基于Optisystem的EDFA增益影響因素的仿真研究

陳 英，吳 敏，劉蒙瑞

（長(zhǎng)沙學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410022）

近年來(lái)，波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplex，WDM）+ 摻鉺光纖放大器（Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）系統(tǒng)已經(jīng)成為高速光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的主流。EDFA已成為波分復(fù)用系統(tǒng)及全光網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的器件[1]。EDFA具有高增益、高帶寬、低損耗、增益特性與光偏振態(tài)無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，可以用于接收機(jī)的前置放大、中繼放大、功率放大器和光孤子通信等[2]。評(píng)價(jià) EDFA性能的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)就是其增益系數(shù)大小，EDFA 增益大小的影響因素很多，包括摻鉺光纖長(zhǎng)度、泵浦波長(zhǎng)和輸入信號(hào)功率等[3]。本文采用 Optisystem7.0 軟件建立EDFA系統(tǒng)進(jìn)行仿真，研究EDFA增益的影響因素，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)于EDFA實(shí)物系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)整體方案

該系統(tǒng)由連續(xù)波激光器和泵浦激光經(jīng)耦合器一起耦合到摻鉺光纖中，輸出端用光譜儀和雙通道光功率儀進(jìn)行檢測(cè)和分析。其中連續(xù)波激光器主要是提供輸入信號(hào)光；泵浦光源主要是為光放大器提供源源不斷的能量；耦合器采用波分復(fù)用器；摻鉺光纖是的主要材料是石英，并在其纖芯中摻入稀土元素鉺離子，其濃度大概等于25 mg/kg[4]，光纖長(zhǎng)度大約為10～100 m。由于EDFA存在3種泵浦方式：前向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。前向泵浦中，泵浦光和信號(hào)光從同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入；反向泵浦中，信號(hào)光從發(fā)射端注入摻鉺光纖中，泵浦光從輸出端注入，兩者在鉺纖中沿相反的方向傳；雙向泵浦包含2個(gè)泵浦源，其中1個(gè)泵浦源與信號(hào)光同向注入光纖，另1個(gè)泵浦光從與信號(hào)光傳播方向相反的方向注入光纖[5]。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)構(gòu)圖

本次仿真研究中，3種泵浦方式下的全局參數(shù)設(shè)置相同，其中，比特率為2.5 e9,連續(xù)長(zhǎng)度為32，每比特采樣數(shù)為32，時(shí)間窗口參數(shù)為1.28e-8 s。

此次仿真圖中的信號(hào)光源器件為連續(xù)波激光器，泵浦光源器件為激光泵浦。其中，器件參數(shù)設(shè)置中，信號(hào)光和泵浦光的波長(zhǎng)分別為1.5 μm和0.98 μm,功率都等于100 mW，動(dòng)態(tài)噪聲為3 dB。本次仿真圖設(shè)置的鉺纖長(zhǎng)度為5 m，纖芯半徑為 2.2 μm，摻鉺半徑為 2.2 μm，鉺離子濃度為 1e+25/m3, 數(shù)值孔徑為0.24，動(dòng)態(tài)噪聲3 dB，噪聲帶寬為13 THz，噪聲中心頻率為193.4 THz。以前向泵浦結(jié)構(gòu)為例，泵浦激光和連續(xù)激光一起耦合到光纖中，在輸出端用雙通道光功率計(jì)和光譜儀進(jìn)行檢測(cè)和分析。本文研究EDFA 增益的因素有3個(gè)，可以假定其中的兩個(gè)參數(shù)固定，再利用參數(shù)掃描模式改變其中一個(gè)參數(shù)（如光纖長(zhǎng)度），使該參數(shù)按順序增加或減少，就可以得到 EDFA 增益與該參數(shù)的關(guān)系曲線。

3 3種泵浦方式的綜合分析

通過(guò)對(duì)3種不同泵浦方式下的光路圖進(jìn)行仿真，獲得了摻鉺光纖長(zhǎng)度、泵浦光功率和波長(zhǎng)影響 EDFA增益因子的結(jié)果，如圖1—2所示。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵浦功率為定值時(shí)，增益因子首先隨光纖長(zhǎng)度增加而上升，接著增益會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，最后增益因子會(huì)隨光纖的增長(zhǎng)而逐漸下降。由3種泵浦方式的對(duì)比圖可以發(fā)現(xiàn)，增益最大值所對(duì)應(yīng)的摻鉺光纖長(zhǎng)度都在7 m左右，此值為摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度。另外，由圖1可知，增益曲線的形狀與泵浦方式有關(guān)；雙向泵浦產(chǎn)生的增益曲線最為平坦（圖1中的倒三角色塊和正三角色塊曲線），增益效果最好。后向泵浦時(shí)（圖1中的正方形色塊曲線），增益在最后一個(gè)階段的下降程度最快，增益效果最差。

對(duì)圖1進(jìn)行分析，可知EDFA增益主要是受激輻射和受激吸收的影響。當(dāng)泵浦光激發(fā)基態(tài)粒子到上能級(jí)時(shí)，由于受激輻射的作用，信號(hào)光實(shí)現(xiàn)放大，而當(dāng)泵浦光本身沿著摻鉺光纖傳輸時(shí)，由于受激吸收的作用，泵浦光的強(qiáng)度不斷減弱，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷減少，當(dāng)傳輸距離超過(guò)一定長(zhǎng)度， 泵浦光的強(qiáng)度受到受激吸收的影響，就不能放大信號(hào)光，與此同時(shí)，信號(hào)光能量也被吸收，導(dǎo)致信號(hào)光的強(qiáng)度也減弱，從而功率增益下降[7]。

圖1 信號(hào)光的增益因子與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系

圖2中我們研究增益因子與輸入信號(hào)光功率的關(guān)系，其中信號(hào)光的波長(zhǎng)設(shè)定為1.55 μm，泵浦功率設(shè)定為100 mW，光纖長(zhǎng)度設(shè)定為5 m。由圖2可知，輸入信號(hào)功率很小時(shí)，即處于小信號(hào)放大階段時(shí)，增益因子非常大；隨著信號(hào)功率的增加，增益因子急劇下降；最后增益因子下降趨于平緩，并最終接近于1，幾乎無(wú)變化，此時(shí)對(duì)信號(hào)光處于飽和放大階段。

可知，當(dāng)輸入信號(hào)光的功率達(dá)到一個(gè)較大值（約為80 mW），而泵浦光的功率100 mW保持恒定時(shí)，此時(shí)的泵浦光的能量不能使信號(hào)光粒子數(shù)的實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，信號(hào)光幾乎無(wú)增益，接近等于1[8]。

圖2 增益與輸入信號(hào)功率關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)影響摻鉺光纖放大器的增益因子進(jìn)行仿真研究，其中針對(duì)摻鉺光纖放大器的3種泵浦方式進(jìn)行了分析，討論了信號(hào)光的功率、摻餌光纖長(zhǎng)度以及泵浦光的波長(zhǎng)與增益因子的關(guān)系。本論文的研究有助于理解EDFA的增益過(guò)程，仿真結(jié)果及相關(guān)分析對(duì)EDFA的增益控制有一定的理論指導(dǎo)意義。