光纤通信课程设计剖析

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1、课程设计说明书 第 页 课程设计任务书 20152016 学年第二学期 专业： 学号： 姓名： 课程设计名称： 光纤通信系统课程设计 设计题目： EDFA 在 WDM 传输系统中的应用 完成期限：自 2016 年 6 月 6 日至 2015 年 6 月 19 日共 2 周 一、设计依据 在长距离传输中,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和制约, 使得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出 现失真。因此,要进行长距离的信号传输,就需要在光信号传输一定距离后加中继器,以 放大衰减的信号,使光脉冲得到再生。掺铒光纤放大器（EDFA）可以省去大量的光中

2、继 器,延长传输距离,这对于长途干线传输系统具有重要意义，本设计主要研究 EDFA 在 WDM 中的应用。 二、要求及主要内容 1查阅相关的文献，概要介绍了EDFA的研究背景，包括掺铒光纤放大器的特点、 应用、发展前景以及研究的必要性； 2对掺 EDFA 研制过程中的主要光电器件从原理及性能等方面作了系统的描述； 3介绍 EDFA 在波分复用系统 WDM 中的应用，进行仿真分析。 三、途径和方法 1查找相关文献，了解 EDFA 的工作原理，主要包括掺铒光纤的基本概念及参数； 2着重了解现代通信系统中 EDFA 的作用； 3运用的理论分析，介绍了 EDFA 在 WDM 中的基本原理，对掺铒光纤放

3、大器的 参数进行了详细的介绍。 四、时间安排 1课题讲解：2 小时。 2阅读资料：10 小时。 课程设计说明书 第 I 页 3撰写设计说明书：12 小时。 4修订设计说明书：6 小时。 5、主要参考资料 1 王延恒光纤通信技术基础M北京：天津大学出版社，1990 2黄章勇光纤通信用光电子器件和组件M北京：北京邮电大学出版社，2001. 3 黄章勇光纤通信用新型光无源器件M北京：北京邮电大学出版社，2002 4 孙学军，张述军等DWDM 传输系统原理与测试北京：人民邮电出版社， 1997 5 纪越峰光波分复用系统M北京：北京邮电大学出版社,1999 6原荣光纤通信技术M机械工业出版社，2011

4、指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日 课程设计说明书 第 II 页 EDFA 在在 WDM 传输系统中的应用传输系统中的应用 摘要摘要 在长距离传输中,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和制约,使 得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出现失 真。因此,要进行长距离的信号传输,就需要在光信号传输一定距离后加中继器,以放大衰 减的信号,使光脉冲得到再生。掺铒光纤放大器（EDFA）可以省去大量的光中继器,延 长传输距离,这对于长途干线传输系统具有重要意义。本文首先介绍了 EDFA 和 WDM 的基本原理和应用，其次使用

5、optisystem 模拟仿真软件，利用仿真，分析系统的性能 和影响性能的参数因子，优化系统，最后对光路结构修改提高 EDMA 在 WDM 传输系 统中的性能。 关键词：EDFA，WDM，长距离传输，OptiSystem 课程设计说明书 第 III 页 目录目录 1.绪论1 1.1. 光纤通信的历史和发展.1 1.2. 光纤放大器.2 1.2.1. 传输型光纤放大器.2 1.2.2. 掺稀土元素光纤放大器.2 1.3. 论文结构和内容.3 2.EDFA 在 WDM 系统中的应用4 2.1. 掺铒光纤放大器（EDFA）4 2.1.1. EDFA 的主要结构.4 2.1.2. EDFA 的工作原理

6、.6 2.1.3. EDFA 的工作特性.7 2.1.4. EDFA 的性能参数.8 2.1.5. EDFA 的应用.10 2.2. 波分复用（WDM） 12 2.2.1. WDM 系统结构及分类.12 2.2.2. WDM 原理及应用.13 2.2.3. WDM 系统关键技术.15 2.3. WDM 系统对 EDFA 的要求.18 3.EDFA 在 WDM 系统中的应用仿真分析21 3.1. OPTISYSTEM 软件简介.21 3.2. EDFA 在 WDM 系统中的应用研究.21 3.3 本章小结.25 总结.25 参考文献.26 课程设计说明书 第 0 页 1.绪论 1.1.光纤通信的

7、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

8、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

9、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

10、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 课程设计说明书 第 1 页 逐步向全光网络演进。 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

11、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

12、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

13、，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 课程设计说明书 第 2 页 稀土元素即元素周期表中的镧系元素，铒（Er）、镨（Pr）、铥（Tm）、镱 （Yb）、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

14、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（1.55m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