EDFA原理性能、生产工艺设计和失效原因分析

WORD格式整理./EDFA原理性能、生产工艺及失效原因分析摘要随着通信技术的发展,通信网络在工业数据传输中的应用日益增多。目前在工业数据传输领域大多采用同轴电缆的通信方式进行,虽然经济实用,但在很大程度上限制了应用场合的拓展。为了使远距离的数据传输实现更灵活方便,本文选用EDFA技术进行远程数据的传输。EDFA网络具有网络覆盖率高、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的发展趋势。基于掺铒技术的EDFA系统主要由光模块和电模块组成,光模块完成核心的放大等功能,电模块完成相关的控制。模块的各组成部分的参数控制、工艺制程、失效模式是EDFA技术的关键。电模块的辅助使得EDFA的通信系统更易监控,本身的放大功能也更趋完善。通过研究EDFA的核心技术,比较目前应用的各种放大模式,并通过分析目前的工艺及技术参数的实际控制,研究EDFA的实效模式,以提高生产控制力,促使EDFA模块的长远可靠性提升。关键词：EDFA,数据传输,通信系统,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目录摘要……………………ⅠABSTRACT……………………Ⅱ1绪论……………………11.1课题背景和研究意义………………11.2国内外发展状况…………………12光放大技术概述…………………32.1光放大技术发展概况………32.2光放大技术简介…………………32.3光放大器的产生…………………42.4基本光放大器的组态………42.5基本的光谱特性…………………4EDFA放大的能级机理………4EDFA实际的展宽谱…………5EDFA掺杂物及原因分析……………………52.6本章小结…………………53EDFA的结构模型…………63.1系统组成…………63.2EDFA的关键模块…………………6掺铒光纤〔EDF……………6光耦合器〔WDM……………73.2.3光隔离器〔ISO……………73.2.4光滤波器〔OpticalFilter………………83.2.5泵浦源〔PumpingSupply…………………83.3EDFA的数学模型…………………83.4本章小结…………94EDFA的监控系统设计……………………104.1PD光电探测器……………………104.1.1PD光电探测器实现功能…………………104.1.2PD光电探测电路设计……………………10原理分析…………………124.2泵浦驱动系统……………………12驱动电路功能……………12泵浦驱动电路设计………12泵浦驱动原理分析………144.3温控系统…………15温控电路功能……………15温控电路设计……………15温度控制原理分析………164.4本章小结…………165EDFA的工艺及相关参数控制……………175.1主要器件功能简介………………175.2工艺流程…………17项目实施……………………18制作流程……………………18关键测试架构………………205.3增益与噪声系数控制……………21增益控制……………………21噪声系数控制………………235.3本章小结…………246EDFA的失效模式分析……………………255.1EDFA产品之TLB板卡分类简绍…………………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实效的具体案例分析………286.4本章小结…………337EDFA的发展趋势及结论…………………34致谢…………………………35参考文献……………………36WORD格式整理.1绪论1.1课题背景和研究意义21世纪是高速信息时代,随着互联网的迅速发展,网络规模和应用范围迅速扩大,通信技术的不断进步,人们对网络带宽资源的需求呈指数增加,有线传输一定会更多地采用光纤。在传统的光纤通信系统中,光信号在光纤中传输时,不可避免的存在着一定的损耗和色散,损耗导致光信号能量的降低,色散导致光脉冲展宽,因此,每隔一段距离就需要设置一个中继器,以便对信号进行放大和再生中继续传输。解决这一问题的常规方法是采用光-电-光中继器,这种光-电-光的变换和处理方式在一定程度上已满足不了现代传输的要求。光放大器的出现改变了这种状况,特别是1989年诞生的掺饵光纤放大器代表的光放大器技术是光纤通信技术上的一次革命。它可以使对光信号的放大和再生中继不再经过光-电转换。特别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。随着掺饵光纤放大器的实用化,愈来愈多的用在数字光纤传输系统中,它给原来的数字光纤传输系统带来了新的发展。掺饵光纤放大器的成熟使WDM技术迅速进人实用阶段。EDFA有数十到上百纳米的增益带宽,一个EDFA放大器就可以代替许多设备实现对WDM系统的多信道光信号同时进行放大,使得成本大大下降。更重要的是,波分复用技术和EDFA可以直接在原来已经大量铺设的G.652光纤网上直接使用,实现了光纤通信容量的平滑升级。1.2国内外发展状况自英国南安普顿大学的物理学家S.B普尔发现EDF可制作全光放大器,美国贝尔实验室证实全光放大器比电子放大器在性能上提高100倍,1994年在系统配置中实用化以来,其发展突飞猛进,目前的技术开发和商品化最成熟,常用的C波长EDFA工作在1530～1565nm的光纤损耗最低的窗口,具备超过40dB的高增益,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等一系列特性,在一对EDFA之间,光信号传输距离已超过100km。