（光学专业论文）超宽带edfa及增益控制的研究.pdf

南开土学硕士学位论文 摘要 波分复用( w d m ) ，尤其是密集波分复用( d w d m ) 技术使得通信带宽大大增加， 成为目前开发和应用的热点。它的发展也对光纤放大器提出了更高的要求，譬如 要求光纤放大器具有更大的带宽，具有自动增益控制、功率控制等功能。 基于上述情况，并结合天津市科委基金重点项目超宽带光纤放大器、智 能光纤放大器和光源的研究等课题，论文主要围绕放大器的宽带化和增益控制两 方面进行了些理论和实验研究。主要工作如下： 1 综合评述t d w d m 系统中e d f a 增益控制技术的发展趋势，包括增益平坦和增益 锁定两方面内容，并对典型的实施方案进行了比较和分析，提出了几种实验方 案。 2 利用双折射光纤环镜设计并制作了一个结构简单的可调谐光纤衰减器，具有 灵敏度高，偏振无关，低插入损耗和低成本等特性。实验证明它可以很方便的 控制光功率。 3 提出了一种由布拉格光纤光栅和高双折射光纤环镜共同构成波长选择器件的 掺铒光纤激光器。获得了一系列波长间隔约为0 8 n m ，边模抑制比大于5 4 d b 的激光输出。实验中还通过调节偏振控制器改变环镜对不同波长的反射率，从 而使得输出激光的功率在超过1 3 5 d b 的动态范围内得到了控制。 4 提出了一种结构新颖的l 一波段环形腔掺铒光纤激光器，有效的提升了l 一波段 铒光纤激光器的性能。这种利用光环形器将后向的a s e 再引入铒光纤的前端， 重复利用a s e 的方法对超宽带连接中提高l 一波段掺铒光纤放大器的增益也有借 鉴价值。 5 提出了一种高效、超宽带、平坦的超荧光光源结构。实验结果得到了覆盖c + l 波段的超荧光光源，在1 5 2 7 2 1 6 0 3 2 n m 波长范围内，自发辐射谱功率高于 - 2 5 o d b m ，自发辐射谱的不平坦度为1 4 d b 。 6 利用高双折射光纤环镜，设计了一种新颖的l 一波段掺铒光纤放大器，可有效 的改善l 一波段的噪声状况，最多降低近6 d b 。 7 分别优化c 和l 两个波段掺饵光纤放大器，利用并联方式实现了c + l 一波段超宽 带光纤放大器。研制出了一台结构简单，高增益低噪声，增益平坦的超宽带掺 摘要 铒光纤放大器，实现了从1 5 2 4 n m 1 6 0 2 n m 超过7 0 n m 带宽内平坦增益，其中c 一波 段在1 5 2 4 n m 1 5 6 4 r m i 之间平均增益超过3 0 d b ，l - 波段从1 5 7 2 n m 到1 6 0 2 n i i l 增益起 伏小于2 d b 。 关键词：密集波分复用，掺铒光纤放大器，l 一波段掺铒光纤放大器，掺铒光纤激 光器，超宽带光纤放大器，光纤环镜，增益平坦，增益钳制，增益控制， 超荧光光源 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目 l 、天津市科委重点基金项目( 0 1 3 8 0 0 4 1i ) 超宽带光纤放大器， 2 、天津市科委重点基金项目( 0 3 3 8 0 0 2 11 ) 智能型光纤放大器和光源 南开土学硕士学位论文 a b s t r a c t w d m d w d m c t a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d e n s ew d m ) h a sa l r e a d yb r o a d e n e d t h e b a n d w i d t ho f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n db e c o m et h eh i g h u g h to f e x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o n a t t h es a m et i m e t h e r e a p p e a r s s o m ef i l l f i l e rd e m a n d 幻t h ee d f aa st h e d e v e l o p m e n to f w d m d w d m ，s u c h a st h eb r o a db a n d w i d t h ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r o la n da u t o m a t i c p o w e r c o n t r 0 1 a c c o r d i n g t ot h ep r o j e c to f s u p e r - b r o a d b a n df i b e ra m p l i f i e ra n di n t e l l i g e n tf i b e ra m p l i f i e ra n d r e s o u r c e ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo ft h eb r o a d b a n d ，t h ef l a m e s sa n dg a i nc o n t r o lo f e d f a t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 