一篇文章全面了解光纖放大器,EDFA,Hybrid混合器件

文章導(dǎo)讀：

1、了解光纖放大器

2、了解摻鉺光纖放大器EDFA

3、EDFA的應(yīng)用

4、為什么使用Hybrid混合器件?

5、億源通科技目前可提供哪幾種混合器件?

作為光通信關(guān)鍵器件之一，摻鉺光纖放大器(EDFA)在各種網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的演進(jìn)中被推動(dòng)著不斷往集成化、小型化、多功能、低成本方向發(fā)展。在EDFA行業(yè)高速發(fā)展背景下，很多廠商也推出了實(shí)現(xiàn)EDFA技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的Hybrid集成器件。混合光無(wú)源器件是將EDFA中最重要的五大功能器件，光隔離器(Isolator)、波分復(fù)用器(WDM)、增益平坦濾波器(GFF)、耦合器(Coupler)、TAP PD(分光探測(cè)器)，集成了兩種或以上的多種組合功能于一個(gè)器件中，實(shí)現(xiàn)相同功能前提下大大的縮小了器件的尺寸以及降低了成本。本文將進(jìn)一步探索EDFA以及Hybrid器件的工作原理和應(yīng)用。

了解光纖放大器(英文縮小OFA：Optical Fiber Amplifier)

首先了解一下光放大器在光通信中的作用。光纖通信中，光在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生損耗和色散，在長(zhǎng)距離傳輸中會(huì)減弱信號(hào)。傳統(tǒng)的做法是采用光-電-光中繼方式來(lái)彌補(bǔ)光信號(hào)的損失，達(dá)到延長(zhǎng)通信距離。光-電-光就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在電信號(hào)處通過(guò)放大、處理，再轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，這樣的話就可以達(dá)到長(zhǎng)距離傳輸。但此種方式需要使用光接收機(jī)和光發(fā)射機(jī)，設(shè)備成本高。

光-電-光放大模式

光放大器就是用全光中繼來(lái)代替光-電-光中繼的，可以使光信號(hào)直接在光域進(jìn)行放大，不需要轉(zhuǎn)換為點(diǎn)信號(hào)，這樣可以最大限度的節(jié)省成本，也便于維護(hù)。光放大器有多種，如半導(dǎo)體光放大器、非線性光放大器、摻鉺光放大器等。

光功率直接放大模式

通俗的講，在相同功率和傳輸距離下，原來(lái)為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸是采用了在距離中間加入光電中繼器，在傳送端將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再接收端將電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào)，在維持光信號(hào)的能量在不被減弱的情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸。光放大器的作用是代替原來(lái)的光電中繼器，變?yōu)槿庵欣^器，通過(guò)信號(hào)的放大處理來(lái)實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)傳輸距離。

了解摻鉺光纖放大器EDFA( Erbium Doped Fiber Amplifier )

EDFA是在光纖中摻入鉺離子形成摻餌光纖，通過(guò)泵浦信號(hào)激活餌離子來(lái)達(dá)到增益效果。 它的工作原理和半導(dǎo)體激光器的相同，之所以能夠放大光信號(hào)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。EDFA是WDM系統(tǒng)中使用最廣泛的一種，最重要的特征是它可以同時(shí)放大多個(gè)光信號(hào)，可以與WDM技術(shù)輕松組合。通常，它用于C波段和L波段，幾乎在1530至1565 nm的范圍內(nèi)，與光纖最小損耗窗口一致。

光信號(hào)波段

摻鉺光放大器主要是由摻鉺光纖(EDF)、泵浦(pump)、光耦合器(WDM)、光隔離器(isolator)、光濾波器(GFF)組成。

摻鉺光放大器結(jié)構(gòu)示意圖

摻鉺光纖是在一段長(zhǎng)度大約為10~100m的石英光纖中摻入了少量的稀土元素(濃度約為25mg/kg)鉺(Er)離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的核心。簡(jiǎn)單的說(shuō)，摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，在信號(hào)光被放大中起了主要作用。

光耦合器是將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸出的光波混合起來(lái)的無(wú)源光器件，一般采用波分復(fù)用器。

光隔離器是防止反射光影響光放大器穩(wěn)定工作，保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷?/p>

增益平坦濾波片 (GFF)，也稱為增益均衡濾波片，用于在指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)平坦或平滑不等的信號(hào)強(qiáng)度。這種不等信號(hào)強(qiáng)度通常發(fā)生在放大階段之后。

泵浦是一種使用光將電子從原子或分子中的較低能級(jí)升高(或“泵”)到較高能級(jí)的過(guò)程。EDFA中泵浦光源通常為半導(dǎo)體激光器，輸出的光功率為10~100mw，工作波長(zhǎng)約為980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。

同向泵浦：泵浦光和信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖，泵浦波與信號(hào)波的傳播方向相同。

同向泵浦

反向泵浦：泵浦光和信號(hào)光從相反方向泵入，泵浦波與信號(hào)波的傳播方向相反。

反向泵浦

雙向泵浦：兩個(gè)泵浦光源分別在前向和后向進(jìn)行泵浦，泵浦波與信號(hào)波可以實(shí)現(xiàn)雙向。

雙向泵浦

為什么使用不同的泵浦方式，這主要是因?yàn)樵诠庑盘?hào)放大前或者放大后，或者前后一起，不同的階段注入摻鉺光纖，泵浦光源的轉(zhuǎn)化效率、輸出功率不同，影響噪聲性能的效果也不同。選用哪種主要是從EDFA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析，綜合性能關(guān)鍵參數(shù)及經(jīng)濟(jì)成本等因素，對(duì)比應(yīng)用于不同場(chǎng)合的EDFA，可以采用不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

