泵浦激光器推动了EDFA向低成本高效率的方向发展

Jay Skidmore
Ed Wolak
Toby Strite
JDS Uniphase公司

在光通讯领域，越来越多的下一代掺铒光纤放大器（EDFA）已不把目光局限在更高的比特速率和更多的波长数目上，而是将注意力集中在如何不影响性能或可靠性的情况下获得低成本，小尺寸以及低功耗的光放大器。

980-nm泵浦激光器性能改进了不少，譬如说布拉格光栅（FBG）在稳定性方面取得重大进展，可以使EDFA获得制冷碟型封装的500mW的超高功率980-nm泵浦，也可获得200mW的无制冷miniDiL封装的980-nm泵浦。当980-nm泵浦模块功率按每18个月增加50%的规律持续地发展时，这种超高功率980-nm泵浦源的成本也大幅的减少，完全可以取代传统的输出段980或1480nm泵浦。而采用MiniDIL封装的无制冷型980nm泵浦源则无论在成本，功耗以及尺寸都比其他类型的泵浦源低的多。

PMF的好处

获得有效的稳定的FBG波长的关键是要保持适当的光反馈（optical feedback）进入激光二极管腔体。一个FP激光二极管实际就是一个TE偏振发射器，因此，只有这些TE偏振器件在FBG处被反射的光才能影响二极管的性能。任何介于激光二极管与FBG之间双向光路里的双折射都会造成光反射成比例地减少，而光反射则是需要用来产生必要的光反馈的。如果双折射产生了一个接近90°的偏振旋转（或者是270°等等），那么数量不足的光反馈将减弱激光二极管的波长稳定，并会对EDFA的噪音性能造成潜在的影响。因此，如何将整个操作环境下的双折射控制在最小，则成为改进980nm泵浦模块光谱品质的关键。
在单模尾纤里，cylindrical core的变形是造成双折射的首要原因。变形一般发生在光纤铺设时弯曲或扭曲的地方，或者是尾纤中任何半径受压的地方。由于双折射不能被完全消除，在仅有一小部分反馈是TE偏振的情况下，传统的980nm泵浦设计一般都采用高的FBG反射率来保持令人接受的单模抑制比（SMSR）。
由于保偏光纤具有固有的高双折射率，所以其不受小的扰动的影响。因此类似FBG长度的采用PMF尾纤的980nm泵浦模块可以在一个大的动态功率和温度范围内保持极好的SMSR。同时也会增强生产的产量，并拓展制冷和非制冷型泵浦的使用领域。
PMF尾纤给FBG稳定的980nm泵浦所带来的好处已早已得到业界的认可，但是PMF的高成本却限制了它们在海底光通讯领域的应用。最近，PMF的价格已经降到了大家接受的水平，已十分适合大规模应用了。

无制冷型泵浦

人们对小尺寸，低功耗的EDFA的需求的增长是刺激无制冷型泵浦源快速发展的主要动力。研究表明，一旦去除体积庞大的热电冷却器（TEC），就可将980nm的泵浦模块的功耗降低75%，同时也可以使用更小，更便宜的miniDil封装了。MiniDil十分适合当前流行的低成本的窄带EDFA架构，这些窄带EDFA均无需最高功率的泵浦源。采用miniDil封装的平台遵循着多源协议，是极其标准的组件。
近来芯片方面的改进允许无制冷型980nm的泵浦模块运行功率范围超过200mW，同时又能保持极好的可靠性。为了使高功率的miniDil满足宽带EDFA的增益要求，就需要PMF尾纤来实现在预想环境下的光谱质量，这种环境跟TEC制冷的泵浦相比具有同等的温度和动态功率范围（见图1）。下图是采用无制冷PMF尾纤miniDil技术得来的数据，图中的SMSR值指的是72个独立无制冷泵浦模块的平均值，表明采用PMF尾纤的模块具有优异的性能，其在20到240mW的光纤耦合功率下，-5°C到 75°C的标准电信温度范围内仍能保持极好的SMSR。
 

  图1：72个采用PMF尾纤的miniDil 980nm泵浦模块的平均单模抑制比（SMSR）与动态功率和温度相互关系图

 不过，无制冷型980nm泵浦激光器也增加了测试的负担。因为外部的温度变化会影响到激光器的波段间隔，所以在整个额定的温度和功率范围内都要对光谱的质量做严格的测试。而TEC冷却的９８０nm泵浦源则只须点测试（spot tested）。由于PMF尾纤的９８０nm性能是fiber-lay独立的，因此EDFA的装配人员就可对工厂测试的性能持有信心。另一方面，没有配备PMF的无制冷型泵浦激光器也应该保存一备用波段来确保得到满意的光谱性能。
对于无制冷型９８０nm的泵浦而言，首要的可靠性挑战是如何将处于-5°C to 75°C的温度范围内高温时的故障降至最小。无论激光器还是miniDIL封装的可靠性都需要经过不同的温度和工作电流来进行大范围多单元的测试，从而分别发展出了精确的激活能（activation-energie）可靠性分析模型和功率加速（power-acceleration）可靠性分析模型。

