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光纤放大器的新动向

2/14/2005来源:光纤通信人气:7718

光纤放大器的新动向(韩伟) 1前言 近年来,包括有线电视在内的光纤通信系统,由于光纤干线的普及,为了适应通信容量 的扩大和远距离传输网络高功能化的需要,波分复用(WDM)技术有了新的发展。但在WDM系 统中,最有力的关键技术,就是光纤放大器的实用化。 众所周知,在光纤线路中,最有影响的指标一是色散,另是衰减损耗。关于色散问题将 另外探讨。衰减是指光信号在光纤内传输过程中,产生的光功率损耗而言。衰减量是将每 1km产生的损耗,用dB表示之值,例如单模光纤约为d.2dB/km,大约传输15km时损耗达3dB。 为了实现远距离的光信号传输,首先在CATV系统中,应用光纤放大器的是工作在光损耗 最小的1.5μm波域的掺何光纤放大器(EDFA)。但在通信系统中,由于早期铺设的光纤条件 的限制,利用1条光纤传输10GbPS的高速信号比较复杂,但如利用2.5Gbps×4的四波WDM传输, 则很容易实现。因此,从90年代后期起WDM的发展,也推动了EDFA的进步。目前,1.5μm的 EDFA波域,除了早期的1530~1560nmEDFA之外,还出现了拓宽波域的增益位移(GS)型EDFA (1570~1600nm)。 另外,在CATV系统中应用最多的1.3μm波长的单模光纤(SMF)系统中,由于波长色散 甚小即使不作色散补偿,也能传输高至10Gbps的优点,一直受到业界的重视。但由于1.3μm 的SMF传输损耗较大(一般为0.2dB/km)。所以只适用于近、中距离传输。今后,随着1.3 μm的远距离传输需要增加,新问世的1.3μm波域的掺谱光纤放大器(EPFA)也成了业界关 心的热点。 最近,由于因特网的爆发式增长,为了有效地利用光谱波长资源,在开发太比秒级 (1Tbp)的高速信号中,高密度波分复用(DWDM)又称密集波分复用技术的发展,也促进了 1.4μm波域的利用。为此目的研制的掺铥光纤放大器(TDFA)的实用化也是业界关心的产品。 还有,应用光纤拉曼现象的拉曼光纤放大器,随着WDM技术的应用,又重新抬头,在实 现超宽波域达100nm放大方面颇具特点。 本文拟就涉及扩展光纤网络容量的各种光纤放大器的现状与发展动向作一综述,以飨读 者。 2 EDFA EDFA是在石英光纤中掺入稀十元素饵(Er)作成的掺饵光纤放大器(Erbium Doped FiberAmplifier)的缩语。其放大机理是在掺饵的单模光纤中,利用1.47μm的激光器向纤 芯中饵元素泵激时,可使1.5μm波长的光信号,产生感应辐射而得到放大。 由于EDFA具有增益高(30dB),输出功率高(18dBm)和噪波少、波域宽的特点,在C ATV干线和光通信网络中得到了广泛的应用。 2.1 EDFA的宽带化 EDFA早期的产品,虽然工作波域为1530~1550nm,但随着技术的进步,尤其是因掺杂 物质的不同,开发出了一系列波域的EDFA。在石英系列的掺饵光纤(EPF)中,再添加铝 (AI)元素时,就可改善增益波长特性的平坦度。在WDM系统中,对1.5μm波域传输的波段 也有更细的划分法。例如:短波长的S波段为1450~1530nm,中波长的M波段为1530~1570nm (也有称1540~1580nm为C波段的),长波长的L波段为1570~1650nm。 在石英系列EDFA中,有采用两级构成并在级间插入增益均衡器(GEQ),用以均衡放大 波长特性,来满足WDM的增益波动在1dB以下的。例如在C波段中曾达到了增益22dB, 1dB的 带宽 40nm的指标。 