1、第四章 光通信用放大器半导体光放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器主要是利用某些稀土元素的激光特性，使其在信号光的诱导下产生受激辐射对信号光产生放大作用。在光通信网络中掺杂光纤放大器中用得最多的是掺铒光纤放大器，也是本公司的主流产品，所以在以下的章节里，我们将主要介绍掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier）从理论上讲我们只须将泵浦光和信号光同时注入掺铒光纤即可产生放大作用，但实际应用中必须加入其他器件或组件才行。 WDM,信D,信信信 信信信,信,信信(a)(b)摘要：本文从 EDFA 入手，分别讲述了隔离器及波分复用器的设计思路，较为详细地讲述
2、了 Hybrid 的发展、使用，从基本结构分析了 Hybrid的设计原理、优势及未来的发展方向。关键词：耦合，隔离，Hybrid 引言：随着 90 年代 EDFA 进入商用，以强劲的优势改变系统中光信号需要经过电光转化才可以放大的过程，掺铒光纤放大器的实用化，不仅实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题；同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通信领域上的一次革命。正是 EDFA 的广泛应用和波分复用的日益成熟的进入商用，加速了使用于 EDFA 设计的器件的快速发展，使得基础
3、器件的需求增加，推动了集成器件的出现。 EDFA 的简介：(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA) 原理分析：掺铒光纤放大器中的核心部件是掺铒光纤，他是以石英光纤为基质材料，同时在纤芯中加入一定比例的稀土元素铒离子（Er 3+）当一定的泵浦光信号注入到掺铒光纤中时，在内部形成粒子数反转，当有波长 1550nm 的光子输入时，发生受激辐射，产生和入射光子同频、同位相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。EDFA 的三种设计思路：1. 同向泵浦：也称为前向泵浦，即泵浦光源与信号光沿同一方向进入掺铒光纤；2. 反向泵浦：也称为后向泵浦，即泵浦光源与信号光沿不同的方向进
4、入掺铒光纤；3. 双向泵浦：泵浦光源从两个相反的方向进入掺铒光纤。三种泵浦的结构图示分别如下：如上图：在 EDFA 设计中，耦合器是将用于泵浦的光源耦合进入掺铒光纤，对光纤中的光信号进行放大处理，隔离器的作用是利用它的光传输的单向性，使得光放大器及光源不受反射光的影响，保障光传输系统中各单元都能稳定工作。 从上面三种泵浦结构图中可以看出，无论采用哪种方式，在 EDFA的设计中均会使用到光的基础器件，隔离器和耦合器，而且它们的作用是无可替代的。随着光通信的发展，系统中需要的模块要求更高，高性能、小体积等，于是这种集合了隔离器和耦合器优点的产品Hybrid 应运而生。Hybrid 产品就是在普通的
5、隔离器中进行扩容，增加了波分复用器的核心部件-Filter ，使得这种小型的集成器件兼具了这两种器件的功能。它可以完全满足系统和 EDFA 的使用要求，由于采用了集成，所以就大大降低了成本，减小的 EDFA 模块的体积。 （备注：笔者到目前为止没有找到这种产品的完整中文译名）原理分析：1. 隔离器：a） 偏振相关隔离器：在这里仅介绍隔离器中的核心部件的设计原理。它的结构见上述示意图。将起偏器光栅、旋光晶体和检偏器光栅按照图示设计放置，同时一定厚度的旋光晶体，放到具有永久磁性的磁环中，而且使入口处的起偏振器和出口处的检偏振器的光轴方向彼此相差 45。这时，达到检偏振器的入射光，因偏振面旋转了 4
6、5，所以能够通过检偏振器。而从检偏振器反射回来的光，按原路到达起偏振器时，因振动面按同一方向又旋转了45。和原入射光相比，振动面已发生了 90的旋转，正好与起偏器的方向正交，所以不能通过起偏器，这就形成了光的单向传输系统。b)偏振无关的隔离器：如图示，将双折射晶体和旋光晶体放置于永久性的磁场环境中，如图 1，当光信号由正向进入光隔离器时，光束被第一片双折射晶体分为 O光和 E 光，依次通过旋光晶体和另外一片双折射晶体，然后平行射出；如果光由反方向入射，基本光路图为图示 2，光信号通过晶体后，发散射出，详细的原理叙述请参考光无源器件一书中第六章对光隔离器的详细叙述。2 耦合器（包括波分复用器和功
7、率分配器）： 目前主流的产品可分为以下两种设计思路：1）TFF 型（ Thin Film Filter）：核心部件采用薄膜滤光片，进行选择性的使用光信号。不过在信道数目的提升上，TFF 则因膜层数的等比增加而不易实现。 2）熔融拉锥型：将两根光纤在高温下，是纤芯充分靠近，通过拉锥距离和光纤纤芯的靠近程度，将不同的光信号分配到不同的光纤中传输。使用这种方法制造的器件的基础单元为 1X2、2X2、1X3、及 3X3 的产品（能提供单次拉锥1X3 及 3X3 的分路器的厂商还很少） 。值得一说的是，我公司已经在 1X3及 3X3 的熔融拉锥型产品的研发上取得了重大突破，一次拉锥即可以得到性能优良的产
