技术分享 | 掺铒光纤放大器增益特性仿真研究
2023-12-22 17:23:24 | 技术支持          浏览量:1696

技术分享 | 掺铒光纤放大器增益特性仿真研究


1 / 引言

密集波分复用DWDM)技术支持下,光纤具有 很大的宽带传输能力,而铒光纤放大EDFA)可以 支持光纤 DWDM 信号的全光中继放大,实现超长距离的 宽带通信。在不同的应用场景下,掺铒光纤放大器的技术要求有所不同;例如,数字光纤通信的光发射机后端, 一般输入光功率较大,要求输出功率大、DWDM 通信波长增益均衡,而光接收机前端,一般输入光功率较小,要求放大增益大、噪声系数小、DWDM 通信波长增益均衡。在选用工作波长变化、输入功率范围变化、输出功率范围变化时,都会影响到掺铒光纤放大器的增益谱变化,如何 设计对应各种需求的低噪声、增益均衡的掺铒光纤放大器, 是工程设计面临的主要问题。


/ 掺铒光纤放大器的典型光学结构、增益和噪声系数


      典型的掺铒光纤放大器光学结构如图1 所示,由输入端的光纤隔离器(ISO)、波分复用WDM)、掺铒光纤(EDF)、输出端的光纤隔离器组成。其中,掺铒光纤放大器的增益是放大输出功率与输入:

单级放大的EDFA光学结构图

图 1 单级放大的 EDFA 光学结构


      功率的比值,表示为: 

功率比值图

      其中是掺铒光纤放大器的输入功率,是掺铒光纤放大 器的输出功率,G 是信号增益。掺铒光纤放大器的噪声系 数定义为 :

噪声系数定义公式图

      其中NSP≥1 是自发辐射噪声因子,是以 dB 为单位的放大器输入耦合损耗。当使用双级放大器时,噪声系数表 示为 :

双级放大器时噪声系数公式图

      由式(3)可知,当掺铒光纤放大器处于饱和放大时,噪声系数最小;由式(4)可知,第一级放大增益越高,越接近第一级饱和放大的噪声系数,噪声系数也越小。因 此,当掺铒光纤放大器不处于饱和增益区又要获得低噪声 系数时,一般采用双级放大结构 ( 如图 2 所示 ),第一级放大处于饱和增益区,第二级用于进一步提高放大增益。

双级放大的 EDFA 光学结构图

图 2 双级放大的 EDFA 光学结构


      为进一步证明以上论点,我们采用掺铒光纤放大器仿 真软件 GainMasterTM [4] 进行验证,使用单段型号为 I4 的 12 m 掺铒光纤和4 m+8 m 的掺铒光纤分别进行仿真,其中,输入光波长 1 550 nm,功率同样为 -30 dBm,泵浦光波 长 980 nm,泵浦功率为 100 mW;结果如图 3 所示,其中 一级放大结构的光纤放大器增益为 34.13 dB,噪声系数为 4.37 dB,二级放大结构的光纤放大器增益为 36.30 dB,噪 声系数为 3.59 dB,结果如图 4 所示;可见二级放大结构在小信号放大中具有低噪声高增益的特点。

单级放大的增益和噪声系数

图 3 单级放大的增益和噪声系数


双级放大的增益和噪声系数图

图 4 双级放大的增益和噪声系数


/ 掺铒光纤放大器的增益曲线变化规律


      在密集波分复用DWDM)的光纤传输系统中,为了保证各通道尽量一致的光信噪比,一般要求掺铒光纤放大器的增益平坦度小于 1.0 dB。在 DWDM 波长数量不多 的情况下,使用 EDFA 在 1 545~1 560 nm 范围的增益带宽 就可以满足间隔 100 G、16 波的增益均衡放大,无需进行增益平坦滤波。

