增益平坦滤波片 (GFF)，也称为增益均衡滤波片，用于在指定波长范围内平坦或平滑不等的信号强度。这种不等信号强度通常发生在放大阶段之后（例如，EDFA 和/或拉曼）。通常，GFF 与增益放大器一起使用，以确保放大的通道都具有相同的增益。GFF 的质量最好用峰-峰误差函数 (PPEF) 来描述，因为它代表了传输信号的最大平整度。通过将制造的滤波片的光谱性能与目标曲线的规格进行比较，计算出了该 PPEF 函数 。一般来说，能够达到最小的 PPEF 的决定因素是目标曲线的最大斜率和平滑度。部分应用程序需要多个扁平化区域，或在扁平区域外增加通带；这些可能会增加滤波片的复杂性。
增益均衡目标中指定的波长域通常定义其工作范围【开始， l结束】
插入损耗 (IL) 峰值【分贝】插入损耗峰值是指在指定范围内的最大透射 （l最大值） 值。通常，指定范围为整个工作范围。IL 峰值 = T（l最大值）【分贝】例如：在工作范围内， IL 峰值< 0.1 分贝
调制深度 【分贝】调制深度定义为在工作波长范围内的最大透射（T最大值）与最小透射值 （T最小值）【分贝】之间的差值 ，即： 调制深度 【分贝】 = T最大值 【分贝】 – T最小值【分贝】最大斜率【分贝/纳米】通过计算相邻目标点之间的斜率，得到斜率曲线。此计算在工作范围内的所有点上的最大值为最大斜率，即最大斜率 = Max{ （ T（li）【分贝】 – T（li-1）【分贝】）/ （li – li-1） }， i=1，2.3，…N
误差函数 【分贝】增益均衡曲线上的实测（T实测值） 【分贝】 与目标 （T目标值） 【分贝】 透射率点之间的差值定义了误差函数 (EF)， 即， EF（li） 【分贝】 = T目标值（li） 【分贝】 – T实测值（li） 【分贝】
峰-峰误差函数 (PPEF) 【分贝】峰-峰误差函数 (PPEF) 为一个单值规格，定义为最大误差函数（EF最大值）和最小误差函数 （EF最小值）之间的差值， 即， PPEF【分贝】= EF最大值 【分贝】 – EF最小值【分贝】 例如 PPEF < 0.4 分贝
偏振相关损耗 (PDL)【分贝】对于给定波长的光，偏振相关损耗是指它在所有偏振状态下所观察到的透射率或反射率的最大变化。PDL 可根据光的偏振状态ｓ和ｐ的差值来计算。即：透射率 PDL (l) 【分贝】= Ts (l)【分贝】- Tp (l)【分贝】
GFF 形状系数形状系数可以快速估计 GFF 曲线规格的复杂性。其定义为：形状因子=最大斜率/ PPEF。注：形状因子仅提供对 GFF 滤波片复杂性的相对度量。
基片标准具波纹效应【分贝】对于相干光来说，任何种类的滤波片，当它两边的表面足够平行并且第二层表面未涂有增透 (AR) 膜时，都是一个法布里-珀罗标准具。在满足以上几个条件的情况下，就会有标准具波纹叠加在所需的滤波片形状上。对一个厚度为１毫米的基片来说，波纹在波长为 1550 纳米时的周期大约是 0.8 纳米。波纹大小取决于滤波片两边的反射情况和基片的平行度。减小标准具波纹的方法是引入足够大小的楔形角（> 0.4 度），还有一个方法就是在滤波片的第二层表面上镀一层非常好的增透膜。
增益平坦滤波器（GFF）的几种实现技术
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。
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
图2 基于薄膜滤波技术的GFF的结构
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
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。
图3 M-Z干涉仪结构示意图[6]
1.3基于光纤光栅滤波技术的GFF
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以改变入射光的频谱。
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。
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ED-图3M-Z干涉仪结构示意图[6]FA级联使用时，减少了功率差异。
1.4各种GFF实现技术的比较
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
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
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。
增益平坦度测试中，使用网泰（NetTest）8波长光源（OSICS）作为多播长光源，经WDM合波后注入EDFA，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。
图5 EDFA增益平坦度测试结果
高凡 陈学卿 赵灏 波覃
桂林航天工业高等专科学校
中国电子科技集团公司第三十四研究所
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.
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