光通信用放大器1

1、第四章 光通信用放大器半導(dǎo)體光放大器摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器主要是利用某些稀土元素的激光特性，使其在信號(hào)光的誘導(dǎo)下產(chǎn)生受激輻射對(duì)信號(hào)光產(chǎn)生放大作用。在光通信網(wǎng)絡(luò)中摻雜光纖放大器中用得最多的是摻鉺光纖放大器，也是本公司的主流產(chǎn)品，所以在以下的章節(jié)里，我們將主要介紹摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier）從理論上講我們只須將泵浦光和信號(hào)光同時(shí)注入摻鉺光纖即可產(chǎn)生放大作用，但實(shí)際應(yīng)用中必須加入其他器件或組件才行。摘要：本文從EDFA入手，分別講述了隔離器及波分復(fù)用器的設(shè)計(jì)思路，較為詳細(xì)地講述了Hybrid的發(fā)展、使用，從基本結(jié)構(gòu)分析了Hybrid

2、的設(shè)計(jì)原理、優(yōu)勢(shì)及未來(lái)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：耦合，隔離，Hybrid  引言：隨著90年代EDFA進(jìn)入商用，以強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)改變系統(tǒng)中光信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)化才可以放大的過(guò)程，摻鉺光纖放大器的實(shí)用化，不僅實(shí)現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問(wèn)題；同時(shí)使傳輸鏈路“透明化”，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地?cái)U(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展，是光纖通信領(lǐng)域上的一次革命。正是EDFA的廣泛應(yīng)用和波分復(fù)用的日益成熟的進(jìn)入商用，加速了使用于EDFA設(shè)計(jì)的器件的快速發(fā)展，使得基礎(chǔ)器件的需求增加，推動(dòng)了集成器件的出現(xiàn)。  EDFA的簡(jiǎn)介

3、：(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)原理分析：摻鉺光纖放大器中的核心部件是摻鉺光纖，他是以石英光纖為基質(zhì)材料，同時(shí)在纖芯中加入一定比例的稀土元素鉺離子（Er3+）當(dāng)一定的泵浦光信號(hào)注入到摻鉺光纖中時(shí)，在內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)有波長(zhǎng)1550nm的光子輸入時(shí)，發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生和入射光子同頻、同位相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。  EDFA的三種設(shè)計(jì)思路：1.       同向泵浦：也稱(chēng)為前向泵浦，即泵浦光源與信號(hào)光沿同一方向進(jìn)入摻鉺光纖；2.   &#

4、160;   反向泵浦：也稱(chēng)為后向泵浦，即泵浦光源與信號(hào)光沿不同的方向進(jìn)入摻鉺光纖；3.       雙向泵浦：泵浦光源從兩個(gè)相反的方向進(jìn)入摻鉺光纖。  三種泵浦的結(jié)構(gòu)圖示分別如下：  如上圖：在EDFA設(shè)計(jì)中，耦合器是將用于泵浦的光源耦合進(jìn)入摻鉺光纖，對(duì)光纖中的光信號(hào)進(jìn)行放大處理，隔離器的作用是利用它的光傳輸?shù)膯蜗蛐?，使得光放大器及光源不受反射光的影響，保障光傳輸系統(tǒng)中各單元都能穩(wěn)定工作。  從上面三種泵浦結(jié)構(gòu)圖中可以看出，無(wú)論采用哪種方式，在EDFA的設(shè)計(jì)中均會(huì)使用到光的基礎(chǔ)器件，

5、隔離器和耦合器，而且它們的作用是無(wú)可替代的。隨著光通信的發(fā)展，系統(tǒng)中需要的模塊要求更高，高性能、小體積等，于是這種集合了隔離器和耦合器優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品Hybrid應(yīng)運(yùn)而生。     Hybrid產(chǎn)品就是在普通的隔離器中進(jìn)行擴(kuò)容，增加了波分復(fù)用器的核心部件-Filter，使得這種小型的集成器件兼具了這兩種器件的功能。它可以完全滿足系統(tǒng)和EDFA的使用要求，由于采用了集成，所以就大大降低了成本，減小的EDFA模塊的體積。（備注：筆者到目前為止沒(méi)有找到這種產(chǎn)品的完整中文譯名）  原理分析：  1.    &

