增益平坦型摻鉺光纖放大器研究

由旭家 田小建

摘? 要： 為了解決光信號在傳輸過程中因信號放大引起的各信道間功率不均衡的問題，該文通過優(yōu)化摻鉺光纖放大器（EDFA）的結(jié)構(gòu)和增加增益平坦濾波器（GFF）對信號增益譜進行平坦優(yōu)化。首先通過理論分析各信道間產(chǎn)生不均衡增益的原因;優(yōu)化摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)由單級放大改變?yōu)閮杉壏糯?，并通過光纖長度二維仿真得到最佳長度配比;并在兩級放大光路間添加增益平坦濾波器濾除一級放大產(chǎn)生的不平坦度，再經(jīng)過二次放大輸出增益光信號。最后通過實驗給出加入GFF前后增益譜對比圖，得到增益更加平坦的輸出光譜，保證在1 530～1 560 nm波段的增益平坦度保持在±0.32范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞： EDFA; GFF; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 二維仿真; 光譜輸出; 實驗分析

中圖分類號： TN722?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0104?04

Research on erbium?doped fiber amplifier with gain flattening type

YOU Xujia， TIAN Xiaojian

（College of Electronic Science and Engineering， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： The signal gain spectrum is optimized by optimizing the structure of erbium?doped fiber amplifier （EDFA） and adding the gain flattening filter （GFF）， so as to improve the power imbalance between channels caused by signal amplification in the transmission of optical signals. The causes of the disequilibrium gain between channels are analyzed theoretically， the erbium?doped fiber amplifier structure is optimized from the single?stage amplification to the two?stage amplification， and the best optimum length ratio is obtained by the two?dimensional simulation of the fiber length. The gain flattening filter is added between the two?stage amplification optical paths to filter out the non?flatness caused by the primary amplification， and the gain optical signal is output after the secondary amplification. The comparison photo of gain spectrum in before and after adding GFF is given with experiment， and the output spectrum is obtained with much more flat gain， which ensures that the gain flatness at the 1 530～1 660 nm bands is kept within ±0.32.

Keywords： EDFA; GFF; structure optimization; two?dimensional simulation; spectral output; experiment analysis

0? 引? 言

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展和日益全球化趨勢，人類對遠距離通信的需求和要求也越來越高。為在不引入其他因素的情況下補償光信號在傳輸過程中的損耗，必須在傳輸過程中對光信號進行放大。具有增益高、帶寬大、噪聲小等特點的摻鉺光纖放大器（EDFA）已成為光信號放大的首選方式[1]。摻鉺光纖放大器的增益平坦度定義為多通道間的最大增益變化[2]。由于摻鉺光纖放大器的均勻展寬特性，信號光在波分復(fù)用系統(tǒng)的不同信道之間存在競爭關(guān)系，經(jīng)過相同放大光路之后產(chǎn)生的增益譜是不平坦的。而且在級聯(lián)使用摻鉺光纖放大器時，在不同波長處累積的功率差會使各信道之間功率不均衡，甚至造成傳輸誤碼[3]。為了保證在遠距離通信過程中，對信號進行無損有效傳輸，所以摻鉺光纖放大器的增益平坦性研究具有深刻的學術(shù)意義。

1? 理論分析

1.1? EDFA工作原理

摻鉺光纖放大器主要由增益介質(zhì)、泵浦源和其他光學器件三部分組成。EDFA常用泵浦源為980 nm和1 480 nm兩種半導體激光器[4]，本實驗采用的泵浦源為980 nm半導體激光器。980 nm的泵浦源提供的能量等于鉺離子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差，可以使基態(tài)的鉺離子吸收能量后躍遷到高能級激發(fā)態(tài)。但由于鉺離子的激發(fā)態(tài)載流子壽命為1 μs，所以當鉺離子躍遷到激發(fā)態(tài)后又會迅速以非輻射方式躍遷到載流子壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)。電子在亞穩(wěn)態(tài)能級不斷累積，實現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)能級與基態(tài)能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當信號光在光纖中傳輸時與摻鉺光纖中的摻雜鉺離子發(fā)生相互作用，鉺離子以受激輻射方式產(chǎn)生大量信號光光子，從而實現(xiàn)信號光的放大。

1.2? 增益不均衡的原因

該實驗采用Giles模型進行放大器模型分析，得到沿光纖方向上的功率分布和亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)，并最終得到增益的表達式。該模型的基礎(chǔ)是兩級ASE模型，考慮到鉺離子的激發(fā)態(tài)載流子壽命遠小于亞穩(wěn)態(tài)載流子壽命，為了簡化計算，將鉺離子躍遷過程等效為二能級系統(tǒng)[5]。摻鉺光纖中的摻鉺離子濃度[nt（r，φ，z）]為基態(tài)能級和亞穩(wěn)態(tài)能級粒子數(shù)之和，綜合考慮二能級系統(tǒng)的基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)之間的受激輻射、受激吸收和自發(fā)輻射效應(yīng)。依據(jù)亞穩(wěn)態(tài)能級上的粒子數(shù)[n2（r，φ，z）]的變化，列出速率方程：