EDFA的應(yīng)用

EDFA可應(yīng)用于大容量、高速、長(zhǎng)距離的光通信系統(tǒng)中，通過(guò)使用EDFA來(lái)顯著減少中繼器的數(shù)量，補(bǔ)償線路的傳輸損耗，降低建設(shè)成本。其中DWDM系統(tǒng)和CATV系統(tǒng)是典型應(yīng)用場(chǎng)景。

1)在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用

在長(zhǎng)距離傳輸中，DWDM密集波分復(fù)用系統(tǒng)在光纖傳輸系統(tǒng)中已成為技術(shù)主流，EDFA的主要作用是延長(zhǎng)中距距離，EDFA常用波段是C波段和L波段，可以同時(shí)放大多路光信號(hào)，有足夠的增益帶寬，能夠與WDM技術(shù)輕松組合，從而實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸。

EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用

2)在CATV系統(tǒng)的應(yīng)用

EDFA 在CATV有線電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，如下圖所示，在CATV系統(tǒng)中，EDFA可以明顯地減少光發(fā)射機(jī)的使用，同時(shí)能夠補(bǔ)償鏈路的損耗，降低了系統(tǒng)成本。如果在此基礎(chǔ)上同時(shí)應(yīng)用DWDM系統(tǒng)，可以有效提升系統(tǒng)的容量。

EDFA在CATV系統(tǒng)的應(yīng)用

為什么使用Hybrid混合器件?

正如本文開(kāi)頭提到的，隨著EDFA在DWDM系統(tǒng)、CATV系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，不同的應(yīng)用場(chǎng)景也對(duì)EDFA提出了各類技術(shù)和性能要求。為了滿足EDFA客戶的小型化、集成化、低成本的核心需求，行業(yè)內(nèi)提出了All in One的概念，將EDFA的核心無(wú)源器件通過(guò)多種組合方式集成一個(gè)器件內(nèi)，一個(gè)器件即可解決EDFA的無(wú)源器件方案，這就是Hybrid混合集成器件。

EDFA 集成化發(fā)展

億源通科技目前可提供哪幾種混合器件?

基于行業(yè)內(nèi)較為領(lǐng)先的光學(xué)模擬仿真設(shè)計(jì)、耦合以及亞微米對(duì)準(zhǔn)能力、芯片后端處理能力、自動(dòng)化精密組裝和測(cè)試能力等技術(shù)平臺(tái)，億源通科技目前可以提供全系列Hybrid器件產(chǎn)品，功能覆蓋EDFA核心的五大無(wú)源器件，光隔離器(Isolator)、波分復(fù)用器(WDM)、增益平坦濾波器(GFF)、耦合器(Coupler)、TAP PD(分光探測(cè)器)。除了常規(guī)的小型化Hybrid器件，同時(shí)可提供尺寸優(yōu)于行業(yè)的超小型化Hybrid器件。

Hybrid器件

示例組合器件一：光隔離器+波分復(fù)用器 - IWDM(Isolator+WDM)

如下圖1x2的波分復(fù)用和隔離器混合器件(1x2 IWDM)，可以用在對(duì)隔離度要求較高的EDFA中，既能保證光隔離度達(dá)到要求，又能減小整個(gè)EDFA模塊的尺寸。 產(chǎn)品構(gòu)成主要由帶斜端面的雙纖準(zhǔn)直器、薄膜可調(diào)波長(zhǎng)濾波片(TFF)、隔離器和帶斜端面的單纖準(zhǔn)直器組成。泵浦光可以從光纖2端口入射到摻鉺光纖(EDF)，從而起到光放大的作用。

光隔離器+波分復(fù)用器 - IWDM(Isolator+WDM)

示例組合器件二：隔離器 + 增益平坦濾波器 - GFF/IGFF(Isolator+Gain Flattening Filter)

把光隔離器和增益平坦濾波器(GFF)混合，光隔離器起到阻止反向光輸入的作用。這個(gè)器件的混合比較簡(jiǎn)單，在光隔離器芯后面加一個(gè)濾波片即可。當(dāng)薄膜鍍?cè)跒V波器上時(shí)，透射光譜正好與隔離器芯的透射光譜增益互補(bǔ)，即起到增益平坦化的作用。(將在下一系列文章中重點(diǎn)介紹一下增益平坦濾波器)

隔離器 + 增益平坦濾波器 - GFF/IGFF(Isolator+Gain Flattening Filter)

示例組合器件三：分光探測(cè)器TAP PD(TAP PhotoDiode Detector)

分光探測(cè)器是一種光功率監(jiān)控集成組件。組件集成了一個(gè)TAP耦合器和一個(gè)PD光電二極管探測(cè)器，TAP是信號(hào)分流，PD起到光電轉(zhuǎn)換的作用，基于其特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)， 易于集成在高密度的光纖通信系統(tǒng)中，對(duì)光信號(hào)的功率進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的功率監(jiān)控和管理。

分光探測(cè)器TAP PD(TAP PhotoDiode Detector)

此外還有TAP耦合器+隔離器+波分復(fù)用器 - TAIW(TAP Coupler+Isolator+WDM)， 波分復(fù)用器+隔離器+增益平坦濾波器 - WIGW(WDM+Isolator+Gain Flattening Filter), or 隔離器+分光探測(cè)器 - ITPD(Isolator+TAP PD)等客制化的組合器件。

隨著EDFA市場(chǎng)需求愈發(fā)增加，網(wǎng)絡(luò)增速、PON網(wǎng)絡(luò)普及、包括現(xiàn)在激光雷達(dá)市場(chǎng)，后期市場(chǎng)的小型化、集成化及CPO封裝等，對(duì)hybrid 要求也會(huì)更高。

審核編輯：湯梓紅