增益平坦型掺铒光纤放大器研究

由旭家 田小建

摘  要： 为了解决光信号在传输过程中因信号放大引起的各信道间功率不均衡的问题，该文通过优化掺铒光纤放大器（EDFA）的结构和增加增益平坦滤波器（GFF）对信号增益谱进行平坦优化。首先通过理论分析各信道间产生不均衡增益的原因;优化掺铒光纤放大器结构由单级放大改变为两级放大，并通过光纤长度二维仿真得到最佳长度配比;并在两级放大光路间添加增益平坦滤波器滤除一级放大产生的不平坦度，再经过二次放大输出增益光信号。最后通过实验给出加入GFF前后增益谱对比图，得到增益更加平坦的输出光谱，保证在1 530～1 560 nm波段的增益平坦度保持在±0.32范围内。

关键词： EDFA; GFF; 结构优化; 二维仿真; 光谱输出; 实验分析

中图分类号： TN722?34                            文献标识码： A                       文章编号： 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

随着光通信技术的发展和日益全球化趋势，人类对远距离通信的需求和要求也越来越高。为在不引入其他因素的情况下补偿光信号在传输过程中的损耗，必须在传输过程中对光信号进行放大。具有增益高、带宽大、噪声小等特点的掺铒光纤放大器（EDFA）已成为光信号放大的首选方式[1]。摻铒光纤放大器的增益平坦度定义为多通道间的最大增益变化[2]。由于掺铒光纤放大器的均匀展宽特性，信号光在波分复用系统的不同信道之间存在竞争关系，经过相同放大光路之后产生的增益谱是不平坦的。而且在级联使用掺铒光纤放大器时，在不同波长处累积的功率差会使各信道之间功率不均衡，甚至造成传输误码[3]。为了保证在远距离通信过程中，对信号进行无损有效传输，所以掺铒光纤放大器的增益平坦性研究具有深刻的学术意义。

1  理论分析

1.1  EDFA工作原理

掺铒光纤放大器主要由增益介质、泵浦源和其他光学器件三部分组成。EDFA常用泵浦源为980 nm和1 480 nm两种半导体激光器[4]，本实验采用的泵浦源为980 nm半导体激光器。980 nm的泵浦源提供的能量等于铒离子的基态与激发态之间的能量差，可以使基态的铒离子吸收能量后跃迁到高能级激发态。但由于铒离子的激发态载流子寿命为1 μs，所以当铒离子跃迁到激发态后又会迅速以非辐射方式跃迁到载流子寿命较长的亚稳态。电子在亚稳态能级不断累积，实现了亚稳态能级与基态能级之间的粒子数反转。当信号光在光纤中传输时与掺铒光纤中的掺杂铒离子发生相互作用，铒离子以受激辐射方式产生大量信号光光子，从而实现信号光的放大。

1.2  增益不均衡的原因

该实验采用Giles模型进行放大器模型分析，得到沿光纤方向上的功率分布和亚稳态粒子数，并最终得到增益的表达式。该模型的基础是两级ASE模型，考虑到铒离子的激发态载流子寿命远小于亚稳态载流子寿命，为了简化计算，将铒离子跃迁过程等效为二能级系统[5]。掺铒光纤中的掺铒离子浓度[nt（r，φ，z）]为基态能级和亚稳态能级粒子数之和，综合考虑二能级系统的基态和亚稳态之间的受激辐射、受激吸收和自发辐射效应。依据亚稳态能级上的粒子数[n2（r，φ，z）]的变化，列出速率方程：

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

式中：[Pk]为在掺铒光纤中传输的光束k（k=泵浦光、信号光）的光功率;[ik]为归一化的光强[ikr，φ=Ikr，φ，zPkz];[σak，σek]分别为光束k的吸收和发射截面;[τ]为粒子在亚稳态的寿命;[Vk]为对应光束k的光频率。这样信道中沿掺铒光纤方向产生的光功率变化可以用传输方程来表示：

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

式中，[mhVkΔVk]表示由第二能级产生的自发辐射及通过放大器后的增加。在ASE模型中，[uk=1]表示光束前向传输;[uk=-1]表示光束后向传输。m表示模数，通常取值为2。

为利用铒粒子的分布和光纤传输光场的模场来进行分析，引入吸收系数[αk]和发射系数[g*k]。假设掺铒光纤掺杂均匀并沿轴对称递减分布，[nt=nt0，b=beff]。由于在此采用的是单模光纤，所以光场分布可以近似看成高斯分布，化简吸收、发射系数和重叠积分代入速率方程（1）和传输方程（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）

在稳态情况下，求得亚稳态铒离子平均浓度占比为：

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

将式（5）代入传输方程式（4）求得掺铒光纤放大器的增益为：

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

通过分析信号光的功率传输方程或放大器增益公式可以得到：对输出功率和增益影响的根本原因是吸收系数和发射系数的相对大小。因为对不同波长光的吸收系数和发射系数不同，所以造成信道间功率不均衡。也可通过吸收曲线和增益曲线进一步印证产生增益波动的原因。

由图1所示，以PM?ESF?7/125型掺铒光纤为例，可以看出当增益小于吸收时，不能直接进行光信号的放大;当增益大于吸收时，可以进行光信号的放大。

2  增益平坦方法

EDFA在提高波分复用系统传输能力的同时引入了增益的差异性，这种差异性使各信道之间的功率分布不均衡，严重的功率分布差异会导致非线性效应和功率饱和等现象[6];同时各信道之间的信噪比差异还会引发小增益信道的信噪比发生恶化的现象。因此为了降低传输过程中的误码率，均衡信道间的增益就顯得尤为重要[7]。目前平坦增益谱的方法主要有两类：第一种是通过优化掺铒光纤放大器的结构参数;第二种是在光路中加入光学滤波器进行滤波使增益曲线更平坦，主要包括各材质的增益平坦滤波器和动态增益平坦技术等。

