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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.