競爭型全光增益控制放大器仿真研究

蔡岳豐，李曉龍，閆寶羅，劉 波，劉海鋒，孟森森，林 煒

(南開大學 電子信息與光學工程學院 天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室， 天津 300350)

0 引 言

隨著長距離、高速率和大容量的密集波分復用系統的商用化，通信系統對光纖放大器提出了更高的要求[1]。在光纖通信系統中，信道數變化等原因會造成各信道輸出功率發生變化，引起功率的瞬態波動和低頻交叉調制，進而增加光纖的非線性效應和通信誤碼率[2]。因此在信道上下載不斷出現的光網絡中，控制剩余信道的輸出增益波動有著非常重要的意義，這就要求對摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)的增益進行控制[3]。

目前存在的增益控制方法主要有電路、鏈路和光自動增益控制。其中，光自動增益控制因其控制系統結構簡單、系統性能穩定和增益控制范圍大等優勢得到了廣泛的關注。目前全光自動增益控制主要有兩種方法，一種是采用反饋環實現增益控制，通過改變衰減器的衰減量來滿足激光諧振條件；另一種是通過插入光纖布拉格光柵形成法布里-珀羅(F-P)諧振腔來實現增益控制。趙春柳等人提出了雙波長增益控制方案，將-35～-8 dBm范圍內輸入光的增益波動壓縮至0.3 dB[4]；李國玉等人利用高雙折射布拉格光柵實現雙激光增益控制，對-40～-15 dBm范圍內的輸入光實現了增益控制，其增益波動被壓縮至0.69 dB，噪聲系數(Noise Figure, NF)為8.69 dB[5]；魏敬波等人采用雙光柵級聯結構對大功率光纖放大器進行增益控制，將-5.1～2.0 dBm輸入光的增益漂移壓縮至0.27 dB，其NF約為10 dB[2]。國外方面，Kitamura等人在2016年利用快速全光前饋自動增益控制將增益漂移由控制前的7.3 dB壓縮至0.47 dB[6]；又在2019年用半導體放大器作為增益介質將增益波動范圍由6.90 dB壓縮至0.12 dB，其工作范圍不超過0.9 mW[7]。

但反饋環控制與諧振腔控制的缺點在于對輸入光功率范圍有嚴格要求，當輸入光強超出工作范圍時系統將因為無法滿足激光的形成條件而無法控制增益。針對目前EDFA增益控制范圍較窄的情況，本文研究了一種競爭型光纖放大器，可以實現對寬輸入功率范圍信號的增益控制，其工作范圍可以達到-40～5 dBm。此外，該控制系統控制幅度大、噪聲性能好、結構簡單，且不需要考慮光柵性能和激光腔鏡反射率等影響參數，大大降低了實驗難度，是實現全光增益放大器的良好選擇。

1 實驗原理及結構裝置

為了實現對寬輸入功率范圍信號的增益控制，本文基于鉺離子競爭機制研究了一種競爭型增益控制系統，通過引入第2光源形成了被輸入光信號功率所調制的控制光，利用增益抑制程度與控制光強之間的正相關性，實現了對不同強度信號光的增益控制。該系統不需要形成控制激光，緩解了由于激光形成條件帶來的工作范圍較窄的問題。

1.1 信號光與控制光之間的鉺離子競爭機制

EDFA在放大信號光時，在泵浦的作用下，亞穩態和基態間的粒子數會實現反轉分布。如果在系統中引入與信號光波長相近的控制光，則控制光會與信號光共同消耗亞穩態上發生受激輻射的粒子，形成對鉺離子的競爭機制。將EDFA等效為一個二能級系統進行分析，在不考慮自發輻射和鉺離子背景損耗的情況下，鉺離子在基態和亞穩態上的濃度分布遵從速率方程[8]：

