（光学专业论文）cl波段平坦的掺铒光纤宽带光源和光谱分割梳状多波长光源研究.pdf

里型垫奎兰堡主兰堡堡塞! 墅生 摘要 随着光纤通信中波分复用系统( w d m ) 向宽带发展，c + l 波段平坦的宽带光源及其分 割成的梳状多波长光源是密集波分复用( d w d m ) 的关键技术之一它是近年光通信领域学 者们关注和研究的热点。 本文的主要工作是对d w d m 系统中的c + l 波段平坦宽带光源和光谱分割梳状多波 长光源的应用基础和技术进行深入的研究。 论文提出了一种前向泵浦双级双程结构的掺铒光纤超荧光光源，选择高掺杂铒光纤和 1 4 8 0 n m 半导体激光器作泵浦源，采用宽带光纤反射镜将后级掺铒光纤中产生的正向l 波 段a s e 反馈注入到前级掺铒光纤中放大，使l 波段上的功率得到有效的提高，获得了带 宽近8 0 n m ，输出功率2 8 m w 的c + l 波段超荧光宽带光源。 在c + l 波段宽带光源的平坦化技术上，提出一种单级c + l 波段光谱平坦的掺铒光 纤超荧光宽带光源，采用前后向双向泵浦单级掺杂铒光纤，选择9 8 0 n m 半导体激光器作为 后向泵浦源，1 4 8 0 n m 波段半导体激光器作为前向泵浦源。通过9 8 0 n m 半导体激光器后向 泵浦掺铒光纤产生的c 波段的超荧光放大1 4 8 0 n m f ，导体激光器前向泵浦同段掺铒光纤产 生的l 波段超荧光，使得l 波段上的功率得到极大的提高，c 波段上的功率则略微下降， 从而获得平坦带宽达8 0 f i m ，功率为2 2 5 m w ( 1 3 5 d b m ) 的c + l 波段超荧光宽带光源。单 级c + l 波段光谱平坦的掺铒光纤超荧光宽带光源在国际上是首创的。 在光谱分割多波长光源方面，提出两种具有显著优点的光谱分割多波跃光源。第一、 环形腔反馈注入式光谱分割梳状多波长光源，选择高稳定度f - p 滤波器对半导体激光器泵 浦掺铒光纤的后向输出超荧光进行分割，利用一只的宽带光纤耦合器分出一定比例的梳状 光谱反馈注入到掺铒光纤中，根据梳状光谱重新分配掺饵光纤放人白发辐射，即在激励谱 强度火的地方，自发辐射强，激励谱强度小的地方，白发辐射弱，使多波长光源功率比简 单光谱分割技术提高7 5 d b ，信噪比达2 0 d b ，光源的波& 位置具有很好的稳定性。第二、 反射式光纤马赫曾德( m _ z ) 滤波器的线性腔全光纤光谱分割多波长光源，设计反射式光纤 m z 滤波器作为双程前向或者双程后向掺饵光纤超荧光光源的反射镜，由于反射式m _ z 滤波器技术简单、在带宽范嗣内的透射谱消光比都是一样的，网此，反射式m - z 滤波器全 光纤光谱分割多波长光源将比级联长周期光栅对光谱分割多波长光源更为理想。 最后，我们设计了用于多波长光源中的高稳定度的f - p 滤波器，并提出两种高精度测 量f _ p 滤波器间距的方法，利用f p 滤波器结合副载波复用实现两路、f 导体激光器波长的 锁定实验。 本论文i ：作以国家8 6 3 项目、美国松光电子国际合作项目、华为科技基金和香港理工 大学科研基金等项目为背景。论文的研究成果为顺利完成这些项目起到了重要作用。 i ! 里塾垫查兰坚圭兰竺堡壅! ! 曼 本文创新点和特色： 1 在国际上首次提出并实现在单级掺铒光纤中获得波k = 覆盖光通信c + l 波段的超荧 光平坦宽带光源，该光源具有光谱平坦度好，输出功率高币易丁实现的优点，是目 前报道的能获得8 0 n m 平坦带宽的晟好光源结构。 2 首次提出利用高稳定度f p 滤波器的反馈环形腔注入方法实现光谱分割多波长光源， 获得了信噪比高达2 0 d b 的高度热稳定梳状多波氏光源，并提出两种高精度的f p 间 距测量方法：光谱法和透射峰移动计数法。 3 对前向泵浦双级双程结构的掺铒光纤超荧光光源做了重要的改进，使光源在l 波段 上的功率得到更大的提高。 4 改进了线性腔双程前向结构和双程后向结构光谱分割多波长= 光源中的滤波器，设计 了反射式全光纤m - z 滤波器线性腔光谱分割多波长光源。 关键词：c + l 波段平坦宽带光源；光谱分割梳状多波长光源；f p 滤波器；波长锁定 单频激光。 史里登垄查兰堕主兰堡笙塞一j 堕曼 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p i n go fw a v e l e n 舀hd i v j s i o nm u 】t i p l e x i n g ( w d m ) 矗b e rc o m m u n j c a t i o n s v s t e mt o w a r db r o a db a n d w i d m c + l - b 锄df l a tb f o a db a n d w i d t hs o u r c e sa n dt h es p e c t r u m s l i c i n gm u w a v e l e n g t h s o u r c e sb a s e do ni th a v ec a u s es c h o l a r sm u c h 甜e n t i o n si no p t i c a ln b e r c o m