第四次實驗報告-測量摻鉺光纖放大器放大特性

1、現(xiàn)代通信光電子學實驗報告實驗名稱：測量摻鉺光纖放大器放大特性學生姓名：學 號：同組學生姓名：何子力實驗日期：2017.5.14報告提交日期：2017.5.28目錄一、實驗目的和要求1二、實驗內容和原理22.1 摻鉺光纖放大器的工作原理22.2 增益特性分析5三、主要儀器設備6四、操作方法與實驗步驟6五、實驗結果記錄9六、實驗結果分析12七、結論與思考15八、參考資料15九、附件161、 實驗目的和要求1、了解摻鉺光纖放大器的工作原理2、理解慘耳光纖放大器（EDFA）的基本結構和功能；3、測試摻鉺光纖放大器（EDFA）的各種參數(shù)并通過測量的參數(shù)計算增益， 輸出飽和功率，噪聲系數(shù)4、了解影響摻鉺光

2、纖放大器放大率的因素5、了解怎樣使用實驗儀器6、確定摻鉺光纖放大器工作的臨界狀態(tài)，繪制放大特性曲線二、實驗內容和原理 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OEO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(xiàn)解決了這一難題，其不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、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

3、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CL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、密集波分復用、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)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(xiàn)已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網、光纖CATV網、軍用系統(tǒng)（雷達多路數(shù)據(jù)復接、數(shù)據(jù)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

4、 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，而中放兩者兼顧。 2.1摻鉺光纖放大器的工作原理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，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15-1所示，Er3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1s，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

5、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(xiàn)粒子數(shù)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(xiàn)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 1 EDFA放大原理其結構如圖15-2所示。泵浦光由半導體激光器(LD)提供，與被放大信號光一起通過光耦合

6、器或波分復用耦合器注入摻餌光纖(EDF)。光隔離器用于隔離反饋光信號，提高穩(wěn)定性。光濾波器用于濾除放大過程中產生的噪聲。為了提高EDFA的輸出功率，泵浦激光亦可從EDF的末端(放大器輸出端)注入，或輸入輸出端同時注入，分別如圖15-2 (a)、(b)、(c)所示。圖2 摻鉺光纖放大器的基本結構(a) 前向或正向泵浦結構；(b) 后向或反向泵浦結構；(c)雙向泵浦結構這三種結構的EDFA分別稱作前向泵、后向泵和雙向泵摻鉺光纖放大器。雙向泵浦可以采用同樣波長的泵浦源，也可采用1480nm和980nm雙泵浦源方式。980nm的泵浦源工作在放大器的前端，用以優(yōu)化噪聲性能；1480nm泵浦源工作在放大器

7、后端，以便獲得最大的功率轉換效率，這種配置既可以獲得高的輸出功率，又能得到較好的噪聲系數(shù)。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(shù)反轉程度很高，并可認為沿EDFA長度方向上的上能級粒子數(shù)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(shù)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

8、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)式中 h：普朗克常數(shù)，6.626196×10-34J·sec ：光頻率，以波長1550nm計算，B0：有效帶寬，本實驗里取為40nm。偏振相關增益變化

9、：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） 2.2 增益特性分析 增益的大小表示放大器的放大能力，它與EDF 的摻鉺濃度，摻雜半徑，光纖長度，泵浦波長及功率，信號波長及功率等因素有關。EDFA 的波長帶寬是指最小小信號增益與最大小信號增益之差小于3dB 的波長間隔，波長帶寬主要取決于纖芯中添加劑的選擇EDFA的增益特性增益G是描述光放大器對信號放大能力的參數(shù)。定義為： 增益譜G(l)：增益G與信號光波長l的關系。如圖3所示，光放大器的增益譜不平坦。圖3 EDFA增益與信號光波長關系圖 小信號增益與泵浦光功率關系如圖4所示