t h ei n t e g r a t e dd i s c u s so ft h ed e v e l o p m e n ti ne d f a g a i nc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n c l u d i n g g a i nf l a t t e n i n ga n dg a i nc l a m p i n gt e c h n i q u e sh a s b e e ni n t r o d u c e d as e r i e so f t y p i c a ls c h e m e s r r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e d ，s e v e r a le x p e r i m e n ts c h e m e sa r ep r e s e n t e d 2 w eh a v ed e m o n s t r a t e dan o v e lv o ab a s e d0 1 1h i 曲b i r e f r i n g e n c ef i b e rl o o pm i l t o r ，w h i c hh a s m a n ya d v a n t a g e o u sc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a sas i m p l es t r u c t u r e ，h i g hf l e x i b i l i t y ，p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n c e ，l o w i n s e r t i o n l o s s a n d l o w p r i c e ，e t c e x p e r i m e n t a l p r o o f s h o w s t h a t i t i s c o n v e n i e n t t or e a l i z e t h e c o n t r o lo f o p t i e a lp o w e r b y u s i n g t h i s v o a 3 a w a v e l e n g t h - t a n a b l ee r b i u m d o p e df i b e rl a s e rb yu s i n gf b g a n dh i b if i b e rl o o pm i r r o ra s r e f l e c t o r si sp r e s e n t e d as e r i e so fl a s e r sw i t ha b o u to 8 n ms p a c i n gh a v e b e e na c h i e v e d t h e s m s r i s h i g h e r t h a n5 4 d b ad y n a m i cr a n g eo f o v e r l 3 5 d bo f t h e o u t p u t l a s e r i n t e n s i t y h a s b e e nr e a l i z e db yt u n i n gt h er e f i e c t i v i t yo ff i b e rl o o pm i r r o rw i t hp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r 4 an o v e ls t r u c t u r el - b a n de r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e ri sd e m o n s t r a t e d ，w h i c hh a sm u c h i m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f l - b a n df i b e rr i n g l a s e r t ob er e c y c l e d ，t h eb a c k w a r da s ew a s r o u t e dt ot h ei n p u to f e d f b y a l lo p t i c a lc i r c u l a t o r t h i sm e t h o di sm u c hu s ef o rr e f e r e n c et o e n h a n c et h eg a i no f l - e d f ai nb r o a d b a n dl i n k 5 af i a th i g he f f i c i e n c ys u p e r - b r o a d b a n ds o u r c ew a sp r e s e n t e d w ea c h i e v e dac + l - b a n ds u p e r - f l u o r e s c e n ts o u r c e i nt h er e g i o nf r o m1 5 2 