光放大器增益平坦濾波器的譜形確定方法

1、說 明 書光放大器增益平坦濾波器的譜形確定方法技術領域本發(fā)明涉及光纖通信系統(tǒng)，更具體地說，是針對光纖通信系統(tǒng)中使用的摻雜光纖放大器而用于確定光纖放大器中使用的增益平坦濾波器的譜形。背景技術光纖通信系統(tǒng)中，光纖放大器尤其是摻鉺光纖放大器（EDFA）已經(jīng)成為系統(tǒng)的核心器件之一。EDFA的產(chǎn)生和發(fā)展極大的推動了波分復用系統(tǒng)（WDM）的發(fā)展。但是隨著WDM系統(tǒng)容量和速率的提高，EDFA的增益不平坦性對系統(tǒng)性能的影響也越來越明顯。實現(xiàn)EDFA的增益平坦主要有兩種方法：一類是在EDFA中加入增益平坦濾波器（GFF），另一類則是改變摻鉺光纖的基質材料或在摻鉺光纖中摻入其它物質。但一般摻鉺光纖的基質材料或在摻

2、鉺光纖中參如其他物質在器件設計之前就已經(jīng)形成，因此，器件設計過程中通常通過加入平坦濾波器（GFF）來實現(xiàn)增益平坦的效果。而平坦濾波器（GFF）的放置位置則比較靈活，可以放在所有增益級之前、增益級之后，如果是兩級或兩級以上的結構，還可以放在中間任意兩級之間，甚至拆分為數(shù)個平坦濾波器（GFF）分別放置，這取決于對放大器噪聲及功率的權衡。但無論放置在何處，為了達到較好的增益平坦效果，都需要對平坦濾波器（GFF）的最佳譜形進行測試。而現(xiàn)有測試方法僅僅局限于，特定的光纖長度，特定的粒子反轉數(shù)條件下的GFF譜形。發(fā)明內容為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于鉺纖增益譜理論的平坦濾波器（GFF）譜形確

3、定方法，該方法只需要測量特定纖長配置的兩個增益點譜形，就可以得到任意纖長條件下任意粒子反轉數(shù)條件下的鉺纖增益譜。從而為平坦濾波器（GFF）的設計提供了充分的靈活性。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了光放大器增益平坦濾波器的譜形確定方法，其特征在于：依據(jù)公式：ErGain(,x,L)=ErLGain()+ErHGain()-ErLGain()*x*L 其中Gain（）為增益譜函數(shù)；x為inv/inv反映粒子反轉數(shù)的變化量；若設L為纖長比例,由上述公式看得只需要測量特定纖長配置的兩個摻雜光纖增益點譜形，就可以得到任意纖長條件下任意粒子反轉數(shù)條件下的摻雜光纖增益譜。上述方法包括步驟一：將輸入光譜調平，測

4、試平坦輸入光譜；步驟二：測量模塊的無源損耗譜；步驟三：測量完畢無源損耗之后，將鉺纖接入主光路對應位置，調整泵源功率，使模塊增益接近目標增益，測量兩個粒子反轉數(shù)下的模塊增益譜；步驟四：依據(jù)ErHGain() = ModuleHGain()+ PassiveLoss()以及 ErLGain() = ModuleLGain()+ PassiveLoss() 可以得到鉺纖部分增益；后利用公式ErGain(,x,L)=ErLGain()+ErHGain()-ErLGain()*x*L數(shù)據(jù)進行處理，調整不同纖長L及反轉程度系數(shù)x，達到鉺纖增益可以得到對應于不同纖長的增益譜形；步驟五：減去最小增益，即可得到

5、最后想要的對應纖長的GFF譜形。上述方法還可包括步驟一：將輸入光譜調平，測試平坦輸入光譜；步驟二：將鉺纖接入主光路對應位置，調整泵源功率，使模塊增益接近目標增益，測量兩個粒子反轉數(shù)下的模塊增益譜；步驟三：去掉鉺纖，測量模塊的無源損耗譜；步驟四：依據(jù)ErHGain() = ModuleHGain()+ PassiveLoss()以及 ErLGain() = ModuleLGain()+ PassiveLoss() 可以得到鉺纖部分增益；后利用公式ErGain(,x,L)=ErLGain()+ErHGain()-ErLGain()*x*L數(shù)據(jù)進行處理，調整不同纖長L及反轉程度系數(shù)x，達到鉺纖增益可

