新型掺铒光纤放大器
摘要：这篇文章提出了一个EDFA的新构造。一个光可双向通过的放大器和一个带宽可调谐的滤波器协调使用。自发辐射在中间部分已经被过滤掉了，这样来保证信号在光纤中通过时能有效的放大。对于1550nm的-50dbm的光信号我们得到了61db的高增益。两能级由980nm的激光二极管泵浦。
关键词：EDFA，可调谐滤波器，四倍放大器，光纤通信
引言
掺铒光纤放大器对于波长为1540-1560nm的第三个光纤通信窗口很有吸引力。虽然已经取得了很大进步，但是为了得到高容量的光纤通信，我们还在继续发展高增益的EDFA。然而，光纤系统还在遭受由于光纤材料的不同的固有特性导致的损耗。因此，很多研究都直接指向了新材料和系统的优化。很多系统结构被提出了，来提高放大器的增益，减少噪声。我们知道，目前还没有达到54db附近增益的报道。一个减少ASE自饱和的技术在1976年被提出了。但是，这个结构遇到了由于连接处和其他光部件的缺陷导致的额外反射。其他报告显示出，滤波器可以和光隔离器一起使用来抑制前向的ASE，并且提高信号增益。另一种得到高增益的方法是让光信号通过EDFA两次。
本文的系统结构，通过使用一个相对较短的掺铒光纤，可以得到更高的增益和更好的噪声指数。这个系统结构由一个循环连接器和四个端口构成。端口1用来输入信号，端口2用来信号输出，另外两个端口连接到连接器2和连接器3，这两个连接器每个都有三个端口，用来使信号循环。在实验中这个结构还可以变化出很多结构来。
结果及论证
图一显示了使用DS-DP结构得到的两级四倍放大器。两个TBF包含在了系统中，在CIR2和CIR3的端口1和端口3之间。一个980nm的半导体激光器用来作为泵浦源，它的最大功率为300mw。第一级和第二级由EDF1和EDF2组成，它们分别为10m和15m。EDF1和EDF2在1527波长处有6db/m的峰值吸收率。校准实验显示出，每次通过信号会减弱12db。这样，增强的信号从CIR1的端口1向端口2传播，然后通过
EDF1，得到第一次放大，然后从CIR2的端口2向端口3传播，它第一次通过了TBF滤波器进入端口1并且回到端口2，当它第二次通过EDF1的时候它又一次得到了放大，进入到CIR1的端口2.，然后进入第二级放大，通过EDF2和CIR2。光谱分析仪连接到了CIR1的端口4.这一技术使得信号通过两级放大器后增加了四倍。
图一：DSQP实验结构
图二显示了一个1550nm波长的信号得到增益的细节。这一细节针对了功率在-20dbm，-35dbm和-50dbm的信号。泵浦功率要优化到如下程度：第一级固定为10mw，第二级从10mw增加到220mw，每步增加10mw。增益值在两级的泵浦功率都只有10mw时可以达到41db，得到了对于-50dbm信号的增益系数为4.1db/mw。三个信号的增益都逐步增加着，直到泵浦功率达到80mw时，增益值就增加得慢了。最高的增益为61db，它是对于-50db信号，泵浦功率为220mw时得到的。
图二： 1550nm波长信号实验增益和泵浦功率之间关系
图三是噪声系数和泵浦功率的关系。它显示出泵浦功率增加时噪声系数不变。这可以由噪声系数和泵浦功率的关系来解释，这可能是由于滤波器的影响，它使噪声系数为一个固定值。-50dbm信号有最低噪声系数，为7db。-20db信号噪声系数最高。噪声系数与泵浦功率无关。
图三：1550nm波长信号实验噪声系数和泵浦功率关系
图四显示了增益和噪声系数与1550nm波长输入信号功率之间关系。第二级的泵浦功率设置为220,150,100和50mw，第一级的泵浦功率仍然固定为10mw。对于-30dbm信号，用最低功率50mw泵浦时，增益值超过了40db，因此，最高增益在泵浦功率超过50mw，信号功率低于-30dbm时获得。对于小信号（<-40dbm）我们没有观察到明显的增益饱和现象。我们期望对于更低功率的信号（<-60dbm）增益值可以超过70db。放大器的噪声系数也被记录了下来，它随着信号功率的增加而增加。对于低于-30dbm的信号，噪声系数达到了最低值，最低值在7db和10db之间。
图四：增益和噪声系数与1550nm波长输入信号功率之间关系
图五显示出输出功率和增益之间关系。信号输出功率和增益都随着泵浦功率的增加而增加，并且二者都是常量。泵浦功率为10,30,70和90mw时，输出饱和功率分别为3,8,10.5和13dbm。未达到饱和的增益值为41,47,51,53和54db。对于波长为1550nm的功率为0dbm的输入信号有一个输出功率最大值，为13.01dbm（泵浦90mw），-50dbm信号最大增益值为61db。
图五：1550nm波长信号输出功率和增益之间关系
图六描述了输出信号功率值和输入信号功率值在不同泵浦功率下的关系。图表显示出随着输入信号的增加，输出信号也增加。图表显示出了输出功率对于输入功率的依赖关系。系统显示出对于-30dbm信号的一个较高的输出功率值，为18dbm。信号功率从0dbm减少到-30dbm时，输出信号基本不变。低于-30dbm时输出开始持续降低了。对于-45dbm和-50dbm之间输入信号，输出不足10dbm了。
图六：1550nm波长信号输出信号功率值和输入信号功率值的关系
结论
这篇文章中EDFA的探讨被一个新的放大器给论证了。用几个不同结构类型（比如单次单级，两次单级，两次两级）做了实验之后，现在的设计才实现了。DSQP系统被证实为一个高增益的EDFA。它使用两个980nm泵浦激光和带宽可调谐的滤波器，来抑制噪声和自发辐射光放大（ASE）。最后对于功率为-50dbm，波长1550nm的信号得到了61db的高增益和数值为7的噪声系数。
参考文献
1.S.Ali，Khalid A.S.Al-Khateeb. A New Erbium Doped Fiber Amplifier. Journal of Applied Sciences 9(13):2498-2500,2009
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