式中：N1和N2分別為基態和亞穩態上的離子濃度；N為摻雜濃度；t為時間；h為普朗克常數；A為纖芯面積；σse和σsa分別為信號光激發下的受激輻射截面和受激吸收截面；σce和σca分別為控制光激發下的受激輻射截面和受激吸收截面；σP為泵浦吸收截面；vS、vC和vP分別為信號光、控制光和泵浦光的頻率；PS、PC和PP分別為信號光、控制光和泵浦光功率；τ為亞穩態粒子壽命；ηS、ηC和ηP分別為信號光、控制光和泵浦光在纖芯中的面積與纖芯面積之比。

設摻鉺光纖的長度方向為z軸方向，信號光沿z軸正方向傳播，則信號光與控制光的傳播方程為

式中：PS(z，t)和PC(z，t)分別為與時間和傳播距離相關的信號光和控制光功率；N1(z，t)和N2(z，t)分別為與時間和傳播距離相關的基態和亞穩態上的離子濃度。

由式(1)～(4)可知，在相同的泵浦條件下，亞穩態和基態的粒子濃度分布處于相對穩定的動態平衡中，在亞穩態能級上發生受激輻射的鉺離子數量相對固定。引入控制光后，信號光與控制光共同分享EDFA中的增益，形成鉺離子競爭機制。由競爭機制下的速率方程和傳播方程可知，信號光和控制光獲得的增益與各自的光功率相關，功率更高的光將在競爭機制中獲得更高的增益，剩余部分的光將相應地獲得較低的增益。因此，在控制光功率固定的情況下，當信號光功率增大時，信號光可以獲得更高的增益，而控制光獲得的增益會降低；當信號光功率減小時，功率相對更高的控制光將抑制信號光獲得增益，使弱信號受到的增益損失遠大于強信號。

1.2 競爭型全光增益控制系統結構及原理

增益控制系統的整體結構及工作原理如圖1所示。系統分為信號鏈路和控制鏈路，信號鏈路中兩級EDFA主要用于信號光的基本放大，控制鏈路中引入功率恒定的控制光源，經過一級EDFA放大后控制光被輸入信號功率所調制，調制后的控制光沿著與信號光傳播方向相反的方向通過二級EDFA，與信號光共同競爭該EDFA中的高能級粒子，最終沿著信號光傳播方向的輸出光即為增益控制系統的輸出光。

圖1 系統結構及工作原理圖

此系統的工作原理主要基于增益抑制程度與控制光強度的正相關性。對于弱輸入信號，控制光可以在與信號光的競爭機制中，從一級EDFA中獲得更多的增益鉺離子，因而被調制后具有更高的功率；對于強輸入信號，控制光獲得的增益相對較小，調制后的控制光強也就相應更低。因此一級EDFA可以使控制光功率被信號光功率所調制，不同強度的信號光對應不同強度的控制光。被調制的控制光在二級EDFA中再次與信號光競爭有限的增益鉺離子，此時弱信號獲得的增益會再次受到抑制，且抑制程度要遠大于強信號。最終，在增益系統的輸出信號中，強信號的增益抑制幅度要遠低于弱信號。

2 結果和分析

基于上文提及的競爭型全光增益控制系統，利用OptiSystem軟件模擬該系統在單信道與多信道下的控制性能。

2.1 單信道實驗結果與分析

設置單信道信號光波長為1 552 nm，信號光功率范圍為-40～5 dBm，在增益控制系統中，設定兩級EDFA的泵浦方式均為前向泵浦，泵浦功率為20 dBm；兩級摻鉺光纖長度分別為0.6和1.0 m；摻鉺濃度分別為1.5×1025和2×1025/m3。

圖2所示為競爭型增益控制放大器的增益特性曲線,控制光源的功率分別為5、10和12 dBm。由圖可知，當輸入信號光功率在-40～5 dBm范圍內變化時，放大系統的輸出增益漂移范圍由控制前的22.0 dB降低至2.8、0.9和0.4 dB，增益控制幅度達到21.0 dB以上，且控制幅度隨控制光源功率的增大而增大。這是因為高功率的控制光對弱輸入光增益的損耗遠大于強輸入光，從而更加有效地實現了放大系統增益鉗制的目的。但由于控制光會消耗高能級鉺離子，整個放大系統的整體增益也隨之下降，由控制前的27 dB降至13、8和6 dB。

