光放大器增益平坦滤波器的谱形确定方法.docx
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光放大器增益平坦滤波器的谱形确定方法
说明书
光放大器增益平坦滤波器的谱形确定方法
技术领域
本发明涉及光纤通信系统，更具体地说，是针对光纤通信系统中使用的掺杂光纤放大器而用于确定光纤放大器中使用的增益平坦滤波器的谱形。
背景技术
光纤通信系统中，光纤放大器尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）已经成为系统的核心器件之一。
EDFA的产生和发展极大的推动了波分复用系统（WDM）的发展。
但是随着WDM系统容量和速率的提高，EDFA的增益不平坦性对系统性能的影响也越来越明显。
实现EDFA的增益平坦主要有两种方法：
一类是在EDFA中加入增益平坦滤波器（GFF），另一类则是改变掺铒光纤的基质材料或在掺铒光纤中掺入其它物质。
但一般掺铒光纤的基质材料或在掺铒光纤中参如其他物质在器件设计之前就已经形成，因此，器件设计过程中通常通过加入平坦滤波器（GFF）来实现增益平坦的效果。
而平坦滤波器（GFF）的放置位置则比较灵活，可以放在所有增益级之前、增益级之后，如果是两级或两级以上的结构，还可以放在中间任意两级之间，甚至拆分为数个平坦滤波器（GFF）分别放置，这取决于对放大器噪声及功率的权衡。
但无论放置在何处，为了达到较好的增益平坦效果，都需要对平坦滤波器（GFF）的最佳谱形进行测试。
而现有测试方法仅仅局限于，特定的光纤长度，特定的粒子反转数条件下的GFF谱形。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于铒纤增益谱理论的平坦滤波器（GFF）谱形确定方法，该方法只需要测量特定纤长配置的两个增益点谱形，就可以得到任意纤长条件下任意粒子反转数条件下的铒纤增益谱。
从而为平坦滤波器（GFF）的设计提供了充分的灵活性。
为了实现上述目的，本发明提供了光放大器增益平坦滤波器的谱形确定方法，其特征在于：
依据公式：
ErGain（λ,x,L’）=[ErLGain（λ）+[ErHGain（λ）-ErLGain（λ）]*x]*L’其中Gain（λ）为增益谱函数；x为Δ’inv/Δinv反映粒子反转数的变化量；若设L’为纤长比例,由上述公式看得只需要测量特定纤长配置的两个掺杂光纤增益点谱形，就可以得到任意纤长条件下任意粒子反转数条件下的掺杂光纤增益谱。
上述方法包括步骤一：
将输入光谱调平，测试平坦输入光谱；步骤二：
测量模块的无源损耗谱；步骤三：
测量完毕无源损耗之后，将铒纤接入主光路对应位置，调整泵源功率，使模块增益接近目标增益，测量两个粒子反转数下的模块增益谱；步骤四：
依据ErHGain（λ）=ModuleHGain（λ）+PassiveLoss（λ）以及ErLGain（λ）=ModuleLGain（λ）+PassiveLoss（λ）可以得到铒纤部分增益；后利用公式ErGain（λ,x,L’）=[ErLGain（λ）+[ErHGain（λ）-ErLGain（λ）]*x]*L’数据进行处理，调整不同纤长L及反转程度系数x，达到铒纤增益可以得到对应于不同纤长的增益谱形；步骤五：
减去最小增益，即可得到最后想要的对应纤长的GFF谱形。
上述方法还可包括步骤一：
将输入光谱调平，测试平坦输入光谱；步骤二：
将铒纤接入主光路对应位置，调整泵源功率，使模块增益接近目标增益，测量两个粒子反转数下的模块增益谱；步骤三：
去掉铒纤，测量模块的无源损耗谱；步骤四：
依据ErHGain（λ）=ModuleHGain（λ）+PassiveLoss（λ）以及ErLGain（λ）=ModuleLGain（λ）+PassiveLoss（λ）可以得到铒纤部分增益；后利用公式ErGain（λ,x,L’）=[ErLGain（λ）+[ErHGain（λ）-ErLGain（λ）]*x]*L’数据进行处理，调整不同纤长L及反转程度系数x，达到铒纤增益可以得到对应于不同纤长的增益谱形；步骤五：
