OptiSystem 仿真软件实例
4 光放大器 （Optical Amplifiers）设计
4.1 光放大器简介
光放大器，尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功使光纤通讯技术产生了革命性的变化：用相对简单廉价的光放大器代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光－电－光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，尤其是和WDM技术的珠联璧合，奠定了向未来的全光通信发展的基础。
4.1.1 光放大器分类
主要有三类：
（1） 半导体光放大器（SOA，Semiconductor Optical Amplifer）
（2） 掺稀土元素（铒Er、镨Pr、铷Nd）的光纤放大器；主要是是EDFA，还有PDFA等 （3） 非线性光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器（FRA ，Fiber Raman Amplifier）
针对目前以EDFA的发展最为迅速，应用也最为广泛，在本章中，主要以EDFA为主要介绍和设计对象。但这里需要提到的是，OptiSystem也提供了大量SOA, PDFA, FRA等等光放大器的元件库，为设计者提供了十分便利的分析工具和功能。
4.1.2 掺铒光纤放大器的结构
掺铒光纤放大器的英文缩写为：EDFA，其基本结构如图4.1所示。 输入光信号 光耦 合器 泵浦 光源 光隔 离器 掺铒光纤 光隔 离器 光滤 波器 输出光信号 图4.1 EDFA结构示意图
EDFA主要是由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器以及滤波器等组成。 （1）耦合器（Coupler）将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）。
（2）隔离器防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的无源器件。
（3）掺铒光纤是一段长度大约为10~100m的石英光纤，将稀土元素铒离子Er3+注入到
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纤芯中，浓度一般为25mg/kg。
（4）泵浦光源为半导体激光器，输出光功率约为10~100mW。
（5）光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。
此外，根据泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三种结构方式：同向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构。
EDFA主要优点包括增益高，带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低和对偏振不敏感等。
4.2 光放大器模型设计案例：EDFA增益的优化
4.2.1 设计目的
掺铒光纤放大器的主要性能指标是功率增益、输出饱和功率和噪声系数。EDFA的带宽通常在30nm以上，十分适用于多信道信号的同时放大。但EDFA用于波分复用（WDM）的主要问题就是增益谱不平坦。我们希望各信道有同样的增益，但EDFA增益谱的双峰结构显然是不利的。尤其是级联EDFA链时，各信道的增益差会愈来愈大，噪声累积会愈来愈严重，光信噪比大大下降，甚至系统无法工作。所以在本设计案例中，针对16信道的波分复用输入光信号，我们对EDF的长度和泵浦光源的功率参数值进行优化，以达到所预期的16个信道的增益平坦谱。
4.2.2 原理简介
EDFA的增益介质是纤芯中掺杂的稀土元素铒离子（Er3+）的单模石英光纤。在泵浦源作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源区达到能量密度很高，光和物质的作用区很长，这样降低对泵浦功率的要求。
铒离子有三个工作能级：E1，E2和E3，其中E1能级最低为基态；E2能级为亚稳态，E3能级最高，称为激发态。Er在未受任何光激励的情况下，处于最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。由于处于E3这个高能级的粒子态不稳定，将迅速无辐射跃迁到亚稳态E2上，在该能级上，粒子寿命相对较长，由于泵浦光源不断激发，E2能级上的粒子数不断增加，而E1能级上的粒子数则减少，直至实现粒子数反转分布。当输入光信号E（=hf）正好为E2和E1间的能级差时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子，从而增加了光子数量，形成放大。
4.2.3 模型设计布局图 如图4.2所示：
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图4.2 EDFA增益平坦优化设计布局图
4.2.4 模拟分析
关于EDFA增益平坦的优化可以以示意图4.3来说明：
图4.3 EDFA增益平坦优化原理图
我们设定最终优化的目标为16个信道的增益在一平坦曲线上，如优化参数框设置图4.4-4.7 对于优化设置的一些说明：
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Main：优化方式为“Gain Flatten”增益平坦方式，所要优化达成的目标为“Exact”，优化循环数为60，结果公差为10，有其他参数限制条件。（图4.4）
图4.4 EDFA增益的多参数优化参数设置
Parameters：在本项中设置了需要优化的参数，一为泵浦光源的功率，这里选择0-160mW，初始值为100；另一为掺铒光纤的长度，范围为1-40m，初始值为4m。（图4.5）
图4.5 MPO中要优化的参数
Result：这里要设定我们希望最后优化完成的目标，在本例中为16个信道的增益平坦一致为23dB，如图4.6所示。
