增益平坦滤波器的几种实现技术
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Guangxi 541004；2. No.34 Research Institute，CETC,GuiLin Guangxi 541004,China)
Abstract：EDFA's gain flattening is the key issue in the DWDM system, the implementation of EDFA gain flattening filter technology is described in the paper and its key principles of technical parameters were compared, so that the chirped grating gain flattening filter is thinked as a better choice. Experiment shows that with he chirped grating gain flattening filter, the gain flatness of the high-power EDFA can be controlled within ± 0.3dB or less. Key words：EDFA;GFF;precision of loss spectrum;chirped grating
0 引言
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。
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 EDFA 级联使用时，减少了功率差异。 1.4 各种 GFF 实现技术的比较
高凡，陈学卿，赵灏，等：增益平坦滤波器的几种实现技术
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
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。
图 5 EDFA 增益平坦度测试结果
PDL
0.10dB
0.10dB
0.10dB <0.03dB
PDM 插入损耗 75℃时 波 长 漂 移 封装尺寸
NA 1.0dB <150pm
小
<0.05ps 1.0dB <250pm
小
NA 0.2dB <250pm
大
<0.10ps 0.1dB <75pm
小
2011 年第 4 期
輧輳訛
高凡，陈学卿，赵灏，等：增益平坦滤波器的几种实现技术
A few kinds of technique to carry out GFF
GAO Fan 1,CHEN Xue-qing 1,ZHAO Hao 2,QIN Bo 2 (1.The Department of Electronic Engineering,Guilin College of Aerospace Technology, Guilin
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
基于布喇格 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。
光器件
中文核心期刊
增益平坦滤波器的几种实现技术
高 凡 1，陈学卿 1，赵 灏 2，覃 波 2
（1. 桂林航天工业高等专科学校，广西 桂林 541004； 2. 中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林 541004） 摘 要：EDFA的增益平坦化是 DWDM系统中的关键问题，介绍了 EDFA增益平坦滤波器的实现技术原理并 对其关键技术参数进行了比较，认为啁啾光栅增益平坦滤波器是一较好的选择。试验表明，在高功率 EDFA中加入啁啾光栅增益平坦滤波器，其增益平坦度可控制在±0. 3dB以内。 关键词：EDFA；增益平坦滤波器（GFF）；损耗谱精度；啁啾光栅 中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2011）04-0034-03
光器件
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。
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
损耗谱精度
薄膜滤波 GFF
±0.30dB
微光正弦 虑光 GFF ±0.20dB
长周期光栅 啁啾光栅
GFF
GFF
±0.20dB <±0.10dB
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பைடு நூலகம்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。
增益平坦度 测 试 中 ，使 用 网 泰 （NetTest）8 波 长 光 源（OSICS）作为多波长光源，经 WDM 合波后注入 ED-
FA，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。
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。
参考文献：
[1] 李 志 全 ，康 莉 莉 ，苏 凤 燕 ，等.光 子 晶 体 增 益 平 坦 滤 波 器 的 设 计[J].中 国 激 光 ，2009,36（3）:710-712. [2] W ARKELL FARR.FBG-based gain flattening filter aid optical amplifiers[J].Lightwave Europe，2002,(6):1-6. [3] 宋英雄,李迎春，陈健，等.高增益低噪声全光增益箝制 EDFA[J].上海 大 学 学 报 ，2006,12(2):120-124. [4] 伍浩成.EDFA 的增益控制及平坦技术研究[J].飞通光电子技术,2002, 2（4）:215-224. [5] 肖 悦 娱 ，何 赛 灵.级 联 M-Z 型 掺 铒 光 纤 放 大 器 增 益 平 坦 滤 波 器 的 设 计[J].浙 江 大 学 学 报 （工 学 版 ），2005,39（4）:487-490. [6] 黄章勇.光纤通信用新型光无源器件[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2003. [7] 徐新华，王青.线性啁啾长周期光纤光栅用作 EDFA 增益平坦滤波器 的 理 论 研 究 [J].光 子 学 报 ，2009,38（8）:2063-2065.
