泵浦激光器推動了EDFA向低成本高效率的方向發(fā)展

Jay Skidmore
Ed Wolak
Toby Strite
JDS Uniphase公司

在光通訊領(lǐng)域，越來越多的下一代摻鉺光纖放大器（EDFA）已不把目光局限在更高的比特速率和更多的波長數(shù)目上，而是將注意力集中在如何不影響性能或可靠性的情況下獲得低成本，小尺寸以及低功耗的光放大器。

980-nm泵浦激光器性能改進了不少，譬如說布拉格光柵（FBG）在穩(wěn)定性方面取得重大進展，可以使EDFA獲得制冷碟型封裝的500mW的超高功率980-nm泵浦，也可獲得200mW的無制冷miniDiL封裝的980-nm泵浦。當980-nm泵浦模塊功率按每18個月增加50%的規(guī)律持續(xù)地發(fā)展時，這種超高功率980-nm泵浦源的成本也大幅的減少，完全可以取代傳統(tǒng)的輸出段980或1480nm泵浦。而采用MiniDIL封裝的無制冷型980nm泵浦源則無論在成本，功耗以及尺寸都比其他類型的泵浦源低的多。

PMF的好處

獲得有效的穩(wěn)定的FBG波長的關(guān)鍵是要保持適當?shù)墓夥答仯╫ptical feedback）進入激光二極管腔體。一個FP激光二極管實際就是一個TE偏振發(fā)射器，因此，只有這些TE偏振器件在FBG處被反射的光才能影響二極管的性能。任何介于激光二極管與FBG之間雙向光路里的雙折射都會造成光反射成比例地減少，而光反射則是需要用來產(chǎn)生必要的光反饋的。如果雙折射產(chǎn)生了一個接近90°的偏振旋轉(zhuǎn)（或者是270°等等），那么數(shù)量不足的光反饋將減弱激光二極管的波長穩(wěn)定，并會對EDFA的噪音性能造成潛在的影響。因此，如何將整個操作環(huán)境下的雙折射控制在最小，則成為改進980nm泵浦模塊光譜品質(zhì)的關(guān)鍵。
在單模尾纖里，cylindrical core的變形是造成雙折射的首要原因。變形一般發(fā)生在光纖鋪設(shè)時彎曲或扭曲的地方，或者是尾纖中任何半徑受壓的地方。由于雙折射不能被完全消除，在僅有一小部分反饋是TE偏振的情況下，傳統(tǒng)的980nm泵浦設(shè)計一般都采用高的FBG反射率來保持令人接受的單模抑制比（SMSR）。
由于保偏光纖具有固有的高雙折射率，所以其不受小的擾動的影響。因此類似FBG長度的采用PMF尾纖的980nm泵浦模塊可以在一個大的動態(tài)功率和溫度范圍內(nèi)保持極好的SMSR。同時也會增強生產(chǎn)的產(chǎn)量，并拓展制冷和非制冷型泵浦的使用領(lǐng)域。
PMF尾纖給FBG穩(wěn)定的980nm泵浦所帶來的好處已早已得到業(yè)界的認可，但是PMF的高成本卻限制了它們在海底光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。最近，PMF的價格已經(jīng)降到了大家接受的水平，已十分適合大規(guī)模應(yīng)用了。

無制冷型泵浦

人們對小尺寸，低功耗的EDFA的需求的增長是刺激無制冷型泵浦源快速發(fā)展的主要動力。研究表明，一旦去除體積龐大的熱電冷卻器（TEC），就可將980nm的泵浦模塊的功耗降低75%，同時也可以使用更小，更便宜的miniDil封裝了。MiniDil十分適合當前流行的低成本的窄帶EDFA架構(gòu)，這些窄帶EDFA均無需最高功率的泵浦源。采用miniDil封裝的平臺遵循著多源協(xié)議，是極其標準的組件。
近來芯片方面的改進允許無制冷型980nm的泵浦模塊運行功率范圍超過200mW，同時又能保持極好的可靠性。為了使高功率的miniDil滿足寬帶EDFA的增益要求，就需要PMF尾纖來實現(xiàn)在預(yù)想環(huán)境下的光譜質(zhì)量，這種環(huán)境跟TEC制冷的泵浦相比具有同等的溫度和動態(tài)功率范圍（見圖1）。下圖是采用無制冷PMF尾纖miniDil技術(shù)得來的數(shù)據(jù)，圖中的SMSR值指的是72個獨立無制冷泵浦模塊的平均值，表明采用PMF尾纖的模塊具有優(yōu)異的性能，其在20到240mW的光纖耦合功率下，-5°C到 75°C的標準電信溫度范圍內(nèi)仍能保持極好的SMSR。
 

  圖1：72個采用PMF尾纖的miniDil 980nm泵浦模塊的平均單模抑制比（SMSR）與動態(tài)功率和溫度相互關(guān)系圖

 不過，無制冷型980nm泵浦激光器也增加了測試的負擔。因為外部的溫度變化會影響到激光器的波段間隔，所以在整個額定的溫度和功率范圍內(nèi)都要對光譜的質(zhì)量做嚴格的測試。而TEC冷卻的９８０nm泵浦源則只須點測試（spot tested）。由于PMF尾纖的９８０nm性能是fiber-lay獨立的，因此EDFA的裝配人員就可對工廠測試的性能持有信心。另一方面，沒有配備PMF的無制冷型泵浦激光器也應(yīng)該保存一備用波段來確保得到滿意的光譜性能。
對于無制冷型９８０nm的泵浦而言，首要的可靠性挑戰(zhàn)是如何將處于-5°C to 75°C的溫度范圍內(nèi)高溫時的故障降至最小。無論激光器還是miniDIL封裝的可靠性都需要經(jīng)過不同的溫度和工作電流來進行大范圍多單元的測試，從而分別發(fā)展出了精確的激活能（activation-energie）可靠性分析模型和功率加速（power-acceleration）可靠性分析模型。