0t o1 6 0 0 4 r i m ，t h ep o w e ro ft h ea s e a r eo v e r 一2 5 0 d b ma n dt h ea s ep r o f i l ee x c u r s i o ni so n l y 1 4 d bi n t h er e g i n nf r o m1 5 2 7 2t o 1 6 0 32 u m 6 an o v e ls t r u c t u r el - b a n de r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e rb yu s i n gh i b if i b e rl o o pm i r r o ra s n 1 a b s t r a c t r e f l e c t o r si sp r e s e n t e d i tc a nm u c h i m p r o v e dt h en f p e r f o r m a n c ea sr e d u c i n gn e a r l y6 d bi n t h em o s t 7 u t i l i z i n go p t i m i z e d c - b a n da n dl - b a n d a m p l i f i e r s t oc o n s t i t u t eab r o a d b a n dc + l e r b i u m - d o p e da m p l i f i e rw i t hap a r a l l e ls t r u c t u r e ，t h i sa m p l i f i e rh a sas i m p l ec o n f i g u r a t i o n ， h i 曲f l a t t e n e dg a i na n dl o wn o i s e m e a n w h i l e ，w eh a v er e a l i z e da i la m p l i f i c a t i o nb a n d w i d t h o fo v e r7 0 n m ( 1 5 2 4 u m - 1 6 0 2 u m ) w i t h o u ta n yb r o a d b a n dg a i nf l a t t e n i n gc o m p o n e n t t h e c b a n da v e r a g eg a i ni so v e r3 0 d ba n dl - b a n d g a i nv a r i a t i o ni sl e s st h a n2 d b k e yw o r d s ：d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，e r b i u m - d o p e df i b e ra m p u n e r l - b a n d e d f a ，e r b i u m - d o p e d f i b e r l a s e r , b r o a d b a n de r b i u m - d o p e d a m p f i f l e 毛f i b e rl o o mm i r r o r , g a i nf l a t t e n ，g a i nc l a m p i n g , g a i nc o n t r o l ， s u p e r - f l u o r e s c e n ts o u r c e 南开土学硕士学位论文 第一章绪论 l - 1 光纤通信系统研究热点 光纤通信因其频带宽、容量大、中继距离长、抗干扰性强、保密性强等特点 而得到飞速发展。二十世纪九十年代中期以来，互联网和通信行业的快速发展对 传送的信息容量提出了很大的需求。随着互联网i n t e r n e t i n t r a n e t 市场爆炸 性发展，人们对信息量的要求也越来越高，数据、图像传输及通信的发展，都需 要超高速、超大容量的光纤传输系统，现在光通信已成为世界各国电信业务传输 的主要手段，成为当今社会信息高速公路的主干道。这些都极大地推动了世界光 纤通信产业的发展。 1 , z , 3 i 面对这种挑战，产生了密集波分复用( d w d m ) 和掺铒光纤放大器( e d f a ) 两 种技术。掺铒光纤放大器的实用，可以补偿光纤线路的损耗和密集波分复用 ( d w d m ) 中的插入损耗，使长距离d w d m 成为可能。而d w d m 技术是实现在个通 道上同时传输多个波长信息，因此它的推广应用将使传输容量快速增长，通信网 中交换系统的规模越来越大，运行速度也越来越高，这是充分利用有限的资源、 提高效益、降低成本的发展方向。这两种技术因此也成为当前光纤通信系统研究 开发热点。密集波分复用+ 光纤放大器组成的高速、大容量光纤传输系统，已经 成为包括中国在内的世界各国光通信网络建设的首选方案。 i i 1 密集波分复用技术( d w d m ) 光波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术f 4 】的基本原理 如图1 所示，在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路 上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复用) ， 并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长 分割复用，简称波分复用技术。