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掺铒光纤放大器EDFA的研究与应用

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东海科学技术学院

毕业论文（设计）

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掺铒光纤放大器（EDFA）的研究与应用

摘要

巨大的技术优势和容量潜力使光纤通信得到了迅猛发展，光放大器作为光通信系统中的关键器件之一，对光纤通信技术产生的影响，堪比电域中的放大器对电子和通信技术的影响，光放大器的问世不仅解决了光的衰减对光信号传输距离的限制，而且在光纤通信中引起一场技术革命，其性能的优劣直接影响到网络通信的容量和质量。

掺铒光纤放大器是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，掺铒光纤放大器及相关技术的迅速实用化和商业化，标志着一个以光纤放大器为支撑的光通信技术产业化时代的到来，将在未来“信息高速公路”的建设中发挥重要作用。

本文首先介绍了光纤通信情况及EDFA的发展状况和前景，并简要叙述了本文的主要任务，接着介绍了光放大器对光纤通信系统性能的影响及分析，然后介绍各类光放大器，进而深入剖析了EDFA工作机理，最后对EDFA基于软件OptiSystem进行了性能的仿真。

本文的重点在于在熟悉EDFA光放大机理和工作原理的前提下，运用OptiSystem软件构造研究EDFA特性的系统电路图，然后对EDFA电路图进行数据模拟仿真，进而得到仿真图，通过图形来研究分析EDFA的特性。

关键字：

光纤通信；光放大器；EDFA；OptiSystem

Erbium-dopedfiberamplifier（EDFA）ResearchandApplication

Abstract

Hugetechnologicaladvantageandcapacityofopticalfibercommunicationhasbeenthepotentialtobringrapiddevelopmentofopticalamplifiersforopticalcommunicationsystemsoneofthekeydevicesforopticalfibercommunicationtechnologyimpact,comparabletotheamplifierpowerinthedomainofelectronicandcommunicationtechnologiesinfluence,theadventofopticalamplifiersnotonlysolvedtheattenuationoflighttransmissionlimitofopticalsignals,andinopticalcommunicationleadtoatechnologicalrevolution,itsperformancewilldirectlyaffectthecapacityandqualityofnetworktraffic.Erbium-dopedfiberamplifierisaverylongtimeinfutureopticalfibercommunicationsystemthemostpracticalvaluetooneofpassiveopticaldevices,erbium-dopedfiberamplifiersandrelatedtechnologiesandcommercializationofrapidpracticalmarksforthesupportofafiberamplifierofopticalcommunicationtechnologyindustrycomingofage,willinthefuture"informationhighway"toplayanimportantroleinthebuilding.ThispaperintroducesthesituationandEDFAopticalfibercommunicationsituationandprospectsofdevelopmentandabriefdescriptionofthemaintasksofthisarticle,andthentotheopticalamplifierontheperformanceofopticalfibercommunicationsystemsandanalysis,andthendescribesvarioustypesofopticalamplifiers,andthenanalyzedindepthEDFAworkingmechanism,andfinallycarriedoutontheEDFAperformancesoftware-basedOptiSystemsimulation.ThispaperwillfocusonfamiliarEDFAopticalzoommechanismandworkingprincipleofthepremise,theuseofOptiSystemEDFAcharacteristicsofthesoftwaresystemstructurediagram,andthenthedataontheEDFAcircuitsimulation,andthenbesimulatedmap,toresearchandanalysisthroughgraphicalcharacteristicsofEDFA.

Keywords:

opticalfibercommunication；OpticalFiberCommunication；EDFA；Optisystem

第1章绪论

1.1光纤通信概述

光纤通信是以光纤为传输介质的一种通信方式。

它是利用半导体激光器（laserdiode，LD）或发光二极管（LED）作为光源，把电信号转换成光信号并将其耦合进光纤忠进行传输；在接收端使用光检测器，如光电二极管（PIN）或雪崩光电二极管（ADP）等，将光信号再还原成电信号的一种通信方式。

光纤通信作为现代通信的主要传输手段，在现代通信网中起着重要作用。

自20世纪70年代初光纤通信问世以来，整个通信领域发生了

革命性变化，它使高速率，大容器的通信成为可能。

1.2EDFA的发展现状及前景

EDFA的研究始于60年代早期，E.Snitzer发现掺铒玻璃对1.50微米波长的激光有放大作用，提出了掺杂光纤放大器的设想，但由于当时未能解决热淬灭效应问题，而且随后出现了半导体光放大器，使得掺铒光纤放大器的研究停滞不前。

直到80年代中期，南安普敦大学的研究人员通过改进的化学气相沉积法（MCVD）成功研制出了掺铒光纤，并在之后制作出了利用650nm波长50mW的红染料激光器为泵浦的EDFA具有25dB的小信号增益；几乎同

