低噪声指数掺铒光纤放大器设计优化方法

摘要

本发明提供一种低噪声指数掺铒光纤放大器设计优化方法，中间级损耗IL的变化量ΔIL(λ)设计成和波长相关，定义了ΔTilt：ΔTilt＝ΔILline(λn)‑ΔILline(λ0)，ΔTilt会引起GT变化，其变化量为ΔGT1。外部增益保持不变时，中间级损耗IL的变化导致GT变化，其变化量为ΔGT2。当ΔGT1+ΔGT2＝0时，GT即保持不变。当ΔTilt<0时，随着的增益的减小，在GT保持不变、GR无明显劣化的情况下，噪声指数NF可得到优化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺铒光纤放大器(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier)，尤其是一种增益可变掺铒光纤放大器(VGEDFA:Variable Gain EDFA)的设计优化方法。

背景技术

EDFA是20世纪90年代开始在光纤传输系统中应用的新型器件，铒离子经过激活，在C‐band窗口可以将数字信号、模拟信号等光信号进行全光放大，而且对码型和速度都是透明的，EDFA的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。

EDFA既可单独放大一个波长或信号，也可以同时放大多个波长或信号，其放大过程是透明的，同时还具备高增益、高输出功率、低噪声指数、宽带宽、偏振无关、温度相关性小等优点。在大部分的传输领域，特别是长距传输干网中，EDFA的使用使得光信号直接在光域进行放大，无须转换为电信号进行处理，即实现全光中继代替光‐电‐光中继。目前EDFA已成为现代光通信系统中不可缺少的关键部件。

EDFA按照不同的标准有不同的分类，比如按照使用的波长数量，可分为单波EDFA及多波EDFA。按照EDFA所处的功能位置可分为功放、预放、线放。按照控制方式可分为自动功率控制、自动增益控制等。对于自动增益控制的EDFA，根据增益是否可变，分为固定增益放大器(FGEDFA：Fixed Gain EDFA)及可变增益放大器(VGEDFA)。

VGEDFA中，引入了可变衰减器(VOA：Variable Optical Attenuator)，保持内部有效增益不变，调整VOA的衰减量，间接改变外部增益。VGEDFA由于增益范围可调，可应用于不同距离的传输系统，可以代替不同型号的FGEDFA，故可以减少产品型号，方便管理及系统搭配。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种低噪声指数掺铒光纤放大器设计优化方法，通过设计特定的中间级损耗随波长的变化趋势，VGEDFA在保持增益谱不变或基本不变的条件下，获得更优的噪声指数NF(Noise Figure)。本发明采用的技术方案是：

本发明中除特别说明，均为对数单位的公式；以二级放大器为例，对于VGEDFA，

波长λ对应的内部增益为：

G'(λ)＝G₁(λ)+G₂(λ)>

G₁(λ)为波长λ对应的第一级放大器增益，G₂(λ)为波长λ对应的第二级放大器增益；

波长λ对应的外部增益为：

IL(λ)表示波长λ对应的中间级损耗；

外部平均增益G为：

其中，G和G’分别表示外部平均增益、内部平均增益，G₁表示第一级放大器平均增益，G₂表示第二级放大器的平均增益，IL表示中间级平均损耗；

多波长放大时，引入GR及GT，其中GR表示增益波动，GT表示增益斜率；数学公式如下：

G_line(λ_i)＝k*λ_i+c

GT＝G_line(λ_n)-G_line(λ₀)＝k*(λ_n-λ₀)

GR＝max[G(λ_i)-G_line(λ_i)]-min[G(λ_i)-G_line(λ_i)]>

i＝0....n

G_line是增益和波长的线性拟合函数，k和c分别是公式(4)的斜率和截距；λ_i表示第i个波长；起始波长为λ₀，终止波长为λ_n；GT，GR单位均为dB；

对于一VGEDFA来说，GT和G’成线性关系，

GT＝k2*G'+c2

＝k2*(G-IL)+c2 (403)