其不足是平均增益特性的带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分,制约了光纤固有能够容纳的波长信道数。因此,研制转向L波长EDFA,增加现有EDFA放大带宽是其研发的主要方向。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增益曲线的末端,尽管和C波长EDFA所覆盖增益波峰有差异,但仍可与很多性能先进的C波长产品媲美,例如,有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转效率,增益波动系数远小于C。两者基本结构相似,大多数C波长EDFA的设计和制造技术仍可用于L波长的研制,估计其发展将非常快,所存在的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,通过提高其内部器件性能,正在改进之中。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的主要工作窗口。康宁公司L波长EDFA增益波动为1.4%,每25dB增益波动0.35dB,比典型C波长的46%小,噪声系数比C的大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,两者价格将相差不大。多数情况下,L波长放大器可通过波长分割与复用技术,一个模块一个模块地加到现有C波长EDFA上,两者相结合开发双向光纤放大器拓朴结构,网络供应商能将DWDM传输窗口的波宽提高约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。这种设计允许用户根据需要逐渐升级扩容,尽量避免铺设新的光缆而增加投入。目前,一个大功率EDFA一般都有三个或更多的泵浦级,到2004年时,估计这个数目还要翻一番。由于超过8个泵浦级时EDFA会变得十分复杂,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。采用多纤芯开发多芯EDFA,各个纤芯内的光信号均以小信号进行放大,从而在较宽的波长范围内获得接近平坦的增益。开发掺铒氟化物光纤放大器EDFFA,放大带宽75nm,增益18dB,在较宽的频带内获得平坦增益。在EDF中掺铝,改变铒的放大能级分布,扩展可放大的频带。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的内部增益均衡器,对放大光谱的增益偏差进行补偿,保持平坦的增益谱特性,期待低成本的EDFA在网络中发挥更重要作用。2光放大技术概述2.1光放大技术发展概况光放大器的设想随光纤通信的出现而出现；80年代主要以非线性光学放大器研究为主；进入90年代以掺铒光纤放大器为主的光放大器进入大发展时期；1994年被OFC会议代表称为"EDFA年"；电信公司电信公司信号总端XX市客户端提供信号信号放大和分配信号接收客户端板卡产品XX市客户端江门市客户端图2-1EDFA的应用图2.2光放大技术简介由于器件的迅速发展以及系统革命性变化的结果,近来光放大器在通信领域占据中心地位。这些器件能够使人们构想出和实验证明激动人心的,新的通信系统。事实上,通信中很多相关的最新进展〔如孤子系统及广域和广播多通道系统可追溯到与光放大器的结合。光放大器可被想象成是一个具有反馈机制的激光器〔增益介质,其被激发的载流子放大入射信号而不产生自己的相干信号。和电放大器一样,光放大器可以用来补偿由于分配、传输或插入部件的损耗所造成的信号衰减。放大器皆能提供信号增益G,不过它们也都在系统中引入加性噪声〔方差=2。各种放大器需要一定形式的外功率源以提供放大所需的能量。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,然后处在高能级的载流子发生衰变并射出一个具有输入信号波长的光子。放大器皆有一个品质因数,就是后面提到的低噪声系数NF。此外,对于一个给定的系统,放大器的设计,输入参数和其在信道中的位置都必须最佳化。2.3光放大器的产生1980年之前在系统界是不知道光放大器的。近来对光放大器进行广泛研究的原始动机是想用它代替长距离越洋通信系统中的再生中继器,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的衰减和色散的影响。它先对光信号进行检测,然后利用它自己内部的激光器再将检测到的信号作为一个信息号发射出去。再生中继器价格昂贵,比特率和调制方式也是规定好了的,消耗功率以及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的透明盒,且对通过信号的比特率,调制方式,功率和波长不敏感。在放大过程中信号仍保持光的形式。光放器可能比再生中继器价格更低廉和更可靠。2.4基本光放大器的组态第一种组态是将光放大器直接放在激光器发射机的后面做功率放大器或后置放大器用。这样可以提高信号的功率使得即使经过衰减,信号仍大于接收机的热噪声。此外,当通过一个有损耗的系统时,功率放大器引入的噪声将和信号一起被衰减。因为输入到功率放大器上的信号一般是大的〔0.1-1.0mW,对功率放大器来说,重要的参数将是最大饱和输出功率,而未必是绝对增益。如果放大器供给的功率不必原来的激光器发射机的功率大,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的一个或多个位置。