EDFA WDM系统设计汇编

EDFA+WDM系统设计
前言：人类传播信息方式是多种多样的。

用光来传递信息也是很早之前就有的。

远在周代我国就有了烽火传递信息的方法，烽火作为一种原始的声光通信手段，服务于古代军事战争。

从边境到国都以及边防线上，每隔一定距离就筑起一座烽火台。

内储柴草，当敌人入侵时，便一个接一个地点燃起烽火报警，各路诸侯见到烽火，马上派兵相助,抵抗敌人。

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；它使光波分复用技术，光孤子通信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。

为了实现远距离的光信号传系统中，首先在CATV 系统中，应用光纤放大器的是工作在光损耗最小的1.5μm 波域的掺铒光纤放大器（EDFA）,但在通信系统中，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数字光纤通信系统
1.1数字光纤通信系统的组成
（1）光发信机
光发信机是实现电/光转换的光端机。

它由光源、驱动器和调制器组成。

其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

电端机就是常规的电子通信设备。

（2）光收信机
光收信机是实现光/电转换的光端机。

它由光检测器和光放大器组成。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

（3）光纤或光缆
光纤或光缆构成光的传输通路。

其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

（4）中继器
中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

（5）光纤连接器、耦合器等无源器件
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。

因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。

于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤
连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

1.2 数字光纤通信系统的设计方法
1.2.1 数字光纤通信系统的构成
最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。

其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。

光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

2 掺铒光纤放大器(EDFA)
2.1掺铒光纤放大器概述
掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的
光信号放大器。

)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。

掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。

从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。

WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。

成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。

2.2掺铒光纤放大器的介绍
2.2.1 EDFA放大器的组成
词名：掺铒光纤放大器；英文名：Erbium Doped Fiber Amplifier ；
缩写：EDFA
来历：Er-Doped Fiber Amplifier
相关术语：Optical Amplifier
石英光纤掺稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。

提供合适的反馈后则构成光纤激光器。

掺Nd光纤放大器的工作波长为1060nm及1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。

EDFA及PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗(1550nm)及零色散波长(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，都非常适合于光纤通信系统应用。

尤其是EDFA，发展最为迅速，已实用化在掺铒光纤发展的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器(DBFA)，是一种宽带的光放大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用(WDM)带宽。

类似的产品还有超宽带光放大器(UWOA)，它的覆盖带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。

下图为掺铒光纤放大器实物图
图2-1：掺铒光纤放大器
一个典型的掺铒光纤放大器主要由以下几部分组成(如图2-2所示):
(1)掺铒光纤——是EDFA 的主体, 在石英基质中掺入饵离子制成。

(2)泵浦光源——泵浦光用于供给掺铒光纤中铒粒子的能量,使其吸收能量跃迁到亚稳态能级。

(3)隔离器——用于抑制光的来回反射, 保证放大器工作稳定。

(4)耦合器——用于将信号光和泵浦光耦合到掺铒光纤中。

(5)控制电路——从放大器输出端抽取监测信号, 对放大器的泵浦光功率及输入信号光等进行调节、控制增益的大小, 保证输出信号的稳定。

(6)光滤波器———带宽为1 nm以下的窄带光滤波器, 用于消除放大器的自发辐射光, 以降低放大器的噪声。

图2-1：EDFA的结构
2.2.2 EDFA的放大原理
EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+离子相互作用产生的。

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。

由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。

当信号光子通过掺铒光纤，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。

如图2-2所示。

Er+3的能级图
图2-2： Er3+ 能级图 2.2.3 EDFA 的基本性能
(1)增益特性：增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率和输入功率之比。

EDFA 的增益大小与多种因素有关，增益一般为15dB~40dB 。

(2)输出功率特性： 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。

如2-3图所示。

由图可看出
在掺铒光纤放大器中输入信号功率和输出信号功率并不完全成正比关系而是存在着饱和的趋势。

掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB 输出饱和功率来表示。

如2-4图所示当饱和增益下降3dB 时所对应的输出功率值为3dB 输出饱和功率它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力
图2-3掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线
图2-4 掺铒光纤放大器输出饱和功率
（3）噪声系数：掺铒光纤放大器噪声的主要来源包括信号光的散弹噪声信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声被放大的自发辐
射光的散弹噪声光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。

掺铒光
纤放大器噪声特性可用于噪声系数F
来表示：它定义为；
据分析掺铒光纤放大器噪声系数的极限约为3dB 。

对于0.98μm 泵浦源的EDFA 掺铒光纤长度为30m 时测得的噪声系数为 3.2dB 而采用
1.48μm 泵浦源时、在掺铒光纤长度为60m 时
测得的噪声系数为4.1dB 。

