光纤放大器的发展及展望

光纤放大器的发展及展望 郭 � 伟 (江苏省电网调度所, 江苏 南京 210024) 摘 � 要:简要介绍光纤放大器的原理、类型、发展现状及展望,并着重讲述了与光纤通信网有着密切 联系的掺饵光纤放大器( EDFA)的原理、类型及应用前景。 关键词:光纤放大器;掺饵光纤放大器;宽带掺饵光放大器; 波分复用 中图分类号: TN722. 1 文献标识码: B � � � � � 文章编号: 1005- 7641( 2000) 04- 0033- 04 收稿日期: 2000- 03- 21 作者简介: 郭伟,男, 1976 年生, 助理工程师, 江苏省电网调 度所通信科工作。 1 � 光纤放大器简介 90年代初期,掺饵光纤放大器( EDFA)的研制成 功,打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制,使 全光通信距离延长至几千公里,给光纤通信带来了革 命性的变化。光纤放大器 ( Optical F iber Amplifier, OFA)是指运用于光纤通信线路中, 实现光信号放大 的一种新型全光放大器。根据它在光纤线路中的位 置和作用,一般分为中继放大、前置放大和功率放大 三种。同传统的半导体激光放大器( SOA)相比较, OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等 复杂过程,可直接对信号进行全光放大,具有很好的 �透明性�,特别适用于长途光通信的中继放大。 根据放大机制不同, OFA 可分为掺稀土 OFA 和非线性 OFA 两大类。 1. 1 � 掺稀土 OFA 制作光纤时,采用特殊工艺,在光纤芯层沉积中 掺入极小浓度的稀土元素, 如铒、镨或铷等离子, 可 制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂 离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发 态,在信号光诱导下, 产生受激辐射,形成对信号光 的相干放大。这种 OFA 实质上是一种特殊的激光 器,它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤,泵浦光源一 般采用半导体激光器。 当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口: 1�55 �m波段和 1. 31 �m 波段。选择不同的掺杂元 素,可使放大器工作在不同窗口。 ( 1) 掺铒光纤放大器( EDFA) EDFA 工作在 1. 55 �m 窗口的损耗系数较 1�31 �m 窗口的低, 仅 0. 2 dB/ km。已商用的 ED- FA噪声低、增益曲线好、放大器带宽大, 与波分复用 ( WDM )系统兼容,泵浦效率高, 工作性能稳定,技术 成熟,在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目 前, � 掺铒光纤放大器 ( EDFA ) + 密集波分复用 ( DWDM ) + 非零色散光纤 ( NZDF ) + 光子集成 ( P IC) �正成为国际上长途高速光纤通信线路的主 要技术方向。 ( 2) 掺镨光纤放大器( PDFA) PDFA工作在 1. 31 �m 波段, 已敷设的光纤 90%都工作在这一窗口。PDFA对现有通信线路的 升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪 声、高增益的 PDFA,但是, 它的泵浦效率不高,工作 性能不稳定, 增益对温度敏感, 离实用还有一段距 离。 1. 2 � 非线性 OFA 非线性 OFA 是利用光纤的非线性实现对信号 光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达 到一定阈值时,将产生受激拉曼散射( SRS)或受激 布里渊散射( SBS) , 形成对信号光的相干放大。非 线性 OFA可相应分为拉曼光纤放大器( SRA)和布 里渊光纤放大器( BRA)。目前研制出的 SRA 尚未 商用化。 在现代光通信系统设计中, 如何有效地提高光 信号传输距离、减少中继站数目、降低系统成本, 一 直是人们不断探索的目标。OFA 是解决这一问题 的关键器件, 它的研制和改进在全球范围内仍方兴 未艾。 2 � 掺铒光纤放大器( EDFA)的应用 EDFA在功能应用上可以分为用作远距离传输 �33�2000年第 4 期 � � � � � � � � � � 电 � 力 � 系 � 统 � 通 � 信 � � � � � � � � � � � � � � � 的线路放大器、用作光发射机输出的功率放大器和 用作接收机前端的前置放大器。 2. 1 � 线路放大器 EDFA作为线路放大器有许多特殊功能是电子 线路放大器不可比拟的。 ( 1) 中继距离长。采用�光- 电- 光�方式的中 继距离一般为 70~ 80 km, 而光放大器作中继的距 离可超过 150 km。 (2) 可用作数字、模拟以及相干光通信的线路 放大器。如采用 EDFA 作为线路放大器, 不管传输 数字信号还是模拟信号, 都不必改变 EDFA 设备。 (3) EDFA可传输不同的码率。如需扩容,由低 码率改为高码率时,不需要改变 EDFA线路设备。 ( 4) EDFA 作为线路放大器, 可在不改变原有 噪声特性和误码率的前提下直接放大数字、模拟或 二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升 级,在语言、图像、数据同网传输时,不必改变 EDFA 线路设备。 (5) 一个 EDFA可同时传输若干个波长的光信 号。用光波复用扩容时,不必改变 EDFA线路设备。 ( 6) EDFA 用作线路放大器, 不必经过光电转 换,可以直接对光信号放大,结构简单可靠。 实践证明, 使用 EDFA 的光纤传输, 经过近千 公里的传输后误码率仍能达到 10E- 9。 2. 2 � 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, 用 EDFA 作预放的光接收机具有较好的灵敏度。 2. 3 � 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 km以上。在CATV 网络中应用,更有效地保证点对多点的光功率分配。 在高速率的传输系统中, 用半导体激光器直接调制 会发出�啁啁�声, 采用 EDFA功率放大后再输入光 纤线路,则能获得良好的效果。 3 � 宽带光纤放大器的技术进展 3. 1 � DWDM和W-EDFA 近几年来, 单模光纤的 1. 