DWDM密集波分复用系统光放大器种类及应用探讨

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DWDM密集波分复用系统光放大器种类及应用探讨

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Cww.net.cn 2003年9月23日 11:30 通信世界网
北京邮电大学光通信中心 郭同文 何敬锁

    人们对于带宽和服务的需求总是没有止境的，而DWDM（密集波分复用）系统的出现为进一步挖掘和利用光纤的巨大带宽开辟了一块全新的天地。DWDM系统的出现使光纤带宽按照超摩尔定律（带宽每九个月翻一番）增加的趋势得以继续。但DWDM系统在带来巨大好处的同时也给系统设计、器件更新等方面带来了极大的挑战。对新型光放大器的需求无疑也是这些挑战中的一项。
    在传统的长途光纤传输系统中，为保证信号的质量需要在每隔一定的距离就增加一个再生中继器。这种再生中继器的基本功能是进行光／电／光转换，并在光信号转为电信号时进行3R（Regenerating，Reshaping，Retiming：再生、整形和定时）处理，然后再把处理过后的电信号转换成光信号并使其沿线路继续传输。显然这种方式十分烦琐，并且电子设备复杂度很高，可靠性也不好，同时随着传输距离的增加，传统的光／电／光中继方式成本的迅速增加。随着光网络的发展，特别是DWDM系统和超长传输的出现，传统的中继方法的局限性变得日益突出。面对这种局限性，人们一直再努力寻找一种能直接对光信号进行放大的中继方式。这种方式能极大的延长传输距离、降低系统成本、并且对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个系统更加简单、健壮、灵活、高效、低廉。

一、光放大器的发展历程
    同任何技术一样，光放大器的发展也经历了一个漫长的过程。光放大器的研究最早可追溯到1960年激光器的发明，但是真正实用化光放大器的研究却是在1980年以后。这期间随着半导体激光器特性的改善，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里——泊罗型半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。但都由于它们自身的一些缺陷，使得当时并没有得到广泛的应用。1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55μm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，并且在越洋长途光通信系统中得到应用。这期间由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这明确表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。

