泵浦功率变化对EYDFA自动增益控制影响的研究

占生宝，张 杰，王 鹏，江善河

(安庆师范学院，安徽安庆246133)

1 引言

随着数据通信业务的大幅提升，光纤通信正朝融合分组化交换、长距离、灵活组网方向发展［1－3］。作为光纤通信的中继部件，掺Er3+光纤放大器(EDFA)得到了广泛应用。然而，由于存在离子对浓度猝灭(PIQ)问题，EDFA的转换效率与掺杂浓度始终是一对矛盾［4］。为解决该矛盾，一种高效、大功率双包层Er3+/Yb3+共掺光纤放大器(EYDFA)应运而生［5－6］。

众所周知，光通信网中，当网络执行上/下信号业务、设备升级和保护倒换等网管操作时，可能引起剧烈的增益瞬态，由此要求光放大器必须具备增益控制能力。对于EDFA，基于速率方程推导出增益表达式，再依据不同控制方案获得控制解析解的研究已有众多报道［7－10］;而对于 EYDFA，依据速率方程的“离散”算法，也有相应报道［11－12］。然而，上述研究的前提条件都是泵浦功率保持不变。而事实上，由于自身老化或环境温度变化等因素，泵浦源输出功率不可能恒定。因此，作为远程控制方案之一的泵浦调制方案，研究泵浦功率的改变对EYDFA增益控制的影响，具有重要意义。

本文依据环形腔增益控制方案［12－13］，采用非线性速率方程的迭代算法，详细分析了波分复用条件下，不同泵浦功率对EYDFA增益瞬态控制的影响。结果表明:随着泵浦功率的增加，信号增益的可控范围逐渐增大。

2 理论模型

2．1 增益控制模型

对于EYDFA，文献［14］对其速率方程已进行了详细阐述，由于非线性项的存在，该方程无解析解，为此，依据微分定义，首先对速率方程做如下变换:

式中，Ni+1、Ni分别表示ΔT前后时刻的粒子数;而Pi+1、Pi则表示长度为Δz的第(i+1)和i段光纤上传输的信号功率。ΔT、Δz的关系为:ΔT= Δz/c，其中c为光速。

依据方程(1)、(2)，得到正向泵浦方式下EYDFA如下速率和功率输运方程:

式中，Pf，i(z)、Pf，i+1(z)表示正向第i和(i+1)段光纤上信号功率的分布;Pb，i(z)、Pb，i+1(z)表示反向第i和(i+1)段光纤上信号功率的分布;方程中各系数的含义及相关表达式文献［14］已进行了详细介绍，在此不再赘述。

依据环形腔增益控制方案［12］，运用上述变换方程，得到如图1所示的EYDFA增益控制迭代算法模型。

图1 自动增益控制计算模型

图1 中，EYDFL为Er3+/Yb3+共掺光纤激光器;Ps、PASE为信号、自发辐射功率;ΔPASE为本次与上一次ASE输出功率之差;G为信号增益。

2．2 模拟参数

仍采用文献［12］、［15］使用的双包层 Er3+/Yb3+共掺光纤作为增益介质。该光纤相关参数为:纤芯圆形、直径和数值孔径分别是4．6μm和0．18;内包层呈正六边形，两平行边间距200μm。模拟时，取优化的光纤长度12m，Δz设为0．1 m。其他参数的取值如表 1 所示［6，12］。1．2 W时，反馈谐振光、输出信号光随输入信号光的变化。可以看出，谐振稳定时，在各自的泵浦功率上，随输入信号功率的增加，谐振光功率不变，

表1 相关计算参数

3 理论分析

3．1 泵浦改变对增益受控范围的影响

依据文献［12］所示控制方案，假设双包层EYDFA的泵浦方式为正向泵浦，泵浦功率分别为0．8 W、1．0W和1．2W，滤波器的调谐波长为1560 nm，可调衰减器的衰减系数ρ=0．035，从1543～1558 nm，放大器存在16个信道(信道间隔为1 nm)。如此条件下，得到1550 nm和1558 nm信道增益随输入信号功率的变化如图2所示。

