第四次实验报告-测量掺铒光纤放大器放大特性

现代通信光电子学实验报告实验名称：测量掺铒光纤放大器放大特性学生姓名：学号：同组学生姓名：何子力实验日期：2017.5.14报告提交日期：2017.5.28目录一、实验目的和要求 (1)二、实验内容和原理 (2)2.1 掺铒光纤放大器的工作原理 (2)2.2 增益特性分析 (5)三、主要仪器设备 (6)四、操作方法与实验步骤 (6)五、实验结果记录 (9)六、实验结果分析 (12)七、结论与思考 (15)八、参考资料 (16)九、附件 (16)一、实验目的和要求1、了解掺铒光纤放大器的工作原理2、理解惨耳光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能；3、测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数并通过测量的参数计算增益，输出饱和功率，噪声系数4、了解影响掺铒光纤放大器放大率的因素5、了解怎样使用实验仪器6、确定掺铒光纤放大器工作的临界状态，绘制放大特性曲线二、实验内容和原理在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。

但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。

光纤放大器的出现解决了这一难题，其不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用、密集波分复用、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。

在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域。

在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。

它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而中放两者兼顾。

2.1掺铒光纤放大器的工作原理Er3+能级图及放大过程：掺铒光纤放大器之所以能放大光信号的基本原理在于Er3＋吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁到不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图15-1所示，Er＋3从基态跃迁至泵浦态4I11/2。

由于泵浦态上的载流子的寿命只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子不断累积，从而实现粒子数反转分布。

当有1550nm的信号光通过已被激活的铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以收集受激辐射的方式跃迁到基态，同时释放出一个与感应光子全同的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。

在放大过程中，亚稳态上的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射（ASE:Amplified Spontaneous Enission）会消耗泵浦光并引入噪声。

图 1 EDFA 放大原理其结构如图15-2所示。

泵浦光由半导体激光器(LD)提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复用耦合器注入掺饵光纤(EDF)。

光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。

光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。

为了提高EDFA 的输出功率，泵浦激光亦可从EDF 的末端(放大器输出端)注入，或输入输出端同时注入，分别如图15-2 (a)、(b)、(c)所示。

图2 掺铒光纤放大器的基本结构(a) 前向或正向泵浦结构；(b) 后向或反向泵浦结构；(c)双向泵浦结构这三种结构的EDFA 分别称作前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤放大器。

4I 11/24I 13/24I15/2双向泵浦可以采用同样波长的泵浦源，也可采用1480nm 和980nm 双泵浦源方式。

980nm 的泵浦源工作在放大器的前端，用以优化噪声性能；1480nm 泵浦源工作在放大器后端，以便获得最大的功率转换效率，这种配置既可以获得高的输出功率，又能得到较好的噪声系数。

EDFA 中，当接入泵浦光功率后输入信号光将得到放大，同时产生部分ASE 自发辐射光，两种光都消耗上能级的铒粒子。

当泵浦光功率足够大，而信号光与ASE 很弱时，上下能级的粒子数反转程度很高，并可认为沿EDFA 长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的值，而且随输入信号光功率的增加，增益仍维持恒定不变，这种增益称为小信号增益。

在给定输入泵浦光功率时，随着信号光和ASE 光的增大，上能级粒子数的增加将因不足以补偿消耗而逐渐减少，增益也将不能维持初始值不变，并逐渐下降，此时放大器进入饱和工作状态，增益产生饱和。

饱和增益值不是一个确定值，随输入功率和饱和深度以及泵浦光功率而变。

小信号（线性）增益：输出与输入信号光功率之比，不包括泵光和ASE 光。

()()in ASE out P P P G -=10log 10 (1) 式中P in 和P out 是被放大的连续信号光的输入和出功率，P ASE 是放大的自发辐射噪声功率。

饱和输出功率：增益相对小信号增益减小3dB 时的输出功率称为饱和输出功率，在本实验中通过作图法得到。

噪声系数（NF ：Noise Figure ）:定义为放大器输入信噪比和输出信噪比之比,(2) 式中 h ：普朗克常数，6.626196×10-34J ·sec ν：光频率，以波长1550nm计算，B 0：有效带宽，本实验里取为40nm 。

()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=+=ASE out in ASE out in ASE ASE P P P P P hvB P P h 010l0l 1010log )G 1B G P (log 10)dB (NF ν偏振相关增益变化p G ∆：测算出不同偏振状态下的小信号增益值，找出所有小信号增益值中的最大值max G 和最小值min G ，偏振相关增益变化p G ∆可由下式算出：min max G G G p -=∆ （3）2.2 增益特性分析增益的大小表示放大器的放大能力，它与EDF 的掺铒浓度，掺杂半径，光纤长度，泵浦波长及功率，信号波长及功率等因素有关。