减去最小增益，即可得到最后想要的对应纤长的GFF谱形。
采用这一方法的优点在于：
首先，可以计算任意纤长所对应的平坦滤波器（GFF）谱形。
在EDFA设计过程中，掺杂光纤的长度是一个重要参数，直接影响影响到放大器的噪声系数，泵浦转换效率等重要参数。
其中噪声系数是放大器性能的重要指标，决定了信号在经过放大器之后的信噪比恶化程度，而信噪比的恶化直接影响到光通信系统的误码率。
而泵浦转化效率表征了为了达到需要的输出功率，需要的泵源功率的大小。
泵浦转化效率越高，达到相同输出功率所需的泵源功率就越小，而泵源功率是放大器成本的主要组成部分。
所以泵浦转化效率是放大器设计过程中控制成本的关键指标之一。
采用本发明的方法，可以得到任意纤长下的GFF谱形，极大的提高了放大器设计的灵活性，使得设计者可以专注于噪声系数和泵源转化效率的优化来调整纤长。
而且，本发明所提供的灵活性不只在于确定纤长的灵活性，还为平坦滤波器（GFF）的形状设计提供了灵活性。
可以得到较为灵活的GFF谱形的意义在于：
第一，平坦滤波器（GFF）谱形可以影响放大器的噪声系数。
第二，平坦滤波器（GFF）的谱形会影响泵浦转换效率。
以上两点对于放大器设计的意义已经在以上部分进行了阐述。
第三，平坦滤波器（GFF）谱形的灵活性可以使得新设计的放大器有意匹配已有的或者是其他设计的谱形，这样可以节约平坦滤波器（GFF）器件的成本。
第四，本发明所提出的方法还可以用于评估现有的平坦滤波器（GFF）器件可否应用于当前设计的模块，也是辅助设计的方法之一。
附图说明
下面接合附图对本发明的实施方法进一步说明。
图1，2为比较典型的放大器使用平坦滤波器（GFF）的光路结构图，并且标示出了信号光谱形在光路中的变化过程。
图3，4表示对应于图1，2的两种结构的平坦滤波器（GFF）测试使用的光路结构图。
同样表示出了信号光谱形的变化过程。
图5表示相同纤长的铒纤增益谱随着粒子反转数变化的变化。
图6表示在粒子反转数不变的条件下，不同纤长所能提供的增益谱。
图7表示为了达到特定增益，不同纤长所提供的铒纤增益谱形，正是这一系列谱形提供了确定平坦滤波器（GFF）的依据。
图8显示了图7增益下对应的平坦滤波器（GFF）谱形。
图9表示了理论计算的效果：
依据两个粒子反转点的增益谱数据，利用掺杂光纤增益谱在不同粒子反转数下的变化原理，可以得到任意工作点下的平坦滤波器（GFF）谱形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供GFF设计灵活性的方法作进一步说明。
下面介绍一下本发明的理论基础，也就是铒纤增益谱的相关理论。
一定长度的铒纤在一定的粒子反转数条件下所能提供的增益谱表达式为：
ErGain（λ）=[g（λ）*inv-alpha（λ）*（1-inv）]*L
（1）
其中Gain（λ）为增益谱函数，g（λ）为发射系数谱函数，alpha（λ）为吸收系数谱函数，inv表示铒纤中的粒子反转数，L为铒纤长度。
在一个成品放大器中，模块增益由铒纤部分增益与无源损耗之差组成：
ModuleGain（λ）=ErGain（λ）-PassiveLoss（λ）
（2）
也就是：
ErGain（λ）=ModuleGain（λ）+PassiveLoss（λ）（3）
而PassiveLoss（λ）是基本稳定不变的，为了得到PassiveLoss（λ），需要在铒纤熔接之前熔接好所有主光路部分，即从模块输入到模块输出全部熔接好，并且需要熔接铒纤的两端点需要对应熔接起来以保证光路畅通。
这时就可以测量放大器光模块的PassiveLoss（λ）了。
得到模块的PassiveLoss（λ）之后，可以将铒纤熔接进去，按照“背景技术”中所提到的方法测试模块的增益谱。
为了采用本发明中提到的方法，需要在目标增益附近测量两个模块增益谱，记为ModuleHGain（λ）与ModuleLGain（λ）。
根据式（3）得到两个铒纤增益谱：
ErHGain（λ）=ModuleHGain（λ）+PassiveLoss（λ）（4）
ErLGain（λ）=ModuleLGain（λ）+PassiveLoss（λ）（5）