圖2 競爭型增益控制放大器的增益特性曲線

NF是衡量全光增益控制放大器的另一重要參數，圖3所示為競爭型增益控制放大器的噪聲特性曲線。由圖可知，平均NF由控制前的3.4 dB增加到控制后的4.3、5.4和6.2 dB，NF隨著控制光源功率的增大而增大。這是因為噪聲與增益間存在對應關系，控制光的引入降低了系統的整體增益，從而增加了系統噪聲。但考慮到額外器件的引入以及大幅度的增益抑制，NF只增加2.8 dB是非常理想的。此外，由圖可知，噪聲波動從控制前的1.10 dB分別降低至0.33、0.80和0.22 dB，證明系統對噪聲波動范圍實現了有效控制。

圖3 競爭型增益控制放大器的噪聲特性曲線

由以上單信道實驗結果可知，本文的增益控制系統在控制性能以及噪聲性能方面都要優于反饋環控制和諧振腔控制，這是因為本系統沒有激光形成條件的限制，可以對更大范圍的輸入光功率形成增益控制，同時本系統的增益控制幅度可以通過控制光源功率而自由調控，因而控制幅度更大。此外，本系統的控制光不需要多次穿過EDFA，所以引入的噪聲更少，NF也更小。

2.2 多信道實驗結果與分析

為了研究密集波分復用系統中復用信道數目的變化對剩余信道輸出增益的影響，采用多信道的方式進行模擬實驗。圖4所示為多信道下信道數和信道功率變化對信道1輸出增益的影響。仿真實驗中設置了6個信道，信道1～6的通信波長分別為1 550、1 542、1 544、1 546、1 548和1 552 nm，各信道的信號功率為-2 dBm。為了研究復用信道數目對剩余信道輸出增益的影響，依次撤掉信道2～6，測定剩余信道即信道1的輸出增益變化，其變化曲線如圖4(a)所示。為了研究信道功率變化對剩余信道輸出增益的影響，改變信道2的輸入功率，使其功率波動范圍為-10～0 dBm，測定信道2功率變化對信道1輸出增益的影響，其變化曲線如圖4(b)所示。

圖4 多信道下信道數和信道功率變化 對信道1輸出增益的影響

由圖可知，當信道數改變時，信道1輸出增益漂移量由控制前的6.50 dB分別降至控制后的1.85、0.50和0.23 dB，控制光源功率越強則漂移量越小。此外，當信道2的輸入功率發生變化時，信道1的輸出增益漂移量由控制前的2.7 dB分別下降至控制后的0.6、0.2和0.1 dB，這表明在密集波分復用系統中，競爭型增益控制放大器可以有效降低復用信道數目變化以及信道功率變化對剩余信道輸出增益造成的影響。

3 結束語

在光纖通信系統中，各信道輸出功率的變化會影響剩余信道的輸出增益，增加光纖的非線性效應和通信誤碼率，因此對光纖放大器進行自動增益控制有著重要意義。本文研究了一種競爭型全光增益放大器，可以實現對寬輸入功率范圍信號的增益控制。對功率在-40～5 dBm范圍內的輸入光進行增益控制，使增益漂移量由22.0 dB降至0.4 dB，解決了傳統全光控制方法中工作范圍窄和控制幅度小的問題。另外在多信道情況下，將信道數變化和信道功率變化造成的增益漂移量由6.50和2.70 dB降低至0.23和0.10 dB，證明了競爭型增益控制放大器可以改善信道數和信道功率變化造成的剩余信道增益漂移現象。本文對于研究不斷上下載的密集波分復用系統中保持剩余信道輸出增益穩定具有重要的參考價值。