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2005 年11月14 |
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2005 ICTC论文--1550nm光传输系统中的掺铒光纤放大器 |
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1550nm光传输系统中的掺铒光纤放大器
四川九州电子科技股份有限公司 技术开发中心 卢剑平
作者简介：卢剑平，副总设计师，高级工程师,主要从事有线电视光纤传输系统设备的研发工作。
【摘要】本文详细阐述了1550nm掺铒光纤放大器设计的原理、测试方法和在CATV系统中使用的注意事项
Author’s brief introduction: Lu Jian Ping, Vice Chief Designer, Senior Engineer, be mainly engaged in the work of product development that the optic transmitting system of CATV.
【Abstract】 This texts gives descriptions of EDFA designing principle 、testing methods and issues that should pay attention to in CATV system
一、 前言
众所周知，光纤在1550nm窗口具有最低的损耗。光放大器的引入，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的应用使1550nm光纤系统远距离传输得以实现。光放大器根据增益介质的不同可分为两类：一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb等）的光纤，利用受激辐射机理实现光的直接放大，如半导体激光放大器（SOA）和掺杂光纤放大器；另一类基于光纤的非线性效应实现光的放大，典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器。由于半导体激光放大器（SOA）与光纤耦合困难，对光的偏振特性敏感，噪声及串扰大，严重影响了它的应用；而非线性光纤放大器主要采用受激拉曼散射效应的拉曼光放大器，其缺点是需要的泵浦功率较高。约0.5~1W，实现比较困难；而掺铒光纤放大器（EDFA）由于工作窗口在1550nm，增益高、噪声低、输出功率大，增益特性稳定、增益与偏振无关等特点，可实现信号的“透明”传输，得以在系统中广泛应用。所谓“透明”传输是指可同时传输模拟信号和数字信号，高比特和低比特率信号。
二、 EDFA的基本工作原理
1、 EDFA光放大器的基本结构
图1给出了正向泵浦的EDFA光放大器的原理性光路，其主体是泵浦源与掺铒光纤。WDM为波分复用器，它的作用是将不同波长的泵浦光与信号光混合而送入掺铒光纤。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声提高系统信噪比。
图1：EDFA光放大器原理性光路图
在泵浦光作用下的掺铒光纤中，通过光与工作物质的相互作用，泵浦光能量转移给信号光而将其放大。掺铒光纤放大器（EDFA）采用掺铒离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下铒离子由低能级跃迁到高能级得到粒子数反转分布，在信号光诱导下实现受激辐射放大。
2、泵浦方式
泵浦源为放大器源源不断的提供能量，在放大过程中将能量转换为信号光的能量。主要有以下几种泵浦方式，分别如图3（a）、（b）、（c）所示。这三种结构的EDFA分别称为前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤放大器。
前向泵浦的噪声低，后向泵浦的输出功率高，双向泵浦结合了前两种的优点。随着器件制作水平的提高，单个980nm的泵浦激光器的输出功率可达到250mW。一般采用前向泵浦的单个980nm的泵浦激光器可制作出19dBm以内的光放大器，采用双980nm的泵浦激光器可制作出21dBm的光放大器，采用一只980nm的泵浦激光器和一只1480nm的泵浦激光器可制作出23dBm的光放大器。
应当注意的是EDFA光放大器的输出光功率不是越高越好，因为EDFA光放大器在高功率输出情况下的噪声指标一般比低输出功率的高，且在1550nm光传输系统中光发射机的受激布里渊散射门限SBS值一般在17 dBm左右，高的输出功率只能在前端或在线分配输出。
3、EDFA的主要特性与指标
一个实用的 光放大器应具有优良的性能，并用各种技术参数来表征，其中增益、带宽、输出功率与噪声指数是评价放大器优劣的四个基本特性参数。光纤放大器的主要特性指标是增益和噪声
3．1小信号增益和饱和特性
