基于光开关的双向掺铒光纤放大器

张志利，王红伟，徐庆继

（1.天津中德职业技术学院，天津300350；2.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004）

基于光开关的双向掺铒光纤放大器

张志利1，王红伟2，徐庆继1

（1.天津中德职业技术学院，天津300350；2.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004）

针对单纤双向光信号放大的光纤传感领域，设计了基于光开关的掺铒光纤放大器。介绍了双向掺铒光纤放大器的光路原理和电路原理，并进行了样机的实现实验。通过实验测试，实现了光信号的分时复用双向放大，双向增益一致性小于0.9dBm。

掺铒光纤放大器；单纤双向；光开关

0 引言

掺铒光纤放大器 （Erbium Doped Fiber Amplifier, DEFA）采用掺杂有铒离子的光纤作为增益介质，在泵浦光的激励下发生粒子反转，实现光信号的放大。DEFA是光信号传输系统中最重要的核心装置之一，广泛应用于光纤通信、光纤传感和光纤测量等领域[1,2]。但是，EDFA为了抑制光路的反射，防止放大器产生自激振荡，通常在掺铒光纤的前后各放置一个隔离器，这就导致了EDFA只能放大单向传输的光信号；另外，在没有光信号输入的情况下，掺铒光纤受泵浦激光的激励，在输出端口也会输出宽带的光信号，这种情况限制了传统EDFA的应用场景[3,4]。在一些特定的光纤传感领域，为了节省成本，经常采用一根光纤进行传输激励光信号和被测对象返回光信号，这对EDFA提出了新的要求：一是要求EDFA具有双向放大功能；二是要求无激励光信号时，EDFA保持无光输出。为满足上述需求，本文设计了基于光开关的双向EDFA。

1 双向EDFA系统设计

为了实现光信号的双向放大和无激励光源时EDFA无输出光，本文采用高速磁光开关代替了传统EDFA中的隔离器，实现了光路的双向放大和EDFA在无输入光信号时无光输出[5，6]，其原理如图1所示。分光器1和分光器2分别位于EDFA的两侧，用于分离两侧输入光信号的1%光信号检测器。

两个方向的光信号检测器中任何一个检测到有输入光时，会给光开关控制器发出导通信号。光开关驱动器驱动高速磁光开关闭合，光路导通，掺铒光纤在泵浦光的激励下实现对光信号的放大。当输入光撤销时，光信号检测器给光开关控制器发出阻断信号，光开关驱动器驱动高速磁光开关阻断,光路保持无光。

光信号检测器、光开关驱动器及智能控制器为电路部分，集成在一块电路板上。智能控制器的主要功能有：控制泵浦激光器工作在一个稳定的温度；控制流经泵浦激光器的电流处于一个恒定值，保证光信号放大后的稳定。

2 系统实现

2.1 光路设计

双向EDFA位于光传输线路的中间，这就要求EDFA对每个方向的光信号具有相同的增益和噪声系数。传统的EDFA多采用前向泵浦方式，其优点是噪声系数小，但是不能对双向信号进行均匀放大。本文采用单泵双向泵浦方案，泵浦激光器输出的泵浦光经过50:50分光器1分成2路，经过耦合器1和耦合器2耦合到掺铒光纤，实现双向泵浦，泵浦激光器采用噪声较小的980nm泵浦激光器，如图1所示。掺铒光纤采用低掺杂浓度带增益平坦的掺铒光纤EMP980，在系统典型输入光功率为-15dBm、输出为0dBm时，噪声系数和掺铒光纤长度之间关系如图2所示。根据测试结果，选取掺铒光纤长度为10m。

图1 基于光开关的双向EDFA示意图

图2 掺铒光纤长度和噪声系数之间的关系

2.2 光信号检测单元设计

图3为光检测单元原理图。光信号检测器由光探测器和运算放大器OPA4340组成，调整电阻R的值可以改变输入光信号的阈值。输入光信号高于该阈值，认为有输入光输入；输入光信号低于该阈值，认为无输入光输入。改变电容C的值，可以调整光信号检测电路的反应时间，减小C的值，可以提高线路的响应速度。利用高速比较器AD9696组成迟滞比较器是为了稳定光信号检测器的输出，防止阈值附近产生抖动。通过改变DAC参考电压的大小，可以改变迟滞比较器的门限值。

