光通信中EDFA工作原理和发展趋势.pdf

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1、光通信中 EDFA 工作原理和发展趋势 第 1 页 共（6）页 光通信中 EDFA 的工作原理和发展趋势 黄学达1，王典洪1，雷非2，陈分雄1，（1中国地质大学，湖北武汉 430074；2烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉 430074）摘要 介绍掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理及应用，分析比较固定增益光放大器和自动增益调整光放大器的性能，展望掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器的联合使用。关键词：掺铒光纤放大器，密集波分复用，可变光衰减器，喇曼光纤放大器。Working principle and developing trend of EDFA in optical fiber commun

2、ication Huang xueda1，Wang dianhong1，Lei fei2，Chen fenxiong1，(1 China University of Geosciences,Wuhan 430074，China；2 FiberHome Telecommunication Technologies Co.,Ltd.，Wuhan 430074，China)Abstract:This paper introduces the working principle of EDFA and its developing trend,analyzing and comparing perfo

3、rmance between EDFA of fixing plus and EDFA of adjusting plus automatically.At that time it expects hybrid amplifiers of EDFA and FRA.Keywords:EDFA,DWDM,VOA,FRA.引言 光纤通信网络中由于光在传输过程中的损耗和色散,使长距离光纤通信受到限制。目前光纤损耗的典型值在1.3um 波段为0.35dB,在1.55um 波段为0.25dB。光纤损耗限制了光纤无中继传输距离(50-100km)。延长通信距离的方法是采用中继站。以前大量应用光-电-光中

4、继,即首先将光信号转换为电信号,在电信号上进行放大、再生、重定时等信息处理后,再将电信号转换为光信号,经光纤传送出去。这样,光-电-光中继需要光接收机和光发射机来进行光-电和电-光转换,设备复杂,成本昂贵,维护运转不便。近几年发展起来的光放大器,尤其是掺铒光纤放大器(EDFA),可使光信号直接在光域进行放大,无须转换成电信号进行信息处理,即用全光中继来代替光-电-光中继,使成本降低,设备简化,维护运转方便。光放大器有半导体光放大器（SOA）、非线性光纤放大器(受激拉曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器)、掺杂光纤放大器。掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的放大器,有铒(Er

5、)、钕(N d)、镨(P r)、铥(Tm)等。容纳杂质的光纤叫做基质光纤,可以是石英光纤,也可以是氟化物光纤,这类光纤放大器统称为掺稀土离子光纤放大器(REDFA)。其中,掺铒光纤放大器的工作波段在1.5um,与光纤的最低损耗窗口一致。现在光通信的发展趋势逐渐由单独使用固定增益的EDFA，到使用增益自动的EDFA，再到EDFA与喇曼光纤放大器的联合使用。1.EDFA 工作原理及应用 1.1 EDFA 的工作原理 在石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光子形成光的放大。_光通信中 EDFA 工

6、作原理和发展趋势 第 2 页 共（6）页 能量 E3 激发态 E2 亚稳态 泵浦光 E1 基态 图 1 EDFA 放大原理 Figure 1 EDFA amplify principle EDFA工作原理如图1所示：其中能级E1代表基态，能量最低；能级E2代表亚稳态；能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激发态E3。但是铒离子在激发态是不稳定的，激发到E3的铒离子很快就通过自发辐射跃迁到亚稳态E2。若信号光的光子能量等于能级E2与能级E1的能量之差，这时处于亚稳态的铒离子通过受激辐射返回到基态E1，并把释放的能量加到信号光的

7、光子上，从而实现信号光的放大。通常EDFA的结构根据泵浦光源的特点分为如图2所示三种，其中双向泵浦方式的放大效率最好，同向泵浦方式的噪声最低。输入光信号 输出光信号 隔离器 耦合器 隔离器 光滤波器 泵浦光源 输入光信号 输出光信号 隔离器 耦合器 隔离器 光滤波器 泵浦光源 电子吸收泵浦光跃迁自发辐射跃迁受激辐射跃迁输入光信号 （弱）输出光信号 （强）掺铒光纤同向泵浦方式 掺铒光纤 反向泵浦方式 中国科技论文在线_光通信中 EDFA 工作原理和发展趋势 第 3 页 共（6）页 输入光信号 输出光信号 隔离器 耦合器 耦合器 隔离器 光滤波器 泵浦光源 泵浦光源 图 2 EDFA 三种泵浦工作

8、方式 Figure 2 Three Pump Mode of EDFA 1.2 EDFA 在 DWDM 中的应用 随着人们通信量要求的增大，密集波分复用（DWDM）应运而生。所谓密集波分复用是指在一根光纤中利用不同光波长相互独立互不干扰的原理，来传输多路不同光源的光信号，以达到扩展传输容量的目的。在 DWDM 中要进行适当的频道划分，使彼此独立地从发端到收端。同时还应该约束各信道信号的光波长，使其足够稳定，避免造成相邻信道干扰。另外在发端利用合波技术将来自不同光源不同波长的信号整合到一根光纤中进行传输，在收端利用分波技术将一根光纤中传输的光信号分解开来，送到各自相应的接收单元。由于在合波、分波