显而易见
0.98µm 泵浦的放大器的噪声系数要优于1.48μm 泵浦的放大器
的噪声系数 3 波分复用（WDM ）
图2 波分复用光纤通信系统构成
3.1光波分复用（WDM ）技术概述
光波分复用（Wavelength Division Multiplexing ，WDM ）技术是在一根光纤中同时同时多个波长的光载波信号，而每个光载波可以通过FDM 或光中继放大光接收机光发射机
TDM方式，各自承载多路模拟或多路数字信号。

其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。

因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

3.2 WDM系统的基本构成
WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。

单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的，所以彼此间不会混淆，在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。

双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。

目前单向的WDM系统在开发和应用方面都比较广泛，而双向WDM由于在设计和应用时受各通道干扰、光反射影响、双向通路间的隔离和串话等因素的影响，目前实际应用较少。

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.根据需要，WDM技术可以有很多应用形式，如长途干线网、广播式分配网络，多路多地局域网等，因此对网络应用十分重要。

5.利用WDM技术选路，实现网络交换和恢复。

4 EDFA在WDM系统中的应用
EDFA在WDM系统中可以作为前置放大器、线路放大器和功率放大器。

EDFA作前置放大器时，放在光接收机之前，以提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约一40dBm。

要求EDFA的增益足够高，噪声系数则越小越好。

EDFA用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大器，省去了电中继器的光／电／光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。

一般工作在近饱和区，信号输入功率约一20dBm。

要求EDFA同时具有较高的增益和输出光功率，还应有对其工作状态的实时监控。

EDFA作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。

通常工作于深饱和区，要求EDFA在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率，必要时可用双泵浦。

5 WDM系统对EDFA的要求
为了确保WDM系统的传输质量，WDM系统中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。

5.1 EDFA增益带宽
目前，EDFA可用增益频谱范围为l530～l565nm，增益带宽为35nm左右，可以满足4～32信道的WDM系统。

如果希望进一步增大带宽，以利用波长资源，则必须开发新型的光放大器。

5.2 WDM系统对EDFA增益平坦度的要求
EDFA的增益平坦度(GF)是指在整个可用增益的带宽内，最大增益波长点
的增益与最小增益波长点的增益之差。

在WDM系统中，要求EDFA的GF 越小越好。

一般EDFA在它的工作波段内存在着一定的增益起伏，即不同波长所得到的增益不同。

虽然增益差值不大，但当多个EDFA级联应用时，这种增益差值会线性积累，严重时，信号到达接收端后，有些高增益信道的接收光功率过大使接收机过载，而某些低增益信道的接收光功率过小而达不到接收机灵敏度。

因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦。

使光纤放大器增益平坦的技术有两种途径：一是增益均衡技术；二是光纤技术。

a．增益均衡技术增益均衡技术是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦。

增益均衡技术可以分为固定式的和动态的。

现阶段实用化的固定式增益平坦技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。

增益均衡用的光纤光栅是一种长周期光纤光栅。

其光栅周期一般为数百um。

通过多个长周期的光栅组合，可以构成具有与EDFA增益波长特性相反的增益均衡器。

使用该技术，在1528～1568nm的40nm带宽内，可以实现增益偏差在5％以内的带宽增益平坦的EDFA。

b．光纤技术所谓光纤技术是指通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF的特性，从而改善EDFA的增益平坦性。

可分为滤波器型和本征型两类。

滤波器型是在EDFA中内插无源滤波器将1530nm的增益峰降低，或专门设计其透射谱与EDFA增益谱相反的光滤波器将增益谱削平，但滤波器型结构工艺都较复杂，附加损耗大，输出功率会减小。

本征型是在EDF中掺入别的杂质(如掺铝EDFA、掺钇EDFA)或改变EDF基质(如氟化物EDFA、碲化物EDFA)。

其最大优点是无需制作和引入附加元件。

5.3EDFA增益特性的优化技术
采用放大波段内的增益控制和光谱均衡方法，能取得EDFA增益特性优化的良好结果。

EDFA的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持(输出／输入)增益不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。

另外，还有饱和波长的方法。

在发送端，除了传输信号的工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长。

在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定。

当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。

5.4安全要求
在某些情况下，光放大器的输出功率非常高，可能非常接近光纤安全功率的极限。

因此，对于含有光放大器的WDM系统，安全特别重要。

ITU-T建议规定：单路或合路入纤最大光功率电平为+17dBm。

对链路切断情况下可能引起的强烈“浪涌”效应更应加以重视，必须保证系统能够及时关闭泵浦源和系统，以防止对系统造成损。

参考文献
[1]毛谦.我国光纤通信技术发展的现状和前景[J]. 人民邮电出版社2006
[2]刘增基，周洋溢，胡辽林，周琦丽.光纤通信西安电子科技大学出版社。