ErHGain（λ）=[g（λ）*invH-alpha（λ）*（1-invH）]*L（6）
ErLGain（λ）=[g（λ）*invL-alpha（λ）*（1-invL）]*L（7）
（6）-（7）得：
ErHGain（λ）-ErLGain（λ）=g（λ）（invH-invL）+alpha（λ）（invH-invL）（8）
从而得到增益谱变化与粒子反转数变化的关系：
ΔErGain（λ）=[G（λ）+alpha（λ）]*Δinv=K（λ）*Δinv（9）
则当例子反转数变化为Δ’inv时，铒纤增益谱变化量为
Δ’ErGain（λ）=K（λ）*Δ’inv=ΔErGain（λ）*Δ’inv/Δinv=
[ErHGain（λ）-ErLGain（λ）]*x（10）
其中x为Δ’inv/Δinv。
若设L’为纤长比例,则可得到任意纤长和粒子反转数变化时的铒纤增益：
ErGain（λ,x,L’）=[ErLGain（λ）+[ErHGain（λ）-ErLGain（λ）]*x]*L’
（11）
若固定纤长，只调整粒子反转数，则可得到的一系列谱形如图5所示。
此图显示了在纤长一定的条件下，不断调整泵源功率可以得到的铒纤增益谱形。
若保持粒子反转数不变，不同纤长可达到的增益谱形如图6所示。
图7表示了本发明的应用结果，即纤长和粒子反转数同时调整，在每个纤长下找到可以使得谱形的最低增益处可以达到目标增益的粒子反转数，这样就得到了一组粒子反转数与纤长的组合，也找到了为了达到目标增益所需要的一组平坦滤波器（GFF）衰减谱形值。
图1为本发明应用的第一实施例的光路图。
图3为测量其对应的GFF谱形的光路结构及测试点。
这是采用GFF的光纤放大器的最简单结构：
一个泵浦源，一段掺杂光纤，一个GFF器件。
该泵浦源的泵浦方式可以选择前向或者后向泵浦，掺杂光纤比较典型的应用之一为掺铒光纤，GFF器件可以放置于掺杂光纤之前（信号光先通过GFF器件，再通过掺杂光纤）或者放置于掺杂光纤之后（信号光先通过掺杂光纤，再通过GFF器件）。
使用本发明的方法可以通过测量两个增益点谱形得到所要求的目标增益对应的一系列GFF谱形。
为更详细说明本发明的数据处理方法，现依据具体数据说明如下：
将输入光谱调平，测试平坦输入光谱如下表1所示：
表1输入信号功率
波长（nm）
输入功率（dB）
波长（nm）
输入功率（dB）
波长（nm）
输入功率（dB）
1529.50
-18.18
1539.60
-18.27
1550.81
-18.20
1530.51
-18.22
1541.24
-18.24
1553.85
-18.21
1531.68
-18.23
1542.72
-18.24
1555.41
-18.24
1533.25
-18.21
1544.48
-18.26
1557.24
-18.24
1534.52
-18.20
1545.98
-18.22
1558.88
-18.17
1536.39
-18.17
1547.76
-18.20
1560.29
-18.19
1537.91
-18.21
1548.88
-18.20
1562.05
-18.21
首先测量模块的无源损耗，需要在铒纤熔接之前熔接好所有主光路部分，即从模块输入到模块输出全部熔接好，并且需要熔接铒纤的两端点需要对应熔接起来以保证光路畅通。
在本实施例中得到的实测结果如下表2所示：
表2无源损耗（PassiveLoss）
波长（nm）
无源损耗（dB）
波长（nm）
无源损耗（dB）
波长（nm）
无源损耗（dB）
1529.50
1.46
1539.60
1.36
1550.81
1.42
1530.51
1.46
1541.24
1.36
1553.85
1.40
1531.68
1.45
1542.72
1.37
1555.41
1.37
1533.25
1.42
1544.48
1.39
1557.24
1.41
1534.52
1.40
1545.98
1.41
1558.88
1.41
1536.39
1.41
1547.76
1.39
1560.29
1.40
1537.91
1.41
1548.88
1.42
1562.05
