Метод настройки крутизны спектральной характеристики усиления двухкаскадного эрбиевого усилителя при сохранении формы спектральной характеристики усиления

Иудин В.А., Погудин Г.К., Назаренко В.Н., Алябьев К.А., Алейник А.С.

Ссылка для цитирования:

Иудин В.А., Погудин Г.К., Назаренко В.Н., Алябьев К.А., Алейник А.С. Метод настройки крутизны спектральной характеристики усиления двухкаскадного эрбиевого усилителя при сохранении формы спектральной характеристики усиления // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 11. С. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-05-17

Iudin V.A., Pogudin G.K., Nazarenko V.N., Alyabyev K.A., Aleynik A.S. Method for adjusting the gain slope of a two-stage erbium-doped fiber amplifier with suppression of gain shape variation [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 11. P. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-05-17

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Спектральная характеристика усиления двухкаскадного эрбиевого волоконно-оптического усилителя. Цель работы. Разработка метода настройки крутизны спектрального коэффициента усиления двухкаскадного эрбиевого волоконно-оптического усилителя с минимизацией изменения формы спектрального коэффициента усиления. Метод. На основе разработанной математической модели проведено численное моделирование спектральных характеристик усилителя и экспериментально исследованы особенности их изменения при изменении длины эрбиевого волокна и одновременном управлении уровнем мощности входного сигнала и накачки усилителя. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования. Основные результаты. Предложена новая модель расчета спектральных характеристик усиления и определены параметры усилителя, при которых изменяется крутизна при сохранении формы характеристики усиления. Разработан и экспериментально опробован метод настройки крутизны спектрального коэффициента усиления, достигнут диапазон крутизны от –0,06 до 0,04 дБ/нм при изменении формы спектра не более 0,4 дБ. Расхождение расчетной и экспериментальной крутизны не превысило 0,02 дБ/нм, а коэффициента формы составило 0,4 дБ. Практическая значимость. Достигнутый диапазон настройки крутизны усиления превышает крутизну ослабления сигнала в 100 км волокна, которая составляет от –0,04 до –0,02 дБ/нм в протяженных линиях связи. Внедрение разработанного метода позволит отказаться от эквалайзеров крутизны в подводных волоконно-оптических линиях связи, что позволит снизить сложность, оптические потери и стоимость подобных систем.

Ключевые слова:

эрбиевый усилитель, спектральная характеристика усиления, управление крутизной спектра, уплотненное волновое мультиплексирование, теория взаимности Маккамбера, инверсия населенности, выравнивающий фильтр

Благодарность:

исследование выполнено за счет грантов Российского научного фонда № 25-12-20017 и Санкт-Петербургского научного фонда.

Коды OCIS: 060.2320, 060.2410, 060.2330

Список источников:

1. Konyshev V.A., Leonov A.V., Nanii O.E., et al. Trends of and prospects for the development of fiber-optic communication systems // Bulletin of the Lebedev Phys. Institute. 2023. V. 50. № Suppl. 4. P. S435-S450. doi: 10.3103/S1068335623160078.

2. Becker P.M., Olsson A.A., Simpson J.R. Erbium-doped fiber amplifiers: Fundamentals and technology. Elsevier, 1999. 451 p.

3. Saito K., Ikushima A.J., Ito T. Limit of the Rayleigh scattering loss in silica fiber // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. № 25. P. 5175–5177. doi: 10.1063/1.1635072.

4. Semrau D., Sillekens E., Killey R.I., et al. Modelling the delayed nonlinear fiber response in coherent optical communications // J. Lightwave Technol. 2020. V. 39. № 7. P. 1937–1952. doi: 10.1109/JLT.2020.3046998.

5. Hoshida T., Curri V., Galdino L., et al. Ultrawideband systems and networks: Beyond C + L-Band // Proc. IEEE. 2022. V. 110. № 11. P. 1725–1741. doi: 10.1109/JPROC.2022.3202103.

6. Rapp L., Eiselt M. Optical amplifiers for multi-band optical transmission systems // J. Lightwave Technol. 2021. V. 40. № 6. P. 1579–1589. doi: 10.1109/JLT.2021.3120944.