图3 光检测单元原理图

2.3 光开关驱动电路设计

光开关采用青岛浦芮斯公司生产的高速磁光开关，该光开关采用脉冲驱动方式[7]，其驱动电路如图4所示（为清晰可见，将U6和U5进行了局部放大）。光信号检测单元在检测到输入光信号时，会将控制信号CTRL拉高；在输入光信号撤销时，会将CTRL信号拉低。当光开关驱动电路检测到CTRL低变高时，驱动光开关连通光路；当光开关驱动电路检测到CTRL变低时，驱动光开关阻断光路。文中采用单稳态触发器74LS123作为控制信号上升沿和下降沿的检测器，输出信号用来控制MOS管IRF7317驱动光开关切换。

图4 光开关驱动电路原理图

3 实现及实验

按照上述分析，我们制作了实验原理样机，并在实验室对其基本功能和性能进行了测量，如图5所示。

图5 原理样机及测试平台

3.1 响应测试

采用信号发生器发出频率为1Hz的方波信号，将该信号调制到1550nm光源上，形成频率为1Hz的脉冲光，光信号强度为-15dBm，设置泵浦激光器工作电路为100mA。将该光信号通过某一方向深入到光放大器中，测量光信号对光开关切换动作的控制和输出光信号的强度。测量点位为输入光信号检测端和光开关驱动电路输出端。采用光功率计测量输出光信号强度，采用双通道示波器观察相应测量点位的信号，如图6所示。由图6可知：当光信号到来时（下降沿），光开关驱动电路控制光开关导通；当光信号消失时（上升沿），光开关驱动电路控制光开关阻断。在光开关导通时，双向EDFA输出光功率为5dBm。经过测试，系统可以对1kHz以下的脉冲光信号实现放大。

图6 响应测试

3.2 增益一致性测试

双向EDFA放置在整个光传输链路的中间位置，那么要求双向EDFA两个方向的增益必须一直才能保证测量的精确性和光路信号的安全性。设置泵浦激光器工作在不同的工作电流，两个方向依次输入功率为-15dBm的光信号，测量输出端的光功率。经过对比，增益相差最大为0.9dB，最小为0.3dB，平均为0.6dB。表1为双向输出光功率对比结果。

表1 双向输出光功率对比结果

4 结束语

本文设计的双向EDFA采用光开关代替经典EDFA中的隔离器，实现了光路的双向放大和无输入光时EDFA无输出光。试验表明，该系统可以对频率低于1kHz的脉冲光信号实现放大，增益的差值小于0.9dB。将该双向放大器应用于单纤双向测量系统中，能降低线路成本，提高测试效率。

[1]熊英，曹文华.高速光纤通信中的光纤放大器及其发展[J].光通信技术，2008，32(5)：35-37.

[2]原荣.光通信技术讲座——（八）：光放大器[J].光通信技术，2003，27 (8)：51-52.

[3]毛庆和，王劲松，孙小菡，等.双向掺铒光纤放大器的特性分析[J].光学学报，1999,19（11）：1484-1490.

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[5]陈乔杉，杨 林.用于片上光网络的光学路由器研究[J].激光与光电子学进展，2014，51(11)：110005-1-110005-15.

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[7]阮剑剑，许英朝，朱文章.应用于磁光开关的正负交替脉冲发生器的设计[J].厦门理工学院学报，2015,23（3）：63-67.

Bidirectional erbium doped fiber amplifier based on optical switch

ZHANG Zhi-li1，WANG Hong-wei2，XU Qing-ji1
（1.Tianjin Sino-German Vocational Technical College,Tianjin 300350,China The 34th Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004,China）

For single fiber bidirectional optical signal amplification in the field of fiber sensor,the bidirectional erbium doped fiber amplifier(EDFA)based on optical switch is designed.In the paper,the optical path principle and circuit principle of the bidirectional EDFA are introduced.Through the experimental test,the optical signal is amplified by time division multiplexing and the bidirectional gain is less than 0.9dBm.

EDFA,bidirectional,optical switch

TN248

A

1002-5561（2016）02-0046-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.014

2014-11-03。

国家级科技型中小企业技术创新项目（14C26211200344）资助；天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目（15JCZDJC39000）资助；天津市科技兴海项目（KJXH2014-15）资助；国家科技支撑计划项目子课题（2015BAK06B04）资助；天津市科技特派员项目（15JCTPJC 58700）资助。

张志利（1978-），男，高级工程师，主要从事信息采集与处理方面的研究。