高功率光纤放大器1背景

光纤通信（Optical Fiber Communication）是以激光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成的光导纤维作为传输媒介进行的信息传输系统。自问世以来，给整个通信行业带来一场革命，并促使大容量、高速率、长距离的通信成为可能，在当代社会和经济发展中，担负着信息传输的重任，并已成为高速率长距离大容量通信网的主干道。

光纤通信系统由于其具有损耗低、传输频带容量大、中继距离长、抗电磁干扰、不易串音、保密性好、稳定性好、重量轻、体积小、制造成本低廉等优点，自诞生后的四十年间，便已大规模运用到社会生活中。同时，随着数据流量的爆炸性增长，人们对于信息总量的需求越来越高，随之而来的对光纤通信系统的要求也越来越高，因此必须对现有的通信线路进行容量扩充，同时又最大可能的不增加建设及运营成本，波分复用（WDM）尤其是密集波分复用（DWDM）技术便应运而生。WDM/DWDM 技术根据每个信道波长的不同，把光纤的低损耗窗口划分为若干个信道同时进行光信号的传输，充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，具有传输透明化、应用多样化、组网灵活化等特点。

由于 WDM 尤其是 DWDM 技术的广泛应用，一方面，促使光纤中传输功率急剧增加，这就对光纤通信系统中进行中继放大的光纤放大器提出高功率的要求；另一方面，由于通常的光纤放大器工作在饱和状态，其总的输出功率几乎不随输入信道数目的变化而改变。因此，当系统中复用信道数改变时，剩余信道的增益也随之改变，从而引发各信道功率的瞬态波动，当输出功率超过某一阈值时，导致光纤的非线性增加，严重影响整个通信系统的传输性能。因此研究具有增益控制功能的高功率光纤放大器是 DWDM 技术发展和普及所必要的条件。

高功率光纤放大器光放大器简介

在长途光纤通信系统中，由于存在损耗和色散，需要每隔一段距离增加一个再生中继器进行信号放大，以维持信号的质量和传输数据的完整。但是再生中继器设备复杂、传输容量小，光放大器便应运而生。光放大器可直接在光路上进行信号放大，不需进行光电转换，并且传输带宽大，输出功率高，可减少信号在超长距离传输中中继放大的次数，提高信号传输的质量。光放大器已发展成为全光通信网不可或缺的重要器件。根据工作原理，光放大器可分为半导体光和光纤放大器两类。其中，光纤放大器又可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器。

光纤放大器尤其是 EDFA 的出现，解决了光纤通信网络中损耗对于信号传输距离的限制，使长距离光纤通信成为现实。EDFA 工作窗口位于光纤低损耗区，具有增益带宽大、噪声系数小、系统性能稳定以及技术成熟等优点，但是随着密集波分复用系统传输速率越来越高，单根光纤复用信道数目越来越多，导致普通的掺铒光纤放大器（饱和输出功率为几百 mW）难以满足 DWDM 系统对于放大器输出功率的要求；另外，随着光纤到户系统（FTTH）和光纤 CATV 技术的推广，由于用户数量众多，需要在光纤链路终端放置光纤放大器进行功率补偿和分配。由于传统的 EDFA 输出功率偏小，目前多采用 EDFA 级联的方式，影响了整个系统的信号质量，增加了建设和维护成本。而输出功率达到 W 级以上的高 功率光纤放大器，可替换系统中级联的 EDFA，提高了系统信号传输的质量，有效的实现了信号超远距离的传输，节约了系统建设和运营成本。

双包层光纤的出现，为高功率光纤放大器的研究起到了重要的作用。由于其内包层直径远大于纤芯直径，并且工作过程中将泵浦光耦合进内包层中，所以可以真正的将大功率的泵浦光进行有效注入，大大提高了增益介质对泵浦光能量的吸收，使光纤放大器真正成为高功率器件。

高功率光纤放大器双包层光纤的选择

双包层光纤作为大功率光纤放大器最重要的部分，其选择至关重要。研究表明，高输出功率要求掺杂光纤具有芯径大、数值孔径小的特点，另外，内包层的形状也是影响抽运光耦合和吸收效率的一个关键因素。内包层形状不同，则其吸收系数不同。目前内包层形状有圆形、矩形、梅花形和 D 形，其中，圆形结构提出最早，工艺最简单；后三种对泵浦光吸收效率较高，但是某些光模式无法进入纤芯得到光放大。目前，内包层为矩形或者梅花形结构的双包层光纤应用最为广泛。

