EDFA原理性能、生產(chǎn)工藝設(shè)計和失效原因分析

WORD格式整理./EDFA原理性能、生產(chǎn)工藝及失效原因分析摘要隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用日益增多。目前在工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域大多采用同軸電纜的通信方式進(jìn)行,雖然經(jīng)濟(jì)實用,但在很大程度上限制了應(yīng)用場合的拓展。為了使遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)更靈活方便,本文選用EDFA技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。EDFA網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、速率快等優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用于電力、鐵路、石油等行業(yè),這必將成為工業(yè)控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。基于摻鉺技術(shù)的EDFA系統(tǒng)主要由光模塊和電模塊組成,光模塊完成核心的放大等功能,電模塊完成相關(guān)的控制。模塊的各組成部分的參數(shù)控制、工藝制程、失效模式是EDFA技術(shù)的關(guān)鍵。電模塊的輔助使得EDFA的通信系統(tǒng)更易監(jiān)控,本身的放大功能也更趨完善。通過研究EDFA的核心技術(shù),比較目前應(yīng)用的各種放大模式,并通過分析目前的工藝及技術(shù)參數(shù)的實際控制,研究EDFA的實效模式,以提高生產(chǎn)控制力,促使EDFA模塊的長遠(yuǎn)可靠性提升。關(guān)鍵詞：EDFA,數(shù)據(jù)傳輸,通信系統(tǒng),失效分析PrincipleofEDFAPerformance,ProductionProcessandFailureCauseAnalysisABSTRACTWiththedevelopmentofcommunicationtechnology,communicationnetworkintheapplicationofindustrialdatatransmissionisincreasing.Atpresent,usingcoaxialcablecommunicationwaymostlyinthefieldofindustrialdatatransmission,althoughtheeconomicandpractical,butlargelylimitstheapplications.Inordertomakethedistanceofdatatransmissiontorealizemoreflexibleandconvenient,thisarticleselectstheEDFAtechnologyforremotedatatransmission.EDFAhasnetworkcoveragerateishigh,thefastrateofhasbeenwidelyusedinelectricpower,railway,petroleumandotherindustries,thiswillbecomeadevelopmenttrendofindustrialcontrolandremotemonitoring,etc.EDFAbasedonerbium-dopedsystemismainlycomposedofopticalmoduleandelectricalmodules,opticalmodulestocompletethecorefunctionsuchasamplification,electricalcontrolmoduletocompleterelated.Lightmoduleparametercontrolofeachcomponent,technologicalprocess,failuremodeisthekeyofEDFAtechnology.AuxiliarypowermodulemakestheEDFAcommunicationsystemiseasiertomonitorandamplificationfunctionofitselfalsomorehastenisperfect.EDFA'scoretechnologythroughresearch,comparetheapplicationofvariouszoommode,andthroughtheanalysisofthecurrentprocessandtechnicalparametersoftheactualcontrol,studyeffectivepatternsofEDFA,inordertoimprovetheproductioncontrol,makethelong-termreliabilityofEDFAmodulepromotion.KEYWORDS：EDFA,datacommunication,communicationalsystem,failureanalysis目錄摘要……………………ⅠABSTRACT……………………Ⅱ1緒論……………………11.1課題背景和研究意義………………11.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r…………………12光放大技術(shù)概述…………………32.1光放大技術(shù)發(fā)展概況………32.2光放大技術(shù)簡介…………………32.3光放大器的產(chǎn)生…………………42.4基本光放大器的組態(tài)………42.5基本的光譜特性…………………4EDFA放大的能級機理………4EDFA實際的展寬譜…………5EDFA摻雜物及原因分析……………………52.6本章小結(jié)…………………53EDFA的結(jié)構(gòu)模型…………63.1系統(tǒng)組成…………63.2EDFA的關(guān)鍵模塊…………………6摻鉺光纖〔EDF……………6光耦合器〔WDM……………73.2.3光隔離器〔ISO……………73.2.4光濾波器〔OpticalFilter………………83.2.5泵浦源〔PumpingSupply…………………83.3EDFA的數(shù)學(xué)模型…………………83.4本章小結(jié)…………94EDFA的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計……………………104.1PD光電探測器……………………104.1.1PD光電探測器實現(xiàn)功能…………………104.1.2PD光電探測電路設(shè)計……………………10原理分析…………………124.2泵浦驅(qū)動系統(tǒng)……………………12驅(qū)動電路功能……………12泵浦驅(qū)動電路設(shè)計………12泵浦驅(qū)動原理分析………144.3溫控系統(tǒng)…………15溫控電路功能……………15溫控電路設(shè)計……………15溫度控制原理分析………164.4本章小結(jié)…………165EDFA的工藝及相關(guān)參數(shù)控制……………175.1主要器件功能簡介………………175.2工藝流程…………17項目實施……………………18制作流程……………………18關(guān)鍵測試架構(gòu)………………205.3增益與噪聲系數(shù)控制……………21增益控制……………………21噪聲系數(shù)控制………………235.3本章小結(jié)…………246EDFA的失效模式分析……………………255.1EDFA產(chǎn)品之TLB板卡分類簡紹…………………256.2失效模式分析………………………25EDFA失效模式一………25EDFA失效模式二………25EDFA失效模式三………26EDFA失效模式四………27EDFA失效模式五………27EDFA失效模式六………276.3EDFA實效的具體案例分析………286.4本章小結(jié)…………337EDFA的發(fā)展趨勢及結(jié)論…………………34致謝…………………………35參考文獻(xiàn)……………………36WORD格式整理.1緒論1.1課題背景和研究意義21世紀(jì)是高速信息時代,隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和應(yīng)用范圍迅速擴大,通信技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的需求呈指數(shù)增加,有線傳輸一定會更多地采用光纖。