光网络中掺铒光纤放大器增益平坦性研究

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光网络中掺铒光纤放大器增益平坦性研究

曹毅，魏淮，雷飞鹏，吕济根

（1. 北京交通大学光波技术研究所，北京100044）

摘要：FA 增益平坦化的主要方法，论述了ED 全面介绍了国内外光纤放大器增益平坦化的研究进展和成

FA 增益平坦技术的发展趋势。另外，果，并对其优劣势进行了分析比较，提出了ED 还介绍了一种利用全

FA 这一较为新颖的方法。局搜索算法来优化设计自身增益平坦ED

关键词：D W D M ；掺铒光纤放大器；增益平坦滤波器中图分类号：TN722

文献标识码:A

文章编号：1002-5561(2011)01-0024-04

Research on gain flattening of EDFA applied to DWDM system

CAO Yi, WEI Huai, LEI Fei-peng, LV Ji-gen

（1. Institute of Lightwave Technology ，Beijing Jiaotong University ，Beijing 100044，China)

Abstract:In this paper, methods of gain flattening were compared and achievements of EDFA in the world are expounded overall. Then, a development trend of gain flattening technology is proposed. In addition, a new method of using global optimization search algorithm to optimize gain-flatten EDFA is specific shown and an-alyzed.

Key words ：dense wavelength division multiplexing (DWDM)；erbium-doped fiber amplifier (EDFA);gain flatness filter

0引言

近些年DWDM 技术发展迅猛，商用的DWDM 系统最高速率已达800Gb/s,光传输距离也从600km 大幅扩展至2000km 以上。DWDM 技术之所以发展如此迅速，主要得益于掺铒光纤放大器（EDFA ）技术的日益成熟。

平坦的EDFA ，如通过引入特种光纤来改善EDFA 增益的不平坦型，或者通过优化EDFA 结构参数如泵浦方式、泵浦功率分配以及EDF 长度等来设计优化增益平坦的EDFA ；二是引入增益平坦滤波器，包括基于

M-Z 滤波器、光纤光栅、光纤环镜（FLM ）等。从技术角

度，则可划分为静态增益平坦技术和动态增益平坦技术两大类。

EDFA 能够对光信号进行直接放大，对数据透明，

增益大、噪声低，在价格和可靠性方面比电中继有优势，因而在光通信系统中得到了广泛的应用。在长距离传输DWDM 系统中，EDFA 可以大大增强系统的传输能力，但增益平坦度并不理想，容易造成各个信道之间的光功率和信噪比各不相同，从而使得增益高的信道，出现光功率饱和与非线性效应，使增益低的信道出现光信噪比恶化等现象。因此，对EDFA 的增益平坦性的研究就显得格外重要。

1.1优化设计自身增益平坦的EDFA

随着掺杂技术以及光纤封装技术的发展和进步，特种光纤被引入到EDFA 增益平坦化研究中来，即通过改变光纤基质类型或者掺杂来改善EDFA 的增益平坦特性，采用这种方法不需要在EDFA 外部插入任何增益均衡器，也不会影响放大器的工作效率，是一种可行且具有发展潜力的增益平坦技术。另外，还可以通过调整级联EDFA 中的结构参数（掺铒光纤长度, 泵浦功率和泵浦位置）来改善EDFA 的增益平坦性。

近些年来，很多关于增益平坦EDFA 的设计的研究都集中在探索级联EDFA 新的结构上，而通过全局搜索算法来优化EDFA 的结构参数从而设计出增益特性优良的EDFA 的研究却很少，下面将对此方面的研究做一定的介绍。

1EDFA 增益平坦化技术

目前主要采用两类方法：一是优化设计自身增益

收稿日期：2010-10-15。

基金项目：国家自然科学基金（60807013）资助。

作者简介：曹毅（1986-），男，北京交通大学硕士研究生，主要研究方向为光网络中的放大器、WDM/DWDM网络等。

訛輲輦

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曹毅，魏淮，雷飞鹏，等：光网络中掺铒光纤放大器增益平坦性研究

