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宽带光纤放大器技术进展

2/14/2005来源:光纤通信人气:10672

宽带光纤放大器技术进展 一、光通信的基石一DWDM和W-EDFA 激光和光纤从发明至实用,已被证明确实具有强大生命力,而且使用完全可靠。 自此电通信就以快速的步伐朝向光通信方向发展。近几年来,单模光纤的1.55Pm波 长窗口显得特别重要,在这窗口实施的波分多路技术(WDM)以加大光纤实际传输容 量,取得非常可喜的效果与它密切配合的是掺饵光纤放大器(EDFA),用来延长光 纤传输距离,同样取得明显成绩。当WDM系统的各路波长间隔进一步靠近以致同时传 输的波长路数加多,进化为密集的WDM即DWDM时,势必要求它的同伴EDFA在更宽的波 带内提供平坦的功率增益,成为宽带的EDFA即W-ED-FA。这样,由DWDM和W-EDFA 一起,加上非零色散光纤NZDF的线路,就可组成大容量(Tbit/s)、长距离(几千 km)的光通信线路。这样的有线光通信线路既适应近年来数据通信业务量急剧增长 的需要,又是在经济上节约成本的理想措施,因而值得不断深入研究和大力推广发 展。最的,DWDM和W-EDFA一起,不仅在点一点通信线路发挥主力,还要作为全光通 信的骨干结构,其发展前途是无可限量的。本文谈谈W-EDFA的技术进展。 二、EDFA的开始和现状 80年代下半期,研制成功一段一定长度的纤芯掺饵离子的石英光纤,在受到半 导体激光管波长0.98pm或1.48pm足够大功率的抽引下,能使波长1.55pm窗口(1.52 -1.57pm)传输的光信号得到一定有用的功率增益即放大作用。就是说,一段掺饵 光纤受到足够的治适的抽引功率影响,能使传输经过的光信号在一定波带宽度内得 到一定的有用增益,输出较大有光功率并保持较小的噪声系数。这就形成在1.55pm 波长窗口工作的光纤放大器,称之为掺饵光纤放大器(EDFA)。既要求光子从抽引 至信号的转换效率高,从而使信号输出功率提高,又要求转换过程引起的噪声很低。 而且,这样对一定的波带宽度提供功率增益,又要求它具有平坦的增益一波长特性。 对于光纤传输波分多路(WDM)系统而言,平坦的EDFA增益特性非常重要,应该对 所有各路波长的信号提供同等的增益值。如果放大器对某些路波长提供的增益很高, 而对另一些路波长提供的增益很低,那就容易引起各路不同波长之间的路际串扰, 使WDM系统无法正常运用。EDFA的输出功率应该有一定大的值,以便信号能够沿光纤 传输较长距离才再放大。EDFA的噪声系数应该保持较小值,因为长距离光纤线路有 很多只放大器,噪声是累积的。 当初与WDM系统配合运用的EDFA,是在波长1540-1560um范围内,即波带宽度 20um内提供平坦的功率增益。EDFA采用两级放大,即有分开的两段接饵光纤各自得 到980nm激光二极管的抽引。第一级是输入级,主要是用来提高增益,而第二级是 输出级,主要是用来提供饱和的输出功率。在两级的中间,则有一个ASE滤波器, 即放大引起的自发性发射滤波器。由两只有波长选择性的耦合器(WSC)分别把两 只抽引管的功率提供给输入级和输出级。这种WSC也称抽引与信号的混合器,它对 抽引功率是通过的,而对信号则是反射的。 后来,为了充分利用波带宽度,希望在1530-1565um或1525-1560um,即常称 的C波带内得到平坦增益,EDFA提供增益的波带宽度增加至35nm,就考虑在EDFA的 两级之间设置增益均衡滤波器GEF。试用各种不同材料工艺制成这种GEF,有的利用 光栅,也有利用波导。滤波器等不同的方法,都取得一定的效果。这样的平坦增益 C波带,宽度35nm,比最初EDFA的宽度20nm确实加宽了。现在已经实际应用于长途 传输线路的32路和64路的WDM系统,每路数字速率10Gbit/s,因而一对光纤传输容 量增加为320Gbit/S和640Gbit/S。这是当今实际应用的长途光纤线路传输容量的 水平,几百Gbit/s。 三、宽带W-EDFA的出现 上面讲到在C波带1530-1565nm,宽度35nm工作的EDFA,主要是在两段掺饵光纤 之间设置增益均衡滤波器(GEF),以致提供平坦增益的波带宽度从20nm加大至35nm。 但近年来数据通信业务量增长很快,密集波分多路(DWDM)技术有明显改进,可以 在更宽的波带内同时传输更多路数的不同波长,相应地希望EDFA能对更宽的波带, 或者宽度大得多的波带提供平坦增益。这就不能单单依靠C波带,也不能由GEF加大 带宽,只能设法利用另一的L波带1565-1615nm,宽度50nm。