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基于optsystem的掺铒光纤放大器(EDFA)性能研究
摘要:首先介绍掺铒光纤放大器(EDFA)放大原理,其次对掺铒光纤放大器
(EDFA)的结构作简要分析,重点分析了EDFA放大增益和入射光波长、E“浓度之间的关系,以及双向泵浦掺铒光纤的性能和泵浦功率的关系。
关键词:EDFA,放大增益,饱和功率,噪声特性。
、前言
掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子已卍啲光信号放大器。)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器,它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤,它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始,掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。它具有以下优点:
1•掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么,被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小,能传输比较远的距离。
2•对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低。
3•放大频带宽,能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。
4•噪声指数低,接近量子极限,意味着可级联多个放大器。
5•增益饱和的恢复时间长,各个信道间的串扰极小。
二、EDFA的工作原理
掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下,形成粒子数反转,从而对入射光信号提供光增益。对于波长为980nm的泵浦源,掺铒光纤相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量,从N1能级跃迁到N3能级,由于N3能到N2能级的驰豫时间很短,N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级,N3能级上的粒子数基本上可认为是零。
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图1掺饵光纤放大器的工作原理图[1]
N2能级到N1能级的驰豫时间比较长,为毫秒量级,是一个亚稳态。当有波长1550nm左右的信号光子输入时,N2能级的粒子受激辐射向N1能级跃迁,产生和入射光子同频、同相、同方向的光子,于是,入射光就得到放大。
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N2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向N1能级跃迁,产生波长1550nm左右的光子,其频率、相位、方向时随机的。
EDFA主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器,光隔离器以及光滤波器等组成。在输入端和输出端各有一个隔离器,目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm,用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中,通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中,实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率,同时又具有较低的噪声指数等其他参数,采用两个或多个泵浦源的结构,中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线,还加入了增益平坦滤波器。按照它的泵浦方式不同,EDFA有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种泵浦方式,不同的泵浦方式放大器具有不同的性能,结构图如下
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3
图2EDFA的前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种泵浦方式[2]
三、optsystem仿真
图3是基于optsystem的前向、后向、双向EDFA的结构仿真全局变量的设置是:Bitrate是10GBis/s、Sequencelength是128Bis/s。EDFA的光纤长度是9m。泵浦波长是980nm。
C'ijV也丸「
Frequency=155Cnm
=-20dBm
11111111■miiiii■
DualPort'UHTiM曲吕时城「
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Pump由丸「1
Frequencv=1480nm
Fouler=1ULimij'
Id田IMj:«:
ErbiumDopedFiber
Lenijth=9m
Opticalhull
(a)
CWLaser
Freq'jentY=苗巧口nm
=-20dBm
DualPort'iJ'Ij'DMAialyzer
E-
4
■=>
IdealMjx
ErtiiijmDopedFiber
Lenigth=9m
OpticalNull
Pumphser1
F「m口ijHrn::-i■-=14::DnmPi:iijjer=IUDm'lJU'
(b)
Pciii^r=10dBm
(c)
图3前向(a)、后向(b)、双向(c)泵浦EDFA的仿真图
3
4
四、结果分析
EDFA的增益(Gain)定义为
Gain(dB)=101g[(Pout-PASE)/Pin]
式中Pout表示输出光功率;PASE表示自发辐射功率;Pin表示输入功率。
掺铒光纤放大器的噪声只要来源有信号光的散弹噪声,信号光波与放大器自发辐射光波的差拍噪声,被放大的自发辐射光的散弹噪声,光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声等。噪声系数(NF)定义为
NF=(SNR)i/(SNR)o=PASE(入s)/[hvGainBo(入s)]
式中(SNR):是输入信噪比,(SNR)。是输出信噪比;PASE(入s)为ASE功率;hv是光子能量;Bo(入s)是光滤波器带宽。
、噪声的关系
由于泵浦波长和Er3+离子吸收效率等因素的影响,亚稳态能带中各分立能级Er3+离子数不同,导致不同波长的信号光增益和NF随着波长变化而变化。在EDFA中,由于增益平坦滤波器的作用,使信号增益和NF在一定带宽内变化不大,但是这是以损失增益为代价;另外,增益平坦滤波器还有滤除噪声的作用。因此,设计性能良好的增益平坦滤波器也是提高增益、减小NF所必须的。图5给出了信号波长与增益、噪声的关系。可以看出,EDFA的增益带宽真正平坦的区间大致在1540〜1560nm范围。
昌NoiseFigure1{dBJ(Frequency(nm))
DblClickOnObjectstoopenprop已市已氏Ml阳已ObjectswithMuuseDrsg
1520153:i1E4U155015601570
Freqciericy(nm)
图5信号波长和增益、噪声的关系
5
+离子的浓度与增益、噪声的关系
掺Er3+离子的浓度对增益和噪声也有显著的影响。实验中,Er3+离子的浓度与增益、噪声的关系如图6所示。可以看出,其增益随着离子浓度的增加,有现增加后减小的趋势。事实上,若掺杂过低,在掺杂离子总有效数少于入射光子的部分,激发态有可能被耗尽,所以光信号的放大受限于可被利用的有限的离子数目。反之,若掺杂过多,则会出现两种情况:其一是出现所谓浓度遏制的问题,即高掺杂时相邻离子之间会出现非辐射交叉驰豫过程,该过程将使激光上能级的有效粒子数减少;另一个问题是,高掺杂将会导致玻璃基质中出现结晶现象,这对激光的形成也是不利的[3。
冒NoiseFigure1(dB)(Eriondensity)