1.1.1由改变光纤基质类型改善放大器的增益平坦性

早些年，就有人用实验证明了氟基掺铒光纤放大器相对于硅基掺铒光纤放大器（EDSFA ）具有更好的增益平坦性[1]。如图1所示，氟基EDFA 的自发辐射谱明显要比硅基EDFA 的自发辐射谱要平坦很多，尤其是氟基的“本征平坦区”即1532-1544nm 波长范围。在此波长范围8信道WDM 传输增益抖动低于1.5dB 。

增益平坦性。而对于这种多参数、离散、非线性的复杂问题来说，采用常规的线性算法（如牛顿法、共轭梯度法、拉格朗日乘数算法）很难解决，因此要引入全局搜索算法如遗传算法（GA ）、模拟退火算法、粒子群优化算法（PSO ）及协同优化算法（CO ）来解决这种复杂问题。确立的目标函数，利用优化算法在搜索区域中寻找最优解，即放大器的增益平坦性最佳的一组参数值，从而达到对

2000年，A ．Mori 等人又采用碲基EDFA 实现增益平坦

化，在L 波1581~1616nm内获得28dB 的平均增益和噪声系数低于6dB, 增益抖动低于1dB [2]。

EDFA 的优化设

计。算法优化

EDFA 的设计步骤

如图3所示。

图3算法优化EDFA 设计步骤

2004年，魏淮, 童治等人采用改进的遗传算法来优

化C-band 和L-band 复杂结构的级联EDFA ，引入

GFF 滤波器和DCM 模块，获得了1528.77~1559.79nm

图1氟基EDFA 与硅基EDFA

自发辐射光谱比较

(C-band)和1571.24~1602.74nm(L-band)40信道20dB

以上的增益，增益波动在±0.4dB 以内[5]。

1.1.2通过掺杂来改善放大器的增益平坦性

提高硅基掺铒光纤中的铝离子浓度是近些年通过掺杂改善放大器增益平坦性研究其中的主要手段，实验证明采用这种掺杂方案可以有效改善放大器的增益平坦性[3]。2002年，Uh-Chan Ryu 等人采用掺Sm 环形光纤插入放大器中，进行了L 带和C+L带增益平坦化实验，获得了很好的增益平坦度：在1570-

1.2静态增益平坦技术

采用透射谱与掺铒光纤增益谱反对称的滤波器或者通过算法优化设计EDFA 参数来实现放大器增益平坦，这种静态增益平坦技术简单易行，效果明显；缺点是只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会变化，原理如图4所示。

1600nm （L 带），平均增益为21dB, 增益变化不超过0.7dB, 在C+L带范围内，平均增益为11.5dB, 增益变化

不超过1dB [4]。

1.1.3通过全局搜索算法来优化EDFA 实现增益平坦

如图2所示，对于复杂结构的级联EDFA 来说，它的结构参数如掺铒光纤长度，泵浦功率，泵浦波长，泵浦位置以及其他插入模块如增益平坦滤波器

图4

静态增益平坦技术原理

1.2.1基于光纤光栅的增益平坦滤波器

在EDFA 中插入与EDFA 增益谱相反的光纤光栅的损耗谱，“削平”增益峰也是有效可行的增益平坦方法。实验证明，光纤光栅可采用闪耀光栅或者闪耀光栅的复合体，也可以是长周期光栅[6]。

