光纖通信放大器

1、光纖放大器及光纖放大器及WDMWDM技術(shù)技術(shù)光光 纖纖 放放 大大 器器 ： 光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成； 缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小， 因而得到廣泛應(yīng)用。 光纖放大器實(shí)際上是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。 20世紀(jì)80年代末期，波長為1.55 m的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA： ErbiumDoped Fiber Amplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展

2、史上一個(gè)重要的里程碑。在光通信中普遍使用的光纖放大器是：在光通信中普遍使用的光纖放大器是：1.1.摻雜鉺離子的光纖。摻雜鉺離子的光纖。鉺離子為激活物質(zhì)，稱為摻鉺光纖放大器（鉺離子為激活物質(zhì)，稱為摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）。其放大的波長范圍在）。其放大的波長范圍在1550nm1550nm通信窗口。通信窗口。2.2.摻鐠離子光纖放大器（摻鐠離子光纖放大器（PDFA)PDFA)。其放大的波長范圍在其放大的波長范圍在1310nm1310nm通信窗口通信窗口 摻鉺光纖放大器工作原理摻鉺光纖放大器工作原理： 圖7.1示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說明了光信號(hào)為什么會(huì)放大的原因。從圖7.

3、1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級(jí)： 其中能級(jí)1代表基態(tài)， 能量最低；能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)；能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)， 能量最高。當(dāng)泵浦(Pump, 抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(13)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級(jí)2。如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)光得到放大。 圖 7.1摻鉺光纖放大器的工作原理(a) 硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜 4F9 / 24I9 / 24I11

4、 / 24I13 / 24I15 / 21.48 m泵浦0.65 m0.80 m0.98 m1.53 m123光信號(hào)1.481.501.521.541.5602460246810吸收增益波長 / m損耗或增益 /( dBm1)(b)(a)截面 / (1025m2) 由此可見，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的結(jié)果。為提高放大器增益， 應(yīng)提高對(duì)泵浦光的吸收， 使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖7.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。 圖7.2(a)示出輸出信號(hào)光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系， 由圖可見，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60 mW時(shí)，吸收效

5、率(信號(hào)輸入光功率-信號(hào)輸出光功率)/泵浦光功率為88%。 圖7.2摻鉺光纖放大器的特性(a) 輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系； (b) 小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系002040608020406080轉(zhuǎn) 換 效 率92.6輸 入 泵 浦 光 功 率 / mW輸出信號(hào)光功率 / mW02001030405101520增 益 系 數(shù)6.3 dB / mW輸 入 泵 浦 光 功 率 / mW增益 / dB(a)(b) 摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性 圖7.3(a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖，圖7.3(b)為實(shí)用光纖放大器構(gòu)成方框圖。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，

6、把泵浦光與信號(hào)光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。 設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵， EDF的增益取決于Er 3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。波長為1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 輸出光功率高達(dá)100 mW, 泵浦光轉(zhuǎn)換為信號(hào)光效率在6 dB/mW以上。 圖7.3光纖放大器構(gòu)成方框圖(a) 光纖放大器構(gòu)成原理圖； (b) 實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖輸入信號(hào)光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號(hào)(a)監(jiān)視和告警電路泵浦

7、監(jiān)視和控制電路泵浦LDPD 探測器泵浦LD輸入隔離器輸入WDM輸出耦合器 輸出隔離器輸出WDM摻鉺光纖熱 沉光輸入5 V0 V5 V電源監(jiān)視激光器驅(qū)動(dòng)輸入光輸出(b) 波長為980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10 dB/mW， 而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。光隔離器的作用是防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲，對(duì)它的基本要求是插入損耗小，反射損耗大。 圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、 噪聲指數(shù)和輸出信號(hào)光功率與輸入信號(hào)光功率的關(guān)系。在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號(hào)光功率較小時(shí)，放大

8、器增益不隨輸入信號(hào)光功率而變化，基本上保持不變。 當(dāng)信號(hào)光功率增加到一定值(一般為-20 dBm)后，增益開始隨信號(hào)光功率的增加而下降， 因此出現(xiàn)輸出信號(hào)光功率達(dá)到飽和的現(xiàn)。 圖7.4 摻鉺光纖放大器增益、 噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸 入光功率的關(guān)系曲線10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪聲指數(shù) / dB輸出光功率 / dBm增益 / dB輸入光功率 / dBm增益 / dB表7.1列出國外幾家公司EDFA商品的技術(shù)參數(shù)。 表表7.1摻鉺光纖放大器技術(shù)參數(shù)摻鉺光纖放大器技術(shù)參數(shù) 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用摻鉺光

9、纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 EDFA有許多優(yōu)點(diǎn)， 并已得到廣泛應(yīng)用。 EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有： (1)工作波長正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)； 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達(dá)0.1 dB。 (2) 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大， 約為1015 dBm; 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。 (3) 噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB; 用于多信道傳輸時(shí)， 隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 (4) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。 如果加上1310 nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，