[dn2dt=kPkikσakhVkn1r，φ，z-? ? ? ? ? ? kPkikσekhVkn2r，φ，z-n2r，φ，zτ] （1）

式中：[Pk]為在摻鉺光纖中傳輸?shù)墓馐鴎（k=泵浦光、信號光）的光功率;[ik]為歸一化的光強[ikr，φ=Ikr，φ，zPkz];[σak，σek]分別為光束k的吸收和發(fā)射截面;[τ]為粒子在亞穩(wěn)態(tài)的壽命;[Vk]為對應(yīng)光束k的光頻率。這樣信道中沿摻鉺光纖方向產(chǎn)生的光功率變化可以用傳輸方程來表示：

[dPkdz=ukσekPkz+mhVkΔVk·? ? ? 02π0∞ikr，φn2r，φ，zrdrdφ-? ? ? ukσakPkz·02π0∞ikr，φn1r，φ，zrdrdφ] （2）

式中，[mhVkΔVk]表示由第二能級產(chǎn)生的自發(fā)輻射及通過放大器后的增加。在ASE模型中，[uk=1]表示光束前向傳輸;[uk=-1]表示光束后向傳輸。m表示模數(shù)，通常取值為2。

為利用鉺粒子的分布和光纖傳輸光場的模場來進行分析，引入吸收系數(shù)[αk]和發(fā)射系數(shù)[g*k]。假設(shè)摻鉺光纖摻雜均勻并沿軸對稱遞減分布，[nt=nt0，b=beff]。由于在此采用的是單模光纖，所以光場分布可以近似看成高斯分布，化簡吸收、發(fā)射系數(shù)和重疊積分代入速率方程（1）和傳輸方程（2）得到：

[dn2dt=kPk（z）αkn1hVkζτ-kPk（z）g*kn2hVkζτ-n2τ] （3）

式中，[ζ=πb2effntτ]。? ? ? ? ?[dPkdz=ukαk+g*kn2ntPkz+? ? ? ? ? ?ukg*kn2ntPkzmhVkΔVk-ukαk+lkPkz] （4）

在穩(wěn)態(tài)情況下，求得亞穩(wěn)態(tài)鉺離子平均濃度占比為：

[n2nt=kPkzαkhVkζ1+kPkzαk+g*khVkζ ] （5）

將式（5）代入傳輸方程式（4）求得摻鉺光纖放大器的增益為：

[Gλ=PoutPin=exp0Lg*（λ）n2nt-α（λ）n1ntdz] （6）

通過分析信號光的功率傳輸方程或放大器增益公式可以得到：對輸出功率和增益影響的根本原因是吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)的相對大小。因為對不同波長光的吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)不同，所以造成信道間功率不均衡。也可通過吸收曲線和增益曲線進一步印證產(chǎn)生增益波動的原因。

由圖1所示，以PM?ESF?7/125型摻鉺光纖為例，可以看出當增益小于吸收時，不能直接進行光信號的放大;當增益大于吸收時，可以進行光信號的放大。

2? 增益平坦方法

EDFA在提高波分復(fù)用系統(tǒng)傳輸能力的同時引入了增益的差異性，這種差異性使各信道之間的功率分布不均衡，嚴重的功率分布差異會導致非線性效應(yīng)和功率飽和等現(xiàn)象[6];同時各信道之間的信噪比差異還會引發(fā)小增益信道的信噪比發(fā)生惡化的現(xiàn)象。因此為了降低傳輸過程中的誤碼率，均衡信道間的增益就顯得尤為重要[7]。目前平坦增益譜的方法主要有兩類：第一種是通過優(yōu)化摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)參數(shù);第二種是在光路中加入光學濾波器進行濾波使增益曲線更平坦，主要包括各材質(zhì)的增益平坦濾波器和動態(tài)增益平坦技術(shù)等。

2.1? 優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)

吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)作為摻鉺光纖種類的固有參數(shù)是影響平坦度的最直接參數(shù)。鉺離子濃度會影響增益的平坦性，降低鉺離子濃度會減少能量損耗，使得增益更平坦，但卻造成泵浦能量利用效率低下，增益過低。也可以通過在摻鉺光纖中摻雜其他不同的金屬離子來改變鉺離子的吸收系數(shù)。除此之外，不同長度的摻鉺光纖表現(xiàn)的增益平坦度差異也較大，可以通過仿真實驗確定最佳長度。

2.2? 靜態(tài)增益均衡

靜態(tài)增益均衡技術(shù)采用的方法是在光路添加其他元件調(diào)整光路特性。用于增益平坦最常用的光學器件是增益平坦濾波器，根據(jù)增益平坦濾波器的材質(zhì)，主要有薄膜濾光型濾波器、長周期光纖光柵濾波型濾波器和啁啾光纖布拉格光柵型濾波器等多種濾波器[8]。也可以采用增益譜與摻鉺光纖放大器增益譜相反的拉曼光纖放大器進行疊加，使其波峰與波谷相互疊加。在實驗中采用的是薄膜濾光型濾波器，它可以根據(jù)譜型進行訂制，而且插入損耗小，溫度漂移低。