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的吸收损耗或是网络分配引起的分光损耗。在线放大器以级联的方式存在,一个给定的放大器的输出信号和噪声经过放大器之间线路的衰减后又输给后面的放大器。此时需要考虑滤波和隔离等问题。第三种放置放大器的方法是将放大器直接放在接收机前面,当前置放大器使用。此时信号的传输已经在传输线路上经受严重的衰减。因为放大器的输出被直接检测的,所以主要的品质因数是高增益和底放大器噪声。2.5基本的光谱特性EDFA放大的能级机理为了制造放大器增益介质,在标准单模光纤的硅线芯中掺杂铒离子。因为铒离子有不同的能级,离子将吸收几种不同的光。一般说来,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的载流子〔离子,其能级差,△E=hv,大致与光子的能量相匹配。不同的波长既可引起基态吸收〔GSA,也可引起激发态吸收<ESA>。GSA对应于一个光子将一个载流子从基态激发到更高的激发态,而ESA对应于一个光子从非基态激发到更高的激发态。因为基态的粒子数最多,所以发生GSA的机率远大于ESA。一经光子被吸收和载流子被激发到更高的能级,后者就又迅速地衰减到第一激发态。一旦载流子处于第一激发态,它有很长的寿命〔10ms左右。因此我们认为第一激发态是亚稳态。依赖于外部光的激励,载流子又将以激励或自发辐射的方式衰变到基态并发射一个光子。铒的发射意外地处在标准硅光纤的最小损耗去附近。对于各种可能的波长的吸收并非一样强,光子被吸收的趋势是严格地由铒离子和光子的相互作用截面积决定。吸收系数最强的波长是0.98um,第二最强的波长是1.48um,弱一点的吸收是0.53um和0.8um。幸运的是利用QW半导体材料,可制成发射波长在0.98和1.48的高功率多模激光二级管,可实现输出功率>100mW,而且已商用化。激光二极管是一种诱人的泵浦原,因为其结构紧凑,可靠,以及价格可能会便宜。EDFA实际的展宽谱吸收和发射谱皆具有与相关联的带宽。这些带宽与可能被吸收的或从一个给定的能级发射的波长展宽有关,这就使得多模,多波长二级管激发器发的光被吸收。这种展宽起因于能级的斯托克斯分裂,它允许偏离某一特定的波长。这正是我们极想要的,因为泵浦激光器波长不可能精确的控制,而且对多模激光器来说不可能有精确的波长值；信号可能是几个波长的一个值,WDM系统尤其如此；宽的带宽使得放大器工作起来有很大的灵活性。EDFA掺杂物及原因分析共掺杂有其它材料的铒光纤的重要性有两点：第一,铒离子比硅原子大得多,因而不太溶于硅中,因此难以达到高的掺杂浓度使得能在长度上获得高的增益值。所以需要用其它更易溶于硅中而尺寸和铒离子相似的物质,帮助在光纤的芯区掺杂进更多的铒。利用掺杂剂可以达到1000ppm〔每百万。第二个理由是和系统的性能有关。因为我们希望放大器有尽可能多的用途以适应各种各样的应用需要,增益带宽应该尽可能的宽和均匀。在这方面半导体放大器十分好。因为带宽很大,覆盖200nm左右。业已发现铝作为共掺物所得的性能最好,虽然峰值在1.53um附近,而带宽仍保持30nm左右。2.10本章小结本章主要从EDFA的产生、发展、机理、组态等方面的分析研究EDFA技术。3EDFA的结构模型3.1系统组成EDFA的基本结构如图3-1所示：输入输入PIN泵浦源输出PINEDFA输出光接口输入光接口光学模块温度传感器背板插头A/DD/A泵浦源温控CPURS232接口BCT电源±5V电路模块9针D型插座48V告警显示电源开关图3-1EDFA的基本结构3.2EDFA的关键模块掺铒光纤〔EDF图3-2EDF结构图a>掺铒光纤电子组态：EDF是放大器的主体,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>掺铒光纤与普通光纤的匹配：掺铒光纤纤芯直径可以比较小,或者是标准的8um单模光纤的尺寸。如果纤径小,于是在常规光纤和掺铒光纤之间就存在失匹配,引起信号和泵浦光的损耗。必须仔细地将两根光纤接在一起。减小损耗的方法是将两根光纤线芯面对面的平贴在一起,再对它们加热使纤芯膨胀,然后它们熔接在一起。c>掺铒光纤的内部设计关键点：掺有Er3+的石英光纤具有激光增益特性,铒光纤的光谱性质主要由铒离子和光纤基质决定,铒离子起主导作用,掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA的特性有很大影响。基质的影响有二：其一是导致斯塔克分裂使能级出现亚结构；其二是能级展宽,展宽的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的泵浦速率最大,同时所需的泵浦功率最小,泵浦功率及铒离子必须尽可能的限制在最小的模截面内,铒光纤应具有高的数值孔径NA,小芯径且只有纤芯掺杂,通常将光纤设计为双层结构。此外阶跃折射率光纤有较大的相对折射率差,便于缩小泵浦光的模场直径,提高泵浦光功率密度,降低泵浦阈值,达到高泵浦效率。为保证泵浦光与信号光的单模传输,光纤的截止波长应适当。在EDF中掺入适量的铝元素,使铒离子在EDF中分布更均匀,从而获得平坦的宽带增益谱。光耦合器〔WDM带光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用,也称光合波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分,它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF中。