8、品，目前已可以批量生产。若需要更多端口的模块，则需要使用这些基础单元进行树型或星型的连接，然后封装。3）AWG 型：在晶圆上作氧化沈积，再用光蚀刻法做出复杂的光波导，AWG 原理是利用波导的物理特性将不同波长的波分出，这种技术能一次分出较多信道，不过波导易受温度等环境的影响，在大量商业化前需较好的绝热封装，这也是光纤波导最困难的技术障碍。Hybrid 的设计原理：Hybrid 是由隔离器和波分复用器集合而成，设计原理如下图：如上图，信号光源由 PORT1 依次经过其中的 TFF 和隔离器，从PORT3 出来沿系统设计的线路传输，泵蒲光信号由 PORT2，通过合波器将光信号耦合进入光传输通道，依
9、次通过 TFF 由 PORT1 输出，若在光传输通道中，由于熔接或杂质粒子产生的反射光回传，则由配置在其中的隔离器将回传光分散，达到隔离的功效。简单地说，Hybrid 产品就是一个小型的集成器件，为了满足某种使用要求。它的主要优点如下：1）兼备了低的插入损耗和高的隔离度。2）很好的耦合性能，可以作为合波器使用，完成波长的合成功能。3）高的隔离效果，由于在器件的设计中间加入了隔离器，所以它具有良好的隔离反射光的性能。4）小体积，使用这种小型的器件，除了能很好地满足使用外，大大地缩小了模块本身的体积，减轻了系统的维护费用。 奥微公司的使用于 C-Band IW-Hybrid 主要性能指标如下：信号
10、波长 1550+/-15nm泵浦波长 980+/-25nm信号源插入损耗 =31dBPDL =60dB回波损耗 =55dB包装尺寸 5.532mm备注：根据客户的使用要求，我公司还可以提供满足更高隔离度要求的产品。 使用： 这种器件多使用在以下方面：1）WDM 系统中做为 MUX 和DEMUX 器件使用，减少了系统中重新配制隔离器的负担。 2）EDFA 模块中作为泵蒲光信号的接入，减少了模块中重新设计的隔离器，增加了系统的稳定性，减小了模块的体积，增强了竞争能力。3）其它光有源模块中。总结：随着光通信的发展，系统对光器件的要求更高，功能更加完备，体积更小，成本更低廉，模块对基础的光器件要求也更
11、加苛刻。HYBRID 仅实现了波分复用和隔离功能的集成，功能还比较简单，带宽的覆盖范围应该从C 波段到 L 波段，甚至满足更宽的波长使用，未来随着技术的进步会有性能更加优越的产品替代。EDFA（掺铒光纤放大器）EDFA（Erbium doped Fiber Amplifer）是一种对信号光放大的一种有源光器件。今天光缆网络已经遍布世界各地，光纤通信成为“信息高速公路 “的重要支柱。 EDFA 在密集波分复用（DWDM）光纤通信系统获得广泛应用。在这些系统中，需要采用 EDFA 来补偿因器件和线路引入带来的损耗。业界人士已达成共识，DWDM+EDFA 是充分挖掘光纤带宽资源，提高光通信容量的有效
12、手段。 EDFA 除了在长距离大容量光纤传输系统中应用之外，在光纤 CATV 系统和用户接入网中也有很大的应用价值。光纤 CATV 网的特点是许多用户同时接收一个节目源发出的，发射机所带的用户数量取决于发射机的输出功率，EDFA 功率放大器可以大大提高发射机的发射功率，使发射机所带的用户数量大大增加，每个用户的成本显著下降。 光纤用户接入网是 EDFA 又一个重要应用领域。在无源光网（PON）中要使用光耦合器（光功率分配器），这些器件只有与光纤放大器结合使用，用光纤放大器来补偿其损耗，才可能有效的提高接入网的覆盖范围，降低接入网建设成本。 不难看出 EDFA 的应用为光纤传输网的设计与建设提供
13、了一个崭新的手段。因此，国际上普遍认为 EDFA的出现为光纤通信技术带来了一场革命。 EDFA 的优点： 掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合，那么，被掺铒光纤放大的光能传输较远的距离。 对数据速率和格式“ 逶明“ 放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。 噪声指数低，可级联多个放大。 信道间交叉的串扰小，可忽略。 EDFA 的物理结构: 掺铒光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（PUMP-LD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通信接口）。其中光无源器件包括：光波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO ）、光纤连接器（FC/APC