      以16 波信号放大为例,输入ITU-T 波长为C24、C26…C39, 波长间隔 200 GHz,工作波长范围为 1 546.12~ 1 558.17 nm,单波输入功率 -30 dBm,980 nm 泵浦激光 功率为 50 mW,掺铒光纤总长度为 13 m(4 m+9 m),仿真结果如图 5 和图 6 所示,其中,单级放大的信号增益为 29.44~28.87 dB,增益平坦度0.67 dB,噪声系数4.00~4.15,双级放大的信号增益为 29.66~30.51 dB, 增益平坦度 0.85 dB,噪声系数 3.62 dB。以上仿真结果进一步表明,双级放大结构有更低的噪声系数和更大的放大增益。 

      以双级放大为例,16 波输入波长 C24~C39 保持功率 -30 dBm 不变,提高泵浦功率到 100 mW、150 mW, 信号增益曲线变化如图 7 所示:泵浦 100 mW 时,增益为 32.37~33.76 dB,增益平坦度 1.39 dB;泵浦 150 mW 时, 增益为 35.49-33.83 dB,增益平坦度 1.66dB;图 6(b)中

16 波 DWDM 信号放大的单级 EDFA 增益和噪声系 数(EDF 长度 13 m)图

图 5 16 波 DWDM 信号放大的单级 EDFA 增益和噪声系 数(EDF 长度 13 m)


16 波 DWDM 信号放大的双级 EDFA 增益和噪声系 数(EDF 长度 13 m)图

图 6 16 波 DWDM 信号放大的双级 EDFA 增益和噪声系 数(EDF 长度 13 m)


      泵浦50 mW 时,增益为29.66~30.51 dB,增益平坦度0.85 dB。从50 mW 至150 mW,增益平坦度从0.85 dB 下降到1.66 dB。随着泵浦功率的提高,各波长信号的增益也有所提高,增 益平坦度却在泵浦功率的提高而下降,表现为短波增益提 高的更大,如图 7 所示;可见,掺铒光纤放大器泵浦功率提高时,增益曲线是向短波方向倾斜的。

 输入 -30 dBm 时不同泵浦功率下的 EDFA 增益曲线 图

图 7 输入 -30 dBm 时不同泵浦功率下的 EDFA 增益曲线 


      掺铒光纤放大器双级结构不变,16 波输入波长 C24~C39 输入功率更改为-10 dBm,泵浦功率分别设置为 50 mW、100 mW、150 mW、200 mW,信号增益曲线变化 如图8 所示:泵浦50 mW 时,增益为10.15~12.61 dB,增益平坦度2.46 dB;泵浦100 mW 时,增益为13.62~15.52 dB, 增益平坦度 1.90 dB;泵浦 150 mW 时, 增益为 15.78~16.99 dB,增益平坦度 1.21 dB;泵浦功率从 50 mW 至 200 mW,增益平坦度从 2.46 dB 提高到 1.21 dB。随着泵浦功率的提高,各波长信号的增益也有所提高,增益平坦 度随泵浦功率的提高而更佳平坦,表现为短波增益提高的 更大;可见,掺铒光纤放大器泵浦功率提高时,增益曲线 是向短波方向倾斜的。

输入 -10 dBm 时不同泵浦功率下的 EDFA 增益曲线图

图 8 输入 -10 dBm 时不同泵浦功率下的 EDFA 增益曲线


      掺铒光纤放大器双级结构不变,16 波输入波长 C24~ C39,保持泵浦功率 50 mW 不变,提高单波输入功率分别 提高到 -20 dBm、-10 dBm 时,信号增益曲线变化如图 9 所示:输入功率 -20 dBm,增益为 20.78~21.58 dB,增益 平坦度0.8 dB;输入功率-10 dBm,增益为10.15~12.61 dB, 增益平坦度 2.46 dB;参考图 6,输入功率从 -30 dBm 至 -10 dBm,长波长的增益变化比短波长的增益变化高了 3.31 dB(2.46、-0.85)。随着输入功率的提高,各波长信号的增益也随之下降,增益曲线表现为长波增益更大;可见,掺铒光纤放大器输入功率提高时,增益曲线是向长波方向倾斜的。

