（通信与信息系统专业论文）光纤放大器新技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 作为密集波分复用( d 、加m ) 光网络的主要组件，掺饵光纤放大器( e d f a ) 随着新的网络性能要求的不断出现而不断发展。本文在深入研究一种新型全光增 益平坦动态增益筘制e d f a 之后，提出了全新的基于动态增益倾斜控制器 ( d g t c ) 的e d f a 动态增益均衡方案。研制出的c 波段动态增益均衡e d f a 整 机能实现1 8 d b m 一2 d b m 输入光功率变化范围内的增益平坦。输入光功率4 d b m 时的增益值达到了1 9d b 的水平，噪声系数优于6 d b 。本研究为一种创新的e d f a 产品的诞生打下了基础。 光纤到户无源光网络( p o n ) 作为新型接入网络的蓬勃发展，为光纤放大 器的应用提供了更为广阔的空间，也对光纤放大器提出了新的要求。本文对双 向光纤放大器在p o n 中的应用进行了研究，创造性地提出在以太无源光网络 ( e p o n ) 中采用分立式拉曼光纤放大器( 鼬a ) 延长传输距离的方案，仿真表 明该设计方案可将传输距离延长2 0 k m 。关于延长e p o n 传输距离的概念和遥 泵分立式拉曼光纤放大器的设计方案在世界上还未见报道，故这一研究也具有 创新性。 本文第一部分介绍了e d f a 的发展方向。第二部分在g i l e s e m m a n u e l 模型 的基础上，对e d f a 动态增益特性和相关参数之间的关系进行了理论分析和计算 机仿真。第三部分从理论上解释了全光增益筘制机理，着重对一种新型的动态增 益均衡e d f a 方案进行理论分析，并通过仿真对方案中的泵浦方式、泵浦功率、 光纤长度等进行优化设计。根据仿真结果制作了具有动态增益均衡特性的e d f a 整机，对其动态增益均衡特性进行了测试，验证了此方案的可行性，并对该方案 在输入光功率较大时存在的增益倾斜问题进行了研究。第四部分对d g t c 进行 详细的理论分析并设计了d g t c 的驱动电路。在此基础上，提出了改进的环行 腔全光增益箝制动态增益均衡加动态斜率补偿的实验方案。经测试，该方案通过 在第三部分开发的e d f a 整机后插入d g t c ，解决了e d f a 输入光功率较大时存 在的增益倾斜问题，为d w d m 系统提供了一种经济有效的c 波段e d f a 动态增 益均衡解决方案。第五部分首先介绍了e d f a 在p o n 中的几种应用方案，引出 实现双向放大和确保p o n 的无源性是两个研究重点。在此基础上，提出采用分 立式r f a 延长e p o n 传输距离的方案并进行了仿真。 关键词：动态增益均衡，e d f a ，d g t c ，c 波段，r f a v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ek e ym o d u l eo ft h ed e m ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x e d ( d w d m ) n e t w o r k s ， e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) i sd e v e l o p e dc o n t i n u o u s l yt om e e tt h en e wr e q u i r e m e n t s t ot h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k s a f t e rs u r v e y i n go nt h es e v e r a ls c h e m e so ft h ea l l - o p t i c a lg a i n c o n t r o le d f a ，an o v e lc o n f i g u r a t i o no fe d f aw i t hd y n a m i cg a i ne q u a l i z a t i o nb yu s i n ga l l - o p t i c a lg a i nc l a m p ，s t i l eg a i ne q u a l i z e ra n dd y n a m i cg a i nt i l tc o n t r o l l e r ( d g t c ) i sp r o p o s e d t h i ss c h e m ec a nw e l lc o m p e n s a t ef o rt h ed y n a m i cg a i nt i l t 、航mt h e19 d bf l a tg a i ni nt h ecb a n d a n dt h e6 d bn o i s ef a c t o rw h e nt h et o t a li n p u to p t i c a lp o w e rc h a n g e sf r o m 一18 d b mt o2 d b m t h i s r e s