L波段掺铒光纤放大器温度相关增益谱特性的补偿方法

摘要

本发明属于光纤通信中的光纤放大器设计技术领域，涉及L波段掺铒光纤放大器温度相关增益谱特性的补偿方法。在光纤放大器的掺铒光纤段间插入可变光衰减器，当掺铒光纤所在环境温度发生改变的时候，调整可变光衰减器的衰减量以保持增益谱平坦且增益值不变；所述调整内插光衰减器的衰减调节量ΔA(dB)和温度变化量ΔT(℃)之间为线性关系：ΔA＝CLΔT；本发明这种方法只有一个参量需要调整，所调参量和温度变化量关系简单，有利于采用单片机实现智能化控制。

说明书

技术领域    本发明属于光纤通信中的光纤放大器设计技术领域，特别涉及L波段掺铒光纤放大器温度相关增益谱倾斜特性的补偿方法。

背景技术    近些年来，随着波分复用光通信技术的发展，光纤通信系统要求的带宽越来越宽，相应地，掺铒光纤放大器(EDFA)技术也从原有的传统波段(C波段)扩展到了长波段(L波段)。经过几年的努力，目前L波段EDFA已经逐步进入实用，但还有一些技术问题尚待解决，其中迫切需要解决的问题之一是增益谱的温度相关性即增益谱随温度变化的问题。

在波分复用系统中，光放大器需要同时放大几个以至几十个不同波长的信号，为了保证系统的总体性能，要求放大器对各信道的增益相同即增益谱平坦。为此，人们采用光滤波器将原本不平坦的增益谱整平，当输入信道数或各信道功率发生改变导致增益谱改变时，采取调整泵浦功率或调整辅助注入光功率等一些办法来锁定增益谱，这些技术统称为增益均衡技术。此外人们还发现，EDFA的增益谱会随环境温度的改变而改变，特别是L波段放大器，由于掺铒光纤本身的温度敏感性以及所用掺铒光纤比较长等原因，对环境温度的变化比C波导更敏感。图1所示是对一台L波段EDFA的实测结果：通过使用光滤波器和调整泵浦功率等措施，在室温下(26℃)得到了比较理想的平坦滤波谱，但当温度在26℃到70℃之间变化，增益谱也随着改变。温度越高，短波段的增益越高而长波段增益越低，也就是增益谱发生了倾斜，严重时增益升高/降低之差可达3dB之多。这种增益谱倾斜的情况将破坏系统的均衡传输，是波分复用系统不能容忍的。

为了避免或补偿EDFA的这种由于温度变化造成的增益谱倾斜，人们提出过一些办法。其中一种最直接的办法是将掺铒光纤放入保温盒里以保持掺铒光纤的温度不变，但这样不但增加了包装、电路方面的设计要求，还会带来体积、功耗方面的代价。另一种办法是研究制作温度趋向特性相反的掺铒光纤，然后把两种趋向特性不同的光纤混合使用，但在“反向”温度特性的掺铒光纤研究成熟之前，这种方法还不能实用。日本的J.Nakagawa等人还提出一种同时使用自动增益控制(AGC)和自动温度控制(ATC)功能的办法，即同时调整内插可变衰减器的衰减量和注入的辅助光功率来实现温度补偿。这种方法虽然可行，但当温度改变时有两个参量需要同时调整，而且所调参量还和恒定温度下放大器的增益均衡有关，这样复杂的控制关系对于现代工程中普遍要求的智能化微机控制是很不利的。

发明内容    本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新的适用于L波段EDFA的温度相关增益谱倾斜特性的补偿方法。这种方法只有一个参量需要调整，所调参量和温度变化量关系简单，有利于采用单片机实现智能化控制。

本发明提出一种适用于L波段掺铒光纤放大器的温度相关增益谱倾斜特性的补偿方法，其特征在于，在光纤放大器的掺铒光纤段间插入可变光衰减器，当掺铒光纤所在环境温度发生改变的时候，调整可变光衰减器的衰减量以保持增益谱平坦且增益值不变；

所述调整内插光衰减器的衰减调节量ΔA(单位：dB)和温度变化量ΔT(单位：℃)之间为线性关系：

ΔA＝CLΔT

式中，C为由所用掺铒光纤的参数及光路结构确定的常数；

      L为放大器中掺铒光纤的总长度。

所述光衰减器可以插在光纤放大器原有的某两级之间，也可以插在某一级的一段光纤的中间，即将原有的一级重新分成两级。具体的插入位置可以按照对放大器性能影响最小的原则，通过掺铒光纤放大器常规优化方法进行设计。