6、以得到對應于不同纖長的增益譜形；步驟五：減去最小增益，即可得到最后想要的對應纖長的GFF譜形。采用這一方法的優(yōu)點在于：首先，可以計算任意纖長所對應的平坦濾波器（GFF）譜形。在EDFA設計過程中，摻雜光纖的長度是一個重要參數(shù)，直接影響影響到放大器的噪聲系數(shù)，泵浦轉換效率等重要參數(shù)。其中噪聲系數(shù)是放大器性能的重要指標，決定了信號在經(jīng)過放大器之后的信噪比惡化程度，而信噪比的惡化直接影響到光通信系統(tǒng)的誤碼率。而泵浦轉化效率表征了為了達到需要的輸出功率，需要的泵源功率的大小。泵浦轉化效率越高，達到相同輸出功率所需的泵源功率就越小，而泵源功率是放大器成本的主要組成部分。所以泵浦轉化效率是放大器設計過程中

7、控制成本的關鍵指標之一。采用本發(fā)明的方法，可以得到任意纖長下的GFF譜形，極大的提高了放大器設計的靈活性，使得設計者可以專注于噪聲系數(shù)和泵源轉化效率的優(yōu)化來調整纖長。而且，本發(fā)明所提供的靈活性不只在于確定纖長的靈活性，還為平坦濾波器（GFF）的形狀設計提供了靈活性?？梢缘玫捷^為靈活的GFF譜形的意義在于：第一，平坦濾波器（GFF）譜形可以影響放大器的噪聲系數(shù)。第二，平坦濾波器（GFF）的譜形會影響泵浦轉換效率。以上兩點對于放大器設計的意義已經(jīng)在以上部分進行了闡述。第三，平坦濾波器（GFF）譜形的靈活性可以使得新設計的放大器有意匹配已有的或者是其他設計的譜形，這樣可以節(jié)約平坦濾波器（GFF）器件

8、的成本。第四，本發(fā)明所提出的方法還可以用于評估現(xiàn)有的平坦濾波器（GFF）器件可否應用于當前設計的模塊，也是輔助設計的方法之一。附圖說明下面接合附圖對本發(fā)明的實施方法進一步說明。圖1，2為比較典型的放大器使用平坦濾波器（GFF）的光路結構圖，并且標示出了信號光譜形在光路中的變化過程。圖3，4表示對應于圖1，2的兩種結構的平坦濾波器（GFF）測試使用的光路結構圖。同樣表示出了信號光譜形的變化過程。圖5表示相同纖長的鉺纖增益譜隨著粒子反轉數(shù)變化的變化。圖6表示在粒子反轉數(shù)不變的條件下，不同纖長所能提供的增益譜。圖7表示為了達到特定增益，不同纖長所提供的鉺纖增益譜形，正是這一系列譜形提供了確定平坦濾波

9、器（GFF）的依據(jù)。圖 8顯示了圖7增益下對應的平坦濾波器（GFF）譜形。圖9表示了理論計算的效果：依據(jù)兩個粒子反轉點的增益譜數(shù)據(jù)，利用摻雜光纖增益譜在不同粒子反轉數(shù)下的變化原理，可以得到任意工作點下的平坦濾波器（GFF）譜形。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明提供GFF設計靈活性的方法作進一步說明。下面介紹一下本發(fā)明的理論基礎，也就是鉺纖增益譜的相關理論。一定長度的鉺纖在一定的粒子反轉數(shù)條件下所能提供的增益譜表達式為：ErGain() = g()*inv-alpha（）*（1-inv）*L (1)其中Gain（）為增益譜函數(shù)，g（）為發(fā)射系數(shù)譜函數(shù)，alpha（）為吸收系數(shù)譜函數(shù)，inv表示鉺

10、纖中的粒子反轉數(shù)，L為鉺纖長度。在一個成品放大器中，模塊增益由鉺纖部分增益與無源損耗之差組成：ModuleGain() = ErGain()-PassiveLoss() (2)也就是：ErGain() = ModuleGain()+ PassiveLoss() (3)而PassiveLoss()是基本穩(wěn)定不變的，為了得到PassiveLoss()，需要在鉺纖熔接之前熔接好所有主光路部分，即從模塊輸入到模塊輸出全部熔接好，并且需要熔接鉺纖的兩端點需要對應熔接起來以保證光路暢通。這時就可以測量放大器光模塊的PassiveLoss()了。得到模塊的PassiveLoss()之后，可以將鉺纖熔接進去，

11、按照“背景技術”中所提到的方法測試模塊的增益譜。為了采用本發(fā)明中提到的方法，需要在目標增益附近測量兩個模塊增益譜，記為ModuleHGain()與ModuleLGain()。根據(jù)式(3)得到兩個鉺纖增益譜：ErHGain() = ModuleHGain()+ PassiveLoss() (4)ErLGain() = ModuleLGain()+ PassiveLoss() (5)ErHGain() = g()*invH-alpha（）*（1-invH）*L (6)ErLGain() = g()*invL-alpha（）*（1-invL）*L (7)(6)-(7)得：ErHGain()-ErLG