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
收 稿 日 期 ：2010-12-30 。 作 者 简 介 ： 高 凡(1979-) ，女 ，讲 师 。
輧輲訛
2011 年第 4 期
图 2 基于薄膜滤波技术的 GFF 的结构
光器件
Abstract：EDFA's gain flattening is the key issue in the DWDM system, the implementation of EDFA gain flattening filter technology is described in the paper and its key principles of technical parameters were compared, so that the chirped grating gain flattening filter is thinked as a better choice. Experiment shows that with he chirped grating gain flattening filter, the gain flatness of the high-power EDFA can be controlled within ± 0.3dB or less. Key words：EDFA;GFF;precision of loss spectrum;chirped grating
0 引言
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。
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 EDFA 级联使用时，减少了功率差异。 1.4 各种 GFF 实现技术的比较
高凡，陈学卿，赵灏，等：增益平坦滤波器的几种实现技术
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
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。
图 5 EDFA 增益平坦度测试结果
PDL
0.10dB
0.10dB
0.10dB <0.03dB
PDM 插入损耗 75℃时 波 长 漂 移 封装尺寸
NA 1.0dB <150pm
小
<0.05ps 1.0dB <250pm
小
NA 0.2dB <250pm
大
<0.10ps 0.1dB <75pm
小
2011 年第 4 期
輧輳訛
高凡，陈学卿，赵灏，等：增益平坦滤波器的几种实现技术
A few kinds of technique to carry out GFF
GAO Fan 1,CHEN Xue-qing 1,ZHAO Hao 2,QIN Bo 2 (1.The Department of Electronic Engineering,Guilin College of Aerospace Technology, Guilin
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
基于布喇格 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。
光器件
中文核心期刊
增益平坦滤波器的几种实现技术
高 凡 1，陈学卿 1，赵 灏 2，覃 波 2
（1. 桂林航天工业高等专科学校，广西 桂林 541004； 2. 中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林 541004） 摘 要：EDFA的增益平坦化是 DWDM系统中的关键问题，介绍了 EDFA增益平坦滤波器的实现技术原理并 对其关键技术参数进行了比较，认为啁啾光栅增益平坦滤波器是一较好的选择。试验表明，在高功率 EDFA中加入啁啾光栅增益平坦滤波器，其增益平坦度可控制在±0. 3dB以内。 关键词：EDFA；增益平坦滤波器（GFF）；损耗谱精度；啁啾光栅 中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2011）04-0034-03
光器件
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。
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
损耗谱精度
薄膜滤波 GFF
±0.30dB
微光正弦 虑光 GFF ±0.20dB
长周期光栅 啁啾光栅
GFF
GFF
±0.20dB <±0.10dB
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பைடு நூலகம்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。
增益平坦度 测 试 中 ，使 用 网 泰 （NetTest）8 波 长 光 源（OSICS）作为多波长光源，经 WDM 合波后注入 ED-
FA，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。
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。
参考文献：
[1] 李 志 全 ，康 莉 莉 ，苏 凤 燕 ，等.光 子 晶 体 增 益 平 坦 滤 波 器 的 设 计[J].中 国 激 光 ，2009,36（3）:710-712. [2] W ARKELL FARR.FBG-based gain flattening filter aid optical amplifiers[J].Lightwave Europe，2002,(6):1-6. [3] 宋英雄,李迎春，陈健，等.高增益低噪声全光增益箝制 EDFA[J].上海 大 学 学 报 ，2006,12(2):120-124. [4] 伍浩成.EDFA 的增益控制及平坦技术研究[J].飞通光电子技术,2002, 2（4）:215-224. [5] 肖 悦 娱 ，何 赛 灵.级 联 M-Z 型 掺 铒 光 纤 放 大 器 增 益 平 坦 滤 波 器 的 设 计[J].浙 江 大 学 学 报 （工 学 版 ），2005,39（4）:487-490. [6] 黄章勇.光纤通信用新型光无源器件[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2003. [7] 徐新华，王青.线性啁啾长周期光纤光栅用作 EDFA 增益平坦滤波器 的 理 论 研 究 [J].光 子 学 报 ，2009,38（8）:2063-2065.
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
收 稿 日 期 ：2010-12-30 。 作 者 简 介 ： 高 凡(1979-) ，女 ，讲 师 。
輧輲訛
2011 年第 4 期
图 2 基于薄膜滤波技术的 GFF 的结构
光器件