也就是0.98um或1.48um的泵浦光和1.55um的信号光必须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。带尾纤的光栅基三端口WDMs器件可以实现这一耦合功能,能得到<0.5dB的插入损耗和>40dB的反射损耗。甚至当组合的波长像1.48um和1.53um这样靠近时仍然如此,当然,信号传输的方向是固定的。可是沿着光纤传播而被增益介质吸收的泵浦光既可以和信号同向,也可以和光信号反向传播。为此,在掺铒光纤的输入和输出处必定需要WDM。WDM主要有两种形式：980nm/1550nm或1480nm/1550nm,一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小,耦合效率高,耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦,对偏振不敏感。3.2.3光隔离器光隔离器是一种单向光传输器件,对EDFA工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出,产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。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。当反射出现时噪声系数可能会增大,这是由于反载流子使不需要的反射场放大而没有放大所需要的信号。提高EDFA稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰,输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡,抑制光路中的反射光返回光源侧,从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB以上,插入损耗低,与偏振无关。光滤波器〔OpticalFilter光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声,提高系统的信噪比〔SNR。为了防止系统的性能退化,光滤波器是必需的。放大器发出的宽带ASE辐射将产生自发辐射-自发辐射拍频噪声。必须用某种方法对它们加以限制,以使得接受机中有适当的SNR。在任一EDFA输出处可放置一个1-2nm或更窄些的带通滤波器。另一方面,对于插入级联放大器以及很多信道横跨整个增益带宽内的WDM系统,波长滤波器仅可以放在接收机前,它将使噪声减到最小并对多信道解复用。一般多采用多层介质膜型带通滤波器,要求通带窄,在1nm以下。目前应用的光滤波器的带宽为1～3nm。此外,滤波器的中心波长应与信号光波长一致,并且插入损耗要小。泵浦源〔PumpingSupply泵浦源为信号放大提供能量,即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤<EDF>的吸收光谱特性,可以采用不同波长的激光器作为泵源,如：Ar2+激光器〔514nm、倍频YAG〔532nm、染料激光器〔665nm及半导体激光器〔807nm、980nm、1480nm。但由于在807nm及小于807nm波长处存在强烈的激发态吸收〔ESA,泵浦效率较低。若用665nm、514nm的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益,需要的入纤泵浦功率大于100mw,且Ar+激光器体积大难以实用化。目前980nm和1480nm的LD已商品化,所以一般采用980nm和1480nm的半导体激光器作泵源。泵浦内部结构如图3-3：图3-3泵浦内部结构图3.4EDFA的数学模型高能态高能态亚稳态泵浦光子信号光子信号光子受激辐射光子Er3+图3-3EDFA基本原理图我们采用速率方程来描述上下能级间粒子的受激吸收、受激辐射及自发辐射,并采用光传输方程来描述EDF中光强分布。考虑带宽为ΔυK,中心波长为λK=c/υK的N束光在EDF中传播,其中包括泵浦光及信号光<ΔυK=0>。设第K束光的光强为IK<r,φ,z>,则第K束光沿传播方向<光纤轴向>Z的光功率为:〔3-1二能级系统的速率方程为：〔3-2〔3-3分别为铒离子掺杂浓度、下能级和上能级的粒子数密度；σaK和σeK分别为铒离子的受激吸收与受激发射截面；τ为铒离子的荧光寿命；iK为第K束光的归一化光强度。3.5本章小结本章主要从系统组成、数学模型等方面,分析了EDFA系统。4EDFA监控系统的设计EDFA的监控系统是通过提取输入EDFA的光功率和输出EDFA光功率,然后计算光功率的增益等参数,进而计算这些参数与预设参数值的偏差,然后根据偏差调节泵浦激光器的泵浦功率大小,最终实现EDFA增益等参数的监控。系统主要有PD光电探测器、A/D转换器、泵浦驱动电路、泵浦制冷电路及微处理器组成,即如图4-1所示的控制电路〔controlcircuit。图4-1电路控制与整个模块的关系图4.1PD光电探测器PD光电探测器实现功能PD光探测器实现输入输出光功率的光电转换,由此将光信号转化为模拟电信号,再分别通过A/D转换器转换为数字电信号传输给微处理器进行处理,微处理器根据电信号的处理结果发出对驱动电路、制冷电路等的控制信号。