實(shí)驗(yàn)二十摻鉺光纖放大器(EDFA)的性能測(cè)試
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實(shí)驗(yàn)二十摻鉺光纖放大器(EDFA)的性能測(cè)試
實(shí)驗(yàn)二十 摻鉺光纖放大器(EDFA)的性能測(cè)試
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
1.測(cè)試摻鉺光纖放大器(EDFA)的各種參數(shù),并根據(jù)測(cè)量的參數(shù)計(jì)算增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù);
2.了解摻鉺光纖放大器(EDFA)的基本結(jié)構(gòu)和功能。
二、實(shí)驗(yàn)原理
在光纖放大器實(shí)用化以前,為了克服光纖傳輸中的損耗,每傳輸一段距離都要進(jìn)行“再生”,即把傳輸后的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、整形后,再去調(diào)制激光器,生成一定強(qiáng)度的光信號(hào),即所謂的O—E—O光電混合中繼。但隨著傳輸碼率的提高,“再生”的難度也隨之提高,于是中繼部分成了信號(hào)傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。光纖放大器的出現(xiàn)解決了這一難題,其不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大,同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能,是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件;由于這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了損耗對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制,更重要的是它開創(chuàng)了C+L波段的波分復(fù)用,從而將使超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離的波分復(fù)用(WDM)、密集波分復(fù)用(DWDM)、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí),是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。
在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)和光纖喇曼放大器(FRA)等,其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)(雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等)等領(lǐng)域。在系統(tǒng)中EDFA有三種基本的應(yīng)用方式:功率放大器(Power booster-Amplifier)、中繼放大器(Line-Amplifier)和前置放大器(Pre-Amplifier)。它們對(duì)放大器性能有不同的要求,功放要求輸出功率大,前放對(duì)噪聲性能要求高,而線放兩者兼顧。
3.摻鉺光纖放大器的工作原理
EDFA的結(jié)構(gòu)圖15-1所示:
圖15-1 EDFA結(jié)構(gòu)示意圖
Er3+能級(jí)圖及放大過(guò)程:摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號(hào)的基本原理在于Er3+吸收泵浦光的能量,由基態(tài)4I15/2躍遷至處于高能級(jí)的泵浦態(tài),對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)電子躍遷到不同的能級(jí),當(dāng)用980nm波長(zhǎng)的光泵浦時(shí),如圖15-2所示,Er+3從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)4I11/2。由于泵浦態(tài)上的載流子的壽命只有1μs,電子迅速以非輻射方式由泵浦態(tài)豫馳至亞穩(wěn)態(tài),在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長(zhǎng)的壽命,在源源不斷的泵浦下,亞穩(wěn)態(tài)上的粒子不斷累積,從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)有1550nm的信號(hào)光通過(guò)已被激活的鉺光纖時(shí),在信號(hào)光的感應(yīng)下,亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以收集受激輻射的方式躍遷到基態(tài),同時(shí)釋放出一個(gè)與感應(yīng)光子全同的光子,從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過(guò)程中不斷放大。在放大過(guò)程中,亞穩(wěn)態(tài)上的粒子也會(huì)以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài),自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會(huì)被放大,這種放大的自發(fā)輻射(ASE:Amplified Spontaneous Enission)會(huì)消耗泵浦光并引入噪聲。
圖15-2 Er+3的能級(jí)圖