密集波分复用技术就是在1 5 5 0 n m 波长区段内实现 信道间隔为1 6 n m ，0 8 r i m 或更低的w d m 技术。和粗波分复用( c w d m ) 相比，更窄 的信道间隔可以复用的波长数更多，传输更多光信号。对于d w d m 系统中使用的波 长，国际电信联盟i t u - t 规定为基于参考频率1 9 3 1 t h z ( 1 5 5 2 5 2 n m ) 、最小间隔 为i o o g h z 【s 1 ( 等效波长间隔约为0 8 n m ) 的信道系列。目前一般系统应用时所采 用的信道波长是等间隔的。 第一幸绪论 和普通的w d m 相比，由于d w d m 是在一根光纤中同时传输具有不同波长的更多 个光载波，每个光载波又各自载荷不同的信息业务，而每一信道可以以不同的形 式调制的通信方式，因此能够充分利用光纤巨大的带宽资源；组网方式灵活；能 实现单根光纤多路传输以及双向传输，从而节约线路投资；能够同时传输多种不 同类型的信号，承担多种业务；对超高速器件的要求不高等优点，成为目前光纤 通信扩容最主要的方式。从世界范围来看，目前正在建设或将要建设的商用光纤 通信系统基本上都是w d m ，原有的光纤通信系统也都将陆续被改造成w d m 系统 6 】。 c h l c h 2 l c h 。 图1 波分复用( w d m ) 的原理图 归纳起来，密集波分复用技术有如下主要特点： 1 充分利用了光纤的巨大宽带资源 c h l c h 2 ： ： c h 。 d w d m 技术充分利用了光纤的巨大带宽资源( 低损耗波段) ，使一根光纤的传 输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本， 具有很大的应用价值和经济价值。 2 同时传输多种不同类型的信号 由于d w d m 技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信 号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，实现多媒 体信号( 如音频、视频、数据、文字、图像等) 混合传输。 3 实现单根光纤双向传输 2 南开土学硕士学位论文 由于许多通信业务( 如电话) 采用双向工作方式，因此使用d w d m 技术可以 节省大量线路投资。 4 具有多种应用形式 根据需要，d w d m 技术可以有很多应用形式，如长途干线网，广播式分配网 络，多路多址局域网络等，因此对网络应用十分重要。 5 节约线路投资 d w d m 技术在单根光纤中传输多个波长的信号，所以在大容量长途传输可以 节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率富 余度较大，就可进一步增容而不必对原系统做大的改动。 6 降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足。使用d w d m 技术，可以降低对一些光电器件性能上的极高要求，使其不受电子器件速率瓶颈 的限制，同时又能实现大容量传输。 7 易于引入新业务 d w d m 信道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。在网络扩 充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务( 例如i p 等) 的方便手段。 通过增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量，如目前或将要实现 的i po v e rw d m 。 8 高度的组网灵活性、经济性和可靠性 利用d w d m 技术选路，实现网络交换和恢复，从而实现未来透明、灵活、经济 且具有高度生存性的光网络。 d w d m 技术对网络的扩容升级、发展宽带业务、充分挖掘光纤带宽潜力、实现 超高速通信等具有十分重要的意义，尤其是d w d m 2 上掺铒光纤放大器更是对现代 信息网络具有强大的吸引力。目前c 波段的e d f a 已经商用，l 波段的e d f a 和s 波段 的掺铥光纤放大器( t d f a ) 也在研制当中，如果把s 、c 和l z 个波段的光纤放大 第一章绪论 器连接起来构成超宽带光纤放大器，就能在1 4 5 0 1 6 2 0 n m 的范围内实现d w d m 系 统，大大提高线路的传输容量。随着各种关键技术的成熟，这种波分复用和宽带 化相结合的技术已越来越显示出强大的生命力。 目前，市场上逐渐采用了s d h6 2 2 m b it s 和2 5 g b it s 系统。国产8 2 5 g b i t sd w d m 系统己用于济南一青岛级干线，3 2 2 5 g b it s d w d m 系统已在大规 模推广用，l o g b it st d m 系统也通过了实验室验收，2 0 0 1 年l o g b it ss d h( 光 同步数字系列) 进入实用化阶段。