9、以及光信号传送过程中存在着衰减，故在很多场合下都要用到掺铒光纤放大器对光信号进行放大，以弥补光信号的损失。掺铒光纤放大器在 DWDM 的应用主要有几个地方：一是在光发射机后做功率放大器，增加需要传送的光信号的功率；二是用于中继站，做光线路放大器，放大传送过程中衰减的光信号；三是用在光接收机前做前置放大器，可以提高光接收机的接收灵敏度。具体使用如图 3 所示。DWDM 用 EDFA 的主要性能参数有噪声系数、饱和输出功率、增益平坦度、眼保护时输出功率、输入端泵浦泄露、输出端泵浦泄露、输入光功率检测范围、输出光功率检测范围等等。Figure 3 DWDM configuration picture

10、 2.固定增益光放大器与自动增益调整光放大器性能比较 在通常的 DWDM 设备中所用到的 EDFA，都是增益固定的。在进行系统调试时往往要在 EDFA 前加 一个光衰减器，来调整输入到 EDFA 中的光功率值，得到最佳的输出功率与最佳的工作状态。在系统设备工作过程中由于不可避免的原因造成某一路或几路光信号的增减，进入 EDFA 放大的光信号将发生变化，从而经放大后输出的光功率也发生改变，这将会影响整个传输系统工作的稳定度。在 DWDM设备中衡量整个系统性能的指标主要是几个参考测试点的光信噪比，尤其是当多个 EDFA 级联使用，光信号双向泵浦方式 合波器 功率放大器 线路放大器前置放大器分波器

11、图 3 DWDM 结构框图 1 n 1n掺铒光纤中国科技论文在线_光通信中 EDFA 工作原理和发展趋势 第 4 页 共（6）页 每经过一次放大其噪声也随着增加，还有 EDFA 的增益平坦度也是衡量的重要标准，以及接受端的误码率检测等等。可见，如果整个系统工作不稳定，将影响各种指标的测试，也将影响到光信号传输的质量。如果使用增益可以自动调整的 EDFA 设备，将会及时调整 EDFA 的输入光功率，使整个系统保持稳定。并且使用种光放大装置可以减少系统开通前所设置的光信号衰减富裕度，充分利用设备资源，降低成本。通常的自动增益调整的方法是，使用一个可变光衰减器检测输入光功率的变化情况，通过预先设置的

12、调整参数相应的改变输入到 EDFA 的光功率大小，同时 EDFA 保持输出光功率的恒定，从而达到 EDFA 增益发生改变的目的，减少接收端的光信噪比由于光信道数的增减所造成的影响。常用三种增益调整模式分别如图 4，图 5，图 6 所示。图 4 EDFA 增益自动调整实现方法之一 Figure 4 The first realization of adjusting plus automatically EDFA 图 5 EDFA 增益自动调整实现方法之二 Figure 5 The second realization of adjusting plus automatically EDFA 输

13、入光信号 EDFA EDFA 输出光信号 前半部分 后半部分 图 6 EDFA 增益自动调整实现方法之三 Figure 6 The third realization of adjusting plus automatically EDFA 图 4 所示方法是在一个固定增益 EDFA 前装一个可变光衰减器（VOA），来实现对线路光信号功率的自动调整，其中 VOA 可以根据需要通过软件设置其使用与否，以及设定 EDFA 所需输入光功率，同时 EDFA的输出光功率保持不变，从而达到调整增益的目的。图 5 所示方法是在两个 EDFA 之间放入一个可变光衰减器（VOA），通过调整 VOA 衰减值的大小

14、，来设定第二个 EDFA 输入光功率的大小，保证输出光功率大小不变，另外整个 EDFA 的组合还有较大的放大倍数。图 6 所示方法，是将一个 EDFA 的掺铒光纤分成两段，VOA加在其两段掺铒光纤之间，通过调整 VOA 衰减值来实现整个 EDFA 增益的自动调整。输入光信号可变光衰减器（VOA）EDFA 输出光信号 输入光信号 输出光信号 EDFA EDFA可变光衰减器（VOA）可变光衰减器（VOA）掺铒光纤掺铒光纤中国科技论文在线_光通信中 EDFA 工作原理和发展趋势 第 5 页 共（6）页 3.掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器的联合使用 EDFA 产品主要集中在波段(15291564nm)