1.42
测量完毕无源损耗之后，将铒纤接入主光路对应位置，本实施例中采用9.2m铒纤。
调整泵源功率，使模块增益接近目标增益，测量两个粒子反转数（对应两个泵源功率值，此处分别为46mW及100mW）下的模块增益谱。
数据如下表3、表4所示：
表3.46mW泵浦的模块增益（ModuleGain）
波长（nm）
模块增益（dB）
波长（nm）
模块增益（dB）
波长（nm）
模块增益（dB）
1529.50
16.57
1539.60
16.90
1550.81
18.20
1530.51
18.46
1541.24
17.25
1553.85
18.52
1531.68
18.77
1542.72
17.64
1555.41
18.64
1533.25
18.65
1544.48
17.87
1557.24
18.74
1534.52
18.05
1545.98
18.05
1558.88
18.64
1536.39
17.08
1547.76
18.08
1560.29
18.35
1537.91
16.74
1548.88
18.11
1562.05
17.82
表4.100mW泵浦的模块增益（ModuleGain）
波长（nm）
模块增益（dB）
波长（nm）
模块增益（dB）
波长（nm）
模块增益（dB）
1529.50
22.12
1539.60
19.28
1550.81
19.91
1530.51
22.49
1541.24
19.56
1553.85
20.1
1531.68
22.69
1542.72
19.89
1555.41
20.2
1533.25
22.31
1544.48
20.01
1557.24
20.17
1534.52
21.38
1545.98
20.07
1558.88
19.98
1536.39
19.87
1547.76
20.00
1560.29
19.58
1537.91
19.23
1548.88
19.94
1562.05
18.89
利用公式（4）以及（5）可以得到铒纤部分增益如下表5、表6所示：
表5在46mW泵浦下的铒纤部分增益（ErGain）
波长（nm）
铒纤部分增益（dB）
波长（nm）
铒纤部分增益（dB）
波长（nm）
铒纤部分增益（dB）
1529.50
18.03
1539.60
16.90
1550.81
18.20
1530.51
18.46
1541.24
17.25
1553.85
18.52
1531.68
18.77
1542.72
17.64
1555.41
18.64
1533.25
18.65
1544.48
17.87
1557.24
18.74
1534.52
18.05
1545.98
18.05
1558.88
18.64
1536.39
17.08
1547.76
18.08
1560.29
18.35
1537.91
16.74
1548.88
18.11
1562.05
17.82
表6在100mW泵浦下的铒纤部分增益（ErGain）
波长（nm）
铒纤部分增益（dB）
波长（nm）
铒纤部分增益（dB）
波长（nm）
铒纤部分增益（dB）
1529.50
23.58
1539.60
20.64
1550.81
21.33
1530.51
23.95
1541.24
20.92
1553.85
21.50
1531.68
24.14
1542.72
21.26
1555.41
21.57
1533.25
23.73
1544.48
21.40
1557.24
21.58
1534.52
22.78
1545.98
21.48
1558.88
21.39
1536.39
21.28
1547.76
21.39
1560.29
20.98
1537.91
20.64
1548.88
21.36
1562.05
20.31
利用公式（11）对表5，6中数据进行处理，调整不同纤长L及反转程度系数x，为了达到铒纤增益18dB（对应的模块增益约为16.6dB），可以得到对应于不同纤长的增益谱形如下表7所示：
表7.对应于不同纤长的增益谱数据