55 �m 波长窗口显得 特别重要,在这窗口实施波分复用技术( WDM)以加 大光纤实际传输容量, 取得可喜的效果。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 EDFA在更宽的波带内提供平坦的功率增益, 成为 宽带的 EDFA( W-EDFA)。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( Tb/ s)、长距离(几千 km )的光通信线 路。这样,使光通信线路既适应数据通信业务量急 剧增长的需要,又节约成本;不仅在点对点通信线路 中成为主力,还将成为全光通信的骨干结构,其发展 前途是无可限量的。 3. 2 � EDFA的出现和现状 80年代后半期,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�98 �m 或 1. 48 �m 足够大功率的抽引下,能使波 长 1. 55 �m( 1. 52~ 1. 57 �m)传输的光信号得到一 定有用的功率增益,并保持较小的噪声系数。这就 形成在 1. 55 �m 波长窗口工作的光纤放大器 � � � 掺饵光纤放大器 ( EDFA)。对于波分复用( WDM ) 系统而言, 平坦的 EDFA 增益特性非常重要, 以使 各路波长的信号提供相同的增益。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, 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 率应有较大的值, 以便信号能够沿光纤传输较长的 距离。EDFA的噪声系数应为较小值, 因为长距离 光纤线路中的多只放大器的噪声是会累积的。 当初与 WDM 配合运用的 EDFA,波长在 1�54 ~ 1. 56 �m范围内, 在波带宽度 20 nm 内具有平坦 的功率增益。EDFA 采用两级放大, 即有分开的两 段掺饵光纤各自得到 980 nm 激光二极管的抽引。 第一级是输入级, 主要用来提高增益;第二级是输出 级,主要用来提供饱和的输出功率。在两级的中间, 有一只放大引起的自发性发射滤波器, 称为 ASE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入级。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。 为了充分利用波带宽度, 希望在 1. 530~ 1. 565 �m 或1. 525~ 1. 560 �m,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 35 nm, 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 �34� � � � � � � � � � � � � � � � 电 � 力 � 系 � 统 � 通 � 信 � � � � � � � � � � 2000年第 4 期 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 35 nm,比最初 EDFA的宽度 20 nm确实加宽了。现已 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 10 Gb/ s, 因而一对光纤传输容量 增加为 320 Gb/ s 和 640 Gb/ s。这是当今实际应用 的长途光纤线路传输容量的水平, 即几百 Gb/ s。 3. 3 � 宽带W-EDFA的出现 近几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 ED- FA 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 L 波带 1. 565~ 1. 615 �m, 宽度 50 nm。因此, 进一步的办法是把 C 波带 ED- FA 和 L 波带 EDFA一同联合使用, 两者宽度相加, 得到 85 nm ,构成真正的宽带 W-EDFA。也有把 C 波带 35 nm 宽度的 EDFA 称为�宽带� EDFA, 而把 C波带与 L 波带联合使用, 成为 85 nm 宽度的 ED- FA 称为�超宽带� EDFA。 最近设计的由 C 波带宽度 40. 3 nm 和 L 波带 宽度 43. 5 nm 联合使用而构成的W-EDFA,总宽度 84. 3 nm, 平坦增益 24 dB, 每路波长的输出功率 24. 5 dBm, 噪声系数 6. 5 dB。这样的 W-EDFA 采 用分波带的结构, 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 ED- FA 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,分别为色散补偿级、增益均衡滤波级和功率级。 第1级各有一段掺饵光纤, 各自由0. 980 �m 激光管 抽引, 又各有色散补偿光纤光栅。第 2级也是各有 一段掺饵光纤,各自由 0. 980 �m 激光管抽引, 又各 有增益均衡滤波器。C 波带第 3 级有一段掺铒光 纤,由 0. 980 �m 和 1. 480 �m 抽引。L 波带的第 3 级则有 3 段掺铒光纤, 分别由 0. 980 �m 和 1. 480 �m 抽引。这样, 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 1 Tb/ s- 400 km 大容量、长距离实验系 统,就是 DWDM 和这种W-EDFA 的配合使用,估计 不久就可在实际线路上运用。 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~ 8 ps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 6 dB, 但在有了抽引控制 后,这一路功率变化减小为 0. 6 dB, 效果很好。所 以,在宽带W-EDFA中,每级抽引控制是必要的。 3. 4 � EDFA/W-EDFA的各种应用 EDFA/W-EDFA 是对于波长 1. 55 �m 窗口的 光信号( WDM / DWDM )的放大器,其应用主要分为 两类: 第一类是用于点对点的光纤传输线路。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, 这样的 EDFA称为线路中间放大器。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,有必要采用光的 再生措施。