其中k2和c2分别为公式(403)中斜率及截距，通过校准可得到；k2为负值；

由公式(403)得知，VGEDFA中若G保持不变，GT和IL成线性关系；反之IL保持不变，GT和G成线性关系；

VGEDFA中，若波长λ_i对应的内部增益G’(λ_i)保持不变，IL发生变化时，当：

1)ΔIL(λ_i)＝ΔIL，即IL变化量和波长无关，任何一个波长对应的中间级损耗变化量相同，由公式(2)可知，此时G(λ_i)是整体变化的，和波长无关，即增益谱形状不发生变化，GR、GT均保持不变；ΔIL(λ_i)表示波长λ_i对应的中间级损耗变化量，ΔIL表示中间级平均损耗变化量；

2)ΔIL(λ_i)≠ΔIL，即IL变化量和波长相关，不同波长对应的中间级损耗变化量不一致，对ΔIL(λ_i)和λ_i进行线性拟合得到线性函数ΔIL_line(λ_i)，计算出ΔIL对应的ΔTilt，用公式(401)表示；由公式(2)可知，该情况下增益谱形状发生了变化：GR、GT不再保持不变；

ΔIL(λ_i)＝IL(λ_i)-IL_bg(λ_i)

IL_bg表示中间级本底损耗，IL_bg(λ_i)表示波长λ_i对应的中间级本底损耗；IL(λ_i)表示波长λ_i对应的中间级损耗；k3，c3为公式(401)的斜率和截距；由于λ_n≥λ₀，故ΔTilt和k3具有相同的正负性；

设ΔTilt为ΔIL的函数，用公式(405)表示：

ΔTilt＝f(ΔIL_line)＝f(IL-IL_bg)>

引入ΔTilt后，GT和GT_base的关系如下：

GT＝GT_base+ΔTilt

ΔGT₁＝GT-GT_base＝ΔTilt>

IL_bg＝G_max-G′_base>

G_max表示最大增益值，G’_base表示基准内部增益；GT_base定义为基准增益斜率，即IL_bg、G_max、G’_base所对应的增益斜率；

由公式(403)得知，G保持不变，IL的变化导致GT变化，设变化量为ΔGT₂：

ΔGT₂＝GT-GT_base＝(G'-G′_base)*k2

＝[(G-IL)-(G-IL_base)]*k2>

＝(IL_base-IL)*k2

IL_base表示G、G’_base对应的基准中间级平均损耗，即IL_base＝G‐G’_base；公式(402)表明，ΔTilt的引入会导致GR、GT变化，其中GT的变化量为ΔGT₁；公式(5)表示IL的变化会导致相同增益下GT变化，其变化量为ΔGT₂；由GT＝GT_base+ΔGT₁₊ΔGT₂得知，若要保持GT不变，只要满足公式(501)即可；

G为某个恒定值时，通过调整G’或IL来补偿由ΔTilt造成的影响，当GT变化量满足公式(501)时，GT保持不变；

ΔGT₁+ΔGT₂＝0>

进一步化简得到：

通过公式(502)得知，IL(λ)的变化趋势能够设计为特定值，由于K2为负值：

1)当ΔTilt<0时，IL大于IL_base；

2)当ΔTilt>0时，IL小于IL_base；

对于二级放大器，其噪声指数NF公式：

NF₁表示第一级放大器噪声指数，NF₂表示第二级放大器噪声指数，公式(701)中采用线性单位。

对数单位转换为线性单位时，其数值恒大于0；当IL>IL_base时，由公式(701)得知NF(IL)<NF(IL_base)，即当ΔTilt<0时，在G及GT保持不变的情况，由于IL值增加，NF会得到优化；反之，当IL<IL_base时，NF会劣化。

