摘要：波分復(fù)用是光纖CATV系統(tǒng)進(jìn)一步升級的主要方向。本文對增益平坦型鉺鐿共摻雙包層光纖放大器（GF-EYDCFA）進(jìn)行了理論和實驗研究，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，武漢光迅科技股份有限公司（簡稱光迅科技）開發(fā)的GF-EYDCFA能實現(xiàn)1543-1565nm范圍內(nèi)多波長光信號的增益均衡放大，其輸出功率在1W以上，增益平坦度(<0.25dB)和噪聲指數(shù)(<5.5dB)等關(guān)鍵指標(biāo)均達(dá)到摻鉺光纖放大器（EDFA）的水平。結(jié)合光迅科技相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用實例，本文還討論了GF-EYDCFA在波分復(fù)用光纖CATV系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析表明，GF-EYDCFA能彌補(bǔ)EDFA功率水平偏低的不足，同時解決級聯(lián)EDFA造成的增益平坦度劣化問題。
關(guān)鍵字：EDFA，WDM，鉺鐿共摻，雙包層光纖，CATV
1 引言
光纖，因其近乎無限的帶寬，成為信息爆炸時代無可替代的信息傳輸媒質(zhì)，而波分復(fù)用（WDM）方式則是利用光纖帶寬的最有效方法。目前主干網(wǎng)的光傳輸都利用了WDM技術(shù)，而光纖CATV系統(tǒng)還是以單波長應(yīng)用為主，因此光纖的帶寬利用率很低。今后，隨著CATV網(wǎng)絡(luò)容量的增加以及業(yè)務(wù)管理靈活性的提高，應(yīng)用WDM技術(shù)的光纖CATV系統(tǒng)會越來越受到重視。
摻鉺光纖放大器（EDFA），因其補(bǔ)償了光纖線路中C（L）波段光信號的衰減，極大地延長了中繼距離，是光纖通信蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵因素。對于光纖CATV網(wǎng)，其光功率分配數(shù)目一般都比較大，因此對光放大器的輸出功率要求都比較高。而由于EDFA的單模泵浦機(jī)理限制了泵浦功率（980nm/1480nm）水平，傳統(tǒng)的EDFA很難實現(xiàn)高功率輸出或者單位功率的成本非常昂貴，據(jù)了解，目前商用EDFA的最大飽和輸出功率為500mW左右，這顯然很難滿足光纖CATV系統(tǒng)的應(yīng)用要求。為了獲得高功率輸出，鉺鐿共摻雙包層光纖放大器（EYDCFA）越來越受到關(guān)注。EYDCFA采用了多模泵浦激光器和鉺鐿共摻雙包層光纖（EYDCF），突破了傳統(tǒng)EDFA的功率限制。目前，可用的多模泵浦激光器功率可達(dá)6W（915—975nm），而EYDCF的雙包層結(jié)構(gòu)和纖芯鉺鐿共摻技術(shù)則很好地解決了多模泵吸收和單模1550nm（C-Band）信號放大的問題，此外，兩者利用光纖合波器連接，可實現(xiàn)多個泵浦激光器同時同向泵浦單根EYDCF。目前武漢光迅科技股份有限公司（簡稱光迅科技）開發(fā)的單波長EYDCFA產(chǎn)品的最大輸出功率可達(dá)4W，在光纖CATV網(wǎng)和三網(wǎng)合一系統(tǒng)中已有較多應(yīng)用[1]。本文主要研究了增益平坦型EYDCFA（GF-EYDCFA）的基本原理及其在光纖CATV網(wǎng)的可能應(yīng)用，這對今后光纖CATV網(wǎng)的WDM升級具有積極的指導(dǎo)意義。
2 增益平坦型鉺鐿共摻雙包層光纖放大器
增益平坦型EDFA（GF-EDFA）通常采用增益平坦濾波器（GFF）實現(xiàn)多波長放大時的增益均衡[2,3]，即通過濾波器在不同波長的差異化衰減來補(bǔ)償摻雜光纖內(nèi)各波長間的增益不均衡，因此GFF的衰減譜通常是光放大器未加GFF時的增益譜。目前，制作GFF普遍采用薄膜濾波器技術(shù)和啁啾光柵技術(shù)。這兩種技術(shù)都可以獲得WDM 系統(tǒng)要求的GFF。薄膜濾波器技術(shù)是一種低成本的生產(chǎn)技術(shù)，一次鍍膜生產(chǎn)數(shù)百甚至上千片GFF，適合大規(guī)模生產(chǎn)，單位成本較低。而啁啾光柵則剛好相反，小批量生產(chǎn)時，單位成本低于薄膜濾波器，但由于是逐只生產(chǎn)，批量生產(chǎn)成本就相對較高。現(xiàn)階段光纖通信發(fā)展迅速，EDFA的需求量非常大，因此采用薄膜濾波器技術(shù)生產(chǎn)的GFF應(yīng)用最為廣泛，下文所指的GFF也均屬這一類。
