級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)中偏振相關(guān)增益特性的研究

陳倩，陳勐勐

（南京曉莊學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇南京，210028）

級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)中偏振相關(guān)增益特性的研究

陳倩，陳勐勐

（南京曉莊學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇南京，210028）

摻鉺光纖放大器的偏振相關(guān)增益是導(dǎo)致放大器增益不平坦的一個(gè)重要原因，進(jìn)而影響長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)、長(zhǎng)距離光纖傳感系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量。本文從理論模擬角度研究了級(jí)聯(lián)摻鉺光纖放大器的偏振相關(guān)增益對(duì)光纖中所傳輸通信光信號(hào)的影響。重點(diǎn)研究了摻鉺光纖非均勻展寬情況下，偏振相關(guān)增益受傳輸信號(hào)功率、信道個(gè)數(shù)、級(jí)聯(lián)EDFA個(gè)數(shù)、等因素的影響，并給出了定性結(jié)論。

Optisystem；摻鉺光纖放大器； 偏振相關(guān)增益

0 引言

摻鉺光纖（Erbium Doped Fiber）是指光纖芯里摻雜了少量稀土元素鉺（Er）離子而制成的光纖?；贓DF而設(shè)計(jì)出的摻鉺光纖放大器（EDFA）， 1985年在南普安敦大學(xué)被首次研制成功開始，EDFA的良好放大性能就使其逐漸成為了光纖通信領(lǐng)域不可缺少的一員。EDFA的工作特性是由離子的增益特性所決定的，鉺離子可以吸收980nm或1480nm的激光，它的放大作用對(duì)應(yīng)于離子能級(jí)躍遷的發(fā)射。當(dāng)EDFA工作波段在1550nm附近時(shí)，正好與通信中低損耗波段一致，因此EDFA成為了最成熟最有實(shí)用價(jià)值的光放大器件。

光通信信號(hào)在光纖中遠(yuǎn)距離傳輸、尤其是經(jīng)過多個(gè)級(jí)聯(lián)的EDFA放大后，信號(hào)的偏振態(tài)會(huì)受光纖雙折射、四波混頻、相位調(diào)制等非線性效應(yīng)的影響，光信號(hào)在EDFA中被中繼放大時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)中一定的偏振增益相關(guān)性，偏振相關(guān)增益會(huì)造成信號(hào)略化，本文將從以下……幾個(gè)角度研究光信號(hào)在EDFA中放大時(shí)，受偏振相關(guān)增益的影響所造成的偏振燒孔現(xiàn)象。即使是在單個(gè)的EDFA中，這種偏振相關(guān)效果也是能測(cè)出來的。

1 EDFA的偏振增益相關(guān)理論

EDFA內(nèi)部主要由四個(gè)模塊構(gòu)成：摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源（LD）、光耦合器（或WDM波分復(fù)用器）以及光隔離器。而根據(jù)泵浦所處位置的不同，又可以分成前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦三種結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖放大器。EDFA中由于摻鉺光纖受激輻射截面是各向異性的，與方向有關(guān)的輻射截面和輻射產(chǎn)生光的偏振態(tài)相關(guān)，當(dāng)在某個(gè)偏振態(tài)產(chǎn)生激光輸出時(shí)，會(huì)使得該偏振態(tài)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，而其他與偏振態(tài)有關(guān)的粒子數(shù)仍然處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，并足以為其他偏振態(tài)波長(zhǎng)的振蕩提供反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，這就造成EDFA在放大信號(hào)時(shí)有一定的偏振相關(guān)性。

本文在理論學(xué)習(xí)EDFA放大機(jī)制的基礎(chǔ)上，利用Optisystem仿真軟件中的庫(kù)元件設(shè)計(jì)一個(gè)EDFA，研究所設(shè)計(jì)EDFA放大信號(hào)的偏振相關(guān)特性，仿真摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)中包括摻鉺光纖，隔離器，泵浦耦合器，泵浦光源等模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真通信系統(tǒng)使用1550nm波段的激光器作為信號(hào)源，中繼光纖長(zhǎng)度為100km，分別使用仿真軟件中的光功率計(jì)和光示波器觀察仿真結(jié)果，模擬不同的參數(shù)條件下，光信號(hào)的放大增益變化，并給出合成增益圖，分析仿真結(jié)果的增益平坦性和受偏振相關(guān)增益影響嚴(yán)重的位置。

圖1 EDFA雙向泵浦結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真結(jié)果及分析

仿真光路是根據(jù)圖1中的EDFA結(jié)構(gòu)，在Optisystem軟件中創(chuàng)建仿真實(shí)驗(yàn)光路。仿真過程中通過改變EDFA中摻鉺光纖（EDF）的長(zhǎng)度、泵浦功率、輸入信號(hào)功率等參數(shù)研究EDFA的偏振相關(guān)增益規(guī)律。本文重點(diǎn)研究EDF的非均勻展寬特性對(duì)信號(hào)造成的偏振相關(guān)增益不平坦度除3.1節(jié)外，其它仿真數(shù)據(jù)都是在EDF的非均勻展寬條件下得到的，并且被放大信號(hào)均為線偏振光。