2004年，赵志勇、于永森等人采用啁啾相位掩膜

板和程控扫描曝光技术，在经过载氢增敏化处理的普

图2待优化EDFA 的结构示意图

通单模光纤上制作出可以用于EDFA 平坦化的光栅增益平坦滤波器，可以获得增益在30nm 带宽范围内增益变化不超过±0.3dB [7]。

（GFF ）、色散补偿模块（DCM ）的位置等都会影响ED -

FA 的系统性能（带宽、增益、噪声特性）。因此，我们可

以通过调整这些参数来优化EDFA 的系统性能，包括

1.2.2基于光纤环镜的增益平坦滤波器

由于光纤的弯曲会产生一定的损耗，而其损耗随

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工作波长(

1.3.2级联式液晶光学谐波均衡（Optical Harmonic Equalizer,OHE ）

级联式液晶OHE 器件包括光谱性能分析单元、数字信号处理单元(DSP)以及多级谐波均衡单元，其中每一个谐波均衡单元包括一个液晶谐波滤波器和一个液晶光可变衰减器。采用这种结构的动态均衡滤波器可以有效改善放大器的增益平坦特性

[11]

2001年，S.P.Li 等人提出利用高双折射光纤环行镜(HiBi-FLM)，具有良好的增益平坦效果，在33nm 的带宽范围内，增益变化为±0.9dB [8]。2004年，王思劼、刘

俭辉等人采用高双折射光纤环形镜进行了L-band

。美国

EDFA 的增益平坦实验，适当选取双折射光纤的长度

和调节偏振控制器使环形镜的反射谱EDFA 的增益谱相匹配，实现了L-band EDFA 的增益平坦。双级结构的L-band EDFA 经高双折射光纤环形镜平坦后, 在

Chorum Technologies 公司率先提出这种方法，利用这

种方法制作的DGE 器件均衡误差在±0.15dB 以内。

1570~1595nm范围内, 平均增益18.6dB, 增益平坦度达±0.57dB [9]。

1.3动态增益均衡器（Dynamic Gain Equalizer,DGE ）

DGE 虽然可以很好地解决增益谱的平坦问题，但

当放大器的输入端部分光波长丢失或各个输入光功率变化比较大时，静态增益平坦滤波器对改善级联

1.3.3非对称Mach-Zehnder 干涉仪级联式DGE

采用级联M-Z 干涉仪来实现EDFA 增益平坦化，对于不同的EDFA 增益谱，只需改变Mach-Zehnder 干

涉仪中各个耦合器的耦合系数，就能实现对应的补偿, 操作简单，灵活性较强[12]，图6为M-Z 干涉仪的结构。

图6单级的M-Z

干涉仪结构

美国IBM 公司利用SION 基平面光波导技术制作了小型化DGE 器件-7级非对称MZI 级联，实现了

EDFA 系统的光信噪比就显得无能为力，这就需要采

用动态增益均衡技术。DGE 可以灵活地调整信道中的光衰减，可以通过相应控制算法实时地产生DWDM 系统所要求的光衰减，从而实现各个信道的增益和功率的均衡，提高网络系统的智能化程度。

35nm 范围内增益均衡误差在±0.5dB 以内。

1.3.4全息聚合物液晶光栅的可调增益均衡

2005年，丁维银、蔡继光采提出了利用聚合物分

散液晶全息光栅对掺铒光纤放大器增益谱进行平坦化的方法, 利用聚合物分散液晶全息光栅的电压可调特性可实现动态增益均衡. 运用该方法, 可使掺铒光纤放大器在C 波段1530～1560nm 内, 温度在0～65℃范围内变化, 掺铒光纤放大器自发辐射谱的不平坦度从

1.3.1全光纤声光可调滤波器(AcousticallyOptical Tunable Filter,AOTF ）

声光技术是通过在光纤上放置声学变化器来实现增益均衡，声学变化器产生表面声波，形成类似光栅的特性，通过控制滤波器带陷的位置和深度，并利用滤波器级联使输出平坦, 其原理图如图5所示。

3.3dB 降到0.2dBp-p(峰-峰值) [13]。2006年，郑继红、顾

玲娟等人提出了基于全息聚合物液晶(H-PDLC)电控光栅多极串联式动态增益均衡器的设计。同时，采用基于全息聚合物液晶的动态光强增益均衡器, 能够使掺铒光纤放大器在1530～1560nm 内, 其自发辐射谱的不平坦度从3.3dB 降到0.1dBp-p [14]。

