技术分享 | 掺铒光纤放大器增益特性仿真研究

1 / 引言

在密集波分复用（DWDM）技术支持下，光纤具有 很大的宽带传输能力，而掺铒光纤放大器（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。

2 / 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）、波分复用器（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:

图 1 单级放大的 EDFA 光学结构

      功率的比值，表示为： 

      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 ：

      其中N_SP≥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 ：

      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。

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。

图 3 单级放大的增益和噪声系数

图 4 双级放大的增益和噪声系数

3 / 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

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）

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。

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。

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。

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。

图 10 不同掺铒光纤长度下 EDFA 增益曲线 

4 / 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。

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

5 / 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。

-----end------

[ 来源期刊 ]：广东通信技术

[ 作者 ]：曾鹏 岳耀笠 张昕

康冠光电-EDFA-光放大器解决方案产品推荐：

产品推荐 | 掺铒光纤放大器系列    

产品推荐 | 光纤放大器系列    

产品推荐 | 半导体光放大器SOA

（可点击查看参数，欲获报价请联系客服）