蔡岳丰，李晓龙，闫宝罗，刘 波，刘海锋，孟森森，林 炜

(南开大学 电子信息与光学工程学院 天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室， 天津 300350)

0 引 言

随着长距离、高速率和大容量的密集波分复用系统的商用化，通信系统对光纤放大器提出了更高的要求[1]。在光纤通信系统中，信道数变化等原因会造成各信道输出功率发生变化，引起功率的瞬态波动和低频交叉调制，进而增加光纤的非线性效应和通信误码率[2]。因此在信道上下载不断出现的光网络中，控制剩余信道的输出增益波动有着非常重要的意义，这就要求对掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)的增益进行控制[3]。

目前存在的增益控制方法主要有电路、链路和光自动增益控制。其中，光自动增益控制因其控制系统结构简单、系统性能稳定和增益控制范围大等优势得到了广泛的关注。目前全光自动增益控制主要有两种方法，一种是采用反馈环实现增益控制，通过改变衰减器的衰减量来满足激光谐振条件；另一种是通过插入光纤布拉格光栅形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔来实现增益控制。赵春柳等人提出了双波长增益控制方案，将-35～-8 dBm范围内输入光的增益波动压缩至0.3 dB[4]；李国玉等人利用高双折射布拉格光栅实现双激光增益控制，对-40～-15 dBm范围内的输入光实现了增益控制，其增益波动被压缩至0.69 dB，噪声系数(Noise Figure, NF)为8.69 dB[5]；魏敬波等人采用双光栅级联结构对大功率光纤放大器进行增益控制，将-5.1～2.0 dBm输入光的增益漂移压缩至0.27 dB，其NF约为10 dB[2]。国外方面，Kitamura等人在2016年利用快速全光前馈自动增益控制将增益漂移由控制前的7.3 dB压缩至0.47 dB[6]；又在2019年用半导体放大器作为增益介质将增益波动范围由6.90 dB压缩至0.12 dB，其工作范围不超过0.9 mW[7]。

但反馈环控制与谐振腔控制的缺点在于对输入光功率范围有严格要求，当输入光强超出工作范围时系统将因为无法满足激光的形成条件而无法控制增益。针对目前EDFA增益控制范围较窄的情况，本文研究了一种竞争型光纤放大器，可以实现对宽输入功率范围信号的增益控制，其工作范围可以达到-40～5 dBm。此外，该控制系统控制幅度大、噪声性能好、结构简单，且不需要考虑光栅性能和激光腔镜反射率等影响参数，大大降低了实验难度，是实现全光增益放大器的良好选择。

1 实验原理及结构装置

为了实现对宽输入功率范围信号的增益控制，本文基于铒离子竞争机制研究了一种竞争型增益控制系统，通过引入第2光源形成了被输入光信号功率所调制的控制光，利用增益抑制程度与控制光强之间的正相关性，实现了对不同强度信号光的增益控制。该系统不需要形成控制激光，缓解了由于激光形成条件带来的工作范围较窄的问题。

1.1 信号光与控制光之间的铒离子竞争机制

EDFA在放大信号光时，在泵浦的作用下，亚稳态和基态间的粒子数会实现反转分布。如果在系统中引入与信号光波长相近的控制光，则控制光会与信号光共同消耗亚稳态上发生受激辐射的粒子，形成对铒离子的竞争机制。将EDFA等效为一个二能级系统进行分析，在不考虑自发辐射和铒离子背景损耗的情况下，铒离子在基态和亚稳态上的浓度分布遵从速率方程[8]：

式中：N1和N2分别为基态和亚稳态上的离子浓度；N为掺杂浓度；t为时间；h为普朗克常数；A为纤芯面积；σse和σsa分别为信号光激发下的受激辐射截面和受激吸收截面；σce和σca分别为控制光激发下的受激辐射截面和受激吸收截面；σP为泵浦吸收截面；vS、vC和vP分别为信号光、控制光和泵浦光的频率；PS、PC和PP分别为信号光、控制光和泵浦光功率；τ为亚稳态粒子寿命；ηS、ηC和ηP分别为信号光、控制光和泵浦光在纤芯中的面积与纤芯面积之比。

设掺铒光纤的长度方向为z轴方向，信号光沿z轴正方向传播，则信号光与控制光的传播方程为

式中：PS(z，t)和PC(z，t)分别为与时间和传播距离相关的信号光和控制光功率；N1(z，t)和N2(z，t)分别为与时间和传播距离相关的基态和亚稳态上的离子浓度。

由式(1)～(4)可知，在相同的泵浦条件下，亚稳态和基态的粒子浓度分布处于相对稳定的动态平衡中，在亚稳态能级上发生受激辐射的铒离子数量相对固定。引入控制光后，信号光与控制光共同分享EDFA中的增益，形成铒离子竞争机制。由竞争机制下的速率方程和传播方程可知，信号光和控制光获得的增益与各自的光功率相关，功率更高的光将在竞争机制中获得更高的增益，剩余部分的光将相应地获得较低的增益。因此，在控制光功率固定的情况下，当信号光功率增大时，信号光可以获得更高的增益，而控制光获得的增益会降低；当信号光功率减小时，功率相对更高的控制光将抑制信号光获得增益，使弱信号受到的增益损失远大于强信号。

