摻鉺光纖的兩端同時(shí)注入泵浦光的方式,如圖 所示。 EDFA 是最理想的光放大器:耦合損耗低、噪聲低、增益高、輸出功率高、與信號(hào)光極化狀態(tài)無(wú)關(guān)且所需泵浦功率低。為了滿足更高的要求,結(jié)構(gòu)往往更復(fù)雜,比如為了能比較寬頻帶范圍內(nèi)有增益平坦和增益自動(dòng)控制避免增益競(jìng)爭(zhēng),會(huì)分別增加均衡器和自動(dòng)增益電路。其應(yīng)用主要有以下幾種形式。由于EDFA得低噪聲特性,將它用作光接收機(jī)的前置放大器時(shí),可大大提高接收靈敏度。 EDFA作為前置放大器使用,接收靈敏度可提高 10~20dB。 EDFA 作為光中繼器 圖 ( c)所示的是 EDFA 作為光中繼器使用的原理方框圖。對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大,它是實(shí)現(xiàn)全光通信的重要保障之一。下面具體介紹 EDFA 的工作特性。 EDFA 的 主要參數(shù)是指功率增益、飽和輸出功率和噪聲系數(shù)。 下圖 所示為放大器的功率增益與泵浦功率之間的關(guān)系曲線。 下圖 所示為摻鉺光纖放大器的功率增益與光纖長(zhǎng) 度之間的關(guān)系曲線。從圖中看出,當(dāng)光纖為某一長(zhǎng)度時(shí),可獲得最佳功率增益,這個(gè)光纖長(zhǎng)度為最大功率增益的光纖長(zhǎng)度。 目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)是 m 和 m。 20 30 40 12
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