在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中,光信號在光纖中傳輸時,不可避免的存在著一定的損耗和色散,損耗導(dǎo)致光信號能量的降低,色散導(dǎo)致光脈沖展寬,因此,每隔一段距離就需要設(shè)置一個中繼器,以便對信號進(jìn)行放大和再生中繼續(xù)傳輸。解決這一問題的常規(guī)方法是采用光-電-光中繼器,這種光-電-光的變換和處理方式在一定程度上已滿足不了現(xiàn)代傳輸?shù)囊?。光放大器的出現(xiàn)改變了這種狀況,特別是1989年誕生的摻餌光纖放大器代表的光放大器技術(shù)是光纖通信技術(shù)上的一次革命。它可以使對光信號的放大和再生中繼不再經(jīng)過光-電轉(zhuǎn)換。特別是摻餌光纖放大器使信號光在光纖中直接得到增強和放大,這使得通信成本降低,設(shè)備簡化,運行維護(hù)方便。隨著摻餌光纖放大器的實用化,愈來愈多的用在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中,它給原來的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展。摻餌光纖放大器的成熟使WDM技術(shù)迅速進(jìn)人實用階段。EDFA有數(shù)十到上百納米的增益帶寬,一個EDFA放大器就可以代替許多設(shè)備實現(xiàn)對WDM系統(tǒng)的多信道光信號同時進(jìn)行放大,使得成本大大下降。更重要的是,波分復(fù)用技術(shù)和EDFA可以直接在原來已經(jīng)大量鋪設(shè)的G.652光纖網(wǎng)上直接使用,實現(xiàn)了光纖通信容量的平滑升級。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r自英國南安普頓大學(xué)的物理學(xué)家S.B普爾發(fā)現(xiàn)EDF可制作全光放大器,美國貝爾實驗室證實全光放大器比電子放大器在性能上提高100倍,1994年在系統(tǒng)配置中實用化以來,其發(fā)展突飛猛進(jìn),目前的技術(shù)開發(fā)和商品化最成熟,常用的C波長EDFA工作在1530～1565nm的光纖損耗最低的窗口,具備超過40dB的高增益,高輸出,對偏振不敏感,無串?dāng)_,低噪聲,可同時放大多路波長信號,每路波長輸出功率24.5dBm等一系列特性,在一對EDFA之間,光信號傳輸距離已超過100km。其不足是平均增益特性的帶寬只有35nm,僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分,制約了光纖固有能夠容納的波長信道數(shù)。因此,研制轉(zhuǎn)向L波長EDFA,增加現(xiàn)有EDFA放大帶寬是其研發(fā)的主要方向。L波長EDFA可有效增加信號放大帶寬,傳輸大約在1570～1605nm,這個波長覆蓋了EDF增益曲線的末端,盡管和C波長EDFA所覆蓋增益波峰有差異,但仍可與很多性能先進(jìn)的C波長產(chǎn)品媲美,例如,有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)效率,增益波動系數(shù)遠(yuǎn)小于C。兩者基本結(jié)構(gòu)相似,大多數(shù)C波長EDFA的設(shè)計和制造技術(shù)仍可用于L波長的研制,估計其發(fā)展將非?？?所存在的EDF較長帶來無源衰減較大,放大雜散輻射功率急劇累積等不足,通過提高其內(nèi)部器件性能,正在改進(jìn)之中。有些色散位移光纖DSF網(wǎng)絡(luò)制造商已先于C而開發(fā)L波長產(chǎn)品,L波長可能成為DSF的主要工作窗口。康寧公司L波長EDFA增益波動為1.4%,每25dB增益波動0.35dB,比典型C波長的46%小,噪聲系數(shù)比C的大1dB,泵浦轉(zhuǎn)換效率PCE低2dB。據(jù)報道,L波長EDFA在若干密集波分復(fù)用DWDM系統(tǒng)中開始使用,批量生產(chǎn)后,兩者價格將相差不大。多數(shù)情況下,L波長放大器可通過波長分割與復(fù)用技術(shù),一個模塊一個模塊地加到現(xiàn)有C波長EDFA上,兩者相結(jié)合開發(fā)雙向光纖放大器拓樸結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商能將DWDM傳輸窗口的波寬提高約1倍,即從35nm增加到64nm以上,每一波長提供4080信道,速率為2.5Gb/s或10Gb/s,潛在總?cè)萘靠蛇_(dá)1000Gb/s。這種設(shè)計允許用戶根據(jù)需要逐漸升級擴容,盡量避免鋪設(shè)新的光纜而增加投入。目前,一個大功率EDFA一般都有三個或更多的泵浦級,到2004年時,估計這個數(shù)目還要翻一番。由于超過8個泵浦級時EDFA會變得十分復(fù)雜,期待高能功率芯片在提高光放大功率方面起到更重要的作用。采用多纖芯開發(fā)多芯EDFA,各個纖芯內(nèi)的光信號均以小信號進(jìn)行放大,從而在較寬的波長范圍內(nèi)獲得接近平坦的增益。開發(fā)摻鉺氟化物光纖放大器EDFFA,放大帶寬75nm,增益18dB,在較寬的頻帶內(nèi)獲得平坦增益。在EDF中摻鋁,改變鉺的放大能級分布,擴展可放大的頻帶。利用光纖光柵,介質(zhì)多層薄膜濾波器,平面光波導(dǎo)作為光纖放大器的內(nèi)部增益均衡器,對放大光譜的增益偏差進(jìn)行補償,保持平坦的增益譜特性,期待低成本的EDFA在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更重要作用。2光放大技術(shù)概述2.1光放大技術(shù)發(fā)展概況光放大器的設(shè)想隨光纖通信的出現(xiàn)而出現(xiàn)；80年代主要以非線性光學(xué)放大器研究為主；進(jìn)入90年代以摻鉺光纖放大器為主的光放大器進(jìn)入大發(fā)展時期；1994年被OFC會議代表稱為"EDFA年"；電信公司電信公司信號總端XX市客戶端提供信號信號放大和分配信號接收客戶端板卡產(chǎn)品XX市客戶端江門市客戶端圖2-1EDFA的應(yīng)用圖2.2光放大技術(shù)簡介由于器件的迅速發(fā)展以及系統(tǒng)革命性變化的結(jié)果,近來光放大器在通信領(lǐng)域占據(jù)中心地位。這些器件能夠使人們構(gòu)想出和實驗證明激動人心的,新的通信系統(tǒng)。事實上,通信中很多相關(guān)的最新進(jìn)展〔如孤子系統(tǒng)及廣域和廣播多通道系統(tǒng)可追溯到與光放大器的結(jié)合。光放大器可被想象成是一個具有反饋機制的激光器〔增益介質(zhì),其被激發(fā)的載流子放大入射信號而不產(chǎn)生自己的相干信號。和電放大器一樣,光放大器可以用來補償由于分配、傳輸或插入部件的損耗所造成的信號衰減。放大器皆能提供信號增益G,不過它們也都在系統(tǒng)中引入加性噪聲〔方差=2。各種放大器需要一定形式的外功率源以提供放大所需的能量。電放大器需要一個電壓源,而光放大器需要電流源〔或光源。對光放大器來說,電流源用來將載流子泵浦到高能級,然后處在高能級的載流子發(fā)生衰變并射出一個具有輸入信號波長的光子。放大器皆有一個品質(zhì)因數(shù),就是后面提到的低噪聲系數(shù)NF。此外,對于一個給定的系統(tǒng),放大器的設(shè)計,輸入?yún)?shù)和其在信道中的位置都必須最佳化。2.3光放大器的產(chǎn)生1980年之前在系統(tǒng)界是不知道光放大器的。近來對光放大器進(jìn)行廣泛研究的原始動機是想用它代替長距離越洋通信系統(tǒng)中的再生中繼器,它們在整個跨度內(nèi)每隔50km放一個。