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EDFA原理性能生产工艺及失效原因分析模板
EDFA原理性能、生产工艺及失效原因分析
摘要
伴随通信技术发展,通信网络在工业数据传输中应用日益增多。
现在在工业数据传输领域大多采取同轴电缆通信方法进行,即使经济实用,但在很大程度上限制了应用场所拓展。
为了使远距离数据传输实现更灵活方便,本文选择EDFA技术进行远程数据传输。
EDFA网络含有网络覆盖率高、速率快等优势,已广泛应用于电力、铁路、石油等行业,这必将成为工业控制及远程监测等领域发展趋势。
基于掺铒技术EDFA系统关键由光模块和电模块组成,光模块完成关键放大等功效,电模块完成相关控制。
模块各组成部分参数控制、工艺制程、失效模式是EDFA技术关键。
电模块辅助使得EDFA通信系统更易监控,本身放大功效也更趋完善。
经过研究EDFA关键技术,比较现在应用多种放大模式,并经过分析现在工艺及技术参数实际控制,研究EDFA实效模式,以提升生产控制力,促进EDFA模块长远可靠性提升。
关键词:
EDFA,数据传输,通信系统,失效分析
PrincipleofEDFAPerformance,ProductionProcessandFailureCauseAnalysis
ABSTRACT
Withthedevelopmentofcommunicationtechnology,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
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论……………………………………………………………………………………1
1.1课题背景和研究意义………………………………………………………………1
1.2中国外发展情况…………………………………………………………………1
2光放大技术概述…………………………………………………………………3
2.1光放大技术发展概况………………………………………………………3
2.2光放大技术介绍…………………………………………………………………3
2.3光放大器产生…………………………………………………………………4
2.4基础光放大器组态………………………………………………………4
2.5基础光谱特征…………………………………………………………………4
2.5.1EDFA放大能级机理………………………………………………………4
2.5.2EDFA实际展宽谱…………………………………………………………5
2.5.3EDFA掺杂物及原因分析……………………………………………………5
2.6本章小结…………………………………………………………………5
3EDFA结构模型…………………………………………………………………………6
3.1系统组成…………………………………………………………………………6
3.2EDFA关键模块…………………………………………………………………6
3.2.1掺铒光纤(EDF)……………………………………………………………6
3.2.2光耦合器(WDM)……………………………………………………………7
3.2.3光隔离器(ISO)……………………………………………………………7
3.2.4光滤波器(OpticalFilter)………………………………………………8
3.2.5泵浦源(PumpingSupply)…………………………………………………8
3.3EDFA数学模型…………………………………………………………………8
3.4本章小结…………………………………………………………………………9
4EDFA监控系统设计……………………………………………………………………10
4.1PD光电探测器……………………………………………………………………10
4.1.1PD光电探测器实现功效…………………………………………………10
4.1.2PD光电探测电路设计……………………………………………………10
4.1.3原理分析…………………………………………………………………12
4.2泵浦驱动系统……………………………………………………………………12
4.2.1驱动电路功效……………………………………………………………12
4.2.2泵浦驱动电路设计………………………………………………………12
4.2.3泵浦驱动原理分析………………………………………………………14
4.3温控系统…………………………………………………………………………15
4.3.1温控电路功效……………………………………………………………15
4.3.2温控电路设计……………………………………………………………15
4.3.3温度控制原理分析………………………………………………………16
4.4本章小结…………………………………………………………………………16
