DWDM系统中掺铒光纤放大器增益平坦性研究

张静 吴静 黄振陵

【摘 要】本论文从优化设计自身增益平坦性和引入增益平坦滤波器两个方面阐述了EDFA的增益平坦技术，分析对比了静态增益平坦滤波器和动态增益平坦滤波器的优缺点。论文还介绍了一种增益箝制技术，采用单根光纤光栅来箝制EDFA增益，对EDFA的增益平坦实验研究有一定的指导意义。

【关键词】掺铒光纤放大器；增益平坦；增益箝制

0.引言

近些年DWDM技术发展迅猛，商用的DWDM 系统最高速率已达800Gb/s， 光传输距离也从600km大幅扩展至2000km 以上。DWDM 技术之所以发展如此迅速，主要得益于掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）技术的日益成熟。EDFA 能够对光信号进行直接放大，对数据透明，增益大、噪声低，在价格和可靠性方面比电中继有优势，因而在光通信系统中得到了广泛的应用。在长距离传输DWDM 系统中，EDFA 可以大大增强系统的传输能力，但增益平坦度并不理想，容易造成各个信道之间的光功率和信噪比各不相同，从而使得增益高的信道，出现光功率饱和与非线性效应，使增益低的信道出现光信噪比恶化等现象。因此，对EDFA 的增益平坦性的研究就显得格外重要。

1.EDFA的各种增益平坦化技术

国外从上世纪九十年代初就开始进行EDFA增益平坦化的研究。早期曾报道过利用光凹槽滤波器滤波的方法[1]，通过被动滤波，在38mW的980nm泵浦下，增益为27dB时，EDFA的3dB带宽达33nm。后来又有声光滤波的方法[2，3]，其结果是15nm带宽范围内增益变化小于1dB，但由于声光滤波器不能集成到光纤上，并且连接技术复杂，因此在实际应用中受到很大的限制。

目前，对掺铒光纤放大器进行增益平坦化的操作，主要可以分为两类。一类是优化设计自身增益平坦的EDFA，如通过引入特种光纤来改善EDFA 增益的不平坦型，或者通过优化EDFA 结构参数如泵浦方式、泵浦功率分配以及EDF长度等来设计优化增益平坦的EDFA。由改变光纤基质类型改善放大器的增益平坦性，包括氟基掺铒光纤放大器（F-EDFA），碲基掺铒光纤放大器（T-EDFA）。通过掺杂来改善放大器的增益平坦性包括：掺铝的EDFA，掺钐EDFA，其他类型掺杂EDFA。

一类是使用增益均衡器进行增益平坦化处理。包括结构中加入光纤光栅增益平坦滤波器，利用光纤环镜进行增益平坦化，使用微光干涉仪进行增益平坦化。从技术角度，则可划分为静态增益平坦技术和动态增益平坦技术两大类。是通过使用增益均衡器和改变掺杂光纤的基质材料、掺杂物质来实现的。

2.优化设计自身增益平坦性

随着掺杂技术以及光纤封装技术的发展和进步，特种光纤被引入到 EDFA 增益平坦化研究中来，即通过改变光纤基质类型或者掺杂来改善 EDFA 的增益平坦特性，采用这种方法不需要在 EDFA 外部插入任何增益均衡器，也不会影响放大器的工作效率，是一种可行且具有发展潜力的增益平坦技术。 另外，还可以通过调整级联 EDFA 中的结构参数（掺铒光纤长度，泵浦功率和泵浦位置）来改善 EDFA 的增益平坦性。

2.1 改变光纤基质类型

2.1.1 氟基掺铒光纤放大器（F-EDFA）

1994年，法国的D.Bayart等人研究发现，采用氟化物光纤制成的EDFA具有很大的平坦增益带宽。它们使用7.1米长双向泵浦的氟基掺铒的光纤放大器（F-EDFA），同时监视放大器的后向ASE，通过调整泵浦源的电流，使EDFA最后平坦度低于0.5dB[4]（未平坦前为4.5dB）。

