淺談寬帶edfa的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1、副掛在旨倍1.患|科|學淺談寬帶EDFA的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)黃笛陳新橋(中國傳媒大學，北京1創(chuàng)剛)()摘要z描述了實現(xiàn)寬帶EDFA的結(jié)構(gòu)，總結(jié)了近年來國內(nèi)外報道的幾種寬帶放大器的結(jié)構(gòu)，并比較了其優(yōu)缺點，最后對未來的寬帶EDFA的發(fā)展做了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詡z寬帶摻#耳光纖放大喜(EDFA)串聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)1概述摻餌光纖特殊的三能級系統(tǒng)決定了它能夠放大的波長范圍是一組從15【陸皿到16∞m左右的波長。特別在光纖的低損耗窗口155伽m處，顏帶寬度為2制

2、伽固。早前學者們利用EDF的這一優(yōu)勢研制了C波段的光纖放大器，隨著技術(shù)的不斷成熟，該波段放大器已經(jīng)投入商用，在此基礎(chǔ)上，L被段的放大也已實現(xiàn)間。將C波段的傳輸系統(tǒng)升級為CL波段的寬帶傳輸系統(tǒng)在目前的技術(shù)水平下就不失為一個最直接有效、最經(jīng)濟的開發(fā)光纖帶寬資源的方法。目前，CL波段的寬帶的EDFA按照連接方式不同分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)靈活效率高，而并聯(lián)型可以防止串聯(lián)型中C波段和L被段信號之間的互相影響。綜述了以上兩種寬帶放大器的

3、結(jié)構(gòu)特點，介紹兒種典型的實施方案并加以比較，最后介紹其發(fā)展趨勢。2寬帶EDFA各結(jié)構(gòu)的研究2.1L波段信號放大的基本原理。研究表明餌，若使用C...:波段EDFA放大信號，在要獲得相同增益的情況下，L.段信號所需餌纖長度是C被段信號的5倍左右。而用b波段EDFA，要想獲得相同增益，L波段信號餌纖長度使用量大大減少。因此，只要合理的組合兩波段EDFA，就能實現(xiàn)高增益，低的餌纖損耗的寬帶EDFA。所以，寬帶EDFA的實現(xiàn)，關(guān)鍵是L波段EDF

4、A的實現(xiàn)。目前研究最多的就是增益移位摻餌光纖放大器，它是目前最成熟和最接近商用的。增益移位修餌光纖利用的是餌纖培益帶尾部，由于遠離餌纖的發(fā)射峰，通常所需的激勵光纖較長，這就導致了噪聲系數(shù)的增大。所以，當前L披段放大的研究重點就集中在如何減小激勵光纖的長度，并使信號具有高的增益和小的噪聲系數(shù)。高摻雜、低損耗餌光纖的出現(xiàn)便能夠解決這些問題。這些高摻雜的餌纖具有高的吸收濃度，減少了鋼纖的使用量，并提高了精益和泵浦轉(zhuǎn)換效率，同時降低了噪聲系數(shù)，

5、這為設計出結(jié)構(gòu)簡單的」波段放大器提供了捷徑。此外，除了148伽皿和98伽m泵浦源之外，也有研究采用了其他的泵浦源實現(xiàn)了L波段信號的放大。因為餌離子的吸收峰處在1530nm附近，如果使用該波段信號作為泵浦源可獲得更高的泵濾效率。如使用與L波段EDFA串聯(lián)的153侃m波段作為泵浦源，研究者發(fā)現(xiàn)在1545nm波段處獲得了O.45dh1mW的增益效率，這是是使用傳統(tǒng)1480n皿波長泵浦的兩倍，并且采取此方法b波段的功率損耗低。缺點是噪聲系數(shù)相對

6、較高，達到6.36cJb14另外，C波段的ASE也可作思想的泵浦源，這不僅增加了培益還提高了功率轉(zhuǎn)換效率。在光纖中注入短波長的種子(seed)，在傳輸中短波長泵浦光能量向長波長能量轉(zhuǎn)化，繼而成為b波段EDFA的泵浦源田。22串聯(lián)EDFA的基本原理。L波段研究的逐漸成熟促進了寬帶放大器的實現(xiàn)進程。它的實現(xiàn)最直接可行的方法就是將這兩種波段的放大器聯(lián)合使用，于是出現(xiàn)了串、并聯(lián)的寬帶放大器。串聯(lián)CL波段的EDFA的基本結(jié)構(gòu)是最簡單、最基本的串聯(lián)

