一篇文章全面了解光纤放大器,EDFA,Hybrid混合器件
日期：
2022-10-26
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作为光通信关键器件之一，掺铒光纤放大器（EDFA）在各种网络和应用的演进中被推动着不断往集成化、小型化、多功能、低成本方向发展。在EDFA行业高速发展背景下，很多厂商也推出了实现EDFA技术竞争优势的Hybrid集成器件。混合光无源器件是将EDFA中最重要的五大功能器件，光隔离器（Isolator）、波分复用器(WDM)、增益平坦滤波器（GFF）、耦合器（Coupler）、TAP PD(分光探测器），集成了两种或以上的多种组合功能于一个器件中，实现相同功能前提下大大的缩小了器件的尺寸以及降低了成本。本文将进一步探索EDFA以及Hybrid器件的工作原理和应用。了解光纤放大器（英文缩小OFA：Optical Fiber Amplifier）首先了解一下光放大器在光通信中的作用。光纤通信中，光在传输过程中会产生损耗和色散，在长距离传输中会减弱信号。传统的做法是采用光-电-光中继方式来弥补光信号的损失，达到延长通信距离。光-电-光就是将光信号转换为电信号，在电信号处通过放大、处理，再转换为光信号，这样的话就可以达到长距离传输。但此种方式需要使用光接收机和光发射机，设备成本高。光放大器就是用全光中继来代替光-电-光中继的，可以使光信号直接在光域进行放大，不需要转换为点信号，这样可以最大限度的节省成本，也便于维护。光放大器有多种，如半导体光放大器、非线性光放大器、掺铒光放大器等。通俗的讲，在相同功率和传输距离下，原来为了实现长距离传输是采用了在距离中间加入光电中继器，在传送端将光信号转为电信号，再接收端将电信号转为光信号，在维持光信号的能量在不被减弱的情况下来实现传输。光放大器的作用是代替原来的光电中继器，变为全光中继器，通过信号的放大处理来实现延长传输距离。了解掺铒光纤放大器EDFA（ Erbium Doped Fiber Amplifier ）EDFA是在光纤中掺入铒离子形成掺饵光纤，通过泵浦信号激活饵离子来达到增益效果。 它的工作原理和半导体激光器的相同，之所以能够放大光信号，简单地说，是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。EDFA是WDM系统中使用最广泛的一种，最重要的特征是它可以同时放大多个光信号，可以与WDM技术轻松组合。通常，它用于C波段和L波段，几乎在1530至1565 nm的范围内，与光纤最小损耗窗口一致。掺铒光纤是在一段长度大约为10~100m的石英光纤中掺入了少量的稀土元素（浓度约为25mg/kg）铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。简单的说，掺铒光纤作为增益介质，在信号光被放大中起了主要作用。光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。光隔离器是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。增益平坦滤波片 (GFF)，也称为增益均衡滤波片，用于在指定波长范围内平坦或平滑不等的信号强度。这种不等信号强度通常发生在放大阶段之后。泵浦是一种使用光将电子从原子或分子中的较低能级升高（或“泵”）到较高能级的过程。EDFA中泵浦光源通常为半导体激光器，输出的光功率为10~100mw，工作波长约为980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。为什么使用不同的泵浦方式，这主要是因为在光信号放大前或者放大后，或者前后一起，不同的阶段注入掺铒光纤，泵浦光源的转化效率、输出功率不同，影响噪声性能的效果也不同。选用哪种主要是从EDFA的结构和特点分析，综合性能关键参数及经济成本等因素，对比应用于不同场合的EDFA，可以采用不同结构设计。EDFA可应用于大容量、高速、长距离的光通信系统中，通过使用EDFA来显著减少中继器的数量，补偿线路的传输损耗，降低建设成本。其中DWDM系统和CATV系统是典型应用场景。在长距离传输中，DWDM密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，EDFA的主要作用是延长中距距离，EDFA常用波段是C波段和L波段，可以同时放大多路光信号，有足够的增益带宽，能够与WDM技术轻松组合，从而实现超大容量、超长距离的传输。EDFA 在CATV有线电视网络系统中发挥着重要作用，如下图所示，在CATV系统中，EDFA可以明显地减少光发射机的使用，同时能够补偿链路的损耗，降低了系统成本。如果在此基础上同时应用DWDM系统，可以有效提升系统的容量。正如本文开头提到的，随着EDFA在DWDM系统、CATV系统的广泛应用，不同的应用场景也对EDFA提出了各类技术和性能要求。为了满足EDFA客户的小型化、集成化、低成本的核心需求，行业内提出了All in One的概念，将EDFA的核心无源器件通过多种组合方式集成一个器件内，一个器件即可解决EDFA的无源器件方案，这就是Hybrid混合集成器件。基于行业内较为领先的光学模拟仿真设计、耦合以及亚微米对准能力、芯片后端处理能力、自动化精密组装和测试能力等技术平台，亿源通科技目前可以提供全系列Hybrid器件产品，功能覆盖EDFA核心的五大无源器件，光隔离器（Isolator）、波分复用器(WDM)、增益平坦滤波器（GFF）、耦合器（Coupler）、TAP PD(分光探测器）。除了常规的小型化Hybrid器件，同时可提供尺寸优于行业的超小型化Hybrid器件。波分复用和隔离器混合器件（1x2 IWDM），可以用在对隔离度要求较高的EDFA中，既能保证光隔离度达到要求，又能减小整个EDFA模块的尺寸。 产品构成主要由带斜端面的双纤准直器、薄膜可调波长滤波片（TFF）、隔离器和带斜端面的单纤准直器组成。泵浦光可以从光纤2端口入射到掺铒光纤（EDF），从而起到光放大的作用。把光隔离器和增益平坦滤波器（GFF）混合，光隔离器起到阻止反向光输入的作用。这个器件的混合比较简单，在光隔离器芯后面加一个滤波片即可。当薄膜镀在滤波器上时，透射光谱正好与隔离器芯的透射光谱增益互补，即起到增益平坦化的作用。（将在下一系列文章中重点介绍一下增益平坦滤波器）分光探测器是一种光功率监控集成组件。组件集成了一个TAP耦合器和一个PD光电二极管探测器，TAP是信号分流，PD起到光电转换的作用，基于其特殊的光学设计， 易于集成在高密度的光纤通信系统中，对光信号的功率进行在线监测，从而实现对光信号的功率监控和管理。此外还有TAP耦合器+隔离器+波分复用器 - TAIW(TAP Coupler+Isolator+WDM)， 波分复用器+隔离器+增益平坦滤波器 - WIGW(WDM+Isolator+Gain Flattening Filter), or 隔离器+分光探测器 - ITPD(Isolator+TAP PD)等客制化的组合器件。随着EDFA市场需求愈发增加，网络增速、PON网络普及、包括现在激光雷达市场，后期市场的小型化、集成化及CPO封装等，对hybrid 要求也会更高。
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