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1、文献综述1 引言掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，简称EDFA）的出现引起了光纤通信技术的一场革命，它是8090年代光电子领域的一项重大技术突破1，是光纤通信系统中最成功的技术之一。随着EDFA的不断完善和发展，它的应用前景会更加广阔。EDFA具有增益高、带宽大、插入损耗小、噪声低、增益特性与光偏振态无关、对数据率及其格式透明等特点，且有在多路系统中信道交叉串扰通常可以忽略的优点，可以用于接收机前置放大、中继放大、功率放大器和光孤子通信等。但在通信系统中，尤其是在波分或频分复用系统中应用EDFA时，除要求EDFA有足够高的增益，还要求EDFA有足够的带宽
2、。而随着WDM通信速率的提高和网络技术的发展，EDFA的性能缺陷增益谱非均匀性和噪声等对系统特性的影响也愈加明显地暴露出来。尽管由于掺铒玻璃中基态和亚稳态能级的斯塔克裂变效应使EDFA具有很宽的谱带，但一般的掺铒光纤放大器，其本身的增益轮廓是不平坦的，它们在1532nm和1550nm附近有两个明显的峰值，致使EDFA的平坦区域仅为10nm左右，并且，如果避开放大器的峰值增益波长，让放大器在后面平台处进行工作，又会存在增长的噪声和峰值激光效应等多种缺陷，当WDM系统包含多个EDFA时，不同波长处积累的增益差异会超过接收器的动态范围，从而造成大的传输误差，因此，必须对EDFA的增益谱进行平坦化处理
3、，使波分复用系统（WDM）不是仅限制在一个很窄的带宽内使用，从而提高通信通道数，使通信系统的容量大大增加。2 掺铒光纤放大器的各种增益平坦化技术国外从九十年代初就开始进行掺铒光纤放大器增益平坦化的研究，早期曾有过利用光凹槽滤波器滤波的方法2，通过被动滤波，在38mW的980nm泵浦下，增益为27dB时，EDFA的3dB带宽达33nm。后来又有声光滤波的方法3,4，其结果是15nm带宽范围内增益变化小于1dB，但由于声光滤波器不能集成到光纤上，并且连接技术复杂，因此在实际应用中受到很大的限制。目前，对掺铒光纤放大器进行增益平坦化的操作，主要是通过使用增益均衡器和改变掺杂光纤的基质材料、掺杂物质来
4、实现的。2.1 使用增益均衡器进行增益平坦化处理2.1.1 光纤光栅增益平坦滤波器在EDFA中插入损耗谱与EDFA增益谱相反的光纤光栅增益平坦滤波器是比较常用的一种增益平坦技术。所用的光纤光栅，可以是闪耀光栅或闪耀光栅的复合体，也可以是长周期光栅。对于通过光纤中闪耀光栅的信号，可从光纤芯区的导模耦合到后向传播的包层模或辐射模中逸出光纤，通过选择合适的光栅参数，如闪耀角、周期等，就可使光纤放大器的增益谱峰值减小，从而达到平坦化的目的。1993年，英国的R.Kashyap等人首先在光敏光纤的一端利用紫外光侧写制作了一个3mm的闪耀光栅，闪耀角约8度，在1550nm窗口处，35nm至40nm的带宽内
5、，可使ASE（放大的自发发射）谱的平坦度达到0.5dB5。1993年，R.Kashyap等人在光纤内写入多个侧向分接头（side-tap）布喇格光栅，通过调整光栅的个数及光栅本身的参数，可以在所需不同波长处引入任意大小的损耗，最终达到平坦化的目的。他们把8个不同参数的闪耀光栅做在了一起，形成一个滤波器，最终结果使放大器从1532.51565.5nm的33nm范围内达到0.3dB的平坦度6。1999年，M.Rockette等人使用短周期布拉格光栅进行EDFA的增益平坦实验，实验是双级放大结构，如图1所示。在两级放大之间使用的滤波器采用了图2中的ad四种结构，其中，a是一个光隔离器（OI），b是一