2 0 0 2 年推出了超大容量4 0 g b st d m 的s d h 系统 和1 6 t b s 的d w d m 商用系统。目前波分复用实验室最高水平已做到2 7 3 个波长、每 波长4 0 g b 的1 0 9 t b 系统( 日本n e c ) ，l u c e n t 宣布实现了单信道1 6 0 g b s 和d w d m 16 t b s 的传输实验记录。 1 1 2 掺铒光纤放大器( e d f a ) 随着光纤通信系统传输距离的延伸和全光通信网络的兴起，光纤损耗成了限 制光信号传输的重要因素之一。在波分复用系统中，波分复用器和解波分复用器 有其不可克服的固有插入损耗，而且，这种插入损耗会随着波分复用信道数的增 加而急剧增加。e d f a 的出现正是为了解决这个难题，它给波分复用系统的发展带 来了强劲的动力。 在w d m 系统的发送端用光纤放大器作功率放大器，可以补偿波分复用器的插 入损耗，提高进入光纤线路的功率m ，延长信号传输距离。对于该类放大器一般 是放大一l o d b m 一3 d b m 的信号，典型值o d b m 。一般商用该类e d f a 的输出光功率大 于1 3 d b m ，噪声指数为5 d b 左右。 在波分复用的接收端，为补偿解波分复用器的插入损耗，也必须在解波分复 用器之前配置光纤放大器作为前置放大。对于该种放大器，一般是放大一4 0 d b m 一2 5 d b m 的小信号。所以对放大器的要求是噪声低、增益大，一般该类商用e d f a 噪声指数低于4 5 d b ，增益大于2 5 d b 。 波分复用光信号在光纤中传输时，不可避免地存在一定的损耗，损耗将导致 光信号能量的降低，因此每隔一段距离就需设置一个中继器，以便对信号进行放 大和再生后继续传输，使w d m 的实现成为可能嘲。e d f a 用作中继器的优点，除了 不需传统中继站复杂的光电光转换，因而成本与功耗都低之外，还在于当系统的 传输速率与调制方式需要改变时，仅需要改变光发射与接收端机而线路基本可维 南开土学硕士学位论文 持不变。对于该类放大器一般是放大一2 8 d b m 一5 d b m 的信号，商用该类e d f a 的增 益大于2 0 d b 噪声，指数小于或等于5 d b 。 掺铒光纤放大器的基本工作原理是：在泵浦源的作用下，高能级的亚稳态粒 子数多于低能级的基态粒子数，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，当输入光 信号的光子能量正好等于两能级的能级差时产生了受激辐射，亚稳态上的粒子跃 迁回基态的同时辐射出和输入光信号的光子一样的全同光子，从而使光信号得到 放大。 基本结构如图2 。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向 传输。泵浦激光波长为9 8 0 r i m 或1 4 8 0 h m ，用于提供能量。耦合器的作用是把输 入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到 输入光信号中，实现输入光信号的能量放大( 图3 ) 。实际使用的掺铒光纤放大 器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两 个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的 增益曲线，般还需加入增益平坦滤波器。 按照泵浦光源的泵浦方式不同，e d f a 又包括三种不同的结构方式：同向泵 浦、反向泵浦和双向泵浦9 1 。图2 为前向泵浦结构，输入光信号与泵浦光源输出 的光波，以同一方向注入掺铒光纤。 图2 掺铒光纤放大器的基本结构 o 翻 薯 8 1 u 一，uu 熟k 。 广 肇羲伽确) 图3 有输入光信号时的输出光谱 掺铒光纤放大器实用化，实现了直接光放大，代替了大量的电再生中继器， 使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系 统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术 的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。e d f a 不仅可以放大单个信道的信 冒毒3并母嚣， 第一幸绪论 号，而且可以同时放大多个不同波长的光信号，即用同一个放大器对多个信道提 供增益；在15 5 0 r i m 窗口既可以将数字信号，也可以将模拟信号进行直接全光放 大，并对码型和速率都是透明的；增益不受信号偏振的影响，在高速率多信道 的传输系统中不会产生串扰，在高速传输系统中也不会产生脉冲失真；加上其本 身具有高增益、高输出功率、宽带宽、低噪声等优点，已成为新一代长距离、大 容量、高速率光纤通信系统中不可缺少的光纤器件。根据光纤通信系统的不同应 用，可将e d f a 作为功率放大器( b a ) 、线路放大器( l a ) 和前置放大器( p a ) ， 还可作为光功率补偿器广泛应用于光纤c a t v 和光纤用户接入网络中。作为光 纤通信系统中最杰出和最成功的技术之一，随着e d f a 的不断完善和发 展，它的应用前景会更加广阔。 1 2 掺铒光纤放大器在通信系统中的发展 w d m 技术之所以发展十分迅速，得益于掺铒光纤放大器的研制成功和应用。 