级联EDFA系统中偏振相关增益特性的研究

陈倩，陈勐勐

（南京晓庄学院电子工程学院，江苏南京，210028）

级联EDFA系统中偏振相关增益特性的研究

陈倩，陈勐勐

（南京晓庄学院电子工程学院，江苏南京，210028）

掺铒光纤放大器的偏振相关增益是导致放大器增益不平坦的一个重要原因，进而影响长距离光纤通信系统、长距离光纤传感系统的信号质量。本文从理论模拟角度研究了级联掺铒光纤放大器的偏振相关增益对光纤中所传输通信光信号的影响。重点研究了掺铒光纤非均匀展宽情况下，偏振相关增益受传输信号功率、信道个数、级联EDFA个数、等因素的影响，并给出了定性结论。

Optisystem；掺铒光纤放大器； 偏振相关增益

0 引言

掺铒光纤（Erbium Doped Fiber）是指光纤芯里掺杂了少量稀土元素铒（Er）离子而制成的光纤。基于EDF而设计出的掺铒光纤放大器（EDFA）， 1985年在南普安敦大学被首次研制成功开始，EDFA的良好放大性能就使其逐渐成为了光纤通信领域不可缺少的一员。EDFA的工作特性是由离子的增益特性所决定的，铒离子可以吸收980nm或1480nm的激光，它的放大作用对应于离子能级跃迁的发射。当EDFA工作波段在1550nm附近时，正好与通信中低损耗波段一致，因此EDFA成为了最成熟最有实用价值的光放大器件。

光通信信号在光纤中远距离传输、尤其是经过多个级联的EDFA放大后，信号的偏振态会受光纤双折射、四波混频、相位调制等非线性效应的影响，光信号在EDFA中被中继放大时，会呈现中一定的偏振增益相关性，偏振相关增益会造成信号略化，本文将从以下……几个角度研究光信号在EDFA中放大时，受偏振相关增益的影响所造成的偏振烧孔现象。即使是在单个的EDFA中，这种偏振相关效果也是能测出来的。

1 EDFA的偏振增益相关理论

EDFA内部主要由四个模块构成：掺铒光纤（EDF）、泵浦光源（LD）、光耦合器（或WDM波分复用器）以及光隔离器。而根据泵浦所处位置的不同，又可以分成前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦三种结构的掺铒光纤放大器。EDFA中由于掺铒光纤受激辐射截面是各向异性的，与方向有关的辐射截面和辐射产生光的偏振态相关，当在某个偏振态产生激光输出时，会使得该偏振态的反转粒子数被消耗，而其他与偏振态有关的粒子数仍然处于反转状态，并足以为其他偏振态波长的振荡提供反转粒子数，这就造成EDFA在放大信号时有一定的偏振相关性。

本文在理论学习EDFA放大机制的基础上，利用Optisystem仿真软件中的库元件设计一个EDFA，研究所设计EDFA放大信号的偏振相关特性，仿真掺铒光纤放大器的结构中包括掺铒光纤，隔离器，泵浦耦合器，泵浦光源等模块，具体结构如图1所示。仿真通信系统使用1550nm波段的激光器作为信号源，中继光纤长度为100km，分别使用仿真软件中的光功率计和光示波器观察仿真结果，模拟不同的参数条件下，光信号的放大增益变化，并给出合成增益图，分析仿真结果的增益平坦性和受偏振相关增益影响严重的位置。

图1 EDFA双向泵浦结构示意图

2 仿真结果及分析

仿真光路是根据图1中的EDFA结构，在Optisystem软件中创建仿真实验光路。仿真过程中通过改变EDFA中掺铒光纤（EDF）的长度、泵浦功率、输入信号功率等参数研究EDFA的偏振相关增益规律。本文重点研究EDF的非均匀展宽特性对信号造成的偏振相关增益不平坦度除3.1节外，其它仿真数据都是在EDF的非均匀展宽条件下得到的，并且被放大信号均为线偏振光。