本发明的优点在于：本发明通过设计特定的波长λ_i对应的中间级损耗IL(λ_i)，不同波长对应的中间级损耗变化量ΔIL(λ_i)不同，当ΔTilt<0时，随着增益的减小，在GT保持不变、GR无明显劣化的情况下，噪声指数NF可得到优化。

附图说明

图1为本发明的VGEDFA光路示意图。

图2为本发明的GR、GT的定义示意图。

图3为本发明的放大器级联示意图。

图4为本发明的泵浦分光式VGEDFA示意图。

图5为本发明的GT vs G线性拟合示意图。

图6为本发明的IL(λ)示意图。

图7、图8、图9分别为G＝20、15、10dB时G、NF的仿真谱线。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

以两段掺铒光纤组成的VGEDFA为例，如图1所示，包括增益为G1的第一级放大器、损耗为IL的可变中间级、增益为G2的第二级放大器；VGEDFA的光路结构是本专业领域内的最为常见的光学设计之一，本专业内的人员均熟悉了解，本发明不作专门介绍，仅以示意图表示。

本发明中除特别说明，均为对数单位的公式；对于VGEDFA，

波长λ对应的内部增益(内部有效增益的简称)为：

G'(λ)＝G₁(λ)+G₂(λ)>

G₁(λ)为波长λ对应的第一级放大器增益，G₂(λ)为波长λ对应的第二级放大器增益；

波长λ对应的外部增益为：

G(λ)＝G₁(λ)+IL(λ)+G₂(λ)

＝G'(λ)+IL(λ) (2)

IL(λ)表示波长λ对应的中间级损耗；内部增益G’(λ)、外部增益G(λ)及中间级损耗IL(λ)三者之间为线性关系；

EDFA的增益控制基于光电探测器，其探测值均为平均值，此时外部平均增益G为：

其中，G和G’分别表示外部平均增益、内部平均增益，G₁表示第一级放大器平均增益，G₂表示第二级放大器平均增益，IL表示中间级平均损耗；

多波长放大时，引入GR及GT，其中GR表示增益波动(gain ripple)，GT表示增益斜率(gain tilt)；其定义如图2所示，数学公式如下：

G_line(λ_i)＝k*_λi+c

GT＝G_line(λ_n)-G_line(λ₀)＝k*(λ_n-λ₀)

GR＝max[G(λ_i)-G_line(λ_i)]-min[G(λ_i)-G_line(λ_i)]>

i＝0....n

G_line是增益和波长的线性拟合函数，k和c分别是公式(4)的斜率和截距；λ_i表示第i个波长；起始波长为λ₀，终止波长为λ_n，单位为nm；GT，GR单位均为dB；

VGEDFA用于多波长放大时，G设置为不同值时，增益谱基本上保持不变，即GT及GR要满足指标要求(理想情况下GT、GR保持不变)；

对于一VGEDFA来说，GT和G’成线性关系，

GT＝k2*G'+c2

＝k2*(G-IL)+c2 (403)

其中k2和c2分别为公式(403)中斜率及截距，通过校准可得到；k2为负值，C波段范围时，k2约为‐0.7～‐0.9；

由公式(403)可知，VGEDFA中若G保持不变，GT和IL成线性关系；反之IL保持不变，GT和G成线性关系；

VGEDFA中，若波长λ_i对应的内部增益G’(λ_i)保持不变，IL发生变化时，当：

1)ΔIL(λ_i)＝ΔIL，即IL变化量和波长无关，任何一个波长对应的中间级损耗变化量相同，由公式(2)可知，此时G(λ_i)是整体变化的，和波长无关，即增益谱形状不发生变化，GR、GT均保持不变；ΔIL(λ_i)表示波长λ_i对应的中间级损耗变化量，ΔIL表示中间级平均损耗变化量；

2)ΔIL(λ_i)≠ΔIL，即IL变化量和波长相关，不同波长对应的中间级损耗变化量不一致，对ΔIL(λ_i)和λ_i进行线性拟合得到线性函数ΔIL_line(λ_i)，计算出ΔIL对应的ΔTilt，用公式(401)表示；由公式(2)可知，该情况下增益谱形状发生了变化：GR、GT不再保持不变；