为了在长波长波域也能实现宽带放大,也有利用比正常EDFA还长5~6倍的掺饵光纤, 使高增益波域移到长波长波域的,此型的指标是在1570~1610nm波域没有GEQ的情况下也能 作到增益偏差小于1dB,噪声指数(NF)6dB,只是泵激效率稍低。 除此之外,为了扩大波域,除石英玻璃之外,也正在开发氟化物玻璃和跨系列的EDFA, 有报告称已经达到了1532~1608nm波域增益20dB,3dB带宽76nm,NF<7dB的指标。至于氟化 物EDFA在增益波长特性的平坦性也较好,如果与拉曼光纤放大器并用,有报告称:在波域 75nm的宽带中,增益为18dB、NF<7.4dB,达到了全波域的无缝隙放大的要求。 2.2 EDFA的大功率化 随着波分复用的波长数量的增加,也要求增大EDFA的光输出功率。信号光在中心的纤 芯里,以单模(SM)传播,而泵激光则在内包层以多模(MM)传播。泵激光的泵激效率与 一般的EDF相比稍低,但由于采用价廉且功率大的980nm多模LD光源具有优势。 C波段放大器是用980nm和1480nm泵激构成的EDFA。通过C波段EDFA的输出瑞环行器的 C波段信号,受到L波段放大器输入端的光纤布拉格光栅(FBG:Fiber BragGrating)1的 反射后输出。 L波段光则被采用双包层光纤的反射型EDFA进行放大,再受到FBG 2经EDFA 输出。泵激光是通过 FBG 2射入双包层光纤的。在全信号输入+2dBm时,光输出为+23dBm, NF<4.4dB(C波段), N<7.7dB(L波段)。 从上述一些实验报告来看,EDFA在宽带化和大功率化方面,尤其是在WDM的应用方面 都取得了新的进展。目前,存在的问题是在EDFA或放大波域内的增益波长特性还有些变动, 今后在平坦性上尚待改进。 3 PDFA PDFA是掺话光纤放大器(PRaSEOdymiumDoped Fiber Amplifier)的缩语。目前,在 CATV应用最广泛的是1.3μm的单模光纤。为了能在1.3μm波长的有限资源中,也能开展 远距离传输和WDM业务,业界一直注视着1.3μm的光纤放大器的开发动向。 早在1988年就进行过掺钛(Nd)的光纤放大器的研制。当时主要因为在石英玻璃光 纤中,Nd的发光中心波长位于1.34μm,而偏离光通信波长的1.31μm,再加上又呈现很 强的受激态吸收(ESA),未能获得高增益而告终。后来,在1991年开发PDFA,其1.3μm 发光波长,恰与通信光波长的1.3μm相一致,且能获得高增益,于是便开展了PDFA的实 用化研究。 3.1 掺镨的1.3μm光纤放大器 在PDFA的1.3μm光纤放大器中,因为在石英玻璃等具有大的声子能量的氧化物玻璃 中,不易得到Pr在1.3μm的发光。于是不得不改用各种成分间的结合,具有离子性和声 子能量小的氟化物玻璃。所以,1.3μm用的PDFA的光纤是采用氟化物玻璃为原料作成的。 但经过实验比较又发现烟(In)系列氟化物玻璃比错(Zr)系列氟化物的发光特性和位 能量子效率方面均更优异。因此,目前PDFA所用的光纤基本是采用烟系列氟化物光纤。 为了提高可靠性有将PDFA做成模块的放大器采用In系列掺饵单模光纤组成,前段和 后段均为12m长,利用1017um LD光源泵激模块尺寸宽15.24mm,高194mm,纵深247mm。LD 驱动电流为240mA ×2台,全泵激光量250mW。在1.3μm波长获得增益24dB。包括帕尔贴 器件驱动电流在内,模块的电耗为3.5W。3dB放大的波域在一30dBm输入时为1290~1316nm 的26nm。但在-3dBm输人时,放大带宽却能达到1281~1318nm的37nm。