7. Akcesme O., Yucel M. Realization of a high-power flat-gain ASE source with C/L/C + L band selection via embedded software control // Opt. Fiber Technol. 2025. V. 94. P. 104370. doi: 10.1016/j.yofte.2025.104370.

8. Akcesme O., Yucel M., Burunkaya M. The design and implementation of a software based gain control for EDFAs used in long-haul optical networks // Optik. 2021. V. 239. P. 166850. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.166850.

9. Pointurier Y. Design of low-margin optical networks // J. Opt. Commun. and Networking. 2017. V. 9. № 1. P. A9–A17. doi: 10.1364/JOCN.9.0000A9.

10. Borraccini G., Gatto V., D’Amico A., et al. Gain profile characterization and modeling for dual-stage EDFA abstraction and control // IEEE Photonics Technol. Lett. 2024. V. 36. № 2. P. 107–110. doi: 10.1109/LPT.2023.3338482.

11. Elson D.J., Jarmolovicius M., Mikhailov V., et al. Continuous 16.4-THz bandwidth coherent DWDM transmission in O-band using a single fibre amplifier system // J. Lightwave Technol. 2025. V. 43. № 4. P. 1813–1818. doi: 10.1109/JLT.2024.3503764.

12. Rashed A.N.Z., Tabbour M.S.F., El-Meadawy S. Optimum flat gain with optical amplification technique based on both gain flattening filters and fiber Bragg grating methods // J. Nanoelectron. and Optoelectron. 2018. V. 13. № 5. P. 665–676. doi: 10.1166/jno.2018.2168.

13. Song Y., Panas R.M., Hopkins J.B. A review of micromirror arrays // Precision Eng. 2018. V. 51. P. 729–761. doi: 10.1016/j.precisioneng.2017.08.012.

14. Cheng W., Yan J., Ye Y., et al. Study of wavelength-selective switches in a wide wavelength range // Proc. SPIE. 6th Intern. Conf. Optoelectron. Materials and Devices (ICOMD 2024). 2025. V. 13549. P. 362–366. doi: 10.1117/12.3058803.

15. Brusin A.M.R., Nespola A., Zefreh M.R., et al. ML-based spectral power profiles prediction in presence of ISRS for ultra-wideband transmission // J. Lightwave Technol. 2024. V. 42. № 1. P. 37–47. doi: 10.1109/JLT.2023.3301897.

16. McCumber D.E. Einstein relations connecting broadband emission and absorption spectra // Phys. Rev. 1964. V. 136. № 4A. P. A954. doi: 10.1103/PhysRev.136.A954.

17. Brown D.C., Tomasello N.S., Hancock C.L. Absorption and emission cross-sections, Stark energy levels, and temperature dependent gain of Yb: QX phosphate glass // Opt. Exp. 2021. V. 29. № 21. P. 33818–33835. doi: 10.1364/OE.435615.

18. Трещиков В.Н., Листвин В.Н. DWDM-системы. М.: Техносфера, 2021. 420 с.

Treshchikov V.N., Listvin V.N. DWDM-systems [in Russian]. Moscow: “Technosphera” Publ., 2021. 420 p.

19. Giles C.R., Desurvire E. Modeling erbium-doped fiber amplifiers // J. Lightwave Technol. 1991. V. 9. № 2. P. 271–283. doi: 10.1109/50.65886.

20. Назаренко В.Н., Иудин В.А., Волковский С.А. и др. Применение эффекта перекрестной модуляции усиления в эрбиевом волокне для увеличения эффективной ширины спектра интеррогатора // Науч.-техн. вест. инф. технол., механики и оптики. 2025. Т. 25. № 4. С. 591–601. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-4-591-601.

Nazarenko V.N., Iudin V.A., Volkovskiy S.A., et al. Application of the cross-gain modulation in erbium-doped fiber to increase the effective spectral bandwidth of an interrogator [in Russian] // Sci. Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt. 2025. V. 25. № 4. P. 591–601. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-4-591-601.

21. Desurvire E. Erbium-doped fiber amplifiers: Principles and applications. New York: John Wiley & Sons, 1994. 770 p.