1996年，Makoto Yanada等人对氟基掺铒光纤放大器进行了进一步研究，他们的实验证明：对于8个通道的WDM系统，位于1532-1560nm范围的信号，不同通道的增益差异小于1.5dB；F-EDFA在1534-1542nm波长范围内具有很好的平坦度，对于WDM信号增益差异小于0.2dB[5]。

2.1.2 碲基掺铒光纤放大器（T-EDFA）

1997年，NTT公司在OFC97上报道了其研制的一种新型碲基（Te）EDFA，由于碲基玻璃具有高的稳定性、耐腐蚀性和稀土离子可溶性，因此是一种非常好的EDF的基质材料。碲基玻璃中的铒离子可以在很大的带宽范围内具有较大的受激发射截面，尤其在1600nm波长附近时，铒离子仍有较大的受激发射截面，它的上限波长达1634nm。实验表明，在80nm（1530nm～1610nm）的带宽范围内，可以保持20dB的较高增益，而增益变化小于1.5dB[6]。

2.2 掺杂改善EDFA增益平坦性

理论和实验研究表明，在掺铒光纤中同时掺杂Al（铝）离子时，由于高浓度的铝可以很好地吸收1550nm的增益峰，因此可以使EDFA的增益获得好的平坦度。提高掺铒光纤中的铝离子浓度是近些年通过掺杂改善放大器增益平坦性研究其中的主要手段，实验证明采用这种掺杂方案可以有效改善放大器的增益平坦性[7]。

2002 年，Uh-Chan Ryu 等人采用掺Sm （钐）环形光纤插入放大器中，进行了L 带和 C+L 带增益平坦化实验， 获得了很好的增益平坦度：在 1570-1600nm（L 带），平均增益为 21dB， 增益变化不超过0.7dB，在 C+L 带范围内，平均增益为 11.5dB，增益变化不超过 1dB[8]。

3.增益均衡器进行增益平坦化处理

3.1 静态增益平坦技术

采用透射谱与掺铒光纤增益谱反对称的滤波器或者通过算法优化设计 EDFA 参数来实现放大器增益平坦，这种静态增益平坦技术简单易行，效果明显；缺点是只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会变化，原理如图1所示。

图1 静态增益平坦技术原理示意图

3.1.1基于光纤光栅的增益平坦滤波器

在 EDFA 中插入与 EDFA 增益谱相反的光纤光栅的损耗谱，“削平”增益峰也是有效可行的增益平坦方法。 实验证明，光纤光栅可采用闪耀光栅或者闪耀光栅的复合体，也可以是长周期光栅[9]。

2004 年，赵志勇、于永森等人采用啁啾相位掩膜板和程控扫描曝光技术，在经过载氢增敏化处理的普通单模光纤上制作出可以用于 EDFA 平坦化的光栅增益平坦滤波器， 可以获得增益在 30nm 带宽范围内增益变化不超过±0.3dB[10]。

3.1.2基于光纤环镜的增益平坦滤波器

由于光纤的弯曲会产生一定的损耗，而其损耗随光网络中掺铒光纤放大器增益平坦性研究工作波长（<1580nm）的增加而增大，因此，可以利用光纤弯曲损耗这一特性对放大器增益进行平坦化处理，这种方法操作简单，工作性能稳定。

2001 年，S.P.Li 等人提出利用高双折射光纤环行镜（HiBi-FLM），如图2所示，具有良好的增益平坦效果，在 33nm 的带宽范围内，增益变化为±0.9dB[11]。

图2 基于HiBi-FLM的增益平坦EDFA

3.2 动态增益均衡器（Dynamic Gain Equalizer， DGE）

DGE 虽然可以很好地解决增益谱的平坦问题，但当放大器的输入端部分光波长丢失或各个输入光功率变化比较大时， 静态增益平坦滤波器对改善级联EDFA 系统的光信噪比就显得无能为力，这就需要采用动态增益均衡技术。DGE 可以灵活地调整信道中的光衰减， 可以通过相应控制算法实时地产生 DWDM系统所要求的光衰减，从而实现各个信道的增益和功率的均衡，提高网络系统的智能化程度。