本发明所说的光衰减器及其控制方法目前已经成为光纤通信设备中的常用技术手段，已有多种商售的光衰减器产品；

所说温度变化量的监测是现代一般仪器仪表中常用的技术手段，目前商售的掺铒光纤放大器模块中普遍安装了温度传感元件并将温度变化量作为模块工作状态的监测参量之一。

本发明的工作原理：

根据理论研究结果，一台掺铒光纤放大器的增益可以表示为： $>>>G>si>>=>exp>[>>(>>\alpha >si>>+sup>>g>si>*sup>>)>>ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>->>(>>\alpha >si>>+>>l>si>>)>>L>]>->->->>(>1>)>>>s>$

其中，α_si，g^*_si和l_si分别为掺铒光纤对第i个波长光的吸收系数、发射系数和背景损耗系数，它们都随波长的不同而不同，i包括了各信道的信号光和泵浦光。L是放大器中掺铒光纤的总长。 $>ver>>>N>2>>‾>>\equiv >>1>L>sup>>\int >0>Lsup>>>N>2>>>(>z>)>>dz>,>>s>是掺铒光纤中处于上能级的铒离子浓度沿掺铒光纤长度L的平均值，N$_T为光纤中铒离子的掺杂浓度，那么，称为铒离子沿光纤长度上的平均反转度。理论研究结果还表明，平均反转度由掺铒光纤中消耗的泵浦光子数和增长的信号光子数共同决定： $>>>->L\zeta >ver>>>N>2>>‾>>>N>t>>>=>>\Sigma >i>>>1>>hv>si>>>[sup>>P>si>outsup>>-sup>>P>si>insup>>]>>->->->>(>2>)>>>s>$

这里，P_si^out和P_siⁱⁿ分别是各信道输出光功率、输入光功率、或者是输出的剩余泵浦功率和输入的泵浦功率，hv_si是各信道光子或泵浦光子的能量，ζ是掺铒光纤的饱和参数。由(1)式可知，只要保持平均反转度不变，EDFA对各信道的增益就能保持恒定；由(2)可知，当输入信号有所改变，只要适当调节输入的泵浦功率，就可以保持平均反转度不变，这就是EDFA增益均衡的基本原理。

当环境温度发生变化的时候，铒离子在同一能级内的各子能级上的分布情况发生变化，也就是各波长的吸收系数α_si和发射系数g^*_si发生变化，由(1)式可知，这就造成了掺铒光纤与温度相关的增益谱倾斜的特性。

通常情况下，一台放大器的输入信号光功率比输入泵浦光功率要小得多，而增长的信号光子数(即各信道的输出总功率)完全由消耗的泵浦光子数决定；也就是说，如果剩余的泵浦功率较小而可以忽略，那么完全由输入泵浦光功率决定。研究还表明，980nm波长处光的吸收系数和发射系数随温度变化不大。于是，本申请人得出结论，如果采用980nm激光作为泵浦，可以近似认为平均反转度不随温度的变化而变化，温度相关增益谱倾斜完全是由各信号波长的发射系数g^*_si和吸收系数α_si随温度变化造成的。进一步的理论研究表明，当环境温度变化ΔT时增益的变化量ΔG_K为： $>>\Delta >>G>K>>=>>>4.343>>\alpha >>K>0>>>>(>>\upsilon >K>>)>>L>>>>kT>0>>2>>>\{>B>>(>>\upsilon >K>>)>>[>1>->ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>->ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>exp>>(>>>ϵ>>(>>\upsilon >K>>)>>->>h\upsilon >K>>>>kT>0>>>)>>]>->ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>[>ϵ>>(>>\upsilon >K>>)>>->>h\upsilon >K>>]>\}>\Delta T>->->->>(>3>)>>>s>$

其中，T₀是所讨论的温度范围内的某个中值，比如室温；ε(υ_K)是将铒离子从下能将激发到上能级所需要的能量；B(υ_K)是可以通过实验测量得到的函数，以上各量都可以近似认为与温度无关。(3)式表明了各波长信号增益随温度的变化量ΔG_K和温度变化量ΔT成正比。

另一方面，由(1)式还可以得到恒定温度条件下各波长增益随平均反转数变化的关系也是线性关系：  $>>\Delta sup>>G>K>\prime sup>>=>4.343>>(>>\alpha >K>>+sup>>g>K>*sup>>)>>L\Delta >>(ver>>>N>2>>‾>>/>>N>T>>)>>->->->>(>4>)>>>s>$

因此，只要通过某种方法改变粒子数反转水平，就可以使温度变化造成的增益谱倾斜得到纠正。

图2是本申请人试用改变输入泵浦功率来改变粒子数反转水平的办法来纠正增益谱的实验结果。由图可见，温度升高时采用适当降低泵浦功率的方法，确实可以使增益谱恢复平坦，但由于平均粒子数反转水平下降，增益水平也下降。为补偿增益水平的下降，还须采取其它措施，比如在EDFA中插入一个可变光衰减器来调节放大器增益的大小：温度低时插入的衰减量较大，温度升高后在降低泵浦功率同时衰减量也相应调小。但是这样的方法有两个参量需要调整，而且控制关系比较负杂，并不理想。