6、#160;  隔離器：a）  偏振相關(guān)隔離器：在這里僅介紹隔離器中的核心部件的設(shè)計(jì)原理。它的結(jié)構(gòu)見(jiàn)上述示意圖。將起偏器光柵、旋光晶體和檢偏器光柵按照?qǐng)D示設(shè)計(jì)放置，同時(shí)一定厚度的旋光晶體，放到具有永久磁性的磁環(huán)中，而且使入口處的起偏振器和出口處的檢偏振器的光軸方向彼此相差45°。這時(shí)，達(dá)到檢偏振器的入射光，因偏振面旋轉(zhuǎn)了45°，所以能夠通過(guò)檢偏振器。而從檢偏振器反射回來(lái)的光，按原路到達(dá)起偏振器時(shí)，因振動(dòng)面按同一方向又旋轉(zhuǎn)了45°。和原入射光相比，振動(dòng)面已發(fā)生了90°的旋轉(zhuǎn)，正好與起偏器的方向正交，所以不能通過(guò)起偏器，這就形成了光的單向傳

7、輸系統(tǒng)。b)偏振無(wú)關(guān)的隔離器：            如圖示，將雙折射晶體和旋光晶體放置于永久性的磁場(chǎng)環(huán)境中，如圖1，當(dāng)光信號(hào)由正向進(jìn)入光隔離器時(shí)，光束被第一片雙折射晶體分為O光和E光，依次通過(guò)旋光晶體和另外一片雙折射晶體，然后平行射出；如果光由反方向入射，基本光路圖為圖示2，光信號(hào)通過(guò)晶體后，發(fā)散射出，詳細(xì)的原理敘述請(qǐng)參考光無(wú)源器件一書(shū)中第六章對(duì)光隔離器的詳細(xì)敘述。  2 耦合器（包括波分復(fù)用器和功率分配器）：目前主流的產(chǎn)品可分為以下兩種設(shè)計(jì)思路：1）TFF型（T

8、hin Film Filter）：核心部件采用薄膜濾光片，進(jìn)行選擇性的使用光信號(hào)。不過(guò)在信道數(shù)目的提升上，TFF則因膜層數(shù)的等比增加而不易實(shí)現(xiàn)。2）熔融拉錐型：將兩根光纖在高溫下，是纖芯充分靠近，通過(guò)拉錐距離和光纖纖芯的靠近程度，將不同的光信號(hào)分配到不同的光纖中傳輸。使用這種方法制造的器件的基礎(chǔ)單元為1X2、2X2、1X3、及3X3的產(chǎn)品（能提供單次拉錐1X3及3X3的分路器的廠商還很少）。值得一說(shuō)的是，我公司已經(jīng)在1X3及3X3的熔融拉錐型產(chǎn)品的研發(fā)上取得了重大突破，一次拉錐即可以得到性能優(yōu)良的產(chǎn)品，目前已可以批量生產(chǎn)。若需要更多端口的模塊，則需要使用這些基礎(chǔ)單元進(jìn)行樹(shù)型或星型的連接，然后封

9、裝。3）AWG型：在晶圓上作氧化沈積，再用光蝕刻法做出復(fù)雜的光波導(dǎo)，AWG原理是利用波導(dǎo)的物理特性將不同波長(zhǎng)的波分出，這種技術(shù)能一次分出較多信道，不過(guò)波導(dǎo)易受溫度等環(huán)境的影響，在大量商業(yè)化前需較好的絕熱封裝，這也是光纖波導(dǎo)最困難的技術(shù)障礙。  Hybrid的設(shè)計(jì)原理：Hybrid是由隔離器和波分復(fù)用器集合而成，設(shè)計(jì)原理如下圖：如上圖，信號(hào)光源由PORT1依次經(jīng)過(guò)其中的TFF和隔離器，從PORT3出來(lái)沿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線路傳輸，泵蒲光信號(hào)由PORT2，通過(guò)合波器將光信號(hào)耦合進(jìn)入光傳輸通道，依次通過(guò)TFF由PORT1輸出，若在光傳輸通道中，由于熔接或雜質(zhì)粒子產(chǎn)生的反射光回傳，則由配置在其中的隔

