摘要：波分復用是光纖CATV系統進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）進行了理論和實驗研究，相關數據表明，武漢光迅科技股份有限公司（簡稱光迅科技）開發的GF-EYDCFA能實現1543-1565nm范圍內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(<5.5dB)等關鍵指標均達到摻鉺光纖放大器（EDFA）的水平。結合光迅科技相關產品的應用實例，本文還討論了GF-EYDCFA在波分復用光纖CATV系統中的應用，分析表明，GF-EYDCFA能彌補EDFA功率水平偏低的不足，同時解決級聯EDFA造成的增益平坦度劣化問題。
關鍵字：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，而波分復用（WDM）方式則是利用光纖帶寬的最有效方法。目前主干網的光傳輸都利用了WDM技術，而光纖CATV系統還是以單波長應用為主，因此光纖的帶寬利用率很低。今后，隨著CATV網絡容量的增加以及業務管理靈活性的提高，應用WDM技術的光纖CATV系統會越來越受到重視。
摻鉺光纖放大器（EDFA），因其補償了光纖線路中C（L）波段光信號的衰減，極大地延長了中繼距離，是光纖通信蓬勃發展的關鍵因素。對于光纖CATV網，其光功率分配數目一般都比較大，因此對光放大器的輸出功率要求都比較高。而由于EDFA的單模泵浦機理限制了泵浦功率（980nm/1480nm）水平，傳統的EDFA很難實現高功率輸出或者單位功率的成本非常昂貴，據了解，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系統的應用要求。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EDFA的功率限制。目前，可用的多模泵浦激光器功率可達6W（915—975nm），而EYDCF的雙包層結構和纖芯鉺鐿共摻技術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）開發的單波長EYDCFA產品的最大輸出功率可達4W，在光纖CATV網和三網合一系統中已有較多應用[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網的可能應用，這對今后光纖CATV網的WDM升級具有積極的指導意義。
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償摻雜光纖內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和啁啾光柵技術。這兩種技術都可以獲得WDM 系統要求的GFF。薄膜濾波器技術是一種低成本的生產技術，一次鍍膜生產數百甚至上千片GFF，適合大規模生產，單位成本較低。而啁啾光柵則剛好相反，小批量生產時，單位成本低于薄膜濾波器，但由于是逐只生產，批量生產成本就相對較高。現階段光纖通信發展迅速，EDFA的需求量非常大，因此采用薄膜濾波器技術生產的GFF應用最為廣泛，下文所指的GFF也均屬這一類。
本質上，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給鉺離子，實現對鉺離子的泵浦，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的增益均衡技術相結合，就可實現高功率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組合器件構成。這種結構既能保證放大器較低的噪聲指數（NF），又不至于GFF的插入而明顯降低泵浦-信號轉換效率（PCE）。對于給定輸入/輸出功率的光放大器，設計時要綜合考慮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的最大增益與最小增益之差）。根據級聯EDFA的NF理論[2]，
（1）
式中均為波長相關的參量（線性單位），前級和后級的增益、噪聲指數分別為、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，應用效果也越好。依據以上原則設計的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光譜分析儀的內插減元法測得的GF-EYDCFA的增益譜和NF譜。由測試數據可以看出，在1543-1565nm的工作波長范圍內，放大器的GF<0.25dB, NF<5.5dB，增益平坦效果相當理想，并不比GF-EDFA差[2,3]。需要說明的是，測試中為了設備安全，放大器的輸出端經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損耗（WDL）和分波損耗，GF和NF的測試數據一般會略偏大。不過瓦級的高功率光纖放大器在系統應用時，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
考慮批量生產中的個體差異和產品可靠性所需的指標余量，光迅科技的GF-EYDCFA產品的關鍵指標如表1所示。可以看出，GF-EYDCFA的各項性能指標均達到了GF-EDFA同類產品的水平，而其2W的高輸出功率水平則是GF-EDFA望塵莫及的。此外，通過調節GF-EYDCFA的相關設計，其工作波長可進一步拓寬至1535-1565nm，總輸出功率也可在0.5W到2W范圍內任意選擇。
表1 光迅科技GF-EYDCFA產品的關鍵指標
3 GF-EYDCFA在WDM-CATV系統中的應用
應用WDM技術是光纖CATV系統升級的一個重要方向，它能在光域進行節目的上/下，避免“光-RF-光”的轉換，同時增加網絡的可擴展性和靈活性，也能有效降低運行、維護和升級成本[7]。關于WDM-CATV方案已有不少研究[7,8]和應用案例，采用1550nm激光器發射機組和EDFA的多波長視頻傳輸網絡的典型應用[8]如圖4所示。主前端通過衛星接收等方式獲得節目源，將節目源按需求分配、組合和編碼后調制到波長為的C波段光波上，并由波分復用器（WDM）合波后通過一級自愈環傳送至一級集線器（PH）；PH取用一級自愈環上部分波長的光信號，再經二級自愈環送至二級集線器（SH）；SH對光信號進行處理并通過功率分配器分配至各光節點，用于廣播或窄波。光纖線路中，EDFA是為了補償光纖傳輸損耗和光功率分配損耗，在多波長光信號傳輸的光路中則必須使用GF-EDFA，而GF-EYDCFA應用于用戶密集和波長數較多的網絡，能解決GF-EDFA功率水平不夠和常規EYDCFA增益不均衡的問題。此外，高功率GF-EYDCFA還能減小系統終端各波長信號的功率差異。由于采用薄膜濾波器技術制造的同一批GFF具有相同的衰減譜偏差，因此實際網絡中同類光放大器（OA）的增益譜是相似的，所以如果多個OA級聯——即光信號經OA放大后傳輸或分波，當光功率降至一定水平時再經另一個OA放大，然后接著傳輸，如此重復，直至到達光節點——雖然能有效克服較大的傳輸或分波損耗，但級聯OA的GF必定會劣化，而且級聯個數越多，最終的GF越差，從而影響系統性能。所以，使用高功率的GF-EYDCFA以相對減少系統中OA的使用個數，能有效降低因OA級聯而造成的GF劣化。
圖4 采用1550nm激光器發射機組和EDFA的多波長視頻傳輸網絡
圖5 利用WDM方式提供差異化服務的CATV系統示意圖
圖5是利用WDM方式提供差異化服務的CATV系統實例，其中不同波長承載不同服務質量的CATV信號，每一波長對應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。當網絡的差異化服務程度較高且用戶數較多時，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產品已成功應用于類似的CATV系統。
4 總結
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和增益均衡技術相結合，能實現多波長信號光高功率且增益均衡地放大。光迅科技現有GF-EYDCFA產品的主要性能指標，如增益平坦度<0.25dB和噪聲指數<5.5dB，與同類摻鉺光纖放大器（EDFA）產品相當，但其輸出功率大于1W，遠高于目前EDFA的最高水平。此外，結合光迅科技相關產品的應用實例，本文還介紹了GF-EYDCFA在WDM-CATV系統中的應用。GF-EYDCFA能有效補償多波長信號光的傳輸損耗和功率分配損耗，彌補了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量，節約成本，也能明顯減小由于光放大器級聯造成的增益平坦度劣化。