为此本发明提出只需要调整内插可变光衰减器一个参量就可以实现温度相关增益谱倾斜特性补偿的方法。使用这种方法的放大器原理光路结构如图3所示，泵浦激光器L31的输出光通过波分复用器W31和输入信号光汇合到一起送入掺铒光纤E31，用于温度补偿的可变光衰减器V31插在两段掺铒光纤E31和E32之间。调整光衰减器可以改变从光纤E31输入到光纤E32的光功率，从而改变光纤E32部分的平均反转度，那么整个放大器的平均反转度也随之改变；另一方面，放大器实际净增益等于两段掺铒光纤增益之和扣除内插光衰减器和其它元器件的损耗，因此，调整可变光衰减器还改变了放大器的实际净增益。正是发挥了内插光衰减器调整平均反转度以及调整放大器增益水平的双重作用，所以只需要调整一个参量就可以实现在纠正温度相关增益谱倾斜的同时保持增益恒定的目的。

在图3所示的原理光路中，第二段掺铒光纤E32的全部信号光和泵浦光都由第一段掺铒光纤E31的输出提供，即进入第二段掺铒光纤的全部输入光都经过衰减器V31的衰减控制。在这样的条件下，通过理论推导可以得到衰减器衰减量ΔA和放大器的平均反转度的改变量间有线性关系： $>>\Delta A>=>4.343>[>>(>>\alpha >p>>+sup>>g>p>*sup>>)>>L>->>L>>>L>2>>>>(ver>>>N>2>>‾>>/>>N>T>>)>>2>>>>]>\Delta >>(ver>>>N>2>>‾>>/>>N>T>>)>>->->->>(>5>)>>>s>$

这里，L₂是光纤E32的长度，是当衰减器的衰减为零时光纤E32部分的平均反转度，对于实际的放大器，它们都是常量。对比(5)、(4)和(3)可以看到，只要调整内插光衰减器的衰减量以达到ΔG_K+ΔG_K′-ΔA≈0的要求，便可以补偿由温度引起的各波长增益变化。当满足这一要求时，进一步的理论推导可以得出，衰减器的衰减变化量和温度变化量之间满足线性关系：

ΔA＝CLΔT                                              (6)其中， $>>C>=>>>>>4.343>>\alpha >K>>>>k\Delta \lambda >>>T>0>>2>>>>\{>B>>(>>\lambda >K>>)>>[>1>->ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>->ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>exp>>(>>>ϵ>>(>>\lambda >K>>)>>->hc>/>>\lambda >K>>>>kT>0>>>)>>]>->ver>>>N>2>>‾>>>N>T>>>[>ϵ>>(>>\lambda >K>>)>>->hc>/>>\lambda >K>>]>\}>>>1>->>>(>>\alpha >K>>+sup>>g>K>*sup>>)>>>>(>>\alpha >K>>+sup>>g>K>*sup>>)>>->1>/>>L>2>>>>(ver>>>N>2>>‾>>/>>N>T>>)>>2>>>>>>->->->>(>7>)>>>s>$

这里，C是一个与所用掺铒光纤的参数及光路结构有关的常数，可以通过(7)计算出来，也可以根据实测的ΔT和ΔA数据用拟合的办法推算出来，L是放大器中掺铒光纤的总长度。

值得提出的是，出于对增益、噪声系数、输出功率以及增益谱平坦等考虑，实际的放大器比图3所示结构复杂，一般都采用多段掺铒光纤、多个泵浦激光器、波分复用器和数个隔离器、滤波器等构成多级复杂结构，这时，用于温度特性补偿的光衰减器V可以插在原有的两级之间，也可以插在某一段光纤的中间即将原有的一级重新分成两级。具体的插入位置可以按照对放大器性能影响最小的原则，通过掺铒光纤放大器常规优化方法进行设计。

实用的多级掺铒光纤放大器一般每段掺铒光纤都有相应的泵浦源，比如，对图3所示的结构我们可以通过另一只波分复用器将另一只泵浦激光器的光送入光纤E32，这时，由于输入到光纤E32的输入光并不全部通过衰减器V的衰减控制，(5)式所表示的衰减器衰减变化量ΔA和平均反转度的改变量之间的线性关系不能完全成立。但是，我们进一步的理论和数值模拟研究结果表明，在通常的工作温度范围内，这一线性关系在工程应用允许的误差范围内仍然可以认为成立。有关细节将结合实施例通过数值模拟的方法和实验数据给予证明。