包层抽运技术

抽运光耦合技术是影响抽运光耦合效率的关键技术，目前主要有端面抽运、V 形槽侧面抽运、斜角侧面耦合、集束熔锥侧面耦合等技术。其中，侧面耦合效率较高，但是其对制造设备要求较高，加工工艺复杂，技术成本较高。因此，需要考虑各方面因素，例如复杂性、可级联性以及激光损耗等，来决定抽运耦合 方式。

另外，高功率光纤放大器的种子光选择及耦合注入技术也非常重要。由于光纤放大器要求输出高功率，因此其种子光必须满足噪声低、输出光谱稳定和光束质量好等特点，并且种子光能够高效的耦合进光纤放大系统中。同时，由于种子源对反向光敏感，因此种子源使用时必须先接入隔离器，以防止放大系统中产生的反向 ASE 光进入种子源，从而影响其正常工作。

在波分复用系统（WDM）尤其是密集波分复用系统（DWDM）中，由于复用信道数目不断改变，各复用信道的传输功率之和处于不断变化之中，导致输出功率的瞬态波动以及低频交叉调制等效应；而通常工作在饱和状态的 EDFA，其输出功率几乎不随输入功率的改变而发生变化。当复用信道数目增加或减少时，各信道输出增益和输出功率将随之减少或增加。当输出功率高于某一阈值时，引起光纤的非线性效应，导致系统误码率的增加。所以，当 WDM 系统中存在信道不断上下载时，必须有效地控制剩余信道的功率变化。因而掺铒光纤放大器的增益控制技术在 WDM 尤其是 DWDM 系统中尤为重要，它将是光纤放大器在未来光网络中应用的必备前提。

EDFA 增益控制技术进展

主要存在三种增益控制的方法：电路自动增益控制（Electric Gain Control：EAGC）、链路自动增益控制（Link Automatic Gain Control：LAGC）和光自动增益控制（Optical Automatic Gain Control：OAGC）。其中，光自动增益控制技术由于其控制结构简便、系统稳定性好和增益控制范围大等优点而得到广泛应用。 （1）三种 EDFA 增益控制技术手段的比较电路自动增益控制过程一般分为增益变化检测、校准信号的产生以及增益的恢复三个过程。通过 90:10 耦合器的 10%端进行增益检测，当增益发生变化时，通过 PD 进行增益变化检测，进而通过 Control Circuit 产生校准信号，并以此调整泵浦源的驱动电流。当输出端增益变小时，产生校准信号，调整泵浦泵浦功率变大，从而使增益增大；反之，则调整泵浦功率变小，增益变小，从而实现输出增益的稳定。但是其响应时间较长，具有较大的局限性。

链路自动增益控制的 EDFA 其主要用于 EDFA级联的情况下。由于链路前段的情况复杂异常，并且不存在复用信道上下载的情况，因此只需对第一级 EDFA 进行相应的增益控制。研究结果表明，链路自动增益控制在一定范围内可以达到较佳的效果。

光自动增益控制方式不同于上述两种方式，其控制手段并不依赖于信号反馈进而进行泵浦功率调整，而是通过光栅引入控制激光，使其与信号光共同消耗增益介质中的上能级粒子数，当信号光功率在某一范围内变化时，控制激光通过增加或减小自身功率大小以实现对信号光增益的消耗或补偿，使其增益保持一稳定值。这种控制结构无控制电路且为全光器件，因而响应时间快，便于全光集成。

（2）两种光自动增益控制的腔结构

光自动增益控制腔结构分为：线性腔和环形腔。线性腔通常采用一对反射式光栅构成激光谐振腔，当反射光在 EDF 中获得的增益等于其谐振腔损耗时，形成激光振荡，进而同信号光一起共同消耗增益介质中的上能级粒子数，实现增益钳制。该结构简单、成本低廉，但是适用于单波长控制激光，增益钳制范围较小。