6、个OI和一个宽带布拉格光栅（WBG），c是在两个OI中间的一个WBG，d是一个光学环形器和级连窄带布拉格光栅。结果发现，使用方案b和方案c都可以获得比较好的增益平坦度，在32nm的带宽范围内增益变化不超过0.3dB，且c方案由于去掉了反向传播的ASE引起的二次放大噪声，因此具有更好的增益水平和更低的噪声指数（NF）；使用方案d时，可以获得更好的增益平坦度，在32nm的带宽范围内增益变化不超过0.1dB7。长周期光纤光栅（LPFG）也有比较好的增益平坦的滤波效果。通过选择长周期光栅的周期，光纤中传播的基模可耦合到前向传输的包层模，这种耦合是波长选择性的，所以长周期光栅可作为依赖波长的损耗元件，从
7、而可利用它进行增益平坦化。1996年，Ashish M. Vengsarkar等利用两个长周期光栅串接，使EDFA在25nm30nm带宽内，平坦增益变化小于0.2dB8。1997年，Paul F.Wysocki等人又利用长周期光栅对级联EDFA进行增益平坦化，通过精确选择长周期光纤光栅滤波器的长度和透过谱形状，可使此EDFA输出功率接近+15dBm时，在40nm范围内增益变化小于1dB，噪声指数低于4.0dB9。1999年，M.K.Pandit等人在EDFA中使用长周期光栅获得了更好的增益平坦效果10。需要说明的是，基于光纤光栅的增益平坦技术是一种静态增益平坦技术，当EDFA的使用条件发生变化
8、时，放大器的增益曲线会发生变化，光纤光栅的损耗曲线不再与EDFA的增益曲线匹配，从而使放大器的增益平坦度降低。2.1.2 利用光纤环镜进行增益平坦化由于光纤的弯曲损耗随工作波长(1580nm)的增加而增大，因此，可以利用光纤弯曲损耗这一特性对放大器增益进行平坦化处理，这种方法操作简单，工作性能稳定。1997年，A.H.Liang等人使用色散位移光纤(DSF)做环形镜进行了增益平坦化实验，实验中，将一个周期性弯曲的色散位移光纤(DSF)插入在EDF之间，实验装置如图3所示。实验表明，在10nm的带宽范围内增益在14到28dB之间均可达到低于1dB的不平坦度11。同年，J.X.Cai等人利用光纤环
9、镜(FLM)对级联EDFA的增益不均匀性进行补偿处理，即用FLM作全光纤在线均衡光滤波器。他们的结果是：对覆盖9nm波长范围的三个WDM信道，在传输1500公里后，功率差值由30dB降为2dB12。FLM中有一个22耦合器、两个光纤偏振控制器(PC)、10.5km零色散波长为1552nm的色散位移光纤(DSF)及输入和输出端连接的隔离器。入射光在FLM输出口的偏振方向和位移条件决定了其通过FLM时是被反射还是被传输，而使用PC可以改变偏振方向和位移条件，以获得某个波长的最大输出或最小输出，因此，这种FLM可以用做可调滤波器。实验中使用的FLM结构如图4所示。 图4 FLM结构2001年，S.P
10、.Li等人提出利用高双折射光纤环行镜(HiBi-FLM)进行EDFA的增益平坦实验，其实验装置如图5所示。在环行镜中，使用多段HiBi光纤和PC，HiBi-FML的反射谱可以通过PC来调节，EDFA的增益平坦输出可以通过环行器输出，不需要隔离器。实验中分别使用了一段和两段HiBi光纤，实验结果表明，使用两段Hibi光纤比一段具有更好的增益平坦效果，在33nm的带宽范围内，增益变化为0.9dB13。2.1.3 使用微光干涉仪进行增益平坦化2000年，Taichi Kogure等人提出了一种基于微光干涉仪的新型自适应增益曲线均衡器(AGPEQ)，其结构如图6(a)所示，它包含两个光纤准直器(Col
11、limator)、一个偏振分束器(PBS)、一个半波片(HWP)、一个可变法拉第旋转器(VFR)、一组双折射走离晶体以及一个相位延迟片或标准具。将这种AGPEQ用于EDFA的增益平坦处理，实验装置如图6(b)所示，可以获得比只使用两个固定增益均衡器(GEQ)更好的增值益平坦度：在32nm 的带宽范围内增益变化小于0.7dB14。2.1.4 使用全光纤声光可调滤波器进行增益平坦化全光纤声光可调滤波器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是近几年才出现的动态增益平坦化技术。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，其