前面提到，如果采用980nm激光作为泵浦，可以近似认为平均反转度不随温度的变化而变化，并由此得到增益变化量ΔG_K随环境温度变化量ΔT满足线性关系(3)式以及衰减器的线性控制关系(6)式。如果采用1480nm激光作为泵浦，平均反转度随温度会略有变化；暂时略去这点变化不计，以上的理论分析和所提出的温度补偿方法包括(6)式所示线性控制关系完全适用，而温度变化引起的平均反转度变化只会使增益水平略有变化。也就是说，如果略为放松补偿精度的要求，本发明提出的方法也完全适用于使用1480nm波长泵浦光的情况。

本发明的特点：

采用本发明方法的内插光衰减器可以同时起到调节平均反转度和调节增益水平的双重作用，因此当环境温度发生变化的时候只需要调整衰减器一个参量就可以在恢复增益谱平坦的同时维持增益水平不变；而且，在掺铒光纤放大器通常的工作温度范围内，为保持增益谱平坦且增益不变，内插衰减器的衰减变化量和环境温度的变化量近似成线性关系，这样简单的控制运算关系非常适合于使用单片机进行控制，有利于实现快速智能化控制的小体积模块。

附图说明

图1为一台典型L波段EDFA未经温度补偿时在不同温度情况下的增益谱——温度变化时增益谱产生倾斜；

图2为采用调整泵浦功率方法进行温度补偿的效果——增益谱恢复平坦的同时增益水平下降；

图3为采用本发明方法的内插可变衰减器进行温度特性补偿的L波段EDFA原理结构图；

图4为采用本发明方法的内插可变衰减器进行温度特性补偿的L波段EDFA实施例光路结构图；

图5为对图4所示本发明实施例光路结构模拟计算得到的当第三段掺铒光纤被注入不同泵浦功率的情况下平均反转度变化量与衰减器衰减变化量ΔA的关系——近似线性关系；

图6.为采用本发明方法进行温度补偿后在不同温度下实际测量的增益谱，当温度分别为26，40，55，和70℃时衰减器衰减量分别为4.82dB，3.72dB，3.02dB和2.12dB，补偿后增益变化量不超过0.3dB；

图7为采用本发明方法温度补偿过程中可变光衰减器衰减量和温度的关系，其中曲线是根据(6)式的计算结果，三角点是实验值。

具体实施方式    本发明提出的L波段掺铒光纤放大器温度相关增益谱特性的补偿方法，结合实施例及附图详细说明如下：

本发明方法采用的光路结构实施例如图4所示。这是一个由三个泵浦源L41、L42、L43，三个波分复用器W41、W42、W43，三个隔离器I41、I42、I43和三段光纤E41、E42、E43构成的级连光路结构，用于温度补偿的可变光衰减器V41置于第二段掺铒光纤E42和第三段掺铒光纤E43之间，F41是平坦滤波器。所用掺铒光纤为Lucent MP1480 L092202光纤，泵浦源为980nm半导体激光器。掺铒光纤E41和E42的长度分别为3.0m，40.0m，相应的泵浦功率分别为60mW和120mW。这里短光纤、小功率泵浦的第一段用于产生向第二段注入的C波导ASE，其作用是抑制第二段掺铒光纤中反向泄漏的放大自发辐射功率，这样可以大大提高泵浦效率。第三段掺铒光纤的长度为7.3m，相应泵浦功率最大值可达280mW。

为了研究将本发明推广应用到实用放大器的情况，即向内插衰减器之后的第三段掺铒光纤直接注入的泵浦功率不为零的情况下(5)式是否成立，本发明针对图4所示的实施例光路结构通过数值模拟方法得到平均反转度随光衰减器衰减变化量ΔA的关系，如图5所示。这里，计算了第三段掺铒光纤的泵浦功率PLD3分别为270mw、180mw、73mw以及0mW的几种情况，其中PLD3＝0mW时，输入到第三段掺铒光纤的所有光功率都经过V31的衰减控制，计算结果完全满足线性关系，与本发明的理论推导结果一致。其它当第三段掺铒光纤的泵浦功率不为零的时候，ΔA与的关系可以近似满足线性关系，特别当ΔA不太大的时候，线性吻合相当好。针对图4所示实施例结构和所用掺铒光纤的具体参数，根据(7)计算得到(6)中的比例系数C＝0.00127dB/m/k。

图6所示是对图4所示实验装置在不同温度下实际测量的增益谱，当温度分别为26，40，55，和70℃时衰减器衰减量分别为4.82dB，3.72dB，3.02dB和2.12dB，从图中曲线看到经过补偿后增益变化量不超过0.3dB，效果相当不错。图7所示是上述温度补偿过程中可变光衰减器衰减量和温度的关系，其中曲线是根据(6)式的计算结果，三角点是测量到的实际值，可见，理论计算值和实验值吻合很好，说明采用线性的衰减变化量和温度关系进行控制，可以达到很好的补偿效果。