1.2 竞争型全光增益控制系统结构及原理

增益控制系统的整体结构及工作原理如图1所示。系统分为信号链路和控制链路，信号链路中两级EDFA主要用于信号光的基本放大，控制链路中引入功率恒定的控制光源，经过一级EDFA放大后控制光被输入信号功率所调制，调制后的控制光沿着与信号光传播方向相反的方向通过二级EDFA，与信号光共同竞争该EDFA中的高能级粒子，最终沿着信号光传播方向的输出光即为增益控制系统的输出光。

图1 系统结构及工作原理图

此系统的工作原理主要基于增益抑制程度与控制光强度的正相关性。对于弱输入信号，控制光可以在与信号光的竞争机制中，从一级EDFA中获得更多的增益铒离子，因而被调制后具有更高的功率；对于强输入信号，控制光获得的增益相对较小，调制后的控制光强也就相应更低。因此一级EDFA可以使控制光功率被信号光功率所调制，不同强度的信号光对应不同强度的控制光。被调制的控制光在二级EDFA中再次与信号光竞争有限的增益铒离子，此时弱信号获得的增益会再次受到抑制，且抑制程度要远大于强信号。最终，在增益系统的输出信号中，强信号的增益抑制幅度要远低于弱信号。

2 结果和分析

基于上文提及的竞争型全光增益控制系统，利用OptiSystem软件模拟该系统在单信道与多信道下的控制性能。

2.1 单信道实验结果与分析

设置单信道信号光波长为1 552 nm，信号光功率范围为-40～5 dBm，在增益控制系统中，设定两级EDFA的泵浦方式均为前向泵浦，泵浦功率为20 dBm；两级掺铒光纤长度分别为0.6和1.0 m；掺铒浓度分别为1.5×1025和2×1025/m3。

图2所示为竞争型增益控制放大器的增益特性曲线,控制光源的功率分别为5、10和12 dBm。由图可知，当输入信号光功率在-40～5 dBm范围内变化时，放大系统的输出增益漂移范围由控制前的22.0 dB降低至2.8、0.9和0.4 dB，增益控制幅度达到21.0 dB以上，且控制幅度随控制光源功率的增大而增大。这是因为高功率的控制光对弱输入光增益的损耗远大于强输入光，从而更加有效地实现了放大系统增益钳制的目的。但由于控制光会消耗高能级铒离子，整个放大系统的整体增益也随之下降，由控制前的27 dB降至13、8和6 dB。

图2 竞争型增益控制放大器的增益特性曲线

NF是衡量全光增益控制放大器的另一重要参数，图3所示为竞争型增益控制放大器的噪声特性曲线。由图可知，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随着控制光源功率的增大而增大。这是因为噪声与增益间存在对应关系，控制光的引入降低了系统的整体增益，从而增加了系统噪声。但考虑到额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，由图可知，噪声波动从控制前的1.10 dB分别降低至0.33、0.80和0.22 dB，证明系统对噪声波动范围实现了有效控制。

图3 竞争型增益控制放大器的噪声特性曲线

由以上单信道实验结果可知，本文的增益控制系统在控制性能以及噪声性能方面都要优于反馈环控制和谐振腔控制，这是因为本系统没有激光形成条件的限制，可以对更大范围的输入光功率形成增益控制，同时本系统的增益控制幅度可以通过控制光源功率而自由调控，因而控制幅度更大。此外，本系统的控制光不需要多次穿过EDFA，所以引入的噪声更少，NF也更小。

2.2 多信道实验结果与分析

为了研究密集波分复用系统中复用信道数目的变化对剩余信道输出增益的影响，采用多信道的方式进行模拟实验。图4所示为多信道下信道数和信道功率变化对信道1输出增益的影响。仿真实验中设置了6个信道，信道1～6的通信波长分别为1 550、1 542、1 544、1 546、1 548和1 552 nm，各信道的信号功率为-2 dBm。为了研究复用信道数目对剩余信道输出增益的影响，依次撤掉信道2～6，测定剩余信道即信道1的输出增益变化，其变化曲线如图4(a)所示。为了研究信道功率变化对剩余信道输出增益的影响，改变信道2的输入功率，使其功率波动范围为-10～0 dBm，测定信道2功率变化对信道1输出增益的影响，其变化曲线如图4(b)所示。

图4 多信道下信道数和信道功率变化 对信道1输出增益的影响

由图可知，当信道数改变时，信道1输出增益漂移量由控制前的6.50 dB分别降至控制后的1.85、0.50和0.23 dB，控制光源功率越强则漂移量越小。此外，当信道2的输入功率发生变化时，信道1的输出增益漂移量由控制前的2.7 dB分别下降至控制后的0.6、0.2和0.1 dB，这表明在密集波分复用系统中，竞争型增益控制放大器可以有效降低复用信道数目变化以及信道功率变化对剩余信道输出增益造成的影响。

3 结束语

在光纤通信系统中，各信道输出功率的变化会影响剩余信道的输出增益，增加光纤的非线性效应和通信误码率，因此对光纤放大器进行自动增益控制有着重要意义。本文研究了一种竞争型全光增益放大器，可以实现对宽输入功率范围信号的增益控制。对功率在-40～5 dBm范围内的输入光进行增益控制，使增益漂移量由22.0 dB降至0.4 dB，解决了传统全光控制方法中工作范围窄和控制幅度小的问题。另外在多信道情况下，将信道数变化和信道功率变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，证明了竞争型增益控制放大器可以改善信道数和信道功率变化造成的剩余信道增益漂移现象。本文对于研究不断上下载的密集波分复用系统中保持剩余信道输出增益稳定具有重要的参考价值。