C+L波段雙級雙泵浦的寬帶摻鉺光纖光源研究

李俊葳，王文華（通訊作者）

（廣東海洋大學(xué)電信學(xué)院，廣東湛江，524088）

0 引言

寬帶摻鉺光纖光源（B2-EDFS）的工作機理是基于鉺離子的自發(fā)輻射，功率高、光譜范圍大、穩(wěn)定性好、纖芯與通用單模光纖纖芯匹配，非常適用于寬帶光源的光纖通信技術(shù)、光纖傳感以及光譜測試等領(lǐng)域，在某些需要寬帶光源的光纖傳感領(lǐng)域成為首選光源[1]。B2-EDFS主要由摻鉺光纖、泵浦LD、波分復(fù)用器以及隔離器等組成，摻鉺光纖的作用是工作物質(zhì)，起穩(wěn)定和放大傳輸光源的作用，泵浦LD為光源和光纖傳輸提高充足的能量，波分復(fù)用器是連接摻鉺光纖和泵浦LD的重要器件。

B2-EDFS的研討可以追溯到20世紀(jì)80年代，1985年英國南安普敦大學(xué)初次研制成功摻鉺光纖。到了90年代，研究人員對摻鉺光纖光源進行了全面的理論和實驗研究。國內(nèi)在寬帶B2-EDFS方面的研究起步較晚，錢景仁等人在1998年采用國產(chǎn)元件成功研制出摻鉺超熒光光源。針對自然熒光譜有尖峰結(jié)構(gòu)造成的譜寬過窄的問題, 通過在原光源的輸出端加一段摻鉺光纖, 利用在1530nm吸收峰比較高的摻鉺光纖抑制了尖峰結(jié)構(gòu), 擴充了線寬從而最終使轉(zhuǎn)換效率進一步提高[2]。在EDFS的結(jié)構(gòu)中[3-4]，雙程后向結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是比較理想的結(jié)構(gòu)，它具有較高的輸出功率、較寬的線寬，以及可以過優(yōu)化摻鉺纖芯長度來消除抽運功率變化引起的光源中心波長不穩(wěn)定性[5]。在光源結(jié)構(gòu)不變的情況下，泵浦LD的波長、功率以及摻鉺光纖的長度都會導(dǎo)致光譜有所變化，優(yōu)化光源的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，可提高其光譜的性能。本文針對常見的雙級雙泵浦結(jié)構(gòu)C＋L波段摻鉺光纖光源，通過Optisystem仿真平臺的反復(fù)試驗，獲得參數(shù)優(yōu)化的B2-EDFS，具有較好的實驗結(jié)果。

1 B2-EDFS的原理與光源結(jié)構(gòu)

摻鉺光纖的鉺離子是工作物質(zhì)，其簡化的能級結(jié)構(gòu)如圖1所示，斯塔克效應(yīng)的導(dǎo)致鉺離子的能級會在一定程度上展寬，光源的基本工作原理如下：對于摻鉺光纖，沒有泵浦LD作用時，大部分的鉺離子位于基態(tài)能級（能級4I15/2），但是被980 nm或 1480 nm LD泵浦光抽運時，會產(chǎn)生躍遷，躍遷到泵浦態(tài)能級上（能級4I15/2--能級4I11/2）。但是這種狀況并不能持續(xù)多久，鉺離子因為不能穩(wěn)定在能級4I11/2所以又會迅速轉(zhuǎn)移到上能態(tài)能級的位置（能級4I11/2--能級4I13/2）。隨著LD泵浦光的加強，粒子數(shù)分布出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，高能級產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在光纖中傳播時，不斷地受激放大，形成放大的自發(fā)輻射，離子繼續(xù)進行躍遷(能級4I13/2→4I15/2)。由于放大的自發(fā)放大輻射是在沒有諧振腔的情況下產(chǎn)生的，對光信號和波長和方向沒有選擇性，因此，B2-EDFS鉺離子的放大自發(fā)輻射具有較寬的光譜，在通信的C波段。如果增加光纖的長度，使得C 波段的放大自發(fā)輻射光信號繼續(xù)傳播，此時二次泵浦的LD光再次對鉺離子起泵浦作用，從而導(dǎo)致L 波段也出現(xiàn)放大的自發(fā)輻射光，最終形成超寬光譜的B2-EDFS。

