基于OptiSystem的摻鉺光纖放大器增益特性研究

孫曉蕓，陳建飛，李炳琦，李曉艷

（1.南京郵電大學光電工程學院，南京210046；2.南京市房地產(chǎn)交易市場，南京210003）

基于OptiSystem的摻鉺光纖放大器增益特性研究

孫曉蕓1，陳建飛1，李炳琦2，李曉艷2

（1.南京郵電大學光電工程學院，南京210046；2.南京市房地產(chǎn)交易市場，南京210003）

光放大器能直接放大光信號，通過補償傳輸中功率的損耗而延長無電中繼的傳輸距離，從而大大簡化系統(tǒng)結構，降低系統(tǒng)成本。摻餌光纖放大器是應用最廣泛的放大器之一。論文應用OptiSystem軟件搭建了正向、反向，雙向3種摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器；增益；餌光纖長度；泵浦光功率

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.124

1 引言

摻鉺光纖放大器的信號增益譜很寬，具有較高的飽和輸出功率和較低的噪聲，所需泵浦功率低，因此，是最具吸引力，也是最成熟的光纖放大器。摻鉺光纖放大器(EDFA)主要由摻鉺光纖、泵浦光源、波分復用器、光隔離器及光濾波器等組成[1]。

2 EDFA系統(tǒng)模型設計

OptiSystem（光通信系統(tǒng)設計軟件），有一個基于實際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級模擬器，在系統(tǒng)中分別搭建正向、反向、雙向3種泵浦結構的EDFA（見圖1）系統(tǒng)模型，對常用的980nm和1480nm泵浦源工作波長進行仿真分析。

模型中連續(xù)激光器的參數(shù)為f=193.1THz，P=-20dBm；泵浦激光器的參數(shù)波長設置為980nm和1480nm，摻鉺光纖長度為5M和4.5M。

光放大器的增益特性表示了光放大器的放大能力，EDFA的增益通常為15～40dB，增益的大小與多種因素有關，如光纖長度、泵浦光功率以及光纖中摻鉺濃度。增益G定義為輸出功率與輸入功率之比，表達式為：

式中，G為增益，dB；Pout、Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號功率。

增益系數(shù)是指從泵浦光源輸入1mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，表達式為：

式中，g(z)為增益系數(shù)，dBmW；g0是由泵浦強度確定的小信號增益系數(shù)，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號功率的增加，增益系數(shù)下降；I、P分別為光強和光功率；Is、Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質(zhì)特性的量，與摻雜系數(shù)、熒光時間和躍遷截面有關[2]。

3 EDFA摻餌光纖長度對增益特性的影響

仿真系統(tǒng)設置摻鉺光纖的長度在3～20m連續(xù)變化，測得980nm泵浦EDFA增益隨光纖長度的變化曲線如圖2所示，1480nm的泵浦曲線類似。

圖1 EDFA雙向泵浦系統(tǒng)模型

圖2 80nm泵浦EDFA的增益與光纖長度的仿真結果

仿真結果表明：鉺光纖長度在3～20m變化時，EDFA增益存在峰值。初始時增益隨摻鉺光纖長度的增加而上升，但當光纖超過一定長度后，增益反而逐漸下降，可知存在一個最佳增益的最佳長度，980nm泵浦的最佳光纖長度是8m，1480nm泵浦的最佳光纖長度是10m，。

3種泵浦方式的增益比較：當光纖長度為3m時，3種泵浦方式的增益基本相同。當光纖長度增加時，雙向泵浦方式的增益最高,正向泵浦方式的增益次之，反向泵浦方式的增益最低。

2種泵浦波長增益特性比較：當光纖長度為3m時，980nm泵浦EDFA的增益較1480nm泵浦EDFA的增益大10dB；當光纖長度增加時，1480nm泵浦EDFA獲得的最大增益較980nm泵浦EDFA獲得的最大增益平均大4dB，且增益下降較緩慢。

