實驗二十摻鉺光纖放大器(EDFA)的性能測試

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1、實驗二十 摻鉺光纖放大器（EDFA）的性能測試 一、實驗目的 1.測試摻鉺光纖放大器（EDFA）的各種參數，并根據測量的參數計算增益、輸出飽和功率和噪聲系數； 2.了解摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本結構和功能。 二、實驗原理 在光纖放大器實用化以前，為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離都要進行“再生”，即把傳輸后的弱光信號轉換成電信號，經過放大、整形后，再去調制激光器，生成一定強度的光信號，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傳輸容量擴大的“瓶頸”。光纖放大器的出現解決了這一難題，其不但可對光信號進行直接放大，同

2、時還具有實時、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)中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了損耗對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了C＋L波段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。 在目前實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)越的性能現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率

3、的光纖通信系統(tǒng)、接入網、光纖CATV網、軍用系統(tǒng)（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域。在系統(tǒng)中EDFA有三種基本的應用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中繼放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它們對放大器性能有不同的要求，功放要求輸出功率大，前放對噪聲性能要求高，而線放兩者兼顧。 3．摻鉺光纖放大器的工作原理 EDFA的結構圖15-1所示： 圖15-1 EDFA結構示意圖 Er3+能級圖及放大過程：摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號的基本原理在于Er3＋吸收泵浦光的能量

4、，由基態(tài)4I15/2躍遷至處于高能級的泵浦態(tài)，對于不同的泵浦波長電子躍遷到不同的能級，當用980nm波長的光泵浦時，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，從而實現粒子數反轉分布。當有1550nm的信號光通過已被激活的鉺光纖時，在信號光的感應下，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)，同時釋放出一個與感應光子全同的光子，從而實現了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。在放大過程中，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子也會以自發(fā)輻射的方式躍遷

5、到基態(tài)，自發(fā)輻射產生的光子也會被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE:Amplified Spontaneous Enission）會消耗泵浦光并引入噪聲。 圖15-2 Er＋3的能級圖 2.EDFA的基本性能 EDFA中，當接入泵浦光功率后輸入信號光將得到放大，同時產生部分ASE自發(fā)輻射光，兩種光都消耗上能級的鉺粒子。當泵浦光功率足夠大，而信號光與ASE很弱時，上下能級的粒子數反轉程度很高，并可認為沿EDFA長度方向上的上能級粒子數保持不變，放大器的增益將達到很高的值，而且隨輸入信號光功率的增加，增益仍維持恒定不變，這種增益稱為小信號

6、增益。 在給定輸入泵浦光功率時，隨著信號光和ASE光的增大，上能級粒子數的增加將因不足以補償消耗而逐漸減少，增益也將不能維持初始值不變，并逐漸下降，此時放大器進入飽和工作狀態(tài)，增益產生飽和。飽和增益值不是一個確定值，隨輸入功率和飽和深度以及泵浦光功率而變。 小信號（線性）增益：輸出與輸入信號光功率之比，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：增益相對小信號增益減小3dB時的輸出功率稱為飽和輸出功率，在本實驗中通過

7、作圖法得到。 噪聲系數（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，6.626196×10-34J·sec ：光頻率， B0：有效帶寬，本實驗里取為40nm。 偏振相關增益變化：測算出不同偏振狀態(tài)下的小信號增益值，找出所有小信號增益值中的最大值和最小值，偏振相關增益變化可由下式算出： (3) 三、實驗裝置 本實驗需要下

8、列實驗器件： 1550nm LD光源； EDFA； 光固定衰減器（Fixed Attenuator）； 光功率計（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驗臺上。 EDFA Power meter (a) EDFA 1550nmLD Power meter PC 圖15-3 實驗裝置示意圖 Attenuator (b) A B

9、 四、實驗步驟 1．測量EDFA的增益曲線：按圖3(a)所示用跳線連好實驗裝置，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，測得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目，組合出不同的衰減率：35dB、30dB、25dB、20dB、15 dB、10 dB、5 dB；用功率計在A點處測量并記錄信號光的輸入功率Pin，同時對應每一個輸入功率值，都要在B點處測得一個經過EDFA的放大后輸出功率Pout，并將實驗數據填入表15-1中，計算出各個輸入功率下的增益值G，繪制

10、出增益曲線。 表15-1： 編號 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 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)：在本實驗中飽和輸出功率通過作圖法得到，在1中測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0點的切線，其斜率即小信

11、號增益，虛線c的斜率是b的一半，所以與曲線a的交點A所對應的輸出功率值即EDFA的飽和輸出功率。圖中豎虛線d左側是EDFA的線性工作區(qū)，右側是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．繪制噪聲系數曲線：根據式計算EDFA的噪聲系數，并繪制以輸入功率為橫軸以噪聲系數為縱軸的噪聲系數曲線。 4．偏振相關增益變化：重復實驗步驟1的測量過程，只是測量輸入和輸出功率時在衰減器和EDFA之間加入偏振控制器，測出各種偏振狀態(tài)下的小信號增益值，并找出其中的最大值Gmax和最小值Gmin代入（3）式，計算出偏振相關增益。 73