12、ain()=g()(invH-invL)+alpha()(invH- invL) (8)從而得到增益譜變化與粒子反轉數(shù)變化的關系：ErGain()=G()+alpha()*inv= K()*inv (9)則當例子反轉數(shù)變化為inv時，鉺纖增益譜變化量為 ErGain()= K()*inv=ErGain()*inv/inv=ErHGain()-ErLGain()*x (10)其中x為inv/inv。若設L為纖長比例,則可得到任意纖長和粒子反轉數(shù)變化時的鉺纖增益： ErGain(,x,L)=ErLGain()+ErHGain()-ErLGain()*x*L (11)若固定纖長，只調整粒子反轉數(shù)，則

13、可得到的一系列譜形如圖5所示。此圖顯示了在纖長一定的條件下，不斷調整泵源功率可以得到的鉺纖增益譜形。若保持粒子反轉數(shù)不變，不同纖長可達到的增益譜形如圖6所示。圖7表示了本發(fā)明的應用結果，即纖長和粒子反轉數(shù)同時調整，在每個纖長下找到可以使得譜形的最低增益處可以達到目標增益的粒子反轉數(shù)，這樣就得到了一組粒子反轉數(shù)與纖長的組合，也找到了為了達到目標增益所需要的一組平坦濾波器（GFF）衰減譜形值。圖1為本發(fā)明應用的第一實施例的光路圖。圖3為測量其對應的GFF譜形的光路結構及測試點。這是采用GFF的光纖放大器的最簡單結構：一個泵浦源，一段摻雜光纖，一個GFF器件。該泵浦源的泵浦方式可以選擇前向或者后向泵

14、浦，摻雜光纖比較典型的應用之一為摻鉺光纖，GFF器件可以放置于摻雜光纖之前（信號光先通過GFF器件，再通過摻雜光纖）或者放置于摻雜光纖之后（信號光先通過摻雜光纖，再通過GFF器件）。使用本發(fā)明的方法可以通過測量兩個增益點譜形得到所要求的目標增益對應的一系列GFF譜形。為更詳細說明本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理方法，現(xiàn)依據(jù)具體數(shù)據(jù)說明如下：將輸入光譜調平，測試平坦輸入光譜如下表1所示：表1 輸入信號功率波長(nm)輸入功率(dB)波長(nm)輸入功率(dB)波長(nm)輸入功率 (dB)1529.50 -18.18 1539.60 -18.27 1550.81 -18.201530.51 -18.22 154

15、1.24 -18.24 1553.85 -18.211531.68 -18.23 1542.72 -18.24 1555.41 -18.241533.25 -18.21 1544.48 -18.26 1557.24 -18.241534.52 -18.20 1545.98 -18.22 1558.88 -18.171536.39 -18.17 1547.76 -18.20 1560.29 -18.191537.91 -18.21 1548.88 -18.20 1562.05 -18.21首先測量模塊的無源損耗，需要在鉺纖熔接之前熔接好所有主光路部分，即從模塊輸入到模塊輸出全部熔接好，并且需要熔

16、接鉺纖的兩端點需要對應熔接起來以保證光路暢通。在本實施例中得到的實測結果如下表2所示：表2 無源損耗（PassiveLoss）波長(nm)無源損耗(dB)波長(nm)無源損耗(dB)波長(nm)無源損耗(dB)1529.50 1.46 1539.60 1.36 1550.81 1.42 1530.51 1.46 1541.24 1.36 1553.85 1.40 1531.68 1.45 1542.72 1.37 1555.41 1.37 1533.25 1.42 1544.48 1.39 1557.24 1.41 1534.52 1.40 1545.98 1.41 1558.88 1.41

17、1536.39 1.41 1547.76 1.39 1560.29 1.40 1537.91 1.41 1548.88 1.42 1562.05 1.42 測量完畢無源損耗之后，將鉺纖接入主光路對應位置，本實施例中采用9.2m鉺纖。調整泵源功率，使模塊增益接近目標增益，測量兩個粒子反轉數(shù)（對應兩個泵源功率值，此處分別為46mW及100mW）下的模塊增益譜。數(shù)據(jù)如下表3、表4所示：表3 .46mW泵浦的模塊增益（Module Gain）波長(nm)模塊增益(dB)波長(nm)模塊增益(dB)波長(nm)模塊增益(dB)1529.50 16.57 1539.60 16.90 1550.81 18.