环形腔采用单个反射式光栅，从放大光谱的 ASE 中筛选出反射光，并通过环形器进入环形腔。当反射光在环形腔的损耗等于其在增益光纤中的增益时，形成控制激光，进而达到增益控制的目的。该结构简单、易于调节环形腔损耗、适用于单、双波长控制并且增益钳制范围大。

（3）光自动增益控制技术的发展

按照研究的重点，下面将从三个方面进行介绍：线性腔结构、环形腔结构以及瞬态效应研究。

（a）线性腔结构

1993 年，E.Delevaque 等研究人员通过一对 1480nm 的 FBG，实现 1480nm控制激光的振荡；1998 年 Seong Yun Ko 等人在 E.Delevaque 的基础上，将 WDM后端光栅改为可调谐光栅，实现了信号功率在 30dB 范围内变化时，输出增益稳定范围为 4.6~22.6dB；2000 年，Yanhong Xiao 等人采用附加光源进行增益控制研究；2003 年，蒙红云等人通过调节反射式光栅波长的间距，实现了输入信号功率在-30dBm~-5dBm 范围内变化时，增益漂移小于 0.4dB，增益可控范围为2.8~23dB，在一定程度上实现了增益钳制的目的；同年，Bin Xia 等人对双通结构的 L 波段光纤放大器进行了增益控制技术的研究，与单通结构相比，由于信号光两次经过增益光纤，双通结构的次级泵浦功率和增益光纤长度分别节省了 40% 和 22%，但是其瞬态功率变化范围高于单通结构增益控制放大器。

（b）环形腔结构

1991 年，M.Zirngibl 等人首次采用环形腔实现控制激光的振荡，主要通过耦合器将后向 ASE 光引入环形腔中，通过滤波器实现控制激光的波长筛选，并利用衰减器进行环形腔损耗的调节；1999 年，Kyo inuoe 等人在 M.Zirngibl 的基础上，采用环形器代替光耦合器，实现了控制激光和信号光在输出端的分离，降低了输出端的噪声；同年，Kobayashi 等人在增益光纤中加入一滤波器，该滤波器对信号光和泵浦光透明传输，对控制激光产生损耗，有效地降低了控制激光在信号输入端对上能级粒子数的消耗，降低了整个放大系统的噪声系数；2001 年T.Subramaniam 采用耦合器和环形器，从 EDFA 输出端筛选反射光并导入环形腔。与上述几种方案相比，该方案中控制激光在增益介质中传播方向与信号光相同，有效地降低了系统的噪声。当系统增益稳定在 25dB 时，噪声系数不大于 3.2dB，但是输出光谱中存在控制激光；2006 年宋英雄等人，在普通环形腔的结构上，采用增益均衡滤波器及两级放大结构，实现了高增益条件下的增益钳制。

（c）瞬态效应

1998 年，G．Luo 首次系统的研究了增益控制光纤放大器中剩余信道的瞬态效应，认为其主要原因为：光谱烧空效应（SHB）和驰豫振荡现象；2000 年，Wang C 等通过在环形腔中加入可饱和吸收体，动态调整环形腔的损耗值，减少控制激光导致的 SHB 效应；2002 年，赵春柳等人采用长周期光纤光栅和 F-P可调谐滤波器，实现了单个环形腔中两个控制激光的产生，有效地降低了 SHB效应，当输入功率在 27dB 的范围内变化时，输出增益稳定在 21dB，增益漂移小于 0.3dB；2003 年，为了解双波长增益控制 EDFA 的瞬态特性，赵春柳等人在系统输入中加入一个调制速率为 1kHz 的新信道，以模拟 8 信道 WDM 系统中 7 个信道同时上下载的情况。实验结果表明，双波长控制方案中，剩余信道输出功率的最大瞬态变化不大于 4.65%，并且双波长机制适用于上下载频率低于 43kHz，远高于单波长控制机制；2006 年，李国玉等人利用耦合器将后向 ASE 光引入环形腔，并采用高双折射布拉格光栅筛选控制激光波长，可实现单激光或者双激光的自由转换。这种新型的自动增益控制结构实现了输入功率在-40~-15dBm 内变化时，系统平均增益和增益漂移为 22.22dB 和 0.69dB，噪声系数为 8.69dB，克服了空间烧孔效应带来的增益失控效应，明显改善了放大系统输出增益的钳制效果。