混合(FRA-EDFA)光纖放大器的設(shè)計研究
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2 混合光纖放大器的設(shè)計要素
在設(shè)計FRA-EDFA系統(tǒng)時，應(yīng)求解信號光和泵浦光互相進(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，泵浦光和信號光之間的相互作用可用下面的耦合方程表示：
式中，+、-號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，可認(rèn)為泵浦和信號間偏振混亂，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的高頻光對頻率為vi的低頻光的拉曼增益系數(shù)；n，m分別為信號光和泵浦光的個數(shù)。
2．1 混合放大器泵浦波長的設(shè)計
不同的泵浦波長對增益的貢獻(xiàn)不同，故會產(chǎn)生增益的起伏。其對增益平坦度的影響主要來源于三個因素：1)拉曼增益系數(shù)與泵浦波長成反比，不同波長的泵浦對信號的最大增益不同；2)不同的泵浦對信號波長的放大區(qū)域不同。泵浦對超過自身波長100nm的信號增益貢獻(xiàn)最大，在此波長兩側(cè)則逐步降低；3)泵浦之間會相互影響，長波長泵浦光得到放大，而短波長的泵浦光卻由于能量由短波長泵浦向長波長泵浦的傳遞而很快衰減。以上對波長的影響因素是造成增益平坦度惡化的一個重要原因。波長配制的基本原則是先確定比信號中心波長少100nm的泵浦中心波長，再在其兩側(cè)選擇其他泵浦波長。
2．2 混合放大器中EDFA增益譜的調(diào)節(jié)
對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為拉曼放大器的開關(guān)增益，GEDFA為EDFA的增益。
寬增益譜必須仔細(xì)設(shè)計FRA的增益譜和EDFA的增益譜，使它們的增益譜迭加后滿足系統(tǒng)對增益譜平坦度的要求。對于FRA來說，其增益譜的設(shè)計需要同時對泵浦波長和功率進(jìn)行選擇。對EDFA來說，對其進(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://m.butianyuan.cn/article/186918.htm
2．3 光纖類型的選擇
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于一個給定泵浦功率的放大器，當(dāng)改變光纖類型時相應(yīng)增益的改變情況
2. 4 偏振問題的考慮
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，增量最大。然而在實際應(yīng)用中，由于拉曼放大的有效作用長度通常在十幾千米，使得泵浦和信號光的偏振態(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FRA-EDFA系統(tǒng)為三級：EDFA、均衡器和FRA。所以整個系統(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，NF3是FRA的噪聲系數(shù)，可近似用EDFA噪聲系數(shù)的公式計算。EDFA的脯計算公式為：
式中，G是信號的增益，vs是信號的頻率，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，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)計算，如圖7所示為混合放大器噪聲系數(shù)譜，在整個增益平坦區(qū)內(nèi)NF4dB，符合要求。圖中一并給出了噪聲系數(shù)的實測值，與計算結(jié)果相符。
通過上述幾個因素的分析，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，無論從成本上還是設(shè)計、復(fù)用難度上，都有顯著的改善。
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