10、，對于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時按指數(shù)增加，當泵浦功率超過一定值時，增益增加變緩，并趨于一恒定值，出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象。圖4 EDFA增益與泵浦光功率關系圖小信號增益與摻鉺光纖長度關系如圖5所示，當泵浦功率一定時，放大器在某一最佳長度時獲得最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能量，導致增益很快下降。圖5 EDFA增益與摻鉺光纖長度關系圖因此，在EDFA設計中，需要在摻鉺光纖結構參數(shù)的基礎上，選擇合適的泵浦功率和光纖長度，使放大器工作于最佳狀態(tài)。輸出飽和功率 輸出飽和功率是一個描述輸入信號功率與輸出信

11、號功率之間關系的參量。如圖6所示。由圖可看出，在摻鉺光纖放大器中，輸入信號功率和輸出信號功率并不完全成正比關系，而是存在著飽和的趨勢。 摻鉺光纖放大器的最大輸出功率常用3dB輸出飽和功率來表示。如7圖所示，當飽和增益下降3dB時所對應的輸出功率值為3dB輸出飽和功率，它代表了摻鉺光纖放大器的最大輸出能力。圖6摻鉺光纖放大器輸出飽和功率曲線圖7 摻鉺光纖放大器輸出飽和功率曲3、 主要儀器設備1. 1550nm LD光源1套2. EDFA1臺3. 光功率計（Optical power meter） 1臺4. 跳線(Jumper Cable) 6根5. 法蘭盤(Sdaptor) 幾個四、操作方法與實

12、驗步驟實驗一：增益譜測量（輸入波長與增益的關系）1.在TLS光源與50Km單模光纖之間加入10dB衰減器，再連接光功率計。輸出功率0dBm，輸出波長1530-1560nm，每隔0.8nm測一組數(shù)據(jù)。記錄不同波長下的功率值。數(shù)據(jù)記錄在表一圖表3.實驗一（1）連接示意圖2.開啟EDFA，在電腦上設置其工作模式為ACC，分別設置電流為80mA和150mA。在EDFA和光功率計之間加入15dB衰減器。調整光源輸出波長1530-1560nm，每隔0.8nm測一組數(shù)據(jù)。記錄不同波長下的功率值。數(shù)據(jù)記錄在表二。畫出EDFA增益譜圖，并作分析。圖表3.實驗一（2）連接示意圖實驗二：增益飽和測量1. 將TLS光

13、源與50Km單模光纖用跳線連接好，再連接光功率計。將TLS光源的輸出波長設為1550nm，輸出功率0dBm10dBm，每隔0.5dB測一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表三。在TLS和單模光纖之間加入10dB衰減器，輸出波長1550nm，TLS輸出功率0dBm10dBm，每隔0.5dB測一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表三。圖表4.（1）實驗二（1）連接示意圖2. 將EDFA調置ACC工作模式，電流為80/150mA。在光纖端口加入15dB衰減器與EDFA連接，輸出端口接光功率計，測量并記錄光功率值，數(shù)據(jù)記錄在表四。TLS輸出功率0dBm10dBm，每隔0.5dB測一組數(shù)據(jù)。TLS輸出波長1550nm，輸出功率0dBm10dB

14、m，每隔0.5dB測一組數(shù)據(jù)。記錄光功率計值，數(shù)據(jù)記錄在表四。畫出EDFA增益與輸入功率關系圖，并作分析。計算出不同輸出功率下的增益值G，繪制出增益曲線。圖表4.（2）實驗二（2）連接示意圖五、實驗結果記錄1530.331531.121531.91532.681533.471534.251535.041535.821536.611537.4-18.75-18.7-18.5-18.55-18.6-18.55-18.55-18.45-18.45-18.551538.191538.981539.771540.561541.351542.141542.941543.731544.531545.32-1

15、8.35-18.25-18.4-18.3-18.25-18.2-18.15-18.25-18.3-18.051546.121546.921547.721548.511549.321550.121550.921551.721552.521553.33-18.05-18.15-18.1-18.1-17.95-17.95-18.15-18.05-17.8-17.91554.131554.941555.751556.551557.361558.171558.981559.791560.61-18-17.95-17.9-17.7-17.8-18.05-17.8-17.6-17.8表一 不同波長下的功率值

