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光放大器
阅读:16239时间:2010-10-08 09:58:22

  光放大器就是放大光信号。在此之前,传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换,即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果,它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。

分类

  现在主要有两种类型的光放大器:半导体光放大器(SOA)和光纤放大器(OFA)。半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制,实现光放大,其原理和结构与半导体激光器相似。光纤放大器与半导体放大器不同,光纤放大器的活性介质(或称增益介质)是一段特殊的光纤或传输光纤,并且和泵浦激光器相连;当信号光通过这一段光纤时,信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器(Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier)和非线性光纤放大器。像半导体放大器一样,掺稀土离子光纤放大器的工作原理也是受激辐射;而非线性光纤放大器是利用光纤的非线性效应放大光信号。实用化的光纤放大器有掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier)。

  光放大器是一个模拟器件,所以它的性能参数都是模拟参数。

  增益(Gain)增益是输出光功率与输入光功率之比,也就是:

  增益=POUT/PIN

  其中POUT和PIN分别是输出光功率和输入光功率,功率的单位为瓦特;通常我们用分贝(dB)为单位来表示增益,也就是:增益(dB)=10lg(POUT/PIN)

  噪声指数(NF)光放大器的噪声指数(NF,Noise Figure)的定义式为光放大器输入输出端口的信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)的比值:

  增益带宽

  所谓增益带宽是指光放大器有效的频率(或波长)范围,通常指增益从最大值下降3dB时,对应的波长范围,如1.3.3中λa、λb之间。增益带宽的单位是纳米(nm)。对于WDM系统,所有光波长通道都要得到放大,因此,光放大器必须具有足够宽的增益带宽。

  饱和输出功率

  光放大器的输入光功率范围有一定的要求,当输入光功率大于某一阈值时,就会出现增益饱和;增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据ITU-T的建议,当增益比正常情况低3dB时的输出光功率称为饱和输出功率,其单位通常用dBm表示。

集成超快速光交换机的

  成了交换器件后,可以实现不停机维护和其他一些应用。

  光放大器(OA),特别是掺铒光纤放大器(EDFA),是光网络中最普通的器件。而且OA与DWDM技术结合使用后,可以在超长途和长途陆地网络中实现高容量传输。在这些网络中,OA的主要作用就是:补偿信号在光纤中传输时的损耗。

  另外,OA在城域网中起到的作用也十分关键。因为城域网中的传输距离虽然缩短了,但是由于使用了光分插复用器(OADM)以及其他的光网络单元,所以还是需要OA来补偿他们带来的插入损耗。

  因此,对光放大器的需求激发了人们来开发不同类型的OA。OA若以掺杂剂(如铒元素)和玻璃基质(如硅元素)来划分,主要分为基于光纤和基于波导两种。实际上,要设计一种OA必须考虑它的类型和它的应用范围。例如,适用于长途的EDFA和EDFA/Raman混合放大器,就与半导体光放大器和用于城域网的紧凑型EDFA大为不同。

  现在,人们正进行大量的工作,评估在通信网中引入新的光交换技术的好处。在提高交换速度的同时,向光交换元件中加入一些新的功能,例如可变光衰减和光多播,就能够带来多项好处。在OA中加入新型光交换器件也可以增加很多用途。

  一般来说,长途EDFA线路放大器的结构是OA的共同参考结构。这种结构适用于多种类型的放大器,而且设计理念可以很容易地适用于不同的放大器。这种结构的基础是两级放大。因为,经过两级放大后,放大器的噪声较低,增益较高。

  在两级增益介质中间加入不同的元件或者子系统,还可以为放大器添加一些额外功能。例如,加入可变光衰减器(VOA)可以提高放大器的动态范围;加入色散补偿光纤,可以以最小的光信噪比(OSNR)损失高效地管理色散的分布;加入OADM就可以在放大器节点分插业务流。

  提高放大器的可靠性

  由于光放大器是光网络中最普遍的器件,所以,他们对故障的适应和恢复能力在很大程度上会影响到网络的可靠性。通常,DWDM链路中某一个放大器的故障会导致多个信道需要实行保护倒换,因为这条链路上的光纤需要重新选路。所以,提高OA对严重故障的恢复能力是非常重要的。对于一些不太严重的故障,它们只会恶化传输性能,但不会使整个链路瘫痪,这时必须一方面维修光放大器,一方面还要保证业务的传输。引入下一代具有可变衰减功能的超快速交换机后,就可以提高放大器对严重故障的恢复能力,同时还能在业务运行过程中进行系统维护。

