基于OptiSystem的掺铒光纤放大器增益特性研究

孙晓芸，陈建飞，李炳琦，李晓艳

（1.南京邮电大学光电工程学院，南京210046；2.南京市房地产交易市场，南京210003）

基于OptiSystem的掺铒光纤放大器增益特性研究

孙晓芸1，陈建飞1，李炳琦2，李晓艳2

（1.南京邮电大学光电工程学院，南京210046；2.南京市房地产交易市场，南京210003）

光放大器能直接放大光信号，通过补偿传输中功率的损耗而延长无电中继的传输距离，从而大大简化系统结构，降低系统成本。掺饵光纤放大器是应用最广泛的放大器之一。论文应用OptiSystem软件搭建了正向、反向，双向3种掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器；增益；饵光纤长度；泵浦光功率

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

1 引言

掺铒光纤放大器的信号增益谱很宽，具有较高的饱和输出功率和较低的噪声，所需泵浦功率低，因此，是最具吸引力，也是最成熟的光纤放大器。掺铒光纤放大器(EDFA)主要由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器、光隔离器及光滤波器等组成[1]。

2 EDFA系统模型设计

OptiSystem（光通信系统设计软件），有一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，在系统中分别搭建正向、反向、双向3种泵浦结构的EDFA（见图1）系统模型，对常用的980nm和1480nm泵浦源工作波长进行仿真分析。

模型中连续激光器的参数为f=193.1THz，P=-20dBm；泵浦激光器的参数波长设置为980nm和1480nm，掺铒光纤长度为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的增益通常为15～40dB，增益的大小与多种因素有关，如光纤长度、泵浦光功率以及光纤中掺铒浓度。增益G定义为输出功率与输入功率之比，表达式为：

式中，G为增益，dB；Pout、Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。

增益系数是指从泵浦光源输入1mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益，表达式为：

式中，g(z)为增益系数，dBmW；g0是由泵浦强度确定的小信号增益系数，由于增益饱和现象，随着信号功率的增加，增益系数下降；I、P分别为光强和光功率；Is、Ps分别为饱和光强和饱和光功率，是表明增益物质特性的量，与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关[2]。

3 EDFA掺饵光纤长度对增益特性的影响

仿真系统设置掺铒光纤的长度在3～20m连续变化，测得980nm泵浦EDFA增益随光纤长度的变化曲线如图2所示，1480nm的泵浦曲线类似。

图1 EDFA双向泵浦系统模型

图2 80nm泵浦EDFA的增益与光纤长度的仿真结果

仿真结果表明：铒光纤长度在3～20m变化时，EDFA增益存在峰值。初始时增益随掺铒光纤长度的增加而上升，但当光纤超过一定长度后，增益反而逐渐下降，可知存在一个最佳增益的最佳长度，980nm泵浦的最佳光纤长度是8m，1480nm泵浦的最佳光纤长度是10m，。

3种泵浦方式的增益比较：当光纤长度为3m时，3种泵浦方式的增益基本相同。当光纤长度增加时，双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种泵浦波长增益特性比较：当光纤长度为3m时，980nm泵浦EDFA的增益较1480nm泵浦EDFA的增益大10dB；当光纤长度增加时，1480nm泵浦EDFA获得的最大增益较980nm泵浦EDFA获得的最大增益平均大4dB，且增益下降较缓慢。

原因分析：当掺铒光纤超过一定长度后，增益将下降，原因是EDFA依靠泵浦光激发基态粒子到上能级，通过受激辐射实现信号放大，当泵浦光沿掺铒光纤传输时，将因受激辐射而不断衰减，导致反转粒子数不断减少。

4 EDFA泵浦光功率对增益特性的影响

设定系统中泵浦激光器的泵浦光功率在5～40dBm变化，测得泵浦波长为980nm和1480nm EDFA的增益随泵浦光功率变化的曲线。结果表明：EDFA增益可达到一个最大值。初始时增益随泵浦光功率的增加而上升，但当泵浦光功率增加到一定值后，增益最终趋于饱和。

3种泵浦方式的增益比较：光功率为8dBm时，正向和反向泵浦方式开始有正增益，双向泵浦方式的增益较前两者大很多，当泵浦光功率增加时，双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种泵浦波长增益特性比较：当泵浦光功率为8dBm时，正、反向泵浦的增益基本相同，双向 980nm泵浦EDFA的增益较1480nm泵浦EDFA的增益大6dB；当泵浦光功率增加时，正、反、双向980nm泵浦EDFA获得的最大增益较1480nm泵浦EDFA获得的最大增益大16dB。

原因分析：增益饱和的原因是当接入泵浦光功率后输入信号光将得到放大，同时也产生部分放大自发辐射光，2种光都消耗上能级上的铒离子；当泵浦光功率足够大，而信号光与放大自发辐射光很弱时，上下能级的粒子数反转度很高，并可认为沿掺铒光纤长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的值，但当泵浦光功率达到一定值后，增益将趋于饱和。

5 结论

考虑光纤长度时，要获得较大的增益，应选择长10m的1480nm双向泵浦EDFA，可获得的增益为40dB。但应注意，因为还涉及其他特性，如噪声特性等，这一长度只能是最大增益长度，而不是掺铒光纤的最佳长度。最佳长度是指在给定泵浦光和信号光功率下，保证掺铒光纤全程粒子数反转并对信号光进行放大的最佳掺铒光纤长度。考虑到泵浦光功率时，要获得较大增益，应选择泵浦光功率为40dB的980nm双向泵浦EDFA，可获得的增益为45dB。

【1】张明德,孙小菡.光纤通信原理与系统（第3版）[M].南京：东南大学出版社，2003.

【2】林凤华，彭俊珍.掺铒光纤放大器（EDFA）特性与技术介绍[J].科技创业月刊，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

江苏省高校自然科学基金项目（16KJB420001）；南京邮电大学青蓝工程基金项目（NY210041）

孙晓芸（1979～），女，浙江绍兴人，讲师，从事光通信与技术研究。

(EDFA)的基本结构，分析了饵光纤长度、泵浦光功率对EDFA增益特性的影响，得出仿真结论。