16、203mA光功率計PI(輸入)PO（輸出）83mA光功率計PIPI(輸入)PO（輸出）1530.330.7-4014.31530.336.7408.21531.120.7-4014.41531.126.8408.31531.90.65-21.814.31531.96.7408.21532.680.75-21.814.31532.686.9408.21533.470.65-21.514.21533.476.9408.11534.250.95-21.814.11534.257.1407.91535.041.15-21.813.81535.047.2407.71535.821.55-21.813.6

17、1535.827.6407.51536.611.4-21.313.41536.617.45407.41537.41.8-21.313.31537.47.75407.31538.191.75-21.513.21538.197.75407.21538.981.9-21.513.11538.987.9407.21539.771.9-21.313.21539.777.857.21540.561.8-21.113.21540.567.757.31541.351.8-21.313.31541.357.67.41542.141.8-21.313.31542.147.77.41542.941.8-21.313

18、.31542.947.77.41543.731.55-20.813.41543.737.57.51544.531.8-20.813.41544.537.77.51545.321.6-21.313.31545.327.457.51546.121.9-21.113.31546.127.57.51546.921.75-20.813.31546.921547.721.75-20.813.31547.721548.511.8-20.813.21548.511549.322-21.113.21549.321550.121.85-20.813.21550.121550.921.9-20.613.21550.

19、921551.721.9-20.613.21551.721552.521.75-20.813.21552.521553.331553.331554.131554.131554.941554.941555.751555.751556.551556.551557.361557.361558.171558.171560.611560.61表二 電流分別為80mA和150mA時，不同波長下的功率值1550.12（0dB）輸出功率光功率計1550.12(10dB)輸出功率光功率計0-8.60-180.5-8.10.5-17.551-7.651-17.051.5-6.751.5-16.62-6.32-16

20、.152.5-5.652.5-15.653-5.23-15.23.5-4.73.5-14.754-4.254-14.254.5-3.84.5-13.85-3.355-13.355.5-2.655.5-12.96-2.456-12.456.5-2.46.5-11.957-2.47-11.57.5-2.57.5-11.058-2.558-10.658.5-2.558.5-10.29-2.69-9.79.5-2.69.5-9.310-2.610-8.85表三1550.12TLS輸出功率PI(輸入)PO（輸出）光功率計1550.12TLS輸出功率PI(輸入)PO（輸出）光功率計156mA0-20-11

21、.5-4.0588mA0-20.6-7.8-7.30.5-19.5-11.7-3.80.5-19.8-8-7.21-18.8-11.8-3.61-19.3-8.1-7.11.5-18.2-11.9-3.51.5-18.5-8.2-6.92-17.6-12.1-3.42-17.9-8.4-6.72.5-17.1-12.2-3.32.5-17.3-8.5-6.63-16-12.4-33-16.2-8.7-6.43.5-15.4-12.5-2.953.5-15.6-8.6-6.34-15-12.6-2.84-15-9-6.24.5-14.4-12.7-2.74.5-14.5-9.1-65-13.9-

22、12.8-2.45-14-9.2-5.95.5-13.9-12.8-2.355.5-13.5-9.3-5.86-13.4-12.9-2.26-13.5-9.2-5.86.5-12.9-13-2.26.5-13-9.3-5.857-12.4-13.1-2.17-12.5-9.4-5.757.5-12-13.2-2.17.5-12-9.5-5.68-11.5-13.2-1.958-11.5-9.6-5.558.5-11-13.3-1.958.5-11-9.6-5.559-10.5-13.4-1.99-10.6-9.7-5.49.5-10.1-13.4-1.89.5-10.1-9.8-5.3510-9.6-13.5-1.7510-9.6-9.8-5.3表四6、 實驗結果分析對表一的數(shù)據(jù)進行matlab擬合，得如下圖形一：圖一從圖一可以得出結論，在輸出功率0dBm時，波長越長功率值越大，呈線性關系對表二的數(shù)據(jù)在excel上進行處理得出圖二，在泵浦電流一定的情況下，EDFA的增益隨著輸入信號波長的增加先降低，然后趨于平穩(wěn)。且泵浦電流越大其對應的增益越大。由于EDFA儀器有問題，輸入?yún)?shù)調節(jié)不了，所以后面數(shù)據(jù)并沒有記錄。可能是實驗儀器比較老，ED