10、離器將回傳光分散，達(dá)到隔離的功效。  簡(jiǎn)單地說(shuō)，Hybrid產(chǎn)品就是一個(gè)小型的集成器件，為了滿足某種使用要求。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1）兼?zhèn)淞说偷牟迦霌p耗和高的隔離度。2）很好的耦合性能，可以作為合波器使用，完成波長(zhǎng)的合成功能。3）高的隔離效果，由于在器件的設(shè)計(jì)中間加入了隔離器，所以它具有良好的隔離反射光的性能。4）小體積，使用這種小型的器件，除了能很好地滿足使用外，大大地縮小了模塊本身的體積，減輕了系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。  奧微公司的使用于C-Band IW-Hybrid主要性能指標(biāo)如下：信號(hào)波長(zhǎng)1550+/-15nm泵浦波長(zhǎng)980+/-25nm信號(hào)源插入損耗<=0.7dB泵

11、浦源插入損耗<=0.6dB隔離度>=31dBPDL<=0.1dB方向性>=60dB回波損耗>=55dB包裝尺寸5.5×32mm備注：根據(jù)客戶(hù)的使用要求，我公司還可以提供滿足更高隔離度要求的產(chǎn)品。  使用：  這種器件多使用在以下方面：1）WDM系統(tǒng)中做為MUX和DEMUX器件使用，減少了系統(tǒng)中重新配制隔離器的負(fù)擔(dān)。2）EDFA模塊中作為泵蒲光信號(hào)的接入，減少了模塊中重新設(shè)計(jì)的隔離器，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小了模塊的體積，增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)能力。3）其它光有源模塊中。  總結(jié)：  隨著光通信的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)光器件的要求更高，功

12、能更加完備，體積更小，成本更低廉，模塊對(duì)基礎(chǔ)的光器件要求也更加苛刻。HYBRID僅實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用和隔離功能的集成，功能還比較簡(jiǎn)單，帶寬的覆蓋范圍應(yīng)該從C波段到L波段，甚至滿足更寬的波長(zhǎng)使用，未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步會(huì)有性能更加優(yōu)越的產(chǎn)品替代。EDFA（摻鉺光纖放大器）EDFA（Erbium doped Fiber Amplifer）是一種對(duì)信號(hào)光放大的一種有源光器件。今天光纜網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布世界各地，光纖通信成為"信息高速公路"的重要支柱。 EDFA在密集波分復(fù)用（DWDM）光纖通信系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，需要采用EDFA來(lái)補(bǔ)償因器件和線路引入帶來(lái)的損耗。業(yè)界人士已達(dá)成共識(shí)，

13、DWDM+EDFA是充分挖掘光纖帶寬資源，提高光通信容量的有效手段。 EDFA除了在長(zhǎng)距離大容量光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用之外，在光纖CATV系統(tǒng)和用戶(hù)接入網(wǎng)中也有很大的應(yīng)用價(jià)值。光纖CATV網(wǎng)的特點(diǎn)是許多用戶(hù)同時(shí)接收一個(gè)節(jié)目源發(fā)出的，發(fā)射機(jī)所帶的用戶(hù)數(shù)量取決于發(fā)射機(jī)的輸出功率，EDFA功率放大器可以大大提高發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，使發(fā)射機(jī)所帶的用戶(hù)數(shù)量大大增加，每個(gè)用戶(hù)的成本顯著下降。 光纖用戶(hù)接入網(wǎng)是EDFA又一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。在無(wú)源光網(wǎng)（PON）中要使用光耦合器（光功率分配器），這些器件只有與光纖放大器結(jié)合使用，用光纖放大器來(lái)補(bǔ)償其損耗，才可能有效的提高接入網(wǎng)的覆蓋范圍，降低接入網(wǎng)建設(shè)成本。 不難看出

14、EDFA的應(yīng)用為光纖傳輸網(wǎng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了一個(gè)嶄新的手段。因此，國(guó)際上普遍認(rèn)為EDFA的出現(xiàn)為光纖通信技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。 EDFA的優(yōu)點(diǎn)：· 摻鉺光纖的放大區(qū)域恰好與單模光纖的最低損耗區(qū)域相重合，那么，被摻鉺光纖放大的光能傳輸較遠(yuǎn)的距離。 · 對(duì)數(shù)據(jù)速率和格式"逶明" · 放大頻帶寬，能在同一根光纖中傳輸幾十甚至上百個(gè)信道。 · 噪聲指數(shù)低，可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大。 · 信道間交叉的串?dāng)_小，可忽略。 EDFA的物理結(jié)構(gòu):摻鉺光纖放大器一般由五個(gè)基本部分組成，它們是摻鉺光纖（EDF）、泵浦激光器（PUMP-LD）、光無(wú)源器件、控制