2.1 EDF均匀展宽和非均匀展宽放大结果比较

当掺铒光纤长度为5m，泵浦功率为30mw，输入信号功率为－10dBm、被放大信号波长为1534nm和1536nm两个波长的连续光且消光比为50dB时，将掺铒光纤（EDF）分另设置为均匀展宽和非均匀展宽两种情况，所得模拟结果如图2所示，图中结果表明，EDF的非均匀展宽效应会造成EDFA增益光谱的严重不平坦现象，均匀展宽时不存在这种情况。

图2 均匀展宽与非均匀展宽模拟结果比较

2.2 偏振相关增益与所放大信号功率的关系

当被放大信号波长为1532nm波长的连续光且输入信号功率分别为：－35dBm、－30dBm、－25dBm、－20dBm、－15dBm、－10dBm，其它相关参数与3.1节相同时，所得模拟结果如图3所示，图3中6条线的输入信号功率从下到上分别为：－35dBm、－30dBm、－25dBm、－20dBm、－15dBm、－10dBm，从模拟结果来看随输入信号功率的增加，偏振相关噪声逐渐增加，即输入信号功率越大，增益受偏振态影响越大。

图3 烧孔深度随输入信号功率增加的变化情况

2.3 偏振相关增益与级联EDFA个数的关系

当被放大信号有4个波长分别为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm波长的连续光且输入信号功率均为：－10dBm，级联EDFA个数为7个，其它相关参数与3.1节相同时，研究偏振相关增益随所经EDFA个数的增加而变化的情况，仿真光路图4所示。仿真结果在图5中给出，从下往上依次是信号经第1、2、3、4、5、6、7个EDFA后输出的结果，仿真结果表明随级联EDFA个数的增加，偏振相关噪声逐渐增加，增益受偏振态影响越来越大、噪声基底也越来越高。

图4 级联7个EDFA的仿真光路

图5 四路信号依次经7个级联EDFA的输出信号

2.4 偏振相关增益与信道个数、信道间隔的关系

与3.3节相似，当被放大信号有7个波长分别为1530nm、1535nm、1540nm、1545nm、1550nm、1555nm、1560nm波长的连续光且输入信号功率均为：－10dBm，级联EDFA个数为7个，其它相关参数与3.1节相同时，研究偏振相关增益随所经EDFA个数的增加而变化的情。从图6中可以看出，随着级联EDFA个数的增加，偏振烧孔深度逐渐加深，与分析图5所得到的结论相似。另外，对比图5和图6的模拟结果，当系统中的信道较少时的偏振相关增益比信道较多时要更明显一些。

图6 七路信号依次经7个级联EDFA的输出信号

3 结论

本文仿真结果表明，在EDF非均匀展宽下的条件下，增益谱会出现较为严重的增益不平坦现象，特别是经长距离传输后，偏振信号被级联放大后，受偏振相关增益特性的影响，出现类似于偏振烧孔现象。当信号功率和级联的EDFA的个数增加时，在1550nm波段的偏振噪声逐渐加重、噪声基底越高且功率越不平坦，类似于偏振烧孔的现象更明显。当通信系统中传输的信道个数增加后，这种增益不平坦现象会有所改善。

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Research on polarization dependent gain characteristics in cascaded EDFA systems

The polarization dependent gain of erbium doped fiber amplifier（EDFA） is an important reason for its gain flatness, it will affect the signal quality of long distance optical fiber communication system and long distance optical fiber sensing system. In this paper, the influence of the polarization dependent gain on the optical signal in the optical fiber has been studied theoretically. The influence of the factors such as the power of the transmitted signal, the number of channels, the number of EDFA, and the number of channels are key calculated and analyzed and the qualitative conclusions are obtained.

Optisystem; EDFA; Polarization dependent gain

2015年江苏省大学生创新训练计划项目（201511460045X）。

Chen Qian，Chen Mengmeng

（School of electronic engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing Jiangsu，210028）