再生中繼器是用來糾正光纖的衰減和色散的影響。它先對光信號進(jìn)行檢測,然后利用它自己內(nèi)部的激光器再將檢測到的信號作為一個信息號發(fā)射出去。再生中繼器價格昂貴,比特率和調(diào)制方式也是規(guī)定好了的,消耗功率以及從光子轉(zhuǎn)化為電子并在轉(zhuǎn)化為光子花費時間。反之,光放大器可想象成提供增益的透明盒,且對通過信號的比特率,調(diào)制方式,功率和波長不敏感。在放大過程中信號仍保持光的形式。光放器可能比再生中繼器價格更低廉和更可靠。2.4基本光放大器的組態(tài)第一種組態(tài)是將光放大器直接放在激光器發(fā)射機的后面做功率放大器或后置放大器用。這樣可以提高信號的功率使得即使經(jīng)過衰減,信號仍大于接收機的熱噪聲。此外,當(dāng)通過一個有損耗的系統(tǒng)時,功率放大器引入的噪聲將和信號一起被衰減。因為輸入到功率放大器上的信號一般是大的〔0.1-1.0mW,對功率放大器來說,重要的參數(shù)將是最大飽和輸出功率,而未必是絕對增益。如果放大器供給的功率不必原來的激光器發(fā)射機的功率大,這種組態(tài)無任何優(yōu)點。第二種組態(tài)是將放大器在線式插在傳輸線路的一個或多個位置。在線式放大器是用來周期性地糾正光信號衰減,這種損耗或來自光纖的吸收損耗或是網(wǎng)絡(luò)分配引起的分光損耗。在線放大器以級聯(lián)的方式存在,一個給定的放大器的輸出信號和噪聲經(jīng)過放大器之間線路的衰減后又輸給后面的放大器。此時需要考慮濾波和隔離等問題。第三種放置放大器的方法是將放大器直接放在接收機前面,當(dāng)前置放大器使用。此時信號的傳輸已經(jīng)在傳輸線路上經(jīng)受嚴(yán)重的衰減。因為放大器的輸出被直接檢測的,所以主要的品質(zhì)因數(shù)是高增益和底放大器噪聲。2.5基本的光譜特性EDFA放大的能級機理為了制造放大器增益介質(zhì),在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的硅線芯中摻雜鉺離子。因為鉺離子有不同的能級,離子將吸收幾種不同的光。一般說來,吸收對應(yīng)于：一個光子被吸收并產(chǎn)生一個跳躍到更高能級上的載流子〔離子,其能級差,△E=hv,大致與光子的能量相匹配。不同的波長既可引起基態(tài)吸收〔GSA,也可引起激發(fā)態(tài)吸收<ESA>。GSA對應(yīng)于一個光子將一個載流子從基態(tài)激發(fā)到更高的激發(fā)態(tài),而ESA對應(yīng)于一個光子從非基態(tài)激發(fā)到更高的激發(fā)態(tài)。因為基態(tài)的粒子數(shù)最多,所以發(fā)生GSA的機率遠(yuǎn)大于ESA。一經(jīng)光子被吸收和載流子被激發(fā)到更高的能級,后者就又迅速地衰減到第一激發(fā)態(tài)。一旦載流子處于第一激發(fā)態(tài),它有很長的壽命〔10ms左右。因此我們認(rèn)為第一激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)。依賴于外部光的激勵,載流子又將以激勵或自發(fā)輻射的方式衰變到基態(tài)并發(fā)射一個光子。鉺的發(fā)射意外地處在標(biāo)準(zhǔn)硅光纖的最小損耗去附近。對于各種可能的波長的吸收并非一樣強,光子被吸收的趨勢是嚴(yán)格地由鉺離子和光子的相互作用截面積決定。吸收系數(shù)最強的波長是0.98um,第二最強的波長是1.48um,弱一點的吸收是0.53um和0.8um。幸運的是利用QW半導(dǎo)體材料,可制成發(fā)射波長在0.98和1.48的高功率多模激光二級管,可實現(xiàn)輸出功率>100mW,而且已商用化。激光二極管是一種誘人的泵浦原,因為其結(jié)構(gòu)緊湊,可靠,以及價格可能會便宜。EDFA實際的展寬譜吸收和發(fā)射譜皆具有與相關(guān)聯(lián)的帶寬。這些帶寬與可能被吸收的或從一個給定的能級發(fā)射的波長展寬有關(guān),這就使得多模,多波長二級管激發(fā)器發(fā)的光被吸收。這種展寬起因于能級的斯托克斯分裂,它允許偏離某一特定的波長。這正是我們極想要的,因為泵浦激光器波長不可能精確的控制,而且對多模激光器來說不可能有精確的波長值；信號可能是幾個波長的一個值,WDM系統(tǒng)尤其如此；寬的帶寬使得放大器工作起來有很大的靈活性。EDFA摻雜物及原因分析共摻雜有其它材料的鉺光纖的重要性有兩點：第一,鉺離子比硅原子大得多,因而不太溶于硅中,因此難以達(dá)到高的摻雜濃度使得能在長度上獲得高的增益值。所以需要用其它更易溶于硅中而尺寸和鉺離子相似的物質(zhì),幫助在光纖的芯區(qū)摻雜進(jìn)更多的鉺。利用摻雜劑可以達(dá)到1000ppm〔每百萬。第二個理由是和系統(tǒng)的性能有關(guān)。因為我們希望放大器有盡可能多的用途以適應(yīng)各種各樣的應(yīng)用需要,增益帶寬應(yīng)該盡可能的寬和均勻。在這方面半導(dǎo)體放大器十分好。因為帶寬很大,覆蓋200nm左右。業(yè)已發(fā)現(xiàn)鋁作為共摻物所得的性能最好,雖然峰值在1.53um附近,而帶寬仍保持30nm左右。2.10本章小結(jié)本章主要從EDFA的產(chǎn)生、發(fā)展、機理、組態(tài)等方面的分析研究EDFA技術(shù)。3EDFA的結(jié)構(gòu)模型3.1系統(tǒng)組成EDFA的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：輸入輸入PIN泵浦源輸出PINEDFA輸出光接口輸入光接口光學(xué)模塊溫度傳感器背板插頭A/DD/A泵浦源溫控CPURS232接口BCT電源±5V電路模塊9針D型插座48V告警顯示電源開關(guān)圖3-1EDFA的基本結(jié)構(gòu)3.2EDFA的關(guān)鍵模塊摻鉺光纖〔EDF圖3-2EDF結(jié)構(gòu)圖a>摻鉺光纖電子組態(tài)：EDF是放大器的主體,纖芯中摻有鉺元素〔Er,Er屬稀土锎系元素,Er逸出兩個6S和一個4f電子而顯示為+3價。其電子組態(tài)和惰性氣體Xe相同：1S22S22P63S23P63d104S24P64d105S25P6。b>摻鉺光纖與普通光纖的匹配：摻鉺光纖纖芯直徑可以比較小,或者是標(biāo)準(zhǔn)的8um單模光纖的尺寸。如果纖徑小,于是在常規(guī)光纖和摻鉺光纖之間就存在失匹配,引起信號和泵浦光的損耗。必須仔細(xì)地將兩根光纖接在一起。減小損耗的方法是將兩根光纖線芯面對面的平貼在一起,再對它們加熱使纖芯膨脹,然后它們?nèi)劢釉谝黄稹>摻鉺光纖的內(nèi)部設(shè)計關(guān)鍵點：摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性,鉺光纖的光譜性質(zhì)主要由鉺離子和光纖基質(zhì)決定,鉺離子起主導(dǎo)作用,摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對EDFA的特性有很大影響。基質(zhì)的影響有二：其一是導(dǎo)致斯塔克分裂使能級出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)；其二是能級展寬,展寬的機理有基質(zhì)電場擾動展寬和聲子展寬,基質(zhì)擾動展寬屬于非均勻加寬,聲子展寬屬于均勻加寬。為使每個鉺離子受到的泵浦速率最大,同時所需的泵浦功率最小,泵浦功率及鉺離子必須盡可能的限制在最小的模截面內(nèi),鉺光纖應(yīng)具有高的數(shù)值孔徑NA,小芯徑且只有纖芯摻雜,通常將光纖設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)。此外階躍折射率光纖有較大的相對折射率差,便于縮小泵浦光的模場直徑,提高泵浦光功率密度,降低泵浦閾值,達(dá)到高泵浦效率。為保證泵浦光與信號光的單模傳輸,光纖的截止波長應(yīng)適當(dāng)。在EDF中摻入適量的鋁元素,使鉺離子在EDF中分布更均勻,從而獲得平坦的寬帶增益譜。光耦合器〔WDM帶光耦合器有合波信號光與泵浦光的作用,也稱光合波器和波分復(fù)用器。是EDFA必不可少的組成部分,它將絕大多數(shù)的信號光與泵浦光合路于EDF中。