增益平坦濾波器(GFF)的幾種實(shí)現(xiàn)技術(shù)

EDFA具有增益高、帶寬大、噪聲低、增益特性對(duì)光偏振狀態(tài)不敏感、對(duì)數(shù)據(jù)速率以及格式透明和在多路系統(tǒng)中信道交叉串?dāng)_可忽略等優(yōu)點(diǎn)[1],在DWDM系統(tǒng)中，由于各信道波長(zhǎng)的密集復(fù)用以及EDFA均勻展寬特性，不同信道之間存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)多波長(zhǎng)光信號(hào)通過EDFA時(shí)，不同信道波長(zhǎng)的增益會(huì)有所不同;同時(shí)，在DWDM網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常需要對(duì)EDFA進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用，每個(gè)放大器的增益波動(dòng)將使DWDM的增益波動(dòng)進(jìn)行累積使其加劇，這會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)功率的不平衡，使比特誤碼率(BER)不能滿足系統(tǒng)要求[2]。因此，對(duì)EDFA的增益譜進(jìn)行平坦化成為一個(gè)DWDM系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)問題[3,4]。目前，實(shí)現(xiàn)EDFA增益平坦主要有薄膜濾波、微光正弦濾波、光纖光柵濾波等技術(shù)手段。

1 幾種增益平坦濾波器技術(shù)

1.1 基于薄膜濾波技術(shù)的GFF

薄膜濾波器由介質(zhì)薄膜(DTF)構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)是基于法布里-泊羅(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具的諧振器，該諧振器是間距固定的平板，由腔和反射鏡構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 F-P諧振器工作原理示意圖

薄膜濾波技術(shù)是一個(gè)比較成熟的技術(shù)，典型的基于薄膜濾波技術(shù)的GFF由一個(gè)高反射的多層平板夾以λ/2間隔層構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 基于薄膜濾波技術(shù)的GFF的結(jié)構(gòu)

基于薄膜濾波技術(shù)的GFF可以工作于反射模式或者透射模式，一般由兩個(gè)以上的F-P腔構(gòu)成，所以也稱為多腔薄膜干涉濾波器，其腔之間通過介質(zhì)反射層隔離，每個(gè)腔包括50層以上的多層結(jié)構(gòu)。

基于薄膜濾波技術(shù)的GFF生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，對(duì)于新的放大器增益曲線的適應(yīng)能力較弱，同時(shí)，薄膜濾波GFF屬于一種體效應(yīng)技術(shù)，插入損耗相對(duì)較大。由于每只薄膜濾波GFF的生產(chǎn)使用同樣的工具和工藝，使每只GFF增益波動(dòng)幾乎一樣，這樣在EDFA進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用時(shí)，必然會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)的增益波動(dòng)的累積。

1.2 基于微光正弦濾波技術(shù)的GFF

基于微光正弦濾波技術(shù)GFF的實(shí)現(xiàn)方式之一是采用馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀[5]。兩個(gè)波長(zhǎng)(λ1和λ2)的光輸入光纖，經(jīng)方向耦合器#1使兩個(gè)波長(zhǎng)的光功率對(duì)半分離并各自耦合進(jìn)兩個(gè)長(zhǎng)度不等的波道臂，兩波道長(zhǎng)度差為ΔL。經(jīng)兩個(gè)臂傳輸?shù)墓馐圆煌南辔坏竭_(dá)第二個(gè)方向耦合器#2。按照相位變化和輸出光纖的位置，每個(gè)波長(zhǎng)在兩個(gè)輸出光纖之一產(chǎn)生"相長(zhǎng)"干涉，而另一個(gè)產(chǎn)生"相消"干涉，即在第一根光纖上，波長(zhǎng)λ1"相長(zhǎng)"(波長(zhǎng)λ2"相消")干涉;在第二根光纖上，波長(zhǎng)λ2"相長(zhǎng)"(波長(zhǎng)λ1"相消")干涉，這樣便把λ1和λ2分開，如圖3所示。

圖3 M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖[6]

基于微光正弦濾波技術(shù)的GFF具有正弦濾波功能，調(diào)整其自由光譜通道可以使其與設(shè)計(jì)的放大器放大窗口相吻合，對(duì)EDFA的增益譜進(jìn)行傅立葉分析，可以確定所需要的干涉儀個(gè)數(shù)。為了覆蓋EDFA的C波段，一個(gè)GFF通常需要3到5個(gè)單獨(dú)的M-Z干涉儀組成，這樣，將會(huì)增加GFF的封裝尺寸。

1.3基于光纖光柵濾波技術(shù)的GFF

光纖光柵是一種折射率周期變化的光波導(dǎo)，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個(gè)光纖模式的功率部分或完全地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖模式中以改變?nèi)肷涔獾念l譜。

