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1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、Er3+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。一、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Er3+的光信号放大器。)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。图1掺饵光纤放大器的工作原理图[1]2N2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。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。3(a)(b)(c)图3前向(a)、后向(b)、双向(c)泵浦EDFA的仿真图4四、结果分析EDFA的增益(Gain)定义为Gain(dB)=10lg[(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(λs)/[hvGainBo(λs)]式中(SNR)i是输入信噪比，(SNR)o是输出信噪比；PASE(λs)为ASE功率；hv是光子能量；Bo(λs)是光滤波器带宽。4.1信号波长和增益、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。图5信号波长和增益、噪声的关系4.2Er3+离子的浓度与增益、噪声的关系5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]。(a)(b)6(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4.3双向EDFA中泵浦功率和增益、噪声的关系(a)7(b)(c)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8EDFA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[1]袁国良.光纤通信简明教程[M].北京：清华大学出版社.2006.170-171.[2]陈琳、徐军.掺铒光纤放大器增益和噪声研究[J].光通信研究[3]林凤华.掺铒光纤放大器(EDFA)特性与技术介绍[J].光学学报