不同输入功率下 EDFA 增益曲线图

图 9 不同输入功率下 EDFA 增益曲线


      掺铒光纤放大器双级结构不变,16 波输入波长C24~C39,保持泵浦功率 200 mW 不变,单波输入功率保 持 -10 dBm 不变,掺铒光纤总长度从 15 m 降低到 9 m, 信号增益曲线变化如图 10 所示:掺铒光纤长度 15 m 时,增益为 16.63~18.70 dB,增益平坦度 2.07 dB;掺铒 光纤长度 13 m 时,增益为 17.01~18.36 dB,增益平坦度 1.35 dB;掺铒光纤长度11 m 时,增益为17.29~17.97 dB, 增益平坦度 0.68 dB;掺铒光纤长度 9 m 时, 增益为 17.39~17.19 dB,增益平坦度 0.20 dB。随着掺铒光纤长度的增加,增益曲线表现为长波增益更大,而总体增益情况 大体不变;可见,掺铒光纤长度增加时,增益曲线是向长波方向倾斜的。

不同掺铒光纤长度下 EDFA 增益曲线 图

图 10 不同掺铒光纤长度下 EDFA 增益曲线 


/ 全波段增益均衡放大器的设计


      当 EDFA 进行 1 530~1 565 nm 的全波段 DWDM 信号 放大时,需要使用增益平坦滤波器(GFF),才能使该波 段内维持 1.0 dB 的增益平坦度。增益平坦滤波器(GFF) 制作技术有几种 ,但都首先要绘出 EDFA 的增益曲线, 再迭代出精确的衰减曲线谱,然后定制 GFF。为了提高 EDFA 放大效率,需尽量降低 GFF 插入损耗,则 GFF 衰 减曲线的波峰 - 波谷值越小越好。根据设计经验,一般尽量将衰减曲线两端的衰减量调节一致。


      以 40 波信号、单波输入功率 -15 dBm、增益约20 dB 的EDFA 为例,以图2 光学结构设计一个双级放大EDFA,EDFA 输出总功率为21 dBm 左右,泵浦功率设定为300 mW, 先仿真计算掺铒光纤长度 11 m、13 m、15 m 的增益曲线, 如图 11 所示,其中,11 m 时输出功率 21.41 dBm,增益 最大的波长与增益最小的波长之间相差 4.07 dB;13 m 时 输出功率 21.57 dBm,增益最大的波长与增益最小的波长 之间相差 3.31 dB;15 m 时输出功率 21.63 dBm,增益最 大的波长与增益最小的波长之间相差3.35 dB,(21.63);从图 11(a)至图 11(c)的增益曲线趋势分析,当掺铒 光纤长度在 13~15 m 之间的某一个值时,增益曲线两端的 增益可以实现基本一致,以此增益曲线设计的 GFF 全波段综合衰减量最小。进一步仿真可以得出,以上输入条件 的最佳掺铒光纤长度为 14.2 m,EDFA 输出功率为 21.61 dBm,增益最大的波长与增益最小的波长之间相差 3.08 dB,如图 11(d)所示。

11 m~15 m 掺铒光纤长度时的 40 波 DWDM 信号放大增益曲线图

图 11 11 m~15 m 掺铒光纤长度时的 40 波 DWDM 信号放大增益曲线


/ 小结


      本文仿真计算了EDFA单极放大结构和双级放大结构的增益和噪声系数,仿真计算了16波DWDM 信号放大在泵浦功率变化、输入功率变化、掺铒光纤长度变化情 况下的增益曲线变化情况,总结了增益曲线的变化规律:在一定波长及功率范围内,增益曲线随着泵浦功率的增加向短波长移动,随着输入功率的增加向长波长移动,随着 产额光纤长度的增加向长波长移动;提出了C波段40波DWDM信号全波段放大的增益曲线选择方法,并仿真计算了40波DWDM 的最佳增益曲线,为增益均衡掺铒光纤放大器设计提供了技术指导。


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[ 来源期刊 ]:广东通信技术

[ 作者 ]:曾鹏 岳耀笠 张昕



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