競爭型全光增益控制放大器仿真研究

蔡岳豐，李曉龍，閆寶羅，劉 波，劉海鋒，孟森森，林 煒

(南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院 天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室， 天津 300350)

0 引 言

隨著長距離、高速率和大容量的密集波分復(fù)用系統(tǒng)的商用化，通信系統(tǒng)對光纖放大器提出了更高的要求[1]。在光纖通信系統(tǒng)中，信道數(shù)變化等原因會造成各信道輸出功率發(fā)生變化，引起功率的瞬態(tài)波動和低頻交叉調(diào)制，進而增加光纖的非線性效應(yīng)和通信誤碼率[2]。因此在信道上下載不斷出現(xiàn)的光網(wǎng)絡(luò)中，控制剩余信道的輸出增益波動有著非常重要的意義，這就要求對摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)的增益進行控制[3]。

目前存在的增益控制方法主要有電路、鏈路和光自動增益控制。其中，光自動增益控制因其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)性能穩(wěn)定和增益控制范圍大等優(yōu)勢得到了廣泛的關(guān)注。目前全光自動增益控制主要有兩種方法，一種是采用反饋環(huán)實現(xiàn)增益控制，通過改變衰減器的衰減量來滿足激光諧振條件；另一種是通過插入光纖布拉格光柵形成法布里-珀羅(F-P)諧振腔來實現(xiàn)增益控制。趙春柳等人提出了雙波長增益控制方案，將-35～-8 dBm范圍內(nèi)輸入光的增益波動壓縮至0.3 dB[4]；李國玉等人利用高雙折射布拉格光柵實現(xiàn)雙激光增益控制，對-40～-15 dBm范圍內(nèi)的輸入光實現(xiàn)了增益控制，其增益波動被壓縮至0.69 dB，噪聲系數(shù)(Noise Figure, NF)為8.69 dB[5]；魏敬波等人采用雙光柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)對大功率光纖放大器進行增益控制，將-5.1～2.0 dBm輸入光的增益漂移壓縮至0.27 dB，其NF約為10 dB[2]。國外方面，Kitamura等人在2016年利用快速全光前饋自動增益控制將增益漂移由控制前的7.3 dB壓縮至0.47 dB[6]；又在2019年用半導(dǎo)體放大器作為增益介質(zhì)將增益波動范圍由6.90 dB壓縮至0.12 dB，其工作范圍不超過0.9 mW[7]。

但反饋環(huán)控制與諧振腔控制的缺點在于對輸入光功率范圍有嚴(yán)格要求，當(dāng)輸入光強超出工作范圍時系統(tǒng)將因為無法滿足激光的形成條件而無法控制增益。針對目前EDFA增益控制范圍較窄的情況，本文研究了一種競爭型光纖放大器，可以實現(xiàn)對寬輸入功率范圍信號的增益控制，其工作范圍可以達到-40～5 dBm。此外，該控制系統(tǒng)控制幅度大、噪聲性能好、結(jié)構(gòu)簡單，且不需要考慮光柵性能和激光腔鏡反射率等影響參數(shù)，大大降低了實驗難度，是實現(xiàn)全光增益放大器的良好選擇。

1 實驗原理及結(jié)構(gòu)裝置

為了實現(xiàn)對寬輸入功率范圍信號的增益控制，本文基于鉺離子競爭機制研究了一種競爭型增益控制系統(tǒng)，通過引入第2光源形成了被輸入光信號功率所調(diào)制的控制光，利用增益抑制程度與控制光強之間的正相關(guān)性，實現(xiàn)了對不同強度信號光的增益控制。該系統(tǒng)不需要形成控制激光，緩解了由于激光形成條件帶來的工作范圍較窄的問題。

1.1 信號光與控制光之間的鉺離子競爭機制

EDFA在放大信號光時，在泵浦的作用下，亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)間的粒子數(shù)會實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布。如果在系統(tǒng)中引入與信號光波長相近的控制光，則控制光會與信號光共同消耗亞穩(wěn)態(tài)上發(fā)生受激輻射的粒子，形成對鉺離子的競爭機制。將EDFA等效為一個二能級系統(tǒng)進行分析，在不考慮自發(fā)輻射和鉺離子背景損耗的情況下，鉺離子在基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)上的濃度分布遵從速率方程[8]：