u l ti st h ef o u n d a t i o nf o rt h eb i r t ho fa ni n n o v a t i v ee d f ap r o d u c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o p r o v i d e sa 谢d ea r e af o rt h e a p p l i c a t i o no fo p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r s t h ea p p l i c a t i o no ft h et w o - w a yo p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r si n p o ni sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r a ni n n o v a t i v ec o n c e p to fe x p l o i t i n gd i s c r e t er a m a nf i b e r a m p l i f i e r ( r f a ) i ne p o n 惭t hr e m o t ep u m p i n gi sp r e s e n t e da n da ni m p l e m e n t a t i o n 谢mm a m a n f i b e ri sp r o p o s e d ，w h i c hh a sn o tb e e nr e p o r t e di nt h ew o r l d s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i ss c h e m e c a l le x t e n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fe p o nb y2 0k m f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n to fe d f ai si n t r o d u c e di nb r i e f t h e nt h ed y n a m i cg a i n c h a r a c t e r i s t i c so fe d f aa r es t u d i e db a s e do nt h eg i l e s e m m a n u e lm o d e l t h er e l a t i o nb e t w e e n t h ed y n a m i cg a i ne q u a l i z a t i o na n dt h em a i np a r a m e t e r so ft h ee d f ai sa n a l y z e da n ds i m u l a t e di n t h es e c o n dp a r t i nt h em 矾p a r t t h ea l l o p t i c a lg a i nc l a m pp r i n c i p l ei si n t r o d u c e da n dan o v e l c o n f i g u r a t i o no fe d f a 、析t l ld y n a m i cg a i ne q u a l i z a t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i la n ds i m u l a t e db a s e d o nt h es t u d yo ft h es c h e m e so fa l l o p t i c a lg a i nc l a m p t h e nt h i sn o v e ls c h e m ei si m p r o v e da n d i m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dr e s u l t s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n dt h e m e a s u r e dr e s u l t si sa n a l y z e d i nt h ef o r mp a r t t h e p r i n c i p l eo fd y n a m i cg a i nt i l tc o n t r o l l e r ( d g t c ) i sd i s c u s s e da n dt h ed r i v i n gc i r c u i tf o rd g t ci sd e s i g n e d a ni m p r o v e de d f a a r c h i t e c t u r ew i t hd g t ci sp r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h