DWDM系統(tǒng)中摻鉺光纖放大器增益平坦性研究

張靜 吳靜 黃振陵

【摘 要】本論文從優(yōu)化設(shè)計(jì)自身增益平坦性和引入增益平坦濾波器兩個(gè)方面闡述了EDFA的增益平坦技術(shù)，分析對比了靜態(tài)增益平坦濾波器和動(dòng)態(tài)增益平坦濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)。論文還介紹了一種增益箝制技術(shù)，采用單根光纖光柵來箝制EDFA增益，對EDFA的增益平坦實(shí)驗(yàn)研究有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】摻鉺光纖放大器；增益平坦；增益箝制

0.引言

近些年DWDM技術(shù)發(fā)展迅猛，商用的DWDM 系統(tǒng)最高速率已達(dá)800Gb/s， 光傳輸距離也從600km大幅擴(kuò)展至2000km 以上。DWDM 技術(shù)之所以發(fā)展如此迅速，主要得益于摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）技術(shù)的日益成熟。EDFA 能夠?qū)庑盘?hào)進(jìn)行直接放大，對數(shù)據(jù)透明，增益大、噪聲低，在價(jià)格和可靠性方面比電中繼有優(yōu)勢，因而在光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在長距離傳輸DWDM 系統(tǒng)中，EDFA 可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)的傳輸能力，但增益平坦度并不理想，容易造成各個(gè)信道之間的光功率和信噪比各不相同，從而使得增益高的信道，出現(xiàn)光功率飽和與非線性效應(yīng)，使增益低的信道出現(xiàn)光信噪比惡化等現(xiàn)象。因此，對EDFA 的增益平坦性的研究就顯得格外重要。

1.EDFA的各種增益平坦化技術(shù)

國外從上世紀(jì)九十年代初就開始進(jìn)行EDFA增益平坦化的研究。早期曾報(bào)道過利用光凹槽濾波器濾波的方法[1]，通過被動(dòng)濾波，在38mW的980nm泵浦下，增益為27dB時(shí)，EDFA的3dB帶寬達(dá)33nm。后來又有聲光濾波的方法[2，3]，其結(jié)果是15nm帶寬范圍內(nèi)增益變化小于1dB，但由于聲光濾波器不能集成到光纖上，并且連接技術(shù)復(fù)雜，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。

目前，對摻鉺光纖放大器進(jìn)行增益平坦化的操作，主要可以分為兩類。一類是優(yōu)化設(shè)計(jì)自身增益平坦的EDFA，如通過引入特種光纖來改善EDFA 增益的不平坦型，或者通過優(yōu)化EDFA 結(jié)構(gòu)參數(shù)如泵浦方式、泵浦功率分配以及EDF長度等來設(shè)計(jì)優(yōu)化增益平坦的EDFA。由改變光纖基質(zhì)類型改善放大器的增益平坦性，包括氟基摻鉺光纖放大器（F-EDFA），碲基摻鉺光纖放大器（T-EDFA）。通過摻雜來改善放大器的增益平坦性包括：摻鋁的EDFA，摻釤EDFA，其他類型摻雜EDFA。

一類是使用增益均衡器進(jìn)行增益平坦化處理。包括結(jié)構(gòu)中加入光纖光柵增益平坦濾波器，利用光纖環(huán)鏡進(jìn)行增益平坦化，使用微光干涉儀進(jìn)行增益平坦化。從技術(shù)角度，則可劃分為靜態(tài)增益平坦技術(shù)和動(dòng)態(tài)增益平坦技術(shù)兩大類。是通過使用增益均衡器和改變摻雜光纖的基質(zhì)材料、摻雜物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)自身增益平坦性

隨著摻雜技術(shù)以及光纖封裝技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，特種光纖被引入到 EDFA 增益平坦化研究中來，即通過改變光纖基質(zhì)類型或者摻雜來改善 EDFA 的增益平坦特性，采用這種方法不需要在 EDFA 外部插入任何增益均衡器，也不會(huì)影響放大器的工作效率，是一種可行且具有發(fā)展?jié)摿Φ脑鲆嫫教辜夹g(shù)。 另外，還可以通過調(diào)整級(jí)聯(lián) EDFA 中的結(jié)構(gòu)參數(shù)（摻鉺光纖長度，泵浦功率和泵浦位置）來改善 EDFA 的增益平坦性。