图2 输出信号增益随输入信号的变化

从图2可以看出，无论是对于1550 nm、还是1558 nm信道，泵浦功率的改变仅使信号增益受控范围发生改变，该范围随着泵浦功率的增大而增大;而在增益受控范围内，输出信号增益几乎相同。出现增益受控范围随泵浦功率增大的原因是:反馈链路的加入，使EYDFA输出端导入该链路的ASE光在EYDF中形成稳定的激光振荡，振荡产生的谐振光功率随泵浦功率的增加而增加，由此决定上能级反转粒子数随泵浦功率的增加而减少，如此情况下，信号光放大若要减少反转粒子数量，只能通过增加输入信号功率去诱导，因此增益受控范围随泵浦功率而增大。而在增益受控范围内，随泵浦功率增加，信号增益几乎不变的原因是:泵浦功率的增大虽然导致谐振功率增加、上能级反转粒子数有所减少，但由于EYDF长度是泵浦功率1 W时优化的光纤长度，因此该粒子数量的减少非常有限，而信号光放大是在该反转粒子数几乎不变的基础上进行的，因此，输出信号增益几乎不会改变。

为进一步说明泵浦功率仅改变增益受控范围的原因，图3给出了泵浦功率分别为0．8 W、说明当输入信号功率改变时，上能级粒子数没有改变，由此决定在不同泵浦功率上，输出信号增益不会改变，这与输出信号功率随输入信号功率呈直线增加正好一致。从图4还可以看出，当泵浦功率增加时，谐振光功率变大，说明上能级粒子数有所减小，对于该减少的上能级粒子数，只有增加输入信号功率去诱导，才能使其降低，因此输入信号的受控范围增大。

图3 输出、谐振信号功率随输入信号的变化

3．2 泵浦改变对增益漂移的影响

仍假设该放大器存在16个信道，每一信道的输入功率为1 mW，可调衰减器的衰减系数设为0．05723(该值为泵浦功率 1 W、8信道撤除时，1550 nm信道的0增益漂移值)，当其中8个信道突然撤除时，得到不同泵浦功率下，1550 nm信道增益漂移随时间的变化如图4所示。

图4 增益漂移随时间的变化

从图4可以看出，当8信道突然撤除时，1550 nm信道增益首先呈现振荡结构，然后逐渐达到稳态。同时，泵浦功率不同，增益漂移达到稳态的时间也不同。信道撤除导致增益漂移出现振荡结构的原因是:由于可调衰减器衰减系数的调整，环形激光器出现新的激光振荡，该振荡从动态开始，然后逐渐达到稳态。振荡必然导致上下能级粒子数的剧烈波动，而信号放大是在该波动的粒子数上进行的，因此输出信号增益必然出现振荡结构。从图4还可以看出，相同的衰减系数下，不同的泵浦功率，会出现不同增益漂移，其结果为:Pp=1 W 时，G漂移=0;Pp=0．8 W 时，G漂移=0．008 dB;而当 Pp=1．2 W时，G漂移= －0．005 dB。

为进一步说明不同泵浦功率对增益漂移的影响，图5给出了衰减系数为0．05723、泵浦功率从0．7～1．9 W时，1550 nm信道偏离0增益的漂移结果。从图5可以看出，当Pp＜1 W时，随着泵浦功率的增大，输出信号增益偏离0增益的值逐渐减小，当Pp＞1 W时，随着泵浦功率的增大，输出信号增益偏离0增益的值逐渐增大。出现上述情况的原因是:相同的衰减系数下，反馈回环形腔输入端的谐振光功率随泵浦功率的增大而增大，该增大的谐振功率将诱导更多的上能级粒子数跃迁，由此导致上能级反转粒子数随泵浦功率的增大而减少。由于上能级粒子数的减少，导致输出信号增益随泵浦功率的增加而降低。基于泵浦功率1 W时所设立的0漂移基准，必然出现增益漂移值随偏离该泵浦功率的增加而增加。

图5 增益漂移随泵浦功率的变化

4 结论

针对泵浦源老化或环境温度的变化，采用非线性速率方程的迭代算法，研究了不同泵浦功率对EYDFA增益控制的影响。通过研究，可得出如下结论:(1)随着泵浦功率的增加，输出信号增益的可控范围逐渐增大;(2)在增益可控范围内，通过环形激光谐振的调整，不同泵浦功率引起的增益漂移获得补偿，使其稳态输出基本保持一致;(3)相同的衰减系数下，当多个信道撤除时，激光谐振导致增益漂移首先出现振荡结构，至稳态时，该漂移随泵浦功率偏离某一特定值的增加而增加。

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