二、现有的光放大器类型
    1．半导体光放大器
    现代光放大器中最早出现的使半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，所不同的在于SOA去掉了构成激光振荡的谐振腔，并且SOA使由电流直接激励驱动的。
    半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。
    通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里——泊罗（F-P）半导体激光放大器（FPA），另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。
    由于半导体光放大器的工作原理决定了其放大增益不是很高，因此半导体放大器在现代光通信系统中作为纯粹功率放大应用较少，它更多的是被用作高速通信网中光开关、光复用／解复用器和波长变换器等光信号处理模块。
    2． 掺铒光纤放大器
    掺饵光纤放大器（EDFA）的研制成功，是光通信发展的一个“里程碑”。它的出现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上千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。
    EDFA的工作是建立在其特殊的物理组成上。同一般情况不同，EDFA中使用的光纤是在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素铒的掺铒光纤。这种掺铒光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后会跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，会产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。这种相干放大就构成了EDFA的光放大原理和基础。
    EDFA一般是工作在1550nm窗口上，该窗口光纤损耗系数比1310nm窗口还要低（仅0.2dB／km）。已商用的EDFA噪声小，增益曲线好，放大器带宽大，与密集波分复用（DWDM）系统相兼容，同时EDFA泵浦效率高、工作性能稳定、技术成熟，在现代长途DWDM通信系统中备受青睐。
    EDFA在现代光通信系统中获得了广泛的应用。一方面，EDFA可用作光发射机的功率放大器、光纤系统的在线中继放大器、光接收机的前置放大器，另一方面EDFA在DWDM系统中也有广泛应用。
    另外EDFA在DWDM传输系统的应用中，它既可以采用前向泵浦工作方式、也可以采用后向泵浦和双向泵浦工作方式。
    EDFA能很好的应用于1550窗口，但是1310nm是现有已铺设光缆的另一个通信窗口。随着网络所需容量的不断增加，工作在1550通信窗口上已经不能满足容量需求，因此研究和开发工作波长为1310nm的光纤放大器对于提高和改进现有光纤通信系统能力就具有了重要意义。为满足这种需求，目前已经研制出低噪声、高增益的掺镨光纤放大器（PDFA：Praseodymium-Doped Fiber Amplifier），但它却有泵浦效率不高、工作性能不稳定、增益对温度比较敏感的缺点。
    除了上面讨论的EDFA和PDFA之外，为满足各种特殊需要，研发人员还研制了其它多种不同类型的掺杂光纤放大器。由于这些光纤放大器在实际使用中不是很常见，因此这里就不再详细介绍。
    3．光纤拉曼放大器
    EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展，一方面EDFA已经不能满足现有系统对超大容量的要求，另一方面EDFA也会带来光信号信噪比的不断恶化而不能满足超长距离传输的要求。为此，必须要提出一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。光纤拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。
    上述拉曼放大器的优点都建立在拉曼放大器的拉曼放大工作原理之上。所谓拉曼放大实际上是放大器的一个非谐振过程，其放大增益相应仅仅依赖于泵浦波长。因此只要选择合适的泵浦源就可以获得任意波长的拉曼放大。除此之外拉曼放大器还具备另外一个非常突出的优点就是能同其他光放大器（比如EDFA）进行有机结合，通过有机的混合使用可以构成宽带宽、低噪声、增益平坦、高输出功率、响应时间短的混合放大系统。但这种混合放大系统也有对所需泵浦功率较大、对光偏振敏感的缺点。另外由于拉曼放大器的增益较低，从经济性的角度考虑，它不适合单独做功率放大器。因此拉曼放大器特别适合与EDFA相结合作为超长距离WDM系统的功率放大器。这样既能获得较大的增益，又能保证得到较高的光信噪比。
    实际应用中拉曼放大器一般采用后向泵浦结构，在拉曼放大器的实际应用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混和使用的策略。这种混合放大策略在DWDM超长传输系统中获得了广泛的使用。EDFA作为光功率放大器和光前置放大器，而EDFA和拉曼的混合放大器作为光线路放大器。
    上述的EDFA和拉曼混合使用虽然能带来极大的好处，但由于EDFA的放大带宽较窄，使得混合放大时只能局限于C波段，这种局限性就导致不能充分利用拉曼放大器全波段放大的优势。为克服这一局限和获得更大的放大带宽，我们可并行采用一些新型的掺杂光纤放大器并同拉曼放大器一起进行混合放大，这就可使混合放大系统的放大带宽扩展到S+C+L波段，我们可以在图7中具体表示出这种混合放大结构。

三、在超长DWDM传输系统中三种放大器性能比较
    上述三种光放大器各有优缺点，它们在超长DWDM系统中获得了不同的应用。而为了让系统整体性能最好，我们综合使用了这三种不同的光放大器。具体而言，通常使用EDFA作为光功率放大器和光前置放大器，而将EDFA和RAMAN的混合放大器作为光线路放大器。在下面的表1中我们具体对这三种光放大器进行了多方面的比较。








    在DWDM传输系统中的用途 可以用于段距离的WDM系统作为在线放大器；光分路补偿功率放大器；前置放大器。（但需注意这些功能在实际应用中较少采用） 可以用作在线放大器，但在超长距离传输中需要与FRA结合使用；光接收机的前置放大器 主要应用于超长距离传输,除功率放大外的其它应用 波长变换，光开关，光复用／解复用器 无 无
    以上通过对目前DWDM光传输系统中广泛应用的三种放大器进行比较，可以看出在现今光网络向着超大容量、超长距离传输的方向发展时，光放大器已经成为不可或缺的关键器件。而EDFA和FRA的混合使用已经成为一种潮流。半导体放大器虽然失去了原有放大器领域的作用，但却在波长变换、高速光开关、光复用／解复用领域大放异彩。