18、20 1530.51 18.46 1541.24 17.25 1553.85 18.52 1531.68 18.77 1542.72 17.64 1555.41 18.64 1533.25 18.65 1544.48 17.87 1557.24 18.74 1534.52 18.05 1545.98 18.05 1558.88 18.64 1536.39 17.08 1547.76 18.08 1560.29 18.35 1537.91 16.74 1548.88 18.11 1562.05 17.82 表4. 100mW 泵浦的模塊增益（Module Gain）波長(nm)模塊增益(dB)波

19、長(nm)模塊增益(dB)波長(nm)模塊增益(dB)1529.50 22.12 1539.60 19.28 1550.81 19.911530.51 22.49 1541.24 19.56 1553.85 20.11531.68 22.69 1542.72 19.89 1555.41 20.21533.25 22.31 1544.48 20.01 1557.24 20.171534.52 21.38 1545.98 20.07 1558.88 19.981536.39 19.87 1547.76 20.00 1560.29 19.581537.91 19.23 1548.88 19.94 1

20、562.05 18.89利用公式（4）以及（5）可以得到鉺纖部分增益如下表5、表6所示：表5 在46mW泵浦下的鉺纖部分增益（Er Gain）波長(nm)鉺纖部分增益(dB)波長(nm)鉺纖部分增益(dB)波長(nm)鉺纖部分增益(dB)1529.50 18.03 1539.60 16.90 1550.81 18.20 1530.51 18.46 1541.24 17.25 1553.85 18.52 1531.68 18.77 1542.72 17.64 1555.41 18.64 1533.25 18.65 1544.48 17.87 1557.24 18.74 1534.52 18.05

21、 1545.98 18.05 1558.88 18.64 1536.39 17.08 1547.76 18.08 1560.29 18.35 1537.91 16.74 1548.88 18.11 1562.05 17.82 表6 在100mW泵浦下的鉺纖部分增益（Er Gain）波長(nm)鉺纖部分增益(dB)波長(nm)鉺纖部分增益(dB)波長 (nm)鉺纖部分增益(dB)1529.50 23.58 1539.60 20.64 1550.81 21.33 1530.51 23.95 1541.24 20.92 1553.85 21.50 1531.68 24.14 1542.72 21.2

22、6 1555.41 21.57 1533.25 23.73 1544.48 21.40 1557.24 21.58 1534.52 22.78 1545.98 21.48 1558.88 21.39 1536.39 21.28 1547.76 21.39 1560.29 20.98 1537.91 20.64 1548.88 21.36 1562.05 20.31 利用公式（11）對表5，6中數(shù)據(jù)進行處理，調整不同纖長L及反轉程度系數(shù)x，為了達到鉺纖增益18dB（對應的模塊增益約為16.6dB），可以得到對應于不同纖長的增益譜形如下表7所示：表7 .對應于不同纖長的增益譜數(shù)據(jù)鉺纖長度 (m)8

23、.38.79.29.810.5Min Gain(dB)18.01 18.01 18.03 18.00 17.99 x0.860.590.330.04-0.25Wavelength(nm)Er Gain(dB)Er Gain(dB)Er Gain(dB)Er Gain(dB)Er Gain(dB)1529.50 20.57 20.15 19.86 19.44 18.99 1530.51 20.91 20.52 20.27 19.90 19.50 1531.68 21.10 20.75 20.54 20.22 19.89 1533.25 20.77 20.47 20.33 20.08 19.84

24、1534.52 19.95 19.71 19.61 19.43 19.25 1536.39 18.67 18.50 18.47 18.37 18.30 1537.91 18.13 18.01 18.03 18.00 17.99 1539.60 18.15 18.07 18.13 18.16 18.22 1541.24 18.41 18.36 18.46 18.53 18.64 1542.72 18.72 18.70 18.83 18.94 19.10 1544.48 18.86 18.87 19.03 19.19 19.39 1545.98 18.95 18.98 19.18 19.37 19

25、.62 1547.76 18.88 18.94 19.17 19.40 19.69 1548.88 18.86 18.94 19.18 19.43 19.74 1550.81 18.85 18.96 19.23 19.52 19.88 1553.85 19.02 19.18 19.50 19.85 20.29 1555.41 19.09 19.26 19.61 19.98 20.44 1557.24 19.11 19.31 19.68 20.08 20.58 1558.88 18.95 19.16 19.55 19.97 20.49 1560.29 18.60 18.82 19.22 19.6

26、6 20.19 1562.05 18.01 18.24 18.64 19.09 19.63 減去最小增益，即可得到最后想要的對應纖長的平坦濾波器（GFF）譜形（如圖9所示）。其數(shù)據(jù)如表8所示：表8 .對應于不同纖長的GFF插入損耗Er Fiber Length (m)8.38.79.29.810.5Wavelength(nm)GFF Insertion Loss(dB)GFF Insertion Loss(dB)GFF Insertion Loss(dB)GFF Insertion Loss(dB)GFF Insertion Loss(dB)1529.50 2.56 2.14 1.83 1.44 1.00 1530.51 2.91 2.51 2.24 1.90 1.51 1531.68 3.09 2.74 2.52 2.23 1.90 1533.25 2.76 2.46 2.30 2.08 1.84 1534.52 1.9