迄今为止，几乎所有的w d m 系统，不管是试验系统，还是商用系统都使用了光纤 放大器。掺铒光纤放大器是目前广泛使用的是光放大器。其单泵浦的增益典型值 为1 7 d b ，双泵浦的增益典型值为3 5 d b ，噪声系数一般为4 7 d b ，带宽为3 0 n m ，在 带宽内的增益偏差为l d b 。由于其独特的性能，己广泛应用于高速s d h 、d w d m 和 全光网络系统中，成为新代光纤通信领域中不可缺少的关键器件。 目前光纤通信系统研究的主要目标是如何利用现有的光纤传输系统，进一步 提高通信容量。目前，增加光纤通信容量的基本途径有三条：( 1 ) 提高单信道数 据传输速率：( 2 ) 运用复用、密集复用技术，减少信道间隔，在有限的带宽范围 内增加信道数目；( 3 ) 增加传输带宽。 1 单信道数据传输速率1 9 9 5 年1 5 5 m b i t s ，1 9 9 7 年为6 2 2 m b i t s ，而到1 9 9 8 年达到2 5 g b i t s ，到1 9 9 9 年则突破l o g b i t s 。目前单信道的最高速率为 1 6 0 g b s ，几乎达到电子器件速率的极限。随着传输速率的提高，色散对系统的 影响会增大，甚至还会引起偏振模色散。众所周知，偏振模色散是随机的，极难 补偿而且价格昂贵，它将成为限制单信道传输速率的主要因素。 2 采用波分复用技术，可以有效的成倍扩充系统通信容量。由于光源稳频、 阵列波导光栅滤波、波长交错器( i n t e r l e a v e r ) 等技术的使用，使得系统中的信 道间隔从i t u t 规定的1 0 0 g h z 变得更低。但复用信道数量的增多，必然导致信 南开土学硕士学位论文 道间隔的减小，信道间隔的减小将会伴生非线性效应的增强，从而引起信道串扰。 而且，密集波分复用系统中随着信道数的增多，对控制增益和减少噪声的技术要 求更加严格，这就需要系统中的光纤放大器具有智能化。 3 增加传输带宽。多波段光纤放大器共同使用的尝试，为以后充分利用光 纤丰富的带宽资源，实现多窗口超宽带光纤通信奠定了基础。但是增加传输带宽 也不可避免的要求各个波段带宽的传输信号具有相同的增益和噪声特性，对宽带 宽通信系统连接不同传输波长区段时使用的光纤放大器提出了更高的要求。 随着高速率w d m 通信、特别是网络技术的发展，e d f a 性能的某些缺陷，如 增益谱非均匀性等对系统特性的影响也愈加明显地暴露出来。在实际应用中，密 集波分复用系统为了扩展传输容量，除要求e d f a 有足够高的增益外，还要求e d f a 有足够的带宽，应解决增益平坦、动态可调增益和锁定、光浪涌和嗓声积累等问 题。 目前，e d f a 的带宽已经达到4 0 n m ，虽然其带通内的增益平坦并不十分理想， 但还是能够满足普通波长密度的d w d m 系统的传输要求。然而对于更加密集型传 输则明显不足，因各信道的波长不同而有增益偏差，经过多级放大之后，增益偏 差积累，最终造成整个系统不能正常工作。因此，要使各个信道上的增益偏差处 在允许的范围内，放大器的增益必须平坦。 同时在d w d m 光通信网中，要求e d f a 能够根据信号的变化，适时地动态调整 自身的工作状态，从而减小信号波动的影响，保证整个信道的稳定，这与单一的 静态点到点传输链路明显不同。 e d f a 的采用可使输入光功率迅速增大，但由于e d f a 的动态增益变化缓慢， 在输入信号跳变的瞬时将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是在e d f a 级连时，光浪涌更为明显。峰值光功率可达数瓦，有可能造成光电转换器和光连 接器断面的损坏。因此在e d f a 实际应用于d w d m 光通信网络中时，引入有效的功 率控制技术显得尤为重要。 理论上e d f a 的噪声系数可以达到3 d b ，但在实际应用中一般为4 - 6 d b 左右。 也就是说，经过e d f a 放大后，信噪比至少劣化1 倍到2 倍，而且信噪比劣化的 程度与级连的e d f a 数量和e d f a 之间光纤段的跨距有关，特别是光放大器之间光 纤段的跨距越大，信噪比劣化就越严重。因此，在无电中继器传输总距离( 色散 第一幸绪论 受限距离) 确定的情况下，应使光纤段的跨距长度小于1 2 0 k m ，一般控制在 8 0 k m - 1 2 0 k m 以内，以保证信号传输性能对信噪比的要求。 本论文将主要围绕密集波分复用技术和增加传输带宽两方面，对其中e d f a 的增益控制和宽带化等技术进行讨论。 1 2 1 掺铒光纤放大器的智能化 通常e d f a 的增益谱并不平坦。这种以均匀展宽为主的e d f a 不同信道之间存 在强烈的竞争，当多个波长的光信号通过e d f a 时，不同信道的增益会有所不同。 为了确保w d m 系统的传输质量，w d m 系统中使用的光纤放大器除具备有足够的带 宽、高输出功率和低噪声系数等特性外，还应对增益进行有效的控制，这就提出 了更高的要求。工作于w d m 传输系统中的光放大器应具有智能化，即对不同波长 都能够保持恒定的增益，平坦的动态增益谱【1 0 】。 e d f a 的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内，最大增益波长点的增益 与最小增益波长点的增益之差。