2.1 EDF均勻展寬和非均勻展寬放大結(jié)果比較

當(dāng)摻鉺光纖長(zhǎng)度為5m，泵浦功率為30mw，輸入信號(hào)功率為－10dBm、被放大信號(hào)波長(zhǎng)為1534nm和1536nm兩個(gè)波長(zhǎng)的連續(xù)光且消光比為50dB時(shí)，將摻鉺光纖（EDF）分另設(shè)置為均勻展寬和非均勻展寬兩種情況，所得模擬結(jié)果如圖2所示，圖中結(jié)果表明，EDF的非均勻展寬效應(yīng)會(huì)造成EDFA增益光譜的嚴(yán)重不平坦現(xiàn)象，均勻展寬時(shí)不存在這種情況。

圖2 均勻展寬與非均勻展寬模擬結(jié)果比較

2.2 偏振相關(guān)增益與所放大信號(hào)功率的關(guān)系

當(dāng)被放大信號(hào)波長(zhǎng)為1532nm波長(zhǎng)的連續(xù)光且輸入信號(hào)功率分別為：－35dBm、－30dBm、－25dBm、－20dBm、－15dBm、－10dBm，其它相關(guān)參數(shù)與3.1節(jié)相同時(shí)，所得模擬結(jié)果如圖3所示，圖3中6條線的輸入信號(hào)功率從下到上分別為：－35dBm、－30dBm、－25dBm、－20dBm、－15dBm、－10dBm，從模擬結(jié)果來看隨輸入信號(hào)功率的增加，偏振相關(guān)噪聲逐漸增加，即輸入信號(hào)功率越大，增益受偏振態(tài)影響越大。

圖3 燒孔深度隨輸入信號(hào)功率增加的變化情況

2.3 偏振相關(guān)增益與級(jí)聯(lián)EDFA個(gè)數(shù)的關(guān)系

當(dāng)被放大信號(hào)有4個(gè)波長(zhǎng)分別為1530nm、1540nm、1550nm、1560nm波長(zhǎng)的連續(xù)光且輸入信號(hào)功率均為：－10dBm，級(jí)聯(lián)EDFA個(gè)數(shù)為7個(gè)，其它相關(guān)參數(shù)與3.1節(jié)相同時(shí)，研究偏振相關(guān)增益隨所經(jīng)EDFA個(gè)數(shù)的增加而變化的情況，仿真光路圖4所示。仿真結(jié)果在圖5中給出，從下往上依次是信號(hào)經(jīng)第1、2、3、4、5、6、7個(gè)EDFA后輸出的結(jié)果，仿真結(jié)果表明隨級(jí)聯(lián)EDFA個(gè)數(shù)的增加，偏振相關(guān)噪聲逐漸增加，增益受偏振態(tài)影響越來越大、噪聲基底也越來越高。

圖4 級(jí)聯(lián)7個(gè)EDFA的仿真光路

圖5 四路信號(hào)依次經(jīng)7個(gè)級(jí)聯(lián)EDFA的輸出信號(hào)

2.4 偏振相關(guān)增益與信道個(gè)數(shù)、信道間隔的關(guān)系

與3.3節(jié)相似，當(dāng)被放大信號(hào)有7個(gè)波長(zhǎng)分別為1530nm、1535nm、1540nm、1545nm、1550nm、1555nm、1560nm波長(zhǎng)的連續(xù)光且輸入信號(hào)功率均為：－10dBm，級(jí)聯(lián)EDFA個(gè)數(shù)為7個(gè)，其它相關(guān)參數(shù)與3.1節(jié)相同時(shí)，研究偏振相關(guān)增益隨所經(jīng)EDFA個(gè)數(shù)的增加而變化的情。從圖6中可以看出，隨著級(jí)聯(lián)EDFA個(gè)數(shù)的增加，偏振燒孔深度逐漸加深，與分析圖5所得到的結(jié)論相似。另外，對(duì)比圖5和圖6的模擬結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)中的信道較少時(shí)的偏振相關(guān)增益比信道較多時(shí)要更明顯一些。

圖6 七路信號(hào)依次經(jīng)7個(gè)級(jí)聯(lián)EDFA的輸出信號(hào)

3 結(jié)論

本文仿真結(jié)果表明，在EDF非均勻展寬下的條件下，增益譜會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的增益不平坦現(xiàn)象，特別是經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，偏振信號(hào)被級(jí)聯(lián)放大后，受偏振相關(guān)增益特性的影響，出現(xiàn)類似于偏振燒孔現(xiàn)象。當(dāng)信號(hào)功率和級(jí)聯(lián)的EDFA的個(gè)數(shù)增加時(shí)，在1550nm波段的偏振噪聲逐漸加重、噪聲基底越高且功率越不平坦，類似于偏振燒孔的現(xiàn)象更明顯。當(dāng)通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男诺纻€(gè)數(shù)增加后，這種增益不平坦現(xiàn)象會(huì)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年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201511460045X）。

Chen Qian，Chen Mengmeng

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