本案例展示了EDFA中的兩種離子-離子相互作(zuò)用效應：
1. 均勻上(shàng)轉換（HUC）
2. 非均勻離子對濃度淬滅（PIQ）
離子-離子相互作(zuò)用效應涉及稀土離子之間(jiān)的能量轉移問題。當稀有(yǒu)離子的局部濃度變得(de)足夠高(gāo)時(shí)，就不能假設每個(gè)孤立的離子都是獨立作(zuò)用于其周圍。當放大(dà)轉換的上(shàng)能級被能量轉移耗盡時(shí)，這可(kě)能對放大(dà)器(qì)性能産生(shēng)負面影(yǐng)響。
一、均勻上(shàng)轉換
均勻上(shàng)轉換效應是Er3+–Er3+相互作(zuò)用效應，其對EDFA性能的影(yǐng)響與光纖中铒離子的濃度有(yǒu)關。在具有(yǒu)高(gāo)濃度铒離子（nt>5.1024m-3）的光纖中，與具有(yǒu)較低(dī)铒濃度的光纖相比，非均勻上(shàng)轉換往往會(huì)對放大(dà)器(qì)性能造成更大(dà)的損害。
為(wèi)了證明(míng)EDFA中均勻上(shàng)轉換的影(yǐng)響，針對不同的光纖模拟了圖1中所示的系統，并分析了增益。
圖1.用于分析EDF中均勻上(shàng)轉換的系統布局
光纖的上(shàng)轉換壽命定義為(wèi)：
其中nt是铒離子的濃度，而Uc是兩粒子上(shàng)轉換系數(shù)。
分别仿真四種光纖：一種光纖沒有(yǒu)均勻的上(shàng)轉換效應，三種光纖的上(shàng)轉換壽命分别為(wèi)1ms、2ms和(hé)5ms。
所有(yǒu)光纖都考慮了相同的铒離子濃度。在考慮均勻上(shàng)轉換的纖維的情況下，上(shàng)轉換系數(shù)（Uc）的值被設置之後，便确定了相應的上(shàng)轉換壽命。
圖2（a）顯示了沒有(yǒu)均勻上(shàng)轉換的光纖的選項卡設置，圖2（b）考慮了1ms的上(shàng)轉換壽命。
a）不考慮均勻上(shàng)轉換
b）考慮了1ms的上(shàng)轉換壽命
圖2.光纖設置
對泵浦功率進行(xíng)參數(shù)掃描，如圖3：
圖3.泵浦參數(shù)掃描設置
在模拟之後，繪制(zhì)了每個(gè)光纖的增益與泵浦功率的曲線。圖4顯示了模拟結果。該結果顯示了由于上(shàng)轉換效應而導緻的EDFA的性能下降。為(wèi)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）效應意味着兩個(gè)或多(duō)個(gè)離子之間(jiān)的能量傳遞速率在時(shí)間(jiān)尺度上(shàng)明(míng)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(gè)離子都被激發。
當用戶選擇離子-離子相互作(zuò)用效應參數(shù)的非均勻選項時(shí)，摻铒光纖組件将這種效應考慮在內(nèi)。在這種情況下，用戶必須指定光纖中簇的相對數(shù)量（K）和(hé)每個(gè)簇的離子數(shù)量（mk）。圖5顯示了K=1.4%和(hé)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(tōng)過仿真驗證了PIQ對EDFA性能退化的影(yǐng)響。模拟中使用的光纖參數(shù)和(hé)系統布局如圖6所示。該系統仿真1530nm處的信号增益相對于泵浦功率的曲線。輸入信号功率保持在-20dBm，980nm處的泵浦功率在2mW到50mW之間(jiān)變化。
圖6.用于分析EDF中非均勻離子對濃度淬滅的系統布局
在這些(xiē)模拟中，除了簇的相對數(shù)量外，所有(yǒu)光纖參數(shù)都保持不變，這對于每條曲線都是不同的。在模拟中獲得(de)了三條曲線來(lái)證明(míng)泵效率的降低(dī)。圖7顯示了與沒有(yǒu)PIQ的光纖（K=0）相比，兩個(gè)相對簇數(shù)量（K=10%和(hé)K=20%）的增益降低(dī)。
圖7.光纖的增益與泵浦功率的曲線（PIQ）
模拟結果表明(míng)，由于非均勻離子對濃度淬滅的影(yǐng)響，EDFA的性能有(yǒu)很(hěn)高(gāo)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.
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