很明显，在w d m 系统中增益平坦度越小越好，否 则，如果各信道的增益不均，e d f a 同时放大多个波长并在级联使用时，各个放 大器的不平坦增益差值将会线性累积”1 ”1 ”，造成信道的功率分配不均，导致某 些信道的增益剧增而另一信道的增益剧减，增益抖动将迅速被放大，导致系统动 态失衡并出现误码，低增益信道信号的信噪比恶化，高增益信道的信号也会因光 纤非线性效应而恶化，因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器 的增益就必须平坦；另外，在多点对多点的光纤通信网络中，通过e d f a 的信道 数会随网络的重构或信道的上下载而随机改变，e d f a 泵浦功率会在剩余的信道 中重新分配，造成剩余信道总功率的随机变化以至引起线路阻塞，影响系统的稳 定性。同样某信道功率改变，也会引发其它信道功率跳变等等，都会产生传输错 误。为了得到平坦的动态增益谱并保持恒定的增益，就需要采用增益控制技术来 解决上述问题，目前的e d f a 在d w d m 长距离传输系统中的增益控制技术主要考虑 增益平坦及增益锁定两方面： 增益平坦主要是指采用一些方法将e d f a 增益谱中1 5 3 2 n m 附近的峰值压平， 与后面的增益平台保持一致，从而使得放大器在增益带宽内对各个波长作用相 同：增益锁定，即e d f a 在一定的输入光功率变化范围内提供恒定的增益。这样 当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。 南开大学硕士学位论文 1 2 2 掺铒光纤放大器的宽带化 在密集波分复用系统中为了容纳更多的信道，提高系统容量，需要拓展掺铒 光纤放大器的工作波长范围。原则上讲，在石英光纤的两个低衰耗窗口( 13 1 0r l m 、 l 5 5 0 h m ) 都可以进行波分复用。鉴于目前成熟的光纤放大器只适应于l5 5 0r i m 波段，一般光纤放大器的可用增益频谱范围为c 一波段( 15 2 5n m l5 6 5r i m ) 。光 纤的低损耗带在1 5 0 0 n m 前后有1 0 0 多近2 0 0 n m ，现在仅利用了1 5 5 0 n m 附近c 一波段3 0 多n m 的带宽，1 9 9 7 年4 月，1 1i1 、( g m c s ) 建议的波分复用波长范围为1 5 2 8 7 7 n m 1 5 6 0 6 1 n m ，可见目前爻 句、琏用的波长资源还十分有限，还有很大的潜力可以挖 掘。 为了充分开发波长资源，理想的光纤放大器应有足够的增益带宽。充分利用 光纤潜在的资源，通过开发新型超宽带器件，拓宽光纤通信带宽，特别是l - 波段 ( 1 5 7 0 1 6 2 0 h m ) 光器件的研制引起了广泛的关注，将是提高光通信容量最有效 的方法。2 0 0 0 年日本的f u j i s u 公司报道了一种l 波段w d m 系统，单路传输速率为 l o o b i t s ，共有6 4 个波长，全部位于l 一波段，所用放大器为9 8 0 n m 1 4 8 0 n m 混合泵 浦长波段掺铒光纤放大器( l - b a n de d f a ) 。系统进行1 0 1 2 7 k m 的长距离传输后， 仍保持了1 0 1 的误码率；1 9 9 8 年日本n t t 报道的c + l 一波段系统速率达到1 t b i t s ( 5 0 x 2 0 g b i t s ) ，其中3 0 个波长信道在l 一波段，传输距离为6 0 0 k m ；2 0 0 0 年，贝尔 实验室在世界光通信会议( o f o 上的报道，速率达到3 2 8 t b i t s ( 8 2 x 4 0 g b i t s ) ， 其中的4 2 个波长信道在l 一波段，传输距离为3 0 0 k m 。 为了满足对通信容量的需求的增长，将密集波分复用系统由传统的c 一波段延 伸到l 一波段已经是大势所趋。c + l 一波段超宽带掺铒光纤放大器的开发不但使得 通信的带宽成倍的增长，而且与增加单个信道的传输速率或者减少信道间隔等其 他提高通信容量的方法相比，不会增加系统的色散，也不用担心过窄的信道间隔 可能带来的四波混频( f 1 v m ) 等非线性效应，有效避免了系统的性能恶化，成为 光通信领域研究开发的热点 1 4 , 1 5 l 。 第一章绪论 1 3 本文主要内容 本论文的工作主要是结合两个天津市科委基金重点项目( c + l ) 超宽 带光纤放大器、智能光纤放大器及光源研究完成的，考虑当前掺铒光纤放大器的 发展方向和研究热点，主要内容包括： 1 综合评述了d w d m 系统中e d f a 增益控制技术的发展趋势，包括增益平坦和增益 锁定两方面内容，并对典型的实旌方案进行了比较和分析，提出了几种实验方案。 2 利用双折射光纤环境的透射谱的梳状特性，设计并制作了一个结构简单的可 调谐光纤衰减器，其透射谱周期为3 4 r i m ，等强度梁调谐的方法使其透射谱平移超 过半个周期，从而达到在1 5 5 0 n m 波段的衰减，其衰减量超过3 4 d b ，且插入损耗小 于1 5 d b ，预计可以在以后的增益控制的实验中使用。 3 提出了一种结构新颖的线性腔掺铒光纤激光器。由光纤光栅和高双折射环镜 共同构成波长选择器件，获得了波长间隔约为0 8 r i m ，边模抑制比大于5 4 d b 的1 5 波长的激光输出。其激光的最大输出强度为2 5 d b m ，且在整个波长调谐范围内的 强度波动小于1 1 d b m 。