  运营商们之所以十分希望对放大器进行业务运行过程中的预防式维护,是因为运行高速长途网络的经济利益非常巨大。即便在近期价格下跌的情况下,一条200Gbit/s的网络链路,也能够每小时轻松收入10,000-20,000美元。因此,如果能不中断任何网络单元而实现网络维护,那么运营商们不仅能获得源源不断的收入,而且也避免了因违反服务品质协议(SLA)而造成的损失。

  当OA发生了不是很严重的故障时,必须能够在维持正常业务的情况下修复OA。要解决这个问题可以使用旁路技术绕过出故障的放大器(或者子系统),用一个后备系统来重新路由,从而在不影响链路传输的情况下进行放大器的维护。

  图1描述的是一个超快速交换机如何用于旁路操作中。若一个交换机的交换时间小于500ns,用它就可以在只中断传输500ns的情况下完成旁路操作。由于中断的时间足够短,所以避免了放大器瞬间离开链路。然而在链路的终点,接收器中的锁相环还是会受到影响,不过由于锁相环很快会重新锁定,所以亦不会引起保护倒换。此外,图1所示的配置方法只能适用于一部分OA。

  图1用一个超快速交换元件旁路故障放大器,或者用它在不到500ns时间内实现其他的维护。

  图2在这个子系统的旁路结构中,后备系统补偿了5[%]分流引起的OSNR下降。而且使用隔离器可以避免反射光放大以及谐振效应。

  如图2所示,下一代的某些交换机具备多播功能,那么利用这种功能将光分流器接入到系统中就不会带来附加损耗。在这种设计里,由于5[%]的分流器要被用作测试接口,这样会降低OSNR,所以后备系统必须对此进行补偿。而且,为了避免放大反射光以及谐振效应,还需要使用隔离器。装有光电管的分流耦合器通常被用来监测输入、输出和反射光功率。测量值可以用来调节泵浦激光器的功率,如果输出端光纤折断了或者没有连接,则可以自动关闭泵浦激光器。

  业务运行中的泵浦源替换

  OA中的泵浦激光器通常都是高功率的激光器。而这些高功率有源器件的使用寿命往往不长,一般只有几个月。那么单个光泵浦源发生故障就有可能使放大器无法工作。所以,一些新型的放大器都会配备一个或多个后备泵浦激光器。这样,如果一个泵浦源不能工作,就不会引发放大器的严重故障。

  图3在一个可替换泵浦源的结构中,将一个2×1的交换机用作合路器(类似于3dB耦合器)或交换机,就可以从链路中隔离故障泵浦源。

  图3所示是一种参考结构。这种结构可以在不影响OA工作的情况下替换泵浦源。它的设计原理就是用光交换机的交换和反向多播功能,从增益介质中隔离故障泵浦源。具体地说,就是用一个光交换机将两个泵浦源和增益介质连接起来,交换机通过反向多播将两个泵浦源发出的光合并在一起。于是,一旦某个泵浦源出故障,交换机就只把另一个泵浦源连到增益介质中。因为反向多播本身就对每个泵浦源有3dB的损耗,所以如果只连接一个泵浦源,输出功率也是保持不变的。但在交换时间(小于500ns)里,OA内会有一次比较小的瞬时变化。不过可以用一个延时计时器抑制该变化,这样网络就不会受其影响了。最后,由于故障泵浦源没有再连接到增益介质中,所以维修泵浦源时不会影响链路。

  升级放大器的功能

  因为放大器的节点是传输网中最为普通的节点,所以放大器如果可以适应网络业务形式的变化,这对服务提供商就非常有利了。在安装了放大器后,服务提供商也许希望能从同一节点分插业务流。他们也许还需要向放大器中添加色散补偿功能,或者改变放大倍数。针对这些需求,如果在OA中集成具有可变衰减和多播功能的超快速交换机,即便是工作环境发生变化,OA也能适应未来网络发展的需要。

  图4

  使用了交换机的多播功能后,就可以在OA中加入可变的分流器而不引入附加损失(a)。交换机的快速可变光衰减功能可以改变放大器的增益。使用了交换元件后,还可以根据需要为链路加入色散补偿功能(b)。超快速交换元件还能够引入光分插复用器,并且对现有信道产生的影响很小(c)。

  图4a描述的就是可以向OA增加功能的一般结构。这种结构中,放大器里集成了一个超快速交换机,从而能应用于很多方面。图4b所示的是如何在放大器的节点内实现色散补偿。图4c所示的是引入可重配置的OADM(ROADM)后的情况。某些情况下,可以在不中断网络运行、并给网络带来最小影响的前提下为OA增加新的功能,例如从放大器节点升级到ROADM。

