EDFA+WDM系统

班级：通信13-2班姓名：闫振宇学号：1306030222成绩：EDFA放大器+WDM系统设计电子与信息工程学院信息与通信工程系EDFA放大器+WDM系统设计前言光纤通信是用光为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种传输方式。它首先要在发射端将需要传送的电话，电报，图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成原信号。现如今用光纤来传递信息已成为非常重要的信息传递方式。在光纤通信系统中光放大又是一个非常重要的环节。光放大器是可将微弱的光信号直接进行光放大的器件。它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃；它使光波分复用（WDM）技术迅速成熟并得于商用，同时他为未来的全光通信网奠定了扎实的基础，成为现代和未来光纤通信系统中不可少的重要器件。近年来，包括有线电视在内的光纤通信系统，由于光纤干线的普及，由于光纤干线的普及为了，适应通信容量的扩大和远距离传输光纤网络高功能化的需要，波分复用（WDM）技术有了新的发展。但在WDM系统中，最有力的关键技术，就是光纤放大器的实用化。在通信系统中，由于早期铺设的光纤条件的限制，利用1条光纤传的高速信号比较复杂，但如利用2.5Gbps×4的四波WDM传输，则很容易实现。因此,从90年代后期起WDM的发展，也推动了EDFA的进步。1.光纤通信系统光纤通信系统可分为三个基本单元：光发射机，光纤和光接收机。构成示意图如图1-1所示。图1-1光纤通信系统构成示意图光发射机有将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成。光源是其核心器件，有半导体发光二极管LED过着激光二极管LD构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器，放大电路和信号恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源，无源器件，连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减产生的光功率减弱。2.掺杂光纤放大器2.1放大器光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。光纤通信早起使用的是光——电——光再生中继器，需要进行光电转换，电放大，再定时脉冲整形及电光转换。在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统的中继器，因此产生了对光放大器的需要。与传统的中继器比较起来，它具有两个明显的优势：1.它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，即光放大器对任何比特率和格式的信号格式都是透明的；2.它不只是对单个信号波长，而是在一定的波长范围内对若干个信号都可以放大。2.2放大器的工作原理光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。工作原理如图2-1所示。图2-1光放大器工作原理图图中的激活介质为一种稀土掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳到高能级上，产生粒子数反转，输入信号光子通过受激辐射过程这些这些已经激活的电子，使他们跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的信号。2.3掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。光纤通信系统最适合掺杂光纤放大器是工作波长为1550nm的掺杂光纤放大器和工作波长为1300nm的掺杂光纤放大器。2.3.1EDFA结构掺铒光纤放大器EDFA是利用掺铒光纤作为增益介质，使用激光器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。掺铒光纤放大器的结构如图2-2所示。图2-2掺铒光纤放大器的结构图掺铒光纤是EDFA的核心部件。它是以石英光纤作为基质，在纤芯中掺入固体激光工作物质——铒粒子。在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大，增强。掺铒光纤的模场直径为36m，比常规光纤的916m要小得多。这是为了提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。但掺铒光纤纤芯径的减少也使得它与常规光纤的模场不匹配，从而产生较大的反射和链接损耗，解决的方法是在光纤中掺入少许氟元素，使折射率降低，从而增大模场半径，达到与常规光纤可匹配的程度。为了实现更有效的放大，在制作掺铒光纤时，将大多数铒离子集中在纤芯的中心区域，因为在光纤中，可认为信号光与泵浦光的光场近似为高斯分布，在纤芯轴线上光强最强，铒离子在近轴区域，将使光与物质充分作用，从而提高能量转换效率。一个典型的掺铒光纤放大器主要由以下几部分组成：1.泵浦源：EDFA的另一个核心部件，它为光信号放大提供足够的能量，是实现增益介质粒子数反转的必要条件，由于泵浦源直接决定着EDFA的性能，所以要求其输出功率高，稳定性好，寿命长。实用的EDFA泵浦源都是半导体激光二极管，其泵浦波长有980nm和1480nm两种，应用较多的是980nm泵浦源，其优点是噪声低，泵浦功率高。2.波分复用器：也称为和波器，它的功能是将980/1550nm或1480/1550nm波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。3.光隔离器：是使广德传输具有单向性，防止光反射回原器件，因为这种反射会增加放大器的噪声并降低放大效率。4.光滤波器：滤掉工作带宽之外光放大器中的噪声，以提高系统的信噪比。2.3.2EDFA工作原理EDFA的工作机理基于受激辐射。为了实现受激辐射，需要产生能级2与能级1之间的粒子数反转，即需要泵浦源将铒离子从能级1激发到能级2。