基 于 EDFA 与 RFA 的 增 益 可 调 的 混 合 光 纤 放 大 器 1,2 刘 新 华, 付 成 鹏 2 2, 杨 智 (1. 光 纤 通 信 技 术 和 网 络 国 家 重 点 实 验 室, 湖 北, 武 汉 430074;2. 武 汉 光 迅 科 技 股 份 有 限 公 司, 湖 北, 武 汉 430205) 摘 要 : 混 合 光 纤 放 大 器 广 泛 地 应 用 于 密 集 波 分 复 用 系 统 中 针 对 目 前 混 合 光 纤 放 大 器 存 在 的 一 些 问 题, 本 文 提 出 一 种 基 于 EDFA 和 RFA 的 混 合 光 纤 放 大 器, 利 用 统 一 的 控 制 平 台 来 调 整 增 益 的 变 化, 不 需 要 内 置 VOA,RFA 增 益 与 EDFA 增 益 可 以 相 互 进 行 补 偿, 其 增 益 斜 率 也 可 相 互 补 偿, 保 证 了 增 益 的 平 坦 性 实 验 证 明, 此 种 混 合 光 纤 放 大 器 噪 声 小 增 益 大, 具 有 平 坦 的 增 益 宽 带 关 键 词 : 混 合 光 纤 放 大 器 增 益 增 益 斜 率 相 互 补 偿 Hybrid fiber amplifier of variable gain based on EDFA and RFA Liu Xinhua 1,2,Fu Chengpeng 2,Yang Zhi 2 ( 1. State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks, Wuhan 430074,China;2. Accelink Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430205,China;) Abstract: hybrid fiber amplifiers are used widely in the dense wavelength division multiplexing system. Aiming at some questions in current hybrid fiber amplifier,this paper proposes a new hybrid fiber amplifier without inner-voa based on EDFA and RFA, which can changes and controls gain on one unit platform; the gains produced by RFA and by EDFA can compensate each other and their gain tilts could also compensate each other,this character guarantees flat gain. Experiments have showed the hybrid fiber amplifier with low noise high gain and flat gain bandwidth. Key Words: hybrid fiber amplifier; gain; gain tilt; compensate each other 0 引 言 光 纤 放 大 器 是 光 通 信 系 统 中 必 不 可 少 的 器 件, 随 着 100G 相 干 通 信 系 统 的 逐 步 商 用, 系 统 对 光 纤 放 大 器 的 需 求 越 来 越 大, 要 求 也 越 来 越 高, 单 独 的 掺 铒 光 纤 放 大 器 (erbium-doped fiber amplifier,edfa) 与 拉 曼 光 纤 放 大 器 (Raman fiber amplifier,rfa) 已 不 能 满 足 这 些 要 求 因 此, 根 据 EDFA 和 RFA 各 自 优 点, 将 它 们 结 合 在 一 起 组 成 的 混 合 光 纤 放 大 器 在 现 代 通 信 系 统 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 现 有 技 术 中,RFA 与 EDFA 都 是 独 立 使 用 独 立 调 整 的, 没 有 一 个 统 一 的 控 制 平 台 来 调 整 混 合 放 大 器 的 放 大 增 益 和 增 益 系 数, 仅 仅 将 现 有 