放大器的增益定义为G=Pout/Pin，式中：Pout,Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。图4展示了典型参数计算所得1.55umEDFA的小信号增益随泵浦功率和放大器长度而变的曲线。在图4(a）中，对于给定的放大器长度L，放大器增益先随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就开始变得缓慢，甚至出现饱和。何时开始饱和取决于EDFA的设计，典型值为1~10 mW。
图4（b）所示，对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当L超过这个最佳值后很快降低，其原因是放大器的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。既然最佳的L值取决于泵浦功率Pp，那么就有必要选择适当的L值和Pp。从图4（ b）可知，当用980nm波长的激光泵浦时，如泵浦功率为80mW，放大器长度L=30m，则可获得35dB的光增益。
在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变。当入射功率增加到一定值后（一般为-20dBm左右），增益开始随信号功率的而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。如图4所示。图4（a）表示数值模拟结果，它是在假定掺铒光纤模场直径为3.6um，在石英光纤芯中掺有1500ppm的Er+3离子，另外还掺有少量的锗和铝离子，用0.98um的光泵浦，泵浦功率为80mW。曲线A和B分别表示放大器长度为13米和9米两种情况，由该图可见，当泵浦功率一定时，掺铒光纤越长饱和程度越深。图4(b)表示商用产品的典型特性曲线。由图可见，增益饱和特性的实测值和理论值符合得很好。正因为EDFA具有这种特性，所以它具有增益自调制能力，这在CATV系统中EDFA的级联中具有重要的意义。
3．2 增益谱特性与放大器带宽
图4：光放大器的吸收和增益谱
增益频谱曲线形状取决于光纤芯内掺杂剂的浓度。图5表示纤芯同时掺锗的EDFA的增益频谱和吸收频谱。从图中可知，掺铒光纤放大器的带宽[曲线极大值带宽（FWHM）]大于10nm。如果纤芯中掺入铝离子，则带宽还可增大。
3．3光放大器噪声
光放大器噪声是系统性能的最终限制因数，因此必须对EDFA的噪声进行研究。放大器噪声一般用噪声指数F来量度，其值为（SNR）in/(SNR)out=2nsp，这里nsp是自发辐射系数，或者称铒离子反转系数，它与处于基态和激活态的离子数N1和N2有关。这可从nsp=N2/（N2-N1）中得知。对于铒离子完全反转放大器（即所有铒离子均被泵浦光激发到激活态），nsp=1 ，F=2=3dB；但是当离子数反转不完全时，即N1≠0时，总有一部分铒离子留在基态，此时nsp>1。于是EDFA的噪声指数Fn要比理想值3dB要大。对于大多数实际的放大器，由于光连接器、光隔离器、波分复用器和纤芯的融接损耗的存在，F要超过3dB，可能达到5.5dB。在光通信系统中光放大器应该具有尽可能低的噪声指数F以获得低的误码率，对于CATV系统低的噪声指数F可获得高的载噪比指标。
噪声指数就像放大器增益一样，与放大器长度L和泵浦功率Pp有关。图5表示输入功率为1uW的1.55um信号被放大时，对于几种不同的Pp’=Pp/Psats值，噪声指数F和放大器增益G沿放大器长度方向的变化情况。理论结果表明强泵浦功率(Pp>> Psats)的高增益光放大器可以得到接近3 dB的噪声指数。实验结果也验证了这个结论。
4、 铒光纤放大器的性能参数测量
EDFA光放大器的各项指标必须经过仪器的测试才知道能否达到系统的要求，需配置仪
器设备有可调谐光源、光谱仪、光衰减器、光功率计等，主要测试指标有增益、响应谱宽、饱和输出光功率和噪声指数等。
4．1增益、谱宽和输出功率测量
EDFA的增益定义为G=P0/P1，其中P0为EDFA经输出光纤辐射进自由空间的基模信号光功率，P1为进入EDFA输入光纤的指定波长的基模光功率。因为不同的模式表现出不同的增益，同时增益也与波长有关，因此在定义中明确规定模式为基模，波长为指定波长。
图7表示增益测量系统框图，图中用作信号源的可调谐半导体激光器（TLS），内部含
有光衰减器，可提供宽范围的EDFA光放大器输入功率。光谱分析仪具有不受放大自发辐射（ASE）噪声的影响而测量放大后光信号的能力。为了精确地测量增益，要对输入信号进行监视，这可通过用功率计（PM）测量经耦合器耦合出的光功率来达到，该耦合器应具有低的极化灵敏度以便于提高测量精度，并且由它分出的光功率应尽量小，以便使尽可能多的光功率进入EDFA用作测试，耦合器没有使用的端口需适当加以处理，避免不必要的反射产生。
典型的增益测量方法如下（见图7）:
首先，不接入EDFA，连接光纤C到光纤B，将可调谐光源的波长和输出功率设定，分别计算出各波长的Rin= PB/PA。断开光纤C和光纤B, 连接光纤C到光纤D，测量各个波长的功率PA和PB，此时可测得光隔离器的插入损耗为
LDE= PE/PD= PE/(PBRin) = PE/(PARin)
其次，连接EDFA到测量回路中，再一次测量PA和PB，则可得到入射到EDFA的功率为:
Pin= PB= PARin
由此可计算出EDFA的增益为：
G= P0/Pin=PE/(PARinLDE)