PD光电探测电路设计PD监控电路〔PDMonitorCircuit：图4-1跨阻放大电路图4-2对数放大电路<AD8305>系统的原理分析PIN光电二极管是利用PN结区电场收集光生载流子的光电探测器,基本工作原理是：如果半导体的PN收到光照,且能大于或等于半导体材料的带隙能量时,光子会释放它的能量,并把电子由价带激发到导带而产生光生载流子,及电子和空穴。在P区和N区分别出现附加的电子和空穴,并分别积累正负电荷。在没有反向偏压和负载电阻时,P区和N区两端出现一个电动势,称之为光电压。当施加反向偏压和加上负载电阻时,光生载流子自由的参加导电,使半导体材料的内阻减少,因而流过器件的电流增加,在外电路中产生光电流。利用光电导效应工作的光电二极管叫光电导探测器。光电探测器作为完成光/电转换的探测器件,其响应度、相应波长、响应时间和响应带宽等参数是影响其转换效率的重要特性。4.2泵浦驱动系统驱动电路功能EDFA中使用的泵浦源主要是980nm的泵浦激光器,980nm和1480nm相比,在转换效率和噪声方面更具优势。早期EDFA中使用的泵浦源都是1480泵浦激光器,直到1992年发明了特殊的镜面镀膜技术,部分解决了高功率下镜面灾变问题后,980nm泵浦激光器才开始用在EDFA中。由于其工作特性受温度影响很大并且极易损坏,因此设计和使用时必须注意防止浪涌的危害。浪涌是一种瞬间产生的强力脉冲,由于电路本省的非线性有可能高于电源本身的脉冲,使半导体激光器短时间内承受电压而使PN节击穿。其产生的主要原因有以下几个方面：电源开关的干扰；上电或断电过程引起的浪涌；激光器管脚接触不良或控制过快；与半导体激光器并联电容的放电产生过电流；各种噪声导致的浪涌；4.2.2泵浦驱动电路设计在掺铒光纤放大器中,对泵浦激光器的控制是非常重要的,泵浦功率对EDFA性能的影响是很大的,基于EDFA的自动增益控制下,对泵浦激光器的驱动电流设计尤为重要。图3.2为泵浦激光器的驱动原理图,经过PD探测器探测到尾光功率经过放大后送入到单片机,单片机作为控制核心,对驱动电路进行控制,进而保证泵浦激光器的输出功率稳定,实现自动功率控制。为了保护泵浦激光器,要对其驱动电流进行限流,这就需要保护电路。a滤波与缓启动<关断>电路的设计图4-3滤波与缓启动电路图图4-3为其电路设计原理图。图中,C1-C8是滤波电容,L1,C2,C3,C4组成π型滤波器,R1,T<复合管>,C5,C6,C7,C8构成具有电了滤波性能的缓启动电路。当电了开关使继电器J短路时,电流通过R1向C5和C6充电,直到电容上压降大于Vbc。后才能使T逐渐导通,A点电压跟随C6上的电压变化,最后达到稳定值。当J断开后,C5上的电压因为放电而降低,A点的电压也缓缓降低至0,此时称为缓关断。b半导体激光器的稳流电路设计图4-4稳流电路图图4-3为连续可调的稳流电路原理图,图中,R1,C1、稳压管2CW及可调电阻R2组成带有一定延时功能的基准电压,在电路启动时,电位器中心点的电位是缓慢上升的,当2CW启动后,其基准电压才为一定值,这一措施进一步抑制了浪涌电流.而运算放大器IC、T构成了一个射极跟随器,Vc2=VR4。因此通过半导体激光器的电流恒定Vc2/Ra。恒定电流值的改变可通过改变可调电位器的阻值来实现。加入C2则是为了防止可变电阻滑动端在滑动过程中接触不良,从而引发浪涌造成损害。cLD及其保护装置电路保护电路的原理图如4-5所示,图中的LD即为我们所用的泵浦二极管。C是滤波电容,2DW为锗型稳压管,正向电压低,响应快,稳压电压选为LD允许的最大电压之下,此为2.4V。Jc为继电器的常闭触点,电源不工作时将LD短路,以防止静电的破坏,图4-5LD及其保护装置图同时在电源开机<关机>的瞬问也防止了对LD的浪涌冲击。dLD电源开、关瞬态保护装置控制电路如图4-6,继电器JC为常闭触点,A端即为缓启动电路中的输出端}R:触点处提供基准电压。开机和刚启动时,A端电压高于基准电压,运放输出为低电位,图4-6LD保护装置控制电路图T不导通,JC闭合,将LD短路。从而保护了因开机或启动时的过渡过程而引入的尖峰干扰。缓启动电路启动以后,A端负电压值逐渐上升。当A端的电压低于基准电压以后,运放输出为高电平,T导通,从而使得JC断开,对LD的短路保护取消,LD开始工作.当因保护或关机时,A端负电压逐渐减小,高于基准电压,运放输出又为低电位,T关闭,JC关闭,短路保护重新启动。4.2.3泵浦驱动选择泵浦激光器时,要考虑其特性参数。a输出光功率,半导体激光器的输出功率随驱动电流呈线性增长,但不能超过其额定值。一般输出功率都根据实际光路的要求来确定,并不是越大越好。b峰值波长,输出功率最大处对应的波长称为峰值波长。一般EDFA的泵浦激光器的峰值波长为980nm或1480nm。c阈值电流,半导体激光器的驱动电流大于某一个值时,谐振腔才会产生振荡,输出激光,这个电流叫做阈值电流,阈值电流越小越好,这样才能保证放大器有更稳定的输出。d光功率稳定度,激光器输出功率会随着时间的变化而变化,经过一段时间后激光器输出值的变化值成为光功率稳定度,变化量越低表明输出功率越稳定。4.3温控系统4.3.1半导体激光器在正常工作情况下,其工作电流使半导体激光器发热,温度升高。因此,为了保证它恒温工作,制冷器需要一制冷电流来降温。4.3.图4-7温度控制原理空图由于泵浦激光器的输出功率和波长都与温度有关,因此控制温度的变化,将直接影响到我们所制作的EDFA性能的好坏。图4-7为温控电路的整体框图。当温度传感器将温度的变化转换成电压的变化输出后与基准电压进行比较,得出误差信号输入到PID〔比例积分微分调节器,在经过PID调节器的校正放大后,控制电流调节电路,送到半导体制冷器,控制半导体制冷器以降低泵浦激光器的温度。