EDFA的理论基础 - 混合光纤放大器研究

　　对EDFA进行分析建立在传输方程和速率方程的基础上。

　　采用泵浦功率为100mW、泵浦波长为980nm的EDFA，粒子的跃迁过程发生在三个能级之间。又由于能量较高的两个能级之间的跃迁是一个快速的非辐射跃迁过程，最高能级的粒子数可以被忽略，三能级系统可以简化为二能级系统得到的EDFA传输方程如下：

　　式中：G为增益，Psout为光纤末端的输出信号功率，Psin为输入信号光功率。

　　求解以上式子，可得到EDFA的增益谱，如图4所示可以看出，EDFA的泵浦增益曲线与数目较少的FRA一样，并不具有理想的带宽。

　　如果分别调节FRA和EDFA(选择合适的波长和功率，控制混合放大器的噪声系数)，就可以使二者叠加后的增益谱互补，实现最大程度的带宽和平坦度。图5所示为混合光纤放大器的设计框图。共有三部分构成：FRA、增益均衡器及EDFA。

　　2 混合光纤放大器的设计要素

　　在设计FRA-EDFA系统时，应求解信号光和泵浦光互相进行拉曼作用的耦合方程，知道相关材料的谱线特征。对于分布式FRA，在不考虑自发拉曼辐射和瑞丽散射的稳态情况下，泵浦光和信号光之间的相互作用可用下面的耦合方程表示：

　　式中，+、-号分别为前向传输光和后向传输光;P1为频率vi的光功率;ai为第i个光波的光纤损耗系数：Keff为极化因子，由于采用普通光纤且传输距离较长，可认为泵浦和信号间偏振混乱，取Keff=2;Aeff为光纤在不同频率处的有效芯径;gu为光纤中频率为vi的高频光对频率为vi的低频光的拉曼增益系数;n，m分别为信号光和泵浦光的个数。

　　2.1 混合放大器泵浦波长的设计

　　不同的泵浦波长对增益的贡献不同，故会产生增益的起伏。其对增益平坦度的影响主要来源于三个因素：1)拉曼增益系数与泵浦波长成反比，不同波长的泵浦对信号的最大增益不同;2)不同的泵浦对信号波长的放大区域不同。泵浦对超过自身波长100nm的信号增益贡献最大，在此波长两侧则逐步降低;3)泵浦之间会相互影响，长波长泵浦光得到放大，而短波长的泵浦光却由于能量由短波长泵浦向长波长泵浦的传递而很快衰减。以上对波长的影响因素是造成增益平坦度恶化的一个重要原因。波长配制的基本原则是先确定比信号中心波长少100nm的泵浦中心波长，再在其两侧选择其他泵浦波长。

　　2.2 混合放大器中EDFA增益谱的调节

　　对于不加增益均衡器的FRA-EDFA混合光纤放大器，它的增益可以表示为：

　　Ghybrid=GRaman·GEDFA

　　式中：GRaman为拉曼放大器的开关增益，GEDFA为EDFA的增益。

　　宽增益谱必须仔细设计FRA的增益谱和EDFA的增益谱，使它们的增益谱迭加后满足系统对增益谱平坦度的要求。对于FRA来说，其增益谱的设计需要同时对泵浦波长和功率进行选择。对EDFA来说，对其进行处理可采用高斯形状的光滤波器。滤波器函数为：

　　此时FRA与EDFA迭加后的增益谱十分平坦，如图6所示。