圖1 鉺離子的能級結(jié)構(gòu)

雙級雙泵浦寬帶摻鉺光纖光源的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用兩段濃度相同的摻鉺光纖EDF以及980/1550nm的兩個波分復(fù)用器WDM和兩個泵浦源LD。第一個泵浦源LD1產(chǎn)生的泵浦光產(chǎn)生前向光和后向光，前向光直接經(jīng)過EDF1、WDM2、EDF2，后經(jīng)隔離器輸出，后向光由于光纖反射鏡FRM的作用經(jīng)過同一段EDF1（二次吸收）、WDM2、EDF2,最后經(jīng)隔離器輸出；第二個泵浦源LD2產(chǎn)生的前向光經(jīng)過EDF2直接經(jīng)ISO輸出，后向光不同的是經(jīng)過EDF2后，又到了EDF1、FRM，再一次經(jīng)過EDF1、WDM2、EDF2，后經(jīng)隔離器輸出。

圖2 雙級雙泵浦寬帶摻鉺光纖光源的結(jié)構(gòu)

2 仿真系統(tǒng)實驗與結(jié)果分析

為了C+L波段雙級雙泵浦摻鉺光纖的成功輸出，光纖長度及泵浦源功率有以下特點：（1）p1＜p2。因為泵浦源LD2產(chǎn)生的光要再次經(jīng)過EDF1、EDF2兩次，會比泵浦源LD1發(fā)出的光消耗更多，所以泵浦源LD1的泵浦功率應(yīng)該比LD2小。（2）EDF1＞EDF2。由于EDF1距離輸出端最遠(yuǎn)，兩個泵浦源產(chǎn)生的后向光兩次經(jīng)過EDF1，EDF1就要更加長才能保證L波段的輸出良好。為了獲得雙級雙泵浦摻鉺光纖光源初始的較合理參數(shù)，搭建單級雙泵浦的摻鉺光纖光源的系統(tǒng)進行仿真，如圖3所示，改變光纖長度和雙泵浦源的功率進行仿真分析，最后得到如圖4所示的光譜。

圖3 單級雙泵浦摻鉺光纖光源仿真系統(tǒng)

圖4 EDF=20m、p1=60mW，p2變化時的單級雙泵浦輸出光譜

分析EDF=20m、p1=60mW時，p2=70mW、80mW、90mW、100mW、110mW的輸出光譜，整個輸出光譜很相似，但是其輸出光譜的平坦度有所不同。輸出光譜在C波段的平坦度很相近，不做討論，當(dāng)p2=70mW時，輸出光譜在L波段的不平坦度＜6.75dBm，p2=110mW時，在L波段的不平坦度＜6.85dBm，p2=80mW及100mW時，不平坦度＜6.7dBm，而只有在p2=90mW，不平坦度＜6.5dBm，不平坦度最小，所以最終確定摻鉺光纖長度20m的條件下，后向泵浦源p2功率為90mW。

因此，我們先把雙級泵浦泵浦源功率分別設(shè)置為：p1=60mW，p2=90mW，雙級泵浦的兩段光纖長度在暫時設(shè)置為EDF1=19m，EDF2=1m，然后不斷分別改變兩段纖芯EDF1及EDF2的長度進行仿真分析，仿真系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 雙級雙泵浦B2-EDFS系統(tǒng)圖

取p1=60mW、p2=90mW，EDF2=1m，改變EDF1的長度，此時雙級雙泵浦輸出光譜變化如圖6所示，從圖6可以看出，當(dāng)EDF1=19m和EDF1=25m時，1540nm至1600nm波段處的不平坦度明顯較大，而且當(dāng)EDF1=35m和EDF1=40m時，在1565nm處出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的倒塌跡象，這表明EDF1=35m后的1560nm至1600nm波段處的不平坦度也會越來越大，綜合得出EDF1=30m附近是p1=60mW，p2=90mW，EDF2=1m時雙級雙泵浦較佳的輸出光譜。

