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：

图4.2 EDFA增益平坦优化设计布局图