图5声光DGE 的实现原理

1.3.5VOA (VariableOptical Attenuator)+GFF

DGE 可以有效解决光通信系统中的增益不平坦

问题，也是一种较为理想的光纤放大器增益均衡器件，但其成本较高，大规模生产还不现实，因此很多

1998年，Seok Hyun Yun 等人使用全光纤AOTF 进行了EDFA 的增益平坦化实验，在不同增益水平下，通过电调谐滤波器的光谱形态，可以在35nm 的带宽

范围内达到小于0.7dB 的增益平坦度。1999年，Seok

EDFA 的生产商都采用一个集成在EDFA 内部的快速

响应VOA 和一套控制电路及算法，对EDFA 的增益达到动态的调整和控制。2006年，曾丽珠，武星等人通过GFF+VOA的增益平坦方法，所设计的EDFA 可以在不同的信号功率、泵浦功率下始终保持0.1dB 的增益平坦特性[15]。

Hyun Yun 等人对原有的实验系统进行了改进，获得更好的增益平坦度：在30nm 的带宽范围内增益变化小于0.6dB [10]。2001年，美国Navera Optics 等公司推出了利用全光纤声光可调原理制作的DGE 器件，其增益均

衡的误差在±0.5dB 以内。

JDS Uniphase 、飞通、昂纳使用这种动态增益的方

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法，在大于10dB 增益调整范围内可以保证放大器的输出平坦度

余的增益不平坦度在级联EDFA 时仍会引起不同通道间信号功率水平的极大差异，导致信道OSNR 恶化，从而限制DWDM 系统的远距离传输。所以，动态增益平坦滤波器，尤其是增益锁定和增益控制技术将无疑是未来的发展趋势。但现阶段，静态GFF 还不会被完全取代，而且动态增益滤波器的技术复杂度和器件成本方面仍不具备明显的优势，还需要进一步的深入研究。参考文献：

2EDFA 增益平坦化方案优缺点比较分析

如表1所示，我们从可靠性、插入损耗大小、技术复杂度、器件成本和灵活性5个角度对比分析了ED -

FA 增益平坦的3种方案（设计自身增益平坦EDFA 、

静态增益平坦和动态增益平坦滤波器）, 得出以下结论。

表1EDFA 增益平坦化方法比较

增益平坦化方法比较可靠性插入损耗技术复杂度器件成本灵活性

设计自身增益平坦

静态增益平坦滤波器

良好低低中低

动态增益平坦滤波器

优秀中高高高

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EDFA/研制特种光纤

良好低中/高低/高高/低

设计自身增益平坦EDFA 和研制特种光纤这种方案具有良好的可靠性和低插入损耗，技术难度适中，灵活性好，而且不引入其他新的器件，也不会影响放大器的工作效率。因此，这种方案的发展前景很广阔，也是未来的研究热点。

静态增益平坦滤波器相比较动态增益平坦器来说，技术复杂度低，简单易行，插入损耗大多数情况低于动态增益平坦器。另外，在多个EDFA 级联后增益抖动相同的条件下，采用动态增益均衡技术要比静态增益均衡技术需要放大器的个数多一些。

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DGE 可以灵活调整信道中的光衰减，具有灵活性

高、可靠性强的优点，但其技术复杂度和成本都偏高。以后随着技术的发展和器件成本的降低，这种灵活性高、可靠性强的DGE 会逐渐取代静态GFF 。

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3结束语

以上详细介绍了实现EDFA 增益平坦化的主要方法以及国内外就此方向上的研究进展，并对这几种增益平坦化方法进行了比较分析。在EDFA 中引入特种光纤这种方法具有诸多的优点，潜力巨大。另外，我们还介绍了GA 算法优化设计增益平坦EDFA 的研究，相信以后还会有更多更好的全局搜索算法被引入到优化设计增益平坦EDFA 研究中来，这一方面也是未来研究的一个热点。

静态增益平坦滤波器虽然简单易行，效果明显。但是即便每个EDFA 都采用静态增益平坦滤波器，残

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