的 RFA 与 EDFA 简 单 组 合 使 用, 且 EDFA 内 置 VOA, 在 小 增 益 情 况 下, 噪 声 指 数 较 大 鉴 于 上 述 问 题, 本 文 提 出 一 种 新 型 的 增 益 可 调 的 混 合 光 纤 放 大 器, 由 统 一 的 控 制 平 台 调 整 RFA 增 益 与 EDFA 增 益, 其 RFA 增 益 与 EDFA 增 益 可 以 相 互 补 偿, 增 益 斜 率 亦 可 相 互 补 偿, 解 决 了 现 有 独 立 调 整 的 RFA 和 EDFA 由 于 没 有 统 一 控 制, 无 法 达 到 预 期 的 放 大 效 果, 以 及 现 有 内 置 VOA 的 EDFA 噪 声 指 数 较 大 的 技 术 问 题 此 种 混 合 光 纤 放 大 器 充 分 结 合 了 EDFA 和 RFA 的 优 点, 增 益 大, 噪 声 小, 非 常 适 用 于 现 代 超 长 距 离 超 大 容 量 超 高 速 率 的 通 信 系 统 中
1 两 种 混 合 光 纤 放 大 器 结 构 设 计 框 图 的 比 较 目 前 国 内 外 市 场 上 所 使 用 的 混 合 光 纤 放 大 器 均 是 EDFA 和 RFA 的 简 单 叠 加 ( 如 图 1 所 示 ), 增 益 为 EDFA 增 益 和 RFA 增 益 之 和, 其 EDFA 和 RFA 是 分 别 控 制 独 立 调 整 的, 它 们 的 增 益 和 增 益 斜 率 无 法 实 现 互 相 补 偿, 在 增 益 平 坦 型 方 面 也 不 是 特 别 理 想 本 文 提 出 一 种 新 型 的 增 益 可 调 的 混 合 光 纤 放 大 器 ( 如 图 2 所 示 ), 其 EDFA 不 带 内 置 的 VOA, RFA 增 益 与 EDFA 增 益 在 统 一 的 控 制 平 台 上 进 行 调 节, 形 成 反 馈, 增 益 斜 率 可 相 互 补 偿 由 图 2 可 知, 混 合 光 纤 放 大 器 由 RFA 不 含 可 变 衰 减 器 的 EDFA 和 控 制 模 块 3 大 部 分 组 成 RFA 包 括 泵 浦 信 号 合 波 器 泵 浦 激 光 器 组 带 外 窄 带 滤 波 器 以 及 光 电 探 测 器, 其 中, 泵 浦 激 光 器 组 为 1400~1499nm 的 泵 浦 激 光 器, 至 少 包 含 两 种 不 同 的 泵 浦 波 长, 能 够 补 偿 由 于 掺 铒 光 纤 放 大 器 的 增 益 斜 率 变 化 带 来 的 增 益 波 动 的 劣 化 ;EDFA 包 括 输 入 耦 合 器 掺 铒 光 纤 输 出 耦 合 器, 以 及 输 入 光 电 探 测 器 输 出 光 电 探 测 器 ; 控 制 模 块 由 MCU(MCU+DSP) 及 其 外 围 电 路 组 成, 根 据 预 期 放 大 要 求, 控 制 拉 曼 光 纤 放 大 器 和 掺 铒 光 纤 放 大 器 的 增 益 调 整 和 增 益 斜 率 调 整, 控 制 模 块 将 这 3 大 部 分 形 成 一 个 反 馈 回 路 所 述 混 合 光 纤 放 大 器 中 的 EDFA 不 包 括 VOA, 因 此 也 不 会 出 现 因 VOA 衰 减 带 来 的 噪 声 指 数 劣 化 泵 浦 能 量 浪 费 的 问 题, 由 于 不 存 在 VOA 衰 减, 相 同 增 益 情 况 下 泵 浦 功 率 会 小 很 多, 有 助 于 改 善 瞬 态 特 性, 同 时 也 简 化 了 EDFA 的 结 构, 使 得 增 益 控 制 方 法 更 为 简 单, 性 能 更 可 靠, 在 提 高 产 品 性 能 的 同 时, 可 以 大 幅 降 低 成 本, 降 低 功 耗 图 1 混 合 光 纤 放 大 器 I 结 构 设 计 框 图 图 2 混 合 光 纤 放 大 器 II 结 构 设 计 框 图 2 混 合 光 纤 放 大 器 的 增 益 调 整 原 理 2.1 多 泵 浦 RFA 的 理 论 基 础 与 增 益 特 性 在 多 泵 浦 分 布 式 RFA 放 大 系 统 中, 由 于 拉 曼 散 射 作 用 使 能 量 由 短 波 长 向 长 波 长 传 递 造 成 光 功 率 的 重 新 分 配, 若 不 考 虑 噪 声 瑞 利 散 射 和 温 度 对 放 大 器 的 的 影 响, 泵 浦 光 和 信 号 光 的 功 率 变 化 可 以 由 下 式 表 示 (2) : (1) 式 中 等 号 右 边 第 1 项 表 示 光 纤 衰 耗 ; 第 2 项 表 示 短 波 长 泵 浦 产 生 的 拉 曼 增 益 ; 第 3 项 表 示 对 于 更 长 波 长 的 泵 浦 能 量 损 耗 ; 其 中, 表 示 光 频 率 ; 和 表 示 前 向 和 后 向 传 播 的 光 波 ; 表 示 某 一 特 定 频 率 的 光 功 率 ; 为 损 耗 系 数, 为 泵 浦 频 率 对 信 号 频 率 的 拉 曼 增 益 系 数, 是 偏 振
