第四次实验报告-测量掺铒光纤放大器放大特性

1、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22.1 掺铒光纤放大器的工作原理22.2 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15九、附件161、 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

2、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OEO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

3、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CL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

4、 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，Er3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1s，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

5、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

6、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。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

7、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

8、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。 (1)式中Pin和Pout是被放大的连续信号光的输入和出功率，PASE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 ：光频率，以波长1550nm计算，B0：有效带宽，本实验里取为40nm。偏振相关增益变化

9、：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和最小值，偏振相关增益变化可由下式算出： （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： 增益谱G(l)：增益G与信号光波长l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 小信号增益与泵浦光功率关系如图4所示

10、，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。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

11、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3、 主要仪器设备1. 1550nm LD光源1套2. EDFA1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

12、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

13、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0dBm10dBm，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0dBm10dBm，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0dBm10dBm，每隔0.5dB测一组数据。TLS输出波长1550nm，输出功率0dBm10dB

14、m，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 不同波长下的功率值

16、203mA光功率计PI(输入)PO（输出）83mA光功率计PIPI(输入)PO（输出）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 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0-8.60-180.5-8.10.5-17.551-7.651-17.051.5-6.751.5-16.62-6.32-16

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输出功率PI(输入)PO（输出）光功率计1550.12TLS输出功率PI(输入)PO（输出）光功率计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、 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。且泵浦电流越大其对应的增益越大。由于EDFA仪器有问题，输入参数调节不了，所以后面数据并没有记录。可能是实验仪器比较老，ED