增益平坦滤波器(GFF)的几种实现技术

EDFA具有增益高、带宽大、噪声低、增益特性对光偏振状态不敏感、对数据速率以及格式透明和在多路系统中信道交叉串扰可忽略等优点[1],在DWDM系统中，由于各信道波长的密集复用以及EDFA均匀展宽特性，不同信道之间存在激烈的竞争，当多波长光信号通过EDFA时，不同信道波长的增益会有所不同;同时，在DWDM网络中，经常需要对EDFA进行级联使用，每个放大器的增益波动将使DWDM的增益波动进行累积使其加剧，这会加剧网络中信号功率的不平衡，使比特误码率(BER)不能满足系统要求[2]。因此，对EDFA的增益谱进行平坦化成为一个DWDM系统应用的现实问题[3,4]。目前，实现EDFA增益平坦主要有薄膜滤波、微光正弦滤波、光纤光栅滤波等技术手段。

1 几种增益平坦滤波器技术

1.1 基于薄膜滤波技术的GFF

薄膜滤波器由介质薄膜(DTF)构成，其基本结构是基于法布里-泊罗(F-P)标准具的谐振器，该谐振器是间距固定的平板，由腔和反射镜构成，如图1所示。

图1 F-P谐振器工作原理示意图

薄膜滤波技术是一个比较成熟的技术，典型的基于薄膜滤波技术的GFF由一个高反射的多层平板夹以λ/2间隔层构成，如图2所示。

图2 基于薄膜滤波技术的GFF的结构

基于薄膜滤波技术的GFF可以工作于反射模式或者透射模式，一般由两个以上的F-P腔构成，所以也称为多腔薄膜干涉滤波器，其腔之间通过介质反射层隔离，每个腔包括50层以上的多层结构。

基于薄膜滤波技术的GFF生产工艺较复杂，对于新的放大器增益曲线的适应能力较弱，同时，薄膜滤波GFF属于一种体效应技术，插入损耗相对较大。由于每只薄膜滤波GFF的生产使用同样的工具和工艺，使每只GFF增益波动几乎一样，这样在EDFA进行级联使用时，必然会加剧网络的增益波动的累积。

1.2 基于微光正弦滤波技术的GFF

基于微光正弦滤波技术GFF的实现方式之一是采用马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪[5]。两个波长(λ1和λ2)的光输入光纤，经方向耦合器#1使两个波长的光功率对半分离并各自耦合进两个长度不等的波道臂，两波道长度差为ΔL。经两个臂传输的光束以不同的相位到达第二个方向耦合器#2。按照相位变化和输出光纤的位置，每个波长在两个输出光纤之一产生"相长"干涉，而另一个产生"相消"干涉，即在第一根光纤上，波长λ1"相长"(波长λ2"相消")干涉;在第二根光纤上，波长λ2"相长"(波长λ1"相消")干涉，这样便把λ1和λ2分开，如图3所示。

图3 M-Z干涉仪结构示意图[6]

基于微光正弦滤波技术的GFF具有正弦滤波功能，调整其自由光谱通道可以使其与设计的放大器放大窗口相吻合，对EDFA的增益谱进行傅立叶分析，可以确定所需要的干涉仪个数。为了覆盖EDFA的C波段，一个GFF通常需要3到5个单独的M-Z干涉仪组成，这样，将会增加GFF的封装尺寸。

1.3基于光纤光栅滤波技术的GFF

光纤光栅是一种折射率周期变化的光波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中以改变入射光的频谱。

长周期光纤光栅GFF中，与光栅相互作用的光被耦合进前向传输包层模，并由于吸收和散射迅速衰减，这种波长选择器具有极小的反射[7]，在与EDFA集成时不必使用隔离器。然而，与薄膜滤波GFF一样，为了覆盖EDFA的整个增益带宽必然会增加生产的复杂性，同时，如果没有对这种光栅GFF进行封装的话，温度变化时其波长漂移的敏感性是布喇格光栅GFF的5倍。为了减少这种温度敏感性，需要进行无源温补。与温度敏感性一样，长周期光栅GFF对于弯曲损耗的敏感性也比较高。所有这些因素加起来，使得长周期光栅GFF的封装技术显得尤为重要。

基于布拉格光栅的GFF又可以分为两种实现方式，一种是闪耀光栅，一种是啁啾光栅。当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。闪耀光栅GFF同样具有很小的反射，可以减少隔离器的使用;同长周期光栅GFF一样，为了覆盖EDFA的整个增益带宽必然会增加生产的复杂性。闪耀光栅GFF具有较高的损耗谱精度，但是对于新的损耗谱其生产控制方式显得复杂了一些。

啁啾光栅是栅格间距不等的光栅。啁啾光栅GFF工作于传输模式，这种GFF与常规光纤连接时具有很低的插入损耗，同时，与其他GFF相比，啁啾光栅GFF可以覆盖一个很宽的光波段(>35nm)并且封装很小。对于新的EDFA增益谱，啁啾光栅GFF可以很灵活地调整其损耗谱，对于EDFA生产商来说，这无疑缩短了对GFF进行选型和匹配的时间。啁啾光栅GFF在生产时由于单独生产，每个GFF均能确保具有轻微的差异，这种轻微的差异使得啁啾光栅GFF的EDFA增益波动频率位置不同，因此，在DWDM网络中对ED-图3M-Z干涉仪结构示意图[6]FA级联使用时，减少了功率差异。

1.4各种GFF实现技术的比较

综合比较三种实现GFF的技术，如表1所示。可以看出实现EDFA的增益平坦，啁啾光栅GFF是较好的选择。

表1 几种不同GFF实现技术的比较

图4 基于啁啾光栅GFF的高功率EDFA设计及增益平坦度测试配置

2 试验与测试

设计了如图4所示的EDFA，为了提高该EDFA的增益水平，使用两级EDF作为增益介质进行放大，在两级增益介质之间使用啁啾光栅GFF对EDFA的增益曲线进行平坦，同时，在EDFA输入及输出端增加隔离器以免泵浦光反射或ASE影响EDFA的稳定性。在试验过程中发现，由于GFF具有较小的反射，可以将紧随GFF后的隔离器去掉，一方面可以减少EDFA的光路损耗，同时，可以节约EDFA的原料成本。

增益平坦度测试中，使用网泰(NetTest)8波长光源(OSICS)作为多播长光源，经WDM合波后注入EDFA，调节EDFA的两个泵浦功率，在EDFA输出端使用安立(Anritsu)光谱分析仪(MS9710C)测试输出，考虑到EDFA的较高的输出功率，在EDFA输出注入光谱分析仪前加入光衰减器。图5为加入啁啾光栅GFF后EDFA增益平坦度测试结果。

图5 EDFA增益平坦度测试结果

3结束语

综合比较薄膜滤波、微光正弦滤波、光纤光栅滤波实现GFF的技术，啁啾光栅GFF是较好的选择。试验发现，高功率EDFA设计中，在两段增益光纤介质间加入啁啾光栅GFF可以将增益平坦度控制在±0.3dB范围内。