式中：N1和N2分別為基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)上的離子濃度；N為摻雜濃度；t為時間；h為普朗克常數(shù)；A為纖芯面積；σse和σsa分別為信號光激發(fā)下的受激輻射截面和受激吸收截面；σce和σca分別為控制光激發(fā)下的受激輻射截面和受激吸收截面；σP為泵浦吸收截面；vS、vC和vP分別為信號光、控制光和泵浦光的頻率；PS、PC和PP分別為信號光、控制光和泵浦光功率；τ為亞穩(wěn)態(tài)粒子壽命；ηS、ηC和ηP分別為信號光、控制光和泵浦光在纖芯中的面積與纖芯面積之比。

設(shè)摻鉺光纖的長度方向為z軸方向，信號光沿z軸正方向傳播，則信號光與控制光的傳播方程為

式中：PS(z，t)和PC(z，t)分別為與時間和傳播距離相關(guān)的信號光和控制光功率；N1(z，t)和N2(z，t)分別為與時間和傳播距離相關(guān)的基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)上的離子濃度。

由式(1)～(4)可知，在相同的泵浦條件下，亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)的粒子濃度分布處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡中，在亞穩(wěn)態(tài)能級上發(fā)生受激輻射的鉺離子數(shù)量相對固定。引入控制光后，信號光與控制光共同分享EDFA中的增益，形成鉺離子競爭機制。由競爭機制下的速率方程和傳播方程可知，信號光和控制光獲得的增益與各自的光功率相關(guān)，功率更高的光將在競爭機制中獲得更高的增益，剩余部分的光將相應(yīng)地獲得較低的增益。因此，在控制光功率固定的情況下，當(dāng)信號光功率增大時，信號光可以獲得更高的增益，而控制光獲得的增益會降低；當(dāng)信號光功率減小時，功率相對更高的控制光將抑制信號光獲得增益，使弱信號受到的增益損失遠大于強信號。

1.2 競爭型全光增益控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

增益控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。系統(tǒng)分為信號鏈路和控制鏈路，信號鏈路中兩級EDFA主要用于信號光的基本放大，控制鏈路中引入功率恒定的控制光源，經(jīng)過一級EDFA放大后控制光被輸入信號功率所調(diào)制，調(diào)制后的控制光沿著與信號光傳播方向相反的方向通過二級EDFA，與信號光共同競爭該EDFA中的高能級粒子，最終沿著信號光傳播方向的輸出光即為增益控制系統(tǒng)的輸出光。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理圖

此系統(tǒng)的工作原理主要基于增益抑制程度與控制光強度的正相關(guān)性。對于弱輸入信號，控制光可以在與信號光的競爭機制中，從一級EDFA中獲得更多的增益鉺離子，因而被調(diào)制后具有更高的功率；對于強輸入信號，控制光獲得的增益相對較小，調(diào)制后的控制光強也就相應(yīng)更低。因此一級EDFA可以使控制光功率被信號光功率所調(diào)制，不同強度的信號光對應(yīng)不同強度的控制光。被調(diào)制的控制光在二級EDFA中再次與信號光競爭有限的增益鉺離子，此時弱信號獲得的增益會再次受到抑制，且抑制程度要遠大于強信號。最終，在增益系統(tǒng)的輸出信號中，強信號的增益抑制幅度要遠低于弱信號。

2 結(jié)果和分析

基于上文提及的競爭型全光增益控制系統(tǒng)，利用OptiSystem軟件模擬該系統(tǒng)在單信道與多信道下的控制性能。

2.1 單信道實驗結(jié)果與分析

設(shè)置單信道信號光波長為1 552 nm，信號光功率范圍為-40～5 dBm，在增益控制系統(tǒng)中，設(shè)定兩級EDFA的泵浦方式均為前向泵浦，泵浦功率為20 dBm；兩級摻鉺光纖長度分別為0.6和1.0 m；摻鉺濃度分別為1.5×1025和2×1025/m3。

圖2所示為競爭型增益控制放大器的增益特性曲線,控制光源的功率分別為5、10和12 dBm。由圖可知，當(dāng)輸入信號光功率在-40～5 dBm范圍內(nèi)變化時，放大系統(tǒng)的輸出增益漂移范圍由控制前的22.0 dB降低至2.8、0.9和0.4 dB，增益控制幅度達到21.0 dB以上，且控制幅度隨控制光源功率的增大而增大。這是因為高功率的控制光對弱輸入光增益的損耗遠大于強輸入光，從而更加有效地實現(xiàn)了放大系統(tǒng)增益鉗制的目的。但由于控制光會消耗高能級鉺離子，整個放大系統(tǒng)的整體增益也隨之下降，由控制前的27 dB降至13、8和6 dB。

