基于Optisystem的EDFA增益影响因素的仿真研究

陈 英，吴 敏，刘蒙瑞

（长沙学院 电子信息与电气工程学院，湖南 长沙 410022）

近年来，波分复用（Wavelength Division Multiplex，WDM）+ 掺铒光纤放大器（Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）系统已经成为高速光纤通信系统发展的主流。EDFA已成为波分复用系统及全光网络中至关重要的器件[1]。EDFA具有高增益、高带宽、低损耗、增益特性与光偏振态无关等特点，可以用于接收机的前置放大、中继放大、功率放大器和光孤子通信等[2]。评价 EDFA性能的一个重要指标参数就是其增益系数大小，EDFA 增益大小的影响因素很多，包括掺铒光纤长度、泵浦波长和输入信号功率等[3]。本文采用 Optisystem7.0 软件建立EDFA系统进行仿真，研究EDFA增益的影响因素，方法简单实用，对于EDFA实物系统设计具有重要指导意义。

1 系统整体方案

该系统由连续波激光器和泵浦激光经耦合器一起耦合到掺铒光纤中，输出端用光谱仪和双通道光功率仪进行检测和分析。其中连续波激光器主要是提供输入信号光；泵浦光源主要是为光放大器提供源源不断的能量；耦合器采用波分复用器；掺铒光纤是的主要材料是石英，并在其纤芯中掺入稀土元素铒离子，其浓度大概等于25 mg/kg[4]，光纤长度大约为10～100 m。由于EDFA存在3种泵浦方式：前向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。前向泵浦中，泵浦光和信号光从同一方向从掺铒光纤的输入端注入；反向泵浦中，信号光从发射端注入掺铒光纤中，泵浦光从输出端注入，两者在铒纤中沿相反的方向传；双向泵浦包含2个泵浦源，其中1个泵浦源与信号光同向注入光纤，另1个泵浦光从与信号光传播方向相反的方向注入光纤[5]。

2 系统参数设置及仿真结构图

本次仿真研究中，3种泵浦方式下的全局参数设置相同，其中，比特率为2.5 e9,连续长度为32，每比特采样数为32，时间窗口参数为1.28e-8 s。

此次仿真图中的信号光源器件为连续波激光器，泵浦光源器件为激光泵浦。其中，器件参数设置中，信号光和泵浦光的波长分别为1.5 μm和0.98 μm,功率都等于100 mW，动态噪声为3 dB。本次仿真图设置的铒纤长度为5 m，纤芯半径为 2.2 μm，掺铒半径为 2.2 μm，铒离子浓度为 1e+25/m³, 数值孔径为0.24，动态噪声3 dB，噪声带宽为13 THz，噪声中心频率为193.4 THz。以前向泵浦结构为例，泵浦激光和连续激光一起耦合到光纤中，在输出端用双通道光功率计和光谱仪进行检测和分析。本文研究EDFA 增益的因素有3个，可以假定其中的两个参数固定，再利用参数扫描模式改变其中一个参数（如光纤长度），使该参数按顺序增加或减少，就可以得到 EDFA 增益与该参数的关系曲线。

3 3种泵浦方式的综合分析

通过对3种不同泵浦方式下的光路图进行仿真，获得了掺铒光纤长度、泵浦光功率和波长影响 EDFA增益因子的结果，如图1—2所示。

从图1中可以发现，当泵浦功率为定值时，增益因子首先随光纤长度增加而上升，接着增益会达到一个最大值，最后增益因子会随光纤的增长而逐渐下降。由3种泵浦方式的对比图可以发现，增益最大值所对应的掺铒光纤长度都在7 m左右，此值为掺铒光纤的最佳长度。另外，由图1可知，增益曲线的形状与泵浦方式有关；双向泵浦产生的增益曲线最为平坦（图1中的倒三角色块和正三角色块曲线），增益效果最好。后向泵浦时（图1中的正方形色块曲线），增益在最后一个阶段的下降程度最快，增益效果最差。

对图1进行分析，可知EDFA增益主要是受激辐射和受激吸收的影响。当泵浦光激发基态粒子到上能级时，由于受激辐射的作用，信号光实现放大，而当泵浦光本身沿着掺铒光纤传输时，由于受激吸收的作用，泵浦光的强度不断减弱，导致反转粒子数不断减少，当传输距离超过一定长度， 泵浦光的强度受到受激吸收的影响，就不能放大信号光，与此同时，信号光能量也被吸收，导致信号光的强度也减弱，从而功率增益下降[7]。

图1 信号光的增益因子与掺铒光纤长度的关系

图2中我们研究增益因子与输入信号光功率的关系，其中信号光的波长设定为1.55 μm，泵浦功率设定为100 mW，光纤长度设定为5 m。由图2可知，输入信号功率很小时，即处于小信号放大阶段时，增益因子非常大；随着信号功率的增加，增益因子急剧下降；最后增益因子下降趋于平缓，并最终接近于1，几乎无变化，此时对信号光处于饱和放大阶段。

可知，当输入信号光的功率达到一个较大值（约为80 mW），而泵浦光的功率100 mW保持恒定时，此时的泵浦光的能量不能使信号光粒子数的实现反转，信号光几乎无增益，接近等于1[8]。

图2 增益与输入信号功率关系曲线

4 结语

本文对影响掺铒光纤放大器的增益因子进行仿真研究，其中针对掺铒光纤放大器的3种泵浦方式进行了分析，讨论了信号光的功率、掺饵光纤长度以及泵浦光的波长与增益因子的关系。本论文的研究有助于理解EDFA的增益过程，仿真结果及相关分析对EDFA的增益控制有一定的理论指导意义。