实验中还通过调节偏振控制器改变环镜对不同波长的反射 率，从而使得输出激光的功率在超过1 3 5 d b 的动态范围内得到了控制。这种对激 光强度调节的方法可以作为d w d m 通信系统中增益控制实验的参考。 4 提出了一种结构新颖的l 一环形腔掺铒光纤激光器，有效的提升了l 一铒光纤激 光器的性能：阈值功率降低了4 m w 以上，斜率效率提高了约2 2 个百分点，激光的 最大输出功率增加了2 w 。这种利用光环形器将后向的a s e 再引入铒光纤的前端， 重复利用a s e 的方法对超宽带连接中提高l 一波段掺铒纤放大器的增益也有借鉴价 值。 5 提出了一种高效、超宽带、平坦的超荧光光源结构。实验结果得到了覆盖c + l 波段的超荧光光源，在1 5 2 7 2 - 1 6 0 3 2 n m 波长范围内，自发辐射谱功率高于 一2 5 o d b m ，自发辐射谱的不平坦度为1 4 d b 。 5 利用高双折射光纤环镜，设计了一种新颖的l 一波段掺铒光纤放大器，可有效 的改善l 一波段的噪声状况，最多降低近6 d b 。 南开大学硕士学位论文 7 实验研究了c + l 波段超宽带掺铒光纤放大器，通过优化改善两个波段的放大 器和简单的并联连接，研制出了一台结构简单，高增益低噪声，增益平坦的超宽 带掺铒光纤放大器样机，实现了从1 5 2 4 n m 到1 6 0 2n i i l 超过7 0 n m 带宽内平坦增益，其 中c 一波段在1 5 2 4 n m - - 1 5 6 4 n l 之间平均增益超过3 0 d b ，l - 波段从1 5 7 2 n m 一1 6 0 2 n m 增益起伏小于2 d b 。 弟；幸掺铒光纤教太器的宽带化 2 1 概述 第二章掺铒光纤放大器的宽带化 在w d i i d w d i i 系统中，对不同波段的信号可以通过掺杂不同稀土材料的光纤 放大器进行放大。目前有工作在1 31 2 m 的掺镨光纤放大器( p d f a ) 、工作在 1 4 6l - tm 的掺铥光纤放大器( t d f a ) 、工作在1 5 5 lum 的掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 、工作在1 6 5um 的包层掺铽的掺铥光纤放大器( t d f a t b ) 等等( 图 1 ) 。在所有的光纤放大器中，e d f a 在技术以及相关研究上已经相当成熟，在 实际中也得到广泛的应用，所以目前光通信大部分都使用1 5 5 “m 处的低损 窗口。随着w d m 系统对带宽的需求日益增长，通常使用的c 波段已经难以满足要 求，目前，国内外都积极开展超宽带( s + c + l ) 光纤放大器的研究，不过由于 s 波段掺杂光纤放大器设备复杂，成本高，目前还不是市场应用的主流；而l 波段e d f a 的开发和l + c 两波段连接起来的宽带e d f a 因其结构简单，实用化强成 为研究的热点。 1 ，2 1 0 io 8 矗0 , 6 姆0 4 “0 2 0 1 l5i 岳 i 7 精 ! ! 漩托，h m 翥。 茗耋 戆 ； 图1 各种光纤放大器以及e d f a 的c 波段与l 波段 c 波段可以通过各种手段使其增益平坦化，研究日渐成熟；而l 波段增益 具有内在的平坦特性，当前超宽带放大器的研究重点是如何实现l 一波段信号 高增益低噪声的放大，当采用些方法将l 波段增益有效提高后，通过c 波 段e d f a 与l 波段e d f a 级联，则e d f a 可具有宽达8 0 h m 增益平坦的宽带波 段供将来的d w d m 系统使用。 南开土学硕士学位论文 在e d f a 增益谱上存在长波长段( l - b a n d ) 的平坦增益谱，其波长范围是 1 5 7 0 1 6 1 0 h m 。由于该波段远离铒离子的发射谱中心，l 波段e d f a 的增益明显 低于c 波段，因此e d f a 的l 波段的带宽资源一直没有被利用。为了使用l 波 段带宽资源，国内外已经开展了初步研究并提出了许多提高l 波段增益系数的 解决方法，都能将l 波段增益提高到2 0 d b 以上。这些方法主要有三种：( 1 ) 开 发不同基质的掺铒光纤，这种方法在实际应用中会出现掺杂光纤与普通硅基光 纤的连接问题；( 2 ) 传统e d f a 跟光纤喇曼放大器( f r a ) 联合使用，由于f r a 需要多个不同波长的高功率泵浦激光器来得到宽的平坦化带宽，增大了成本； ( 3 ) 采用不同结构的硅基掺饵光纤放大器，基于成熟c 一波段技术更具有实用 性。 有研究表明，通常的e d f a 是用的9 8 0 h m 或1 4 8 0 h m 作为泵浦源，这种泵浦源 可使e d f a 具有较高的增益系数，但是在1 5 3 0 1 5 6 0 n m 波段内会产生大量的放 大器自发辐射( a s e ) ，a s e 是影响e d f a 性能的一个重要原因，同时也浪费了大 量的泵浦能量。如果将少量的a s e 反射回e d f a 中，在光纤放大器的作用下会 被成倍地放大，由于增益饱和效应，必然降低c 波段信号的增益。在光纤放大器 的末端，9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 的泵浦源因增益饱和效应已经被耗尽，此时放大了的 a s e 光子会被光纤所吸收并放大l 波段的输入信号光脚。本章实验中采