m u n i c a “o n打e l ds i n c et h e y a f et h e k e yt e c h n i q u e s o fd e n s e w a v e j e n 垂h d j v i s j o n m u l t - p l e x i n g ( d w d m ) a p p l i c a t i o ng r o t m d w o r k a n dt e c h n i q u e sr e l a 钯dt oc + l - b a n dn a lb r o a db a l l d w j d ms o u r c e s a n ds p e c t r u ms l i c i n gc o m b “k em u l t i - w a v e l e n g i l ls o u r c e si nd w d m s y s t e mw i l l b es t u d i e d d e e p i yi nt l l i st h e s i s a f 西r s af o n v a r d p u 珊p e d 柳o - s t a g e a n dd o u b l e - p a s se r b ；u md o p e ds u p e r n u o f e s c e n t 鄢e rs o u r c ew a sp r e s e n t c d t h ep 0 w e ro f l - b a n da s ew a si m p m v e de 历c j e n c ya f l dac + l - b a n d s u p e r n u o r e s c e n tb r o a db a n d w i d t hs o u r c ew i t hn e a r8 0 n mb a n d w i d t ha 1 1 d2 8 m wo u t p u tp o w e r w a so b t a i n e db ys e l e c t i n gh e a v 订yd o p e de r b i u m 而b e l1 4 8 0 n m1 a s e rd i o d ep u m p i n gs o u r c ea n d u s i n gab r o a db 卸d w i d t hf i b e rr e n e c t o rt o f e e d b a c ka n da m p f yt h ef 0 九v a r dl - b a n da s e g e n e m t e db y t h e r e a 卜s t a g pe r b i u md o p e d 行b e ri nt h ef o r m e r - s t a g e i no r d e rt oo b t a i nn a tc + l b a n db r o a db a n d w i d t hs o u r c e ，ao n es t a g ec + l _ b 鲫dn a te r b i u m d o p e ds i l p e m u o r e s c e n tb r o a db 柚d w i d t h s o u r c ew a s p r e s e n t e d b ys e l e c t i n g a9 8 0 n ml a s e rd i o d e a sb a c k w a r dp u m p i n gs o u r a 1 1 da1 4 8 0 n mi a s e rd i o d ea sf o n v a r dp u m p i n gs o u r c e ，t h ep o w e r o fl - b a n da s ew a sj m p r 0 v e de 历c i e n c ya 1 1 dc b a n da s ep o w e rr c d u c e ds l i g h t l yd u et ot h e l - b a i l da s e p m d u c e db y1 4 8 0 n m1 a s c rd i o d ed e p l e t e dp a n ；a l l yt h ei n v e n e dp o p u i a t i o no f c _ b 锄da 1 1 d w 如s u b s t 柚t i a l l y a m p l i 6 e d t h e r e f o r e ，a c + l - b a n d s u p e r n u o r c s c e n tb r o a d b a n d w i d t hs o u r c ew 油n e a r8 0 n mn a tb a n d w i d t ha n d2 2 5 m w ( 1 3 5 d b m ) o u t p u tp o w e rw a s o b t a i n e d t h eo n es t a g ec + l - b 蛐d 们a te r b i u md o p e ds u p e 胡u o