混合(FRA-EDFA)光纖放大器的設(shè)計(jì)研究
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2 混合光纖放大器的設(shè)計(jì)要素
在設(shè)計(jì)FRA-EDFA系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)求解信號(hào)光和泵浦光互相進(jìn)行拉曼作用的耦合方程，知道相關(guān)材料的譜線特征。對(duì)于分布式FRA，在不考慮自發(fā)拉曼輻射和瑞麗散射的穩(wěn)態(tài)情況下，泵浦光和信號(hào)光之間的相互作用可用下面的耦合方程表示：
式中，+、-號(hào)分別為前向傳輸光和后向傳輸光；P1為頻率vi的光功率；ai為第i個(gè)光波的光纖損耗系數(shù)：Keff為極化因子，由于采用普通光纖且傳輸距離較長(zhǎng)，可認(rèn)為泵浦和信號(hào)間偏振混亂，取Keff=2；Aeff為光纖在不同頻率處的有效芯徑；gu為光纖中頻率為vi的高頻光對(duì)頻率為vi的低頻光的拉曼增益系數(shù)；n，m分別為信號(hào)光和泵浦光的個(gè)數(shù)。
2．1 混合放大器泵浦波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)
不同的泵浦波長(zhǎng)對(duì)增益的貢獻(xiàn)不同，故會(huì)產(chǎn)生增益的起伏。其對(duì)增益平坦度的影響主要來(lái)源于三個(gè)因素：1)拉曼增益系數(shù)與泵浦波長(zhǎng)成反比，不同波長(zhǎng)的泵浦對(duì)信號(hào)的最大增益不同；2)不同的泵浦對(duì)信號(hào)波長(zhǎng)的放大區(qū)域不同。泵浦對(duì)超過(guò)自身波長(zhǎng)100nm的信號(hào)增益貢獻(xiàn)最大，在此波長(zhǎng)兩側(cè)則逐步降低；3)泵浦之間會(huì)相互影響，長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦光得到放大，而短波長(zhǎng)的泵浦光卻由于能量由短波長(zhǎng)泵浦向長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦的傳遞而很快衰減。以上對(duì)波長(zhǎng)的影響因素是造成增益平坦度惡化的一個(gè)重要原因。波長(zhǎng)配制的基本原則是先確定比信號(hào)中心波長(zhǎng)少100nm的泵浦中心波長(zhǎng)，再在其兩側(cè)選擇其他泵浦波長(zhǎng)。
2．2 混合放大器中EDFA增益譜的調(diào)節(jié)
對(duì)于不加增益均衡器的FRA-EDFA混合光纖放大器，它的增益可以表示為：
Ghybrid=GRaman·GEDFA
式中：GRaman為拉曼放大器的開(kāi)關(guān)增益，GEDFA為EDFA的增益。
寬增益譜必須仔細(xì)設(shè)計(jì)FRA的增益譜和EDFA的增益譜，使它們的增益譜迭加后滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)增益譜平坦度的要求。對(duì)于FRA來(lái)說(shuō)，其增益譜的設(shè)計(jì)需要同時(shí)對(duì)泵浦波長(zhǎng)和功率進(jìn)行選擇。對(duì)EDFA來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行處理可采用高斯形狀的光濾波器。濾波器函數(shù)為：
此時(shí)FRA與EDFA迭加后的增益譜十分平坦，如圖6所示。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/186918.htm
2．3 光纖類(lèi)型的選擇
光纖的參數(shù)，如光纖的有效面積、拉曼增益與有效面積的比值、有效長(zhǎng)度和光纖的FOM，將決定該光纖采用何種泵浦。由下面的式子可得對(duì)于一個(gè)給定泵浦功率的放大器，當(dāng)改變光纖類(lèi)型時(shí)相應(yīng)增益的改變情況
2. 4 偏振問(wèn)題的考慮
拉曼增益于偏振相關(guān)。當(dāng)采用保偏措施，即泵浦光的偏振不變時(shí)，增量最大。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于拉曼放大的有效作用長(zhǎng)度通常在十幾千米，使得泵浦和信號(hào)光的偏振態(tài)相關(guān)性大幅度減弱，PDG容易出現(xiàn)增益不均，故要避免PDG。
2．5 系統(tǒng)噪聲的分析
整個(gè)FRA-EDFA系統(tǒng)為三級(jí)：EDFA、均衡器和FRA。所以整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為：
式中：NF1是EDFA的噪聲系數(shù)，NF2是均衡器的噪聲系數(shù)，可忽略不計(jì)，NF3是FRA的噪聲系數(shù)，可近似用EDFA噪聲系數(shù)的公式計(jì)算。EDFA的脯計(jì)算公式為：
式中，G是信號(hào)的增益，vs是信號(hào)的頻率，h是普朗克常量，
是在L處、頻率為vs的ASE光的功率譜密度值。計(jì)算FRA的噪聲系數(shù)是需用自發(fā)拉曼散射的功率譜密度值代替上式的。
分布放大FRA引入的ASE噪聲與EDFA相比有很大程度的改善。FRA的有效噪聲一般小于零，又由于它位于混合光纖放大器的第一級(jí)，能夠有效的改善放大器的噪聲特性，從而能夠提高系統(tǒng)整體性能。假設(shè)EDFA的噪聲系數(shù)為5dB，經(jīng)計(jì)算，如圖7所示為混合放大器噪聲系數(shù)譜，在整個(gè)增益平坦區(qū)內(nèi)NF4dB，符合要求。圖中一并給出了噪聲系數(shù)的實(shí)測(cè)值，與計(jì)算結(jié)果相符。
通過(guò)上述幾個(gè)因素的分析，可以得出結(jié)論：選擇好合適的濾波器，就可以用少量的泵浦得到良好的FRA-EDFA系統(tǒng)，具有較寬的帶寬和平坦的增益譜，并且噪聲系數(shù)也很低(4dB)。這種混合光纖放大器和完全用多泵浦復(fù)用FRA比起來(lái)，無(wú)論從成本上還是設(shè)計(jì)、復(fù)用難度上，都有顯著的改善。
評(píng)論