然后把温度变化情况反馈到热敏电阻,形成一个反馈控制环,这样便可动态地控制激光器的温度,使其温度稳定在设定值上。半导体激光器在正常工作情况下,其工作电流使半导体激光器发热,温度升高。因此,为了保证它恒温工作,制冷器需要一制冷电流来降温,这一电流即为直流工作点。为了取得这一工作点,就需要在PID的正端设置一可调电压,使得温控电路的输出提供给半导体制冷器的电流产生的制冷效应正好可以使半导体激光器工作在所予置温度。当半导体激光器在稳定工作的情况下,由于各种因素引起的温度变化转换成电压信号传送到PID的负输入端,使得正负输入端的电位差发生变化,其输出相应产生变化,经过控制电流调节电路,向半导体制冷器输出改变后的控制电流,进行制冷控制,从而实现对半导体激光器温度的动态控制。4.3.半导体致冷器<ThermoelectricCooler>是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应,是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时,其一端吸热,一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料,碲化铋元件采用电串联,并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对〔组,它们通过电极连在一起,并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时,电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧,在TEC上产生″热″侧和″冷″侧,这就是TEC的加热与致冷原理。是致冷还是加热,以及致冷、加热的速率,由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小,故在实际中都将上百对热电偶串联在一起,所有的冷端集中在一边,热端集中在另一边,这样生产出用于实际的致冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大,可以使用多级半导体致冷器,对于常年运行的设备,增大致冷元件的对数,尽管增加了一些初成本,但可以获得较高的制冷系数。TEC的用途非常广泛,最典型的应用是激光器的温控和PCR的温控。众所周知,激光器对于温度是非常敏感的,因此对TEC的要求非常高。有些甚至要求将TEC和激光器同时采用TO封装,这就要求TEC的体积非常小。能满足此要求的公司也不多,德国的Micropelt公司是一个代表。其采用最先进的薄膜技术,并使用MEMS〔微电机系统进行加工,从而得到体积非常小的TEC。4.4本章小结本章主要从系统硬件的设计等方面介绍EDFA监控系统的设计。5EDFA的工艺及相关参数控制5.1主要器件功能介绍PDpumpPDpumpIsolatorIsolatorWDMEDFEDFCouplerCoupler5-1EDFA产品外形PUMP：主要是提供激光光源；EDF：对光信号进行放大作用,其内部主要是能使光信号通过后起到放大作用的物质；WDM：主要是将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF中；PD：即光电转换器,主要作用是将光信号转换为电信号,以识别光信号的强度和变化；Coupler：一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合,并进行再分配的器件；ISO：防止光路光反射引起激光振荡,保护光源使系统工作稳定；PCBA：驱动PD、PUMP,控制电路。5.2工艺流程5.图5-2EDFA项目实施过程5.表5-1EDFA具体制作流程动作名称所属工序器件分线模块配料模块配料模块配料配料系统录入模块配料器件弯脚模块组装PD/VOA焊接模块组装PCBA组装模块组装Pump/PD焊接模块组装组装系统录入模块组装粘光纤夹模块盘盒无源光路盘盒模块盘盒盘盒系统录入模块盘盒PUMP测试模块盘盒出纤熔接模块盘盒无源光路测试模块盘盒铒纤熔接模块盘盒封装系统录入模块盘盒预定标/调纤模块测试预定标系统录入模块测试模块封装模块盘盒封装系统录入模块盘盒老化模块测试预定标系统录入模块测试通光测试模块测试拍照确认模块测试盒盖安装模块测试插损回损测试模块测试常温测试模块测试单项测试模块测试高低温测试模块测试EEPROM写入模块测试预定标系统录入模块测试连接器端面检查模块测试测试系统录入模块测试模块FQC模块包装包装系统录入模块包装模块包装１模块包装模块包装２模块包装模块终检模块包装包装系统录入模块包装5.图5-3模块测试图1图5-4模块测试图25.3增益与噪声系数控制5.光纤放大器的增益可以区分为两种情况,即小信号增益和饱和增益。当泵浦光功率足够强,而信号光与ASE光很弱时,上下能级粒子数反转程度很高,并可以认为沿EDF长度方向的上能级粒子数保持不变,放大器增益将达到很高的值,而且随输着入射信号光功率的小量增加,增益仍维持在恒定值,这种增益称为小信号增益。在给定输入泵浦光功率时,随着入射信号光与ASE光的逐渐增大,上能级饵离子的增加将因不足以补偿损耗而减少,增益也将不能维持初始值而逐渐下降,此时放大器进入饱和工作状态,产生增益饱和。下面将对增益进行具体的讨论。