10、頻帶可以增加一倍。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。 1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過的副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。 EDFA的應(yīng)用， 歸納起來可以分為三種形式， 如圖7.5所示。 光波分復(fù)用原理光波分復(fù)用原理 1. WDM的概念的概念 光波分復(fù)用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)

11、組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號(hào)分開(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用， 簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。 圖7.6 中心波長在1.3 m和1.55 m的硅光纖低損耗傳輸窗口 (插圖表示1.55 m傳輸窗口的多信道復(fù)用)80001.02.03.04.010001200140016001800載 波 頻 率信 道 間 隔110 GHz波 長 / nm衰減 / (dBkm 1) 光纖的帶寬很寬。如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口： 波長為1.31 m(1.251.35m)的窗口，相應(yīng)的帶寬(

12、|f|=|-c/2|, 和分別為中心波長和相應(yīng)的波段寬度， c為真空中光速)為17 700 GHz； 波長為1.55 m(1.501.60 m)的窗口， 相應(yīng)的帶寬為12 500 GHz。 兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過30 THz。如果信道頻率間隔為10 GHz， 在理想情況下， 一根光纖可以容納3000個(gè)信道。 由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。 目前該系統(tǒng)是在1550

13、 nm波長區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長之間的間隔為1.6 nm、 0.8 nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200 GHz, 100 GHz或更窄的帶寬。WDM、 DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別。以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM 和DWDM來區(qū)分是1310/1550 nm 簡單復(fù)用還是在1550 nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。 由于1310/1550 nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來代替DWDM。 2. WDM系統(tǒng)的基本形式系統(tǒng)的基本形式 光波分

14、復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號(hào)分解為各個(gè)波長分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(也叫分波器)。 從原理上講， 這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來使用， 就是復(fù)用器。因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。 WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式： (1) 雙纖單向傳輸。單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖7.7所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號(hào)1,2,n通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中

15、單向傳輸。 由于各信號(hào)是通過不同光波長攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號(hào)分開， 完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。 (2) 單纖雙向傳輸。 雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長相互分開， 以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。 圖7.7 雙纖單向WDM傳輸光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)復(fù)用器光纖放大器解復(fù)用器光接收機(jī)光接收機(jī)1n1n1n1n光接收機(jī)光接收機(jī)解復(fù)用器光纖放大器復(fù)用器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)1n1n1n1n圖7.8 單纖雙向WDM傳輸光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)1n1n1n1n光接收機(jī)光接收機(jī)復(fù)用/

16、解復(fù)用器光纖放大器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)1nn 12n1n復(fù)用/解復(fù)用器n 12n 雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素，如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、 雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說來要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。 另外，通過在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長的上下路(Add/D

17、rop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)。 3. 光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器的性能參數(shù) 光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是：插入損耗小，隔離度大，帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭，溫度穩(wěn)定性好，復(fù)用通路數(shù)多，尺寸小等。 (1) 插入損耗。 插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即 =10 lg 01PP 其中P0為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；P0為從輸出端口接收到的光功率。 (2) 串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信

18、道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來表示這一程度。 對(duì)于解復(fù)用器)(lg10dBppCiijij 其中Pi是波長為i的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長為i的光信號(hào)串入到波長為j信道的光功率。 (3) 回波損耗。 回波損耗是指從無源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即 RL=-10 其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。)(lgdBppiij (4) 反射系數(shù)。反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即 R=10 (5) 工作波長范圍。工作波長范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性

19、能要求工作的波長范圍(min到max)。 (6) 信道寬度。信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長間隔。 (7) 偏振相關(guān)損耗。偏振相關(guān)損耗(PDL: Polarizationdependent Loss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。)(lgdBppiij WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如圖7.9所示 光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITUT G.957建議的非特定波長的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合

20、ITUT G.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長的光信號(hào)。OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿足G.692的光接口， 即標(biāo)準(zhǔn)的光波長和滿足長距離傳輸要求的光源； 利用合波器合成多路光信號(hào)； 通過光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大輸出多路光信號(hào)。圖7.9 實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)光轉(zhuǎn)發(fā)器 1光合波器光轉(zhuǎn)發(fā)器 nBA1n1n光纖光監(jiān)控信道接收/發(fā)送LA光纖接收1光分波器接收nPA1n1n光監(jiān)控信道發(fā)送器ssss光監(jiān)控信道接收器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)光中繼放大光接收機(jī)光發(fā)射機(jī) 經(jīng)過一定距離傳輸后，要用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況， 將EDFA用作“線放(LA： Line Amplifier)”#, “功放(BA)”和“前放(PA： Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能。 在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)，