也就是0.98um或1.48um的泵浦光和1.55um的信號光必須一起攝入摻鉺光纖中,一對介質(zhì)進(jìn)行泵浦和使信號得到增益。帶尾纖的光柵基三端口WDMs器件可以實現(xiàn)這一耦合功能,能得到<0.5dB的插入損耗和>40dB的反射損耗。甚至當(dāng)組合的波長像1.48um和1.53um這樣靠近時仍然如此,當(dāng)然,信號傳輸?shù)姆较蚴枪潭ǖ摹？墒茄刂饫w傳播而被增益介質(zhì)吸收的泵浦光既可以和信號同向,也可以和光信號反向傳播。為此,在摻鉺光纖的輸入和輸出處必定需要WDM。WDM主要有兩種形式：980nm/1550nm或1480nm/1550nm,一般為光纖熔錐型。要求在上述波長附近插入損耗都小,耦合效率高,耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦,對偏振不敏感。3.2.3光隔離器光隔離器是一種單向光傳輸器件,對EDFA工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常光反射會干擾器件的正常輸出,產(chǎn)生諸如強度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影響。我要防止反射光返回放大器中,一致引起EDFA的NF增加,如果增益很高,甚至可以引起EDFA的光激射。當(dāng)反射出現(xiàn)時噪聲系數(shù)可能會增大,這是由于反載流子使不需要的反射場放大而沒有放大所需要的信號。提高EDFA穩(wěn)定性的最有效的方法是進(jìn)行光隔離。在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾,輸出端保護(hù)器件免受來自下段可能的逆向反射。同時輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點上反射引起激光振蕩,抑制光路中的反射光返回光源側(cè),從而既保護(hù)了光源又使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。要求隔離度在40dB以上,插入損耗低,與偏振無關(guān)。光濾波器〔OpticalFilter光濾波器消除被放大的自發(fā)輻射光以降低放大器的噪聲,提高系統(tǒng)的信噪比〔SNR。為了防止系統(tǒng)的性能退化,光濾波器是必需的。放大器發(fā)出的寬帶ASE輻射將產(chǎn)生自發(fā)輻射-自發(fā)輻射拍頻噪聲。必須用某種方法對它們加以限制,以使得接受機中有適當(dāng)?shù)腟NR。在任一EDFA輸出處可放置一個1-2nm或更窄些的帶通濾波器。另一方面,對于插入級聯(lián)放大器以及很多信道橫跨整個增益帶寬內(nèi)的WDM系統(tǒng),波長濾波器僅可以放在接收機前,它將使噪聲減到最小并對多信道解復(fù)用。一般多采用多層介質(zhì)膜型帶通濾波器,要求通帶窄,在1nm以下。目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為1～3nm。此外,濾波器的中心波長應(yīng)與信號光波長一致,并且插入損耗要小。泵浦源〔PumpingSupply泵浦源為信號放大提供能量,即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。根據(jù)摻鉺光纖<EDF>的吸收光譜特性,可以采用不同波長的激光器作為泵源,如：Ar2+激光器〔514nm、倍頻YAG〔532nm、染料激光器〔665nm及半導(dǎo)體激光器〔807nm、980nm、1480nm。但由于在807nm及小于807nm波長處存在強烈的激發(fā)態(tài)吸收〔ESA,泵浦效率較低。若用665nm、514nm的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益,需要的入纖泵浦功率大于100mw,且Ar+激光器體積大難以實用化。目前980nm和1480nm的LD已商品化,所以一般采用980nm和1480nm的半導(dǎo)體激光器作泵源。泵浦內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3：圖3-3泵浦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.4EDFA的數(shù)學(xué)模型高能態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)泵浦光子信號光子信號光子受激輻射光子Er3+圖3-3EDFA基本原理圖我們采用速率方程來描述上下能級間粒子的受激吸收、受激輻射及自發(fā)輻射,并采用光傳輸方程來描述EDF中光強分布?？紤]帶寬為ΔυK,中心波長為λK=c/υK的N束光在EDF中傳播,其中包括泵浦光及信號光<ΔυK=0>。設(shè)第K束光的光強為IK<r,φ,z>,則第K束光沿傳播方向<光纖軸向>Z的光功率為:〔3-1二能級系統(tǒng)的速率方程為：〔3-2〔3-3分別為鉺離子摻雜濃度、下能級和上能級的粒子數(shù)密度；σaK和σeK分別為鉺離子的受激吸收與受激發(fā)射截面；τ為鉺離子的熒光壽命；iK為第K束光的歸一化光強度。3.5本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)組成、數(shù)學(xué)模型等方面,分析了EDFA系統(tǒng)。4EDFA監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計EDFA的監(jiān)控系統(tǒng)是通過提取輸入EDFA的光功率和輸出EDFA光功率,然后計算光功率的增益等參數(shù),進(jìn)而計算這些參數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)值的偏差,然后根據(jù)偏差調(diào)節(jié)泵浦激光器的泵浦功率大小,最終實現(xiàn)EDFA增益等參數(shù)的監(jiān)控。系統(tǒng)主要有PD光電探測器、A/D轉(zhuǎn)換器、泵浦驅(qū)動電路、泵浦制冷電路及微處理器組成,即如圖4-1所示的控制電路〔controlcircuit。圖4-1電路控制與整個模塊的關(guān)系圖4.1PD光電探測器PD光電探測器實現(xiàn)功能PD光探測器實現(xiàn)輸入輸出光功率的光電轉(zhuǎn)換,由此將光信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號,再分別通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號傳輸給微處理器進(jìn)行處理,微處理器根據(jù)電信號的處理結(jié)果發(fā)出對驅(qū)動電路、制冷電路等的控制信號。PD光電探測電路設(shè)計PD監(jiān)控電路〔PDMonitorCircuit：圖4-1跨阻放大電路圖4-2對數(shù)放大電路<AD8305>系統(tǒng)的原理分析PIN光電二極管是利用PN結(jié)區(qū)電場收集光生載流子的光電探測器,基本工作原理是：如果半導(dǎo)體的PN收到光照,且能大于或等于半導(dǎo)體材料的帶隙能量時,光子會釋放它的能量,并把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生光生載流子,及電子和空穴。在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)附加的電子和空穴,并分別積累正負(fù)電荷。在沒有反向偏壓和負(fù)載電阻時,P區(qū)和N區(qū)兩端出現(xiàn)一個電動勢,稱之為光電壓。當(dāng)施加反向偏壓和加上負(fù)載電阻時,光生載流子自由的參加導(dǎo)電,使半導(dǎo)體材料的內(nèi)阻減少,因而流過器件的電流增加,在外電路中產(chǎn)生光電流。利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電二極管叫光電導(dǎo)探測器。光電探測器作為完成光/電轉(zhuǎn)換的探測器件,其響應(yīng)度、相應(yīng)波長、響應(yīng)時間和響應(yīng)帶寬等參數(shù)是影響其轉(zhuǎn)換效率的重要特性。