i sn e ws c h e m eo fe d f a h a sg o o dd y n a m i cg a i l le q u a l i z a t i o np e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fe d f ai np o ni si n t r o d u c e d t h ep r o b l e m so fh o wt o c o n f i g u r eat w o w a yo p t i c a l 舶e ra m p l i f i e ra n dh o wt ok e 印t h ea m p l i f i e dp o np a s s i v ea r e d i s c u s s e d t h e na ni n n o v a t i v ec o n c e p to fe x p l o i t i n gd i s c r e t er f ai ne p o n 、析mr e m o t ep u m p i n g i si m p l e m e n t e da n ds i m u l a t e d k e y w o r d s ：d y n a m i cg a i ne q u a l i z a t i o n , e d f a , d g t c ，c - b a n d , r f a v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i 睦趟e l 期：2 盟2 ：2 ：至多 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盥盐导师签名：乏塞缬日期：2 蛆：2 ：垄二 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自从单模光纤投入实用以来，限制高速光纤通信系统( 2 5 g b s 、1 0 g b s 系统) 进行长距离无中继传输的因素主要有两个，其一是光纤的损耗，其二是光纤的 色散。光纤的损耗使得信号在传输过程中不断衰减，致使光信号的传输距离受 到限制，而光纤的色散则产生码间串扰。传统的克服光纤损耗的唯一方法是在 通信线路中建设大量的再生中继站，以补偿光信号在光纤远距离传输中的损耗。 这种利用光电光转换的中继方式是不透明的，而且存在“电子瓶颈 效应， 这就抑制了巨大的信息传输需求，因此，增大传输距离和提高通信容量是光纤 通信技术发展的两大目标。 8 0 年代末掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现，给光纤通信技术的发展带来 了一场革命。e d f a 具有高增益、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等许 多优良特性，它以直接光放大代替了传统的光电光再生中继，克服了“电子瓶 颈”效应，传输速率和数据调制格式透明。此外，e d f a 具有近4 0 n m 的增益带 宽，可实现多波长同时放大，利于系统的升级扩容，这些特点使得e d f a 成为 w d m 系统中理想的光中继设备。 对e d f a 的研究基本上沿两个方向同时进行，一个方向是对e d f 材料的研 究，目的是研制出增益谱更宽更平坦的掺铒光纤；另一个方向是e d f a 整体性 能的研究，目的是在现有的e d f 材料基础上设计出符合现代光纤通信系统要求 的性能良好的e d f a 。基于专业方向，本论文只对后者进行讨论研究。 由于石英基质的掺铒光纤的小信号增益频谱在1 5 3 3 n m 和1 5 5 3 n m 处有两个 明显的峰值，在1 5 4 2 n m 处有一低谷，在1 5 3 0 n m - 1 5 6 0 n m 范围内其增益变化 可达几十个d b ，这样，简单的e d f a 显然不能用于现代的光纤通信系统中，特 别是w d m 系统中。因此要设计出实用且性能良好的e d f a ，必须对e d f a 的 整体设计进行研究。整体设计技术中两个最为重要的技术是增益均衡和自动增 益箝制，这是本论文研究工作的重点之一。 上海大学硕士学位论文 此外，光纤到户无源光网络( p o n ) 作为新型接入网络的蓬勃发展，为掺 饵光纤放大器的应用提供了更为广阔的空间，也对光纤放大器提出了新的要求， 例如远程泵浦、双向放大等，日益受到人们的关注，成为研究的热点。本论文 另一个工作重点就是对双向光纤放大器在以太无源光网络( e p o n ) 中的应用进 行探索。 1 2e d f a 的发展概述 光纤放大器是利用掺稀土元素光纤中的光放大效应，在此领域的研究机构 中，美国光学公司a t & t t l 。2 1 、前苏联 3 1 、英国南安普顿大学的电子工程系和物 理系睁5 l 、英国通信研究实验室( b t i u ) 睁7 1 等都扮演了相当重要的角色，其它 在这个领域内发表过研究成果的研究机构还有惠普、德国汉堡的技术大学、日 本n 订、h o y a 、住友、三菱，p o a r o i dc o r p o r a t i o n 、斯坦福大学和g t e 、法国 a l c a t e l 等。