14、Connecter ）和光耦合器（Coupler ）. EDFA 的基本结构为：在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输，泵浦激光器 980nm或 1480nm 用于提供抽运能量，WDM 的作用是把输入信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的放大。 EDFA 的原理： EDFA 的放大原理是通过 1550nm 波长的信号光在掺铒光纤中传输与铒离子相互作用产生的。铒离子经过激活，可以在光传输损耗较低的 1550nm 工作窗口中放大光信号。980nm 光学泵浦激光器能向掺铒光纤注入高强度能量，从而激活铒离子，把传输中的光信号加以放大
15、。 如图所示，与铒离子产生光放大效应的能级有三个：高能态、亚稳态、基态。高能态与基态之间的能量差与泵浦光子相同，亚稳态与基态之间的能量差与 1550nm 的光子能量相同。 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铒离子抽运到高能态上，处于高能态的铒离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于铒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离子数反转，即处于亚稳态的铒离子数比处于基态的铒离子数多。当信号光子通过掺铒光纤，与铒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。EDFA 的系列类别 EDFA
16、 在功能应用上可以分为用作光发射机输出的功率放大器、作远距离传输的线路放大器和用作光接收机前端的前置放大器以及 DWDM 用 EDFA、光纤 CATV 用 EDFA。 功率放大器 把 EDFA 置于光发射机半导体激光器之后，光信号经 EDFA 放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达 200 公里有以上。在 CATV 网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的所谓星形结构的光功率分配。 线路放大器 把掺铒光纤放大器置于光纤传输线路中间称为线路放大器，它将已被衰减了的小信号进行放大可以大大延长传输距离，此放大器也称为中继放大器。线路放大器的显著优点是增益高，通常大于30dB。由于可
17、以级联使用，特别适合海低远程通信和陆地超长距离使用。 前置放大器 把 EDFA 置于光接收机 PIN 管光检测器的前面，来自光纤的信号经 EDFA 放大后再由 PIN 管检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，最根本的原因是由于 EDFA 的信噪比优于电子放大器。所以，用 EDFA 作预放的光接收机具有较好的灵敏度。 DWDM 系统用 EDFA 由于 EDFA 具有 35nm 的工作带宽，它可以同时放大多个不同波长的光信号，因此它可以十分方便地应用于 DWDM 系统中，补偿各种光衰耗。 光纤 CATV 用 EDFA 对于光纤/同轴混合结合的多种系统并存的 CATV 网络，尤其是前端集中的
18、系统，点到多点的广播式结构和长距离的干线传输系统，掺铒光纤放大器的应用日益受到重视。采用掺铒光纤放大器提高光功率可以在原有发射设备基础上，为更多的用户服务，从而降低发射机单位毫瓦的造价。另外，在近几年来，包含有掺铒光纤放大器的 1550nm 光发射设备可以最廉价地实现光纤到路边和光纤到大楼。 另外，掺铒光纤放大器在用户接入网中也占有重要地位，用于对分配到各分支的相当弱的光信号 进行放大，以提高用户的终端设备接收质量。 EDFA 的应用： 掺铒光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一带光通信系统
19、的关键器件之一。 掺铒光纤放大器用在系统发射机端，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行放大可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、DWDM 光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、光纤 CATV 等工程。 掺铒光纤放大器的实际使用方式： 在实际使用过程中，功率放大器、前置放大器和线路放大器，既可以单独使用，也可以组合使用。共有七种组合方式： 1）. 光发送器+功率放大器 +光接收机 2）. 光发送器+前置放大器 +光接收机 3）. 光发送器+线路放大器 +光接收机 4）. 光发送器+功率放大器 +前置放大器 +光接收机 5）. 光发送器+功率放大器 +线路放大器 +光接收机 6）. 光发送器+前置放大器 +线路放大器 +光接收机 7）. 光发送器+功率放大器 +线路放大器 +前置放大器+光接收机 其中，线路放大器既可以单独使用，也可以多个级联使用。使用时，可根据工程的具体情况和系统技术性能要求，从上述组合中选用适当的使用方案及线路放大器的级联个数。