EDFA 的波长带宽是指最小小信号增益与最大小信号增益之差小于3dB 的波长间隔，波长带宽主要取决于纤芯中添加剂的选择EDFA 的增益特性增益G 是描述光放大器对信号放大能力的参数。

定义为：① 增益谱G(λ)：增益G 与信号光波长λ的关系。

如图3所示，光放大器的增益谱不平坦。

图3 EDFA 增益与信号光波长关系图② 小信号增益与泵浦光功率关系如图4所示，对于给定的放大器长度（EDF 长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值，出现增益饱和现象。

图4 EDFA增益与泵浦光功率关系图③小信号增益与掺铒光纤长度关系如图5所示，当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。

图5 EDFA增益与掺铒光纤长度关系图因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。

④输出饱和功率输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。

如图6所示。

由图可看出，在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。

掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB输出饱和功率来表示。

如7图所示，当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为3dB输出饱和功率，它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力。

图6掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线图7 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲三、主要仪器设备1.1550nm LD光源1套2.EDFA 1台3.光功率计（Optical power meter） 1台4.跳线(Jumper Cable) 6根5.法兰盘(Sdaptor) 几个四、操作方法与实验步骤实验一：增益谱测量（输入波长与增益的关系）1.在TLS光源与50Km单模光纤之间加入10dB衰减器，再连接光功率计。