国内从2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，上海硅酸盐研究所、北京 建材研究所、天津4 6 所及武汉邮电研究院等都先后开展了掺铒光纤的研制。同 时在清华大学、北京邮电大学、武汉邮电科学研究院、南开大学及上海科技大 学、华南师范大学等也从事过光纤放大器的研究，并取得了许多成果。 1 2 1自动增益均衡e d f a 的研究 在进行e d f a 整体性能研究时，自动增益箝制和增益均衡是两个最为重要 的技术。增益箝制是指e d f a 在一定的输入光功率变化范围内每个波长信道具 有恒定的增益；增益均衡是指e d f a 在不同波长信道提供相等的增益。 自动增益箝制技术主要分为电路自动增益箝铝j j ( e a g c ) 、光自动增益箝制 ( o a g c ) 和链接自动增益箝市i j ( l a g c ) 。目前，研究热点是基于激光原理的f p 谐振腔或环形腔的全光自动增益箝制，因为其实现方案结构简单、性能可靠。 环形腔与f p 谐振腔相比更灵活，因为其信号光不会在控制环路中传输，因此 可以加入衰减器等损耗元件，通过调整控制激光强度，灵活控制放大器的增益。 后来，为了避免激光烧空和瞬态效应，有人提出不使用控制激光机理，而是利 用自发辐射噪声( a s e ) 对放大器增益进行控制。全光自动增益箝制技术的发 2 上海大学硕士学位论文 展现状在第三章有详细论述，这里就不展开了。 增益均衡技术分为静态增益均衡和动态增益均衡。静态增益均衡最常用的 方法是插入与e d f a 增益谱互补的静态增益均衡滤波器( g e f ) 。优点是结构简 单，缺点是不灵活，当e d f a 工作条件如增益、输入光功率、信道数量、泵浦 功率等发生变化时，g e f 不能很好地发挥作用。动态增益均衡能够动态适应光 纤链路和增益变化，弥补了静态增益均衡的缺陷。可实现动态增益均衡的光器 件有动态信道均衡器( d c e ) 、动态频谱均衡器( d s e ) 、动态增益倾斜控制器 ( d g t c ) 等，第四章有详细论述，这里就不展开了。 1 2 2e d f a 在p o n 中的应用研究 无源光网络( p o n ) 因其系统可靠性高，维护成本低，业务透明性较好等优 点成为对实现光纤到户( f 1 v r h ) 最重要的宽带接入网技术。p o n 的发展对e d f a 提出了新要求，例如为增大p o n 的容量即研哪数量，需要在光分配网中对光信 号进行放大。但若将e d f a 放置在光分配节点处，则破坏了p o n 的无源性，所以 考虑采用远程泵浦的方法，将泵浦放置在中心局( o l t ) ，而e d f 贝, f j 放置在光分配 节点处，这是近年来的研究新思路。此外，利用e d f a 同时实现上下行光信号放 大的方案，也是研究的方向。 1 3 论文的研究内容及安排 1 3 1 研究内容及主要贡献 本课题的主要任务是研究e d f a 的动态增益特性，在此基础上寻找一种经 济实用的c 波段e d f a 的动态增益均衡方案，并在仿真基础上开发出具有动态 增益均衡功能的e d f a 样机。本课题还研究了e d f a 在无源光网络( p o n ) 中 的各种应用方案，分析了e d f a 应用于以太无源光网络( e p o n ) 的可能性和 存在的问题，在此基础上对利用拉曼光纤放大器( 鼬a ) 实现双向放大以延长 e p o n 传输距离的方案进行探索。 本文的主要贡献在于： 3 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 针对可调谐多波长激光器，设计了在c 波段2 0 n m 带宽范围内输出光 功率恒定的e d f a 并进行仿真。根据仿真结果指出，仅靠优化泵浦功率、e d f 长度等参数无法实现整个c 波段的增益平坦。 ( 2 ) 提出了改进的环行腔全光增益箝制动态增益均衡加动态斜率补偿的实 验方案，并研制出具有动态增益均衡特性的e d f a 整机。研制的c 波段动态增 益均衡e d f a 整机能在18 d b m - 2 d b m 输入光功率变化范围内，自动地调整自身 工作状态，使各信道的增益平坦。输入光功率4 d b m 时的增益值可达到1 9d b 的水平，噪声系数优于6 d b 。本研究为一种创新的e d f a 产品的诞生打下了基 础。 ( 3 ) 创造性地提出采用拉曼光纤放大器延长e p o n 传输距离的方案并进行 了仿真。仿真结果表明，拉曼光纤放大器可以将传输距离延长2 0 k m 。关于延长 e p o n 传输距离的概念和遥泵分立式拉曼光纤放大器的设计方案在世界上还未 见报道。 1 3 2 论文的结构安排 本文主要分为六章，第一章在介绍了e d f a 在w d m 系统中的作用及发展 方向之后，提出了本文所要研究的主要内容和主要贡献。 第二章在g i l e s e m m a n u e l 模型的基础上，对e d f a 的动态增益特性进行了研 究，并对e d f a 的增益平坦度和相关参数之间的关系进行了理论分析和计算机仿 真。最后针对可调谐多波长激光器，设计了在c 波段2 0 r i m 带宽范围内输出光功率 恒定的e d f a 并进行仿真。 