長(zhǎng)周期光纖光柵GFF中，與光柵相互作用的光被耦合進(jìn)前向傳輸包層模，并由于吸收和散射迅速衰減，這種波長(zhǎng)選擇器具有極小的反射[7]，在與EDFA集成時(shí)不必使用隔離器。然而，與薄膜濾波GFF一樣，為了覆蓋EDFA的整個(gè)增益帶寬必然會(huì)增加生產(chǎn)的復(fù)雜性，同時(shí)，如果沒有對(duì)這種光柵GFF進(jìn)行封裝的話，溫度變化時(shí)其波長(zhǎng)漂移的敏感性是布喇格光柵GFF的5倍。為了減少這種溫度敏感性，需要進(jìn)行無源溫補(bǔ)。與溫度敏感性一樣，長(zhǎng)周期光柵GFF對(duì)于彎曲損耗的敏感性也比較高。所有這些因素加起來，使得長(zhǎng)周期光柵GFF的封裝技術(shù)顯得尤為重要。

基于布拉格光柵的GFF又可以分為兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是閃耀光柵，一種是啁啾光柵。當(dāng)光柵制作時(shí)，紫外側(cè)寫光束與光纖軸不垂直時(shí)，造成其折射率的空間分布與光纖軸有一個(gè)小角度，形成閃耀光柵。閃耀光柵GFF同樣具有很小的反射，可以減少隔離器的使用;同長(zhǎng)周期光柵GFF一樣，為了覆蓋EDFA的整個(gè)增益帶寬必然會(huì)增加生產(chǎn)的復(fù)雜性。閃耀光柵GFF具有較高的損耗譜精度，但是對(duì)于新的損耗譜其生產(chǎn)控制方式顯得復(fù)雜了一些。

啁啾光柵是柵格間距不等的光柵。啁啾光柵GFF工作于傳輸模式，這種GFF與常規(guī)光纖連接時(shí)具有很低的插入損耗，同時(shí)，與其他GFF相比，啁啾光柵GFF可以覆蓋一個(gè)很寬的光波段(>35nm)并且封裝很小。對(duì)于新的EDFA增益譜，啁啾光柵GFF可以很靈活地調(diào)整其損耗譜，對(duì)于EDFA生產(chǎn)商來說，這無疑縮短了對(duì)GFF進(jìn)行選型和匹配的時(shí)間。啁啾光柵GFF在生產(chǎn)時(shí)由于單獨(dú)生產(chǎn)，每個(gè)GFF均能確保具有輕微的差異，這種輕微的差異使得啁啾光柵GFF的EDFA增益波動(dòng)頻率位置不同，因此，在DWDM網(wǎng)絡(luò)中對(duì)ED-圖3M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖[6]FA級(jí)聯(lián)使用時(shí)，減少了功率差異。

1.4各種GFF實(shí)現(xiàn)技術(shù)的比較

綜合比較三種實(shí)現(xiàn)GFF的技術(shù)，如表1所示。可以看出實(shí)現(xiàn)EDFA的增益平坦，啁啾光柵GFF是較好的選擇。

表1 幾種不同GFF實(shí)現(xiàn)技術(shù)的比較

圖4 基于啁啾光柵GFF的高功率EDFA設(shè)計(jì)及增益平坦度測(cè)試配置

2 試驗(yàn)與測(cè)試

設(shè)計(jì)了如圖4所示的EDFA，為了提高該EDFA的增益水平，使用兩級(jí)EDF作為增益介質(zhì)進(jìn)行放大，在兩級(jí)增益介質(zhì)之間使用啁啾光柵GFF對(duì)EDFA的增益曲線進(jìn)行平坦，同時(shí)，在EDFA輸入及輸出端增加隔離器以免泵浦光反射或ASE影響EDFA的穩(wěn)定性。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于GFF具有較小的反射，可以將緊隨GFF后的隔離器去掉，一方面可以減少EDFA的光路損耗，同時(shí)，可以節(jié)約EDFA的原料成本。

增益平坦度測(cè)試中，使用網(wǎng)泰(NetTest)8波長(zhǎng)光源(OSICS)作為多播長(zhǎng)光源，經(jīng)WDM合波后注入EDFA，調(diào)節(jié)EDFA的兩個(gè)泵浦功率，在EDFA輸出端使用安立(Anritsu)光譜分析儀(MS9710C)測(cè)試輸出，考慮到EDFA的較高的輸出功率，在EDFA輸出注入光譜分析儀前加入光衰減器。圖5為加入啁啾光柵GFF后EDFA增益平坦度測(cè)試結(jié)果。

圖5 EDFA增益平坦度測(cè)試結(jié)果

3結(jié)束語

綜合比較薄膜濾波、微光正弦濾波、光纖光柵濾波實(shí)現(xiàn)GFF的技術(shù)，啁啾光柵GFF是較好的選擇。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高功率EDFA設(shè)計(jì)中，在兩段增益光纖介質(zhì)間加入啁啾光柵GFF可以將增益平坦度控制在±0.3dB范圍內(nèi)。