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yaboVIP8_yabo215_yabo131 - 大功率光纤放大器在FTTH传输网络中的应用

作者:乔志强

  随着全国广电网络FTTH建设的推进,光节点数量成倍增加,需要大量光放覆盖,受传统EDFA的功率限制,为了获得高功率输出,铒镱共掺大功率光纤放大器越来越受到关注。本文介绍了1550nm铒镱共掺光放大技术原理,采用该光放大技术来构建FTTH网络能大量减少传统光放设备数量,减少投入,同时能节省机房空间。
一、大功率光纤放大器的诞生
  在三网融合的背景下,来自三大运营商的竞争压力日益激烈,宽带提速吸引了大量的用户,现在每户20Mbps的带宽已成为普遍需求,广电接入网的带宽遇到了瓶颈,伴随着产业链的成熟,网络设备、光缆及相关元器件的成本大幅下降,ODN施工效率也在快速提升,FTTH网络已成为最适合承载全业务的接入网解决方案。广电作为多业务运营商近年也在大力开展有线电视网络+数据网络FTTH建设,新建小区大部分采用FTTH方式建网,部分原有FTTB网络也在向FTTH演进。
实施FTTH后,光节点成倍增加,需要更高的光功率预算,体现的就是光放大器用量增加。以FTTB网络演进为例,原有一台22dBm的EDFA按3*4*8的结构覆盖96个光节点,每个光节点50户计算,共4800户。覆盖4800户的FTTB网络演进成FTTH, 一台22dBm的EDFA按4*8*8的结构覆盖256户计算,需要19台22dBm的EDFA光放。
  采用单口输出的EDFA光放大器19台,在成本和机房空间上均不能接受,基于这个问题,高功率多口输出的大功率光放大器被开发出来,用于FTTH网络覆盖;总输出功率可达36dBm以上,输出接口数有4口、8口、16口、32口。两台16口(每口22dBm输出)的大功率光放即可解决上述FTTH网络中4800户的覆盖问题。
二、大功率光纤放大器原理
  大功率光纤放大器的原理还是要从传统的掺铒光纤放大器EDFA说起。EDFA的增益光纤采用的是纤芯掺入铒离子的普通单模光纤,纤芯直径在8~10um之间,包层直径一般为125um,泵浦光和信号光同时在纤芯中传输,要提高EDFA的输出功率,一方面可以提高泵浦功率,但由于纤芯直径很小,数值孔径也较小(0.1~0.2um),导致能够有效耦合进入纤芯的泵浦功率仅为几百mW;另一方面,可以通过提高铒离子的掺杂浓度来提高增益光纤的储能,但是铒离子浓度过高时会出现浓度淬灭现象,降低了能量转换效率。以上两个原因限制了EDFA输出功率提升的能力。
  解决这个问题的方案是采用铒离子同其他稀土离子共掺杂的方法,以常用的Er离子+ Yb (镱离子)共掺光纤为例,Yb离子具有无激发态吸收、无浓度淬灭的优点。通过高浓度的Yb离子掺杂,使得一个Er离子被多个Yb离子包围,阻断了在 Er 离子浓度提高时,Er 离子互相过于靠近而形成离子对的情况,显著降低Er离子的淬灭效应,允许 Er 离子掺杂浓度可以远远大于普通 EDFA 的掺杂浓度,有助于提高增益和输出功率。
铒镱共掺系统的能级和能量传输关系如下图:


 


  铒镱共掺系统中的能级结构包括了 Er 离子和 Yb 离子两个能级系统,Yb 离子为简单的二能级结构,一个 Er离子被若干个 Yb 离子所包围, Er 离子直接吸收泵浦光被激活的几率很小,主要吸收泵浦光能量的是 Yb 离子(吸收谱线800nm-1100nm),Yb离子吸收泵浦光能量由基态跃纤到激发态,通过敏化作用,Yb离子将能量传递给基态Er离子,使其由基态跃迁到激发态,同时Yb返回到基态。处于激发态的Er离子极不稳定,迅速跃迁到亚稳态,在亚稳态与基态之间形成粒子数反转,在1550nm信号光子通过时,同Er离子产生受激辐射将产生全同光子,达到对入射信号光的放大作用。

大功率光纤放大器的原理方框图如下:


 