第三章从理论上解释了全光增益箝制机理，并对国内外现存的全光增益箝 制方案进行介绍，着重对一种新型的动态增益均衡e d f a 方案进行理论分析，并 通过仿真对方案中的泵浦方式、泵浦功率、光纤长度等进行优化设计。根据仿 真结果研制了环行腔全光增益箝制动态增益均衡e d f a 整机，并对其动态增益 均衡特性进行测试。 第四章对国内外现存的增益均衡技术进行了介绍，接着对d g t c 进行详细 的理论分析并设计了d g t c 的驱动电路。在此基础上，提出改进的环行腔全光 4 上海大学硕士学位论文 增益箝制动态增益均衡加动态斜率补偿的实验方案，并针对环路断开和连通两 种情况进行测试。 第五章对p o n 的发展现状和e d f a 在p o n 中的几种应用方案进行了探讨， 引出实现双向放大和确保p o n 的无源性是两个研究重点。在此基础上，提出采 用分立式r f a 延长e p o n 传输距离的方案并进行仿真。 第六章总结全文，并对下一步的研究方向提出了建议。 1 4 光仿真软件介绍 本课题的两个主要研究内容都进行了计算机仿真，采用v p i 光子设计软件对 设计方案进行模拟试验和性能分析。v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r v p i c o m p o n e n t m a k c r 7 6 版较之前的版本，设计流程更加完善，数据分析能力进一步提高。替换向导 能力更加完善，能够更好地转换以前创建的原理图以及那些包含废旧模块的自定 义模块。主要增加如下模块：r s o a 、m p s k 调制和相干探、r o a d m 和e d f a 的 瞬时效应、光纤类型设置、v p i p h o t o n i c sa n a l ) ，z e r _ 光链路分析。新l i n k a n a l y z e r 模块，可以显示、跟踪信号特性( 如功率、色散等) 与长度或频率之间的关系， 使本课题的研究更直观、更便捷。 1 5 本章小结 本章介绍了e d f a 在w d m 系统中的作用及发展方向，引出了本课题的两 个主要研究内容e d f a 动态增益均衡技术和双向光纤放大器在p o n 中的应 用。并对论文的结构安排作了阐述。 5 上海大学硕士学位论文 第二章e d f a 基本原理和增益平坦特性研究 2 1e d f a 的物理特性和数学模型 2 1 1e d f a 的简单工作原理 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现是光纤放大器的一个重大突破。它的工作 波长恰好落在光纤通信的最佳波长区域( 1 5 2 0 n m 一1 6 2 0 n m ) ，增益比较高，而且 需要的泵浦功率也比较低( 5 0 0 r o w ) ，又因为掺铒光纤本身就是增益介质，所 以与线路的耦合损耗很小，噪声很低。e 如图2 1 所示。 高能态 亚稳态 基态 ji 、 、 、 、 、 、 、 、 、 9 8 0 l i r a 、 、 、 j i l5 2 0 1 6 2 0 1 1 4 8 0 h m i 1 图2 1 石英光纤中e 的三能级示意图 e d f a 是利用爱因斯坦提出的受激辐射原理研制成的。关键部件就是掺铒光 纤，掺铒光纤中的e ，3 + 起光放大的作用。工作机制是e ，3 + 受激发射( 光纤放大器 的基质材料是硅基玻璃或氟化物玻璃，再掺入其它氧化物) 。e d f a 中掺杂e ，3 + ， 在未受任何外界激励情况下，电子处于基态( 4 k ，) 。在半导体泵浦光的作用 下，电子向高能级跃迁，形成粒子数反转。许多跃迁可以用来泵浦e ，3 + ，其中最 有效的泵浦波长是9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 。对于波长为9 8 0 m n 的激光泵浦源来说，e ，3 + 具有三个能级( 如图2 1 所示) 。e ，3 + 通过受激吸收波长为9 8 0 n m 的光子能量，从 基态跃迁到高能态( 4 1 ，) ，高能态上的粒子寿命短，很快无辐射地跃迁到亚 6 上海大学硕士学位论文 稳态( 4 i 川：) 上，离子在亚稳态寿命较长，约1 0 m s ，这样在基态和亚稳态之间 产生粒子数反转分布。当外部有波长兄= 1 5 5 0 n m 的信号光到达时，粒子被该信号 光诱发而从亚稳态感应跃迁回到基态，其相应的能量差将以光子的形式辐射出 来，发射出光波。该光波和入射诱发的信号光的波长一样( 1 5 5 0 n m ) 且是同相 位的，从而使入射的1 5 5 0 n t o 光信号通过掺铒光纤得到放大。 从图2 1 还可以看出，1 4 8 0 r i m 光源也可以作为e d f a 的泵浦源使用，把基态 上的电子泵浦到亚稳态的高能级，然后从亚稳态高能级无辐射地跃迁到亚稳态的 低能级，通过受激辐射对信号光进行放大。这和上面典型的三能级系统不同，称 为准三能级系统1 9 。 描述e d f a i 拘理论模型对设计光放大器非常重要。一个符合实际的理论模型 可以使设计者方便地设计专门用途的光放大器，优化放大器的结构从而提高 e d f a 的性能和性价比，还可以降低实验费用。