2.EDFA的基本性能
EDFA中,當(dāng)接入泵浦光功率后輸入信號(hào)光將得到放大,同時(shí)產(chǎn)生部分ASE自發(fā)輻射光,兩種光都消耗上能級(jí)的鉺粒子。當(dāng)泵浦光功率足夠大,而信號(hào)光與ASE很弱時(shí),上下能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度很高,并可認(rèn)為沿EDFA長(zhǎng)度方向上的上能級(jí)粒子數(shù)保持不變,放大器的增益將達(dá)到很高的值,而且隨輸入信號(hào)光功率的增加,增益仍維持恒定不變,這種增益稱為小信號(hào)增益。
在給定輸入泵浦光功率時(shí),隨著信號(hào)光和ASE光的增大,上能級(jí)粒子數(shù)的增加將因不足以補(bǔ)償消耗而逐漸減少,增益也將不能維持初始值不變,并逐漸下降,此時(shí)放大器進(jìn)入飽和工作狀態(tài),增益產(chǎn)生飽和。飽和增益值不是一個(gè)確定值,隨輸入功率和飽和深度以及泵浦光功率而變。
小信號(hào)(線性)增益:輸出與輸入信號(hào)光功率之比,不包括泵光和ASE光。
(1)
式中Pin和Pout是被放大的連續(xù)信號(hào)光的輸入和出功率,PASE是放大的自發(fā)輻射噪聲功率。
飽和輸出功率:增益相對(duì)小信號(hào)增益減小3dB時(shí)的輸出功率稱為飽和輸出功率,在本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)作圖法得到。
噪聲系數(shù)(NF:Noise Figure):定義為放大器輸入信噪比和輸出信噪比之比,
(2)
(2)
式中 h:普朗克常數(shù),6.626196×10-34J·sec :光頻率,
B0:有效帶寬,本實(shí)驗(yàn)里取為40nm。
偏振相關(guān)增益變化:測(cè)算出不同偏振狀態(tài)下的小信號(hào)增益值,找出所有小信號(hào)增益值中的最大值和最小值,偏振相關(guān)增益變化可由下式算出:
(3)
三、實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)需要下列實(shí)驗(yàn)器件:
1550nm LD光源; EDFA; 光固定衰減器(Fixed Attenuator);
光功率計(jì)(Optical power meter); 偏振控制器(Polatization control);
跳線(Jumper Cable); 法蘭盤(Sdaptor)。
按圖15-3所示將各器件放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。
EDFA
Power meter
(a)
EDFA
1550nmLD
Power meter
PC
圖15-3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
Attenuator
(b)
A
B
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1.測(cè)量EDFA的增益曲線:按圖3(a)所示用跳線連好實(shí)驗(yàn)裝置,開啟EDFA稍候至穩(wěn)定工作狀態(tài),先使EDFA的輸入懸空,輸出接光功率計(jì),測(cè)得EDFA的自發(fā)輻射噪聲功率PASE;然后圖15-3(b)連接各裝置,開啟1550nm LD光源稍候至穩(wěn)定輸出狀態(tài),改變固定衰減器的數(shù)目,組合出不同的衰減率:35dB、30dB、25dB、20dB、15 dB、10 dB、5 dB;用功率計(jì)在A點(diǎn)處測(cè)量并記錄信號(hào)光的輸入功率Pin,同時(shí)對(duì)應(yīng)每一個(gè)輸入功率值,都要在B點(diǎn)處測(cè)得一個(gè)經(jīng)過(guò)EDFA的放大后輸出功率Pout,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表15-1中,計(jì)算出各個(gè)輸入功率下的增益值G,繪制出增益曲線。
表15-1:
編號(hào)
輸入功率
Pin(dBm)
輸出功率
Pout(dBm)
噪聲功率
PASE(dBm)
增益
G(dB)
噪聲系數(shù)
NF(dB)
1
2
3
4
5
6
7
8
2.輸出飽和功率、能夠判別線性工作區(qū)和飽和工作區(qū):在本實(shí)驗(yàn)中飽和輸出功率通過(guò)作圖法得到,在1中測(cè)得的增益曲線示意圖如圖15-4所示,曲線a是EDFA的增益曲線,虛線b表示其過(guò)0點(diǎn)的切線,其斜率即小信號(hào)增益,虛線c的斜率是b的一半,所以與曲線a的交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的輸出功率值即EDFA的飽和輸出功率。圖中豎虛線d左側(cè)是EDFA的線性工作區(qū),右側(cè)是EDFA的飽和工作區(qū)。
Pin
Pout
a
b
c
A
d
圖15-4 EDFA增益曲線示意圖
O
3.繪制噪聲系數(shù)曲線:根據(jù)式計(jì)算EDFA的噪聲系數(shù),并繪制以輸入功率為橫軸以噪聲系數(shù)為縱軸的噪聲系數(shù)曲線。
4.偏振相關(guān)增益變化:重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟1的測(cè)量過(guò)程,只是測(cè)量輸入和輸出功率時(shí)在衰減器和EDFA之間加入偏振控制器,測(cè)出各種偏振狀態(tài)下的小信號(hào)增益值,并找出其中的最大值Gmax和最小值Gmin代入(3)式,計(jì)算出偏振相關(guān)增益。
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