光电技术实验-掺铒光纤放大器.doc

掺铒光纤放大器(EDFA)特性参数测量一、实验目的1. 了解掺铒光纤放大器的工作原理及相关特性；2. 掌握掺铒光纤放大器性能参数的测量方法；二、实验原理掺铒光纤放大器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上一个重要里程碑。1986年英国南安普敦大学制作出了最初的掺铒光纤放大器。在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光纤通信系统都只能采用光-电-光中继方式。光纤放大器可直接放大光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。这是一次极为重要的飞跃，把光通信推向了一个新的阶段，其意义可与当年用晶体管代替电子管相提并论。当作为掺铒光纤放大器泵浦源的0.98um和1.48um的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光纤放大器的意义不仅在于可进行全光中继，它还在多方面推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的革命性变革。其中最突出的是在波分复用(WDM)光纤通信系统中的应用。波分复用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信方式。由于掺铒光纤放大器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复用信号的频带，因而用一只掺铒光纤放大器就可取代与信道数相应的光一电一光中继器，实现全光中继。这极大地降低了设备成本，提高了传输质量。这一优越性推动了波分复用技术的发展。现在EDFA+WDM已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。（1）EDFA的工作原理铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素)，原子序数是68，原子量为1673。EDFA利用了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。在掺铒光纤中由于石英基质的作用，4f的每一个能级分裂成一个能带。图中4I15/2能带称为基态；4I13/2能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms。4I11/2能带为泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1us。除图中标出的吸收带外，Er+3还有800nm等其它吸收带。由于980 nm和1 480 nm大功率半导体激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其它波长，故得到了最广泛的应用。掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于Er+3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，电子跃迁至不同的能级，当用980 nm波长的光泵浦时，如图1所示，Er+3从基态跃迁至泵浦态4I11/2，由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1us，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（10ms），在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了亚稳态和基态间的粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，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 Emission)会消耗泵浦功率并引入噪声。当用1 480 am波长的光泵浦时，Er+3从基态跃迁至亚稳态能带的上部，然后粒子迅速以非辐射方式由迅速在亚稳态上重新分布，实现粒子数的反转分布。 图1 Er+3的能级图（2）EDFA的结构掺铒光纤放大器(简称EDFA)采用掺饵离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，其结构如图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2 (a)、(b)、(c)所示。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。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)双向泵浦结构图3给出了实用EDFA的外形结构图。图3实用EDFA的外形结构图(3) 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4所示，光放大器的增益谱不平坦。图4 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5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5 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6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6 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。三 实验内容（1）实验方案如图7所示，图7掺铒光纤放大器实验原理图图中“1550nm FP-LD”为法布里-珀罗腔结构的半导体激光器，由于EDFA主要工作在1530nm1560nm范围内，所以本实验采用1550nmFP-LD激光器作为信号光源。“1480nm DFB-LD”为分布式反馈结构的半导体激光器，发射波长为1480nm的激光，作为EDFA的泵浦光源。这样的话，铒离子(Er3+)从基态跃迁到亚稳态能带的上部，然后粒子以非辐射方式迅速在亚稳态上重新分布，实现粒子数反转，可以比980nm泵浦光获得较大的输出功率。“WDM/DWDM”为波分复用/解复用器，可完成1480nm激光和1550nm激光束的分路与合路功能。“OPM”为光功率计。（2）实验步骤 按图7连接实验设备。 设置LD1工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，将1550nm激光器输出直接连接至光功率计（将功率计的测量波长调至1550nm），旋转主机面板上的圆形旋钮在0mA46mA之间调节LD1即1550nm激光器的驱动电流，每隔2mA记录光功率计示数，将数据填入表1。调节过程中重点记录输出光功率为0.05 mW对应的驱动电流I1 和输出光功率为0.2 mW对应的驱动电流I2。并以驱动电流为横坐标、输出光功率为纵坐标作出“1550nm半导体激光器的驱动电流输出光功率曲线”图，从曲线中获得该激光器驱动电流的阈值。表1 1550nm半导体激光器的驱动电流输出光功率驱动电流(mA) 光功率（mW）驱动电流(mA) 光功率（mW）驱动电流(mA) 光功率（mW）0163221834420366223882440102642122844143046 注意：LD1 的驱动电流调节幅度不允许超过46mA！ 将1550nm激光器输出和OPM恢复为图7所示连接，设置LD1的驱动电流数值为上面测得I1，此时对应的输入信号光功率恰好为0.05 mW。设置LD2工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为0。 旋转主机面板圆形旋钮在0mA380mA之间缓慢增加LD2即1480nm泵浦激光器的驱动电流，在调节驱动电流的同时监测主机液晶面板右侧显示出的1480泵浦光的输出功率。当泵浦光功率在2mW至70mW缓慢增加时每隔2mW记录一次光功率计输出的、即放大之后的信号光功率数据并填入表2。 注意：LD2 的驱动电流调节幅度不允许超过380mA！ 设置LD1的驱动电流数值为上面测得I2，此时对应的输入信号光功率恰好为0.2 mW。旋转主机旋钮在380mA 0mA之间缓慢降低1480nm泵浦激光器的驱动电流，在调节驱动电流的同时监测主机液晶面板右侧显示出的1480泵浦光的输出功率。当泵浦光功率在70mW至2mW缓慢降低时每隔2mW记录一次光功率计输出的放大之后的信号光功率数据并填入表2。注：表中Pp为1480nm激光器的输出光功率，即泵浦光功率； Pout1为注入信号光功率（即1550nm激光器）为0.05mW时对应的光放器输出的、放大之后的信号光功率；Pout2为注入信号光功率（即1550nm激光器）为0.2 mW时对应的光放器输出的、放大之后的信号光功率；表2 放大器输出信号光功率数值及增益Pp(mW) Pout1 (mW)Pout2 (mW)G1G22468666870 利用表2中的数据，a. 以泵浦光功率为横坐标、放大器输出光功率（即 Pout1、Pout2）为纵坐标做出“泵浦光功率放大器输出光功率曲线图”，观察放大器输出信号光功率与泵浦光功率、输入信号光功率之间的关系并得出结论。 b. 以泵浦光功率为横坐标、放大器增益（即G1、G2）为纵坐标做出“泵浦光功率放大器增益曲线图”，观察放大器增益与泵浦光功率、输入信号光功率之间的关