  还有一点值得讨论的是EDFA(由一根纤芯掺铒的光纤构成)的增益动力学。EDFA的工作原理是将外泵浦半导体激光器发射的光耦合进光纤,进而激发铒原子。C波段或者L波段的光信号进入光纤后会激励已被激发的铒原子,使它受激辐射出与入射光波长相同的光子,从而实现光放大。人们已经针对瞬间插入或分离信道等情况,深入研究了这一类放大器的瞬时增益动力学。这其中功率瞬间变化的持续时间非常重要,因为它能够引起暂时的性能恶化。而瞬间变化的持续时间与掺杂离子数量分布的动力学有关,并且远比离子的松弛时间短。不管怎样,硅基EDFA的瞬间变化持续时间很容易超过1ms。

  有一点需要强调,那就是OSNR和误码率(BER)会随增益瞬间变化而变化。这种情况在分插业务流时是很难避免的。尤其是在突然插入信道时,信道功率会出现突然降低,这时BER最高(OSNR值最低)。BER有时甚至会超过10-7,这在统计上是不可接受的,而且持续时间可达10µs量级。要解决这个问题,用一个集成了可变光衰减功能的超快速交换机就可以实现亚微秒级瞬间变化,也就可以避免BER/OSNR的变化了。对放大器而言,这样可以既不影响网络性能,又抑制了增益瞬间变化。

  交换器件带来的优势

  OA中的超快交换技术提高了OA对故障的适应、恢复能力,使维护更方便,还增添了新功能。另外,这些交换动作可以在放大器系统内部完成,给运行中的通信链路带来的负面影响也最小。最后,用超快速光交换机比用装有光电探测管的分流耦合器好,因为超快速光交换机支持集成的多播和可变光衰减功能,所以便于监控和快速调节。

光纤放大器技术

  光纤放大器不但可对光信号进行直接放大,同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能,是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件;由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制,更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用,从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实,是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器(EDFA)、半导体光放大器(SOA)和光纤拉曼放大器(FRA)等,其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统(雷达多路数据复接、数据传输、制导等)等领域,作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。

  光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种,根据其在光纤网络中的应用,光纤放大器主要有三种不同的用途:在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率;在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度;在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗,延长传输距离。

  掺铒光纤放大器

  掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质,当泵浦光输入到EDF中时,就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上,处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上,由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转,此时,信号光子通过掺铒光纤,在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子,使信号光子迅速增多,这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器(EDFA),并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来,推动了光纤通信向全光传输方向发展,且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟;应用广泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纤损耗最低的窗口,具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关,且同时放大多路波长信号等一系列的特性,在长途光通信系统中得到了广泛的应用。其不足是C-Band EDFA的增益带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分,制约了光纤固有能够容纳的波长信道数;然而随着因特网技术的迅速发展,要求光纤传输系统的传输容量要不断地扩大,面对传输容量的扩大,目前主要有三种解决途径:(1)增加每个波长的传输速率;(2)减少波长间距;(3)增加总的传输带宽。对于第一种办法,如果速率提高到10Gbit/s将带来新的色散补偿问题,况且现在的电子系统还存在着所谓"电子瓶颈"效应问题。第二种办法如果将信号间距从100GHz降低到50GHz或25GHz将给系统带来四波混频(FWM)等非线性效应,且要求系统采用波长稳定技术。从而研究新的光纤放大器如L波段的EDFA是增加总的传输带宽的一种,它将EDFA工作波长由C波段1530~1560nm扩展到L波段1570~1605nm,使EDFA的放大增益谱扩展了一倍。尽管L波段EDFA的波长覆盖了EDF增益谱的尾部,但仍可与性能先进的C波段EDFA产品相媲美:例如两者的基本结构相类似,大多数C波段EDFA的设计和制造技术仍可应用于L波段EDFA研制;L波段EDFA有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转因子,增益波动系数远小于C波段EDFA,所存在的是L波段EDFA的EDF较长带来无源光纤损耗较大,放大噪声稍大等不足。

  半导体光放大器

  半导体光放大器(SOA)是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器,当偏置电流低于振荡阈值时,激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低,可实现增益兼开关功能等特性,在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视,特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功,已引起人们对SOA的广泛研究兴趣。国内武邮院与华中科技大学合作成功地研制开发了在光网络中的关键器件--半导体光放大器,并很快实现了产品化,成为继Alcatel公司之后能够批量供应国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商,这标志着我国自行研制的应变量子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大,工作稳定性较差等缺陷,迄今为止,其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。又由于半导体光放大器覆盖了1300~1600nm波段,既可用于1300nm窗口的光放大器,也可以用于1550nm窗口的光放大器,且在DWDM多波长光纤通信系统中,无需增益锁定,那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案,而且还可以促成1310nm窗口DWDM系统的实现。