5EDFA工艺及相关参数控制……………………………………………………………17
5.1关键器件功效介绍………………………………………………………………17
5.2工艺步骤…………………………………………………………………………17
5.2.1项目实施……………………………………………………………………18
5.2.2制作步骤……………………………………………………………………18
5.2.3关键测试架构………………………………………………………………20
5.3增益和噪声系数控制……………………………………………………………21
5.3.1增益控制……………………………………………………………………21
5.3.2噪声系数控制………………………………………………………………23
5.3本章小结…………………………………………………………………………24
6EDFA失效模式分析……………………………………………………………………25
5.1EDFA产品之TLB板卡分类简绍…………………………………………………25
6.2失效模式分析………………………………………………………………………25
6.2.1EDFA失效模式一………………………………………………………25
6.2.2EDFA失效模式二………………………………………………………25
6.2.3EDFA失效模式三………………………………………………………26
6.2.4EDFA失效模式四………………………………………………………27
6.2.5EDFA失效模式五………………………………………………………27
6.2.6EDFA失效模式六………………………………………………………27
6.3EDFA实效具体案例分析………………………………………………………28
6.4本章小结…………………………………………………………………………33
7EDFA发展趋势及结论…………………………………………………………………34
致谢…………………………………………………………………………………………35
参考文件……………………………………………………………………………………36
1绪论
1.1课题背景和研究意义
二十一世纪是高速信息时代,伴随互联网快速发展,网络规模和应用范围快速扩大,通信技术不停进步,大家对网络带宽资源需求呈指数增加,有线传输一定会更多地采取光纤。
在传统光纤通信系统中,光信号在光纤中传输时,不可避免存在着一定损耗和色散,损耗造成光信号能量降低,色散造成光脉冲展宽,所以,每隔一段距离就需要设置一个中继器,方便对信号进行放大和再生中继续传输。
处理这一问题常规方法是采取光-电-光中继器,这种光-电-光变换和处理方法在一定程度上已满足不了现代传输要求。
光放大器出现改变了这种情况,尤其是1989年诞生掺饵光纤放大器代表光放大器技术是光纤通信技术上一次革命。
它能够使对光信号放大和再生中继不再经过光-电转换。
尤其是掺饵光纤放大器使信号光在光纤中直接得到增强和放大,这使得通信成本降低,设备简化,运行维护方便。
伴随掺饵光纤放大器实用化,愈来愈多用在数字光纤传输系统中,它给原来数字光纤传输系统带来了新发展。
掺饵光纤放大器成熟使WDM技术快速进人实用阶段。
EDFA有数十到上百纳米增益带宽,一个EDFA放大器就能够替换很多设备实现对WDM系统多信道光信号同时进行放大,使得成本大大下降。
更关键是,波分复用技术和EDFA能够直接在原来已经大量铺设G.652光纤网上直接使用,实现了光纤通信容量平滑升级。
1.2中国外发展情况
自英国南安普顿大学物理学家S.B普尔发觉EDF可制作全光放大器,美国贝尔试验室证实全光放大器比电子放大器在性能上提升100倍,1994年在系统配置中实用化以来,其发展突飞猛进,现在技术开发和商品化最成熟,常见C波长EDFA工作在1530~1565nm光纤损耗最低窗口,含有超出40dB高增益,高输出,对偏振不敏感,无串扰,低噪声,可同时放大多路波长信号,每路波长输出功率24.5dBm等一系列特征,在一对EDFA之间,光信号传输距离已超出100km。
其不足是平均增益特征带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口一部分,制约了光纤固有能够容纳波长信道数。
所以,研制转向L波长EDFA,增加现有EDFA放大带宽是其研发关键方向。
L波长EDFA可有效增加信号放大带宽,传输大约在1570~1605nm,这个波长覆盖了EDF增益曲线末端,尽管和C波长EDFA所覆盖增益波峰有差异,但仍可和很多性能优异C波长产品媲美,比如,有较小辐射和吸收和较低平均反转效率,增益波动系数远小于C。
二者基础结构相同,大多数C波长EDFA设计和制造技术仍可用于L波长研制,估量其发展将很快,所存在EDF较长带来无源衰减较大,放大杂散辐射功率急剧累积等不足,经过提升其内部器件性能,正在改善之中。
有些色散位移光纤DSF网络制造商已先于C而开发L波长产品,L波长可能成为DSF关键工作窗口。