目前商業(yè)上通用的９８０nm的泵浦激光器芯片都被集成Arrhenius因子的可靠性模型支配著，而Arrhenius因子則與二極管的P-N結(jié)溫度有直接的聯(lián)系�，F(xiàn)在人們得到一個規(guī)律，那就是工作溫度每增加２０°C，那芯片的故障率就增大三倍。一個實用無制冷型的９８０nm泵浦模塊必須在工作功率和25°C的溫度下具有非常小的芯片故障率。人們必須要對芯片可靠性與溫度和工作電流的關(guān)系搞清楚。多單元測試的結(jié)果已經(jīng)表明在無制冷的情況下芯片的運行功率可以達到傳統(tǒng)傳統(tǒng)TEC制冷的功率的５０％，或者說是超過２００mW的光纖耦合功率。

專門為25°C的TEC制冷環(huán)境研制的光學(xué)校準技術(shù)被證明可以用于更高溫度環(huán)境。為了模擬在典型工作環(huán)境下（40°C to 75°C）的可靠性，人們在25°C到 85°C.的溫度范圍內(nèi)進行了數(shù)百萬小時的器件測試。測試的結(jié)果表明模型可以幫助EDFA制造商精確地設(shè)定開始的輸出功率和EDFA的FIT比率（與周圍應(yīng)用環(huán)境溫度相比）。

超高功率的泵浦

在過去三年里，采用單一碟型封裝的980nm泵浦的光纖耦合功率增長量遠遠地超過了1480nm的泵浦，這就使980nm泵浦的$/dBm成本下降很多，達到了1480nm的水平。在相同的成本下，980nm泵浦成為人們的首選，因為相比1480nm泵浦而言，980nm泵浦具有更低的功耗和噪音指數(shù)（即使是在輸出段）。圖2比較了一個980nm泵浦模塊在極端環(huán)境（75°C）和標準工作環(huán)境（40°C）下光輸出功率（L-I）和功耗跟驅(qū)動電流之間的關(guān)系，結(jié)果表明980nm泵浦的總消耗功率大約只有1480nm泵浦的一半。
  

圖2：一個PMF尾纖980nm泵浦光纖耦合功率和總模塊功耗與驅(qū)動電流關(guān)系圖

為了獲得完全的采納，超高功率的980nm泵浦模塊必須要跟FP 1480nm的激光器的動態(tài)范圍相匹配。在細節(jié)方面，輸出段的泵浦要經(jīng)常需要工作在閾值電流之上，這時候僅需要非常小的放大。傳統(tǒng)的980nm泵浦技術(shù)的功率動態(tài)范圍是15dB（12到350mW），而帶有PMF尾纖超高功率的980nm泵浦則超過了20dB。

由三十多個獨立的帶PMF尾纖的980nm泵浦模塊測試得來的關(guān)鍵光譜數(shù)據(jù)顯示低頻噪音（主要是由激光二極管的縱向位移引起）和光纖耦合輸出功率的光譜純度會影響EDFA的性能（見表1）。表1中的數(shù)據(jù)表明一個優(yōu)化的帶PMF尾纖的FBG會獲得低噪音指數(shù)純潔的光譜（輸出功率的動態(tài)范圍為20dB，最小為5mW）。

表一：帶PMF尾纖的980nm泵浦模塊的低頻噪音狀態(tài)

帶有尾纖的980nm泵浦模塊正得到廣泛的應(yīng)用，其越來越高的輸出功率和多功能性也影響著未來EDFA的發(fā)展。例如，三段式，色散補償?shù)模�增益平坦型EDFA架構(gòu)（見圖3）。以前，類似的設(shè)計是在第一段集成制冷型980nm的泵浦，在第二段使用980- 或1480-nm泵浦，在輸出段則采用1480nm的泵浦。我們預(yù)計將三段全部改用980nm泵浦的EDFA將會在2003年出現(xiàn)。
 

圖3：當帶有尾纖的980nm泵浦模塊的功率和功能正不斷地增加的同時， DWDM EDFA也迅速發(fā)展起來。

在2003年，EDFA的發(fā)展主要集中在預(yù)放大段中采用低成本的miniDIL封裝上，從而取代了以前的冷卻型裝置，以及在輸出段采用980nm泵浦。作為一個結(jié)果，2004年生產(chǎn)的EDFA將具備最低可能的預(yù)放大段成本，同時依靠多路偏振復(fù)用器，在輸出段，980nm泵浦會產(chǎn)生低噪音的輸出功率。在2004年980nm泵浦技術(shù)將得到充分利用，屆時，功耗將會降到歷史最低點。
在2004年，新的芯片技術(shù)預(yù)計也將會增加980nm泵浦（無論是制冷還是無制冷）的50%的額定功率。到2005年，EDFA將使用300-mW miniDILs 和750-mW 制冷980-nm泵浦。很少泵浦會達到如此高的輸出功率的。同樣，300-mW miniDIL技術(shù)也成為解決輸出段低成本的很有吸引力的技術(shù)。2005年我們可能看到首個全部采用無制冷的寬帶EDFA的出現(xiàn)。

作者簡介：Jay Skidmore為JDSU研究無制冷泵浦項目的經(jīng)理，Ed Wolak為JDSU研究高功率泵浦項目的經(jīng)理，而Toby Strite則是JDSU的商業(yè)發(fā)展經(jīng)理。

參考文獻：
1. Q. Wang et al., WDM Solutions (July 2001