12、实验装置如图7所示。实验证明，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15。1999年，Seok 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0.6dB16。2.2 在掺杂光纤上做文章理论和研究发现，在掺铒光纤中，改变掺铒硅玻璃光纤的基质材料，如改用氟基玻璃或多成分玻璃等，或者在掺铒硅玻璃光纤中加入Al2O3和P2O5等作为共掺杂物质，可以有效地改善EDFA的增益平坦度。2.2.1 氟基掺铒光纤放大器（F-EDFA）1994年，法国的D.Bayart等人研究发现，采用氟化物
13、光纤制成的EDFA具有很大的平坦增益带宽。它们使用7.1米长双向泵浦的氟基掺铒的光纤放大器（F-EDFA），同时监视放大器的后向ASE，通过调整泵浦源的电流，使EDFA最后平坦度低于0.5dB（未平坦前为4.5dB）17。1996年，Makoto Yanada等人对氟基掺铒光纤放大器进行了进一步研究，他们的实验证明：对于8个通道的WDM系统，位于1532-1560nm范围的信号，不同通道的增益差异小于1.5dB；F-EDFA在1534-1542nm波长范围内具有很好的平坦度，对于WDM信号增益差异小于0.2dB18。2.2.2 碲基掺铒光纤放大器（T-EDFA）1997年，NTT公司在OFC9
14、7上报道了其研制的一种新型碲基(Te)EDFA，由于碲基玻璃具有高的稳定性、耐腐蚀性和稀土离子可溶性，因此是一种非常好的EDF的基质材料。碲基玻璃中的铒离子可以在很大的带宽范围内具有较大的受激发射截面，尤其在1600nm波长附近时，铒离子仍有较大的受激发射截面，它的上限波长达1634nm。实验表明，在80nm(1530nm1610nm)的带宽范围内，可以保持20dB的较高增益，而增益变化小于1.5dB19。2000年，A.Mori等人又进行了专门的L带碲基掺铒光纤放大器(EDTFA)的增益平坦化实验，其实验装置如图8所示。实验中使用了两级碲基掺铒光纤(EDTF)，并使用了一个增益均衡器GEQ。
15、实验结果表明，在1581nm1616nm的L波段，EDTF平均增益为28dB，增益变化小于1dB，且噪声系数小于6dB20。2.2.3 掺铝的EDFA理论和实验研究表明，在掺铒光纤中同时掺杂铝离子时，由于高浓度的铝可以很好地吸收1550nm的增益峰，因此可以使EDFA的增益获得好的平坦度。1994年，M.Yamada 等人利用掺铒SiO2-Al2O3光纤和掺铒多成分光纤连接在一起，在1543-1558nm带宽范围内达到了很好的平坦度，信号增益26dB，噪声小于6dB21。1995年，S.Yoshida 等人也利用高掺杂Al的光纤对EDFA进行了增益平坦化，他们的结果是：对1544-1557nm
16、范围内的WDM信号，16个通道间的信号增益差异小于0.2dB22。1996年，Y.W.Lee等人利用低掺杂Al的Al-Ge掺铒光纤和M-Z滤波器组合，进行增益平坦EDFA实验，其M-Z滤波器的衰减最大值的位置及消光比均可调，实验结果是：在1542-1552nm带宽内，平均增益为17dB，增益变化小于0.3dB 23。1998年，S.T.Hwang等人使用以高含Al的硅酸锗铝作为基质的掺铒光纤和M-Z滤波器组合，进行增益平坦EDFA实验。其实验结果是：在15nm(1544nm1559nm)带宽范围内可以得到很好的增益平坦度，平均增益接近30dB，增益变化小于0.2dB24。2.2.4 掺钐EDFA1996年，Shien-kuei等人在两段掺铒光纤中加入一段掺Sm(钐)光纤(SDF)进行增益平坦化，由