因 子, 为 光 纤 的 有 效 面 积 在 拉 曼 放 大 器 中, 当 泵 浦 光 与 信 号 光 频 率 相 差 13.2THz( 约 100nm) 时, 获 得 的 增 益 最 大 如 图 3 所 示, 下 面 两 条 曲 线 分 别 是 1425nm 和 1455nm 波 长 的 泵 浦 单 独 作 用 时 产 生 的 增 益, 可 以 看 出, 每 个 泵 浦 波 长 主 要 对 某 一 信 号 带 宽 内 的 增 益 起 主 要 作 用, 对 其 它 带 宽 内 的 增 益 也 起 作 用, 但 作 用 较 小 ; 同 时, 拉 曼 增 益 谱 并 不 是 各 泵 浦 光 单 独 作 用 时 的 简 单 叠 加, 因 为 泵 浦 与 泵 浦 之 间 信 号 与 泵 浦 之 间 存 在 着 受 激 拉 曼 作 用, 导 致 能 量 由 短 波 长 泵 浦 向 长 波 长 泵 浦 发 生 传 递, 并 且 泵 浦 间 能 量 的 传 递 呈 现 非 线 性 规 律, 图 3 上 面 的 2 条 曲 线 显 示 了 考 虑 泵 浦 之 间 的 影 响 与 不 考 虑 泵 浦 之 间 的 影 响 的 增 益 谱 区 别 根 据 拉 曼 放 大 器 的 这 些 特 点, 利 用 调 节 不 同 泵 浦 波 长 的 功 率 比 例 来 实 现 拉 曼 增 益 斜 率 的 调 节, 图 5 显 示 了 在 不 同 泵 浦 功 率 下 产 生 的 拉 曼 增 益, 当 各 泵 浦 功 率 变 化 时, 拉 曼 的 增 益 斜 率 发 生 变 化 图 3 多 泵 浦 RFA 各 泵 浦 光 单 独 作 用 时 的 增 益 谱 与 实 际 的 增 益 谱 图 4 多 泵 浦 RFA 不 同 的 泵 浦 功 率 产 生 的 增 益 谱 2.2 EDFA 的 增 益 特 性 EDFA 能 在 l530~1565nm 的 波 长 范 围 内 提 供 光 放 大 但 由 于 掺 铒 光 纤 的 增 益 谱 形 所 限, 在 此 范 围 内 不 同 的 波 长 上, 每 个 波 长 所 获 得 的 增 益 不 同 掺 铒 光 纤 的 增 益 谱 不 平 坦 是 造 成 EDFA 增 益 不 平 坦 的 根 本 原 因, 纤 长 为 L 的 掺 铒 光 纤 放 大 器 增 益 为 : (2)
其 中 是 粒 子 反 转 度, 是 铒 纤 的 增 益 系 数, 与 铒 纤 的 发 射 截 面 有 关, 是 铒 纤 的 吸 收 系 数, 与 铒 (3) 纤 的 吸 收 截 面 有 关 发 射 截 面 和 吸 收 截 面 与 波 长 的 关 系 如 图 (5) 所 示, 由 此 可 知, 增 益 系 数 和 吸 收 系 数 均 是 波 长 的 函 数 因 此, 在 一 定 的 泵 浦 功 率 和 铒 纤 长 度 下, 对 不 同 波 长 的 输 入 光, 获 得 的 信 号 增 益 是 不 同 的 对 于 增 益 平 坦 的 EDFA, 放 大 器 的 增 益 斜 率 即 Tilt=0 如 果 光 纤 长 度 不 变, 泵 浦 功 率 改 变, 放 大 器 的 增 益 也 改 变, 那 么 放 大 器 的 增 益 斜 率 或 Tilt 将 发 生 变 化 同 时, 由 于 信 号 光 在 掺 铒 光 纤 中 传 播 时, 短 波 长 的 增 益 会 向 长 波 长 发 生 转 移 如 果 增 益 变 大, 在 粒 子 数 翻 转 程 度 变 化 不 大 的 情 况 下, 光 纤 长 度 应 当 变 长 才 能 保 证 Tilt 不 变, 若 光 纤 长 度 L 保 持 不 变, 而 在 C 波 段 是 逐 渐 减 小 的, 短 波 长 处 的 增 益 变 化 更 大, 意 味 着 长 波 长 信 号 在 L 长 度 的 光 纤 中 获 得 的 增 益 将 不 足, 导 致 短 波 长 增 益 较 长 波 长 增 益 大, 增 益 斜 