2.1 改變光纖基質(zhì)類型

2.1.1 氟基摻鉺光纖放大器（F-EDFA）

1994年，法國的D.Bayart等人研究發(fā)現(xiàn)，采用氟化物光纖制成的EDFA具有很大的平坦增益帶寬。它們使用7.1米長雙向泵浦的氟基摻鉺的光纖放大器（F-EDFA），同時(shí)監(jiān)視放大器的后向ASE，通過調(diào)整泵浦源的電流，使EDFA最后平坦度低于0.5dB[4]（未平坦前為4.5dB）。

1996年，Makoto Yanada等人對氟基摻鉺光纖放大器進(jìn)行了進(jìn)一步研究，他們的實(shí)驗(yàn)證明：對于8個(gè)通道的WDM系統(tǒng)，位于1532-1560nm范圍的信號(hào)，不同通道的增益差異小于1.5dB；F-EDFA在1534-1542nm波長范圍內(nèi)具有很好的平坦度，對于WDM信號(hào)增益差異小于0.2dB[5]。

2.1.2 碲基摻鉺光纖放大器（T-EDFA）

1997年，NTT公司在OFC97上報(bào)道了其研制的一種新型碲基（Te）EDFA，由于碲基玻璃具有高的穩(wěn)定性、耐腐蝕性和稀土離子可溶性，因此是一種非常好的EDF的基質(zhì)材料。碲基玻璃中的鉺離子可以在很大的帶寬范圍內(nèi)具有較大的受激發(fā)射截面，尤其在1600nm波長附近時(shí)，鉺離子仍有較大的受激發(fā)射截面，它的上限波長達(dá)1634nm。實(shí)驗(yàn)表明，在80nm（1530nm～1610nm）的帶寬范圍內(nèi)，可以保持20dB的較高增益，而增益變化小于1.5dB[6]。

2.2 摻雜改善EDFA增益平坦性

理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，在摻鉺光纖中同時(shí)摻雜Al（鋁）離子時(shí)，由于高濃度的鋁可以很好地吸收1550nm的增益峰，因此可以使EDFA的增益獲得好的平坦度。提高摻鉺光纖中的鋁離子濃度是近些年通過摻雜改善放大器增益平坦性研究其中的主要手段，實(shí)驗(yàn)證明采用這種摻雜方案可以有效改善放大器的增益平坦性[7]。

2002 年，Uh-Chan Ryu 等人采用摻Sm （釤）環(huán)形光纖插入放大器中，進(jìn)行了L 帶和 C+L 帶增益平坦化實(shí)驗(yàn)， 獲得了很好的增益平坦度：在 1570-1600nm（L 帶），平均增益為 21dB， 增益變化不超過0.7dB，在 C+L 帶范圍內(nèi)，平均增益為 11.5dB，增益變化不超過 1dB[8]。

3.增益均衡器進(jìn)行增益平坦化處理

3.1 靜態(tài)增益平坦技術(shù)

采用透射譜與摻鉺光纖增益譜反對稱的濾波器或者通過算法優(yōu)化設(shè)計(jì) EDFA 參數(shù)來實(shí)現(xiàn)放大器增益平坦，這種靜態(tài)增益平坦技術(shù)簡單易行，效果明顯；缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時(shí)增益譜仍會(huì)變化，原理如圖1所示。

圖1 靜態(tài)增益平坦技術(shù)原理示意圖

3.1.1基于光纖光柵的增益平坦濾波器

在 EDFA 中插入與 EDFA 增益譜相反的光纖光柵的損耗譜，“削平”增益峰也是有效可行的增益平坦方法。 實(shí)驗(yàn)證明，光纖光柵可采用閃耀光柵或者閃耀光柵的復(fù)合體，也可以是長周期光柵[9]。

