混合(FRA-EDFA)光纖放大器的設計研究
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2 混合光纖放大器的設計要素
在設計FRA-EDFA系統時(shí)，應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(xiàn)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(gè)光波的光纖損耗系數：Keff為極化因子，由于采用普通光纖且傳輸距離較長(cháng)，可認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；n，m分別為信號光和泵浦光的個(gè)數。
2．1 混合放大器泵浦波長(cháng)的設計
不同的泵浦波長(cháng)對增益的貢獻不同，故會(huì )產(chǎn)生增益的起伏。其對增益平坦度的影響主要來(lái)源于三個(gè)因素：1)拉曼增益系數與泵浦波長(cháng)成反比，不同波長(cháng)的泵浦對信號的最大增益不同；2)不同的泵浦對信號波長(cháng)的放大區域不同。泵浦對超過(guò)自身波長(cháng)100nm的信號增益貢獻最大，在此波長(cháng)兩側則逐步降低；3)泵浦之間會(huì )相互影響，長(cháng)波長(cháng)泵浦光得到放大，而短波長(cháng)的泵浦光卻由于能量由短波長(cháng)泵浦向長(cháng)波長(cháng)泵浦的傳遞而很快衰減。以上對波長(cháng)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(cháng)配制的基本原則是先確定比信號中心波長(cháng)少100nm的泵浦中心波長(cháng)，再在其兩側選擇其他泵浦波長(cháng)。
2．2 混合放大器中EDFA增益譜的調節
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(kāi)關(guān)增益，GEDFA為EDFA的增益。
寬增益譜必須仔細設計FRA的增益譜和EDFA的增益譜，使它們的增益譜迭加后滿(mǎn)足系統對增益譜平坦度的要求。對于FRA來(lái)說(shuō)，其增益譜的設計需要同時(shí)對泵浦波長(cháng)和功率進(jìn)行選擇。對EDFA來(lái)說(shuō)，對其進(jìn)行處理可采用高斯形狀的光濾波器。濾波器函數為：
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://dyxdggzs.com/article/186918.htm
2．3 光纖類(lèi)型的選擇
光纖的參數，如光纖的有效面積、拉曼增益與有效面積的比值、有效長(cháng)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(gè)給定泵浦功率的放大器，當改變光纖類(lèi)型時(shí)相應增益的改變情況
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)際應用中，由于拉曼放大的有效作用長(cháng)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容易出現增益不均，故要避免PDG。
2．5 系統噪聲的分析
整個(gè)FRA-EDFA系統為三級：EDFA、均衡器和FRA。所以整個(gè)系統的噪聲系數為：
式中：NF1是EDFA的噪聲系數，NF2是均衡器的噪聲系數，可忽略不計，NF3是FRA的噪聲系數，可近似用EDFA噪聲系數的公式計算。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，從而能夠提高系統整體性能。假設EDFA的噪聲系數為5dB，經(jīng)計算，如圖7所示為混合放大器噪聲系數譜，在整個(gè)增益平坦區內NF4dB，符合要求。圖中一并給出了噪聲系數的實(shí)測值，與計算結果相符。
通過(guò)上述幾個(gè)因素的分析，可以得出結論：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，具有較寬的帶寬和平坦的增益譜，并且噪聲系數也很低(4dB)。這種混合光纖放大器和完全用多泵浦復用FRA比起來(lái)，無(wú)論從成本上還是設計、復用難度上，都有顯著(zhù)的改善。
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