基于光開關(guān)的雙向摻鉺光纖放大器

張志利，王紅偉，徐慶繼

（1.天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350；2.中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

基于光開關(guān)的雙向摻鉺光纖放大器

張志利1，王紅偉2，徐慶繼1

（1.天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350；2.中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

針對單纖雙向光信號放大的光纖傳感領(lǐng)域，設(shè)計了基于光開關(guān)的摻鉺光纖放大器。介紹了雙向摻鉺光纖放大器的光路原理和電路原理，并進(jìn)行了樣機的實現(xiàn)實驗。通過實驗測試，實現(xiàn)了光信號的分時復(fù)用雙向放大，雙向增益一致性小于0.9dBm。

摻鉺光纖放大器；單纖雙向；光開關(guān)

0 引言

摻鉺光纖放大器 （Erbium Doped Fiber Amplifier, DEFA）采用摻雜有鉺離子的光纖作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激勵下發(fā)生粒子反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光信號的放大。DEFA是光信號傳輸系統(tǒng)中最重要的核心裝置之一，廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和光纖測量等領(lǐng)域[1,2]。但是，EDFA為了抑制光路的反射，防止放大器產(chǎn)生自激振蕩，通常在摻鉺光纖的前后各放置一個隔離器，這就導(dǎo)致了EDFA只能放大單向傳輸?shù)墓庑盘枺涣硗?，在沒有光信號輸入的情況下，摻鉺光纖受泵浦激光的激勵，在輸出端口也會輸出寬帶的光信號，這種情況限制了傳統(tǒng)EDFA的應(yīng)用場景[3,4]。在一些特定的光纖傳感領(lǐng)域，為了節(jié)省成本，經(jīng)常采用一根光纖進(jìn)行傳輸激勵光信號和被測對象返回光信號，這對EDFA提出了新的要求：一是要求EDFA具有雙向放大功能；二是要求無激勵光信號時，EDFA保持無光輸出。為滿足上述需求，本文設(shè)計了基于光開關(guān)的雙向EDFA。

1 雙向EDFA系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)光信號的雙向放大和無激勵光源時EDFA無輸出光，本文采用高速磁光開關(guān)代替了傳統(tǒng)EDFA中的隔離器，實現(xiàn)了光路的雙向放大和EDFA在無輸入光信號時無光輸出[5，6]，其原理如圖1所示。分光器1和分光器2分別位于EDFA的兩側(cè)，用于分離兩側(cè)輸入光信號的1%光信號檢測器。

兩個方向的光信號檢測器中任何一個檢測到有輸入光時，會給光開關(guān)控制器發(fā)出導(dǎo)通信號。光開關(guān)驅(qū)動器驅(qū)動高速磁光開關(guān)閉合，光路導(dǎo)通，摻鉺光纖在泵浦光的激勵下實現(xiàn)對光信號的放大。當(dāng)輸入光撤銷時，光信號檢測器給光開關(guān)控制器發(fā)出阻斷信號，光開關(guān)驅(qū)動器驅(qū)動高速磁光開關(guān)阻斷,光路保持無光。

光信號檢測器、光開關(guān)驅(qū)動器及智能控制器為電路部分，集成在一塊電路板上。智能控制器的主要功能有：控制泵浦激光器工作在一個穩(wěn)定的溫度；控制流經(jīng)泵浦激光器的電流處于一個恒定值，保證光信號放大后的穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 光路設(shè)計

雙向EDFA位于光傳輸線路的中間，這就要求EDFA對每個方向的光信號具有相同的增益和噪聲系數(shù)。傳統(tǒng)的EDFA多采用前向泵浦方式，其優(yōu)點是噪聲系數(shù)小，但是不能對雙向信號進(jìn)行均勻放大。本文采用單泵雙向泵浦方案，泵浦激光器輸出的泵浦光經(jīng)過50:50分光器1分成2路，經(jīng)過耦合器1和耦合器2耦合到摻鉺光纖，實現(xiàn)雙向泵浦，泵浦激光器采用噪聲較小的980nm泵浦激光器，如圖1所示。摻鉺光纖采用低摻雜濃度帶增益平坦的摻鉺光纖EMP980，在系統(tǒng)典型輸入光功率為-15dBm、輸出為0dBm時，噪聲系數(shù)和摻鉺光纖長度之間關(guān)系如圖2所示。根據(jù)測試結(jié)果，選取摻鉺光纖長度為10m。

圖1 基于光開關(guān)的雙向EDFA示意圖

圖2 摻鉺光纖長度和噪聲系數(shù)之間的關(guān)系

2.2 光信號檢測單元設(shè)計

圖3為光檢測單元原理圖。光信號檢測器由光探測器和運算放大器OPA4340組成，調(diào)整電阻R的值可以改變輸入光信號的閾值。輸入光信號高于該閾值，認(rèn)為有輸入光輸入；輸入光信號低于該閾值，認(rèn)為無輸入光輸入。改變電容C的值，可以調(diào)整光信號檢測電路的反應(yīng)時間，減小C的值，可以提高線路的響應(yīng)速度。利用高速比較器AD9696組成遲滯比較器是為了穩(wěn)定光信號檢測器的輸出，防止閾值附近產(chǎn)生抖動。通過改變DAC參考電壓的大小，可以改變遲滯比較器的門限值。