用以上方法改变可调谐光源的波长可测试EDFA光放大器的光谱响应。
4．2 噪声指数测量
图8表示插入法测量噪声指数的原理框图。它与增益测量的框图类似，不同点是加入了光滤波器，为的是减小光源自发辐射（SE）噪声的影响。
在2.3中已我们定义了放大器的噪声指数(Fn)，在考虑光滤波器带宽B0时，Fn变为：
对于小信号的噪声指数测量，因为在调谐激光源里的内部光衰减器已减小了入射到放大器的ASE功率，可不插入光滤波器。但对于饱和EDFA噪声指数的测量，必须滤出ASE功率，插入光滤波器是必要的。对滤波器性能的要求取决于SE的大小和所要求的测量精度。
当测量低噪声EDFA光放大器时，光源的自发辐射与相干光的同时存在，可使测量到的EDFA噪声指数偏大。因为激光源内的增益介质产生的放大自发辐射与EDFA产生的ASE类似，光源的自发辐射噪声被放大，结果变得与EDFA光放大器内部产生的ASE难以区分。这种影响就使测量到的EDFA光放大器噪声变大。EDFA光放大器噪声越小，光源自发辐射对测量精度影响越大。
一般光谱分析议已经集成EDFA光放大器噪声指数的测试模块，在该测试方法中第一步要求对输入到EDFA光放大器的光信号进行测试，第二步在对EDFA光放大器的输出光信号进行测试，这样可消除源信号噪声的影响，测试精度优于±0.5 dB。
值得注意的是输入输出的光反射信号要严重引响EDFA光放大器的噪声指标，在EDFA光放大器的光路融接和活动连接器的选取上必须降低反射光信号以保证测试的准确性。
5、 DFA光放大器的性能指标
为了对EDFA光放大器整体性能有初步了解，以便在系统应用中选用，现将EDFA光放大器的主要见性能指标列在表1：
表1：EDFA光放大器的性能指标表
项目 单位 性能参数
工作波长： nm 1530～1560
光谱响应： dB ±0.5
输出光功率 dBm 14、17、19、21、23
输入光功率 dBm -3～+10
噪声系数 dB ≤5 .5
偏振灵敏度 dB ≤0.5
光反射损耗 dB ≥45
输出光功率稳定度 dB ±1.5
光接口 —— FC/APC
SC/APC
三、EDFA光放大器在CATV系统中的应用
EDFA光放大器在数字光通信中可用作前置放大器、线路放大器和功率放大器，前置放大器是小信号放大，要求噪声低，但输出饱和功率不要求太高；EDFA作线路放大器用全光代替了原来的光-电-光中继；功率放大器是将EDFA直接放在光发射机之后用来提升输出功率。由于输出功率的提高，可实现远距离传输，这种方式也是CATV系统应用的主要方式。我们知道CATV系统传输的是多载波模拟电视信号，EDFA光放大器的引入将如何劣化系统的非线性和载噪比等指标，现讨论如下：
1、 EDFA光放大器对CATV系统传输非线性指标的影响
由于高输出功率的EDFA光放大器工作在饱和输出功率状态，没有工作在光放大器线性区内，最初人们认为EDFA光放大器用于CATV传输系统将严重影响系统的CTB、CSO等非线性指标而不能采用，但实际测试表明EDFA光放大器的应用基本对CTB、CSO等非线性指标没有影响。这表明在饱和输出功率状态下的EDFA光放大器能很好的线性放大信号光，这一点当时使人们迷惑不解。经过进一步的理论分析，找到了EDFA光放大器在饱和输出状态下线性放大光信号的原因在于：铒离子在泵浦光的激励下产生跃迁，在信号光的诱导下发生受激辐射产生光放大。而铒离子跃迁到高能级会停留一段时间具有一定的寿命，对于频率超过一定的射频信号，EDFA光放大器的响应速度来不及跟踪信号的变化饱和而保持了对信号的恒定增益放大即线性放大，这一点与半导体光放大器相比完全不同。这也是EDFA光放大器的重大优点之一，半导体光放大器是不能工作在饱和输出功率状态下放大光信号。
2、 EDFA光放大器对CATV系统传输载噪比指标的影响
EDFA光放大器在保持对光信号放大的同时还不可避免的会引入噪声，这可以用噪声指数这个指标来度量。EDFA光放大器的噪声指数度量的是光的信噪比的劣化，EDFA光放大器噪声指数与C/N的关系由以下公式表示：
C/N =（SNRin）m2 /2B.F
式中，SNRin为输入光信号载噪比，SNRin=λPin/2hc，Pin=输入光功率，λ=光波长，h=普郎克常量，c=光速，m=光调制度，F=EDFA光放大器的噪声系数。
由上述公式可以看出，EDFA光放大器的引入会劣化CATV光传输系统的载噪比指标，为了补偿EDFA光放大器引入的载噪比指标会劣化，1550nm光传输系统的光接收功率与1310nm光传输系统相比提高了3dB，为0dBm光接收功率。另外为保证整个系统的载噪比指标，EDFA光放大器的输入光功率不宜低于3dBm。
四、结束语
EDFA光放大器噪声低，增益高，饱和输出功率大，与光的偏振状态无关，是比较理想的光放大器，广泛用于电信和CATV光纤骨干网中，极大的拓展了传输距离。随着980nm无致冷激光器的商用化，低噪声的高增益铒纤的出现，小型化、低成本的17 dBm 以内的饱和输出功率的EDFA光放大器已研制成功，使EDFA光放大器用于城域网已成为可能，这必将推动全光网络的加速发展，为电信和CATV系统创造新的商机。
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