噪波指数在1.3μm 波长时,为6.6,当高于1.3μm时稍有增加,这是因为基态吸收(GSA)增加的原故。 3.2 PDFA的传输特性 在PDFA的实用化中,确保可靠性是重要的。PDFA与EDFA的不同点还在于放大光纤是 采用氟化物光纤,而氟化物光纤比石英光纤的耐气候性稍差,为此须采用真空密封型氟 化物光纤。 有报告称:在PDFA的传输实验中,曾作过10Gbps的110.8km数字传输和40ch的VSB模 拟电视信号的传输。从而表明PDFA在已有1.3μm光通信系统或CATV系统的功能提高上卓 有成效。输入信号在1292~1306nm范围作不等间隔配置。往单模光纤80km的输入信号光 量,每波长为6dBm。在PDFA中利用光纤光栅(FG)作了增益均衡补偿,SM光纤80km中补 偿间距损耗28dB。误码率10-9时功率偏差最差为2dB,平均为1.5dB,达到了实用的水平。 4 TDFA TDFA是惨铁光纤放大器(Thulium DopedFiber Amplifier)的缩语。由于通信容量 的不断扩大,加上光网的高功能化的迅速发展,在WDM领域,业界还注意到1.4μm波域的 利用可能性。 光纤的1.4μm波域,损耗也较低,甚至比1.45μm更长的波长中,损耗也是低于 0.25dB/km。所以,这一波域很适于中、长距离通信用。尤其是与 EDFA或GS-EDFA并 用时,就可扩展信号工作波域2~3倍,这是一个重要的资源。 另外,对于现在已经广泛敷设的色散位移光纤(DSF)来讲,1450nm波段的色散, 也不过只有6~9PS/nm/km,如果能在此波长进行WDM传输,就可避免1550nm波段传输 四波混合(FWM)失真的限制。 4.1 TDFA的光学特性与放大特性 TDFA是在光纤的纤芯中掺入稀土元素铥(Tm,Tm在玻璃中为3价离子)、利用感应 辐射原理作成的光纤放大器。为了提高泵激效率,采用了上变换激励法和再添加其它稀 土元素如铁(Ho)、铽(Tb)的同掺法,以达到防止放大效率恶化和抑制800nm波长的 放大自发辐射(ASE)。 掺话光纤(TDF)的组成玻璃,宜用氟化物玻璃等多声子辐射率小的玻璃。这是因 为在石英玻璃中,只接入Tm时,放大效率较低。 由于WDM传输中串接的光纤放大器,要求具有增益光谱的平坦性和大功率输出性能。 但在PDFA的1450~1480nm波域中,增益偏差相对于峰值竟有27%左右。所以,要在此波 域内利用时,必须进行增益均衡。如前所述,为了实现增益光谱的平坦性和大功率输出, TDFA采用了两级串接组成。增益均衡器(GEQ)利用长周期光纤光栅作成,掺铥光纤前 后级长度为15m和8m,各级均用Nd-YLF激光器后向泵激。泵激光功率为均衡前400mW (前)+270mW(后),均衡后为400mW(前)+230mW(后)。TDFA在1451~1485nm波 域的增益22dB,增益偏差为1dB以内,噪波指数6dB以下,表明平坦性良好。 4.2光纤放大器的超宽带合波传输 由于TDFA的研制成功,有报道进行过TDFA+EDFA和GS-EDFA的3波域合波WDM传输 实验。用10Gbps×54路信号在80km×3=240km线路的DSF上获得了成功。 实验系统的波长配置是:TDFA波域的1464~1478nm10波长(等间隔)、EDFA波域 的1535~1558nm 2波长(不等间隔),GS-EDFA波域的1574~1600nm32波长(等间隔)。 信号调制后,在各放大器中按波域放大,再经WDM合波器合波。在线放大器中,将每个 波域先经WDM分波器分波后,由各放大器进行波域放大,再经WDM会波器合波传输。传 输后再将各波域放大,按每信道分波接收实验结果各信号误码率均低于1×10-10,传 输性能良好,为今后的大容量化提供了经验。 