高功率光纖放大器

光纖放大器尤其是 EDFA 的出現，解決了光纖通信網路中損耗對於信號傳輸距離的限制，使長距離光纖通信成為現實。

基本介紹

• 中文名：高功率光纖放大器
• 外文名：Highpower fiber amplifiers

1背景

光纖通信（Optical Fiber Communication）是以雷射為載波，利用純度極高的玻璃拉製成的光導纖維作為傳輸媒介進行的信息傳輸系統。自問世以來，給整個通信行業帶來一場革命，並促使大容量、高速率、長距離的通信成為可能，在當代社會和經濟發展中，擔負著信息傳輸的重任，並已成為高速率長距離大容量通信網的主幹道。

光纖通信系統由於其具有損耗低、傳輸頻帶容量大、中繼距離長、抗電磁干擾、不易串音、保密性好、穩定性好、重量輕、體積小、製造成本低廉等優點，自誕生後的四十年間，便已大規模運用到社會生活中。同時，隨著數據流量的爆炸性增長，人們對於信息總量的需求越來越高，隨之而來的對光纖通信系統的要求也越來越高，因此必須對現有的通信線路進行容量擴充，同時又最大可能的不增加建設及運營成本，波分復用（WDM）尤其是密集波分復用（DWDM）技術便應運而生。WDM/DWDM 技術根據每個信道波長的不同，把光纖的低損耗視窗劃分為若干個信道同時進行光信號的傳輸，充分利用單模光纖低損耗區帶來的巨大頻寬資源，具有傳輸透明化、套用多樣化、組網靈活化等特點。

由於 WDM 尤其是 DWDM 技術的廣泛套用，一方面，促使光纖中傳輸功率急劇增加，這就對光纖通信系統中進行中繼放大的光纖放大器提出高功率的要求；另一方面，由於通常的光纖放大器工作在飽和狀態，其總的輸出功率幾乎不隨輸入信道數目的變化而改變。因此，當系統中復用信道數改變時，剩餘信道的增益也隨之改變，從而引發各信道功率的瞬態波動，當輸出功率超過某一閾值時，導致光纖的非線性增加，嚴重影響整個通信系統的傳輸性能。因此研究具有增益控制功能的高功率光纖放大器是 DWDM 技術發展和普及所必要的條件。

光放大器簡介

在長途光纖通信系統中，由於存在損耗和色散，需要每隔一段距離增加一個再生中繼器進行信號放大，以維持信號的質量和傳輸數據的完整。但是再生中繼器設備複雜、傳輸容量小，光放大器便應運而生。光放大器可直接在光路上進行信號放大，不需進行光電轉換，並且傳輸頻寬大，輸出功率高，可減少信號在超長距離傳輸中中繼放大的次數，提高信號傳輸的質量。光放大器已發展成為全光通信網不可或缺的重要器件。根據工作原理，光放大器可分為半導體光和光纖放大器兩類。其中，光纖放大器又可分為非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器。

2高功率光纖放大器的提出

光纖放大器尤其是 EDFA 的出現，解決了光纖通信網路中損耗對於信號傳輸距離的限制，使長距離光纖通信成為現實。EDFA 工作視窗位於光纖低損耗區，具有增益頻寬大、噪聲係數小、系統性能穩定以及技術成熟等優點，但是隨著密集波分復用系統傳輸速率越來越高，單根光纖復用信道數目越來越多，導致普通的摻鉺光纖放大器（飽和輸出功率為幾百 mW）難以滿足 DWDM 系統對於放大器輸出功率的要求；另外，隨著光纖到戶系統（FTTH）和光纖 CATV 技術的推廣，由於用戶數量眾多，需要在光纖鏈路終端放置光纖放大器進行功率補償和分配。由於傳統的 EDFA 輸出功率偏小，目前多採用 EDFA 級聯的方式，影響了整個系統的信號質量，增加了建設和維護成本。而輸出功率達到 W 級以上的高 功率光纖放大器，可替換系統中級聯的 EDFA，提高了系統信號傳輸的質量，有效的實現了信號超遠距離的傳輸，節約了系統建設和運營成本。

3高功率光纖放大器的關鍵技術

雙包層光纖的出現，為高功率光纖放大器的研究起到了重要的作用。由於其內包層直徑遠大於纖芯直徑，並且工作過程中將泵浦光耦合進內包層中，所以可以真正的將大功率的泵浦光進行有效注入，大大提高了增益介質對泵浦光能量的吸收，使光纖放大器真正成為高功率器件。

