雙向EDFA在長(zhǎng)距離分布式光纖傳感系統(tǒng)中的級(jí)聯(lián)方案

韓紀(jì)磊，肖 倩，陳永超，周鵬威

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433)

在一些長(zhǎng)距離光纖傳感系統(tǒng)中，如基于Sagnac或Michelson結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，為了滿足光纖中雙向光傳輸?shù)男枰?，?jīng)常需要利用雙向摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向光放大、抵抗光損耗等，但雙向EDFA的引入會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不可避免地產(chǎn)生一系列噪聲，這些噪聲會(huì)在放大信號(hào)中產(chǎn)生光起伏，當(dāng)噪聲與被放大的信號(hào)光一同進(jìn)入光電探測(cè)器后，光起伏在光電探測(cè)器中會(huì)引起電起伏，產(chǎn)生光電流噪聲，對(duì)光電探測(cè)器光電流噪聲的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于自發(fā)輻射與信號(hào)光的拍頻噪聲[1]。而通過(guò)合理的控制EDFA的輸入光功率，可使拍頻噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響保持在較低水平[ 2]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，光纖傳感系統(tǒng)的性能隨EDFA的信號(hào)光功率與泵浦電流變化。本文從基于Giles-Emmanuel模型的EDFA速率方程和功率傳輸方程出發(fā)，理論上分析了信號(hào)光功率與泵浦電流對(duì)光纖傳感系統(tǒng)性能的影響。并設(shè)計(jì)了長(zhǎng)距離光纖傳感系統(tǒng)中的傳感光路，分析了EDFA信號(hào)光、泵浦電流、信號(hào)光帶寬等因素對(duì)光纖傳感系統(tǒng)性能的影響。并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了雙向EDFA獨(dú)立恒量控制法，可以使系統(tǒng)在已有放大器工作狀態(tài)不受影響的基礎(chǔ)上，級(jí)聯(lián)新的傳感光纖和雙向EDFA，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的有效性。

1 理論方法

在不考慮激發(fā)態(tài)吸收，也就是泵浦光源在980 nm或1 480 nm泵浦帶的情況下，可以將EDFA等效為二能級(jí)系統(tǒng)，由于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)和基態(tài)能級(jí)具有一定寬度，因此EDFA的增益譜具有一定的波長(zhǎng)范圍[3-8]。

亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)密度滿足如下速率方程

(1)

功率傳輸方程滿足

(2)

式中：

(3)

(4)

因此，隨著泵浦光功率Pp(z)的增加，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)濃度也逐漸增加，直至粒子數(shù)達(dá)到完全反轉(zhuǎn)。

當(dāng)摻鉺光纖中處于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)濃度保持平衡狀態(tài)時(shí)，EDFA中的信號(hào)光功率，泵浦光功率以及自發(fā)輻射光功率滿足式(2)，將式(2)拆分成下面3個(gè)方程：

(5)

(6)

(7)

保持輸入EDFA的信號(hào)光功率不變，增加EDFA的泵浦光功率，經(jīng)過(guò)EDFA輸出的信號(hào)光功率以及信號(hào)光功率占EDFA總的輸出光功率的比例也隨泵浦光功率變化，利用式(5)、(6)、(7)得

(8)

2 實(shí) 驗(yàn)

采用干涉型光纖傳感器研究EDFA的工作特性，搭建的單芯反饋式干涉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 研究EDFA工作特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental structure for studying the working characteristics of EDFA

圖1中： SLD是中心波長(zhǎng)1 550 nm，半高全寬大于等于35 nm的寬譜光源；ISO為隔離器；PD1，PD2為光電探測(cè)器；C1，C2為構(gòu)成干涉結(jié)構(gòu)的均分型光學(xué)耦合器；TDF為光纖延遲線；Mod為相位調(diào)制器；FRM為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。該干涉系統(tǒng)存在著兩束光程相等的路徑，分別為：

Path1： 1→4→TDF→6→8→EDFA2→Mod→FRM→Mod→EDFA2→8→7→5→C1；

Path2： 1→5→7→8→EDFA2→Mod→FRM→Mod→EDFA2→8→6→TDF→4→C1。

這兩路信號(hào)光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器后產(chǎn)生隨時(shí)間變化的相位差，設(shè)到達(dá)耦合器C1處時(shí)，兩路光的相位差為φ0+φM，其中：φ0為由耦合器產(chǎn)生的初始相位差，φM為相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位差。兩路信號(hào)光在C1處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)的大小為

(9)