康宁企业L波长EDFA增益波动为1.4%,每25dB增益波动0.35dB,比经典C波长46%小,噪声系数比C大1dB,泵浦转换效率PCE低2dB。
据报道,L波长EDFA在若干密集波分复用DWDM系统中开始使用,批量生产后,二者价格将相差不大。
多数情况下,L波长放大器可经过波长分割和复用技术,一个模块一个模块地加到现有C波长EDFA上,二者相结合开发双向光纤放大器拓朴结构,网络供给商能将DWDM传输窗口波宽提升约1倍,即从35nm增加到64nm以上,每一波长提供4080信道,速率为2.5Gb/s或10Gb/s,潜在总容量可达1000Gb/s。
这种设计许可用户依据需要逐步升级扩容,尽可能避免铺设新光缆而增加投入。
现在,一个大功率EDFA通常全部有三个或更多泵浦级,到时,估量这个数目还要翻一番。
因为超出8个泵浦级时EDFA会变得十分复杂,期待高能功率芯片在提升光放大功率方面起到更关键作用。
采取多纤芯开发多芯EDFA,各个纤芯内光信号均以小信号进行放大,从而在较宽波长范围内取得靠近平坦增益。
开发掺铒氟化物光纤放大器EDFFA,放大带宽75nm,增益18dB,在较宽频带内取得平坦增益。
在EDF中掺铝,改变铒放大能级分布,扩展可放大频带。
利用光纤光栅,介质多层薄膜滤波器,平面光波导作为光纤放大器内部增益均衡器,对放大光谱增益偏差进行赔偿,保持平坦增益谱特征,期待低成本EDFA在网络中发挥更关键作用。
2光放大技术概述
2.1光放大技术发展概况
a)光放大器设想随光纤通信出现而出现;
b)80年代关键以非线性光学放大器研究为主;
c)进入90年代以掺铒光纤放大器为主光放大器进入大发展时期;
d)
1994年被OFC会议代表称为“EDFA年”;
图2-1EDFA应用图
2.2光放大技术介绍
因为器件快速发展和系统革命性改变结果,最近光放大器在通信领域占据中心地位。
这些器件能够使大家构想出和试验证实激感人心,新通信系统。
实际上,通信中很多相关最新进展(如孤子系统及广域和广播多通道系统)可追溯到和光放大器结合。
光放大器可被想象成是一个含有反馈机制激光器(增益介质),其被激发载流子放大入射信号而不产生自己相干信号。
和电放大器一样,光放大器能够用来赔偿因为分配、传输或插入部件损耗所造成信号衰减。
放大器皆能提供信号增益G,不过它们也全部在系统中引入加性噪声(方差=
2)。
多种放大器需要一定形式外功率源以提供放大所需能量。
电放大器需要一个电压源,而光放大器需要电流源(或光源)。
对光放大器来说,电流源用来将载流子泵浦到高能级,然后处于高能级载流子发生衰变并射出一个含有输入信号波长光子。
放大器皆有一个品质因数,就是后面提到低噪声系数NF。
另外,对于一个给定系统,放大器设计,输入参数和其在信道中位置全部必需最好化。
2.3光放大器产生
1980年之前在系统界是不知道光放大器。
最近对光放大器进行广泛研究原始动机是想用它替换长距离越洋通信系统中再生中继器,它们在整个跨度内每隔50km放一个。
再生中继器是用来纠正光纤衰减和色散影响。
它先对光信号进行检测,然后利用它自己内部激光器再将检测到信号作为一个信息号发射出去。
再生中继器价格昂贵,比特率和调制方法也是要求好了,消耗功率和从光子转化为电子并在转化为光子花费时间。
反之,光放大器可想象成提供增益透明盒,且对经过信号比特率,调制方法,功率和波长不敏感。
在放大过程中信号仍保持光形式。
光放器可能比再生中继器价格更低廉和更可靠。
2.4基础光放大器组态
第一个组态是将光放大器直接放在激光器发射机后面做功率放大器或后置放大器用。
这么能够提升信号功率使得即使经过衰减,信号仍大于接收机热噪声。
另外,当经过一个有损耗系统时,功率放大器引入噪声将和信号一起被衰减。
因为输入到功率放大器上信号通常是大(0.1-1.0mW),对功率放大器来说,关键参数将是最大饱和输出功率,而未必是绝对增益。
假如放大器供给功率无须原来激光器发射机功率大,这种组态无任何优点。
第二种组态是将放大器在线式插在传输线路一个或多个位置。
在线式放大器是用来周期性地纠正光信号衰减,这种损耗或来自光纤吸收损耗或是网络分配引发分光损耗。
在线放大器以级联方法存在,一个给定放大器输出信号和噪声经过放大器之间线路衰减后又输给后面放大器。
此时需要考虑滤波和隔离等问题。
第三种放置放大器方法是将放大器直接放在接收机前面,目前置放大器使用。
此时信号传输已经在传输线路上经受严重衰减。
因为放大器输出被直接检测,所以关键品质因数是高增益和底放大器噪声。
2.5基础光谱特征
2.5.1EDFA放大能级机理
为了制造放大器增益介质,在标准单模光纤硅线芯中掺杂铒离子。
因为铒离子有不一样能级,离子将吸收多个不一样光。
通常说来,吸收对应于:
一个光子被吸收并产生一个跳跃到更高能级上载流子(离子),其能级差,△E=hv,大致和光子能量相匹配。
不一样波长既可引发基态吸收(GSA),也可引发激发态吸收(ESA)。