r e s c e mb r o a db a n d w j d l hs o u r c e w a s p r e s e n t e d f o r t t l e 向哑t i m e t o t h eb e s t o f o u rk n o w l e d g e i nt h ea s p e c to f s p e c t r u ms l i c i n gm u l t i w a v e l e n 甜hs o u r c e s ，t w ok j n d so fs p e c t m ms l i c i n g m u l t i w a v e l e n g t hs o u r c e sw i mo b v i o u sv i n u e sw e r ep r e s e n t e d t h e 矗r s to n ew a sr i n gc a v i t y f e e d b a c ks t n l c m r e s p e c 臼啪s l i d n g c o m b l i k e m u l t i - a v e l e n g 【h s o u e ，t h eb a c i c w a r d s u p e 川u o r e s c e n ts o u r c ev 愠ss l i c e db yah i g hs t a b i i n yf p 疥i t e ra n das m a l lp o r t i o no fi tw 越 f e e d b a c kt ot h ee r b i u md 叩e d 矗b c rb yab r o a db a l l d w i d t h c o u p l e t h e r e f o r e ，t h ea s ew i l l r e d i s t b u t ca c c o r d i n gt ol l l er e n e c t e d 趾df i l t e r c d s i g n a l t h eg 旧a t e rm ei n t e n s i t yi na n y s p e c h u mr a n g c m ej a 唱e rt h ea s e w i l lb ei nt h a tr a n g es ot h a tt h eo u t p u ts p e c n u mo f s u c ha m u i t i 。w a v e l e n g t hs o u r c e i s l a r g e r t h a n 协es i m p l e s p e c 仃u m s l i c e ds o u r c e b y7 5 d b ，t h e e x t i n c t i o nr a n o su pt o2 0d ba n dw i t hh i g hs t a b i l i t yo f w a v e l e n 殍hp o s j t i o n t h es e c o n do n ew 雏 i i i ! 里壁垫查兰丝主兰竺堡塞一! ! 兰 r e f l e c t e dn b e rm z6 l t e r l i n e a rc a v i t ya l lo p t i c a i 袖e rs p e c t m ms f i c f n gm u w a v e f e n 舀h s o u r c e ， m er e n e c t e dn b e rm zf i l t e rw a sd e s i 鲫e da c t j n g a st h er e n e c t c dm i r r o ro fad o u b l ep a s s f o n v a r do rad o u b l ep a s sb a c k w a r ds u p e r n u o r c s c e n ts o u r c e t h er c 门e c t e d 纳e rm z 行i t c ri s e a s l e rt om a n u f 如t u r ea t l dh 船u n i f 研mt r 锄s m i s s i o ns p e c ”u m w i t h i nt h eb a n d w i d t h t h e r e f o r e ，i t c 卸f o r e s e et h a tt h ea l ln b e rs p e c 咖ms l i c i n gm u l t i w a v e l e n 昏hs o u r c eb a s e do nr e n e c t e dn b e r m zi n t e r f b m m e t e rw i l lb em o r ei d e at h a nt h a tb a s e do nc a s c a d e dl o n gp e r i o d 韵b e rg r a t l n g s f i n a l l y ，t l l eh i g hs t a b i l i t yf - p 扣l t e