全光纤声光可调滤波器（Acoustically Optical Tunable Filter， AOTF）声光技术是通过在光纤上放置声学变化器来实现增益均衡，声学变化器产生表面声波，形成类似光栅的特性，通过控制滤波器带陷的位置和深度，并利用滤波器级联使输出平坦，其原理图如图3所示。

图3 声光动态增益均衡器原理示意图

4.增益锁定和增益控制技术

最常用的增益箝制技术可以分为两种， 一种就是采用光电反馈实现增益控制，即通过比较EDFA的放大自发辐射功率电平与基准电平，以此调节泵浦功率来稳定增益。另一种方法则是基于全光器件实现增益锁定，即在EDFA内引入某一适当波长（不同于信号波长）的光反馈形成激光振荡，在满足激光阈值的情况下，激光功率会随粒子数反转水平而变化的这种自动调节作用可以补偿输入信号功率变化所带来的影响，从而保证EDFA增益不变，解决了增益谱随系统状况变化的问题。

采用单根光纤光栅全光增益箝制的EDFA结构如图4所示，它共有四种结构。图中FBG为窄带光栅，带宽小于等于0.9 nm。ISO为光隔离器，主要用于阻止反向光影响可调谐激光器（TLS）的工作状态。WDM为波分复用器，Pump为泵浦光，OSA为光谱分析仪。光纤光栅从放大的自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）谱中选出满足布拉格反射条件波长（一般不能接近信号光波长），使其反射回掺铒光纤进行再次放大，这些反射回的光信号和其他波长如信号光共同享用相同的反转粒子数，随着光逐渐增强并进入饱和，粒子数的反转得到了限制，使得粒子数的反转可以自动地保持在某一水平，从而使得L-band增益谱得到箝制。

判断增益箝制放大器的一个重要参数就是临界输入功率Pc，定义为从最高小信号增益下降0.2 dB所对应的输入功率。Pc越大，则说明箝制深度越大。通常，掺铒光纤可以用980nrn或1480nm的泵浦光进行泵浦。因此，在基于单根光纤光栅箝制的L-band EDFA设计中，泵浦光波长的选择与箝制结构的确定是十分重要的。这里，铒光纤长度L取10 m；1555 nm，光纤光栅反射率R取99%；信号光波长取1570nn：进入铒光纤的泵浦功率Sp取90mw；根据强则煊[12]按图4分别接入980nn泵浦和1480nm泵浦进行数值模拟。根据数值模拟结果综合分析可知，采用1480nm泵浦、结构（a）的L-band EDFA其箝制深度、增益和噪声系数综合性能最好。

图4 全光增益箝制的EDFA结构

5.结论

本文详细介绍了实现 EDFA 增益平坦化的主要方法以及国内外在此方向上的研究进展，并对这几种增益平坦化方法进行了比较分析。本文还介绍了一种增益箝制技术，采用单根光纤光栅来箝制EDFA增益，对EDFA的增益平坦实验研究有一定的指导意义。随着高速率、大容量通信系统的不断发展，掺铒光纤放大器的应用已越来越广泛和重要，用增益平坦的光纤放大器代替复杂的光中继器以增长无中继距离，已成为当前光纤通信领域中的一个热点。随着EDFA增益平坦化技术的不断改进和创新，必将会进一步促进WDM系统的光网络的发展。

参考文献：

[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]罗杰，伍叔坚. 长波段掺铒光纤放大器用掺铒光纤的设计考虑[J].光子学报， 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]赵志勇，于永森. 基于啁啾光纤光栅的增益平坦滤波器 [J].吉林大学学报，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]强则煊.低噪声、高增益、高平坦度掺铒光纤放大器的分析与实验研究[D] 浙江大学，2004 ：70-78.

作者简介：

张静（1983-），女，安徽淮南人，硕士研究生，现主要从事激光器和光通信的教学与研究。

基金项目：

2013年省级自然科学项目，编号：KJ2013B112。