4.2泵浦驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電路功能EDFA中使用的泵浦源主要是980nm的泵浦激光器,980nm和1480nm相比,在轉(zhuǎn)換效率和噪聲方面更具優(yōu)勢。早期EDFA中使用的泵浦源都是1480泵浦激光器,直到1992年發(fā)明了特殊的鏡面鍍膜技術(shù),部分解決了高功率下鏡面災(zāi)變問題后,980nm泵浦激光器才開始用在EDFA中。由于其工作特性受溫度影響很大并且極易損壞,因此設(shè)計和使用時必須注意防止浪涌的危害。浪涌是一種瞬間產(chǎn)生的強力脈沖,由于電路本省的非線性有可能高于電源本身的脈沖,使半導(dǎo)體激光器短時間內(nèi)承受電壓而使PN節(jié)擊穿。其產(chǎn)生的主要原因有以下幾個方面：電源開關(guān)的干擾；上電或斷電過程引起的浪涌；激光器管腳接觸不良或控制過快；與半導(dǎo)體激光器并聯(lián)電容的放電產(chǎn)生過電流；各種噪聲導(dǎo)致的浪涌；4.2.2泵浦驅(qū)動電路設(shè)計在摻鉺光纖放大器中,對泵浦激光器的控制是非常重要的,泵浦功率對EDFA性能的影響是很大的,基于EDFA的自動增益控制下,對泵浦激光器的驅(qū)動電流設(shè)計尤為重要。圖3.2為泵浦激光器的驅(qū)動原理圖,經(jīng)過PD探測器探測到尾光功率經(jīng)過放大后送入到單片機,單片機作為控制核心,對驅(qū)動電路進(jìn)行控制,進(jìn)而保證泵浦激光器的輸出功率穩(wěn)定,實現(xiàn)自動功率控制。為了保護(hù)泵浦激光器,要對其驅(qū)動電流進(jìn)行限流,這就需要保護(hù)電路。a濾波與緩啟動<關(guān)斷>電路的設(shè)計圖4-3濾波與緩啟動電路圖圖4-3為其電路設(shè)計原理圖。圖中,C1-C8是濾波電容,L1,C2,C3,C4組成π型濾波器,R1,T<復(fù)合管>,C5,C6,C7,C8構(gòu)成具有電了濾波性能的緩啟動電路。當(dāng)電了開關(guān)使繼電器J短路時,電流通過R1向C5和C6充電,直到電容上壓降大于Vbc。后才能使T逐漸導(dǎo)通,A點電壓跟隨C6上的電壓變化,最后達(dá)到穩(wěn)定值。當(dāng)J斷開后,C5上的電壓因為放電而降低,A點的電壓也緩緩降低至0,此時稱為緩關(guān)斷。b半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)流電路設(shè)計圖4-4穩(wěn)流電路圖圖4-3為連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)流電路原理圖,圖中,R1,C1、穩(wěn)壓管2CW及可調(diào)電阻R2組成帶有一定延時功能的基準(zhǔn)電壓,在電路啟動時,電位器中心點的電位是緩慢上升的,當(dāng)2CW啟動后,其基準(zhǔn)電壓才為一定值,這一措施進(jìn)一步抑制了浪涌電流.而運算放大器IC、T構(gòu)成了一個射極跟隨器,Vc2=VR4。因此通過半導(dǎo)體激光器的電流恒定Vc2/Ra。恒定電流值的改變可通過改變可調(diào)電位器的阻值來實現(xiàn)。加入C2則是為了防止可變電阻滑動端在滑動過程中接觸不良,從而引發(fā)浪涌造成損害。cLD及其保護(hù)裝置電路保護(hù)電路的原理圖如4-5所示,圖中的LD即為我們所用的泵浦二極管。C是濾波電容,2DW為鍺型穩(wěn)壓管,正向電壓低,響應(yīng)快,穩(wěn)壓電壓選為LD允許的最大電壓之下,此為2.4V。Jc為繼電器的常閉觸點,電源不工作時將LD短路,以防止靜電的破壞,圖4-5LD及其保護(hù)裝置圖同時在電源開機<關(guān)機>的瞬問也防止了對LD的浪涌沖擊。dLD電源開、關(guān)瞬態(tài)保護(hù)裝置控制電路如圖4-6,繼電器JC為常閉觸點,A端即為緩啟動電路中的輸出端}R:觸點處提供基準(zhǔn)電壓。開機和剛啟動時,A端電壓高于基準(zhǔn)電壓,運放輸出為低電位,圖4-6LD保護(hù)裝置控制電路圖T不導(dǎo)通,JC閉合,將LD短路。從而保護(hù)了因開機或啟動時的過渡過程而引入的尖峰干擾。緩啟動電路啟動以后,A端負(fù)電壓值逐漸上升。當(dāng)A端的電壓低于基準(zhǔn)電壓以后,運放輸出為高電平,T導(dǎo)通,從而使得JC斷開,對LD的短路保護(hù)取消,LD開始工作.當(dāng)因保護(hù)或關(guān)機時,A端負(fù)電壓逐漸減小,高于基準(zhǔn)電壓,運放輸出又為低電位,T關(guān)閉,JC關(guān)閉,短路保護(hù)重新啟動。4.2.3泵浦驅(qū)動選擇泵浦激光器時,要考慮其特性參數(shù)。a輸出光功率,半導(dǎo)體激光器的輸出功率隨驅(qū)動電流呈線性增長,但不能超過其額定值。一般輸出功率都根據(jù)實際光路的要求來確定,并不是越大越好。b峰值波長,輸出功率最大處對應(yīng)的波長稱為峰值波長。一般EDFA的泵浦激光器的峰值波長為980nm或1480nm。c閾值電流,半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流大于某一個值時,諧振腔才會產(chǎn)生振蕩,輸出激光,這個電流叫做閾值電流,閾值電流越小越好,這樣才能保證放大器有更穩(wěn)定的輸出。d光功率穩(wěn)定度,激光器輸出功率會隨著時間的變化而變化,經(jīng)過一段時間后激光器輸出值的變化值成為光功率穩(wěn)定度,變化量越低表明輸出功率越穩(wěn)定。4.3溫控系統(tǒng)4.3.1半導(dǎo)體激光器在正常工作情況下,其工作電流使半導(dǎo)體激光器發(fā)熱,溫度升高。因此,為了保證它恒溫工作,制冷器需要一制冷電流來降溫。4.3.圖4-7溫度控制原理空圖由于泵浦激光器的輸出功率和波長都與溫度有關(guān),因此控制溫度的變化,將直接影響到我們所制作的EDFA性能的好壞。圖4-7為溫控電路的整體框圖。當(dāng)溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化輸出后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,得出誤差信號輸入到PID〔比例積分微分調(diào)節(jié)器,在經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器的校正放大后,控制電流調(diào)節(jié)電路,送到半導(dǎo)體制冷器,控制半導(dǎo)體制冷器以降低泵浦激光器的溫度。然后把溫度變化情況反饋到熱敏電阻,形成一個反饋控制環(huán),這樣便可動態(tài)地控制激光器的溫度,使其溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。半導(dǎo)體激光器在正常工作情況下,其工作電流使半導(dǎo)體激光器發(fā)熱,溫度升高。因此,為了保證它恒溫工作,制冷器需要一制冷電流來降溫,這一電流即為直流工作點。為了取得這一工作點,就需要在PID的正端設(shè)置一可調(diào)電壓,使得溫控電路的輸出提供給半導(dǎo)體制冷器的電流產(chǎn)生的制冷效應(yīng)正好可以使半導(dǎo)體激光器工作在所予置溫度。當(dāng)半導(dǎo)體激光器在穩(wěn)定工作的情況下,由于各種因素引起的溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓信號傳送到PID的負(fù)輸入端,使得正負(fù)輸入端的電位差發(fā)生變化,其輸出相應(yīng)產(chǎn)生變化,經(jīng)過控制電流調(diào)節(jié)電路,向半導(dǎo)體制冷器輸出改變后的控制電流,進(jìn)行制冷控制,從而實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器溫度的動態(tài)控制。4.3.半導(dǎo)體致冷器<ThermoelectricCooler>是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的。