ru s e di nm u l t i - w a v e l e n g t hs o u r c ew a sd e s i g n e da n dt w o h i g hp r e c i s i o n m e t h o d so ff p s p a c i n gm e a s u r i n g w e r e p r e s e n t e d a l s o ，t w o l dl a s e r s w a v e l e n g t hl o c k i n gw a sr e a l i z e de x p e m e m “1 yb y u s eo f 协ef pf i l t e r c o m b i n i n gw i t h s u b c 枷e r m u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e ， t h eb a c k g r o u n do ft i l i st h e s i sm u d e san a t i o n a l8 6 3p m j e c t ，a ni n t e m a t i o n a lc o o p e r a t i o n p r o j e c tw i t ha m e r i c a np i n e - p h o t o n i c sc o m p 舶y af u n do fh u a w e ic o m p 鲫ya n dar e s e a r c h f u n do fh o n g k o n gp l o y u t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sp a r t i a l l yc o n t r i b u t e dt o f u l f n lm e s e p r o j e c t ss u c c e s s 伽l y t h ei n n o v 叠t i o np o i b n dh i g hi i g h t so f t h i st h e s i si n c i u d e ： 1 i ti sp l i tf o n v a r da n dr e a l i z e df o r i h e 行r s tt j m et h a tc + l - b a n de r b j u md o p e d s u p e r n u o r e s c e n t f i b e rs o u 眦so b t a i n e di no n es t a g ee r b i u md o p e df i b e tt h es o u f c eh a sv i r t u e so ff l a t s p c c t r u m ，h i g l lo u t p u tp o w e r 龃de a s yt or e a l i z e i t st h eb e s tc o n n g u r a t i o nt | l a tc a i lg e n e m t e a n8 0 n mn a tb a n d w i d t hs u r n u o r e s c e n tf i b e rs o u r c et j l in o w 2 ah j 曲“j n c o nm t e 叩t o2 0 d ba n dh i g hs c a b i l j t ys p e c 咖ms l f c f n gc o m b l j k emu l c i - w a v e l e n g t hs o u r c eb a s e do naf pn l t e rw i t hr i n gc “i 可f e e 曲a c ks t m c t u r ew a sp r e s e n t e d 锄d 陀a l j z e df b rt h en r s tn m e b c s i d e s ，w 。p r e s e m e dt w oh i g hp r e c i s i o nm e 虹d so ff - p s p a c i n gm e a s u r i n g ：s p e c t mm e t h o d a n dt r a n s m i s s i o nr e s o n a n t p e c km o v i n gn u m b e r c o u n t i n gm e t h o d 3 a ni m p o r t a n tm o d 讯c a t j o no ft h e f o n v a r d 巾u m p e d ，t w o s t a g e ，a n dd o u b l e p a s se r b i u m d o p e ds u p c 棚u o r e s c e m 矗b e rs o u r c ew a sm a d e t h e b r e ，t h ep o w e ro fl _ b 卸da s e 吣 m p r o v e d 踊c i c y 4 