增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器及其应用

　　摘要：波分复用是光纤CATV系统进一步升级的主要方向。本文对增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器（GF-EYDCFA）进行了理论和实验研究，相关数据表明，武汉光迅科技股份有限公司（简称光迅科技）开发的GF-EYDCFA能实现1543-1565nm范围内多波长光信号的增益均衡放大，其输出功率在1W以上，增益平坦度(<0.25dB)和噪声指数(<5.5dB)等关键指标均达到掺铒光纤放大器（EDFA）的水平。结合光迅科技相关产品的应用实例，本文还讨论了GF-EYDCFA在波分复用光纤CATV系统中的应用，分析表明，GF-EYDCFA能弥补EDFA功率水平偏低的不足，同时解决级联EDFA造成的增益平坦度劣化问题。

　　关键字：EDFA，WDM，铒镱共掺，双包层光纤，CATV

　　1 引言

　　光纤，因其近乎无限的带宽，成为信息爆炸时代无可替代的信息传输媒质，而波分复用（WDM）方式则是利用光纤带宽的最有效方法。目前主干网的光传输都利用了WDM技术，而光纤CATV系统还是以单波长应用为主，因此光纤的带宽利用率很低。今后，随着CATV网络容量的增加以及业务管理灵活性的提高，应用WDM技术的光纤CATV系统会越来越受到重视。

　　掺铒光纤放大器（EDFA），因其补偿了光纤线路中C（L）波段光信号的衰减，极大地延长了中继距离，是光纤通信蓬勃发展的关键因素。对于光纤CATV网，其光功率分配数目一般都比较大，因此对光放大器的输出功率要求都比较高。而由于EDFA的单模泵浦机理限制了泵浦功率（980nm/1480nm）水平，传统的EDFA很难实现高功率输出或者单位功率的成本非常昂贵，据了解，目前商用EDFA的最大饱和输出功率为500mW左右，这显然很难满足光纤CATV系统的应用要求。为了获得高功率输出，铒镱共掺双包层光纤放大器（EYDCFA）越来越受到关注。EYDCFA采用了多模泵浦激光器和铒镱共掺双包层光纤（EYDCF），突破了传统EDFA的功率限制。目前，可用的多模泵浦激光器功率可达6W（915—975nm），而EYDCF的双包层结构和纤芯铒镱共掺技术则很好地解决了多模泵吸收和单模1550nm（C-Band）信号放大的问题，此外，两者利用光纤合波器连接，可实现多个泵浦激光器同时同向泵浦单根EYDCF。目前武汉光迅科技股份有限公司（简称光迅科技）开发的单波长EYDCFA产品的最大输出功率可达4W，在光纤CATV网和三网合一系统中已有较多应用[1]。本文主要研究了增益平坦型EYDCFA（GF-EYDCFA）的基本原理及其在光纤CATV网的可能应用，这对今后光纤CATV网的WDM升级具有积极的指导意义。

　　2 增益平坦型铒镱共掺双包层光纤放大器

　　增益平坦型EDFA（GF-EDFA）通常采用增益平坦滤波器（GFF）实现多波长放大时的增益均衡[2,3]，即通过滤波器在不同波长的差异化衰减来补偿掺杂光纤内各波长间的增益不均衡，因此GFF的衰减谱通常是光放大器未加GFF时的增益谱。目前，制作GFF普遍采用薄膜滤波器技术和啁啾光栅技术。这两种技术都可以获得WDM 系统要求的GFF。薄膜滤波器技术是一种低成本的生产技术，一次镀膜生产数百甚至上千片GFF，适合大规模生产，单位成本较低。而啁啾光栅则刚好相反，小批量生产时，单位成本低于薄膜滤波器，但由于是逐只生产，批量生产成本就相对较高。现阶段光纤通信发展迅速，EDFA的需求量非常大，因此采用薄膜滤波器技术生产的GFF应用最为广泛，下文所指的GFF也均属这一类。

　　本质上，EYDCFA仍是一种EDFA，它通过镱离子吸收915-975nm的泵浦光，然后利用铒-镱离子间的交叉弛豫过程将能量转给铒离子，实现对铒离子的泵浦，接下来的信号放大过程与EDFA类似[4,5]。有文献曾报道采用GFF的增益平坦型铒镱共掺光纤放大器[6]，不过该工作针对的是单模泵浦放大器，其输出功率仅为24.6dBm。而将EYDCFA与EDFA的增益均衡技术相结合，就可实现高功率GF-EYDCFA。GF-EYDCFA的典型光路如图1所示，主要由低噪声EDFA前级、高功率EYDCFA后级和两级间的GFF&ISOLATOR组合器件构成。这种结构既能保证放大器较低的噪声指数（NF），又不至于GFF的插入而明显降低泵浦-信号转换效率（PCE）。对于给定输入/输出功率的光放大器，设计时要综合考虑PCE、NF和未加GFF时光放大器的增益平坦度（GF——定义为工作波长范围内的最大增益与最小增益之差）。根据级联EDFA的NF理论[2]，

         （1）

式中均为波长相关的参量（线性单位），前级和后级的增益、噪声指数分别为G1、NF1和、NF2，GFF的衰减为ATTGFF。由式(1)可以看出，越大、越低，整个放大器的NF就越低，而且在较大时，对整个放大器的NF起决定性作用。同时，较大的也有利于提高后级的PCE和抑制1060nm波段的ASE激射。此外，还必须考虑GFF的设计，通常整个放大器未加GFF时的GF越小，GFF的加工难度越低，应用效果也越好。依据以上原则设计的GFF的衰减谱如图2所示，并用该GFF制成GF-EYDCFA，其额定输入和输出总功率分别为6dBm和31dBm。图3为Aglient 86142B光谱分析仪的内插减元法测得的GF-EYDCFA的增益谱和NF谱。由测试数据可以看出，在1543-1565nm的工作波长范围内，放大器的GF<0.25dB, NF<5.5dB，增益平坦效果相当理想，并不比GF-EDFA差[2,3]。需要说明的是，测试中为了设备安全，放大器的输出端经1/8分波后取其中一路用于测试。由于分波器件的波长相关损耗（WDL）和分波损耗，GF和NF的测试数据一般会略偏大。不过瓦级的高功率光纤放大器在系统应用时，分波器件总是存在的，因此该测试方法也是合理的。

图1 GF-EYDCFA光路示意图