  大功率光纤放大器基本原理是采用了一个作为预放大器的掺铒光纤放大器和一个作为后放大器的铒镱共掺双包层光纤放大器。预放大器的输入从-5~+10dBm放大至13dBm以上,作为铒镱双包层光纤放大器的输入光功率,使输出光功率达到36dBm以上。同时对第二级光纤放大器的噪声影响非常小,两级间用一高功率隔离器分开,抑制正反向自发辐射光的放大。大功率光放的总噪声指数由预放大器的噪声决定,这种设计在提高输出功率的同时也降低了整机的噪声。
  输入信号光通过隔离器进入前置掺铒光纤放大器,掺铒光纤放大器是由一个980nm激光器和一个WDM及20m长的铒纤组成。信号光经掺铒光纤放大器后通过一个高功率的隔离器进入铒镱共掺双包层光放大器,此放大器一般由2个915nm的多模半导体激光器、光纤合束器、14m长的铒镱共掺的双包层光纤组成,信号光经再次放大后通过隔离器隔离后输出。
大功率光纤放大器最主要是应用了多模半导体包层泵浦技术、离子共掺技术及双包层光纤。
多模半导体包层泵浦技术
  因为Yb离子具有比Er离子大的吸收截面和宽的吸收带宽(800~1100nm),这样泵浦波长的选择范围很宽,且在典型的泵浦波长 915nm 和975nm 处具有很强的吸收峰,对泵浦波长的带宽限制并不明显,可以采用成本较低的多模半导体泵浦激光器,我们综合考虑选用915nm的多模半导体泵浦。另外Yb离子的掺入使Er离子以离子对(Er/Yb)的方式存在,有效地控制了浓度淬灭现象,提高了泵浦效率。
  包层泵浦是一种激光器阵列,排列起来总输出能达到几W,并且需要配合双包层光纤使用,才能实现完美的能量转换。因为与单模掺铒光纤配合使用,掺铒光纤的吸收截面小,大部分功率均不能有效地注入掺铒光纤中,难以使大面积的激光器阵列光耦合到EDF中。
双包层光纤技术

  双包层铒镱光纤具有两个包层与纤芯组成,内包层作为泵浦光波导,数值孔径远大于纤芯,较大的孔径有10um到几百um,这样耦合的面积增大了,相应入纤光功率就可以大了。大孔径的内包层能把泵浦发光阵列光直接耦合入内包层,泵浦光在内外包层之间来回反射,反复穿越纤芯,发生能量转换,使通过纤芯中的信号被放大。示意图如下:


 


  另外,内包层界面形状对泵浦的吸收效率有很大的影响,圆形界面吸收效率较低,因此目前的铒镱共掺光纤的内包层均采用正六边形或梅花形来提高吸收效率。
铒镱共掺技术
  Er离子和Yb离子共同在光纤里作用,在纤芯中Yb离子的掺杂浓度高于Er离子,形成一个包围团, Er离子被Yb离子包围,避免了Er离子的簇聚,这样Er离子掺杂浓度可以远超普通EDFA,这就形成光纤的储能的增大,输出功率的增大。
三、FTTH传输方案案例
  大功率光纤放大器的产生,解决了FTTH网络建设中掺铒光纤放大器用量大、成本高以及机房空间占用的问题。具体应用案例示意图如下:




  FTTB网络方案示意图中,在机房采用一台22dBm输出的EDFA 采用图中的网络结构,每个光节点覆盖50个用户,(光接收机后采用同轴分配网的方式入户)这样一台EDFA覆盖96个光节点共4800个用户。
  以这4800用户的网络为例,采用FTTH网络(见方案示意图)组网方式,16口大功率光放大器(每口输出22dBm)每个输出口覆盖256个用户,4800户需要22dBm输出接口数为19个,按示意图中只需采用两台16口大功率光放大器即可。
  从机房空间的角度来算,从FTTB到FTTH,如果采用普通光放需要19台,需一个标准机柜满配;采用大功率光放大器后只需2台(共4U高),大大减少机柜空间占用,而且维护起来也非常容易。
  从备份方面来说,部署大量EDFA设备,为提高网络的可靠性,如果要进行1+1热备份,成本来说很高;采用大功率光放,重要区域可以采用双机备份功能,成本上也可以接受。
  大功率光纤放大器的诞生,降低了FTTH建设中设备成本,同时能节省珍贵的机房空间;另一方面,能以合适的成本实现大功率光放大器的1+1热备份,确保网络的可靠性和可用性。


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