t h e6 i t e ru s e di nad o u b l ep a s sf b n v a r do rad o u b l e p 船s b a c k 、v a r d s u p e r n u o r e s c e n t s p c c t r u ms l i c i n gm u l t i - w a v e l e n g t hs o u r c ew a si m p r o v e d 柚dar e a e c t e df i b c rm 屯6 i t e r l i n e a rc a v i t ya o p t i c a l 行b c r s p e c t r u ms l i c i n gm u l t i w a v e l e n 殍hs o u r c ew a sd e s i g n e d k e y w o r d s ：c + l b a n df l a tb 枷 b a i l d w i d t h s o u r c e s ； s p e c t n l ms i i c i n g c o m b l i k c m u w a v e i e n g t hs o u r c e s ；f - p 行l t e r ：w a v e l e n g t l ll o c k i n g ；s j n g l ef r e q u e n c y 舶e rl a s e l i v 望翌垫查兰堕主兰堡堡壅蔓二兰! ! 堂 第一章绪论 1 1 光纤通信历史回顾 如果说十九世纪下半叶是电子通信时代的开端，那么二十世纪下i 卜叶就是光纤通信时 代的开端。1 9 7 0 年，贝尔实验室研制出能在室温f 连续丁作的双异质结1 p 导体激光器 f g a a l a s ) 和美国康宁玻璃公司研制出的传输损耗仅为2 0 d b l c m 的光纤f 2 】，这两项关键技 术的突破，使得应用光纤进行通信从理想走向现实，从而揭开了光纤通信时代的序幕。 同顾光纤时代的历史，从光纤通信“元年”至今只是3 0 年的时间，光纤通信的发展 已经发生了翻天覆地的变化。从1 9 7 7 年世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入 商用，当时的速率为4 5 m b ，s 发展到现在1 0 g b ，s 甚至4 0 g b ，s 的通道速率，光纤通信系统已 经历经了多次的更新换代”j 。 第一代光纤通信的工作波长为短波长8 5 0 n m 波段，传输光纤用多模光纤。光源使用铝 镓砷( a i g a a s ) 半导体激光器，光电检测器为硅( s i ) 材料的半导体p 州光电二极管或半 导体雪崩光电二极管( a p d ) 。这一代光纤通信是以1 9 7 7 年美国芝加哥进行的码速率为 4 4 7 6 3 m b ，s 的现场实验为标志。第二代光纤通信的。1 椎波长为1 3 1 0 n m ，传输光纤仍是用 多模光纤。该波段是z i 英光纤的第二个低损耗窗口。相应的光源是k 波艮的铟镓砷磷，铟磷 ( i n g a a s p m i p ) 半导体激光器，光电探测器采用锗( g e ) 材料。1 9 8 4 年实现了f ：作波欧 在1 3 l o n m 的单模光纤通信系统，这是第三代光纤通信。单模光纤比多模光纤色散低得多， 损耗也更小。这代光纤通信r 。泛地用于长途干线和跨洋通信中。第四代光纤通信麻该从8 0 年代中后期开始，通信系统的i i = 作波长为1 5 5 0 n m ，传输光纤用单模光纤，1 5 5 0 n m 是_ i 英 光纤的最低损耗窗口。这代系统目前正处在实_ i _ i j 化的高潮阶段。 在第四代光纤通信中，具有代表性的技术是掺铒光纤放大器( e d f a e r b i u md o p e d f i b e ra m p l j 6 e r ) 和波分复用( w d m w a v e l e n g t hd i v i s j o nm u l t j p l e x ) 这两项关键技术。 1 9 8 6 年英国南安普敦人学研制出的第一只掺铒光纤放人器【4 l ，使得可以直接对光信号进行 放火，实现全光中继，这在光纤通信发展史中具有里程碑的意义，可与当年用品体管代替 电子管相提并论。而在一根光纤中同时传输多路信号的波分复刚技术的提出，充分利用了 光纤的带宽资源，大大提高了光纤通信容晕。e d f a + w d m 使得通信容量人人增加。 我们称之为第五代光纤通信则是在现行的通信设备基础上实现更人容鼙和更长距离 的通信。目前，增加光纤通信容量的基本途径有三条：( 1 ) 增加每个通信信道的数据传输 速率：( 2 ) 减少信道间隔( 即在有限的带宽范闱内增加信道数目) ；( 3 ) 增加传输带宽。 其中。增加传输速率如把每个信道的数据传输速率从2 5 g s 提高到1 0 g s ，色散对系统的 影响会更人，超过l o g ，s 还会引起偏振模色散、高阶色散等不利效庶【”】。信道间隔的减小 望壁丝查兰堕主兰竺堡壅里= 兰! ! 