雙包層光纖的選擇

雙包層光纖作為大功率光纖放大器最重要的部分，其選擇至關重要。研究表明，高輸出功率要求摻雜光纖具有芯徑大、數值孔徑小的特點，另外，內包層的形狀也是影響抽運光耦合和吸收效率的一個關鍵因素。內包層形狀不同，則其吸收係數不同。目前內包層形狀有圓形、矩形、梅花形和 D 形，其中，圓形結構提出最早，工藝最簡單；後三種對泵浦光吸收效率較高，但是某些光模式無法進入纖芯得到光放大。目前，內包層為矩形或者梅花形結構的雙包層光纖套用最為廣泛。

包層抽運技術

抽運光耦合技術是影響抽運光耦合效率的關鍵技術，目前主要有端面抽運、V 形槽側面抽運、斜角側面耦合、集束熔錐側面耦合等技術。其中，側面耦合效率較高，但是其對製造設備要求較高，加工工藝複雜，技術成本較高。因此，需要考慮各方面因素，例如複雜性、可級聯性以及雷射損耗等，來決定抽運耦合 方式。

另外，高功率光纖放大器的種子光選擇及耦合注入技術也非常重要。由於光纖放大器要求輸出高功率，因此其種子光必須滿足噪聲低、輸出光譜穩定和光束質量好等特點，並且種子光能夠高效的耦合進光纖放大系統中。同時，由於種子源對反向光敏感，因此種子源使用時必須先接入隔離器，以防止放大系統中產生的反向 ASE 光進入種子源，從而影響其正常工作。

4EDFA 增益控制技術背景

在波分復用系統（WDM）尤其是密集波分復用系統（DWDM）中，由於復用信道數目不斷改變，各復用信道的傳輸功率之和處於不斷變化之中，導致輸出功率的瞬態波動以及低頻交叉調製等效應；而通常工作在飽和狀態的 EDFA，其輸出功率幾乎不隨輸入功率的改變而發生變化。當復用信道數目增加或減少時，各信道輸出增益和輸出功率將隨之減少或增加。當輸出功率高於某一閾值時，引起光纖的非線性效應，導致系統誤碼率的增加。所以，當 WDM 系統中存在信道不斷上下載時，必須有效地控制剩餘信道的功率變化。因而摻鉺光纖放大器的增益控制技術在 WDM 尤其是 DWDM 系統中尤為重要，它將是光纖放大器在未來光網路中套用的必備前提。

EDFA 增益控制技術進展

主要存在三種增益控制的方法：電路自動增益控制（Electric Gain Control：EAGC）、鏈路自動增益控制（Link Automatic Gain Control：LAGC）和光自動增益控制（Optical Automatic Gain Control：OAGC）。其中，光自動增益控制技術由於其控制結構簡便、系統穩定性好和增益控制範圍大等優點而得到廣泛套用。 （1）三種 EDFA 增益控制技術手段的比較電路自動增益控制過程一般分為增益變化檢測、校準信號的產生以及增益的恢復三個過程。通過 90:10 耦合器的 10%端進行增益檢測，當增益發生變化時，通過 PD 進行增益變化檢測，進而通過 Control Circuit 產生校準信號，並以此調整泵浦源的驅動電流。當輸出端增益變小時，產生校準信號，調整泵浦泵浦功率變大，從而使增益增大；反之，則調整泵浦功率變小，增益變小，從而實現輸出增益的穩定。但是其回響時間較長，具有較大的局限性。

鏈路自動增益控制的 EDFA 其主要用於 EDFA級聯的情況下。由於鏈路前段的情況複雜異常，並且不存在復用信道上下載的情況，因此只需對第一級 EDFA 進行相應的增益控制。研究結果表明，鏈路自動增益控制在一定範圍內可以達到較佳的效果。

光自動增益控制方式不同於上述兩種方式，其控制手段並不依賴於信號反饋進而進行泵浦功率調整，而是通過光柵引入控制雷射，使其與信號光共同消耗增益介質中的上能級粒子數，當信號光功率在某一範圍內變化時，控制雷射通過增加或減小自身功率大小以實現對信號光增益的消耗或補償，使其增益保持一穩定值。這種控制結構無控制電路且為全光器件，因而回響時間快，便於全光集成。

（2）兩種光自動增益控制的腔結構

光自動增益控制腔結構分為：線性腔和環形腔。線性腔通常採用一對反射式光柵構成雷射諧振腔，當反射光在 EDF 中獲得的增益等於其諧振腔損耗時，形成雷射振盪，進而同信號光一起共同消耗增益介質中的上能級粒子數，實現增益鉗制。該結構簡單、成本低廉，但是適用於單波長控制雷射，增益鉗制範圍較小。