15、和波段(15691605nm)上，目前波段的 EDFA 仍主宰着市场，但新的产品则已聚焦到波段上。未来的发展对光纤放大器要求有更宽的传输带宽(12501650)。而此带宽范围内的喇曼光纤放大器正受到市场越来越大的注意，通常有分布式喇曼光纤放大器和分立式喇曼光纤放大器两类。与 EDFA 利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式喇曼放大器利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。光纤喇曼放大器(FRA)是利用强泵浦光束通过光纤传输产生的受激喇曼散射。如果一个弱信号光与个强泵浦光同时在一根光纤中传输,并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激喇曼散射转移到弱信号光中,使弱信号光

16、得到放大,获得 10dB 左右喇曼增益。分立式喇曼光纤放大器接近EDFA，使用纤芯较小的特殊光纤在放大器内部放大信号，分立式喇曼光纤放大器有着 30dB 左右的增益。随着现代通信业的迅速发展，需要交换的信息量成指数增长，这就要求通信系统具备更高的传输容量，即通信线路要具备更大的带宽。实现宽带放大有两种思路：一种是完全由喇曼光纤放大器(FRA)实现，通过多泵浦的复用达到宽带放大的目的，泵浦越多则带宽越大，但泵浦数目的增多又给其实际应用带了困难，它不仅提高了系统的成本，同时使泵浦复用变得更加复杂，而且使得增益均衡的难度加大；另一种思路是利用业已成熟的掺铒光纤放大器(EDFA)技术，将 FRA 和

17、EDFA 相结合构造宽带放大器，这样可大大减少所需泵浦数却能实现较大(80100)的带宽，且增益均衡也比较容易。现在已经不局限在将 FRA 和 EDFA 简单的联合起来使用，而是利用分布式喇曼放大使用传输光纤的特性，将 FRA 和 EDFA 组合在一个模块中构成混合喇曼 EDFA 宽带光纤放大器，如图 7 所示，其中分布式喇曼放大器段采用后向泵浦模式。利用喇曼光纤放大器噪声系数很低甚至为复值的特性，不但改善了系统的光信噪比，增加 DWDM 系统传输的距离，也可以降低输入端的发送功率。输入光信号 输出光信号 耦合器 喇曼 泵浦光源 图 7 喇曼 EDFA 宽带光纤放大器结构框图 Figure 7

18、 FRA and EDFA configuration picture 4.结论 综上所述，通信技术变化日新月异，人们对信息交换速度也越来越高，这就需要超高速，大容量的通信设备满足人们日益增长的。EDFA 的诞生和发展在一定程度上满足了人们的上述需求，但是随着通信传输速率上升到 40Gbit/s，甚至以后的 Tbit/s 级别，DWDM 从目前 32 波，40 波的大规模商用到 160 波等等，这都要求更好性能的光放大器设备的。增益可以自动调整的 EDFA 和 FRA+EDFA 的组合的发展，必将推动全光通信网的开发和商用。传输光纤 EDFA中国科技论文在线_光通信中 EDFA 工作原理和发展

19、趋势 第 6 页 共（6）页 参考文献 1赵梓森.光纤通信工程.北京：人民邮电出版社，1994 2纪越峰 光波分复用系统 北京：北京邮电大学出版社 1999 3张明德，孙小菡 光纤通信原理与系统 江苏南京 东南大学出版社 1999 4原荣 光通信技术讲座-（八）：光放大器 光通信技术 2003（8）：5052 5赵玲 光纤喇曼放大技术及其应用 光通信技术 2001（4）：311313 6雷震洲 2001 年十大热门电信技术评述 现代电信科技 2001（6）：15 7 于娟，林洪榕等 混合拉曼/EDFA 放大器及其在 DWDM 中的应用 电讯技术 2002(5):4550 8 Masuda H.

20、Review of wide-band hybrid amplifiersR.Washington D.C.:OFC2000,2000.9Kidorf H,Rottwitt K,et al.Pump interactions in a 100nm bandwith Raman amplifier.IEEE Photonics Technology Letters,1999,11(5):530532 10Emori Y,Akasaka Y,Namiki S.Broadband loss less DCF using Raman amplification pumped by multichann

21、el WDM laser diodesJ.Electronics Lett,1998,34(22):21452146.附：作者姓名：黄学达 通讯地址：武汉市鲁磨路 388 号中国地质大学硕 2003 级 17 班 邮政编码：430074 联系电话：027-62410378 E-mail： 性别：男 籍贯：四川省筠连县 简介：1997 年 9 月2001 年 7 月 吉林大学 通信工程专业 2001 年 7 月2003 年 4 月 武汉烽火通信科技股份有限公司传输产品部 研发工程师 负责 10GSDH 和 10G/2.5GDWDM 设备相关光放大盘的研制开发工作 2003 年 9 月现在 中国地质大学（武汉）通信与信息系统专业硕士研究生 研究方向是基于无源光网络的以太网设备(EPON)的用户终端设备的研制开发 中国科技论文在线_