堂 将会伴生非线性效应的增强，信道间隔小丁- 5 0 g h z ，四波混频效廊的影响将会引起信号在 信道间的串扰，必须采取相应的抑制措施：另外，小的信道间隔还要求系统元什只有严格 的波k = 稳定性，带来系统成本的上升”。增加传输带宽，需要开发新型超宽带放人器， 如增益位移掺铒光纤放人器3 ”、掺铒碲化物光纤放人器3 4 。9 1 和分布拉曼光纤放人器h ” 以及其它宽带光纤无源器件等。这些问题和技术的突破都尚在研究之中，是目前【h 信领域 研究的热点。下表是1 9 9 9 年o f c 会议报道的超人容簧光纤通信实验系统，到2 0 0 0 年， 贝尔实验室在世界光通信会议( o f c ) 上的报道比特速率达到了创记录的3 2 8 t b j “s ( 8 2 x 4 0 g b i “s ) 。而目前的实验系统又有了新的进展。 容量及复用方式光纤长度特点研制单位 3 t b s o t d m ，w d m 4 0 k t n用t e d f an t t ( 1 6 0 g b sx1 9 c h ) d s f 光纤，零色散波k = 为1 5 3 5 n m 1 0 2 t b ，s w d m1 0 0 0 k m频带利用率：o 4 w h z 用s m f 光纤c n e t ( 2 0 g b ，sx5 l c h )1 0 1 k m 放大器m 距( 环路实验) 1 t b s3 4 2 l q n 用t n l e w a v e 光纤 l u c e n t ( 4 0 g b sx2 5 c h ) 8 5 k m 放大器间距 7 5 0 g b s2 0 0 0 k m采用c 波段和l 波段 t y c o ( 5 - 3 g b sx5 0 c h ，( 纯s i 光纤+ n z d sf 环路实验) 1 0 g b ，sx8 c h l 6 4 0 g b ，s7 2 0 0 k m频道利用牢：0 3 3 b 湘z t y c 0 ( 1 0 g b ，sx6 4 c h )n z d s f 光纤，耶路实验 4 9 0 g b s3 3 5 2 k m 采用拉曼放大+ e d f a 混合l u c e n t ( 1 0 g b sx4 9 c h )零色散光纤+ n z d s f 光纤 3 4 0 g b s w d m6 3 8 0 k m 实际光纤k 度线路试验( 非环路试验)a l c a t e l ( 1 0 g b sx3 4 c h ) n z d s f 5 0 g h z 通道i 隔 b o g b ，s d t d m1 7 2 l 田l 孤子系统，采用已敷设的光纤c h a l m e r 】o g x8 c h ( d s f 零色散波艮= 1 5 4 7 n m ) 2 ! 里登垫查兰堡主兰簦笙塞兰二兰! ! 堂 i 2 波分复用系统中的光源和放大器研究概况 波分复用( w d m ) 是指在一根光纤上同时传输多个波长信号的一项技术。其基本原 理是在发送端将不同波长的光信号组合起米，并耦台到光纤线路上的同一根光纤进行传 输，在接收端义将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复山原信号后送入不同的 终端。w d m 系统，本质上是光域上的模拟系统w d m 技术第一次把复用方式从电域转 移到光域，在光域上用波长复用的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用平放人- 而 不再同到电信号上处理。 典刑的w d m 系统的实现方案主要由五部分组成：光发射模块、光放人模块、光接收 模块、光监控模块和网络管理系统。在w d m 系统中众多的光电器件中，光放人器和光发 射模块中的光源是w d m 系统中的核心部件，其飞速发展促进和刺激着w d m 通信系统和 网络的发展。下面就波分复用系统中光纤放大器和光源这两方面国际上的研究情况作一概 述。 1 2 1 光纤放大器 近年来，密集波分复用( d w d m ) 技术由丁其卓越的优点而受剑专家学者的高度重 视，它能有效地利用光纤的带宽实现大容赞、长距离光纤通信。掺铒光纤放人器的实刚化 和技术日益成熟促进了真正意义上的密集波分复_ l j 技术的e 速发展，是光纤通信领域中的 一次革命。e d f a 具有增益高、带宽宽、噪声低、增黼特性对光偏振状态不敏感、对数据 速率以及格式透明且在多路系统中信道交叉串扰可忽略等优点，是其它光放人技术所不可 比拟的h 6 ，”l 。然而，一般的掺铒石英光纤放大器麻用丁d w d m 系统中，存在着一些不足 之处：其在1 5 5um 波段的放丈特性与波长有关，即本征增益谱不平坦，各个波k = 间有增 益差。e d f a 的增蔬一波欧特性不平坦导致不同波长的接收光功率筹异。对于多级级连 e d f a 系统尤其重要。在多波长级联e d f a 系统中，信号频带内的a s e ( 放人的自发光辐 射) 噪声在每个e d f a 得到累积，累积的a s e 噪卢还会由于k e 竹效应给信号带来相位上 的噪声，扩展了信号频谱，e d f a 级联数日较多时，多级级联后的e d f a 的增蔬曲线极不 平坦，可选_ 【 j 的增益区减小，各波长信号的增益不平衡，必须采取均衡措施。