ΔIL(λ_i)＝IL(λ_i)-IL_bg(λ_i)

ΔIL_line(λ_i)＝k3*λ_i+c3>

ΔTilt＝ΔIL_line(λ_n)-ΔIL_line(λ₀)＝k3*(λ_n-λ₀)

IL_bg表示中间级本底损耗(background>bg(λ_i)表示波长λ_i对应的中间级本底损耗；IL(λ_i)表示波长λ_i对应的中间级损耗；k3，c3为公式(401)的斜率和截距；由于λ_n≥λ₀，故ΔTilt和k3具有相同的正负性；

不同ΔIL下ΔTilt可以为不同值，即对应不同的k3，c3值；设ΔTilt为ΔIL的函数，用公式(405)表示：

ΔTilt＝f(ΔIL_line)＝f(IL-IL_bg)>

两条线性公式叠加后仍是线性关系，且斜率和截距均是叠加的关系，故引入ΔTilt后，GT和GT_base的关系如下：

GT＝GT_base+ΔTilt

ΔGT₁＝GT-GT_base＝ΔTilt>

IL_bg＝G_max-G′_base(404)

G_max表示最大增益值，G’_base表示基准内部增益；GT_base定义为基准增益斜率，即IL_bg、G_max、G’_base所对应的增益斜率；

由公式(403)得知，G保持不变，IL的变化导致GT变化，设变化量为ΔGT₂：

ΔGT₂＝GT-GT_base＝(G'-G′_base)*k2

＝[(G-IL)-(G-IL_base)]*k2>

＝(IL_base-IL)*k2

IL_base表示G、G’_base对应的基准中间级平均损耗，即IL_base＝G‐G’_base；公式(402)表明，ΔTilt的引入会导致GR、GT变化，其中GT的变化量为ΔGT₁；公式(5)表示IL的变化会导致相同增益下GT变化，其变化量为ΔGT₂；由GT＝GT_base+ΔGT₁₊ΔGT₂可知，若要保持GT不变，只要满足公式(501)即可；

进一步地解释为，G为某个恒定值时，可通过调整G’或IL来补偿由ΔTilt造成的影响，当GT变化量满足公式(501)时，GT保持不变；

ΔGT₁+ΔGT₂＝0>

进一步化简得到：

通过公式(502)得知，IL(λ)的变化趋势能够设计为特定值，由于K2为负值：

1)当ΔTilt<0时，IL大于IL_base；

2)当ΔTilt>0时，IL小于IL_base；

多级放大器级联时，如图3所示的示意图，其噪声指数NF公式：

公式(7)中的单位均为线性量；

当放大器为两级设计时，公式(7)化简：

NF₁表示第一级放大器噪声指数，NF₂表示第二级放大器噪声指数；

对数单位转换为线性单位时，其数值恒大于0。当IL>IL_base时，由公式(701)得知NF(IL)<NF(IL_base)，即当ΔTilt<0时，在G及GT保持不变的情况，由于IL值增加，NF会得到优化。反之，当IL<IL_base时，NF会劣化。

放大器联级个数从两级扩展到n(n>2)级时，上述结论仍然成立；

本发明通过设计特定的波长λ_i对应的中间级损耗IL(λ_i)，不同波长对应的中间级损耗变化量ΔIL(λ_i)不同，当ΔTilt<0时，随着增益的减小，在GT保持不变、GR无明显劣化的情况下，噪声指数NF可得到优化；