e d f a 可以用速率方程、密度矩 阵方法( 半经典理论) 和全量子理论描述。对于实际通信系统中的e d f a ，采用 速率方程就足够了。 稳态速率方程可推导出泵浦光和信号光的功率传输方程，分别为： 一望地州、阻2 砌一! 二芝竺竺k 1 ) 一譬地删卑2 砌叫而赤者赢p j i ， j 攀：+ n t o a ( 以) f 盟2 刀腑吒( ， d z ；一 仉 挈+ 莓帮l o k + 2 p o k 】 t l o ( q + + q - ) w r ( r ) n j ( p ；+ p ；) v 盯( r ) q p k 1 + ( g + + q - ) 甲p ( r ) + ( p ；+ p j ) 、 ，( ，) ( 2 2 ) p = g ( z ) 匕( y 。) ，q = 0 ( z ) p s a ，( ) ，p o = 岛匕，( 匕) 其中，、c 、e o 、厶分别为光信号功率、泵浦功率、噪声功率和饱和输出功 7 上海大学硕士学位论文 率；p 、g 、p 0 为归一化变量；n ，表示基态和亚稳态的总粒子数；甲，和分 别为泵浦光和信号光的归一化模场包络；吒是吸收截面； j = 2 k + 2 = 2 b y + 2 ，a y 为信号光的谱宽。 求解上述精确模型，计算复杂度很高而且费时。为了减少计算时间，出现了 很多种e d f a 的简化理论模型。一般来说，这些模型都需要吸收截面、发射截面、 模场半径、掺饵半径、掺饵浓度等比较基础的物理量。由于这些物理量在实际光 纤中并不是均匀的，精确测量比较困难。把上述测量难度大的参数简化成在实验 中比较容易测得的物理量是十分有意义的，目前，此类模型主要有s a l e h j o p s o n 模型 1 0 - l l l 和g i l e s e m m a n u e l 模型【1 2 1 。 s a l e h j o p s o n 模型使用了多种简化假设，使其应用的场合比较有限，具体包 括1 、不考虑激发态吸收，也就是说仅适用于9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 泵浦带；2 、认为以 均匀展宽为主；3 、忽略了a s e 噪声和背景损耗，并假定放大器不被自身的a s e 噪声饱和，也就是仅适用于增益小于2 0 d b 或者输入信号光功率大于2 0 d b m 的情 况；4 、假定掺杂粒子分布与光纤位置和功率水平无关。因此这种模型只能提供 较少的估计信息，而且精度比较差。g i l e s e m m a n u e l 模型与其相比，提供了全光 谱的解决方案，可以精确地得知在全光谱范围内的每一个波长沿光纤的功率分 布，包括正向和反向，从而可以确定增益、噪声系数以及粒子数反转度沿光纤长 度的分布。式2 3 和2 4 就是g i l e s e m m a n u e l 模型的功率传输方程。 墼盟：( 口i + g ：) 阜p ；( z ) g ：孕，z j l l 吼千( 口七+ 以) p ：( z ) ( 2 3 ) 比 挖f 鼎立：薹望 五+ ；继警出 ( 2 4 ) p ：( z ) 和p i ( z ) 分别为在带宽a o 。内沿前向传输和后向传输的光功率；辕示不同 波长的光，刀，表示基态和亚稳态的总平均粒子数；力：表示亚稳态的粒子数：a 、 g 、，、f 分别表示掺饵光纤的吸收系数、增益系数、本征吸收系数、饱和参数， 8 上海大学硕士学位论文 因子m = 2 表示自发辐射的两个正交偏振态。 针对式2 3 ，可采用松弛法i 饲处理边界问题，求出输出光信号功率的大小， 从而得到增益值。 2 2e d f a 增益平坦特性研究 2 2 1e d f a 的增益平坦度 由式2 3 的功率传输方程可以发现，输出光信号功率与增益系数和吸收系数 密切相关，所以增益系数和吸收系数必定影响增益大小。以c o r a c t i v e 公司型号 为l - 9 0 0 的掺饵光纤为例，其增益系数和吸收系数与波长的关系如图2 2 所利1 4 1 。 e 菌 已 坡长( r i m ) 图2 2 e d fl 9 0 0 的吸收、增益系数和净增益系数谱 由图2 2 可看出掺铒光纤的工作区域可分为两个区间，在五 1 5 3 2 n m 范围， 增益大于吸收，因此对波长在这个区间的信号光可进行放大。对图2 2 的吸收和 发射谱线线性叠加，得到对应于不同激发态粒子数的净增益系数，即放大器的增 益谱轮廓( 点划线所示) 。因此对不同波长的输入光信号，增益大小是不同的。 增益的这种波长依赖特性如图2 3 所示：e d f a 的增益谱在1 5 3 0 r i m 附近有一 9 上海大学硕士学位论文 个增益峰值，在1 5 4 0 n m 以后才有一段较平坦的增益。 波长( n m ) 图2 3 增益的波长的依赖性 定义e d f a 增益平坦度为最大的多波道增益变化f 1 习，即： 增益平坦度：g ，= m a x j j | q g fi ( d b )( 2 5 ) 其中g j 表示第波道的增益，j = l ，2 ，3 n ，但j f ，n 为总波道数；g 表示 第i 波道的增益，f = 1 ，2 ，3 1 1 ，但f ，n 为总波道数。 