15、單元和監(jiān)控接口（通信接口）。其中光無(wú)源器件包括：光波分復(fù)用器（WDM）、光隔離器（ISO）、光纖連接器（FC/APC Connecter）和光耦合器（Coupler）. EDFA的基本結(jié)構(gòu)為：在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使光信號(hào)單向傳輸，泵浦激光器980nm或1480nm用于提供抽運(yùn)能量，WDM的作用是把輸入信號(hào)和泵浦光耦合進(jìn)摻鉺光纖中，通過(guò)摻鉺光纖把泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到輸入光信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的放大。 EDFA的原理： EDFA的放大原理是通過(guò)1550nm 波長(zhǎng)的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與鉺離子相互作用產(chǎn)生的。鉺離子經(jīng)過(guò)激活，可以在光傳輸損耗較低的1550nm工作窗口中放大光信號(hào)。

16、980nm光學(xué)泵浦激光器能向摻鉺光纖注入高強(qiáng)度能量，從而激活鉺離子，把傳輸中的光信號(hào)加以放大。 如圖所示，與鉺離子產(chǎn)生光放大效應(yīng)的能級(jí)有三個(gè)：高能態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、基態(tài)。高能態(tài)與基態(tài)之間的能量差與泵浦光子相同，亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的能量差與1550nm的光子能量相同。 在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的鉺離子抽運(yùn)到高能態(tài)上，處于高能態(tài)的鉺離子又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于鉺離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長(zhǎng)，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成離子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子數(shù)比處于基態(tài)的鉺離子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖，與鉺離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，

17、這時(shí)通過(guò)摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。EDFA的系列類(lèi)別EDFA在功能應(yīng)用上可以分為用作光發(fā)射機(jī)輸出的功率放大器、作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木€路放大器和用作光接收機(jī)前端的前置放大器以及DWDM用EDFA、光纖CATV用EDFA。 功率放大器 把EDFA置于光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器之后，光信號(hào)經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o(wú)中繼距離增大，可達(dá)200公里有以上。在CATV網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，它能更有效地保證點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)對(duì)的所謂星形結(jié)構(gòu)的光功率分配。 線路放大器 把摻鉺光纖放大器置于光纖傳輸線路中間稱(chēng)為線路放大器，它將已被衰減了的小信號(hào)進(jìn)行放大可以大大延長(zhǎng)傳輸距離，此放大器也稱(chēng)為中繼放大器。

18、線路放大器的顯著優(yōu)點(diǎn)是增益高，通常大于30dB。由于可以級(jí)聯(lián)使用，特別適合海低遠(yuǎn)程通信和陸地超長(zhǎng)距離使用。 前置放大器 把EDFA置于光接收機(jī)PIN管光檢測(cè)器的前面，來(lái)自光纖的信號(hào)經(jīng)EDFA放大后再由PIN管檢測(cè)。強(qiáng)大的光信號(hào)使電子放大器的噪聲可以忽略，最根本的原因是由于EDFA的信噪比優(yōu)于電子放大器。所以，用EDFA作預(yù)放的光接收機(jī)具有較好的靈敏度。 DWDM系統(tǒng)用EDFA 由于EDFA具有35nm的工作帶寬，它可以同時(shí)放大多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，因此它可以十分方便地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中，補(bǔ)償各種光衰耗。 光纖CATV用EDFA 對(duì)于光纖/同軸混合結(jié)合的多種系統(tǒng)并存的CATV網(wǎng)絡(luò)，尤其是前端集中的系統(tǒng)，點(diǎn)到多點(diǎn)的廣播式結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)距離的干線傳輸系統(tǒng)，摻鉺光纖放大器的應(yīng)用日益受到重視。采用摻鉺光纖放大器提高光功率可以在原有發(fā)射設(shè)備基礎(chǔ)上，為更多的用戶(hù)服務(wù)，從而降低發(fā)射機(jī)單位毫瓦的造價(jià)。另外，在近幾年來(lái)，包含有摻鉺光纖放大器的1550nm光發(fā)射設(shè)備可以最廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)光纖到路邊和光纖到大