所謂珀爾帖效應(yīng),是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時,其一端吸熱,一端放熱的現(xiàn)象。重?fù)诫s的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導(dǎo)體材料,碲化鉍元件采用電串聯(lián),并且是并行發(fā)熱。TEC包括一些P型和N型對〔組,它們通過電極連在一起,并且夾在兩個陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時,電流產(chǎn)生的熱量會從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè),在TEC上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè),這就是TEC的加熱與致冷原理。是致冷還是加熱,以及致冷、加熱的速率,由通過它的電流方向和大小來決定。一對電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小,故在實際中都將上百對熱電偶串聯(lián)在一起,所有的冷端集中在一邊,熱端集中在另一邊,這樣生產(chǎn)出用于實際的致冷器。如果在應(yīng)用中需要的制冷或加熱量較大,可以使用多級半導(dǎo)體致冷器,對于常年運行的設(shè)備,增大致冷元件的對數(shù),盡管增加了一些初成本,但可以獲得較高的制冷系數(shù)。TEC的用途非常廣泛,最典型的應(yīng)用是激光器的溫控和PCR的溫控。眾所周知,激光器對于溫度是非常敏感的,因此對TEC的要求非常高。有些甚至要求將TEC和激光器同時采用TO封裝,這就要求TEC的體積非常小。能滿足此要求的公司也不多,德國的Micropelt公司是一個代表。其采用最先進(jìn)的薄膜技術(shù),并使用MEMS〔微電機系統(tǒng)進(jìn)行加工,從而得到體積非常小的TEC。4.4本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)硬件的設(shè)計等方面介紹EDFA監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。5EDFA的工藝及相關(guān)參數(shù)控制5.1主要器件功能介紹PDpumpPDpumpIsolatorIsolatorWDMEDFEDFCouplerCoupler5-1EDFA產(chǎn)品外形PUMP：主要是提供激光光源；EDF：對光信號進(jìn)行放大作用,其內(nèi)部主要是能使光信號通過后起到放大作用的物質(zhì)；WDM：主要是將絕大多數(shù)的信號光與泵浦光合路于EDF中；PD：即光電轉(zhuǎn)換器,主要作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,以識別光信號的強度和變化；Coupler：一類能使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合,并進(jìn)行再分配的器件；ISO：防止光路光反射引起激光振蕩,保護(hù)光源使系統(tǒng)工作穩(wěn)定；PCBA：驅(qū)動PD、PUMP,控制電路。5.2工藝流程5.圖5-2EDFA項目實施過程5.表5-1EDFA具體制作流程動作名稱所屬工序器件分線模塊配料模塊配料模塊配料配料系統(tǒng)錄入模塊配料器件彎腳模塊組裝PD/VOA焊接模塊組裝PCBA組裝模塊組裝Pump/PD焊接模塊組裝組裝系統(tǒng)錄入模塊組裝粘光纖夾模塊盤盒無源光路盤盒模塊盤盒盤盒系統(tǒng)錄入模塊盤盒PUMP測試模塊盤盒出纖熔接模塊盤盒無源光路測試模塊盤盒鉺纖熔接模塊盤盒封裝系統(tǒng)錄入模塊盤盒預(yù)定標(biāo)/調(diào)纖模塊測試預(yù)定標(biāo)系統(tǒng)錄入模塊測試模塊封裝模塊盤盒封裝系統(tǒng)錄入模塊盤盒老化模塊測試預(yù)定標(biāo)系統(tǒng)錄入模塊測試通光測試模塊測試拍照確認(rèn)模塊測試盒蓋安裝模塊測試插損回?fù)p測試模塊測試常溫測試模塊測試單項測試模塊測試高低溫測試模塊測試EEPROM寫入模塊測試預(yù)定標(biāo)系統(tǒng)錄入模塊測試連接器端面檢查模塊測試測試系統(tǒng)錄入模塊測試模塊FQC模塊包裝包裝系統(tǒng)錄入模塊包裝模塊包裝１模塊包裝模塊包裝２模塊包裝模塊終檢模塊包裝包裝系統(tǒng)錄入模塊包裝5.圖5-3模塊測試圖1圖5-4模塊測試圖25.3增益與噪聲系數(shù)控制5.光纖放大器的增益可以區(qū)分為兩種情況,即小信號增益和飽和增益。當(dāng)泵浦光功率足夠強,而信號光與ASE光很弱時,上下能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度很高,并可以認(rèn)為沿EDF長度方向的上能級粒子數(shù)保持不變,放大器增益將達(dá)到很高的值,而且隨輸著入射信號光功率的小量增加,增益仍維持在恒定值,這種增益稱為小信號增益。在給定輸入泵浦光功率時,隨著入射信號光與ASE光的逐漸增大,上能級餌離子的增加將因不足以補償損耗而減少,增益也將不能維持初始值而逐漸下降,此時放大器進(jìn)入飽和工作狀態(tài),產(chǎn)生增益飽和。下面將對增益進(jìn)行具體的討論。增益與增益系數(shù)[12]光纖放大器的目的是提供增益,其增益定義為輸出信號與輸入信號的比值,這些功率以對數(shù)形式表示時,增益就能看作是兩個信號值之差,增益G的表達(dá)式為:〔5-1式中Pout,Pin定義為放大器輸出端和輸入端的連續(xù)信號功率。放大器增益與增益系數(shù)g有關(guān)。增益系數(shù)滿足下列方程〔5-2由于光纖放大器所用的光纖較長,所以增益系數(shù)g是隨著光纖長度而變化的。將g<z>在光纖長度上進(jìn)行積分并令始端功率為Pin,則得到〔5-3〔5-4 〔5-5如果己知增益系g<z>,則可求出放大器的增益G。三能級系統(tǒng)的增益系數(shù)為〔5-6g0是由泵浦強度決定的增益系數(shù)。由于增益飽和現(xiàn)象,隨著信號功率的增加,增益系數(shù)下降。Is和Ps分別為飽和光強和飽和光功率,是表明增益物質(zhì)特性的量,與摻雜參數(shù)!熒光時間和躍遷截面有關(guān)。由于光纖放大器中P是Z的函數(shù),因而g也是z的函數(shù)。式<4-4>適用于中心頻率f0=<E2-E1>/h處,由于譜線展寬,光增益將隨頻率而變。當(dāng)頻率偏離時,增益系數(shù)將下降。為了得到一般的概念,須考慮譜線展寬的影響。為了簡化問題,可以將介質(zhì)看作均勻展寬的系統(tǒng)。均勻展寬增益介質(zhì)的增益系數(shù)可寫為<5-7>式中g(shù)0是中心頻率w=w0處的小信號增益;T1不是偶極子弛豫時間。b>小信號增益G0當(dāng)P<<Ps時的系數(shù)叫做小信號增益系數(shù),寫作<5-8>這時g只是w的函數(shù)而沿z不變,激光放大器工作于非飽和區(qū)。可算出增益G。當(dāng)w=w0時,得到放大器的最大增益<5-9>c>增益飽和與飽和輸出功率 圖4-5小信號增益G0=30dB時,單程增益對輸入光功率的典型依存關(guān)系由于信號放大過程中消耗了高能級上的粒子,因而使增益系數(shù)減小。當(dāng)放大器增益減小為峰值增益的一半時,所對應(yīng)的輸出功率叫飽和功率,這是放大器一個重要的參數(shù),飽和功率用Pouts表示<圖4-5>[13]。通常激光器所用的三能級速率方程模型也適用于EDFA,有時必須加入第四個能級以包括激發(fā)態(tài)的吸收。此外,反轉(zhuǎn)沿著放大器長度的不均勻性也增加了速率方程的復(fù)雜性。由于光纖放大器從一端泵浦,泵浦功率沿光纖長度減小,因此必須要考慮到泵浦、信號和原子能級的軸向變化。一般說來,所得的藕合方程組必須要用數(shù)值方法求解,當(dāng)放大器的自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收忽略不計時,用一個簡單的二能級模型就能得出許多有用的結(jié)論。