另外，放人 器的增益与输入信号总功率有关，对高功率输入，放人器会趋于饱和，导致网络中功率瞬 态效应。目前对于增益平坦化的研究。主要是研究自身增益平坦的e d f a 或在e d f a 外 部采用各种增益均衡技术，如端到端增益均衡，插入各种无源光滤波器( m - z 滤波器，卢 光可调滤波器，长周期光纤光栅滤波器) 等 4 ”。对功率瞬态，主要研究采t 【 泵浦反馈控 制法和全光增益控制法p ”。同时，为了成倍地提高光通信容鼙，充分利_ i _ | j 光纤低损耗区 的带宽资源，目前正在开发新型超宽带光纤放人器。f 面就e d f a 增益平坦化、增益钳制 技术和新型超宽带光纤放人器做一简单概述。 望型苎查兰堕主兰堡丝塞 一j 坠，! ! 坠竺 1 2 1 1e d f a 原理 一个典帮的e d f a 由掺铒光纤、泵浦激光器和波分复州器组成。其中掺饵光纤提供放 人，泵浦源提供足够强的泵浦功率，波分复用器将信号与泵浦光同时导入掺铒光纤，掺铒 光纤放人器的结构如图l 所示。 掺铒光纤 泵浦激光器 国l 光纤放人器结构丹；意图 e d f a 是利用激光泵浦石英光纤中e ，离子的受激辐射米实现对1 5 5 0 n m 波段光信号 的放大。泵浦源选择9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 半导体激光器。9 8 0 n m 泵浦方式可以保持较低的噪 卢系数，而1 4 8 0 n m 泵浦方式有着更高的泵浦效率，可以获得较人的输出功率。若采_ i j 两级泵浦，一级采用9 8 0 n r n ，一级采用1 4 8 0 n m 泵浦源。既改善了噪声系数，义增人了输 出功率。光纤放大器的理论模拟和仿真设计主要是基丁g i l e s 模型、s a l e h - s u n 模型、j o p s o n 模型和m l a c k b o x ) 黑盒子模型m ”。这些模型需要的参数有掺铒光纤( e d f ) 的发射截面、 吸收截面、辐射寿命和模场直径和e d f 长度、泵浦波k 、泵浦功率、输入信号功率等。 它们之间的理论关系是偏微分方程，通常根据系统要求数值解来获得设计参数。结合实验 测试结果，恰当的选择光路结构和参数来获得所需的e d f a 增益和噪声特性指标。 1 ，2 1 2e d f a 的增益平坦化 掺铒光纤的发射谱不平坦是造成e d f a 增j | ；l 谱不平坦的根本原冈。解决增益均衡的途 径首先是实现增益谱的平坦。方法人体上可分为滤波器刑、本征刑和动态增益平坦技术三 夫类。滤波器型是在e d f a 中内插无源滤波器将1 5 3 0 n m 的增茄峰降低，或专门设计其透 射谱与掺饵光纤增赫谱相反的光滤波器将增益谱削平。增黼平坦滤波器可以进一步改进 e d f a 的增茄平坦性能。使_ h j 透射谱和e d f a 增益谱相反演的滤波器，将高增_ i ；i 信道的增 益降低，从而获得平坦的增益曲线。增益平坦滤波器有很多类型，包括平面波导滤波器和 介质膜滤波器，使用最多的是长周期光纤光栅4 8 。“】。但是增益平坦滤波器的使用也带米了 新的问题。首先需要考虑滤波器的温度效应，e d f a 的i ：作温度范同较宽，相应地对滤波 器的温度稳定性也要求较高。其次，增益平坦滤波器是损耗掉高增益波长区的一部分功率 来求得增益均衡，这样就降低了输出功率和增益，并使噪声指数受到影响。此外，e d f a 的增盗曲线和特定的r 作条彳，f ：有关，冈此，当e d f a 的1 ：作条件发生改变，如在输入功率、 通道数日变化等i ：作参数发生变化的情况下，放人器的增益平坦特性会变筹。 - 4 生里壁苎查兰堡主兰竺堡塞墅= ! 兰j ! 堂 理论和研究发现，在掺铒光纤中掺杂一些铝元素可以有效改善e d f a 的平坦度，即本 征型增益谱平坦技术5 “。这种方法的晟大优点是无需制作雨j 引入附加元件，掺铝光纤还可 以增人放人器的放人频谱范围。通过改变光纤材料或利州不同光纤组合米改变e d f a 增茄 平坦性，还有掺氟化物光纤、掺碲化物光纤、混合型e d f a 和多芯e d f a 等技术。采州氟 化物光纤1 5 3 0 1 5 6 0 n m 的增益变化小丁1 5 d b ( 1 i 英光纤约为4 d b ) ，但噪卢指数偏人， 约为7 d b ( 7 i 英光纤约为5 d b ) ，而且氟化物光纤与z i 英光纤材料的不共性导致放人器r 艺和可靠性的诸多麻烦。比较折衷的方法是采用两级石英光纤和氟化物光纤的串联混合结 构。这样可以同时达到稳定的高增益，高输出功率和低噪声：最近报导采刚碲化物光纤平 坦增益带宽可以达到8 0 n m 。 随着宽带、长距离、大容量可重构光传送网络的发展，动态的增益平坦技术引起人们 重视。为了在宽的动态范围内实现e d f a 的增益平坦，动态增黼平坦滤波器或动态增益均 衡器技术得了很大的发展。主要技术有：基于拉曼放大的有源增益平坦技术p ”、基r 高坡 折射光环镜的e d f a 动态增益平坦技术i ”、基丁动态通道均衡器的技术、基丁动态频谱均 衡器的技术、全光纤声光可调滤波器的动态增盗平坦技术口”、基了：动态增益倾斜控制器的 动态增益平坦技术p ”等。目前动态的增益平坦技术已经是设计e d f a 必须考虑的问题。 