7、寬帶EDFA的結(jié)構(gòu)。雖然與前級C波段信號串聯(lián)會引入A鈕，后者消耗了很大部分的高能級粒子數(shù)，使得輸入瑞的反轉(zhuǎn)度降低，噪聲系數(shù)不理想，但是在兩極之間加入隔離器后，后向的反向ASE就無法進入前級，從而保證了作為輸入端的前級可以保持較高的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而具有較高的噪聲特性，此問題便能夠得到解決。因此級聯(lián)放大器可以在實現(xiàn)高增益的同時具有良好的噪聲特性。悅Yamada等人咕仿真中便是使用這種結(jié)構(gòu)，在第一級用98侃皿前向泵浦放大C波段信號，第二級則用

8、14腦m激光器雙向泵浦放大，這樣可以減少噪聲并提高輸出功率，最終得到兩個波段的連續(xù)平坦增益帶寬66nm，平均信號增益17db，增益起伏小于3db，噪聲系數(shù)小于5db。L波段信號的放大，也可利用轉(zhuǎn)化為ASE噪聲的98α1480nm的那部分功率，即后向傳輸?shù)腁SE功率作為泵浦源，也就是所謂的ASE泵浦。利用前文提到的ASE泵捕，BumkiMin等人哺將C波段的反向ASE通過環(huán)形器引出并注入到b波段EDF中，不僅提高了L波段增益，同時也使噪聲

9、系數(shù)減小。ASE泵浦方式不僅使得寬帶放大器的結(jié)構(gòu)變的簡單，且在小信號增益的情況下.PCE(功率轉(zhuǎn)換效率)接近1∞%.噪聲指數(shù)小于4db。在普通的串聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，也有學者提出了混合三級C加L波段光纖放大器固。它采用兩個EDFA(分別作為一、三級)和一個半導體光放大器(SOA)，實現(xiàn)了工作范圍在154016階m(仙lffi)的光放大。SOA使得第三級的EDFA的增益帶寬延伸到L波段，但同時會引入較大的噪聲因數(shù)。此外，與傳統(tǒng)的C加L波段EDF

10、A相比，使用這種混合結(jié)構(gòu)的寬帶光纖放大器可以減少使用的EDF的總長。2.3并聯(lián)EDFA的基本原理。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)勢就是CL波段的放大不相互影響，只要改進各自放大的性能就能使系統(tǒng)優(yōu)化。它也是由M.Yamada提出的并聯(lián)結(jié)構(gòu)陰.C波段和」波段信號都實現(xiàn)增益平坦，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩個子結(jié)構(gòu)均由串聯(lián)的EDFA組成，目的是為獲得低噪聲和平坦放大。C波段和L波段的增益分別達到34db和4創(chuàng)b。并聯(lián)結(jié)構(gòu)也可以采用后向ASE泵浦。上半部

11、分用來放大C波段信號，并通過環(huán)行器將C波段后向ASE經(jīng)過APC(光纖連接器)作為L波段信號的泵浦，也能獲得高增益和低噪聲。此4?外，使用由聲光可調(diào)濾波器構(gòu)成增益均衡糯達到低噪聲、在整個波段內(nèi)增益均衡的目的。進一步從降低噪聲的角度考慮，可以在困所示的并聯(lián)式放大器前加入一個預放級。輸入倍號經(jīng)過低噪聲的預放后再進行分離，由于預放級的存在，有效地減小了整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和精合器件性能對系統(tǒng)噪聲的影響。顯然這種布局是利用EDFA組合法實現(xiàn)寬帶放大

12、的有效方案之參考文獻[1]CHUNGH.s.LEEM.s.LEED.PARK.，鼠，DIGIOVANNIDJ.:Lowno時，bighefficiencyL擊時EDFAwi由980nm陽呻暉，Eleclron.Lett199935(13)pp.1099Uoo.[2]ONO，瓦，YAMADA，鼠，0皿sm，Y.:Gainf1attenedEr如何時fiber皿plifierfaWDM咱國1inthe1.57Lωpnwavd四抽region