增益与增益系数[12]光纤放大器的目的是提供增益,其增益定义为输出信号与输入信号的比值,这些功率以对数形式表示时,增益就能看作是两个信号值之差,增益G的表达式为:〔5-1式中Pout,Pin定义为放大器输出端和输入端的连续信号功率。放大器增益与增益系数g有关。增益系数满足下列方程〔5-2由于光纤放大器所用的光纤较长,所以增益系数g是随着光纤长度而变化的。将g<z>在光纤长度上进行积分并令始端功率为Pin,则得到〔5-3〔5-4 〔5-5如果己知增益系g<z>,则可求出放大器的增益G。三能级系统的增益系数为〔5-6g0是由泵浦强度决定的增益系数。由于增益饱和现象,随着信号功率的增加,增益系数下降。Is和Ps分别为饱和光强和饱和光功率,是表明增益物质特性的量,与掺杂参数!荧光时间和跃迁截面有关。由于光纤放大器中P是Z的函数,因而g也是z的函数。式<4-4>适用于中心频率f0=<E2-E1>/h处,由于谱线展宽,光增益将随频率而变。当频率偏离时,增益系数将下降。为了得到一般的概念,须考虑谱线展宽的影响。为了简化问题,可以将介质看作均匀展宽的系统。均匀展宽增益介质的增益系数可写为<5-7>式中g0是中心频率w=w0处的小信号增益;T1不是偶极子弛豫时间。b>小信号增益G0当P<<Ps时的系数叫做小信号增益系数,写作<5-8>这时g只是w的函数而沿z不变,激光放大器工作于非饱和区。可算出增益G。当w=w0时,得到放大器的最大增益<5-9>c>增益饱和与饱和输出功率 图4-5小信号增益G0=30dB时,单程增益对输入光功率的典型依存关系由于信号放大过程中消耗了高能级上的粒子,因而使增益系数减小。当放大器增益减小为峰值增益的一半时,所对应的输出功率叫饱和功率,这是放大器一个重要的参数,饱和功率用Pouts表示<图4-5>[13]。通常激光器所用的三能级速率方程模型也适用于EDFA,有时必须加入第四个能级以包括激发态的吸收。此外,反转沿着放大器长度的不均匀性也增加了速率方程的复杂性。由于光纤放大器从一端泵浦,泵浦功率沿光纤长度减小,因此必须要考虑到泵浦、信号和原子能级的轴向变化。一般说来,所得的藕合方程组必须要用数值方法求解,当放大器的自发辐射和激发态吸收忽略不计时,用一个简单的二能级模型就能得出许多有用的结论。对给定的放大器长度L,放大器增益开始是随泵浦功率呈指数增长,当泵浦功率超过一定值时增长变缓。对给定的泵浦功率,放大器最大增益对应一个最佳长度值,当长度L超过最佳值时增益会迅速下降,多余的EDF部分起到吸收放大信号的作用[14]。在实际情况中,EDAF用连续半导体激光器泵浦,而信号通常不是连续光。例如,在光波系统应用中,信号是以脉冲序列的形式出现的,一般要求所有脉冲有相同的增益。对小于几毫秒的脉冲而言,EDAF的增益特性满足上面的要求,因为受激饵离子的荧光时间≈10ms,当信号光功率变化在时间上比小时,饵离子无法对这样快的变化作出响应,因为单个脉冲能量典型值远小于饱和能量<约10uJ>,所以对EDAF起作用的是平均功率[15]。结果,增益饱和由信号光平均功率决定,放大器增益不因脉冲而变化。噪声系数控制a>光纤放大器的噪声来源EDAF对信号放大过程中,亚稳态粒子不仅会以受激辐射的方式跃迁到基态,还会以自发辐射的方式跃迁到基态,所产生的光子在沿途又被不断放大,形成放大的自发辐射<ASE>,由于ASE在信号放大期间叠加到了信号上,它与信号光相互作用会产生拍频噪声<beatnoise>。因此,理想的无噪声掺饵光纤放大器是不存在的,ASE光谱与信号光之间的拍频噪声是EDAF的主要噪声源。此外,EDAF中还存在信号光的散粒噪声、ASE谱的散粒噪声以及ASE光之间的拍频噪声等。在四种噪声中,信号光的散粒噪声和ASE与信号光之间的拍频噪声是决定EDAF性能的重要因素[16]。放大器本身产生噪声,使信号的信噪比下降,造成对传输距离的限制,是光放大器的一项重要指标。b>放大器的噪声表示法<噪声系数NF>由于放大器中产生自发辐射噪声,使得放大后信号的信噪比SNR下降。任何放大器在放大信号时必然要增加噪声,恶化信噪比。信噪比的恶化用噪声系数NF表示。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。<SNR>in和<SNR>out各代表输入及输出的信噪比。<5-10>随着输入信号功率的增加,nsp单调增加,G单调下降,噪声指数则在迅速增加之前有一个"凹坑"。NF还与泵浦光功率和EDF长度有关:光纤越长,NF越大;泵浦功率增加,反转粒子数增加,NF降低;当泵浦光使EDAF饱和,粒子数反转达到最大值时,NF趋于一恒定值。在980unl强泵浦条件下,粒子数可以接近完全反转,NF接近于3dB的量子极限。1480mn泵浦的NF稍大,在强泵浦条件下,高增益的EDAF可以达到接近4dB的噪声指数,这是因为1480mn属于带内泵浦,其发射截面不为零,粒子数难以接近完全反转。放大器噪声是系统应用的最根本限制因素,因而在改善放大器噪声方面研究人员进行了大量的上作。研究表明,在EDAF的开始部分粒子数反转程度越高,信号光功率增加得越快,EDAF输出端的ASE就越小,相应的噪声指数也越小。利用噪声指数与增益的对应关系,在实际制作放大器时通常采用级联放大器的形式,各级之间使用隔离器减小反向ASE影响。级联放大器中,第一级泵浦在高粒子数反转状态下,保证高增益和低噪声,后面各级以大功率输出为主,总级联放大器增益G是各级放大器增益的乘积,而总噪声指数则主要取决于第一级的噪声。因此,级联放大器在提高增益的同时,还可以很好地改善系统的噪声指数。