在本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整雙向EDFA2的正向輸入光和輸出光，利用衰減器，在Mod不加載信號(hào)的情況下，控制每次進(jìn)入探測(cè)器PD1的光功率恒為1 μW，該光功率中除了參與干涉的光信號(hào)，還包含未發(fā)生干涉的自發(fā)輻射噪聲等。Mod加載信號(hào)時(shí)，通過(guò)分析干涉信號(hào)的幅值，可得知不同條件下，信號(hào)光功率占EDFA2的總的輸出光功率的比例[9-11]。干涉信號(hào)幅值越大，代表EDFA2輸出的信號(hào)光功率占總輸出光功率的比例越大，即代表著EDFA2在這種工作狀態(tài)下的性能越強(qiáng)。

由于泵浦電流與信號(hào)光功率以及信號(hào)光帶寬等會(huì)影響雙向EDFA的工作性能，因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了寬譜信號(hào)光0 km，窄譜信號(hào)光0 km，窄譜信號(hào)光50 km這3種情況下雙向EDFA工作性能的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖2 窄譜信號(hào)光條件下研究EDFA工作性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Experimental structure for studying the characteristics of EDFA under narrow-spectrum signal light

圖3 傳感距離為50 km時(shí)研究EDFA工作性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 Experimental structure for studying EDFA performance at a sensing distance of 50 km

與圖1相比，圖2所示結(jié)構(gòu)在寬譜光源SLD與光隔離器之間增加了WDM-EDFA1-WDM，用來(lái)控制輸入干涉系統(tǒng)的信號(hào)光帶寬，探究信號(hào)光帶寬對(duì)EDFA工作性能的影響，WDM是中心波長(zhǎng)為1 553.3 nm，帶寬為1.6 nm的波分復(fù)用器。與圖2相比，圖3所示結(jié)構(gòu)在干涉模塊與EDFA2之間增加了50 km單模光纖，用來(lái)探究傳感距離為50 km時(shí)，雙向EDFA的工作性能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 泵浦電流對(duì)傳感系統(tǒng)性能的影響

為研究雙向EDFA的泵浦電流對(duì)傳感系統(tǒng)性能的影響，采用圖1所示的光路，控制每次進(jìn)入探測(cè)器的光功率1 μw，測(cè)到干涉信號(hào)的峰峰值隨信號(hào)光功率和泵浦電流的變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖4中可以看出，在同一信號(hào)光功率下，隨著泵浦電流升高，干涉信號(hào)峰峰值先是迅速上升，隨后達(dá)到最高，此時(shí)的泵浦電流為這一信號(hào)光下的最佳泵浦電流，繼續(xù)增加泵浦電流，峰峰值逐漸下降，這種變化趨勢(shì)，與前面公式推導(dǎo)出的結(jié)論相一致。說(shuō)明隨著泵浦電流升高，摻鉺光纖中總的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增多，但用于受激輻射的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的比例先升高(反轉(zhuǎn)粒子數(shù)主要用于放大信號(hào)光)后降低；最佳泵浦處，用于受激輻射的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的比例達(dá)到最大，用于自發(fā)輻射的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的比例達(dá)到最??；從圖中可以看出隨著雙向EDFA輸入光功率的增加，最佳泵浦電流基本在上升或者保持不變；繼續(xù)增加泵浦電流，信號(hào)光不足以激發(fā)大量的高能態(tài)粒子躍遷，此時(shí)EDFA的增益也趨于穩(wěn)定，用于自發(fā)輻射的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)比例開(kāi)始增加，導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲增加，性能降低。因此，在某一確定輸入光功率下，調(diào)節(jié)EDFA的泵浦電流至最佳泵浦電流處，會(huì)使系統(tǒng)整體的工作性能處于最佳狀態(tài)。

圖4 泵浦電流對(duì)干涉信號(hào)峰峰值的影響Fig.4 Effect of pump current on peak-to-peak value of interference signal