1 2 1 3e d f a 的增益钳制 d w d m 用e d f a 的另一个要求是增益锁定。最常用的方法是通过控制泵浦电流米达 到增益锁定。这种方法容易实现，有锁定范嗣宽的优点。但其最大的缺陷是响应时间较慢。 由微处理器控制的泵浦电流响应一般需数百毫秒，难以解决突然上下光路造成的浪涌问 题。另一种方案是全光增益锁定。全光增益钳制是通过光反馈使某个波长的a s e 噪卢光 形成增益控制信号，并使掺铒光纤中的粒子数反转样度控制在一个闶定的水平，从而优质 e d f a 的增益固定，它包含同步放人和产生激光两个过程。根据激射要求，在e d f a 的增 益谱范嗣内选定某个特定波长，人为地形成一个环形反馈腔亓i 路或者激光谐振腔，以使不 同波长的信号经e d f a 放人时享用相同的反转粒子数。全光增益钳制技术在实现光增葫的 控制过程中，不需要任何电子控制的介入，且不需要使_ l f j 光有源器件。冈此，具有很好地 响应速度和可靠性高等优点。按反馈的结构，可分为环行腔结构和f p 腔结构两种5 7 删。 实际中，掺铒光纤1 f 均匀展宽引起的空间烧孔现象会导致单波长激光并不能完全控制放大 器的增益，当输入信号功率变化时，放大器增益仍有变化【6 ”。为了解决这个问题，w a n g 等人 6 日在反馈腔中加入饱和吸收体动态调整反馈腔的损耗，来降低强控制激光引起的空间 烧孔。另外，l i u 等人则采用两个反馈环路f 6 ，由两个不同波长的激光共同承担增茄控制， 在减弱控制激光引起的空间烧孔的同时，有效地抑制信号光的弛豫振荡。 5 生里壁垄查兰堕主兰竺堡奎j 墅兰! ! 坠 1 2 1 4 新型超宽带光纤放大器 普通e d f a 的放人带宽只有约3 5 n m ( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，只覆盖了x i 英单模光纤低损耗窗 口的一部分。这样就限制了能够容纳的波长信道数。冈此，要进一步提高传输窬耸，增人 光放人器的带宽非常必要。目前的方法主要有三种： 控制掺饵光纤的粒子数反转程度，放大1 5 7 0 一1 6 0 0 n m 波段，称为增益平移掺铒光 纤放大器( g s - e d f a ) ： 碲化物e d f a ，带宽可达7 6 n m ： 最近比较引人注目的是光纤喇曼放火器。7 i 英光纤中的喇曼增益谱宽达4 0 t h z ， 主峰在1 3 t h z 附近。利用这一特性，光纤可以硐作宽带放人器。只要能得到所需 的泵浦波艮就可以在任何波长处提供增益。 增益移位掺铒光纤放大器 常规e d f a 的可用增益带宽一般在1 5 3 0 n 盯卜1 5 6 5 n m ( c 波段) 。直到1 9 9 0 年，英国的 j fm a s s i c 酣等人研究发现，通过控制e d f 的长度，使饵离子的粒子数分布反转稳定在 较低的程度，可实现l 波段的光纤放大，在1 5 7 0 n m 一1 6 1 0 n m 范嗣内增茄高于2 5 d b 。这种 g s e d f a ( 也称为l 波段e d 队) 的增益谱虽然位丁 4 l m 一4 i m 能级跃迁辐射的带尾，吸 收和发射系数小，但是增益平坦，1 d b 偏离的增益带宽可达3 0 n m ，增益高于2 4 d b 【1 “。 由于低的粒子数分布反转度和低的吸收、发射系数，g s - e d f a 中需要的e d f 比较k ， 同掺杂浓度下约为常规c 波段e d f a 的4 5 倍。这增大了的光纤的吸收损耗和后向放人 自发辐射能罐的积累，降低了放大器的泵浦转换效率。增人了噪声系数。许多的研究i ：作 集中在改善g s e d f a 的这两大性能上。使用高掺杂 氐损耗的e d f ，可以减少所需光纤的 & 度，降低吸收损耗和斤向a s e 能量的积累，冈此能够提高g s - e d f a 的性能。现在，掺 杂浓度为1 9 0 0 p p m 的e d f ( 般e d f 的掺杂浓度为3 0 0 p p m 一5 0 0 p p m ) 已经可用，更高掺 杂浓度的光纤也已有研制。 除艮度和掺杂浓度对g s e d f a 的性能有影响外，e d f 的其它参数对其性能也有影 响。k ph a l l s e n 等人最近的研究显示，在1 4 8 0 n m 烈向泵浦的g s e d f a 结构中，选用截 i 波长在1 1 0 0 n m 附近的e d f 放大器的增益效率最高；而相同截r 波长情况f ，数值孔径 较人的e d f 的增益效率高。由此可见，优化组合e d f 的各种参数( 包括掺杂浓度、k 度、截j r 波长和数值孔径等) 也是设计g s e d f a 必须仔细考虑的问题。 另外，g s e d f a 的性能还受到泵浦源选择的影响。多数g s e d f a 的泵源选用9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 的半导体激光二极管。与c 波段e d f a 的情况相类似，9 8 0 n m 泵浦和1 4 8 0 n m 的泵浦备有优点，前者具有小的n f ，后者可得到人的泵浦转换效率( p c f ) i “j ，所以， 在有些报道中采| e i j