圖2 競爭型增益控制放大器的增益特性曲線

NF是衡量全光增益控制放大器的另一重要參數(shù)，圖3所示為競爭型增益控制放大器的噪聲特性曲線。由圖可知，平均NF由控制前的3.4 dB增加到控制后的4.3、5.4和6.2 dB，NF隨著控制光源功率的增大而增大。這是因為噪聲與增益間存在對應(yīng)關(guān)系，控制光的引入降低了系統(tǒng)的整體增益，從而增加了系統(tǒng)噪聲。但考慮到額外器件的引入以及大幅度的增益抑制，NF只增加2.8 dB是非常理想的。此外，由圖可知，噪聲波動從控制前的1.10 dB分別降低至0.33、0.80和0.22 dB，證明系統(tǒng)對噪聲波動范圍實現(xiàn)了有效控制。

圖3 競爭型增益控制放大器的噪聲特性曲線

由以上單信道實驗結(jié)果可知，本文的增益控制系統(tǒng)在控制性能以及噪聲性能方面都要優(yōu)于反饋環(huán)控制和諧振腔控制，這是因為本系統(tǒng)沒有激光形成條件的限制，可以對更大范圍的輸入光功率形成增益控制，同時本系統(tǒng)的增益控制幅度可以通過控制光源功率而自由調(diào)控，因而控制幅度更大。此外，本系統(tǒng)的控制光不需要多次穿過EDFA，所以引入的噪聲更少，NF也更小。

2.2 多信道實驗結(jié)果與分析

為了研究密集波分復(fù)用系統(tǒng)中復(fù)用信道數(shù)目的變化對剩余信道輸出增益的影響，采用多信道的方式進行模擬實驗。圖4所示為多信道下信道數(shù)和信道功率變化對信道1輸出增益的影響。仿真實驗中設(shè)置了6個信道，信道1～6的通信波長分別為1 550、1 542、1 544、1 546、1 548和1 552 nm，各信道的信號功率為-2 dBm。為了研究復(fù)用信道數(shù)目對剩余信道輸出增益的影響，依次撤掉信道2～6，測定剩余信道即信道1的輸出增益變化，其變化曲線如圖4(a)所示。為了研究信道功率變化對剩余信道輸出增益的影響，改變信道2的輸入功率，使其功率波動范圍為-10～0 dBm，測定信道2功率變化對信道1輸出增益的影響，其變化曲線如圖4(b)所示。

圖4 多信道下信道數(shù)和信道功率變化 對信道1輸出增益的影響

由圖可知，當(dāng)信道數(shù)改變時，信道1輸出增益漂移量由控制前的6.50 dB分別降至控制后的1.85、0.50和0.23 dB，控制光源功率越強則漂移量越小。此外，當(dāng)信道2的輸入功率發(fā)生變化時，信道1的輸出增益漂移量由控制前的2.7 dB分別下降至控制后的0.6、0.2和0.1 dB，這表明在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，競爭型增益控制放大器可以有效降低復(fù)用信道數(shù)目變化以及信道功率變化對剩余信道輸出增益造成的影響。

3 結(jié)束語

在光纖通信系統(tǒng)中，各信道輸出功率的變化會影響剩余信道的輸出增益，增加光纖的非線性效應(yīng)和通信誤碼率，因此對光纖放大器進行自動增益控制有著重要意義。本文研究了一種競爭型全光增益放大器，可以實現(xiàn)對寬輸入功率范圍信號的增益控制。對功率在-40～5 dBm范圍內(nèi)的輸入光進行增益控制，使增益漂移量由22.0 dB降至0.4 dB，解決了傳統(tǒng)全光控制方法中工作范圍窄和控制幅度小的問題。另外在多信道情況下，將信道數(shù)變化和信道功率變化造成的增益漂移量由6.50和2.70 dB降低至0.23和0.10 dB，證明了競爭型增益控制放大器可以改善信道數(shù)和信道功率變化造成的剩余信道增益漂移現(xiàn)象。本文對于研究不斷上下載的密集波分復(fù)用系統(tǒng)中保持剩余信道輸出增益穩(wěn)定具有重要的參考價值。