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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)范圍在）。其放大的波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍在其放大的波長(zhǎng)范圍在1310nm1310nm通信窗口通信窗口 摻鉺光纖放大器工作原理?yè)姐s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(shuō)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(zhǎng) / m損耗或增益 /( dBm1)(b)(a)截面 / (1025m2) 由此可見(jiàn)，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(jiàn)，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(zhǎng)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(zhǎng)壽命。波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(lái)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(kāi)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(guó)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)的光信號(hào)

11、組合起來(lái)(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(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(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(zhǎng)分割復(fù)用， 簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。 圖7.6 中心波長(zhǎng)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(zhǎng) / 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(zhǎng)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(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度， c為真空中光速)為17 700 GHz； 波長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)有多大區(qū)別。以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM 和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550 nm 簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550 nm波長(zhǎng)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(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來(lái)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(zhǎng)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(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)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(guò)來(lái)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(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)1,2,n通過(guò)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(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開(kāi)， 完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)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(zhǎng)相互分開(kāi)， 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(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)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(guò)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(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(wú)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(lái)表示這一程度。 對(duì)于解復(fù)用器)(lg10dBppCiijij 其中Pi是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為j信道的光功率。 (3) 回波損耗。 回波損耗是指從無(wú)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(zhǎng)范圍。工作波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)的光信號(hào)。OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)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(zhǎng)和滿足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源； 利用合波器合成多路光信號(hào)； 通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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)，