增益平坦濾波器(GFF)的幾種實現(xiàn)技術
EDFA具有增益高、帶寬大、噪聲低、增益特性對光偏振狀態(tài)不敏感、對數(shù)據速率以及格式透明和在多路系統(tǒng)中信道交叉串擾可忽略等優(yōu)點[1],在DWDM系統(tǒng)中，由于各信道波長的密集復用以及EDFA均勻展寬特性，不同信道之間存在激烈的競爭，當多波長光信號通過EDFA時，不同信道波長的增益會有所不同;同時，在DWDM網絡中，經常需要對EDFA進行級聯(lián)使用，每個放大器的增益波動將使DWDM的增益波動進行累積使其加劇，這會加劇網絡中信號功率的不平衡，使比特誤碼率(BER)不能滿足系統(tǒng)要求[2]。因此，對EDFA的增益譜進行平坦化成為一個DWDM系統(tǒng)應用的現(xiàn)實問題[3,4]。目前，實現(xiàn)EDFA增益平坦主要有薄膜濾波、微光正弦濾波、光纖光柵濾波等技術手段。
1 幾種增益平坦濾波器技術
1.1 基于薄膜濾波技術的GFF
薄膜濾波器由介質薄膜(DTF)構成，其基本結構是基于法布里-泊羅(F-P)標準具的諧振器，該諧振器是間距固定的平板，由腔和反射鏡構成，如圖1所示。
圖1 F-P諧振器工作原理示意圖
薄膜濾波技術是一個比較成熟的技術，典型的基于薄膜濾波技術的GFF由一個高反射的多層平板夾以λ/2間隔層構成，如圖2所示。
圖2 基于薄膜濾波技術的GFF的結構
基于薄膜濾波技術的GFF可以工作于反射模式或者透射模式，一般由兩個以上的F-P腔構成，所以也稱為多腔薄膜干涉濾波器，其腔之間通過介質反射層隔離，每個腔包括50層以上的多層結構。
基于薄膜濾波技術的GFF生產工藝較復雜，對于新的放大器增益曲線的適應能力較弱，同時，薄膜濾波GFF屬于一種體效應技術，插入損耗相對較大。由于每只薄膜濾波GFF的生產使用同樣的工具和工藝，使每只GFF增益波動幾乎一樣，這樣在EDFA進行級聯(lián)使用時，必然會加劇網絡的增益波動的累積。
1.2 基于微光正弦濾波技術的GFF
基于微光正弦濾波技術GFF的實現(xiàn)方式之一是采用馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀[5]。兩個波長(λ1和λ2)的光輸入光纖，經方向耦合器#1使兩個波長的光功率對半分離并各自耦合進兩個長度不等的波道臂，兩波道長度差為ΔL。經兩個臂傳輸?shù)墓馐圆煌南辔坏竭_第二個方向耦合器#2。按照相位變化和輸出光纖的位置，每個波長在兩個輸出光纖之一產生"相長"干涉，而另一個產生"相消"干涉，即在第一根光纖上，波長λ1"相長"(波長λ2"相消")干涉;在第二根光纖上，波長λ2"相長"(波長λ1"相消")干涉，這樣便把λ1和λ2分開，如圖3所示。
圖3 M-Z干涉儀結構示意圖[6]
基于微光正弦濾波技術的GFF具有正弦濾波功能，調整其自由光譜通道可以使其與設計的放大器放大窗口相吻合，對EDFA的增益譜進行傅立葉分析，可以確定所需要的干涉儀個數(shù)。為了覆蓋EDFA的C波段，一個GFF通常需要3到5個單獨的M-Z干涉儀組成，這樣，將會增加GFF的封裝尺寸。
1.3基于光纖光柵濾波技術的GFF
光纖光柵是一種折射率周期變化的光波導，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個光纖模式的功率部分或完全地轉移到另一個光纖模式中以改變入射光的頻譜。