  光纤拉曼放大器

  受激拉曼散射(SRS)是光纤中的一种非线性现象,它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上;如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可以得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器(FRA)。近年来光纤拉曼放大器倍受关注,已成为研制开发的热点,它具有许多优点:(1)增益介质为普通传输光纤,与光纤系统具有良好的兼容性;(2)增益波长由泵浦光波长决定,不受其它因素的限制,理论上只要泵浦源的波长适当,就可以放大任意波长的信号光;(3)增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。

  正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点,它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段,并可在1292~1660nm光谱范围内进行光放大,获得比EDFA宽得多的增益带宽;再次增益介质为普通光纤,可制作分立式或分布式FRA,分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大,增加光放大的传输距离,应用于40Gbit/s的高速光网络中,也特别适用于海底光缆通信系统,而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用,所以输入光纤的光功率大为减少,从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少,这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充,而不是代替,两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带,这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。

  但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器,解决这个问题的主要途径有:一是研究降低阈值功率的泵浦激光器,使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用;其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平;其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起,获得一个大功率输出的泵浦激光器,此种方法不但可提供一个宽带的增益谱,而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。

  WDM传输系统中光纤放大器的增益平坦控制技术

  为了确保WDM系统的传输质量,WDM系统中使用的光纤放大器除具备有足够的带宽、高输出功率和低噪声系数等特性外,还对增益平坦度控制技术提出了更高的要求。光纤放大器带内的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内,最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。很明显,在WDM系统中增益平坦度越小越好,否则,如果各信道的增益不均,经过多级放大之后,这种增益差值会线性积累,低增益信道信号的SNR恶化,高增益信道的信号也因光纤非线性效应而使信号恶化,因此,要使各信道上的增益偏差处于允许范围内,放大器的增益就必须平坦,而使光纤放大器增益平坦技术大体有两种途径:其一是"增益均衡技术";其二是"光纤技术"。"增益均衡技术"是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性,这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合,使综合特性平坦;现阶段实用化的固定式增益平坦控制技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。但随着多通道(>80Ch)、高速率(>40Gbit/s)、长距离光纤传输系统的发展,对光纤放大器的增益平坦控制技术提出了更高的要求,这就需要研制动态增益可调的增益平坦滤波器,这种可调谐增益动态滤波器技术主要有:法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导马赫-曾德型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。至于"光纤技术"现阶段主要是在进一步研究掺铒光纤特性的基础上,改变光纤材料或利用不同光纤的组合来改变EDF的特性,从而来改变EDFA的增益平坦性,主要有掺铝的EDFA、掺氟化物EDFA、掺碲化物EDFA、混合型EDFA和多纤心EDFA等技术。

  光纤放大器的主要应用和市场

  近年来,随着信息和通信技术的飞速发展,光纤放大器的研究和发展又进一步扩大了增益带宽,将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。由于光纤放大器的独特性能,在DWDM传输系统、光纤CATV和光纤接入网中有着广泛的应用。密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流,作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展,这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽,它与WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量,延长中继距离。在光纤接入网中,尽管用户系统的距离较短,但用户网的分支太多,需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量,降低用户网的建设成本。在光纤CATV系统中,随着其规模的不断扩大,其链路的传输距离不断增长,光路的传输损耗也不断增加,将光纤放大器应用在光纤CATV系统中不但可提高光功率,补偿链路的损耗,增加光用户终端,而且简化了系统结构,降低了系统成本,加快了光纤CATV的发展。最近,美国CIBC World Market 公司的相关人士对掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤拉曼放大器(FRA)、半导体光放大器(SOA)这三类光放大器的市场状况分别进行了分析:EDFA从1994年开始商用,现已成为DWDM系统的关键器件,且市场正在快速增长,其中Corning、Lucent和JDS Uniphase等许多公司都参与了这一市场的竞争,预计全球EDFA市场将从1999年的13亿美元增长到2004年的96亿美元,销售量将以年均43[%]的速度递增;光纤拉曼放大器近年来备受人们关注,已成为开发的热点,尽管预计最近一两年内光纤拉曼放大器还不会在陆地光缆系统中广泛应用,但其市场规模仍将从1999年的约330万美元猛增到2004年的7.5亿美元;而半导体光放大器(SOA)自应变量子阱材料的SOA研制成功以来,其研制速度和应用开发明显加快,且SOA市场可望于2001年开始起动,此后会迅速扩大,2004年将达到2亿美元的规模。

  光纤放大器的发展方向

  由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展,对作为光纤通信领域的关键器件——光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求,因此,在未来的光纤通信网络中,光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面:

  (1)EDFA从C-Band向L-Band发展;

  (2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器;

  (3)将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器进行串联使用,获得超宽带的平坦增益放大器;

  (4)发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关;

  (5)研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器;

  (6)小型化、集成化光纤放大器。

  随着新材料、新技术的不断突破,光纤放大器在1292~1660nm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想,Tbit/s DWDM光网络传输系统将一定会实现。

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