2.3? 動態(tài)增益均衡器

動態(tài)增益均衡器可以實現(xiàn)信號的智能化傳輸，實時調(diào)節(jié)光衰減值達到增益譜平坦[9]。雖然靜態(tài)平坦增益技術(shù)簡單易行，但是當遇到信號功率突變或輸入端部分信號丟失的情況時，靜態(tài)平坦增益技術(shù)仍舊存在信道間功率不均衡的問題[10]。為了解決該問題，可采用動態(tài)增益均衡器通過控制算法實時調(diào)整，從而達到均衡增益。但是動態(tài)增益所需的放大器個數(shù)多，成本高，而且技術(shù)復(fù)雜，不易實現(xiàn)。

3? 實驗研究方法

3.1? 優(yōu)化方案

本實驗采用的方案是優(yōu)化摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)參數(shù)和添加增益平坦濾波器兩種方式相結(jié)合。本實驗采用正向連接兩級放大方式進行光信號放大。首先使用長度較短的摻鉺光纖進行信號預(yù)放大，使電子在亞穩(wěn)態(tài)能級上充分累積。當信號光在摻鉺光纖中與鉺離子相互作用后，鉺離子受激輻射產(chǎn)生大量信號光光子，并且此時噪聲更小且趨于恒定值。利用增益平坦濾波器可以濾除該噪聲，使信號變得更加平坦，再進行二次放大。

3.2? 光纖長度仿真實驗

OptiSystem是一款用于光通信系統(tǒng)的模擬軟件包，為用戶提供設(shè)計、測試和優(yōu)化等多維度的開發(fā)環(huán)境。從長距離通信系統(tǒng)到實驗室光路仿真，OptiSystem都能提供最可靠的數(shù)據(jù)分析和可視化結(jié)果[11]。對于光纖長度的實驗不能采取剪光纖的方式進行，這樣會造成摻鉺光纖極大的浪費，可以在軟件進行仿真得到最佳長度。本實驗仿真光路圖如圖2所示。

仿真實驗取信號光波長為1 550 nm，功率為0.1 mW，泵浦光源功率為500 mW。預(yù)放大光纖分別從1～5 m，二級放大光纖長度為1～11 m，分別以間隔為0.5 m進行仿真實驗。仿真實驗的增益如圖3、圖4所示。

由圖3可確定最佳光纖長度范圍在預(yù)放大光纖長度為1.5～2.5 m，二級放大光纖長度為10～11 m。在實際仿真中，0.1 m光纖長度對增益影響很小，仿真時取步長為0.1 m。相當于對圖中最優(yōu)解范圍進行放大求得最優(yōu)解。

由圖4得知，當預(yù)放大光纖長度為2.4 m，二次放大光纖長度為10.2 m時，可獲得較高增益。因為增益平坦是以犧牲增益為代價的，所以在兼顧增益平坦時盡量保證較大增益，所以確定最佳光纖長度配比為2.4～10.2 m。在實驗過程中采用此光纖長度配比方式。

3.3? 實驗結(jié)果

本實驗采取的信號源是可調(diào)諧激光器，每次以步長為1.0 nm在1 530～1 560 nm波長段進行測量;泵浦源是980 nm波長的激光泵浦源;取信號光功率為0.1 mW;泵浦光功率為500 mW。在信號輸入及輸出端增加光隔離器避免光路傳輸中的反射損耗，同時降低ASE對EDFA穩(wěn)定的影響。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)增益平坦濾波器（GFF）的反射較小，可以去除GFF之后的隔離器，減少光路損耗，同時可以節(jié)約成本。由于光路在連接過程中可能存在熔接損耗、插入損耗和回波損耗等，所以實際測得的光信號增益可能會比仿真值略低。通過測試得到未加入GFF和加入GFF后的增益譜如圖5、圖6所示。

通過觀察上述實驗波形，添加增益平坦濾波器前后的增益平坦度分別為[±0.99，±0.32]。可以看出在未加入增益平坦濾波器時平均增益是明顯高于加入GFF之后的增益值，由此可見對增益進行平坦是需要犧牲光增益的，經(jīng)過濾波輸出后的光功率大大減小，但是對應(yīng)波段上的譜型相對平坦很多。

4? 結(jié)? 語

本文通過理論分析解釋了摻鉺光纖放大器產(chǎn)生增益不平坦性的根本原因是不同波長對應(yīng)的吸收系數(shù)和增益系數(shù)不同，對輸出功率都有很大的影響，造成不同波長間增益的變化。然后提出了優(yōu)化方案，使用優(yōu)化摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)參數(shù)和加入增益平坦濾波器兩種方式相結(jié)合的方法進行光路優(yōu)化。加入光學濾波器必然會造成增益的降低，所以在進行濾波之前保證較大的增益，由此確定增益最佳的摻鉺光纖長度配比。根據(jù)OptiSystem的濾波器仿真功能制作合適的透射譜，并通過實驗使增益平坦度保持在[±0.32]范圍內(nèi)。

注：本文通信作者為田小建。

參考文獻

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