本質(zhì)上，EYDCFA仍是一種EDFA，它通過鐿離子吸收915-975nm的泵浦光，然后利用鉺-鐿離子間的交叉弛豫過程將能量轉(zhuǎn)給鉺離子，實現(xiàn)對鉺離子的泵浦，接下來的信號放大過程與EDFA類似[4,5]。有文獻(xiàn)曾報道采用GFF的增益平坦型鉺鐿共摻光纖放大器[6]，不過該工作針對的是單模泵浦放大器，其輸出功率僅為24.6dBm。而將EYDCFA與EDFA的增益均衡技術(shù)相結(jié)合，就可實現(xiàn)高功率GF-EYDCFA。GF-EYDCFA的典型光路如圖1所示，主要由低噪聲EDFA前級、高功率EYDCFA后級和兩級間的GFF&ISOLATOR組合器件構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)既能保證放大器較低的噪聲指數(shù)（NF），又不至于GFF的插入而明顯降低泵浦-信號轉(zhuǎn)換效率（PCE）。對于給定輸入/輸出功率的光放大器，設(shè)計時要綜合考慮PCE、NF和未加GFF時光放大器的增益平坦度（GF——定義為工作波長范圍內(nèi)的最大增益與最小增益之差）。根據(jù)級聯(lián)EDFA的NF理論[2]，
（1）
式中均為波長相關(guān)的參量（線性單位），前級和后級的增益、噪聲指數(shù)分別為、和、，GFF的衰減為。由式(1)可以看出，越大、越低，整個放大器的NF就越低，而且在較大時，對整個放大器的NF起決定性作用。同時，較大的也有利于提高后級的PCE和抑制1060nm波段的ASE激射。此外，還必須考慮GFF的設(shè)計，通常整個放大器未加GFF時的GF越小，GFF的加工難度越低，應(yīng)用效果也越好。依據(jù)以上原則設(shè)計的GFF的衰減譜如圖2所示，并用該GFF制成GF-EYDCFA，其額定輸入和輸出總功率分別為6dBm和31dBm。圖3為Aglient 86142B光譜分析儀的內(nèi)插減元法測得的GF-EYDCFA的增益譜和NF譜。由測試數(shù)據(jù)可以看出，在1543-1565nm的工作波長范圍內(nèi)，放大器的GF<0.25dB, NF<5.5dB，增益平坦效果相當(dāng)理想，并不比GF-EDFA差[2,3]。需要說明的是，測試中為了設(shè)備安全，放大器的輸出端經(jīng)1/8分波后取其中一路用于測試。由于分波器件的波長相關(guān)損耗（WDL）和分波損耗，GF和NF的測試數(shù)據(jù)一般會略偏大。不過瓦級的高功率光纖放大器在系統(tǒng)應(yīng)用時，分波器件總是存在的，因此該測試方法也是合理的。
圖1 GF-EYDCFA光路示意圖
考慮批量生產(chǎn)中的個體差異和產(chǎn)品可靠性所需的指標(biāo)余量，光迅科技的GF-EYDCFA產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)如表1所示。可以看出，GF-EYDCFA的各項性能指標(biāo)均達(dá)到了GF-EDFA同類產(chǎn)品的水平，而其2W的高輸出功率水平則是GF-EDFA望塵莫及的。此外，通過調(diào)節(jié)GF-EYDCFA的相關(guān)設(shè)計，其工作波長可進(jìn)一步拓寬至1535-1565nm，總輸出功率也可在0.5W到2W范圍內(nèi)任意選擇。
表1 光迅科技GF-EYDCFA產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)
3 GF-EYDCFA在WDM-CATV系統(tǒng)中的應(yīng)用