3.2 信號(hào)光功率對(duì)傳感系統(tǒng)性能的影響

圖5描述的是在窄譜0 km的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，泵浦電流分別為42、46、60、80 mA時(shí)干涉信號(hào)峰峰值隨信號(hào)光功率變化的情況。從圖中可以看出，隨信號(hào)光功率增加，干涉信號(hào)峰峰值也會(huì)增加，最后趨于平穩(wěn)，說(shuō)明信號(hào)光功率對(duì)雙向EDFA具有積極影響。由于相同泵浦電流下，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)基本一致，當(dāng)信號(hào)光逐漸增大，參與受激輻射的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)越多，自發(fā)輻射越弱，在EDFA的輸出光功率中，信號(hào)光的占比就越多。因此在一定范圍內(nèi)，輸入EDFA的信號(hào)光應(yīng)該越大，能夠使光纖傳感系統(tǒng)的工作性能越好。但輸入EDFA的信號(hào)光不能無(wú)限增大，當(dāng)信號(hào)光增大到某一值后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)濃度不足以繼續(xù)增大信號(hào)光，隨著信號(hào)光增加，放大倍數(shù)逐漸減小，同時(shí)，EDFA噪聲指數(shù)逐漸增大[12]。因此，在每一個(gè)泵浦功率下都會(huì)有一個(gè)合適的輸入光功率。

圖5 放大器輸入信號(hào)光功率對(duì)干涉系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Effect of signal light power on phase holding performance of amplifier

3.3 信號(hào)光帶寬對(duì)傳感系統(tǒng)性能的影響

為了比較信號(hào)光帶寬對(duì)EDFA工作性能的影響，對(duì)寬譜和窄譜條件下，不同輸入信號(hào)光所得到的干涉信號(hào)峰峰值的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖6所示。從圖中可以看出，窄譜輸入時(shí)信號(hào)最大值大于寬譜的情況，且隨著輸入光的增大，趨勢(shì)更加明顯。對(duì)SLD濾出特定波長(zhǎng)范圍的光，可以提高傳感系統(tǒng)得到的干涉信號(hào)峰峰值，等效于增加了系統(tǒng)的信噪比，而且在相同的輸入光功率下降低了所需的泵浦電流值。

圖6 干涉系統(tǒng)寬譜和窄譜輸入下輸出信號(hào)峰峰值Fig.6 The peak-to-peak value of the output signal of the inter- ferometric system under wide and narrow spectrum input

3.4 利用EDFA增加距離對(duì)傳感系統(tǒng)性能的影響

利用圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，測(cè)試了傳感距離為50 km時(shí)，干涉信號(hào)峰峰值的變化。

圖7為0 km和50 km兩種距離下，信號(hào)光功率分別為60 μw和80 μw時(shí)的干涉信號(hào)峰峰值隨泵浦電流的變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?，隨著泵浦電流增加，0 km和50 km相應(yīng)的曲線都是上升后下降，但50 km的干涉信號(hào)峰峰值有所下降，說(shuō)明傳感距離增加使整個(gè)干涉系統(tǒng)性能降低。

圖7 傳感距離為0 km和50 km時(shí)的比對(duì)圖Fig.7 Comparison chart while the sensing distance is 0 km and 50 km

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)兩種距離下，信號(hào)光為60 μw和80 μw時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳泵浦電流相同，分別為56 mA和60 mA，在所測(cè)得的所有10 μw到100 μw的數(shù)據(jù)中都存在這種現(xiàn)象，說(shuō)明： EDFA位于傳感路徑的尾端時(shí)，最佳泵浦電流僅受進(jìn)入EDFA的信號(hào)光功率影響。但是增加傳感距離會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低，這是因?yàn)閭鞲芯嚯x的增加導(dǎo)致系統(tǒng)散射光比例的增加，從而導(dǎo)致信號(hào)光比例的減少，最終影響輸出信號(hào)的峰峰值。

4 級(jí)聯(lián)EDFA的優(yōu)化方案

對(duì)雙向EDFA進(jìn)行級(jí)聯(lián)會(huì)面臨著不同雙向EDFA之間相互影響以及系統(tǒng)調(diào)試難度大等問(wèn)題。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種雙向EDFA獨(dú)立恒量控制法，能夠在不影響系統(tǒng)已有的雙向EDFA工作狀態(tài)的情況下，增加傳感距離和新的雙向EDFA，有效減輕增加級(jí)聯(lián)雙向EDFA帶來(lái)的的調(diào)試復(fù)雜度。該方法在光纖線路中引入一個(gè)大分光比的2×2光學(xué)耦合器，利用其獲得獨(dú)立的指標(biāo)作為調(diào)節(jié)雙向EDFA依據(jù)。詳細(xì)工作方式如圖8所示。

圖8 級(jí)聯(lián)EDFA的優(yōu)化方案示意圖Fig.8 Schematic diagram of the optimization scheme of cascade EDFA