13、IEEEPhotoniωT回bnOl.I烈t，I997，9:596598.[3]費海峰等，L波段EDFA特I性研究及優(yōu)化設計[J].量子電子學報，2∞8，25(1):9598.[4]BoHunChoi，HyoH回nPrketaI.皿gbGainCoefficientLo鳴Wavelen阱BErbiumDopedFiberA呻，lifierUsing1530唱皿BPump.IEEEPHOTONICS四:Cl副O(jiān)LOGYLEITERS200

14、113(2):109111.[5]HuaiWeiZhiTong，他兇sbengJianlmpro刊mentinpenmanceofL也Claddingpumped伽rAm抖ifiersProc.ofSPIEV01.ω19.陰肌Yamada.H.Ono皿dY.OhishiGainflattenedbroadbEr3叫φeds出咽fibre酣plifi回wi也lownoi盹chamcteristi，田，E皿bTRONICSLEITERS3r

15、dse阱曲er199834(8):17471748.問BumkiM尬，HosUJ喀Y回n，WonJ，回Lee，NamkyooPrk“Coupleds恤cturewidebEDFA明白gain田tdnoisefigI1reimprovementsfromCωLhASE聞目也圃，“IEEE.Photon.Technol.Lett2創(chuàng)脅，12(5):錦0482.[8]ChienHungYehKuoHsiangLaiet叢且ybrid由回幽靜C

16、pl皿Lbopti倒1fiberamplifierin咀盹adeconf耶118tion，OpticalEnginee由tg，2∞5，44(5).[9]M.Ya皿ada，H.Onoetal..Broa他田tdgainflattenedamp出自由mp:陽對ofa1.55pmba1.58p.mbEr3斗。pedfwreamplifierinaparallelconfi伊皿.tion，ELECTRONICSLEITE邸，1997，33(8)

17、:710711.作者簡介:黃笛(1984斗，女，廣西人，碩士研究生，主要研究方向為摻餌光纖放大霉。陳新橋(1965斗，男，湖北人，研究員，碩士生導師，主要研究方向為光纖通信。副掛在旨倍1.患|科|學淺談寬帶EDFA的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)黃笛陳新橋(中國傳媒大學，北京1創(chuàng)剛)()摘要z描述了實現(xiàn)寬帶EDFA的結(jié)構(gòu)，總結(jié)了近年來國內(nèi)外報道的幾種寬帶放大器的結(jié)構(gòu)，并比較了其優(yōu)缺點，最后對未來的寬帶EDFA的發(fā)展做了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詡z寬帶摻#耳光纖放大喜

18、(EDFA)串聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)1概述摻餌光纖特殊的三能級系統(tǒng)決定了它能夠放大的波長范圍是一組從15【陸皿到16∞m左右的波長。特別在光纖的低損耗窗口155伽m處，顏帶寬度為2制伽固。早前學者們利用EDF的這一優(yōu)勢研制了C波段的光纖放大器，隨著技術(shù)的不斷成熟，該波段放大器已經(jīng)投入商用，在此基礎(chǔ)上，L被段的放大也已實現(xiàn)間。將C波段的傳輸系統(tǒng)升級為CL波段的寬帶傳輸系統(tǒng)在目前的技術(shù)水平下就不失為一個最直接有效、最經(jīng)濟的開發(fā)光纖帶寬資源的方法。目

19、前，CL波段的寬帶的EDFA按照連接方式不同分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)靈活效率高，而并聯(lián)型可以防止串聯(lián)型中C波段和L被段信號之間的互相影響。綜述了以上兩種寬帶放大器的結(jié)構(gòu)特點，介紹兒種典型的實施方案并加以比較，最后介紹其發(fā)展趨勢。2寬帶EDFA各結(jié)構(gòu)的研究2.1L波段信號放大的基本原理。研究表明餌，若使用C...:波段EDFA放大信號，在要獲得相同增益的情況下，L.段信號所需餌纖長度是C被段信號的5倍左右。而用b波段EDFA，要