環形腔採用單個反射式光柵，從放大光譜的 ASE 中篩選出反射光，並通過環形器進入環形腔。當反射光在環形腔的損耗等於其在增益光纖中的增益時，形成控制雷射，進而達到增益控制的目的。該結構簡單、易於調節環形腔損耗、適用於單、雙波長控制並且增益鉗制範圍大。

（3）光自動增益控制技術的發展

按照研究的重點，下面將從三個方面進行介紹：線性腔結構、環形腔結構以及瞬態效應研究。

（a）線性腔結構

1993 年，E.Delevaque 等研究人員通過一對 1480nm 的 FBG，實現 1480nm控制雷射的振盪；1998 年 Seong Yun Ko 等人在 E.Delevaque 的基礎上，將 WDM後端光柵改為可調諧光柵，實現了信號功率在 30dB 範圍內變化時，輸出增益穩定範圍為 4.6~22.6dB；2000 年，Yanhong Xiao 等人採用附加光源進行增益控制研究；2003 年，蒙紅雲等人通過調節反射式光柵波長的間距，實現了輸入信號功率在-30dBm~-5dBm 範圍內變化時，增益漂移小於 0.4dB，增益可控範圍為2.8~23dB，在一定程度上實現了增益鉗制的目的；同年，Bin Xia 等人對雙通結構的 L 波段光纖放大器進行了增益控制技術的研究，與單通結構相比，由於信號光兩次經過增益光纖，雙通結構的次級泵浦功率和增益光纖長度分別節省了 40% 和 22%，但是其瞬態功率變化範圍高於單通結構增益控制放大器。

（b）環形腔結構

1991 年，M.Zirngibl 等人首次採用環形腔實現控制雷射的振盪，主要通過耦合器將後向 ASE 光引入環形腔中，通過濾波器實現控制雷射的波長篩選，並利用衰減器進行環形腔損耗的調節；1999 年，Kyo inuoe 等人在 M.Zirngibl 的基礎上，採用環形器代替光耦合器，實現了控制雷射和信號光在輸出端的分離，降低了輸出端的噪聲；同年，Kobayashi 等人在增益光纖中加入一濾波器，該濾波器對信號光和泵浦光透明傳輸，對控制雷射產生損耗，有效地降低了控制雷射在信號輸入端對上能級粒子數的消耗，降低了整個放大系統的噪聲係數；2001 年T.Subramaniam 採用耦合器和環形器，從 EDFA 輸出端篩選反射光並導入環形腔。與上述幾種方案相比，該方案中控制雷射在增益介質中傳播方向與信號光相同，有效地降低了系統的噪聲。當系統增益穩定在 25dB 時，噪聲係數不大於 3.2dB，但是輸出光譜中存在控制雷射；2006 年宋英雄等人，在普通環形腔的結構上，採用增益均衡濾波器及兩級放大結構，實現了高增益條件下的增益鉗制。

（c）瞬態效應

1998 年，G．Luo 首次系統的研究了增益控制光纖放大器中剩餘信道的瞬態效應，認為其主要原因為：光譜燒空效應（SHB）和馳豫振盪現象；2000 年，Wang C 等通過在環形腔中加入可飽和吸收體，動態調整環形腔的損耗值，減少控制雷射導致的 SHB 效應；2002 年，趙春柳等人採用長周期光纖光柵和 F-P可調諧濾波器，實現了單個環形腔中兩個控制雷射的產生，有效地降低了 SHB效應，當輸入功率在 27dB 的範圍內變化時，輸出增益穩定在 21dB，增益漂移小於 0.3dB；2003 年，為了解雙波長增益控制 EDFA 的瞬態特性，趙春柳等人在系統輸入中加入一個調製速率為 1kHz 的新信道，以模擬 8 信道 WDM 系統中 7 個信道同時上下載的情況。實驗結果表明，雙波長控制方案中，剩餘信道輸出功率的最大瞬態變化不大於 4.65%，並且雙波長機制適用於上下載頻率低於 43kHz，遠高於單波長控制機制；2006 年，李國玉等人利用耦合器將後向 ASE 光引入環形腔，並採用高雙折射布拉格光柵篩選控制雷射波長，可實現單雷射或者雙雷射的自由轉換。這種新型的自動增益控制結構實現了輸入功率在-40~-15dBm 內變化時，系統平均增益和增益漂移為 22.22dB 和 0.69dB，噪聲係數為 8.69dB，克服了空間燒孔效應帶來的增益失控效應，明顯改善了放大系統輸出增益的鉗制效果。