为了仿真计算方便，设定两个线性关系：

设定1，公式(405)设定为线性关系：

ΔTilt＝k1*(IL-IL_bg)>

公式(6)代入公式(502)，推导出IL为：

设定2，IL(λ_i)随波长λ_i呈线性变化，此时IL＝[IL(λ₀)+IL(λ_n)]/2，IL(λ_i)可用公式(602)进行计算：

下面用一个具体产品进行详细说明，该VGEDFA参数如下：

波长范围：1529～1562nm

G：10～20dB

IL_bg：1dB，为了计算方便，定义IL_bg和波长无关。

输出功率Output power：17dbm

由上述参数可得到：

λ₀＝1529nm，λ_n＝1562nm，Δλ＝33nm。

G_max＝20dB，G′_base＝21dB。

采用一个常规的光学设计模型，示意图如图4所示：其中G1表示第一级放大器，G2表示第二级放大器，IL表示可变中间级损耗。Pump激光器通过分光器splitter把泵浦功率分成两部分，一部分接入第一级放大器G1，另一部分接入第二级放大器G2；仿真模型中splitter为1:1分光。

第一步，把IL设置为固定值，调整泵浦功率，仿真得到一组G及GT，线性拟合计算出k2值。IL设置为IL_bg，仿真结果如表1所示。GT和G线性拟合结果如图(5)所示，可得k2＝‐0.74。

input(dBm)output(dBm)G(dB)GT(dB)Max GR(dB)Min GR(dB)Max NF(dB)‐3.0015.4518.451.250.20‐0.234.66‐3.0016.1219.120.750.15‐0.154.59‐3.0017.0020.000.100.12‐0.104.52‐3.0017.7220.72‐0.430.13‐0.154.46‐3.0018.6421.64‐1.110.21‐0.244.40

表1

第二步，k1＝0、0.2时，G＝20、15、10，根据公式(601)计算出IL，根据公式(6)计算出来ΔTilt，计算结果如下。其中：k1＝0时不引入ΔTilt，即IL＝IL_base。

G1G2G3201510IL_base1IL_base2IL_base3‐1‐6‐11IL₁IL₂IL₃‐1.00‐4.94‐8.87ΔTilt1ΔTilt2ΔTilt30.00‐0.79‐1.57

第三步，把上述得到的IL、ΔTilt值，代入公式(602)，计算出IL(λ_i)，如图(6)所示。

第四步，把上述计算得到的IL(λ_i)代入仿真软件，仿真G＝20、15、10三个增益点。增益谱、NF谱的仿真结果如图(7)、图(8)、图(9)所示。

仿真结果整理如表2所示。EDF(m)为掺铒光纤(简称铒纤)长度，单位为米(m)；很明显，G＝10dB时，EDF长度比例不变的情况下，当k1从0变更为0.2时，max NF可降低约0.9dB，此时GT和GR基本上保持不变。理论情况下k1＝0。

表2

特别的，根据图(9)中的NF谱可知，长波长NF大于短长波NF，通过调整两段铒纤长度比例，Max NF还可以进一步降低。比如铒纤长度从8+9.7变更为8.5+9.2m，Max NF降低了0.15dB，参考表2。铒纤长度比例调整是光学设计中最简单的事情，本发明不作详细介绍。

由理论和仿真结果可知，设计不同ΔTilt可以在不牺牲GR、GT的前提下，改变VGEDFA小增益对应的噪声指数。ΔTilt小于0时，小增益时可以获得更低的噪声指数。

从公式(3)、公式(501)可知，无论引入的ΔTilt为何值，VGEDFA中IL控制方法都保持不变。

在目前的VGEDFA中，可变损耗IL一般通过VOA(Variable Optical attenuator)进行调整。对于常规VOA来说，ΔTilt>＝0，这种VOA对小增益的NF是不利的。故可以设计一种VOA，随着其衰减量的减少(衰减量为负值)，其ΔTilt<0，此时小增益的NF可获得优化。目前已有厂家可以设计并做出负ΔTilt VOA，当VOA衰减为‐10dB时，其ΔTilt可做到‐0.5dB左右。实际产品中已引入该VOA，Min增益下NF可优化0.2dB左右。

当然也可以通过其器件引入ΔTilt。具体设计属于器件领域，本发明不作讨论。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。