双通可调谐线性腔增益限定的铋掺杂光纤放大器

《Optical Fiber Technology》：Double-pass tunable linear cavity gain-clamped bismuth-doped fiber amplifier

双通线性腔增益clamp结构光纤放大器首次将双通结构与可调衰减器集成，在O-E波段实现16dB高增益和<0.17dB低增益波动，较单通结构增益提升3倍。

　　

王丽红|宁铁刚|裴莉|郑静静|胡周毅|李静|王建帅

北京交通大学光波技术研究所，EMC全光网络与先进电信网络重点实验室，北京 100044，中国

摘要

铋掺杂光纤放大器（BDFAs）作为光通信系统中的宽带放大器件受到了广泛关注。本文首次提出了一种双通可调线性腔增益钳制BDFA。通过将可变光衰减器（VOA）集成到线性腔增益钳制结构中，该放大器不仅具备了线性腔的高效钳制效果，还能通过调节VOA的损耗来实现灵活的增益控制。此外，双通结构的引入显著提升了放大器的增益。随着VOA损耗的降低，放大器在O波段的增益控制能力得到增强，而线性腔产生的反馈激光能够激发E波段以进一步提升增益。O波段与E波段之间的峰值增益差也随之减小。具体而言，当VOA损耗为0 dB时，本文提出的BDFA在信号功率小于2 dBm时的增益波动小于0.17 dB，增益可达16 dB；而在相同条件下，单通增益钳制BDFA的增益仅为5 dB。

引言

近年来，机器学习、云计算、人工智能和5G技术的发展迅速消耗了现有的通信容量。开发新的频段是解决容量瓶颈问题的有效途径[1]。作为光通信系统中关键设备的光纤放大器的带宽扩展一直是一个热议的话题。目前，铒掺杂光纤放大器（EDFA）被广泛用于C+L波段的信号传输。然而，C+L波段的容量有限，基于EDFA的网络很快将无法满足日益增长的数据流量需求[2]。铋掺杂光纤放大器（BDFA）在过去几年中因其在1150–1800 nm波长范围内的宽带发光特性以及在多个波段的放大能力而受到广泛关注[3][4]。BDFA的宽带灵活性是通过引入不同的共掺杂元素实现的。铝硅酸盐BDFA的放大中心位于1100 nm附近[5]；磷硅酸盐和低锗硅酸盐BDFA主要在O波段和E波段工作[6][7][8]；高锗硅酸盐BDFA则能够支持L波段和U波段的运行[9][10]。迄今为止，已有许多在不同波段工作的BDFA被报道，且性能可靠。尤其是O波段和E波段被认为是多波段传输的有力候选者。在这些波段工作的BDFA显示出适合数据传输的特性[11][12][13]，相关放大器的研究也不断涌现。为了实现高增益、低噪声、宽带宽等放大特性，BDFA的性能至关重要，但其结构设计和优化同样不可忽视。目前已有多种典型的BDFA方案，包括双通结构、多波长泵浦和增益钳制。

双通结构使得在几乎减半的BDFA长度下即可实现高增益，从而大幅降低了BDFA的成本。南安普顿大学利用双通结构分别在O波段和E波段实现了39 dB和38 dB的高增益[14][15]；上海大学也使用双通BDFA在1290 nm至1365 nm的带宽范围内实现了20 dB的增益，最大增益达到41 dB[16]。不同泵浦波长对同一磷硅酸盐BDFA的影响各不相同[4][17]。随着泵浦波长的增加，BDFA的增益谱向长波长方向移动，多波长泵浦有助于扩展放大器的带宽。南安普顿大学通过结合1270 nm和1310 nm的泵浦，在O波段和E波段实现了115 nm的带宽[18]。然而，O波段对于光纤传输至关重要，使用外部1310 nm泵浦不可避免地会引入泵浦背景噪声，导致1310 nm附近的增益和噪声系数（NF）下降。这对应对泵浦性能提出了更高的要求。此外，还需考虑多波长泵浦设备的成本以及信号与泵浦之间的耦合等问题。