率 为 负 值 ; 同 理, 如 果 增 益 变 小, 若 光 纤 长 度 L 保 持 不 变, 长 波 长 处 的 增 益 变 化 较 短 波 长 处 的 小, 意 味 着 短 波 长 信 号 在 L 长 度 的 光 纤 中 向 长 波 长 转 移 增 益 过 大, 从 而 导 致 短 波 长 增 益 将 不 足, 而 长 波 长 增 益 过 大, 增 益 斜 率 为 正 值 图 6 显 示 了 在 一 定 的 铒 纤 长 度 下, 不 同 的 泵 浦 功 率 下 产 生 的 增 益 谱, 通 过 大 量 的 实 验 进 一 步 得 出 掺 铒 光 纤 放 大 器 增 益 G 和 增 益 斜 率 T 存 在 如 式 (3) 所 示 的 关 系, 为 掺 铒 光 纤 放 大 器 增 益 斜 率 的 变 化 量,EDFA 增 益 每 变 化 1 db, 增 益 斜 率 反 向 变 化 0.85 db (3) 图 5 发 射 截 面 和 吸 收 截 面 与 信 号 波 长 的 关 系 图 6 EDFA 在 不 同 泵 浦 功 率 下 的 增 益 谱 图
2.3 混 合 放 大 器 的 增 益 调 整 方 法 在 实 际 应 用 中, 光 纤 放 大 器 的 增 益 平 坦 度 是 长 距 离 传 输 系 统 设 计 中 的 一 个 重 要 参 数, 在 DWDM 系 统 中, 当 上 下 波 长 增 益 变 化 或 输 入 功 率 变 化 时, 若 各 个 波 长 的 增 益 出 现 了 不 一 致, 就 会 导 致 输 出 端 各 信 道 间 信 号 功 率 的 不 平 衡, 并 进 而 影 响 到 光 信 噪 比, 影 响 系 统 的 整 体 性 能 (4) 因 此, 在 设 计 和 控 制 混 合 光 纤 放 大 器 时 要 充 分 考 虑 到 系 统 的 增 益 平 坦 型 问 题 由 RFA+EDFA 组 成 的 不 带 VOA 的 混 合 放 大 器, 获 得 的 总 增 益 为 拉 曼 光 纤 放 大 器 和 掺 铒 光 纤 放 大 器 增 益 的 叠 加 设 混 合 光 纤 放 大 器 的 总 增 益 为, 增 益 斜 率 为,RFA 的 增 益 为, 增 益 斜 率 为,EDFA 的 增 益 为, 增 益 斜 率 为, 其 中,, 在 对 不 带 VOA 的 混 合 放 大 器 进 行 增 益 调 整 时, 要 保 持 增 益 斜 率 不 变, 即 保 持 增 益 的 平 坦 性, 根 据 2.1 和 2.2 介 绍 的 RFA 和 EDFA 特 性, 可 以 这 样 实 现 : 调 整 EDFA 的 增 益,RFA 的 增 益 保 持 不 变, 此 时 EDFA 的 增 益 斜 率 变 化 了, 为 了 保 持 混 合 光 纤 放 大 器 的 增 益 斜 率 不 变, 通 过 调 整 RFA 的 增 益 斜 率 来 进 行 补 偿 DWDM 系 统 中, 在 一 定 的 通 道 间 隔 情 况 下, 光 通 道 数 量 越 多, 占 用 的 带 宽 越 宽 但 因 为 单 一 波 长 泵 浦 光 形 成 的 增 益 谱 不 平 坦, 所 以 一 般 使 用 多 个 波 长 的 泵 浦 光 共 同 作 用 于 信 号 工 作 的 波 长 范 围, 以 实 现 较 宽 波 长 区 域 内 的 信 号 放 大, 保 证 全 部 工 作 通 道 获 得 预 期 的 放 大 效 果 当 使 用 多 个 波 长 的 泵 浦 时, 如 果 各 泵 浦 功 率 的 比 例 发 生 变 化, 会 导 致 增 益 谱 线 的 倾 斜, 这 样 就 可 以 根 据 实 际 的 调 整 情 况, 改 变 泵 浦 功 率 组 的 比 例, 以 此 来 补 偿 EDFA 的 增 益 斜 率 的 变 化 3 混 合 光 纤 放 大 器 的 实 验 情 况 及 结 果 分 析 设 混 合 放 大 器 在 某 一 时 刻 的 总 增 益 为 30dB, 增 益 斜 率 为 0, 此 时 EDFA 增 益 为 20dB, 增 益 斜 率 为 0,RFA 增 益 为 10dB, 增 益 斜 率 为 0 当 混 合 放 大 器 的 增 益 从 30dB 减 小 到 28dB 时, 根 据, 通 过 调 整 EDFA 的 泵 浦 电 流 改 变 泵 浦 功 率, 使 EDFA 的 增 益 从 20dB 减 小 到 18dB, 此 时,=-2dB, 增 益 减 小 了 2dB, 根 据 公 式 (3) 可 得,, 增 益 斜 率 增 大 了 1.7dB, 为 了 保 持 混 合 放 大 器 的 增 益 斜 率 不 变, 根 据 公 式,RFA 增 益 斜 率 必 须 减 小 1.7dB, 拉 曼 光 纤 放 大 器 通 过 调 节 各 泵 浦 功 率 的 比 例 来 改 变 的 值, 以 此 补 偿 EDFA 增 益 斜 率 的 变 化 实 验 中 选 用 G.652 光 纤 作 为 传 输 光 纤, 长 度 为 80KM, 波 长 分 别 为 1425nm 1455nm 的 泵 浦 组 作 为 第 一 级 RFA 的 泵 浦 源, 波 长 为 980nm 的 泵 浦 作 为 第 二 级 EDFA 的 泵 浦 源, 控 制 电 路 以 MCU(C8051F120) 为 主, 再 加 上 一 些 A/D D/A 和 PID 算 法 等 外 围 电 路 当 混 合 放 大 器 的 增 益 从 30dB 减 小 到 28dB 时, 其 增 益 谱 如 图 6 所 示 由 图 6 可 看 出, 在 1529nm~1565nm 的 范 围 内, 在 初 始 增 益 值 时, 混 合 放 大 器 RFA 和 EDFA 的 增 益 斜 率 均 为 0, 此 时 RFA 的 泵 浦 波 长 和 功 率 分 别 如 表 1 所 示 当 增 益 减 小 2dB 时,EDFA 的 泵 浦 功 率 减 小 106 mw, 增 益 减 小 了 2dB, 增 益 谱 发 生 倾 斜, 根 据 式 (3) 可 知, 增 益 斜 率 增 大 了 1.7 db, 为 了 保 持 混 合 放 大 器 的 增 益 平 坦 度, 改 变 RFA 各 泵 浦 的 功 率, 这 样 调 整 之 后,FRA 的 增 益 斜 率 减 小 了 1.7, 最 后 混 合 光 纤 放 大 器 的 增 益 斜 率 保 持 为 0, 增 益 也 调 整 到 预 期 值 表 1 混 合 放 大 器 增 益 调 整 前 后 各 泵 浦 功 率 值 泵 浦 波 长 / 初 始 值 调 整 后 的 值 功 率 @=30dB @=28dB 980nm 251mW 145 mw 1425nm 141.5 mw 208.6 mw 1455nm 273.6 mw 243.2 mw
图 7 混 合 光 纤 放 大 器 增 益 调 整 前 后 的 增 益 对 比 图 4 结 束 语 本 文 提 出 一 种 基 于 EDFA 和 RFA 增 益 可 调 的 混 合 光 纤 放 大 器,EDFA 不 带 内 置 的 VOA, RFA 和 EDFA 的 增 益 和 增 益 斜 率 可 分 别 相 互 补 偿, 当 放 大 器 的 增 益 变 化 时, 在 统 一 的 控 制 管 理 下, 增 益 斜 率 可 保 持 为 0, 使 混 合 放 大 器 具 有 平 坦 带 宽 增 益 实 验 证 明 这 种 混 合 放 大 器 能 够 很 好 地 达 到 预 期 的 效 果, 能 够 满 足 现 代 大 容 量 通 信 系 统 对 光 放 大 器 的 需 求 参 考 文 献 : [1] 武 汉 光 迅 科 技 股 份 有 限 公 司. 混 合 光 纤 放 大 器 及 其 增 益 增 益 斜 率 的 调 整 方 法 及 装 置 [P]. 中 国 :102843192A,2012-12-26. [2] Bumki Min, Won Jae Lee, Namkyoo Park. Efficient Formulation of Raman Amplifier Propagation Equations with Average Power Analysis[J]. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2000,12(11):1486-1488. [3]Park S Y,Kim H K.Dopede fiber length and pump power of gain flattened EDFAs[J].Electron.Lwtt,1966,32(23):2161-2162. [4] MarkAndrew Newhouse, Michael John Yadlowsky. Hydrid optical amplifier having improved dynamic gain tilt. United States Patent, 5764406[P]. 1998-06-09.