【正文】 設(shè)備。 摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。 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。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。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。線路放大器的顯著優(yōu)點(diǎn)是增益高，通常大于30dB。使用線路放大器必須解決遠(yuǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。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。為此，需要將光信號(hào)進(jìn)行放大，這就需要光纖放大器。 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?！　。↙ineAmplifier），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。 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）。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。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。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。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。OptiSystem是一款新穎的、高速發(fā)展的、功能強(qiáng)大的軟件設(shè)計(jì)工具，能使用戶在從LAN，SAN，MAN到ultralonghaul的寬光譜光網(wǎng)絡(luò)的傳輸層上進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和模擬計(jì)劃所有類型的光連接。結(jié)合其它Optiwave產(chǎn)品和工業(yè)中主要電子設(shè)計(jì)軟件的工具，使OptiSystem加快您的產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度和減小回報(bào)周期。 應(yīng)用領(lǐng)域：OptiSystem為不斷演化的光子市場(chǎng)提供功能強(qiáng)大容易使用的光系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，滿足研發(fā)科學(xué)家、光通訊工程師、系統(tǒng)管理員、學(xué)生及各類其它用戶的需要。 功能說明：1 Component Library(元件庫)OptiSystem元件庫包含數(shù)百給元件，使你可以輸入從實(shí)際設(shè)備中測(cè)得的參數(shù)。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。3 混合信號(hào)表示（Mixed signal representation）OptiSystem為元件庫里光信號(hào)和電信號(hào)處理混合信號(hào)方程。4 品質(zhì)和性能運(yùn)算法則為預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能，OptiSystem對(duì)內(nèi)部信號(hào)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(shù)計(jì)算參數(shù)如BER和Q因子。還包括WDM分析工具列出信號(hào)功率、增益、噪聲圖、以及每個(gè)信道的OSNR。這允許在模擬后處理數(shù)據(jù)而不需要重新計(jì)算。7 用子系統(tǒng)分等級(jí)模擬（Hierarchical simulation with subsystems）為使模擬工具更加靈活高效，有必要提供在不同層面的模擬，包括系統(tǒng)、子系統(tǒng)和元件層面。使你能夠采用特定的集成光纖光學(xué)軟件工具在元件層面上，可以模擬希望的精度標(biāo)準(zhǔn)。在使用腳本頁（script page ）時(shí)腳本語言可以操作和控制OptiSystem，包括計(jì)算、Layout創(chuàng)建和數(shù)據(jù)處理。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）。10 報(bào)告頁面（Report page）一個(gè)用戶定制的報(bào)告頁面允許顯示在設(shè)計(jì)中的設(shè)定的任何參數(shù)和可用結(jié)果。它同時(shí)包含HTML輸出和帶預(yù)先格式化的報(bào)告面板的模版。成本數(shù)據(jù)可以輸出到其它軟件或電子表格中。每一個(gè)OptiSystem項(xiàng)目文件（project file）中都可以包含多個(gè)設(shè)計(jì)。13 Optisystem的新特征新版本的OptiSystem在基于FTTx的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）、光無線通信（OWC）、和光纖廣播系統(tǒng)（ROF）方面的設(shè)計(jì)得到了一系列的加強(qiáng)。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(jié)合器。16 光纖和放大器（Optical Fibers and Amplifiers）一個(gè)新的離散化參數(shù)用于寬帶采用信號(hào)，為摻雜放大器增益和布里淵計(jì)算提供了更好的性能、精度和收斂。17 自由空間光學(xué)（FSO）新特征可以模擬復(fù)雜衛(wèi)星間的通信連接。先進(jìn)分析工具組（Advanced Analysis Toolsets）光子全參數(shù)分析器同時(shí)測(cè)量偏振模散射（PMD）和記錄多路徑。19 S參數(shù)提取（SParameter Extractor）從光發(fā)射器到接收器的信號(hào)特征可以被提取并輸出為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)周期。