20、想獲得相同增益，L波段信號餌纖長度使用量大大減少。因此，只要合理的組合兩波段EDFA，就能實現(xiàn)高增益，低的餌纖損耗的寬帶EDFA。所以，寬帶EDFA的實現(xiàn)，關(guān)鍵是L波段EDFA的實現(xiàn)。目前研究最多的就是增益移位摻餌光纖放大器，它是目前最成熟和最接近商用的。增益移位修餌光纖利用的是餌纖培益帶尾部，由于遠離餌纖的發(fā)射峰，通常所需的激勵光纖較長，這就導致了噪聲系數(shù)的增大。所以，當前L披段放大的研究重點就集中在如何減小激勵光纖的長度，并使信號具

21、有高的增益和小的噪聲系數(shù)。高摻雜、低損耗餌光纖的出現(xiàn)便能夠解決這些問題。這些高摻雜的餌纖具有高的吸收濃度，減少了鋼纖的使用量，并提高了精益和泵浦轉(zhuǎn)換效率，同時降低了噪聲系數(shù)，這為設計出結(jié)構(gòu)簡單的」波段放大器提供了捷徑。此外，除了148伽皿和98伽m泵浦源之外，也有研究采用了其他的泵浦源實現(xiàn)了L波段信號的放大。因為餌離子的吸收峰處在1530nm附近，如果使用該波段信號作為泵浦源可獲得更高的泵濾效率。如使用與L波段EDFA串聯(lián)的153侃m波

22、段作為泵浦源，研究者發(fā)現(xiàn)在1545nm波段處獲得了O.45dh1mW的增益效率，這是是使用傳統(tǒng)1480n皿波長泵浦的兩倍，并且采取此方法b波段的功率損耗低。缺點是噪聲系數(shù)相對較高，達到6.36cJb14另外，C波段的ASE也可作思想的泵浦源，這不僅增加了培益還提高了功率轉(zhuǎn)換效率。在光纖中注入短波長的種子(seed)，在傳輸中短波長泵浦光能量向長波長能量轉(zhuǎn)化，繼而成為b波段EDFA的泵浦源田。22串聯(lián)EDFA的基本原理。L波段研究的逐漸成

23、熟促進了寬帶放大器的實現(xiàn)進程。它的實現(xiàn)最直接可行的方法就是將這兩種波段的放大器聯(lián)合使用，于是出現(xiàn)了串、并聯(lián)的寬帶放大器。串聯(lián)CL波段的EDFA的基本結(jié)構(gòu)是最簡單、最基本的串聯(lián)寬帶EDFA的結(jié)構(gòu)。雖然與前級C波段信號串聯(lián)會引入A鈕，后者消耗了很大部分的高能級粒子數(shù)，使得輸入瑞的反轉(zhuǎn)度降低，噪聲系數(shù)不理想，但是在兩極之間加入隔離器后，后向的反向ASE就無法進入前級，從而保證了作為輸入端的前級可以保持較高的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而具有較高的噪聲特性，

24、此問題便能夠得到解決。因此級聯(lián)放大器可以在實現(xiàn)高增益的同時具有良好的噪聲特性。悅Yamada等人咕仿真中便是使用這種結(jié)構(gòu)，在第一級用98侃皿前向泵浦放大C波段信號，第二級則用14腦m激光器雙向泵浦放大，這樣可以減少噪聲并提高輸出功率，最終得到兩個波段的連續(xù)平坦增益帶寬66nm，平均信號增益17db，增益起伏小于3db，噪聲系數(shù)小于5db。L波段信號的放大，也可利用轉(zhuǎn)化為ASE噪聲的98α1480nm的那部分功率，即后向傳輸?shù)腁SE功率作

25、為泵浦源，也就是所謂的ASE泵浦。利用前文提到的ASE泵捕，BumkiMin等人哺將C波段的反向ASE通過環(huán)形器引出并注入到b波段EDF中，不僅提高了L波段增益，同時也使噪聲系數(shù)減小。ASE泵浦方式不僅使得寬帶放大器的結(jié)構(gòu)變的簡單，且在小信號增益的情況下.PCE(功率轉(zhuǎn)換效率)接近1∞%.噪聲指數(shù)小于4db。在普通的串聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，也有學者提出了混合三級C加L波段光纖放大器固。它采用兩個EDFA(分別作為一、三級)和一個半導體光放大器(