對給定的放大器長度L,放大器增益開始是隨泵浦功率呈指數(shù)增長,當(dāng)泵浦功率超過一定值時增長變緩。對給定的泵浦功率,放大器最大增益對應(yīng)一個最佳長度值,當(dāng)長度L超過最佳值時增益會迅速下降,多余的EDF部分起到吸收放大信號的作用[14]。在實際情況中,EDAF用連續(xù)半導(dǎo)體激光器泵浦,而信號通常不是連續(xù)光。例如,在光波系統(tǒng)應(yīng)用中,信號是以脈沖序列的形式出現(xiàn)的,一般要求所有脈沖有相同的增益。對小于幾毫秒的脈沖而言,EDAF的增益特性滿足上面的要求,因為受激餌離子的熒光時間≈10ms,當(dāng)信號光功率變化在時間上比小時,餌離子無法對這樣快的變化作出響應(yīng),因為單個脈沖能量典型值遠(yuǎn)小于飽和能量<約10uJ>,所以對EDAF起作用的是平均功率[15]。結(jié)果,增益飽和由信號光平均功率決定,放大器增益不因脈沖而變化。噪聲系數(shù)控制a>光纖放大器的噪聲來源EDAF對信號放大過程中,亞穩(wěn)態(tài)粒子不僅會以受激輻射的方式躍遷到基態(tài),還會以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài),所產(chǎn)生的光子在沿途又被不斷放大,形成放大的自發(fā)輻射<ASE>,由于ASE在信號放大期間疊加到了信號上,它與信號光相互作用會產(chǎn)生拍頻噪聲<beatnoise>。因此,理想的無噪聲摻餌光纖放大器是不存在的,ASE光譜與信號光之間的拍頻噪聲是EDAF的主要噪聲源。此外,EDAF中還存在信號光的散粒噪聲、ASE譜的散粒噪聲以及ASE光之間的拍頻噪聲等。在四種噪聲中,信號光的散粒噪聲和ASE與信號光之間的拍頻噪聲是決定EDAF性能的重要因素[16]。放大器本身產(chǎn)生噪聲,使信號的信噪比下降,造成對傳輸距離的限制,是光放大器的一項重要指標(biāo)。b>放大器的噪聲表示法<噪聲系數(shù)NF>由于放大器中產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲,使得放大后信號的信噪比SNR下降。任何放大器在放大信號時必然要增加噪聲,惡化信噪比。信噪比的惡化用噪聲系數(shù)NF表示。它定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比。<SNR>in和<SNR>out各代表輸入及輸出的信噪比。<5-10>隨著輸入信號功率的增加,nsp單調(diào)增加,G單調(diào)下降,噪聲指數(shù)則在迅速增加之前有一個"凹坑"。NF還與泵浦光功率和EDF長度有關(guān):光纖越長,NF越大;泵浦功率增加,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加,NF降低;當(dāng)泵浦光使EDAF飽和,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值時,NF趨于一恒定值。在980unl強泵浦條件下,粒子數(shù)可以接近完全反轉(zhuǎn),NF接近于3dB的量子極限。1480mn泵浦的NF稍大,在強泵浦條件下,高增益的EDAF可以達(dá)到接近4dB的噪聲指數(shù),這是因為1480mn屬于帶內(nèi)泵浦,其發(fā)射截面不為零,粒子數(shù)難以接近完全反轉(zhuǎn)。放大器噪聲是系統(tǒng)應(yīng)用的最根本限制因素,因而在改善放大器噪聲方面研究人員進(jìn)行了大量的上作。研究表明,在EDAF的開始部分粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高,信號光功率增加得越快,EDAF輸出端的ASE就越小,相應(yīng)的噪聲指數(shù)也越小。利用噪聲指數(shù)與增益的對應(yīng)關(guān)系,在實際制作放大器時通常采用級聯(lián)放大器的形式,各級之間使用隔離器減小反向ASE影響。級聯(lián)放大器中,第一級泵浦在高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)下,保證高增益和低噪聲,后面各級以大功率輸出為主,總級聯(lián)放大器增益G是各級放大器增益的乘積,而總噪聲指數(shù)則主要取決于第一級的噪聲。因此,級聯(lián)放大器在提高增益的同時,還可以很好地改善系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。遠(yuǎn)程光纖通信系統(tǒng)需要使用多個EDAF,其ASE噪聲是限制系統(tǒng)放大能力的重要因素,若功率較低的信號被放大較大的倍數(shù),則放大器噪聲的影響相當(dāng)嚴(yán)重。實際上,減小放大間距可以降低級聯(lián)EDAF的噪聲"基于此原因,分布式EDAF己引起研究人員的極大關(guān)注,由于增益分布在低摻雜石英光纖的整個長度<約50km>上,沿光纖長度的分布增益補償了光纖損耗,使光纖變得透明或無損耗。不過,這種分布式EDAF只有在適當(dāng)波長的泵浦作用下才有效,最佳泵浦波長是1480nm。由于信號波長位于喇曼增益帶寬內(nèi),因此應(yīng)考慮1480nm泵浦的分布式EDAF的受激喇曼散射<SRS>效應(yīng),系統(tǒng)的增益不僅來源于摻雜物,也來源于SRS。實際上,當(dāng)泵浦功率一定的時候,SRS提高了凈增益,降低了噪聲系數(shù)。與石英基質(zhì)相關(guān)的非線性效應(yīng)和色散效應(yīng)對分布光纖放大器起重要作用。c>極限噪聲系數(shù)在充分泵浦的理想情況下,N1→0,△N≈N2,NF=3dB這是最小噪聲系數(shù),或叫噪聲系數(shù)極限,是噪聲系數(shù)所能達(dá)到的最小值。工作于三能級的EDF,N1不能忽略,因而nsp>1,NF>3dB,應(yīng)根據(jù)具體情況計算。因為它是系統(tǒng)的重要限制因素,所以一個光放大器總是希望它有盡可能低的噪聲系數(shù)。5.4本章小結(jié) 本章對EDFA模塊具體生產(chǎn)測試做了大概介紹,并基于實際生產(chǎn)主要關(guān)注的兩大焦點—增益和噪聲,做了相對深入的分析和研究。6EDFA的失效模式分析6.1EDFA產(chǎn)品之TLB板卡分類介紹Tellabs710088-ChannelOpticalAdd/DropModules<OADM88>OADM88-IR：IntermediateOpticalAdd/DropModule,RADMADM88ITLB01OADM88-LR：LongReachOpticalAdd/DropModule,RADMADM88LTLB02RADMADM88ITLB11/RADMADM88LTLB12/RADMADM88ETLB13CCM44:RADMCCM44ITLB01/RADMCCM44LTLB026.2失效模式分析6.2失效模式：板卡不能上電,U58失效；失效分析?，F(xiàn)象：我們在做WH25及WH30主板的生產(chǎn)及樣品調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)光耦〔U58會存在損壞的現(xiàn)象。原因分析：針對這一現(xiàn)象我們將損壞的光耦進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)其初級均是好的,而次級不能隨著初級的導(dǎo)通而導(dǎo)通,一直處理截止?fàn)顟B(tài),查看該器件的Datasheet,懷疑是初級的限流電阻R602偏小,導(dǎo)致因初級的電流大然后次級耦合電流大于該器件的次級最大電流而損壞。改進(jìn)措施及效果：在初級上面增加了串上與R602相同阻值的電阻,使初級的電流下降一半,同時在次級的回路上也增加了1K的限流電阻,同時在初級及次級上增加反向二極管進(jìn)行保護(hù),避免因反向電壓導(dǎo)致?lián)p壞。此電路修改目前在WH30CostDown的主板上已經(jīng)采用,從樣品生產(chǎn)及XX的生產(chǎn),目前還沒有發(fā)現(xiàn)此光耦損壞的現(xiàn)象,初步認(rèn)為加上去的保護(hù)電路有起作用。光耦初級的電流增加限流電阻前的為4.8mA,增加電阻后的為2.4mA。我們使用的電源模塊的型號：3.3V:PQ60033EML15NNS-G