提供合適的反饋后則構(gòu)成光纖激光器。EDFA及PDFA的工作波長(zhǎng)分別處于光纖通信的最低損耗(1550nm)及零色散波長(zhǎng)(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，都非常適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用。類似的產(chǎn)品還有超寬帶光放大器(UWOA)，它的覆蓋帶寬可對(duì)單根光纖中多達(dá)100路波長(zhǎng)信道進(jìn)行放大[8]。 摻鉺光纖放大器一個(gè)典型的摻鉺光纖放大器主要由以下幾部分組成()：摻鉺光纖——是EDFA 的主體，在石英基質(zhì)中摻入餌離子制成。隔離器——用于抑制光的來回反射，保證放大器工作穩(wěn)定?？刂齐娐贰獜姆糯笃鬏敵龆顺槿”O(jiān)測(cè)信號(hào)，對(duì)放大器的泵浦光功率及輸入信號(hào)光等進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制增益的大小，保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定。 EDFA的結(jié)構(gòu) EDFA的放大原理EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長(zhǎng)，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(zhuǎn)，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。 Er3+能級(jí)圖 EDFA的基本性能增益特性：增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率和輸入功率之比。輸出功率特性：EDFA的最大輸出功率常3dB飽和輸出功率來表示。泵浦光功率越大，3dB飽和輸出功率越大；摻鉺光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，3dB飽和輸出功率也越大。EDFA的噪聲主要有4種：信號(hào)光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光ASEde散粒噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲[10]。 EDFA增益平坦優(yōu)化設(shè)計(jì)布局圖 研究分析首先我們對(duì)未經(jīng)過摻餌光纖放大器進(jìn)行放大的光譜圖進(jìn)行觀察。 未經(jīng)過設(shè)置參數(shù)而放大后的光譜圖下面分別對(duì)未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器放大后的噪聲及光譜進(jìn)行觀察分析。 未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的光譜由上圖可以看出，經(jīng)過放大器后的16信道輸出光譜波動(dòng)在6dbm——4dbm之間。我們?cè)O(shè)定最終優(yōu)化的目標(biāo)為16個(gè)信道的增益在一平坦曲線上。 EDFA增益的多參數(shù)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置Parameters：在本項(xiàng)中設(shè)置了需要優(yōu)化的參數(shù)，一為泵浦光源的功率，這里選擇0160mW，初始值為100；另一為摻鉺光纖的長(zhǎng)度，范圍為140m，初始值為4m。 MPO中的最后要達(dá)到的16信道增益平坦目標(biāo)設(shè)定選擇運(yùn)行對(duì)話框中的優(yōu)化（Optimization）并運(yùn)行。 經(jīng)過參數(shù)設(shè)置EDFA的光譜圖（綠色曲線為存在的噪聲） 經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的噪聲情況由上圖可以看出經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的噪聲上下波動(dòng)在72dbm與62dbm之間，相對(duì)而言波動(dòng)比較小對(duì)最后的輸出光譜圖影響比較小。 EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它一系列突出的優(yōu)點(diǎn)。(2) 因?yàn)镋DFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，耦合效率高。 (3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。所需泵浦光功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nm光源泵浦時(shí)，增益效率可達(dá)11dB/mW， dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%。增益約為2040dB。噪聲指數(shù)低，一般為4～7dB。(6) 與半導(dǎo)體激光放大器不同，EDFA的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特性與光信號(hào)的傳輸方向也無關(guān)，當(dāng)光纖放大器內(nèi)無隔離器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)雙向放大；在多信道應(yīng)用中可以進(jìn)行無串話傳輸； (注：所謂極化光纖(Poled Fiber) 是指對(duì)熔石英光纖外加直流強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行極化，以及其它附加工藝處理后 (如升溫，紫外照射，激光注入等)，具有永久二階非線性光學(xué)效應(yīng)(例如電光效應(yīng)，倍頻效應(yīng)等) 的一種光纖功能器件。這些都使它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 (7) 增益特性穩(wěn)定。 (8) 中繼器只有低速電子裝置和幾個(gè)無源器件，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可以只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。 (10) EDFA需要的工作電流比光一電一光中繼器小，因此可以大大減小所需電流，從而降低了對(duì)海底電纜和絕緣特性的要求：在放大器級(jí)聯(lián)使用中可以自動(dòng)補(bǔ)償線路上損耗的增加，使系統(tǒng)經(jīng)久耐用。只能放大1550nm左右波長(zhǎng)的光波，可以調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)范圍有限。EDFA的增益譜寬大約40nm，但增益帶寬不平坦。(3) 附加的噪聲使接收機(jī)靈敏度退化。 EDFA的主要應(yīng)用形式EDFA在功能應(yīng)用上可以分為用作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木€路放大器、用作光發(fā)射機(jī)輸出的功率放大器和用作接收機(jī)前端的前置放大器。具有輸出功率大、輸出穩(wěn)定、噪聲小、增益頻帶寬、易于監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。EDFA作為線路放大器有許多特殊功能是電子線路放大器不可比擬的。EDFA具有接近量子極限的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，因而可用作接收機(jī)的前置放大器以提高接收靈敏度，要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒有太大的要求。強(qiáng)大的光信號(hào)使電子放大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預(yù)放的光接收機(jī)具有更高的靈敏度。這類系統(tǒng)主要用于海底光纖通信系統(tǒng)[11]。G=Pout /Pin (1) G=10lg(Pout /Pin ) (dB) (2) 應(yīng)用上面給出的理論模型可以用數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，從而得出光纖放大器的特性，其中最主要的是增益及噪聲特性。EDFA的增益特性與餌離子濃度的纖芯內(nèi)徑向分布、纖芯尺寸、放大器長(zhǎng)度及泵浦功率等有關(guān)。（1）摻餌光纖放大器小信號(hào)增益G與泵浦功率Pp以及光纖長(zhǎng)度l的關(guān)系曲線。m，采用典型的光纖參數(shù)。對(duì)一定的泵浦光功率，EDFA的增益開始隨著EDF的長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增大，到某一長(zhǎng)度時(shí)達(dá)到最大，然后隨著長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，增益反而減小，可見有一個(gè)最佳長(zhǎng)度(Lopt ) ，這時(shí)增益最大。當(dāng)長(zhǎng)度L Lopt時(shí)，泵浦光功率Pp(z) Ppth，信號(hào)光不但沒有得到放大而且被吸收，造成增益反而下降。開始時(shí)G隨著PP的增加而指數(shù)增加，但當(dāng)PP到一定大小時(shí)，G趨向飽和。必須選擇合適的及Pp，才能使G最大。信號(hào)光功率為1181。（3）取相同參數(shù)摻餌光纖長(zhǎng)度30m，信號(hào)光功率為1181。前向泵浦光功率分別?。?a) 15mW；(b) l0mW；(C)5mW。取相同參數(shù)的摻餌光纖長(zhǎng)度l0m，信號(hào)光功率為1181。采用前向泵浦光激勵(lì)功率。W；(b) 10181。W；(d) 500181。信號(hào)光增益與泵浦光功率的關(guān)系：當(dāng)EDFA一定時(shí)，隨著泵浦光功率的增大，信號(hào)光增益漸漸增大最終趨于飽和，飽和增益隨著輸入信號(hào)功率的增加而有所減少。閾值功率(Ppth)主要由EDFA的長(zhǎng)度決定，大的入射功率比小的更加容易飽和。W。泵浦光功率分別?。?a) 5mW；(b) l0mW；(c) 20mW；(d) 50mW。激勵(lì)泵浦光功率越大，信號(hào)增益越大。 (c)雙向泵浦光激勵(lì)方式，前向泵浦光功率為4mW，反向泵浦光功率為4mW。前向泵浦光、反向泵浦光、雙向泵浦光三種激勵(lì)方式效果各不相同。但由于吸收，泵浦光將沿光纖長(zhǎng)度而衰減，這一因素使在一定長(zhǎng)度上達(dá)到增益飽。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，則稱為雙向泵浦。 三種泵浦方式的EDFA結(jié) 論光纖通信已成為當(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。現(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。論文主要利用我的現(xiàn)有條件，圍繞摻鉺光纖放大器進(jìn)行了一些理論和光放大的初步研究。（2）概括了一下?lián)金D光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用及簡(jiǎn)要分析。 （3）介紹了研究摻餌光纖放大器所用到的軟件Optisystem的各個(gè)部件的功能及應(yīng)用。包括摻餌光纖放大器的組成、原理、基本性能以及對(duì)放大過程的研究分析。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，四年的努力與付出，隨著本次論文的完成，將要?jiǎng)澫峦昝赖木涮?hào)。在此向孟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)向在這四年中給予我諸多教誨和幫助的各位老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。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