Page 32 - 网络电信2024年8月刊
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用于光纤频率传递的双级双向掺铒光纤放大器

侯永康，商建明，蒋天炜                                  步系统的双级低噪声、高平坦度的双向掺铒光纤放大器(Dual-
北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室                       stage Bi-EDFA),并通过OptiSystem进行仿真和参数优化。实测
                                             结果显示，该放大器的增益为27.5dB,噪声指数为3.56dB,平坦
     摘要：光纤频率传递系统可以实现高精度的频率信号传                度小于0.3dB。将Dual-stage Bi-EDFA应用于160km频率传递系
输，但在长距离频率传递中，信号光功率不断损耗，需要使用                  统中，实现了1.09×10-14@1s和2.36×10-17@10000s的频率稳定
光放大器进行补偿。基于双级放大器的良好性能，设计了一种                  度。
可用于光纤频率传递的双级双向掺铒光纤放大器(Dual-stage
Bi-EDFA),并对该方案进行了实验和分析。结果表明，该方案                  1 两种单向掺铒光纤放大器结构分析及改进
实测增益最高可达27.5dB,噪声指数为3.56dB,增益平坦度低
于0.3dB。将该方案应用到160km频率传递系统中，可以实现                    经调研发现，目前常用的单向EDFA主要分为One-stage
1.09×10-14@1s和2.36×10-17@10000s的频率传输稳定度。     EDFA和Dual-stage EDFA两类。本文采用了同一批次的光学器
                                             件，搭建了One-stage EDFA和Dual-stage EDFA两种结构，并对
     关键词：光纤通信技术；光纤频率传递；掺铒光纤放大                它们的增益性能和噪声性能进行了实验测试。
器；噪声指数；频率稳定性
                                                   图1展示了一种典型的One-stage EDFA结构示意图[14],该
    引言                                       结构采用前向泵浦方式，包括一段掺铒光纤(Erbium-Doped
                                             Fiber, EDF)、980/1550nm波分复用器(Wavelength Division
      传递高精度的时间和频率信号至远端，对于基础研究、               Multiplexing, WDM)、980nm泵浦源和两个隔离器(ISO)。这些
工业生产、军事等多个领域均具有重要意义[1,4]。随着原子钟               隔离器的中心波长为1550nm, 隔离度为42dB。它们用来保证输
的发展，传统基于卫星的高精度时间和频率传输方法(如卫星                  出光信号单向传输，从而避免EDFA后向回波信号影响前向光信
双向比较或GPS载波相位测量)已无法满足频率标准的传输要求                号。此外，这些隔离器还能将前向光信号的反射噪声隔离开
[5]。光纤传输由于价格低廉、低损耗、抗电磁干扰、 稳定的                来，从而降低对前向光信号的影响。
传输路径及时延的优势，早已成为国际研究热点[9,10]。其中，               图1 One-stage EDFA结构图
光纤时频传输技术的重点在于提高传输信号的频率稳定性以及
实现远距离信号传输[9,10]。在长距离光纤时频传递中，光信号                    图2展示了一种典型的Dual-stage EDFA结构示意图[15],包括
功率随着传输距离的增加而不断衰减，需要光放大器对信号进                  两段掺铒光纤、两个980/1550nm波分复用器、两个980nm前向泵
行光功率补偿以提高信噪比，防止频率稳定性恶化。目前在光                  浦以及三个隔离器。为了提高泵浦利用率，该结构采用了两个
纤时频传递系统中，可以使用掺铒光纤放大器(Erbium-Doped            泵浦。此外，为了保证信号的稳定性，该结构还使用了三个隔
Fiber Amplifiers, EDFA)、光纤拉曼放大器(Fiber Raman  离器。其中，两端的隔离器作用类似于One-stage EDFA结构。
Amplifier, FRA)、光纤布里渊放大器等。而又因EDFA成本低、        而中间的隔离器ISO2则有两个作用，一是隔离EDF2中的后向ASE
结构简单、增益高、带宽大而最为广泛。                           噪声对EDF1放大过程的影响，二是通过30nm的光谱带宽，滤除
                                             EDF1输出端的部分噪声，抑制EDF1输出的前向ASE噪声对EDF2的
      国内外有许多实验室方案已成功将双向EDFA应用到长距离            影响。
光纤频率传递系统中[11]。波兰AGH的Sliwczynski等去除了EDFA       图2 Dual-stage EDFA结构图
中的光隔离器，将其用于双向时频传递系统。中科院国家授时
中心张首刚团队设计了一款噪声指数为 3.86dB 的双向 EDFA,                 在本研究中，将掺铒光纤分为若干个小段，每个小段都会
用于补偿200km 传输链路的频率传输系统。但是噪声指数仍然               产生自发辐射光，其功率为pSE(N)(N=1,2,…,N),并且存在一个
较大，需要进一步降低以减小EDFA引入噪声对频率稳定性的影                增益GN(N=1,2,…,N),用来表示其对信号和噪声的放大效果。
响。中国科学院上海光学精密机械研究所的刘琴等提出的双向                  因此，One-stage EDFA结构的ASE模型如图3所示。这里第一段
光纤放大器，包括多个四通道波分复用器和光隔离器。四通道                  掺铒光纤的自发辐射光pSE1会向后传输，经过第二小段掺铒光
波分复用器用于分离双向的时间和频率信号，并且可以作为窄
带光学滤波器，用以滤除大多数ASE噪声。每个通道都包含一个
光隔离器，可以确保取消来自连接器的反射、瑞利反射信号和
反向ASE噪声。不过上述方案中，SPBA为避免自激现象，通常将
双向最大增益限制在20dB左右，限制了传输距离。此外，使用
多通道的双向光放大器虽然可以减少噪声引入，但是不免成本
过高，难以广泛应用。因此，需要根据光纤频率传递系统双向
传输的特点和当前光放大器的不足，设计出一款适合长距离光
纤频率传递的双向光纤放大器。

      本文选取了两种单向掺铒光纤放大器进行噪声分析并提出
了改进方案。在此基础上，本文设计了一种适用于光纤频率同

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