2.1  优化结构参数

吸收系数和发射系数作为掺铒光纤种类的固有参数是影响平坦度的最直接参数。铒离子浓度会影响增益的平坦性，降低铒离子浓度会减少能量损耗，使得增益更平坦，但却造成泵浦能量利用效率低下，增益过低。也可以通过在掺铒光纤中掺杂其他不同的金属离子来改变铒离子的吸收系数。除此之外，不同长度的掺铒光纤表现的增益平坦度差异也较大，可以通过仿真实验确定最佳长度。

2.2  静态增益均衡

静态增益均衡技术采用的方法是在光路添加其他元件调整光路特性。用于增益平坦最常用的光学器件是增益平坦滤波器，根据增益平坦滤波器的材质，主要有薄膜滤光型滤波器、长周期光纤光栅滤波型滤波器和啁啾光纤布拉格光栅型滤波器等多种滤波器[8]。也可以采用增益谱与掺铒光纤放大器增益谱相反的拉曼光纤放大器进行叠加，使其波峰与波谷相互叠加。在实验中采用的是薄膜滤光型滤波器，它可以根据谱型进行订制，而且插入损耗小，温度漂移低。

2.3  动态增益均衡器

动态增益均衡器可以实现信号的智能化传输，实时调节光衰减值达到增益谱平坦[9]。虽然静态平坦增益技术简单易行，但是当遇到信号功率突变或输入端部分信号丢失的情况时，静态平坦增益技术仍旧存在信道间功率不均衡的问题[10]。为了解决该问题，可采用动态增益均衡器通过控制算法实时调整，从而达到均衡增益。但是动态增益所需的放大器个数多，成本高，而且技术复杂，不易实现。

3  实验研究方法

3.1  优化方案

本实验采用的方案是优化掺铒光纤放大器结构参数和添加增益平坦滤波器两种方式相结合。本实验采用正向连接两级放大方式进行光信号放大。首先使用长度较短的掺铒光纤进行信号预放大，使电子在亚稳态能级上充分累积。当信号光在掺铒光纤中与铒离子相互作用后，铒离子受激辐射产生大量信号光光子，并且此时噪声更小且趋于恒定值。利用增益平坦滤波器可以滤除该噪声，使信号变得更加平坦，再进行二次放大。

3.2  光纤长度仿真实验

OptiSystem是一款用于光通信系统的模拟软件包，为用户提供设计、测试和优化等多维度的开发环境。从长距离通信系统到实验室光路仿真，OptiSystem都能提供最可靠的数据分析和可视化结果[11]。对于光纤长度的实验不能采取剪光纤的方式进行，这样会造成掺铒光纤极大的浪费，可以在软件进行仿真得到最佳长度。本实验仿真光路图如图2所示。

仿真实验取信号光波长为1 550 nm，功率为0.1 mW，泵浦光源功率为500 mW。预放大光纤分别从1～5 m，二级放大光纤长度为1～11 m，分别以间隔为0.5 m进行仿真实验。仿真实验的增益如图3、图4所示。

由图3可确定最佳光纤长度范围在预放大光纤长度为1.5～2.5 m，二级放大光纤长度为10～11 m。在实际仿真中，0.1 m光纤长度对增益影响很小，仿真时取步长为0.1 m。相当于对图中最优解范围进行放大求得最优解。

由图4得知，当预放大光纤长度为2.4 m，二次放大光纤长度为10.2 m时，可获得较高增益。因为增益平坦是以牺牲增益为代价的，所以在兼顾增益平坦时尽量保证较大增益，所以确定最佳光纤长度配比为2.4～10.2 m。在实验过程中采用此光纤长度配比方式。

3.3  实验结果

本实验采取的信号源是可调谐激光器，每次以步长为1.0 nm在1 530～1 560 nm波长段进行测量;泵浦源是980 nm波长的激光泵浦源;取信号光功率为0.1 mW;泵浦光功率为500 mW。在信号输入及输出端增加光隔离器避免光路传输中的反射损耗，同时降低ASE对EDFA稳定的影响。在实验过程中发现增益平坦滤波器（GFF）的反射较小，可以去除GFF之后的隔离器，减少光路损耗，同时可以节约成本。由于光路在连接过程中可能存在熔接损耗、插入损耗和回波损耗等，所以实际测得的光信号增益可能会比仿真值略低。通过测试得到未加入GFF和加入GFF后的增益谱如图5、图6所示。

通过观察上述实验波形，添加增益平坦滤波器前后的增益平坦度分别为[±0.99，±0.32]。可以看出在未加入增益平坦滤波器时平均增益是明显高于加入GFF之后的增益值，由此可见对增益进行平坦是需要牺牲光增益的，经过滤波输出后的光功率大大减小，但是对应波段上的谱型相对平坦很多。

4  结  语

本文通过理论分析解释了掺铒光纤放大器产生增益不平坦性的根本原因是不同波长对应的吸收系数和增益系数不同，对输出功率都有很大的影响，造成不同波长间增益的变化。然后提出了优化方案，使用优化掺铒光纤放大器结构参数和加入增益平坦滤波器两种方式相结合的方法进行光路优化。加入光学滤波器必然会造成增益的降低，所以在进行滤波之前保证较大的增益，由此确定增益最佳的掺铒光纤长度配比。根据OptiSystem的滤波器仿真功能制作合适的透射谱，并通过实验使增益平坦度保持在[±0.32]范围内。

注：本文通信作者为田小建。

参考文献

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