長周期光纖光柵GFF中，與光柵相互作用的光被耦合進前向傳輸包層模，并由于吸收和散射迅速衰減，這種波長選擇器具有極小的反射[7]，在與EDFA集成時不必使用隔離器。然而，與薄膜濾波GFF一樣，為了覆蓋EDFA的整個增益帶寬必然會增加生產的復雜性，同時，如果沒有對這種光柵GFF進行封裝的話，溫度變化時其波長漂移的敏感性是布喇格光柵GFF的5倍。為了減少這種溫度敏感性，需要進行無源溫補。與溫度敏感性一樣，長周期光柵GFF對于彎曲損耗的敏感性也比較高。所有這些因素加起來，使得長周期光柵GFF的封裝技術顯得尤為重要。
基于布拉格光柵的GFF又可以分為兩種實現(xiàn)方式，一種是閃耀光柵，一種是啁啾光柵。當光柵制作時，紫外側寫光束與光纖軸不垂直時，造成其折射率的空間分布與光纖軸有一個小角度，形成閃耀光柵。閃耀光柵GFF同樣具有很小的反射，可以減少隔離器的使用;同長周期光柵GFF一樣，為了覆蓋EDFA的整個增益帶寬必然會增加生產的復雜性。閃耀光柵GFF具有較高的損耗譜精度，但是對于新的損耗譜其生產控制方式顯得復雜了一些。
啁啾光柵是柵格間距不等的光柵。啁啾光柵GFF工作于傳輸模式，這種GFF與常規(guī)光纖連接時具有很低的插入損耗，同時，與其他GFF相比，啁啾光柵GFF可以覆蓋一個很寬的光波段(>35nm)并且封裝很小。對于新的EDFA增益譜，啁啾光柵GFF可以很靈活地調整其損耗譜，對于EDFA生產商來說，這無疑縮短了對GFF進行選型和匹配的時間。啁啾光柵GFF在生產時由于單獨生產，每個GFF均能確保具有輕微的差異，這種輕微的差異使得啁啾光柵GFF的EDFA增益波動頻率位置不同，因此，在DWDM網絡中對ED-圖3M-Z干涉儀結構示意圖[6]FA級聯(lián)使用時，減少了功率差異。
1.4各種GFF實現(xiàn)技術的比較
綜合比較三種實現(xiàn)GFF的技術，如表1所示?？梢钥闯鰧崿F(xiàn)EDFA的增益平坦，啁啾光柵GFF是較好的選擇。
表1 幾種不同GFF實現(xiàn)技術的比較
圖4 基于啁啾光柵GFF的高功率EDFA設計及增益平坦度測試配置
2 試驗與測試
設計了如圖4所示的EDFA，為了提高該EDFA的增益水平，使用兩級EDF作為增益介質進行放大，在兩級增益介質之間使用啁啾光柵GFF對EDFA的增益曲線進行平坦，同時，在EDFA輸入及輸出端增加隔離器以免泵浦光反射或ASE影響EDFA的穩(wěn)定性。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于GFF具有較小的反射，可以將緊隨GFF后的隔離器去掉，一方面可以減少EDFA的光路損耗，同時，可以節(jié)約EDFA的原料成本。
增益平坦度測試中，使用網泰(NetTest)8波長光源(OSICS)作為多播長光源，經WDM合波后注入EDFA，調節(jié)EDFA的兩個泵浦功率，在EDFA輸出端使用安立(Anritsu)光譜分析儀(MS9710C)測試輸出，考慮到EDFA的較高的輸出功率，在EDFA輸出注入光譜分析儀前加入光衰減器。圖5為加入啁啾光柵GFF后EDFA增益平坦度測試結果。
圖5 EDFA增益平坦度測試結果
3結束語
綜合比較薄膜濾波、微光正弦濾波、光纖光柵濾波實現(xiàn)GFF的技術，啁啾光柵GFF是較好的選擇。試驗發(fā)現(xiàn)，高功率EDFA設計中，在兩段增益光纖介質間加入啁啾光柵GFF可以將增益平坦度控制在±0.3dB范圍內。