时贝尔实验室的研究人员也制出了不同波长泵浦源的EDFA，获得了约22dB的小信号增益，对该EDFA的测试结果表明，其多信道放大时不存在串扰现象、增益与偏振无关，用于实际传输系统时具有极小的误码率。

1988年1480nm的大功率半导体激光器的研制成功，解决了之前泵浦设备过于庞大不适于应用的问题。

1989年日本的NTT公司首先使用1480nm的半导体激光器作为泵浦源获得成功以及同年召开的光放大及应用会议（OAA）标志着EDFA的应用研究推向新的阶段。

EDFA技术于90年代初走向成熟并被迅速投入商业应用。

随后的研究继续更深入的展开，目标都是使EDFA有更好的工作特性。

两个大的方面，一是对EDF材料的研究，为了获得更平坦的增益、更大的带宽；另一个是从系统的角度考虑。

EDFA是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用的价值无源光器件之一,掺铒光纤放大器的应用将推动高速光通信的发展,将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。

1.3本文的主要任务

本文的主要任务是掺铒光纤放大器（EDFA）的研究与应用。

在理解掺铒光纤放大器的基本原理入手，对EDFA相关特性参数进行研究，通过软件OptiSytem进行一定的数值模拟，然后分析仿真图，通过图形数据来分析EDFA受特性参数的影响程度。

第2章光放大器对光纤通信系统性能影响的分析

2.1光纤通信系统

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。

随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。

下面将对光纤通信系统的分类及主要优点两方面内容展开详细的介绍。

2.1.1光纤通信系统的分类

根据不同的分类方法，光纤通信系统可以分为不同的类型。

根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。

模拟光纤通信系统的调制信号为模拟信号，它具有设备简单的特点，一般多用于广电系统传送视频信号，如有线电视的HFC网。

数字光纤通信系统的调制信号是数字信号，它具有通信质量高，传输距离远等优点，目前得到了广泛的应用。

根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。

直接光纤通信系统是用输入电信号直接施加于光源的驱动电路上，对光源的注入电流进行调制，具有设备简单的特点，因此在低速率设备中得到了广泛应用。

在直接调制产生的啾啁噪声影响通信系统的性能时，就要采用外调制器将电信号调制在光波上，这种系统就为间接调制光纤通信系统，它具有调制速率高的优点，因此在一些高速系统中经常采用。

根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统，早期应用较多，目前应用较少，只在部分局域网中还在使用，其传输距离短、带宽窄。

单模光纤通信系统是以单模光纤为传输媒介的光纤通信系统，其传输距离长，传输带宽宽，目前被广泛应用于长途以及大容量的通信系统中。

根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。

短波长光纤通信系统的工作波长为0.7~0.9μm,由于其线路损耗大，传输距离短，早已不再使用。

长波长光纤通信系统的工作波长为1.1~1.6um，是现在普遍采用的光纤通信系统，其损耗小，中继距离长。

超长波长光纤通信系统的工作波长大于2μm，采用的光纤为非石英光纤，具有损耗极低，中继距离极长的优点，是光纤通信的发展方向。

根据不同的分类方法，还可以把光纤通信系统分为其它类型。

2.1.2光纤通信系统的主要优点

光纤通信系统的主要优点：

传输频带宽、通信容量大，短距离时达几千兆的传输速率；线路损耗低、传输距离远；抗干扰能力强，应用范围广；线径细、重量轻；抗化学腐蚀能力强；光纤制造资源丰富。

2.2IM-DD系统的工作原理

IM-DD光纤通信系统以光电再生的方法作为光信号中继的点到点光纤传输系统。

该系统是由光发射端机、光接收端机、光中继器、监控系统、备用系统和供电系统等组成。

下图2.1为IM-DD光纤通信系统原理方框图：

1、光发射机

在IM-DD系统中，发射端是用信号直接调制光载波的强度。

下面是对光发射机的各部分功能的介绍：

1）均衡放大

由PCM端机送来的HDB3码流，经过电缆的传输产生了衰减和畸变，所以在上述信号进入发射机时，首先要经过均衡和放大以补偿衰减的电平和均衡畸变的波形。

2）码型变化

由于PCM系统传输的码型是双极性的（+1，0，-1），而在光纤通信系统中，光源的输出可用有光和无光分别与“1”，“0”两个码对应，一般无法与+1，0，-1对应。

这样信号从PCM端机送到光发射机后，需要将HDB3这种双极性码变为单极性的“0”，“1”码，这就要由码型变换电路变换电路来完成。

3）复用

复用是指利用一个大的传输信道来同事传送多个低容量的信道以及开销信息的过程。

4）扰码

若信码流中出现长连“0”和长连“1”的情况，这将会给提取时钟信号带来困难。

为了避免出现这种长连“0”和长连“1”的情况，这要在码型变换之后加一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路、恢复电路使用。