如圖8(a)所示，首先SLD經(jīng)過(guò)單向EDFA0放大后經(jīng)傳感模塊注入到99∶1的2×2大分光耦合器，輸出光經(jīng)傳感光纖1進(jìn)入雙向EDFA1，2×2的兩個(gè)1%的分光端測(cè)試端1和測(cè)試端2的輸出可以作為獨(dú)立指標(biāo)，用于調(diào)節(jié)下一級(jí)雙向EDFA的參考。首先調(diào)節(jié)單向EDFA0使到達(dá)雙向EDFA1的光功率在其工作范圍內(nèi)，然后調(diào)節(jié)雙向EDFA1使到達(dá)光電探測(cè)器PD1和PD2的光功率在其工作范圍內(nèi)。在一定的范圍內(nèi)變化EDFA0和EDFA1的參數(shù)，找到系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，記錄下此時(shí)測(cè)試端1、2的光功率。

當(dāng)擴(kuò)展傳感距離時(shí)，如圖8(b)所示，在傳感模塊和耦合器之間加入傳感光纖2和雙向EDFA2.調(diào)節(jié)EDFA2，使測(cè)試端2的光功率與圖8(a)狀態(tài)時(shí)的光功率相同，則測(cè)試端1的光功率也相同。此時(shí)相當(dāng)于把傳感光纖1、EDFA1和FRM當(dāng)做一個(gè)穩(wěn)定的黑箱子，EDFA1的工作狀態(tài)保持不變，而且黑箱子的輸出光功率不變。

然后，把2×2耦合器移動(dòng)到圖8(c)中的位置，即傳感模塊和傳感光纖2之間，測(cè)量測(cè)試端1和測(cè)試端2的光功率。由于2×2分光器分光比很小，上述移動(dòng)對(duì)線路狀態(tài)的影響可忽略不計(jì)。當(dāng)繼續(xù)添加傳感光纖3和雙向EDFA3時(shí)，把傳感光纖2、EDFA2、傳感光纖1、EDFA1和FRM當(dāng)作一個(gè)穩(wěn)定的黑盒子，重復(fù)以上狀態(tài)調(diào)節(jié)步驟。從上述過(guò)程可以看出，該方法避免了雙向EDFA之間工作狀態(tài)的相互影響，保證系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。

圖9是測(cè)試端1和測(cè)試端2的光功率隨雙向EDFA級(jí)數(shù)增加產(chǎn)生的變化，實(shí)驗(yàn)中共測(cè)試了級(jí)聯(lián)13級(jí)雙向EDFA。從圖9中可以看出： 測(cè)試端1的光功率隨雙向EDFA級(jí)數(shù)的增加而在不斷的上升，這與實(shí)驗(yàn)中將2×2前移，散射光不斷增加有關(guān)；測(cè)試端2的光功率隨雙向EDFA級(jí)數(shù)的增加基本不變，其光功率僅與EDFA0和傳感模塊后第一段光纖的損耗有關(guān)。

圖9 測(cè)試端1、測(cè)試端2的光功率隨雙向EDFA級(jí)數(shù)的變化Fig.9 Changing of terminal 1 and terminal 2 with the bidirectional EDFA series

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從EDFA的速率方程和功率傳輸方程出發(fā)，推導(dǎo)出EDFA的輸出光中信號(hào)光占總輸出光比例的變化公式，搭建了單芯反饋式干涉結(jié)構(gòu)，分析信號(hào)光功率，泵浦電流，信號(hào)光帶寬，以及傳感距離對(duì)雙向EDFA工作性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 信號(hào)光功率一定時(shí)，存在最佳泵浦電流，使雙向EDFA工作性能最佳；泵浦電流條件一定時(shí)，輸入雙向EDFA的信號(hào)光功率越大，干涉信號(hào)信噪比越高，但輸入EDFA的信號(hào)光不能無(wú)限增大；窄譜信號(hào)光可以提升雙向EDFA在最佳工作狀態(tài)下的信噪比，同時(shí)，輸入雙向EDFA的光功率越大，窄譜信號(hào)光相比寬譜信號(hào)光工作效果越好。雙向EDFA的級(jí)聯(lián)易產(chǎn)生相互影響，破壞系統(tǒng)工作狀態(tài)，利用本文提出的雙向EDFA獨(dú)立恒量控制法，可以方便地級(jí)聯(lián)新的傳感光纖和雙向EDFA，使得各個(gè)雙向EDFA均保持在最佳工作狀態(tài)。通過(guò)雙向EDFA獨(dú)立恒量控制法測(cè)試了級(jí)聯(lián)13級(jí)雙向EDFA的狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果表明獨(dú)立恒量控制法可以高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)雙向EDFA的級(jí)聯(lián)。