在d w d m 系统中，要想利用整个c 波段( 1 5 3 0 n m 一1 5 6 5 n m ) 进行放大，要求 e d f a 的增益谱在整个c 波段范围内是平坦的，否则各个信道的增益不一，当多 个e d f a 级联使用时，在增益高的波长信道，输出光功率变得很大，光纤里会出 现非线性效应，使得这些波长信号的系统指标下降；而在增益低的波长信道，由 于增益很小，噪声系数增加，系统的信噪比下降，可能超出系统接收机的灵敏度 范围。所以，长距离线路一定要控制每一级e d f a 信号的增益平坦度，一般e d f a 级联时单个放大器的增益平坦度应限制在l d b 以内。 2 2 2 影响增益平坦度的因素 下面我们来讨论影响增益平坦度的因素。最直接的影响是掺饵光纤的种类， 在掺铒光纤中加入其它稀土离子，会改变铒离子的吸收和增益系数。例如，掺铒 光纤中同时掺入锗，可以提高e d f a 的增益；若同时掺入磷，则可以加宽它的吸 1 0 上海大学硕士学位论文 收带，提高泵浦效率，降低对泵浦光源波长稳定性的要求。掺铝可以增加铒离子 在硅酸盐中的溶解度，从而提高光纤的铒掺杂浓度。提高掺铒浓度，可以在保证 充分吸收、利用泵浦光的条件下，使掺铒光纤尽可能短。但提高掺铒浓度又使附 加损耗增加。从改善光纤放大器损耗的角度来看，应当降低掺铒浓度，但掺铒浓 度较低，又使光纤对泵浦光的吸收减少，降低增益。为了维持增益，又需要增加 光纤长度。l - 9 0 0 掺饵光纤还同时掺了铝和锗，由图2 2 的净增益系数谱可以发现， l 9 0 0 的增益谱轮廓很宽，但不够平坦。 除了掺饵光纤的种类，影响增益平坦度的另一个因素是e d f a 中掺饵光纤 的使用长度。图2 4 给出了仿真l - 9 0 0 掺饵光纤在9 8 0 n m 前向泵浦5 0 0 m w 条件 下，不同长度掺饵光纤的增益谱特性。其中，输入0 d b m 大信号时，长度为8 m 、 9 m 、1 0 m 、1l m 、1 2 m ，增益平坦度分别为5 4 9 2 、3 5 1 4 、3 2 4 2 、4 3 2 3 、6 9 4 6d b ： 输入为3 0 d b m 小信号时，也存在增益平坦度随长度增大而先减小再增大的过 程。可见，在泵浦和输入信号光功率一定的前提下，对应不同大小的掺饵光纤 长度，有一个最优长度，使增益平坦度最小。最优长度受掺饵光纤种类和泵浦 以及输入信号光功率的影响，需综合考虑。 波长( n m ) 图2 4 不同长度下的增益平坦特性 此外，增益平坦度还与泵浦功率的大小、泵浦波长的选择以及泵浦方式关 系密切，图2 5 、图2 6 和图2 7 显示了长度为1 0 m 的l 9 0 0 掺饵光纤在不同泵 浦条件下的增益特性。可以发现，泵浦功率的大小对增益平坦度的影响最大， 其次是泵浦波长，泵浦方式对增益平坦度几乎没有影响。因此，在e d f a 中合 上海大学硕士学位论文 理设置泵浦对获得平坦的增益谱来说至关重要。 岔 已 蜊 粤 盆 已 褶 靶 图2 5 不同大小的9 8 0 h m 前向泵浦功率下的增益特性 图2 6 相同大小泵浦功率和泵浦方式下，9 8 0 h m 和1 4 8 0 h m 泵浦波长的增益特性 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 7 相同大小的9 8 0 n r a 泵浦功率下，三种泵浦方式的增益特性 2 2 32 0 n m 增益平坦范围的c 波段e d f a 在实际应用中，选定掺饵光纤的种类后，可以从掺饵光纤长度、泵浦功率 及泵浦波长等方面来优化e d f a 性能，争取在不用外加手段的情况下获得尽可 能平坦的增益谱。 针对可调谐多波长激光器，希望设计在c 波段2 0 n m 带宽范围内输出光功 率恒定的e d f a 。可调谐多波长激光器可同时输出四个不同波长的光信号，要 求经e d f a 放大后，每个光信号的输出功率均为1 7 d b m 左右。 基于以上设计要求，首先进行单波长1 5 5 0 r i m 光信号仿真。若1 5 5 0 n m 信号 输入光功率为0 d b m ，增益必须达到2 3 d b 。因为若四个光信号的总输入光功率 为0 d b m ，则每个信号光功率分别为6 d b m ，若增益为2 3 d b ，则每个光信号的 输出功率能达到1 7 d b m 。 经过多次对比仿真，最终得到了符合设计要求的掺饵光纤长度和泵浦功率。 选取7 5 m 的掺饵光纤，9 8 0 r i m 前向泵浦功率2 0 0 r o w ，1 4 8 0 n m 后向泵浦功率 2 2 0 m w ，仿真模型如图2 8 所示。由图2 9 可以看出，l 9 0 0 掺饵光纤在 1 5 4 0 n m 1 5 6 0 n m 波长范围内具有良好的增益平坦特性。在1 5 4 0 n m 1 5 6 0 n m 波 长范围内选取a ( 1 5 4 0 n m ，1 5 4 7 n m ，1 5 5 4 n m ，1 5 6 0 r i m ) 、b ( 1 5 4 1 r i m ，1 5 4 7 n m ， 1 3 上海大学硕士学位论文 1 5 5 3 n r n ，1 5 5 9 n m ) 、c ( 1 5 4 3 n m ，1 5 4 8 n r n ，1 5 5 3 n m ，1 5 5 8 n m ) 、d ( 1 5 4 4 n m ， 1 5 4 8 r t m ，1 5 5 2 n m ，1 5 5 6 r t m ) 四组波长，每组的四个波长作为可调谐多波长激 光器的四个输出光信号，每个光信号输入功率相等，经e d f a 放大后的输出光 功率大小如图2 1 0 所示。