本案例展示了EDFA中的兩種離子-離子相互作用效應：

1.均勻上轉換（HUC）

2.非均勻離子對濃度淬滅（PIQ）

離子-離子相互作用效應涉及稀土離子之間的能量轉移問題。當稀有離子的局部濃度變得足夠高時，就不能假設每個孤立的離子都是獨立作用于其周圍。當放大轉換的上能級被能量轉移耗盡時，這可能對放大器性能產生負面影響。

一、均勻上轉換

均勻上轉換效應是Er3+–Er3+相互作用效應，其對EDFA性能的影響與光纖中鉺離子的濃度有關。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，非均勻上轉換往往會對放大器性能造成更大的損害。

為了證明EDFA中均勻上轉換的影響，針對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中均勻上轉換的系統(tǒng)布局

光纖的上轉換壽命定義為：

其中nt是鉺離子的濃度，而Uc是兩粒子上轉換系數。

分別仿真四種光纖：一種光纖沒有均勻的上轉換效應，三種光纖的上轉換壽命分別為1ms、2ms和5ms。

所有光纖都考慮了相同的鉺離子濃度。在考慮均勻上轉換的纖維的情況下，上轉換系數（Uc）的值被設置之后，便確定了相應的上轉換壽命。

圖2（a）顯示了沒有均勻上轉換的光纖的選項卡設置，圖2（b）考慮了1ms的上轉換壽命。

 

a）不考慮均勻上轉換

 

b）考慮了1ms的上轉換壽命

圖2.光纖設置

對泵浦功率進行參數掃描，如圖3：

 

圖3.泵浦參數掃描設置

在模擬之后，繪制了每個光纖的增益與泵浦功率的曲線。圖4顯示了模擬結果。該結果顯示了由于上轉換效應而導致的EDFA的性能下降。為了補償增益的下降，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、非均勻離子對濃度淬滅

非均勻離子對濃度淬滅（PIQ）效應意味著兩個或多個離子之間的能量傳遞速率在時間尺度上明顯快于泵浦速率，因此在所考慮的泵浦功率下，泵浦無法保持兩個離子都被激發(fā)。

當用戶選擇離子-離子相互作用效應參數的非均勻選項時，摻鉺光纖組件將這種效應考慮在內。在這種情況下，用戶必須指定光纖中簇的相對數量（K）和每個簇的離子數量（mk）。圖5顯示了K=1.4%和mk=2的摻雜光纖的示例。

 

圖5.設置光纖中的非均勻離子對濃度淬滅

通過仿真驗證了PIQ對EDFA性能退化的影響。模擬中使用的光纖參數和系統(tǒng)布局如圖6所示。該系統(tǒng)仿真1530nm處的信號增益相對于泵浦功率的曲線。輸入信號功率保持在-20dBm，980nm處的泵浦功率在2mW到50mW之間變化。

圖6.用于分析EDF中非均勻離子對濃度淬滅的系統(tǒng)布局

在這些模擬中，除了簇的相對數量外，所有光纖參數都保持不變，這對于每條曲線都是不同的。在模擬中獲得了三條曲線來證明泵效率的降低。圖7顯示了與沒有PIQ的光纖（K=0）相比，兩個相對簇數量（K=10%和K=20%）的增益降低。

 

模擬結果表明，由于非均勻離子對濃度淬滅的影響，EDFA的性能有很高的退化。

參考文獻：

[1]P. C. Becker, N. A. Olsson, and J. R. Simpson. “Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology”. Optics and Photonics, 1999.

[2]P. Mylinski, D. Nguyen, and J. Chrostowski.”Effects of concentration quenching on the performance of erbium doped fiber amplifiers”. Journal of Lightwave technology, vol. 15, no 1, January 1997.