掺铒光纤放大器增益平坦度分析及优化

徐 杰 张 静

（安徽邮电职业技术学院，安徽 合肥 230031）

0 引言

掺铒光纤放大器（EDFA）在光纤通信中主要作用是延长通信中继距离，放置于中继站上，用来完成双向传输的光信号放大，延伸无电中继的传输距离。EDFA 的工作波长在1530～1565nm 范围，与光纤的最低损耗窗口一致。波分复用（WDM）技术即指密集波分复用（DWDM），主要是实现1550nm 附近光波的复用，应用的主要光纤放大器即掺铒光纤放大器。当EDFA 与WDM 技术结合时，可实现超大容量、超长距离传输。

在实现一个应用掺铒光纤放大器的WDM 系统时，主要困难在于，EDFA 增益谱的波长依赖性[1-3]。EDFA 光谱范围宽，增益谱对波长具有依赖性，在1531nm 处存在一增益峰，在1550nm 为中心的波段增益较平坦，但是在WDM 系统中通过掺铒光纤放大器的级联之后，信道间的信噪比差异会不断增大。

1 优化分析

针对EDFA 的波长依赖性，目前，已经提出了一些用来纠正这种增益非均匀性的方法，例如使用内部或外部的过滤器，或热降低均匀线展宽的放大器。但是，这些方法都需要额外的部件，实现起来较复杂。在文献[4]中提出了一个比较有效的方法，此方法指出，在WDM 系统中要满足给定的输入功率和期望的输出功率，可以通过控制光纤的长度和泵浦功率的方法来优化掺铒光纤放大器来实现。我们这里针对这一方法进行分析。

可以通过一个例子看到如何通过控制光纤的长度和泵浦功率来使掺铒光纤放大器的增益平坦。使用OptiSystem 布局如图1。

图1 使用EDFA 的WDM 系统布局图

在一些文章中对于以上几种优化方式的选择有一个比较。然而，值得注意的是，在我们的仿真中对于光纤参数的设置可能与[4]中不同，因为[4]中没有给出具体的数值。掺铒光纤放大器的输入端是16 个复用信号在12nm 的波长范围内（1546-1558nm）的均衡波长，波长间隔为0.8nm。每个信道的功率是-26dBm。我们使用默认的光纤参数。所需的增益为23dB。我们希望得到超过8.5dBm 的输出功率和小于0.5分贝的增益平坦度（定义为Gmax/Gmin）。

条件下的增益均衡。用双端口WDM 分析仪来测量增益平坦度，光功率计测量输出功率。初始参数值如下：泵浦功率为100mW；光纤长度为4m；泵浦功率的值选择介于0 和160 毫瓦之间，光纤长度在1到40 米之间。

图2 未优化的EDFA 输出信号和噪声频谱

图2 显示了一个泵浦功率和光纤长度分别为100mW 和4m 的综合最优放大器的输出信号和噪声的频谱。由图2 可知，在这种条件下，即使平均增益约为30 dB，但是增益平坦度为2.24 dB 左右，远远高于期望值0.5dB。

可使用半解析法对泵浦功率和光纤长度进行优化，以达到预期的目标。最后，发现最佳泵浦功率和光纤长度分别是24.13mW 和约5.22米。

使用这个数值得到的输出信号和噪声的频谱如图3 所示。结果显示，有23 dB 的信号增益和0.29 dB 的增益平坦度。输出信号功率为8毫瓦。可见能很好的满足系统对输出功率和增益平坦度的要求：超过8.5dBm 的输出功率和小于0.5 分贝的增益平坦度。

图3 优化后EDFA 的输出信号和噪声频谱

3 结论

本文呈现了一个简单的EDFA 的增益平坦性优化分析方法，主要涉及掺铒光纤放大器的各个性能参数。考虑了EDFA 的泵浦功率，泵浦波长，光纤长度等等。光纤长度和泵浦功率是增益平坦性实现的两个重要参数。我们可以看出通过调整光纤的长度和泵浦功率来使EDFA 达到增益平坦，从而满足系统的要求。

［1］M.Tachibana，et al.，“Erbium-Doped Fiber Amplifier with Flattened Gain Spectrum”，IEEE Photon[I].Tech.Lett.1991，3：(118).

［2］S.F.Su，et al.，“Flattening of Erbium-doped fiber amplifier gain spectrumusing an acousto-optic tunable filter”，Electron[I].Lett.1993，29：(477).

［3］E.L.Goldstein，et al.，“Inhomogeneously broadened fiber amplifier cascade for transparent multiwavelength lightwave networks”，J[J].Light.Tech.1995，13：(782).

［4］M.A.Ali，et al.，“Performance of erbium-doped fiber amplifier cascades in WDM multiple access lightwave networks”，IEEE Photon[J].Tech.Lett.1994，6：(1142).