2004 年，趙志勇、于永森等人采用啁啾相位掩膜板和程控掃描曝光技術(shù)，在經(jīng)過載氫增敏化處理的普通單模光纖上制作出可以用于 EDFA 平坦化的光柵增益平坦濾波器， 可以獲得增益在 30nm 帶寬范圍內(nèi)增益變化不超過±0.3dB[10]。

3.1.2基于光纖環(huán)鏡的增益平坦濾波器

由于光纖的彎曲會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，而其損耗隨光網(wǎng)絡(luò)中摻鉺光纖放大器增益平坦性研究工作波長（<1580nm）的增加而增大，因此，可以利用光纖彎曲損耗這一特性對放大器增益進(jìn)行平坦化處理，這種方法操作簡單，工作性能穩(wěn)定。

2001 年，S.P.Li 等人提出利用高雙折射光纖環(huán)行鏡（HiBi-FLM），如圖2所示，具有良好的增益平坦效果，在 33nm 的帶寬范圍內(nèi)，增益變化為±0.9dB[11]。

圖2 基于HiBi-FLM的增益平坦EDFA

3.2 動(dòng)態(tài)增益均衡器（Dynamic Gain Equalizer， DGE）

DGE 雖然可以很好地解決增益譜的平坦問題，但當(dāng)放大器的輸入端部分光波長丟失或各個(gè)輸入光功率變化比較大時(shí)， 靜態(tài)增益平坦濾波器對改善級(jí)聯(lián)EDFA 系統(tǒng)的光信噪比就顯得無能為力，這就需要采用動(dòng)態(tài)增益均衡技術(shù)。DGE 可以靈活地調(diào)整信道中的光衰減， 可以通過相應(yīng)控制算法實(shí)時(shí)地產(chǎn)生 DWDM系統(tǒng)所要求的光衰減，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)信道的增益和功率的均衡，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能化程度。

全光纖聲光可調(diào)濾波器（Acoustically Optical Tunable Filter， AOTF）聲光技術(shù)是通過在光纖上放置聲學(xué)變化器來實(shí)現(xiàn)增益均衡，聲學(xué)變化器產(chǎn)生表面聲波，形成類似光柵的特性，通過控制濾波器帶陷的位置和深度，并利用濾波器級(jí)聯(lián)使輸出平坦，其原理圖如圖3所示。

圖3 聲光動(dòng)態(tài)增益均衡器原理示意圖

4.增益鎖定和增益控制技術(shù)

最常用的增益箝制技術(shù)可以分為兩種， 一種就是采用光電反饋實(shí)現(xiàn)增益控制，即通過比較EDFA的放大自發(fā)輻射功率電平與基準(zhǔn)電平，以此調(diào)節(jié)泵浦功率來穩(wěn)定增益。另一種方法則是基于全光器件實(shí)現(xiàn)增益鎖定，即在EDFA內(nèi)引入某一適當(dāng)波長（不同于信號(hào)波長）的光反饋形成激光振蕩，在滿足激光閾值的情況下，激光功率會(huì)隨粒子數(shù)反轉(zhuǎn)水平而變化的這種自動(dòng)調(diào)節(jié)作用可以補(bǔ)償輸入信號(hào)功率變化所帶來的影響，從而保證EDFA增益不變，解決了增益譜隨系統(tǒng)狀況變化的問題。

采用單根光纖光柵全光增益箝制的EDFA結(jié)構(gòu)如圖4所示，它共有四種結(jié)構(gòu)。圖中FBG為窄帶光柵，帶寬小于等于0.9 nm。ISO為光隔離器，主要用于阻止反向光影響可調(diào)諧激光器（TLS）的工作狀態(tài)。WDM為波分復(fù)用器，Pump為泵浦光，OSA為光譜分析儀。光纖光柵從放大的自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission，ASE）譜中選出滿足布拉格反射條件波長（一般不能接近信號(hào)光波長），使其反射回?fù)姐s光纖進(jìn)行再次放大，這些反射回的光信號(hào)和其他波長如信號(hào)光共同享用相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，隨著光逐漸增強(qiáng)并進(jìn)入飽和，粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)得到了限制，使得粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)可以自動(dòng)地保持在某一水平，從而使得L-band增益譜得到箝制。