5接曼光纤放大器 在光纤放大器中,除了利用掺人稀+元素的光纤,还有一种称作拉曼光纤放大器 (RFA:RamanFiber AmPlifier)的。它是利用适当改变泵激光源的波长,可以在任意 的波域进行光放大的宽带放大器。 5.1光纤的拉曼效应 在光纤中,射入强功率的光信号时,输入光的一部分,能变换成比输入光波长更 长的光波信号输出,称此现象为拉曼散射。这是由于输入光功率的一部分,在光纤中 的格子运动中消耗所产生的现象。此时,输入光为泵激光时,对变换波长的光又称斯 托克斯光(stokes)或自然拉曼散射光。当将与斯托克斯光相同波长之光同时输入时, 会使波长变换更加显著(即感应拉曼散射)。例如:在光纤中射入小功率1550nm光信 号时,光纤输出的光,是经过光纤传输损耗所衰减的光。此时,如果另外在输入端同 时再射入强功率的1450nm光信号时,1550nm的光功率会出现比没有1450nm时有所增加 的现象。表明这是因为由于光纤拉曼散射,1450nm光的一部分已变换成1550nm光的缘 故。应用这一原理作成的光放大器称拉曼光纤放大器。 5.2拉曼光纤放大器 据实验得知,拉曼放大器的增益最大点为泵激光频率比斯托克斯频率约高400~ 500[cm-1]处相当于30GHz)。依此参量,可知信号光在1300nm波域时,最佳泵激波 长约在1220~1240nm处,而在1550nm波域时,最佳泵激波长为1440~1460nm处。 RFA的拉曼增益与泵激光功率相关。由于自然拉曼散射光在光的进行方向和逆行 方向均能产生,因而,拉曼放大的泵激光方向可在前向泵激也可在后向泵激。 关于拉曼放大器的增益可有两种定义法: (1)在传输光纤中,加给泵激光时,光纤的传输损耗,因有拉曼放大能减少时, 即可从有无泵激光的信号光功率的变化来定增益值。这一增益也称作“ON/OFF增益”。 这种情况,输出光功率小于输入光功率,拉曼放大器可看成是“分布常数型放大器”。 (2)拉曼增益远大于光纤传输损耗。此时,拉曼放大器如同EDFA,相当于集中常 数型放大器。放大增益可以从输出光功率与输入光功率之比定义。 5.3 超宽带拉曼光纤放大器 拉曼光纤放大器(RFA)的开发始于1970年前后,但由于80年代EDFA的崛起,RFA 一度低沉。到了90年代中期,由于大功率激光器(从几百mW到W级)的研制成功,大功 率泵激光源易于入手,加上 WDM业务的发展 RFA技术又得以重新登场。 由于在RFA中,当变更泵激波长时,很容易改变放大的波长特性。因此,如将RFA 用不同的多个波长同时泵激时,就可以获得波长位移达几十到100nm左右的超宽带放 大波域。利用约400mw的泵激功率,达到了1535~1585nm的宽带平坦的增益特性。ON /OFF增益约10dB,由此就可以使插入损耗大的DCF,达到无损耗的实效结果。也表明 泵激光源的WDM对增大泵激功率和增益宽带化的可行性。值得注意的是泵激光源带宽过 宽时,会因泵激光源间的感应拉曼散射效应,使短波长泵激光能被长波长泵激夺取, 而达不到预期的宽带平坦性。 5.4复合光纤放大器 如前所述RFA的增益在增益峰值波长较短的波域,增益有随着波长增加而增大的现 象。另外,在EDFA的增益则有从1560nm起波长越长,增益却有减少的趋势。于是,如 果将RFA与EDFA的泵激波长加以优选,进行率接时就可以获互补,从而达到满意的增益 平坦性,实现宽带化。 由于RFA与氟化物玻璃EDFFA两种光纤放大器的增益特性互补,获得了1530~1600nm 的超宽带平坦增益特性。 RFA的超宽带化实验,刚刚开始,在拉曼光纤放大技术方面还有甚多课题有待开发, 同时在应用方面的潜能也很大,仍有待开拓。 摘自《有线电视技术》