有两种波长的泵浦源可以满足要求：1.980nm波长的泵浦源：粒子从能级1跃迁到能级3，停留短暂的1m，无辐射降到能级2，在能级2停留10m，粒子源源不断进入能级2，曹成能级2粒子数远大于能级1粒子数，实现了能级1,2的粒子数反转。信号激励铒离子从能级2回到能级1，释放的能量以与输入光波相同方向，相位，波长的放大了的光波。少数粒子以自发辐射回到能级1，产生自发辐射的噪声，其特性随即变化，并得到放大。2.1480nm波长的泵浦源：直接将铒离子从能级1跃迁到能级2，实现粒子数反转，同样在输入光激励下由2回到1释放的光特性与输入光相同，且得到了放大。2.3.3EDFA增益平坦性增益平坦性是指增益与波长的关系，我们所希望的EDFA应该在我们所需要的工作波长范围具有较为平坦的增益，特别是在WDM系统中使用时，要求对所有信道的波长都具有相同的放大倍数。但是作为EDFA的核心部件——掺铒光纤的增益平坦性却不理想。为了获得较为平坦的增益特性，增大EDFA的带宽，有两种方法可以采用：1.采用新型宽谱带掺杂光纤；2.在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。3.波分复用技术（WDM）采用单波长光载波与传统的电时分复用（TDM）相结合的技术，虽然目前传输速率可以达到40Gb/s的水平，但是由于受到电子迁移速率的限制，进一步提高传输速率已经十分困难了；而且单波长传输波长应用到光网络时，还需构建新的光纤路由。所有这些都限制了单波长光纤传输系统的发展与应用。为避开这些限制，有两种方法：1.采用波分复用WDM技术，通过多个波长的复用增加单根光纤中传输的信道数来提高光纤的传输容量；2.采用光时分复用OTDM技术，通过光的时分复用技术提高单信道传输速率来达到增加通信容量的目的。目前采用WDM技术实现的最高速率已达11Tb/s，而OTDM技术在实验室实现的单信道最高速率也已达到640Gb/s。3.1WDM工作原理WDM技术，就是以光波作为载波，在一根光纤内同时传输多个不同波长的光载波信号的技术。每个波长的光波都可以单独携带语音、数据和图像信号，因此，WDM技术可以让单根光纤的传输容量获得倍增。WDM传输系统工作原理如图3-1所示。图3-1WDM传输系统工作原理图在发送端，n个光发射机分别工作在n个不同波长上，这n个不同的波长间有适当的间隔分隔，分别记为1，2，...,n,这n个光波作为载波分别被信号调制而携带信息。一个波分复用器将这些不同波长的光载波信号进行合并，耦合入单模光纤，在接受部分由一个解复用器将不同波长的光载波信号分开，送入各自的接收机进行检测。在长波长波段，光纤有两个低损耗传输窗口，即1310nm和1550nm窗口。这两个窗口的波长范围分别为12701350nm和14801600nm，分别对应着80nm和120nm的谱宽范围。而目前光纤通信系统中所使用的高质量的1550nm的光源，其调制后的输出谱线宽度最大不超过0.2nm，考虑到老化及温度引起的波长漂移，给出约0.41.6nm的谱宽裕量，应是合理的。3.2WDM系统的基本组成WDM系统必须有工作在不同波长上的激光器，有能够将不同波长的光信号进行合并，选择和分路的波分复用器和解复用器，还要有将解复用后的光信号进行光电检测的光接收机，以便还原出原始信号。若要传输更长的距离，则还需要能够将各路光信号同时进行放大的放大器等。WDM系统还应有光监控部分和网络管理部分。WDM系统可以有双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输指的是一根光纤完成一个方向的传输，而另一根光纤则完成反方向的传输。由于两个方向的传输分别有两根光纤完成，因此，同一个波长可以在两个方向上同时被利用。单纤双向传输则是由同一根光纤完成两个方向上的信号传输，两个方向的信号必须分配不同的波长。同一个波长不能被两个方向的信号同时利用。3.3WDM技术的主要特点1.充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，实现多媒体信号混合传输。3.由于许多通信都采用全双式方式，因此采用WDM技术可节省大量线路投资。4.WDM系统中的光放大器在WDM系统中，有多个波长的信号传输时，中继器将无法工作，否则必须先解复用，再对每个波长进行中继处理。这样将导致中继器非常庞大、复杂。这是制约WDM技术发展的一个重要问题。所以可以引入掺铒光纤放大器EDFA。由于EDFA在光纤的低损耗传输窗口1550nm附近约35nm的带宽范围内具有很高的增益，可对多个光波信号同时进行在线放大以补偿信号在光纤中的所经历的衰弱，不需要进行光/电和电/光的转换，而且对信号的传输速率透明。因此，它解决WDM系统中多信道信号放大的问题，取代了中继器。WDM系统中应用EDFA时必须注意以下三点：（1）增益的平坦性当EDFA只用于放大一个波长的信号时，具有很好的放大特性。但是，当多个波长进入EDFA时，由于增益的不平坦，将导致有的信号得到的增益高，有的信号得到的增益低。当多个EDFA进行级联时，这种功率差别会被放大，不仅使各信道在接收机上的信噪比不一样，而且可能导致到达接收机的信号功率超出接收机的动态范围而使接收机无法工作。有几种办法来均衡这种不平坦，这里介绍两种方法：1.预均衡：在光发射机端预先将各信道的功率设置成高低不同的值，那些将在放大器中得到高增益的信道的功率设置成低功率，反之则设置为高功率。2.在EDFA模块中加入一个精心设计的滤波器，使其通带特性正好补偿放大器的增益不平坦，从而达到平坦放大器增益的目的。这种WDM用光放大器的核心部件之一是一个能够平坦放大器增益的滤波器。现阶段使用的滤波器主要由多层介质薄膜滤波器和光纤光栅滤波器。这种滤波器的损耗特性通常是固定不变的。这样，当EDFA在系统中应用时其增益平坦度仍然只能在某些工作条件下得到保证，而在另外的条件下增益还是不平坦的。（2）功率暂态与自动增益控制在实际的系统中，当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行上/下路时，EDFA的输入功率就会突然增加/减少，导致EDFA的增益发生暂态变化，其他信道从EDFA得到的增益就会减小或增大，最终导致那些仍留在光纤链路上的信道到达各自接收机的功率发生暂态变化，这就叫做功率暂态。为防止功率暂态的现象发生，放大器的增益必须得到控制。通常，EDFA在WDM系统中工作时的模式有三种：自动增益控制