本案例展示了EDFA中的兩種離子-離子相互作用效應(yīng)：
1. 均勻上轉(zhuǎn)換（HUC）
2. 非均勻離子對(duì)濃度淬滅（PIQ）
離子-離子相互作用效應(yīng)涉及稀土離子之間的能量轉(zhuǎn)移問(wèn)題。當(dāng)稀有離子的局部濃度變得足夠高時(shí)，就不能假設(shè)每個(gè)孤立的離子都是獨(dú)立作用于其周圍。當(dāng)放大轉(zhuǎn)換的上能級(jí)被能量轉(zhuǎn)移耗盡時(shí)，這可能對(duì)放大器性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
一、均勻上轉(zhuǎn)換
均勻上轉(zhuǎn)換效應(yīng)是Er3+–Er3+相互作用效應(yīng)，其對(duì)EDFA性能的影響與光纖中鉺離子的濃度有關(guān)。在具有高濃度鉺離子（nt>5.1024m-3）的光纖中，與具有較低鉺濃度的光纖相比，非均勻上轉(zhuǎn)換往往會(huì)對(duì)放大器性能造成更大的損害。
為了證明EDFA中均勻上轉(zhuǎn)換的影響，針對(duì)不同的光纖模擬了圖1中所示的系統(tǒng)，并分析了增益。
圖1.用于分析EDF中均勻上轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)布局
光纖的上轉(zhuǎn)換壽命定義為：
其中nt是鉺離子的濃度，而Uc是兩粒子上轉(zhuǎn)換系數(shù)。
分別仿真四種光纖：一種光纖沒(méi)有均勻的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，三種光纖的上轉(zhuǎn)換壽命分別為1ms、2ms和5ms。
所有光纖都考慮了相同的鉺離子濃度。在考慮均勻上轉(zhuǎn)換的纖維的情況下，上轉(zhuǎn)換系數(shù)（Uc）的值被設(shè)置之后，便確定了相應(yīng)的上轉(zhuǎn)換壽命。
圖2（a）顯示了沒(méi)有均勻上轉(zhuǎn)換的光纖的選項(xiàng)卡設(shè)置，圖2（b）考慮了1ms的上轉(zhuǎn)換壽命。
a）不考慮均勻上轉(zhuǎn)換
b）考慮了1ms的上轉(zhuǎn)換壽命
圖2.光纖設(shè)置
對(duì)泵浦功率進(jìn)行參數(shù)掃描，如圖3：
圖3.泵浦參數(shù)掃描設(shè)置
在模擬之后，繪制了每個(gè)光纖的增益與泵浦功率的曲線。圖4顯示了模擬結(jié)果。該結(jié)果顯示了由于上轉(zhuǎn)換效應(yīng)而導(dǎo)致的EDFA的性能下降。為了補(bǔ)償增益的下降，必須增加泵浦功率。
圖4.光纖的增益與泵浦功率的曲線(HUC)
二、非均勻離子對(duì)濃度淬滅
非均勻離子對(duì)濃度淬滅（PIQ）效應(yīng)意味著兩個(gè)或多個(gè)離子之間的能量傳遞速率在時(shí)間尺度上明顯快于泵浦速率，因此在所考慮的泵浦功率下，泵浦無(wú)法保持兩個(gè)離子都被激發(fā)。
當(dāng)用戶選擇離子-離子相互作用效應(yīng)參數(shù)的非均勻選項(xiàng)時(shí)，摻鉺光纖組件將這種效應(yīng)考慮在內(nèi)。在這種情況下，用戶必須指定光纖中簇的相對(duì)數(shù)量（K）和每個(gè)簇的離子數(shù)量（mk）。圖5顯示了K=1.4%和mk=2的摻雜光纖的示例。
圖5.設(shè)置光纖中的非均勻離子對(duì)濃度淬滅
通過(guò)仿真驗(yàn)證了PIQ對(duì)EDFA性能退化的影響。模擬中使用的光纖參數(shù)和系統(tǒng)布局如圖6所示。該系統(tǒng)仿真1530nm處的信號(hào)增益相對(duì)于泵浦功率的曲線。輸入信號(hào)功率保持在-20dBm，980nm處的泵浦功率在2mW到50mW之間變化。
圖6.用于分析EDF中非均勻離子對(duì)濃度淬滅的系統(tǒng)布局
在這些模擬中，除了簇的相對(duì)數(shù)量外，所有光纖參數(shù)都保持不變，這對(duì)于每條曲線都是不同的。在模擬中獲得了三條曲線來(lái)證明泵效率的降低。圖7顯示了與沒(méi)有PIQ的光纖（K=0）相比，兩個(gè)相對(duì)簇?cái)?shù)量（K=10%和K=20%）的增益降低。
圖7.光纖的增益與泵浦功率的曲線（PIQ）
模擬結(jié)果表明，由于非均勻離子對(duì)濃度淬滅的影響，EDFA的性能有很高的退化。
參考文獻(xiàn)：
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