目前商业上通用的９８０nm的泵浦激光器芯片都被集成Arrhenius因子的可靠性模型支配着，而Arrhenius因子则与二极管的P-N结温度有直接的联系。现在人们得到一个规律，那就是工作温度每增加２０°C，那芯片的故障率就增大三倍。一个实用无制冷型的９８０nm泵浦模块必须在工作功率和25°C的温度下具有非常小的芯片故障率。人们必须要对芯片可靠性与温度和工作电流的关系搞清楚。多单元测试的结果已经表明在无制冷的情况下芯片的运行功率可以达到传统传统TEC制冷的功率的５０％，或者说是超过２００mW的光纤耦合功率。

专门为25°C的TEC制冷环境研制的光学校准技术被证明可以用于更高温度环境。为了模拟在典型工作环境下（40°C to 75°C）的可靠性，人们在25°C到 85°C.的温度范围内进行了数百万小时的器件测试。测试的结果表明模型可以帮助EDFA制造商精确地设定开始的输出功率和EDFA的FIT比率（与周围应用环境温度相比）。

超高功率的泵浦

在过去三年里，采用单一碟型封装的980nm泵浦的光纤耦合功率增长量远远地超过了1480nm的泵浦，这就使980nm泵浦的$/dBm成本下降很多，达到了1480nm的水平。在相同的成本下，980nm泵浦成为人们的首选，因为相比1480nm泵浦而言，980nm泵浦具有更低的功耗和噪音指数（即使是在输出段）。图2比较了一个980nm泵浦模块在极端环境（75°C）和标准工作环境（40°C）下光输出功率（L-I）和功耗跟驱动电流之间的关系，结果表明980nm泵浦的总消耗功率大约只有1480nm泵浦的一半。
  

图2：一个PMF尾纤980nm泵浦光纤耦合功率和总模块功耗与驱动电流关系图

为了获得完全的采纳，超高功率的980nm泵浦模块必须要跟FP 1480nm的激光器的动态范围相匹配。在细节方面，输出段的泵浦要经常需要工作在阈值电流之上，这时候仅需要非常小的放大。传统的980nm泵浦技术的功率动态范围是15dB（12到350mW），而带有PMF尾纤超高功率的980nm泵浦则超过了20dB。

由三十多个独立的带PMF尾纤的980nm泵浦模块测试得来的关键光谱数据显示低频噪音（主要是由激光二极管的纵向位移引起）和光纤耦合输出功率的光谱纯度会影响EDFA的性能（见表1）。表1中的数据表明一个优化的带PMF尾纤的FBG会获得低噪音指数纯洁的光谱（输出功率的动态范围为20dB，最小为5mW）。

表一：带PMF尾纤的980nm泵浦模块的低频噪音状态

带有尾纤的980nm泵浦模块正得到广泛的应用，其越来越高的输出功率和多功能性也影响着未来EDFA的发展。例如，三段式，色散补偿的，增益平坦型EDFA架构（见图3）。以前，类似的设计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，在输出段则采用1480nm的泵浦。我们预计将三段全部改用980nm泵浦的EDFA将会在2003年出现。
 

图3：当带有尾纤的980nm泵浦模块的功率和功能正不断地增加的同时， DWDM EDFA也迅速发展起来。

在2003年，EDFA的发展主要集中在预放大段中采用低成本的miniDIL封装上，从而取代了以前的冷却型装置，以及在输出段采用980nm泵浦。作为一个结果，2004年生产的EDFA将具备最低可能的预放大段成本，同时依靠多路偏振复用器，在输出段，980nm泵浦会产生低噪音的输出功率。在2004年980nm泵浦技术将得到充分利用，届时，功耗将会降到历史最低点。
在2004年，新的芯片技术预计也将会增加980nm泵浦（无论是制冷还是无制冷）的50%的额定功率。到2005年，EDFA将使用300-mW miniDILs 和750-mW 制冷980-nm泵浦。很少泵浦会达到如此高的输出功率的。同样，300-mW miniDIL技术也成为解决输出段低成本的很有吸引力的技术。2005年我们可能看到首个全部采用无制冷的宽带EDFA的出现。

作者简介：Jay Skidmore为JDSU研究无制冷泵浦项目的经理，Ed Wolak为JDSU研究高功率泵浦项目的经理，而Toby Strite则是JDSU的商业发展经理。

参考文献：
1. Q. Wang et al., WDM Solutions (July 2001