因此,进一步的办法 是把C波带EDFA和L波带EDFA一同联合使用,两者宽度相加,得到85nm,构成真正的 宽带W-EDFA。(国外期刊上也有人把C波带35nm宽度的EDFA称为‘宽带’ED-FA, 而把C波带与L波带联合使用,成为85nm宽度的EDFA称为‘超宽带’EDFA)。 据报道,最近设计的这种由C波带宽度40.3um和L波带宽度43.5nm联合使用而构 成的W-EDFA,总宽度84.3nm,平坦增益24dB,每路波长的输出功率24.5dBm,噪声 系数6.5dB。这样的W-EDFA采用分开波带的结构,在输入端设置分波器(DMUX), 把输入信号分为C波带和L波带两支,由两支EDFA分别放大。在输出端设置合波器 (MUX),把放大过的C波带和 L波带信号,即两支EDFA的输出信号合并为一个宽波 带的输出信号。C波带EDFA和L波带EDFA各有3级,即各有3部分惨何光纤。这3级分 别称为色散补偿级、增益均衡滤波级和功率级。C波带的第1级和L波带的第1级各有 一段掺饵光纤,各自由980nm激光管抽引,又各有色散补偿光纤光栅。C波带的第2 级和L波带的第2级也是各有一段掺饵光纤,各自由980nm激光管抽引,又各有增益 均衡滤波器。C波带的第3级有一段接何光纤,由980um和1480um抽引。L波带的第3 级则有3段掺饵光纤,分别由980nm和1480nm抽引。这样的C波带EDFA和L波带EDFA调 整到同样的增益,同样的输出功率和同样的噪声系数,只不过总的W-EDFA的波带 是C波带与L波带两者相加或为很宽的波带。1998年上半年第一次公开表演的1Tbit /s-400km大容量,长距离实验系统,就是DWDM和这种W-EDFA配合使用,估计不 久就可在实际线路上正式运用。 在含有EDFA的通信网中,有时发生快速的功率瞬变,因而有必要对每一EDFA加 装保护措施。一种办法是利用EDFA的抽引控制,即利用低频控制环路,调整EDFA的 每级抽引电流,从而在7-8PS时间内控制EDFA的增益。例如8路WDM系统,有7路突 然不用或加上,势必影响余下一路的信号功率,其变化可能大于6dB,但在有了抽 引控制后,这一路功率变化减小为0.6dB,效果很好。所以,在宽带W-EDFA,每级 抽引控制是必要的。 四、EDFA/W-EDFA的各种应用 EDFA/W-EDFA是对于波长1.55Pm窗口的光信号(WDM/DWDM)起放大作用的放大 器,所以只能对工作于1.55pm波长窗口的线路和通信网提供应用。 (对波长1.31pm 的线路,另有掺错光纤放大器PDFA,但迄今尚未普遍实用)。EDFA的应用主要分为 两类。其一是用于点一点光纤传输线咯,包括大容量。长距离光纤通信系统,沿线 路每隔一定距离设置一个去向、一个来向的EDFA或W-EDFA,由放大器增益抵消其 前面一段线路的光纤损耗,让光信号恢复原来的功率,继续向前传输。这样的EDFA 应用称为线路中间放大器。过去在光纤线路中;司设置再生中继机,把从光纤线路 输入的光信号变换为电信号,经过电的放大、定时、整形,再变为光信号,向光纤 线路输出。现在有了EDFA,线路上的光信号可以直接通过光放大,免除了光/电和 电/光转换,成为全光传输,当然是极大的改进。不过,对于距离很长的线路,中 间放大器EDFA数量过多,它们的噪声累积可能影响最后接收性能,所以在这种情形 有必要采用光的再生措施。在点一点传输线路的应用,EDFA也可以用作发送端的功 率放大器,提高发往光纤线路的光功率。EDFA又可以用作接收端的预放大器,提高 光检测管的接收灵敏度。EDFA的第二人类应用是用于光通信网的内部,光通信网内 部有不少的光上下分波/合波器(OADM)和许多光交及连接器(OXC),EDFA可以 用来抵偿损耗,还有广播系统,EDFA可以用在发送端,提高分播光信号功率,对有 线电视广播(CATV)有利。 一般地说,长途线路的EDFA要求高增益、平增益和低噪声;大容量线路的W- EDFA要求大带宽和大输出功率;而通信网内部的EDFA则主要要求平增益和大输出功 率。当EDFA在通信网与WDM系统一同使用时,必须具备动态控制措施。这是因为网 络在运用过程中结构有时改变,或某一部分发生故障,经过EDFA的WDM路数可能增 多或减少,以致实际运用的各路功率可能加大或减小。如WDM系统的路数减少,可 能使继续工作的各路大功率而引起非线性。如WDM系统的路数增多,可能使原来工 作各路的接收灵敏度降得过低,从而发生误码。为了保护各路在任何情况下能够安 全工作,必须对EDFA的暂态响应和传输系统的功率边际加以适当的控制和管理。