應(yīng)用WDM技術(shù)是光纖CATV系統(tǒng)升級的一個重要方向，它能在光域進(jìn)行節(jié)目的上/下，避免“光-RF-光”的轉(zhuǎn)換，同時增加網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和靈活性，也能有效降低運(yùn)行、維護(hù)和升級成本[7]。關(guān)于WDM-CATV方案已有不少研究[7,8]和應(yīng)用案例，采用1550nm激光器發(fā)射機(jī)組和EDFA的多波長視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用[8]如圖4所示。主前端通過衛(wèi)星接收等方式獲得節(jié)目源，將節(jié)目源按需求分配、組合和編碼后調(diào)制到波長為的C波段光波上，并由波分復(fù)用器（WDM）合波后通過一級自愈環(huán)傳送至一級集線器（PH）；PH取用一級自愈環(huán)上部分波長的光信號，再經(jīng)二級自愈環(huán)送至二級集線器（SH）；SH對光信號進(jìn)行處理并通過功率分配器分配至各光節(jié)點，用于廣播或窄波。光纖線路中，EDFA是為了補(bǔ)償光纖傳輸損耗和光功率分配損耗，在多波長光信號傳輸?shù)墓饴分袆t必須使用GF-EDFA，而GF-EYDCFA應(yīng)用于用戶密集和波長數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)，能解決GF-EDFA功率水平不夠和常規(guī)EYDCFA增益不均衡的問題。此外，高功率GF-EYDCFA還能減小系統(tǒng)終端各波長信號的功率差異。由于采用薄膜濾波器技術(shù)制造的同一批GFF具有相同的衰減譜偏差，因此實際網(wǎng)絡(luò)中同類光放大器（OA）的增益譜是相似的，所以如果多個OA級聯(lián)——即光信號經(jīng)OA放大后傳輸或分波，當(dāng)光功率降至一定水平時再經(jīng)另一個OA放大，然后接著傳輸，如此重復(fù)，直至到達(dá)光節(jié)點——雖然能有效克服較大的傳輸或分波損耗，但級聯(lián)OA的GF必定會劣化，而且級聯(lián)個數(shù)越多，最終的GF越差，從而影響系統(tǒng)性能。所以，使用高功率的GF-EYDCFA以相對減少系統(tǒng)中OA的使用個數(shù)，能有效降低因OA級聯(lián)而造成的GF劣化。
圖4 采用1550nm激光器發(fā)射機(jī)組和EDFA的多波長視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)
圖5 利用WDM方式提供差異化服務(wù)的CATV系統(tǒng)示意圖
圖5是利用WDM方式提供差異化服務(wù)的CATV系統(tǒng)實例，其中不同波長承載不同服務(wù)質(zhì)量的CATV信號，每一波長對應(yīng)同一類型需求的用戶群，其中增益平坦光放大器（GF-OA）是為了克服各波長光信號的傳輸損耗和分波損耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的差異化服務(wù)程度較高且用戶數(shù)較多時，使用GF-EYDCFA能夠有效降低OA的單位功率成本。光迅科技1W和0.5W輸出的GF-EYDCFA產(chǎn)品已成功應(yīng)用于類似的CATV系統(tǒng)。
4 總結(jié)
本文介紹了增益平坦型鉺鐿共摻雙包層光纖放大器（GF-EYDCFA）的基本原理：鉺鐿共摻雙包層光纖放大技術(shù)和增益均衡技術(shù)相結(jié)合，能實現(xiàn)多波長信號光高功率且增益均衡地放大。光迅科技現(xiàn)有GF-EYDCFA產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)，如增益平坦度<0.25dB和噪聲指數(shù)<5.5dB，與同類摻鉺光纖放大器（EDFA）產(chǎn)品相當(dāng)，但其輸出功率大于1W，遠(yuǎn)高于目前EDFA的最高水平。此外，結(jié)合光迅科技相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用實例，本文還介紹了GF-EYDCFA在WDM-CATV系統(tǒng)中的應(yīng)用。GF-EYDCFA能有效補(bǔ)償多波長信號光的傳輸損耗和功率分配損耗，彌補(bǔ)了EDFA在輸出功率水平方面的不足；同時GF-EYDCFA能大大減少光放大器的使用數(shù)量，節(jié)約成本，也能明顯減小由于光放大器級聯(lián)造成的增益平坦度劣化。