在点对点传输线路中, EDFA 既可作发 送端的功率放大器,以提高发送光功率,又可用作接 收端的预放大器, 以提高光检测管的接收灵敏度。 EDFA的第二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)和许多光交叉连接器( OXC) , EDFA 可以 用来抵偿损耗。另外, EDFA 可以用在广播系统的 发送端,以提高广播光信号功率, 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 在通信网中与 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 加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。 4 � 结束语 目前,光纤通信进入了发展的新时期,涉及的范 �35�2000年第 4 期 � � � � � � � � � � 电 � 力 � 系 � 统 � 通 � 信 � � � � � � � � � � � � � � � 围广,技术更新更难,影响力和影响面也更宽,势必对 整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演 变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业 的未来大格局,也将对社会经济发展产生巨大影响。 目前,光纤主干网正在用 DWDM 进行扩容,逐渐 形成环形网。在节点上逐渐装备 OADM 和 OXC,向 光传送网发展。在接入网中, 发展光纤到路边、到大 楼,逐渐向家庭靠近, 向宽带接入发展。为了适应 IP 发展的需要,应对传统电信网进行不断改造。 因此, 加快光纤通信技术的研究、开发、转化和 投产,是促进我国光纤通信产业发展的关键环节。 参考文献 [ 1] � 原荣.光纤通信网络[ M ] . 北京:电子工业出版社, 1999 [ 2] � 唐斯宁.波分复用系统[ J] .电信技术, 2000( 1) [ 3] � 彭拥军. 使用掺饵光纤放大器的光纤 CAT V 系统载噪 比的研究[ J] .光电子学 , 1999( 6) [ 4] � 谢麟振. 使用光纤放大器的频分复用光纤传输系统 [ J] . 高技术通信, 1999( 11) [ 5] � 韦乐平. 光纤通信技术的发展与展望[ M ] . 北京: 人民 邮电出版社, 2000 Actuality and prospect for optical fiber amplifier- OFA G UO Wei ( Dispatching Dept. of Jiangsu Power Bureau, Nanjing 210024, China) Abstract: The paper introduces t he theory, types, actuality and prospect for opt ical fiber amplifier, and emphasizes theor y, styles and foregr ound of application for erbium doped fiber amplifier associated w ith optical fiber communication network. Keywords: optical fiber amplifier ( OFA) ; erbium doped fiber amplifer ( EDFA ) ; wide erbium doped fiber amplifier ( W-EDFA ) ; w ave-divided mult iplex ing (WDM) (上接第 30 页) ( 3) 维护终端 维护终端在程控交换机维护工作中占有极重要 的地位,常用的终端有实达、长城等字符终端;另外, 应用 PC 机仿真终端, 特别是在 Window s 95/ 98 下 的超级终端就很好用。关于Window s 95/ 98下的超 级终端在程控交换机维护中的应用可参考有关文 章。 ( 4) 终端串口的测试工具 终端串口如果不慎带电拨插, 极易导致串口专 用芯片 1488/ 75188N 的损坏。在判别是终端串口 故障、电缆线故障还是接插件等故障时, 可用一只 25针插头,在 2、3脚之间串接一个 1 k� 电阻, 7 脚 接外壳;将该插头插在疑有故障的串口上。在终端 键盘上键入字符,屏幕上显示有正确的回映字符, 则 串口正常;反之则是故障。 6 � 结束语 程控交换人员面对维护管理端口的串口、终端、 直连、交叉、速率、数据格式等等,一系列与话音通信 截然不同的新概念、新名词,由此而进入数据通信的 新领域。而H 20- 20程控数字交换机是有着较强 的语音/数据综合通信能力的设备, 也是它能以 DCA方式配置成多种系统维护管理端口的基础。 通过类似的配置方法,也可以在H 20- 20程控数字 交换机上构造一个比较完善的、用于计算机数据通 信的、多功能的语音/数据综合通信网。 参考文献 [ 1] � Harris20- 20 System Configuration Manual[ S] , 1994 [ 2] � Harris20- 20 General System Description[ S] , 1994 [ 3] � 广州哈里斯通信有限公司. Harris 20- 20 数字程控交 换机技术说明书[ S] , 1997 The configuration of the port of maintenance and the DCA of H 20- 20 YANG Shao-da ( The Communication Center of Gezhouba Hydropower Plant, Y ichang 443002, China) Abstract: The configuration of the port of maintenance of the SPC by composing DLU and DCA is the character of HARRIS 20- 20 SPC. T he compages o f DLU and DCA can be configured into port of maintenance of mode lining directly, dialing a member or mo- dem. Key words: DCA; the port of maintenance; configured �36� � � � � � � � � � � � � � � � 电 � 力 � 系 � 统 � 通 � 信 � � � � � � � � � � 2000年第 4 期