仿真结果表明，四个不同波长光信号的输出光功率变 化均小于l d b ，基本恒定。 9 8 0 15 5 0 e d f 1 4 8 0 15 5 0 图2 8e d f a 仿真模型 波长( r i m ) 图2 9 优化后的c 波段e d f a 增益特性 a 1 4 b 上海大学硕士学位论文 c d 图2 1 0 优化后的c 波段e d f a 在0 d b m 总输入光功率下的输出光功率谱 上面针对掺饵光纤长度、泵浦功率、泵浦波长等参数的优化措施虽然可以获 得相对平坦的增益谱，但波长范围毕竟有限。为了获得整个c 波段的增益平坦， 在系统中往往还要用到增益均衡滤波器( g e f ) 来改进增益平坦度。使用透射谱和 e d f a 增益谱相反的g e f ，将高增益信道的输出功率衰减，可获得平坦的增益谱 曲线。图2 1 1 是与图2 9 互补的g e f 透射谱。 盆 已 ：媚 辫 图2 iil 9 0 0 的g e f 增益谱 1 5 上海大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章在g i l e s e m m a n u e l 模型的基础上，对e d f a 的动态增益特性进行了研究， 并对e d f a 的增益平坦度和相关参数之间的关系进行了理论分析和计算机仿真。 最后针对可调谐多波长激光器，设计了在c 波段2 0 r i m 带宽范围内输出光功率恒定 的e d f a 。仿真结果表明，四个不同波长的光信号经e d f a 放大后的输出功率均 能达到1 7 d b m 以上，且最大光功率变化 l d b ，基本恒定。 1 6 上海大学硕士学位论文 第三章e d f a 增益箝制技术的理论与实验研究 3 1e d f a 增益箝制的理论 e d f a 增益箝制是指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或由于系统配置要求而引起波道数量发 生变化时，其他信道或新开通业务的波长信道的输出光功率不会受到影响。 e d f a 增益箝制有电路自动增益箝带i ( e a g c ) 、光自动增益箝锘o ( o a g c ) 和 链接自动增益箝$ o ( l a g c ) - - - 种。电路自动增益箝 | u ( e a g c ) 的增益比较稳定， 但需要加入的器件多，响应慢，和整个光路耦合时损耗较大。光自动增益箝制 可以实现快速的自动箝制，并可实现全光集成，其结构简单、可靠性良好而不 会引入额外的通道代价，因而得到广泛的应用。链接自动增益筘锘0 ( l a g c ) 可以 减小传输光纤线路损耗的变化对接收端o s n r 的影响，也不会影响接收端的接 收光功率。与o a g c 相比，l a g c 是系统级别的调节功能，在提高传输信号质 量的同时，也提高了设备的可维护性。它主要用在级联e d f a 中。 如图3 1 所示，在e d f a 的输出端经过w d m 耦合出一部分输出光，由光 滤波器选出放大的自发辐射a s e 中的一个波长，经光纤反馈回e d f a 输入端， 形成一个环形激光器，满足一定激射条件时，可在被选波长上建立起稳定的激 光谐振。在常温下掺铒光纤是以均匀加宽为主的增益介质，e d f a 的粒子数反 转程度受谐振光的牵制而处于某一稳定状态，从而决定了整个e d f a 增益带宽 内所有光波长的增益。在波分复用系统中，复用波长数目变化时，即e d f a 输 入功率变化时，只要环形腔的稳定激射不被破坏，所有信道的增益将保持不变。 在e d f a 的输出端自发辐射a s e 光功率可由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 表利1 6 】： ( ) 5 葛【磁( 三) 一患( 0 ) + 彳磁( n 。船d z 西 3 1 ) ( 。) = 葛【磁( l ) 一名( o ) + 意茜r 磁( z ) 龙 ( 3 2 ) 其中，z 为e d f 纵向坐标，“4 - ”表示与z 同向或反向，表示某一频率的信 1 7 上海大学硕士学位论文 号光功率，a 、b 为常数，焉玉表示某中一t l , 频率u 处带宽d 内的a s e 光功率。 可见，a s e 功率在一方面得到放大，另一方面又受到信号功率的抑制。若 将e d f a 的输出光功率由光定向耦合器耦合出一部分，再由光滤波器去掉第二 项，选出放大的自发辐射( a s e ) 中的一个波长分量，并将它反馈到e d f a 的输入 端形成谐振，从而在该波长上建立起稳定的受激辐射。当e d f a 有其它波长的信 号光输入，且信号光不足以破坏谐振时，由于谐振光决定了e d f a 的粒子数反转 程度，所以e d f a 对信号光的增益得以保持不变。 在e d f a 信号波长上的增益g 可由式( 3 3 ) 表利1 7 】： ldoltapis g = 寺= e x p - c t , l + 茜( 1 n p + 口，三) ( 3 3 ) j j- j