26、SOA)，實現(xiàn)了工作范圍在154016階m(仙lffi)的光放大。SOA使得第三級的EDFA的增益帶寬延伸到L波段，但同時會引入較大的噪聲因數(shù)。此外，與傳統(tǒng)的C加L波段EDFA相比，使用這種混合結(jié)構(gòu)的寬帶光纖放大器可以減少使用的EDF的總長。2.3并聯(lián)EDFA的基本原理。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)勢就是CL波段的放大不相互影響，只要改進各自放大的性能就能使系統(tǒng)優(yōu)化。它也是由M.Yamada提出的并聯(lián)結(jié)構(gòu)陰.C波段和」波段信號都實

27、現(xiàn)增益平坦，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩個子結(jié)構(gòu)均由串聯(lián)的EDFA組成，目的是為獲得低噪聲和平坦放大。C波段和L波段的增益分別達到34db和4創(chuàng)b。并聯(lián)結(jié)構(gòu)也可以采用后向ASE泵浦。上半部分用來放大C波段信號，并通過環(huán)行器將C波段后向ASE經(jīng)過APC(光纖連接器)作為L波段信號的泵浦，也能獲得高增益和低噪聲。此4?外，使用由聲光可調(diào)濾波器構(gòu)成增益均衡糯達到低噪聲、在整個波段內(nèi)增益均衡的目的。進一步從降低噪聲的角度考慮，可以在困所示的并聯(lián)式放大器前加入

28、一個預放級。輸入倍號經(jīng)過低噪聲的預放后再進行分離，由于預放級的存在，有效地減小了整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和精合器件性能對系統(tǒng)噪聲的影響。顯然這種布局是利用EDFA組合法實現(xiàn)寬帶放大的有效方案之參考文獻[1]CHUNGH.s.LEEM.s.LEED.PARK.，鼠，DIGIOVANNIDJ.:Lowno時，bighefficiencyL擊時EDFAwi由980nm陽呻暉，Eleclron.Lett199935(13)pp.1099Uoo.[2]

29、ONO，瓦，YAMADA，鼠，0皿sm，Y.:Gainf1attenedEr如何時fiber皿plifierfaWDM咱國1inthe1.57Lωpnwavd四抽regionIEEEPhotoniωT回bnOl.I烈t，I997，9:596598.[3]費海峰等，L波段EDFA特I性研究及優(yōu)化設計[J].量子電子學報，2∞8，25(1):9598.[4]BoHunChoi，HyoH回nPrketaI.皿gbGainCoefficient

30、Lo鳴Wavelen阱BErbiumDopedFiberA呻，lifierUsing1530唱皿BPump.IEEEPHOTONICS四:Cl副O(jiān)LOGYLEITERS200113(2):109111.[5]HuaiWeiZhiTong，他兇sbengJianlmpro刊mentinpenmanceofL也Claddingpumped伽rAm抖ifiersProc.ofSPIEV01.ω19.陰肌Yamada.H.Ono皿dY.Ohis

31、hiGainflattenedbroadbEr3叫φeds出咽fibre酣plifi回wi也lownoi盹chamcteristi，田，E皿bTRONICSLEITERS3rdse阱曲er199834(8):17471748.問BumkiM尬，HosUJ喀Y回n，WonJ，回Lee，NamkyooPrk“Coupleds恤cturewidebEDFA明白gain田tdnoisefigI1reimprovementsfromCωLhASE

32、聞目也圃，“IEEE.Photon.Technol.Lett2創(chuàng)脅，12(5):錦0482.[8]ChienHungYehKuoHsiangLaiet叢且ybrid由回幽靜Cpl皿Lbopti倒1fiberamplifierin咀盹adeconf耶118tion，OpticalEnginee由tg，2∞5，44(5).[9]M.Ya皿ada，H.Onoetal..Broa他田tdgainflattenedamp出自由mp:陽對ofa1.