输出功率0dBm，输出波长1530-1560nm，每隔0.8nm测一组数据。

记录不同波长下的功率值。

数据记录在表一图表3.实验一（1）连接示意图2.开启EDFA，在电脑上设置其工作模式为ACC，分别设置电流为80mA和150mA。

在EDFA和光功率计之间加入15dB衰减器。

调整光源输出波长1530-1560nm，每隔0.8nm测一组数据。

记录不同波长下的功率值。

数据记录在表二。

画出EDFA增益谱图，并作分析。

图表3.实验一（2）连接示意图实验二：增益饱和测量1.将TLS光源与50Km单模光纤用跳线连接好，再连接光功率计。

将TLS光源的输出波长设为1550nm，输出功率0dBm~10dBm，每隔0.5dB测一组数据，数据如表三。

在TLS和单模光纤之间加入10dB衰减器，输出波长1550nm，TLS输出功率0dBm~10dBm，每隔0.5dB测一组数据，数据如表三。

图表4.（1）实验二（1）连接示意图2.将EDFA调置ACC工作模式，电流为80/150mA。

在光纤端口加入15dB衰减器与EDFA连接，输出端口接光功率计，测量并记录光功率值，数据记录在表四。

TLS输出功率0dBm~10dBm，每隔0.5dB测一组数据。

TLS输出波长1550nm，输出功率0dBm~10dBm，每隔0.5dB测一组数据。

记录光功率计值，数据记录在表四。

画出EDFA增益与输入功率关系图，并作分析。

计算出不同输出功率下的增益值G，绘制出增益曲线。

图表4.（2）实验二（2）连接示意图五、实验结果记录表一 不同波长下的功率值203mA光功率计 PI(输入) PO （输出） 83mA光功率计 PIPI(输入)PO （输出） 1530.33 0.7 -40 14.3 1530.33 6.7 40 8.2 1531.12 0.7 -40 14.4 1531.12 6.8 40 8.3 1531.90.65-21.8 14.3 1531.96.740 8.2 1532.68 0.75 -21.8 14.3 1532.68 6.9 40 8.2 1533.47 0.65 -21.5 14.2 1533.47 6.9 40 8.1 1534.25 0.95 -21.8 14.1 1534.25 7.1 40 7.9 1535.04 1.15 -21.8 13.8 1535.04 7.2 40 7.7 1535.82 1.55 -21.8 13.6 1535.82 7.6 40 7.5 1536.61 1.4 -21.3 13.4 1536.61 7.45 40 7.4 1537.41.8-21.3 13.3 1537.47.7540 7.3 1538.19 1.75 -21.5 13.2 1538.19 7.75 40 7.2 1538.98 1.9 -21.5 13.1 1538.98 7.9 40 7.2 1539.77 1.9 -21.3 13.2 1539.77 7.85 7.2 1540.56 1.8 -21.1 13.2 1540.56 7.75 7.3 1541.35 1.8 -21.3 13.3 1541.35 7.6 7.4 1542.14 1.8 -21.3 13.3 1542.14 7.7 7.4 1542.94 1.8 -21.3 13.3 1542.94 7.7 7.4 1543.73 1.55 -20.8 13.4 1543.73 7.5 7.5 1544.53 1.8 -20.8 13.4 1544.53 7.7 7.5 1545.32 1.6 -21.3 13.3 1545.32 7.45 7.5 1546.12 1.9 -21.1 13.3 1546.12 7.5 7.5 1546.92 1.75 -20.8 13.3 1546.92 1547.72 1.75-20.813.31547.721530.33 1531.12 1531.9 1532.68 1533.47 1534.25 1535.04 1535.82 1536.61 1537.4 -18.75 -18.7 -18.5 -18.55 -18.6 -18.55 -18.55 -18.45 -18.45 -18.55 1538.19 1538.98 1539.77 1540.56 1541.35 1542.14 1542.94 1543.73 1544.53 1545.32 -18.35 -18.25 -18.4 -18.3 -18.25 -18.2 -18.15 -18.25 -18.3 -18.05 1546.12 1546.92 1547.72 1548.51 1549.32 1550.12 1550.92 1551.72 1552.52 1553.33 -18.05 -18.15 -18.1 -18.1 -17.95 -17.95 -18.15 -18.05 -17.8 -17.9 1554.13 1554.94 1555.75 1556.55 1557.36 1558.17 1558.98 1559.79 1560.61-18-17.95-17.9-17.7-17.8-18.05-17.8-17.6-17.81548.51 1.8 -20.8 13.2 1548.511549.32 2 -21.1 13.2 1549.321550.12 1.85 -20.8 13.2 1550.121550.92 1.9 -20.6 13.2 1550.921551.72 1.9 -20.6 13.2 1551.721552.52 1.75 -20.8 13.2 1552.521553.33 1553.331554.13 1554.131554.94 1554.941555.75 1555.751556.55 1556.551557.36 1557.361558.17 1558.171560.61 1560.61表二电流分别为80mA和150mA时，不同波长下的功率值1550.12（0dB）输出功率光功率计1550.12(10dB) 输出功率光功率计0 -8.6 0 -180.5 -8.1 0.5 -17.551 -7.65 1 -17.051.5 -6.75 1.5 -16.62 -6.3 2 -16.152.5 -5.65 2.5 -15.653 -5.2 3 -15.23.5 -4.7 3.5 -14.754 -4.25 4 -14.254.5 -3.8 4.5 -13.85 -3.35 5 -13.355.5 -2.65 5.5 -12.96 -2.45 6 -12.456.5 -2.4 6.5 -11.957 -2.4 7 -11.57.5 -2.5 7.5 -11.058 -2.55 8 -10.658.5 -2.55 8.5 -10.29 -2.6 9 -9.79.5 -2.6 9.5 -9.310 -2.6 10 -8.85表三1550.12 TLS输出功率PI(输入) PO（输出）光功率计1550.12 TLS输出功率PI(输入) PO（输出）光功率计156mA 0 -20 -11.5 -4.05 88mA 0 -20.6 -7.8 -7.30.5 -19.5 -11.7 -3.8 0.5 -19.8 -8 -7.21 -18.8 -11.8 -3.6 1 -19.3 -8.1 -7.11.5 -18.2 -11.9 -3.5 1.5 -18.5 -8.2 -6.92 -17.6 -12.1 -3.4 2 -17.9 -8.4 -6.72.5 -17.1 -12.2 -3.3 2.5 -17.3 -8.5 -6.63 -16 -12.4 -3 3 -16.2 -8.7 -6.43.5 -15.4 -12.5 -2.95 3.5 -15.6 -8.6 -6.34 -15 -12.6 -2.8 4 -15 -9 -6.24.5 -14.4 -12.7 -2.7 4.5 -14.5 -9.1 -65 -13.9 -12.8 -2.4 5 -14 -9.2 -5.95.5 -13.9 -12.8 -2.35 5.5 -13.5 -9.3 -5.86 -13.4 -12.9 -2.2 6 -13.5 -9.2 -5.86.5 -12.9 -13 -2.2 6.5 -13 -9.3 -5.857 -12.4 -13.1 -2.1 7 -12.5 -9.4 -5.757.5 -12 -13.2 -2.1 7.5 -12 -9.5 -5.68 -11.5 -13.2 -1.95 8 -11.5 -9.6 -5.558.5 -11 -13.3 -1.95 8.5 -11 -9.6 -5.559 -10.5 -13.4 -1.9 9 -10.6 -9.7 -5.49.5 -10.1 -13.4 -1.8 9.5 -10.1 -9.8 -5.3510 -9.6 -13.5 -1.75 10 -9.6 -9.8 -5.3表四六、实验结果分析对表一的数据进行matlab拟合，得如下图形一：图一从图一可以得出结论，在输出功率0dBm时，波长越长功率值越大，呈线性关系对表二的数据在excel上进行处理得出图二，在泵浦电流一定的情况下，EDFA的增益随着输入信号波长的增加先降低，然后趋于平稳。