5V:PQ60050EGL15NNS-G我們的原理圖是完全參考客戶的設(shè)計,除了以上描述的修改外,另外還有幾處從一開始就有修改的：<1>根據(jù)產(chǎn)品的電流情況,重新選擇了保險絲;<2>部分電阻因為公司PN的阻值不一樣,選擇了2倍大小的電阻并聯(lián);<3>根據(jù)客戶的意見增加了EMI電容和保險絲以及一個限流電阻.另外RMA產(chǎn)品當(dāng)中有一塊的緩啟動芯片、保險絲、電源模塊等均燒壞,懷疑是存在長時間的過壓導(dǎo)致,后對電路進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)D29〔1.5SMC91AT3G的參數(shù)選擇的不是太合適,在WH30CostDown里面將D29更換成〔1.5SMC75AT3G,兩者的區(qū)別在于VBR這個參數(shù)：

1.5SMC91AT3G對應(yīng)的VBR為91V

1.5SMC75AT3G對就的VBR為75V6.2失效模式：板卡一直重啟,無法進(jìn)入系統(tǒng)；失效分析。FAConclusionItwasconcludedthatthefailurewascausedbybadsolderingbetweenBGAofICU1andsolderingpad.CorrectiveActionReleasedECO-P-35358tochangeU1fromlead-freetotheleaded.<Owner:R&D,Done>CheckonthereliabilityperformancesofPCBAsuchastemperaturecycling,vibration,unpackagedmechanicalshockastoevaluatetheriskoflead-free&leadedIC.<Owner:R&DHaiboTang,Ongoing>6.2.失效模式：OCM上報NodeP功率〔EDFA#1出光功率小于實際輸出功率；失效分析。FAConclusionitwasconcludedthattheOCMmalfunctionofnotreportingcorrectopticalpowerwasduetothedegradedILoftheinsidesolid-stateswitch.CorrectiveActionThesuppliertookimprovementactioninSep2011andnofailurehappenedafterthattime.6.2失效模式：OCM頻率位置點偏,導(dǎo)致OCM不能上報功率；失效分析。FAConclusionThefailedOCMmodulecausedthatopticalpowercouldnotbereported.ThefailedOCMmodulewillbeinvestigatedbyOplinkWHR&Dgroup.CorrectiveAction更換高精度電容。6.2失效模式：Bootfailure；失效分析。FAConclusionThebootfailurewasduetothattheCCMimageflashdataofmainandbackupwasdamaged.CorrectiveActionR&DgroupwillreleaseupdatedFWtofixthisproblem.6.2失效模式：EDFA#2VCC_5V與GND短路；失效分析。FAConclusionThecapacitorC173shortcircuitcausedE2OCMfailure>.CorrectiveActionECO-P-36406wasissuedon04-14-2011forthereplacementofthev-cutprocesswithstamp-holesforPCBAsidecutting.6.3EDFA的失效具體案例分析報告FailureModeAnalysisReportEDFAModuleFANumber:*PartNumber:*Customer:*1.CustomerClaimsS/N–*:moduleentersdisablemodeunpredictably.2.ProductInformationandTestResultTable1showstheproductinformation.Table6-4ProductinformationSNS/OSpecNo.Mfg.LocationMfg.DateShipDate******Figure1showstheschematicdiagramoftheproduct.Figure6-1SchematicdiagramTestedthemoduleandverifiedallparametersmetspec;theRMAmodulecouldnotduplicate"Disablemode"atnormaloperationconditionunlessthesupplyvoltagelowerthan4.64V<designedprotectionvoltageis4.6V>.Basedontheresults,companycouldnotconfirmthecustomerclaim.FailureAnalysisProcessWereleasedatemporaryfirmwareversion9.98tocustomer,thisversionprint"PWR"throughserialinterfacetoshowthatmoduleenterdisablemodebecauseoflowvoltagebycommandMST.Accordingtotheinformationprovidedbycustomer,characterstring"PWR"wasprintedforsurewhenthefailurereproducedasshowninFigure2.Figure6-2Characterstring"PWR"wasprintedAfterreceivedtheRMAmodule,inputting-2dBmopticalpower<themaxinputpowerspecifiedinspec>totestthechangesofmodule’scurrentandvoltagewhenpoweronandpoweroff.Theresultsshowedthattherewasnoobviousovershootandmoduledidn’tenterindisablemode.Asshowninfigure3andfigure4.Red:VRed:VoltageBlue:CurrentFigure6-3Poweron@-2dBminputopticalpowerRed:VRed:VoltageBlue:CurrentFigure6-4Poweroff@-2dBminputopticalpowerChangingopticalpowerinputfrom-2to-12dBmandthenfrom-12to-2dBm,therewerestillnoobviousovershootasshowninfigure5andfigure6;atthisperiodthemoduledidn’tenterdisablemode.Red:VRed:VoltageBlue:CurrentFigure6-5Inputpowerfrom-2dBmto-12dBmRed:VRed:VoltageBlue:CurrentFigure6-6Inputpowerfrom-12dBmto-2dBmContinualoperationtestatroom/hightemperaturewasconducted.Wheninput-2dBmopticalpowerandvoltageoftesting-boardis4.8V,modulecontinueoperatingfor5hoursatroomtemperatureandfor75hoursathightemperature,moduledidn’tenterdisablemode.Inaddition,wealsotestedcriticalvoltagevalueofdisablemodewheninputdifferentopticalpoweratroom/hightemperatu