OptiSystem仿真实例 - 图文(5)

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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。Er3+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。

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图4.6 MPO中的最后要达到的16信道增益平坦目标设定

Constraint：这里设定了两个限制条件，一为输出信号的最大/最小增益比，要求小于0.5；另一为光功率计检测到的总功率大于8.5dB ]

图4.7 MPO对EDFA增益平坦优化的限制参数设定

Advanced：一些其他高级设置，在本例中使用缺省值即可。

选择运行对话框中的优化（Optimization）并运行，可看到运行优化的过程如图4.8所示。

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图4.7 EDFA增益的优化进程

我们可分别得到EDF的长度和泵浦光源的功率的最终优化值：

最终，我们可以通过Dual Port WDM Analyzer来分析模拟后得到的16个信道数据，如图4.8所示：

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