5）时钟

由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号为依据，故在均衡放大之后，由时钟电路提取PCM中的时钟信号，共给码型变换、扰码电路使用。

6）调制

经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光强跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。

7）自动功率控制

光发射机的光源经过一段时间使用将出现老化，使输出光功率降低，另外，激光器P-N结结温变化，使P-I曲线变化，使输出光功率产生变化，因此为了使光源的输出功率稳定，在实际使用的光发射机中常使用自动控制电路。

8）自动温度控制

由于半导体光源的P-I特性曲线对环境的变化反应很灵敏，从而使输出光功率出现变化。

在环境温度变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制电路。

9）其他保护、监测电路

除上述各部分电路组成外，光发射机还有包括下列辅助电路。

如LD保护电路，无光告警电路。

2、光接收机

光接收机的接收端是用检测器直接检测所接受的光信号，下面将简单介绍主要部分的功能。

1）光电检测器

光电检测器的作用是利用光电检波管，将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号。

2）前置放大器

由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器。

在一般的光纤通信系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的。

为了保证通信质量，显然必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大。

在放大过程中，放大器本身的电阻会引入热噪声；放大器的晶体管要引入散粒噪声。

不仅如此，在一个多级放大器中，后一级放大器将会把前一级放大器送出的信号和噪声同样放大，即前一级引入的噪声也被放大。

因此对多数放大器的前级提出特别的要求是非常重要的，它应是低噪声、高增益的，这样才能得到比较大的信噪比。

3）主放大器

主放大器的作用有以下两个方面。

·将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。

·它还是一个增益可调节的放大器，当光电检测输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响，一盘主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。

4）均衡器

在数字光纤通信系统中，所传输的信号是一系列脉冲信号，理论上讲其带宽为无限大。

但当这种脉冲经过光纤传输后，又经光电检测器、放大器等部件，由于它们的带宽却是有限的，因此矩形频谱中只有有限的频率分量可以通过，这样从光接收机主放大器输出的信号不再会是举行信号的了，我们称之为拖尾现象。

此时，将会使相邻码元的波形重叠，从而产生码间干扰，严重时会造成判决电路的误判，而产生误码。

因此采用均衡器使经过其后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。

这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。

3、光中继器

光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样就限制了光脉冲信号在光纤中的距离传输。

因此，需要在光波信号经过一定距离传输以后，加一个光中继器以放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。

根据光中继的上述作用，一个功能最简单的中继器应是由一个未设有码型变换的光接收机和未设有均衡放大和码型变换的光发射机相连接而成，如下图2.2所示。

图2.2最简单的光中继器方框图

显然一个幅度受到衰减、波形发生畸形的信号，经过中继器的放大、再生之后就可恢复为原来的情况。

但是作为一个应用的光中继器，为了维护的需要，还应具有公务通信、监控、告警的功能，有的中继器还有区间通信的功能。

另外，实际使用的中继器应有两套收发设备，一套是输出，一套是输入，故实际的中继器方框图应如下图2.3所示。

它可以采用机架式结构，设于机房中。

而直埋在地下或在架空光缆中架在杆上的中继器是采用箱式或罐式结构，因此对于直埋或架空的中继器需有良好的密封性能。

图2.3实用的中继器方框图

4、监控系统

监控系统为监视、监测和控制系统的简称。

它与其他通信系统一样，在一个实用的光纤通信系统中，为了保证通信系统的可靠，监控系统是必不可少的。

随着计算机技术的发展，在光纤通信的监控系统中，通常采用的是集中监控方式。

1）监控内容

监控的内容分别包括监视和控制两部分.监视的内容包括:

在数字光纤系统中的误码率是否满足指标要求；各个光中继器是否有故障；接受光功率是否满足指标要求；光源的寿命；电源是否有故障；环境的温度、湿度是否要求的范围内等。

控制的内容包括：

当光纤通信系统中主用系统出现系统时，监控系统即由主控站发出倒换指令，遥控装置将备用系统接入，将主用系统退出工作。

当主用系统恢复正常后，监控系统应再发出指令，将系统从备用倒换到主用系统中。

另外，当市电中断后，监控系统还要发出启动电机指令，又如中继器温度过高，则应发出启动风扇或空调的指令，同样还可以根据需要设置其他控制内容。

2）监控信号的传输

在数字通信系统中是采用时分复用的方式来完成监控信号的传输，但不同的传输体制，其监控信号的传输方式有所区别。

在PDH体制中是在电的主信号码流中插入冗余（多余）比特，用这个冗余的比特来传输监控等信号。

这就是说，将主信号和监控信号的码元在时间上分开传输，从而达到复用的目的。

2.3光放大器对中继距离的影响分析

光信号在光纤中传输，由于光纤损耗将使光信号随光纤线路的延长而呈指数规律衰减，这无疑大大限制了光纤的通信距离。

为了延长光信号的传输距离，需要对光信号进行放大。

传统上使用的是光电光中继方式：

首先将光信号转换为电信号，然后再对电信号进行放大、再生、再定时等处理，最后用该电信号去调制光源，将其转换回光信号后经光纤传输粗去。

这样通过级联的光电光中继器可以建成很长那个的光纤传输系统。

但这种中继方式所需设备较多而且复杂，成本高，运行维护也十分复杂。

光放大器能在光纤传输干线上直接将光信号在光域中放大，而无须将光信号转换成电信号。

这种方式能对光信号进行实时，在线以及对波长、速率和调制方式透明的直接放大，省去光电转换的麻烦，从而能广泛的运用。

第3章光放大器

3.1光放大器

光信号在光纤中的传输，由于光纤的损耗将使光信号随光纤线路的延长而呈指数规律衰减，这无疑大大限制了光纤的通信距离。

为了延长光信号的传输距离，需要对光信号进行放大。

现在使用得越来越多的方式是在光纤传输干线上直接将光信号在光域中将其放大，而无须将光信号转换为电信号。

这种新的方式能对光信号进行实时、在线以及对波长、速率喝调制方式透明的直接放大，设备简单，运行维护方便，成本低。

与电域的放大器类似，我们把能直接在光域中将光信号放大，得到较强的光信号输出的器件称为光放大器。

3.1.1光放大器的意义

光放大器的出现时继光纤、激光器之后在光信息领域的新突破，在光通信中占有重要的地位。

光放大器首先解决的是光路损耗功率补偿问题。

在光纤通信系统中，限制通信距离的第一个主要因素就是光纤的损耗，为了补偿光纤损耗，在传输一段距离之后，必须加一个中继器。

在光放大器出现之前，中继器必须进行电光/光电转换，这样会带来许多问题。

光放大器能对光信号直接放大，省去光电转换的麻烦，从而得到广泛的应用。

光放大器促进了光波分复用技术走向实用。

波分复用技术原来遇到的突出的问题是在每个中继站都要将多个波长信号分开来，分别单独进行光电光转换，再对不同波长光信号进行中继。

这就要求中继站数量上配备有与光波长数相等的光纤通信设备。

同时光波复用器和解复用器的插入损耗较大，致使光波分复用系统的中继距离接近于零，无法使用。

EDFA的问世和投入使用使光波复用走向实用。

一个EDFA可代替许多设备实现对波分复用系统的多个不同波长光信号同时放大，使成本大大降低，并且具有几十到几百纳米的增益带宽。

不仅仅如此，波分复用技术配合EDFA能直接在已铺设的G.652光纤上实用，实现了光纤通信系统通信容量平滑升级，降低了成本。

光波分复用技术和EDFA的光纤通信系统现已成为告诉光纤通信网发展的主流。

光时分复用，光频分复用，相干光通信等更多性能更加优越的光通信方式得以实现和逐步实用化也将得益于光放大器。

光放大器在光纤通信系统中已经得到了广泛应用，成为光纤通信系统中不可缺少的关键器件。

3.1.2光放大器的分类

光放大器按工作原理大体可以分成3种类型；半导体光放大器，掺杂型光纤放大器和非线性光纤放大器。

3.2半导体光放大器

半导体光放大器的结构与LD大体相同。

若在法布里-珀罗（F-P）腔的两个端面镀上反射率较低的介质薄膜，就可形成F-P腔型LD光放大，这种光放大属驻波型光放大。

若在F-P腔的两个端面不镀产生光反射的介质膜，或者镀上增透膜则可形成行波型光放大。

半导体光放大器主要指行波型光放大，其中光放大是利用电激励来实现的。

半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器。

它能适合不同波长的光放大。

半导体激光器存在的主要问题是与光纤的耦合损耗比较大，放大器的增益受偏振影响放大，噪声及串扰较大。

以上缺点使得它作为在线放大器使用受到了限制。

3.3光纤放大器

光纤放大器（OpticalFiberAmpler，简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。

根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大三种。

同传统的半导体激光放大器（SOA）相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好

的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。

可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础。

根据放大机制不同，OFA可分为掺稀土OFA和非线性OFA两大类。

3.3.1掺稀土光纤放大器

　　制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。

光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。

这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。

　　当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：

1.55μm波段和1.31μm波段。

选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。

1、掺铒光纤放大器（EDFA）

　　EDFA工作在1.55μm窗口，该窗口光纤损耗系数1.31μm窗低（仅0.2dB／km）。

已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。

目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上

长途高速光纤通信线路的主要技术方向。

2、掺镨光纤放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90％都工作在这