判斷增益箝制放大器的一個(gè)重要參數(shù)就是臨界輸入功率Pc，定義為從最高小信號(hào)增益下降0.2 dB所對應(yīng)的輸入功率。Pc越大，則說明箝制深度越大。通常，摻鉺光纖可以用980nrn或1480nm的泵浦光進(jìn)行泵浦。因此，在基于單根光纖光柵箝制的L-band EDFA設(shè)計(jì)中，泵浦光波長的選擇與箝制結(jié)構(gòu)的確定是十分重要的。這里，鉺光纖長度L取10 m；1555 nm，光纖光柵反射率R取99%；信號(hào)光波長取1570nn：進(jìn)入鉺光纖的泵浦功率Sp取90mw；根據(jù)強(qiáng)則煊[12]按圖4分別接入980nn泵浦和1480nm泵浦進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果綜合分析可知，采用1480nm泵浦、結(jié)構(gòu)（a）的L-band EDFA其箝制深度、增益和噪聲系數(shù)綜合性能最好。

圖4 全光增益箝制的EDFA結(jié)構(gòu)

5.結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn) EDFA 增益平坦化的主要方法以及國內(nèi)外在此方向上的研究進(jìn)展，并對這幾種增益平坦化方法進(jìn)行了比較分析。本文還介紹了一種增益箝制技術(shù)，采用單根光纖光柵來箝制EDFA增益，對EDFA的增益平坦實(shí)驗(yàn)研究有一定的指導(dǎo)意義。隨著高速率、大容量通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，摻鉺光纖放大器的應(yīng)用已越來越廣泛和重要，用增益平坦的光纖放大器代替復(fù)雜的光中繼器以增長無中繼距離，已成為當(dāng)前光纖通信領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著EDFA增益平坦化技術(shù)的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，必將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)WDM系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]M.Tachibana， et. al.， IEEE Photonics Tech. Lett， 1991， 3（2）：118.

[2]S.F.Su，et， al.， Electronics Letters， 1993 ， 29（5）：477.

[3]S.H.Huang， et. al.， IEEE Photon Technol Lett，1991， 9（6）：389.

[4]D.Bayart， et. al. Electronics Letters， 1994. 30（15）：1407.

[5]Makoto Yamada， et. al.， IEEE Photon tech. Lett.， 1996， 8（9）：882.

[6]Atsu Shi Mori， OFC1997.

[7]羅杰，伍叔堅(jiān). 長波段摻鉺光纖放大器用摻鉺光纖的設(shè)計(jì)考慮[J].光子學(xué)報(bào)， 2000，29（12）：1138-1141.

[8]UH-CHAN Ryu. Inherent enhancement of gain flatness and achievement of broad gain bandwidth in erbium-doped silica fiber amplifiers [J]，IEEE Journal of Quantum Electronics， 2002， 38（2）：149.

[9]PAUL F.Wysocki. Dual-stage erbium-doped，erbium/ytterbium-codoped fiber amplifier with up to +26-dBm output power and a 17nm flat spectrum[J] .Optics Letters， 1996， 21（21）：1744-1746.

[10]趙志勇，于永森. 基于啁啾光纖光柵的增益平坦濾波器 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2004， 42（2）：255-256.

[11]LI S P， CHIANG K S， GAMBLING W A. Gain flattening of an erbium-doped fiber amplifier using a high-birefringence fiber loop mirror [J]， IEEE Photon.Tech. Lett， 2001， 13（9）： 92.

[12]強(qiáng)則煊.低噪聲、高增益、高平坦度摻鉺光纖放大器的分析與實(shí)驗(yàn)研究[D] 浙江大學(xué)，2004 ：70-78.

作者簡介：

張靜（1983-），女，安徽淮南人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事激光器和光通信的教學(xué)與研究。

基金項(xiàng)目：

2013年省級(jí)自然科學(xué)項(xiàng)目，編號(hào)：KJ2013B112。