远程光纤通信系统需要使用多个EDAF,其ASE噪声是限制系统放大能力的重要因素,若功率较低的信号被放大较大的倍数,则放大器噪声的影响相当严重。实际上,减小放大间距可以降低级联EDAF的噪声"基于此原因,分布式EDAF己引起研究人员的极大关注,由于增益分布在低掺杂石英光纤的整个长度<约50km>上,沿光纤长度的分布增益补偿了光纤损耗,使光纤变得透明或无损耗。不过,这种分布式EDAF只有在适当波长的泵浦作用下才有效,最佳泵浦波长是1480nm。由于信号波长位于喇曼增益带宽内,因此应考虑1480nm泵浦的分布式EDAF的受激喇曼散射<SRS>效应,系统的增益不仅来源于掺杂物,也来源于SRS。实际上,当泵浦功率一定的时候,SRS提高了净增益,降低了噪声系数。与石英基质相关的非线性效应和色散效应对分布光纤放大器起重要作用。c>极限噪声系数在充分泵浦的理想情况下,N1→0,△N≈N2,NF=3dB这是最小噪声系数,或叫噪声系数极限,是噪声系数所能达到的最小值。工作于三能级的EDF,N1不能忽略,因而nsp>1,NF>3dB,应根据具体情况计算。因为它是系统的重要限制因素,所以一个光放大器总是希望它有尽可能低的噪声系数。5.4本章小结 本章对EDFA模块具体生产测试做了大概介绍,并基于实际生产主要关注的两大焦点—增益和噪声,做了相对深入的分析和研究。6EDFA的失效模式分析6.1EDFA产品之TLB板卡分类介绍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：板卡不能上电,U58失效；失效分析。现象：我们在做WH25及WH30主板的生产及样品调试的过程中发现光耦〔U58会存在损坏的现象。原因分析：针对这一现象我们将损坏的光耦进行了分析发现其初级均是好的,而次级不能随着初级的导通而导通,一直处理截止状态,查看该器件的Datasheet,怀疑是初级的限流电阻R602偏小,导致因初级的电流大然后次级耦合电流大于该器件的次级最大电流而损坏。改进措施及效果：在初级上面增加了串上与R602相同阻值的电阻,使初级的电流下降一半,同时在次级的回路上也增加了1K的限流电阻,同时在初级及次级上增加反向二极管进行保护,避免因反向电压导致损坏。此电路修改目前在WH30CostDown的主板上已经采用,从样品生产及XX的生产,目前还没有发现此光耦损坏的现象,初步认为加上去的保护电路有起作用。光耦初级的电流增加限流电阻前的为4.8mA,增加电阻后的为2.4mA。我们使用的电源模块的型号：3.3V:PQ60033EML15NNS-G

5V:PQ60050EGL15NNS-G我们的原理图是完全参考客户的设计,除了以上描述的修改外,另外还有几处从一开始就有修改的：<1>根据产品的电流情况,重新选择了保险丝;<2>部分电阻因为公司PN的阻值不一样,选择了2倍大小的电阻并联;<3>根据客户的意见增加了EMI电容和保险丝以及一个限流电阻.另外RMA产品当中有一块的缓启动芯片、保险丝、电源模块等均烧坏,怀疑是存在长时间的过压导致,后对电路进行分析发现D29〔1.5SMC91AT3G的参数选择的不是太合适,在WH30CostDown里面将D29更换成〔1.5SMC75AT3G,两者的区别在于VBR这个参数：

1.5SMC91AT3G对应的VBR为91V

1.5SMC75AT3G对就的VBR为75V6.2失效模式：板卡一直重启,无法进入系统；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上报NodeP功率〔EDFA#1出光功率小于实际输出功率；失效分析。FAConclusionitwasconcludedthattheOCMmalfunctionofnotreportingcorrectopticalpowerwasduetothedegradedILoftheinsidesolid-stateswitch.CorrectiveActionThesuppliertookimprovementactioninSep2011andnofailurehappenedafterthattime.6.2失效模式：OCM频率位置点偏,导致OCM不能上报功率；失效分析。FAConclusionThefailedOCMmodulecausedthatopticalpowercouldnotbereported.ThefailedOCMmodulewillbeinvestigatedbyOplinkWHR&Dgroup.CorrectiveAction更换高精度电容。6.2失效模式：Bootfailure；失效分析。FAConclusionThebootfailurewasduetothattheCCMimageflashdataofmainandbackupwasdamaged.CorrectiveActionR&DgroupwillreleaseupdatedFWtofixthisproblem.6.2失效模式：EDFA#2VCC_5V与GND短路；失效分析。FAConclusionThecapacitorC173shortcircuitcausedE2OCMfailure>.CorrectiveActionECO-P-36406wasissuedon04-14-2011forthereplacementofthev-cutprocesswithstamp-holesforPCBAsidecutting.6.3EDFA的失效具体案例分析报告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