在应对这些挑战时，增益钳制在BDFA中展现出了其优势。一方面，增益钳制中新产生的反馈激光与外部泵浦协同作用，类似于多波长泵浦扩展放大器带宽的方式。在[19]中，俄罗斯科学院通过结合两个BDFA并基于环形腔增益钳制结构，将BDFA的带宽扩展到了150 nm。另一方面，增益钳制可以有效抑制WDM系统中的瞬态波动和低频交叉调制[20]。丁晨等人分析了传统环形腔增益钳制对BDFA增益的控制[21]。根据放大器结构，增益钳制可分为环形腔增益钳制[22][23]和线性腔增益钳制[24][25]。特别是线性腔增益钳制结构更为简单，且提供了更好的增益控制效果。不过，传统的线性腔增益钳制结构需要通过更换光纤布拉格光栅（FBG）来实现增益控制，灵活性较低。值得注意的是，尽管增益钳制可以有效扩展带宽并抑制瞬态波动，但其本质是通过引入与信号光竞争的激光来实现增益控制，这不可避免地会导致增益的显著降低。如何在不牺牲过多增益的情况下充分利用增益钳制的优势，仍是当前BDFA研究中的未解难题。双通结构允许信号两次通过增益光纤，从而在不增加光纤长度或泵浦功率的情况下实现更高增益。

本文提出了一种双通可调线性腔增益钳制BDFA，首次将双通结构与可调增益钳制技术结合应用于磷硅酸盐BDFA中。该混合方案的核心创新在于利用双通结构的高增益特性来补偿增益钳制带来的增益损失。因此，所提出的放大器在保持增益稳定性和带宽扩展的同时，实现了比传统增益钳制BDFA更高的增益。同时，与传统线性腔增益钳制相比，我们在线性谐振腔中加入了可变光衰减器（VOA），以实现放大器的灵活增益控制。

实验设置与理论模拟

增益钳制包括线性腔增益钳制和环形腔增益钳制。根据以往研究，线性腔增益钳制的增益控制效果优于环形腔增益钳制[26]。因此，本文采用了线性腔增益钳制结构。与传统线性腔增益钳制结构不同，我们引入了双通结构。无论是单通还是双通结构的增益钳制BDFA，都属于双能量级设计。

实验结果与讨论

实验中可用的最高泵浦功率为1140 mW，观察不同泵浦功率下的自激辐射（ASE）有助于分析放大器的性能。将泵浦功率分别调整为300 mW、500 mW、700 mW、900 mW和1140 mW，不同VOA损耗下的双通可调线性腔增益钳制BDFA的ASE光谱如图5(a)至(e)所示。1310 nm附近的峰值信号为反馈激光，其线宽更窄。

表1比较了现有BDFA与本文提出的放大器在结构、BDFA长度、泵浦配置、增益、噪声系数（NF）以及信号功率低于0 dBm时的增益波动等方面的差异。与这些BDFA相比，我们的BDFA总长度仅为120 m，但增益却更高。值得注意的是，表中的大多数BDFA在计算增益和噪声系数时仅考虑了输入BDFA的信号功率，忽略了器件本身的损耗。为了全面评估放大器的性能，我们测量了信号和泵浦的相关参数。

结论

总结来说，我们提出了一种在O波段和E波段工作的双通可调增益钳制BDFA。通过放大器的结构设计，结合了双通结构的高增益特性和线性腔增益钳制的有效增益控制优势。通过在线性腔增益钳制中加入VOA，还实现了灵活的增益控制。本文详细分析了信号功率、VOA损耗、泵浦功率与BDFA增益和噪声系数之间的关系。

作者贡献声明

王丽红：撰写初稿、软件开发、方法论设计、概念构思。宁铁刚：资源协调、项目管理。裴莉：监督指导、资源协调、项目管理。郑静静：撰写、审稿与编辑、验证。胡周毅：软件开发。李静：软件开发。王建帅：验证工作、监督指导。

资助信息

本项目得到了国家自然科学基金（项目编号：62235003、62221001）和北京交通大学铁路交通控制与安全国家重点实验室（合同编号：RCS2019ZZ007）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。