圖3 光檢測單元原理圖

2.3 光開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計

光開關(guān)采用青島浦芮斯公司生產(chǎn)的高速磁光開關(guān)，該光開關(guān)采用脈沖驅(qū)動方式[7]，其驅(qū)動電路如圖4所示（為清晰可見，將U6和U5進(jìn)行了局部放大）。光信號檢測單元在檢測到輸入光信號時，會將控制信號CTRL拉高；在輸入光信號撤銷時，會將CTRL信號拉低。當(dāng)光開關(guān)驅(qū)動電路檢測到CTRL低變高時，驅(qū)動光開關(guān)連通光路；當(dāng)光開關(guān)驅(qū)動電路檢測到CTRL變低時，驅(qū)動光開關(guān)阻斷光路。文中采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123作為控制信號上升沿和下降沿的檢測器，輸出信號用來控制MOS管IRF7317驅(qū)動光開關(guān)切換。

圖4 光開關(guān)驅(qū)動電路原理圖

3 實現(xiàn)及實驗

按照上述分析，我們制作了實驗原理樣機，并在實驗室對其基本功能和性能進(jìn)行了測量，如圖5所示。

圖5 原理樣機及測試平臺

3.1 響應(yīng)測試

采用信號發(fā)生器發(fā)出頻率為1Hz的方波信號，將該信號調(diào)制到1550nm光源上，形成頻率為1Hz的脈沖光，光信號強度為-15dBm，設(shè)置泵浦激光器工作電路為100mA。將該光信號通過某一方向深入到光放大器中，測量光信號對光開關(guān)切換動作的控制和輸出光信號的強度。測量點位為輸入光信號檢測端和光開關(guān)驅(qū)動電路輸出端。采用光功率計測量輸出光信號強度，采用雙通道示波器觀察相應(yīng)測量點位的信號，如圖6所示。由圖6可知：當(dāng)光信號到來時（下降沿），光開關(guān)驅(qū)動電路控制光開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)光信號消失時（上升沿），光開關(guān)驅(qū)動電路控制光開關(guān)阻斷。在光開關(guān)導(dǎo)通時，雙向EDFA輸出光功率為5dBm。經(jīng)過測試，系統(tǒng)可以對1kHz以下的脈沖光信號實現(xiàn)放大。

圖6 響應(yīng)測試

3.2 增益一致性測試

雙向EDFA放置在整個光傳輸鏈路的中間位置，那么要求雙向EDFA兩個方向的增益必須一直才能保證測量的精確性和光路信號的安全性。設(shè)置泵浦激光器工作在不同的工作電流，兩個方向依次輸入功率為-15dBm的光信號，測量輸出端的光功率。經(jīng)過對比，增益相差最大為0.9dB，最小為0.3dB，平均為0.6dB。表1為雙向輸出光功率對比結(jié)果。

表1 雙向輸出光功率對比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的雙向EDFA采用光開關(guān)代替經(jīng)典EDFA中的隔離器，實現(xiàn)了光路的雙向放大和無輸入光時EDFA無輸出光。試驗表明，該系統(tǒng)可以對頻率低于1kHz的脈沖光信號實現(xiàn)放大，增益的差值小于0.9dB。將該雙向放大器應(yīng)用于單纖雙向測量系統(tǒng)中，能降低線路成本，提高測試效率。

[1]熊英，曹文華.高速光纖通信中的光纖放大器及其發(fā)展[J].光通信技術(shù)，2008，32(5)：35-37.

[2]原榮.光通信技術(shù)講座——（八）：光放大器[J].光通信技術(shù)，2003，27 (8)：51-52.

[3]毛慶和，王勁松，孫小菡，等.雙向摻鉺光纖放大器的特性分析[J].光學(xué)學(xué)報，1999,19（11）：1484-1490.

[4]唐平生，楊晨，劉丹等.摻鉺光纖放大器雙向放大特性[J].半導(dǎo)體光電，1999,18（5）：307-311.

[5]陳喬杉，楊 林.用于片上光網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)路由器研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2014，51(11)：110005-1-110005-15.

[6]翁梓華，陳智敏，朱赟，等.高速微型1×2磁光開關(guān)[J].光子學(xué)報，2006,35(3)：358-362.

[7]阮劍劍，許英朝，朱文章.應(yīng)用于磁光開關(guān)的正負(fù)交替脈沖發(fā)生器的設(shè)計[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報，2015,23（3）：63-67.

Bidirectional erbium doped fiber amplifier based on optical switch

ZHANG Zhi-li1，WANG Hong-wei2，XU Qing-ji1
（1.Tianjin Sino-German Vocational Technical College,Tianjin 300350,China The 34th Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004,China）

For single fiber bidirectional optical signal amplification in the field of fiber sensor,the bidirectional erbium doped fiber amplifier(EDFA)based on optical switch is designed.In the paper,the optical path principle and circuit principle of the bidirectional EDFA are introduced.Through the experimental test,the optical signal is amplified by time division multiplexing and the bidirectional gain is less than 0.9dBm.

EDFA,bidirectional,optical switch

TN248

A

1002-5561（2016）02-0046-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.014

2014-11-03。

國家級科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項目（14C26211200344）資助；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點項目（15JCZDJC39000）資助；天津市科技興海項目（KJXH2014-15）資助；國家科技支撐計劃項目子課題（2015BAK06B04）資助；天津市科技特派員項目（15JCTPJC 58700）資助。

張志利（1978-），男，高級工程師，主要從事信息采集與處理方面的研究。