光纤通信课程设计

第1页

课程设计说明书

1.绪论

1.1. 光纤通信的历史和发展

光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。

20世纪90 年代初，掺铒光纤放大器和低损耗传输光纤的研制成功以及波分复用技术的广泛应用，极大地增加了光纤通信传输的信息容量并延长了光纤通信的传输距离，光纤通信得到了快速的发展。

光纤通信技术中的波分复用技术充分利用了单模光纤低损耗区的优势，获得了大的带宽资源。波分复用技术基于每一信道光波的频率和波长不同等情况出发，把光纤的低损耗窗口规划为许多个单独的通信管道，并在发送端设置了波分复用器，将波长不同的信号集合到一起送入单根光纤中，再进行信息的传输，而接收端的波分复用器把这些承载着多种不同信号的、波长不同的光载波再进行分离。

光纤通信网络对全球经济发展起着极其重要的作用，信息全球化推动经济全球化，而经济全球化又反过来促进信息全球化。到目前为止，光纤通信技术已经成为最重要的现代信息传输技术之一，在现在的信息社会背景下得到了普遍意义上的应用，迄今尚未发现可以取代它的更好的技术。从现代通信的发展趋势来看，光纤通信技术也必将成为未来通信发展的主流，带领人类进入全光网络时代自从有了人类，就有了信息交流和传递的需要。我过古代的狼烟和烽火可以说是最早的利用光进行信息传递的方式。随着科技的进步，电话、电报一直到目前连接全球的因特网，通信技术，特别是近代通信技术，经历了一个从低频到高频，从高频到微波进而到达光频的演变过程。通信技术在人类社会起到了越来越大的作用，成为这个信息时代的支柱技术。光纤通信技术的诞生和发展是电信史上的一次重要革命，三十多年以来，在经历了三代进化之后，它正在以超摩尔定律的速度向前发展。目前世界上80%以上的信息是通过光纤传送，未来的传送网必然是建立在光纤通信技术之上的。近几年来，随着密集波分复用（DWDM）技术、掺铒光纤放大器（EDFA）技术和光时分复用（OTDM）技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、超大容量、超长距离通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。

第2页

课程设计说明书

1.2. 光纤放大器

光纤放大器是光纤通信和传感在实际应用中的重要光学器件，光在光路传输过程中，随着传输距离的增加以及光纤器件的损耗，光信号会逐渐变弱。这就需要光纤放大器对其进行放大。早在1964年人们就开始对光纤放大器进行研究，随着低损耗光纤的使用和稀土掺杂光纤技术的不断发展，直到1984 年才开始在实际中使用。近年来，互联网和光纤通信网的数字传输技术的迅速发展，激发了人们对光纤光源和光放大器的研究兴趣。

光纤放大器是一种新型全光放大器，传统的光—电—光再生中继器有许多缺点。首先，通信设备很复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在WDM系统中更为突出，因为先要解复用出每个波长信道，把光信号转换成电信号，然后再把电信号转换成光信号，最后再通过复用器把放大后的各路光信号送回光纤中传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。因此全光传输型中继器正在取代光—电—光再生中继器。光放大器分为光放大器和半导体光放大器两类，半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）的放大介质为半导体晶体材料构成的正向偏压的P-N结[2]。光放大器按照原理主要可以分为两大类： 1.2.1. 传输型光纤放大器

这类光纤放大器基于光在光纤中传输的非线性效应包括光纤布里渊放大器（Fiber Brillion Amplifier，FBA）和光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA）等。

对于光纤布里渊放大器，它是通过相当于泵浦光频率下移的斯托克（Stocks）波的产生来进行光放大，其频移量由非线性介质决定[3]。虽然通过一定的设计，光纤布里渊放大器能获得可观的的增益，但是其放大的带宽非常窄，应用并不广。光纤拉曼放大器是将强泵浦与微弱信号光一起耦合在一根光纤中传输，若是将信号光波长比泵浦光波长长，并且波长差在一定范围内，由于受激拉曼散射效应，强泵浦的功率部分转移到微弱信号光上，使信号光获得增益。它的优点是宽宽带和低噪声，缺点是需要很强的泵浦功率，其应用也受到很大的限制。 1.2.2. 掺稀土元素光纤放大器

稀土元素即元素周期表中的镧系元素，铒（Er）、镨（Pr）、铥（Tm）、镱（Yb）、

第3页

课程设计说明书

钕（Nd）等属于此系，目前通信领域对掺稀土光放大器的研究比较多的集中在掺镱光纤放大器（Ytterbium Doped Fiber Amplifier，YDFA）、掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）和掺铥光纤放大器（Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA）上，其中掺铒光纤放大器是其中最典型、最成功的例子。

与传输性光纤放大器相比，掺稀土元素光纤放大器中，EDFA是性能优异、技术最成熟、应用最广泛的光纤放大器。自从1985 年，英国南安普敦大学首先成功地研究出掺铒光纤，并与1986年首次研制出针对光纤通讯第三个窗口（1.55μm波段）的光纤放大器，EDFA技术得到了迅速的发展。到1988年，低损耗的掺铒光纤技术已相当成熟，并达到实用水平。它的研制成功是光纤通信领域内的一次革命[4]。 1.3. 论文结构和内容

通过阅读大量的资料及现在人们对信息传送速率和信息容量的要求，本文主要研究EDFA在WDM传输系统中的应用。第一章研究了光通信的发展，现状，提出本文的设计目的及意义；其次讲解了光纤放大器的分类，提出掺铒光纤放大器；并简单的介绍了波分复用的定义及其应用。第二章介绍了掺铒光纤放大器的结构组成及工作原理，说明了掺铒光纤放大器的性能指标，泵浦方式及其在通信中的应用；其次介绍了波分复用的结构组成及工作原理，极其关键技术和应用。第三章介绍了OptiSystem这个软件，并对EDFA在WDM传输系统中的应用的仿真分析。

第4页

课程设计说明书

2. EDFA在WDM系统中的应用

2.1. 掺铒光纤放大器（EDFA） 2.1.1. EDFA的主要结构

EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器和光滤波器等组成，如图1.1所示。

图1.1 EDFA的基本组成

(1) 掺铒光纤（EDF）：

光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，其长度为10m~100m左右，铒离子的掺杂浓度一般为2100~ 2000ppm左右。因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。

(2) 泵浦源

对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。现在采用的半导体激光器，输出功率为10~200mW，工作波长为0.98μm或1.48μm。最先使用1480 nm的多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达 100mW，泵浦增益系数较高。现在一般采用980nm 波长泵浦，它的效率更高, 噪声更低。

(3) 波分复用器

其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。

(4) 光隔离器

在输入、输出端插入光隔离器目的是抑制光路中的反射，保证信号单向传输、防止反射光影响EDFA的工作稳定性，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基