原因分析：當摻鉺光纖超過一定長度后，增益將下降，原因是EDFA依靠泵浦光激發(fā)基態(tài)粒子到上能級，通過受激輻射實現(xiàn)信號放大，當泵浦光沿摻鉺光纖傳輸時，將因受激輻射而不斷衰減，導致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷減少。

4 EDFA泵浦光功率對增益特性的影響

設定系統(tǒng)中泵浦激光器的泵浦光功率在5～40dBm變化，測得泵浦波長為980nm和1480nm EDFA的增益隨泵浦光功率變化的曲線。結果表明：EDFA增益可達到一個最大值。初始時增益隨泵浦光功率的增加而上升，但當泵浦光功率增加到一定值后，增益最終趨于飽和。

3種泵浦方式的增益比較：光功率為8dBm時，正向和反向泵浦方式開始有正增益，雙向泵浦方式的增益較前兩者大很多，當泵浦光功率增加時，雙向泵浦方式的增益最高，正向泵浦方式的增益次之，反向泵浦方式的增益最低。

2種泵浦波長增益特性比較：當泵浦光功率為8dBm時，正、反向泵浦的增益基本相同，雙向 980nm泵浦EDFA的增益較1480nm泵浦EDFA的增益大6dB；當泵浦光功率增加時，正、反、雙向980nm泵浦EDFA獲得的最大增益較1480nm泵浦EDFA獲得的最大增益大16dB。

原因分析：增益飽和的原因是當接入泵浦光功率后輸入信號光將得到放大，同時也產(chǎn)生部分放大自發(fā)輻射光，2種光都消耗上能級上的鉺離子；當泵浦光功率足夠大，而信號光與放大自發(fā)輻射光很弱時，上下能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)度很高，并可認為沿摻鉺光纖長度方向上的上能級粒子數(shù)保持不變，放大器的增益將達到很高的值，但當泵浦光功率達到一定值后，增益將趨于飽和。

5 結論

考慮光纖長度時，要獲得較大的增益，應選擇長10m的1480nm雙向泵浦EDFA，可獲得的增益為40dB。但應注意，因為還涉及其他特性，如噪聲特性等，這一長度只能是最大增益長度，而不是摻鉺光纖的最佳長度。最佳長度是指在給定泵浦光和信號光功率下，保證摻鉺光纖全程粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并對信號光進行放大的最佳摻鉺光纖長度。考慮到泵浦光功率時，要獲得較大增益，應選擇泵浦光功率為40dB的980nm雙向泵浦EDFA，可獲得的增益為45dB。

【1】張明德,孫小菡.光纖通信原理與系統(tǒng)（第3版）[M].南京：東南大學出版社，2003.

【2】林鳳華，彭俊珍.摻鉺光纖放大器（EDFA）特性與技術介紹[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2007(7):196-197.

Study on Gain Characteristics of Erbium Doped Fiber Amplifier Based on OptiSystem

SUN Xiao-yun1，CHEN Jian-fei1，LI Bing-qi2，LI Xiao-yan2
(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046,China；2.Nanjing Real Estate Market,Nanjing 210003,China）

The optical amplifier can amplify the optical signal directly,and extend the transmission distance without relay through power loss compensation in transmission,which greatly simplifies the system structure,reduces the system.Erbium-doped fiber amplifier is one of the most widely used.The application of OptiSystem software to build a positive,reverse,two-way three(erbium doped fiber amplifier EDFA)basic structure,analyzes the fibre length and pump power effect on the gain characteristics of EDFA,gives the simulation results.

erbium doped fiber amplifier;gain;erbium-doped fiber length;pump power

TN929

A

1007-9467（2016）11-0048-02

2016-10-14

江蘇省高校自然科學基金項目（16KJB420001）；南京郵電大學青藍工程基金項目（NY210041）

孫曉蕓（1979～），女，浙江紹興人，講師，從事光通信與技術研究。

(EDFA)的基本結構，分析了餌光纖長度、泵浦光功率對EDFA增益特性的影響，得出仿真結論。