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。 73