(a)
冏NoiseFigure1(dB)(Eriondensity(mA=3)i)
CtolClickOnObjectstoopenproperties,rvtoveOhjectswthMouseDrag
(b)
6
§NoiseFigure1(dB)(Eriondensity(mA-3))

(c)
图4前向(a)、后向(b)、双向(c)EDFA中Er3离子的浓度与增益、噪声的关系
、噪声的关系
SNoiseFigure1(dB)(Power(mW))

7
§NoiseFigure1(dB)(Power(mW))
DblClickOnObjectstuopenproperti已:*MoveObj已ctswithMuus已Drag
10
30
5070
Power(mW)
90
(b)
Power(rriWJ
(c)
冒NoiseFigure1(dB)(Power(mW))
DblCfckCnOtaisct-
0
萼二兰・9一4$«=
图6双向EDFA中泵浦功率和增益、噪声的关系
当第一个泵浦功率由10-100mv变化,而第二个保持10mv不变时,增益和噪声的变换曲线如图6(a)所示。可以发现:增益是随着第一个泵浦功率的增加而增加的。当第二个泵浦功率由10-100mv变化,而第一个保持10mv不变时,增益和噪声的变换曲线如图6(b)所示。可以发现:增益在泵浦功率为30-70mv时,有一个较大的波动。当功率大于70时,增益较平坦。当第一个和第二个泵浦的功率都在变化时,增益和噪声的变换曲线如图6(c)所示。其结果类似于第二种情况。
五:结论
EDFA的增益平坦的区间大概在1540-1560nm的范围。在一定范围内,EDFA的放大增益随着
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Er3+的浓度增加而增加,但是当Er3+的浓度超过一定范围后,放大增益反而会下降。对于双向泵浦EDFA,当连接在光纤后面的泵浦功率由小变大时,放大增益会在一个区间内有较大波动,此时的增益性能较差,所以在实际应用时,需要选择合适的泵浦功率。
参考文献
袁国良•光纤通信简明教程[M].北京:-171.
陈琳、徐军•掺铒光纤放大器增益和噪声研究[J]•光通信研究
林凤华•掺铒光纤放大器(EDFA)特性与技术介绍[J].光学学报
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