铒纤长度（m）
8.3
8.7
9.2
9.8
10.5
MinGain（dB）
18.01
18.01
18.03
18.00
17.99
x
0.86
0.59
0.33
0.04
-0.25
Wavelength（nm）
ErGain（dB）
ErGain（dB）
ErGain（dB）
ErGain（dB）
ErGain（dB）
1529.50
20.57
20.15
19.86
19.44
18.99
1530.51
20.91
20.52
20.27
19.90
19.50
1531.68
21.10
20.75
20.54
20.22
19.89
1533.25
20.77
20.47
20.33
20.08
19.84
1534.52
19.95
19.71
19.61
19.43
19.25
1536.39
18.67
18.50
18.47
18.37
18.30
1537.91
18.13
18.01
18.03
18.00
17.99
1539.60
18.15
18.07
18.13
18.16
18.22
1541.24
18.41
18.36
18.46
18.53
18.64
1542.72
18.72
18.70
18.83
18.94
19.10
1544.48
18.86
18.87
19.03
19.19
19.39
1545.98
18.95
18.98
19.18
19.37
19.62
1547.76
18.88
18.94
19.17
19.40
19.69
1548.88
18.86
18.94
19.18
19.43
19.74
1550.81
18.85
18.96
19.23
19.52
19.88
1553.85
19.02
19.18
19.50
19.85
20.29
1555.41
19.09
19.26
19.61
19.98
20.44
1557.24
19.11
19.31
19.68
20.08
20.58
1558.88
18.95
19.16
19.55
19.97
20.49
1560.29
18.60
18.82
19.22
19.66
20.19
1562.05
18.01
18.24
18.64
19.09
19.63
减去最小增益，即可得到最后想要的对应纤长的平坦滤波器（GFF）谱形（如图9所示）。
其数据如表8所示：
表8.对应于不同纤长的GFF插入损耗
ErFiberLength（m）
8.3
8.7
9.2
9.8
10.5
Wavelength（nm）
GFFInsertionLoss（dB）
GFFInsertionLoss（dB）
GFFInsertionLoss（dB）
GFFInsertionLoss（dB）
GFFInsertionLoss（dB）
1529.50
2.56
2.14
1.83
1.44
1.00
1530.51
2.91
2.51
2.24
1.90
1.51
1531.68
3.09
2.74
2.52
2.23
1.90
1533.25
2.76
2.46
2.30
2.08
1.84
1534.52
1.95
1.70
1.58
1.43
1.26
1536.39
0.66
0.49
0.44
0.37
0.30
1537.91
0.12
0.00
0.00
0.00
0.00
1539.60
0.14
0.06
0.11
0.16
0.23
1541.24
0.40
0.35
0.43
0.53
0.65
1542.72
0.71
0.69
0.81
0.95
1.11
1544.48
0.85
0.86
1.01
1.19
1.40
1545.98
0.94
0.98
1.15
1.38
1.63
1547.76
0.87
0.94
1.15
1.40
1.70
1548.88
0.85
0.93
1.16
1.43
1.75
1550.81
0.84
0.95
1.21
1.52
1.89
1553.85
1.01
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