GSA对应于一个光子将一个载流子从基态激发到更高激发态,而ESA对应于一个光子从非基态激发到更高激发态。
因为基态粒子数最多,所以发生GSA机率远大于ESA。
一经光子被吸收和载流子被激发到更高能级,后者就又快速地衰减到第一激发态。
一旦载流子处于第一激发态,它有很长寿命(10ms左右)。
所以我们认为第一激发态是亚稳态。
依靠于外部光激励,载流子又将以激励或自发辐射方法衰变到基态并发射一个光子。
铒发射意外地处于标准硅光纤最小损耗去周围。
对于多种可能波长吸收并非一样强,光子被吸收趋势是严格地由铒离子和光子相互作用截面积决定。
吸收系数最强波长是0.98um,第二最强波长是1.48um,弱一点吸收是0.53um和0.8um。
幸运是利用QW半导体材料,可制成发射波长在0.98和1.48高功率多模激光二级管,可实现输出功率>100mW,而且已商用化。
激光二极管是一个诱人泵浦原,因为其结构紧凑,可靠,和价格可能会廉价。
2.5.2EDFA实际展宽谱
吸收和发射谱皆含有和相关联带宽。
这些带宽和可能被吸收或从一个给定能级发射波长展宽相关,这就使得多模,多波长二级管激发器发光被吸收。
这种展宽起因于能级斯托克斯分裂,它许可偏离某一特定波长。
这正是我们极想要,因为泵浦激光器波长不可能正确控制,而且对多模激光器来说不可能有正确波长值;信号可能是多个波长一个值,WDM系统尤其如此;宽带宽使得放大器工作起来有很大灵活性。
2.5.3EDFA掺杂物及原因分析
共掺杂有其它材料铒光纤关键性有两点:
第一,铒离子比硅原子大得多,所以不太溶于硅中,所以难以达成高掺杂浓度使得能在长度上取得高增益值。
所以需要用其它更易溶于硅中而尺寸和铒离子相同物质,帮助在光纤芯区掺杂进更多铒。
利用掺杂剂能够达成1000ppm(每百万)。
第二个理由是和系统性能相关。
因为我们期望放大器有尽可能多用途以适应多种多样应用需要,增益带宽应该尽可能宽和均匀。
在这方面半导体放大器十分好。
因为带宽很大,覆盖200nm左右。
业已发觉铝作为共掺物所得性能最好,即使峰值在1.53um周围,而带宽仍保持30nm左右。
2.10本章小结
本章关键从EDFA产生、发展、机理、组态等方面分析研究EDFA技术。
3EDFA结构模型
3.1系统组成
EDFA基础结构图3-1所表示:
图3-1EDFA基础结构
3.2EDFA关键模块
3.2.1掺铒光纤(EDF)
图3-2EDF结构图
a)掺铒光纤电子组态:
EDF是放大器主体,纤芯中掺有铒元素(Er),Er属稀土锎系元素,Er逸出两个6S和一个4f电子而显示为+3价。
其电子组态和惰性气体Xe相同:
1S22S22P63S23P63d104S24P64d105S25P6。
b)掺铒光纤和一般光纤匹配:
掺铒光纤纤芯直径能够比较小,或是标准8um单模光纤尺寸。
假如纤径小,于是在常规光纤和掺铒光纤之间就存在失匹配,引发信号和泵浦光损耗。
必需仔细地将两根光纤接在一起。
减小损耗方法是将两根光纤线芯面对面平贴在一起,再对它们加热使纤芯膨胀,然后它们熔接在一起。
c)掺铒光纤内部设计关键点:
掺有Er3+石英光纤含有激光增益特征,铒光纤光谱性质关键由铒离子和光纤基质决定,铒离子起主导作用,掺Er3+浓度及在纤芯中分布等对EDFA特征有很大影响。
基质影响有二:
其一是造成斯塔克分裂使能级出现亚结构;其二是能级展宽,展宽机理有基质电场扰动展宽和声子展宽,基质扰动展宽属于非均匀加宽,声子展宽属于均匀加宽。
为使每个铒离子受到泵浦速率最大,同时所需泵浦功率最小,泵浦功率及铒离子必需尽可能限制在最小模截面内,铒光纤应含有高数值孔径NA,小芯径且只有纤芯掺杂,通常将光纤设计为双层结构。
另外阶跃折射率光纤有较大相对折射率差,便于缩小泵浦光模场直径,提升泵浦光功率密度,降低泵浦阈值,达成高泵浦效率。
为确保泵浦光和信号光单模传输,光纤截止波长应合适。
在EDF中掺入适量铝元素,使铒离子在EDF中分布更均匀,从而取得平坦宽带增益谱。
3.2.2光耦合器(WDM)
带光耦合器有合波信号光和泵浦光作用,也称光合波器和波分复用器。
是EDFA必不可少组成部分,它将绝大多数信号光和泵浦光合路于EDF中。
也就是0.98um或1.48um泵浦光和1.55um信号光必需一起摄入掺铒光纤中,一对介质进行泵浦和使信号得到增益。
带尾纤光栅基三端口WDMs器件能够实现这一耦合功效,能得到<0.5dB插入损耗和>40dB反射损耗。
甚至当组合波长像1.48um和1.53um这么靠近时仍然如此,当然,信号传输方向是固定。
可是沿着光纤传输而被增益介质吸收泵浦光既能够和信号同向,也能够和光信号反向传输。
为此,在掺铒光纤输入和输出处肯定需要WDM。
WDM关键有两种形式:
980nm/1550nm或1480nm/1550nm,通常为光纤熔锥型。
要求在上述波长周围插入损耗全部小,耦合效率高,耦合频带含有一定宽度且耦合效率平坦,对偏振不敏感。
3.
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