圖6 p1=60mW、p2=90mW、EDF2=1m時DEF1變化的雙級雙泵浦輸出光譜

取p1=60mW、p2=90mW，EDF1=30m，改變EDF2的長度，此時雙級雙泵浦輸出光譜如圖7所示，從圖7的光譜變化可以看出，當(dāng)EDF2=1m時，整個輸出光譜的平均輸出光功率過低，它的最高輸出功率＜-20mW，當(dāng)EDF2=10m及13m時，C波段出現(xiàn)塌陷，當(dāng)EDF2=4m時在1530nm至1550nm波段的不平坦度＜6.28dBm，而EDF2=7m時不平坦度只有＜3.34dBm。

圖7 p1=60mW、p2=90mW、EDF1=30m時DEF2變化的雙級雙泵浦輸出光譜

從圖6和圖7可以看出，參數(shù)取值不合適的時候，光譜會出現(xiàn)波峰和波谷。雙級雙泵浦B2-EDFS的波峰和波谷形成原因是因為摻鉺光纖光源出的光的積累速度大于二次泵浦所消耗的速度就會出現(xiàn)波峰，之后的輸出光功率出現(xiàn)的衰弱出現(xiàn)波谷則是因為光尾部成為二次抽運源吸收掉剩下的Er3+。因此，綜上所述，p1=60mW，p2=90mW，EDF1=30m，EDF2=7m為目前找到的最佳雙級雙泵浦的B2-EDFS。

單級雙泵浦與雙級雙泵浦的仿真實驗結(jié)果如圖8所示，它們的參數(shù)分別為p1=60mW、p2=90mW、EDF=20m，p1=60mW，p2=90mW，EDF1=30m，EDF2=7m。從圖中可以看出，在兩者輸出光功率相當(dāng)時，單級雙泵浦摻鉺光纖光源的平坦度不如雙級雙泵浦摻鉺光纖光源。首先，單級雙泵浦的參數(shù)只能設(shè)置一段光纖長度，前向泵浦源的功率以及后向泵浦源的功率，但雙級雙泵浦還可以通過不斷改變不同的兩段纖芯長度，從而使輸出光譜的平坦性能更好地提高。然后單級雙泵浦在1530nm處形成C波段的波峰是后向泵浦源的后向光經(jīng)過相對較長的一段光纖所形成的，會讓整個輸出光譜偏向長波方向，雙級雙泵浦則是后向泵浦源的后向光經(jīng)過較短的第二段光纖直接輸出，因此能增強C波段的光波，最終使得C波段和L波段的輸出更穩(wěn)定。從圖8所示來看，單級雙泵浦摻鉺光纖光源1530nm至1565nm的不平坦度＜6.35dBm，而雙級雙泵浦摻鉺光纖光源在1530nm至1565nm波段的不平坦度＜5.18dBm。

圖8 單級雙泵浦與雙級雙泵浦的仿真實驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過鉺離子的能級結(jié)構(gòu)介紹了寬帶摻鉺光纖超光源的發(fā)光原理以及常用的基本結(jié)描述了C+L波段寬帶摻鉺光纖光源的雙級雙泵浦結(jié)構(gòu)。利用Optisystem仿真軟件分析了單級雙泵浦的輸出光譜，然后在此基礎(chǔ)上對雙級雙泵浦寬帶摻鉺光纖光源進行了仿真實驗，通過不斷改變參數(shù)進行對比分析得到了優(yōu)化的雙級雙泵浦寬帶摻鉺光纖光源，并且分析了現(xiàn)單級雙泵浦摻鉺光纖光源與雙級雙泵浦光源在光譜平坦度的差異及其原因，雙級雙泵浦具有一定的優(yōu)勢。