课程设计说明书

燕山大学课程设计说明书题目：测试掺铒光纤放大器性能的实验设计学院（系）： 理学院年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 侯岩雪教师职称： 讲师

燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：理学院 基层教学单位：应用物理系学号080108030014学生姓名张立波 专业（班级） 应用物理学设计题目测试掺铒光纤放大器性能的实验设计设计技术参数饱和输出功率噪声系数偏振相关增益变化设计要求了解掺铒光纤放大器的基本结构和功能测试掺铒光纤放大器的各种参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数工作量本课程设计为期四周，共计20个完整工作日，每天工作8小时。工作计划第一周：选定题目，进行调研，查找资料，掌握相应的实验原理和实验方法；第二周：提出初步的实验设计方案，并准备相应的实验设备；第三周：搭建实验装置，进行实验测量和数据分析；第四周：对实验过程中出现的问题进行总结，分析原因并提出可能的解决方案，完成论文。参考资料杨淑雯.全光光纤通信网.北京：科学出版社，2004.GerdKeiser.光纤通信第三版.北京：电子工业出版社，2002.黄章永.光电子器件和组件.北京：北京邮电大学出版社，2002指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日摘要随着光纤激光器在光通信、医学、传感器和光谱学等领域的广泛应用，作为光纤激光器的重要代表之一的EDFA（Er-dopedfiberaplifier，掺饵光纤放大器）也得到了迅速的发展，国内外相当多的研究机构都致力于EDFA的研究和开发。本文简单介绍了EDFA的基本原理，测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数。关键词：掺铒光纤放大器；增益；噪声系数AbstractWiththedevelopmentofopticalfiberlasersinopticalcommunications,medical,sensorandspectroscopyapplicationsoffiberlasers,asoneofthemostimportantrepresentativesoftheEDFA(Er-dopedfiberaplifier,erbiumdopedfiberamplifier)alsogotrapiddevelopment,domesticandforeignmanyresearchinstitutionshavecommittedtoEDFAresearchanddevelopment.ThispaperbrieflyintroducedthebasicprincipleofEDFA,testerbium-dopedfiberamplifier(EDFA)ofvariousparameters,andaccordingtothemeasuredparameterstocalculatethegain,thesaturatedoutputpowerandnoisecoefficient.Keywords：EDFA(Erbiumdopedfiberamplifier);gain；noisefigure;testmethod目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IV\o"CurrentDocument"Abstract V\o"CurrentDocument"第1章绪论 11.1光纤激光器的发展历史及其现状 1\o"CurrentDocument"1.2掺铒光纤放大器 2\o"CurrentDocument"1.3掺铒光纤激光器的应用 3\o"CurrentDocument"第2章掺铒光纤放大器的原理 52.1掺铒光纤放大器的基本结构 5\o"CurrentDocument"EDFA主要参数 6\o"CurrentDocument"EDFA性能指标 7\o"CurrentDocument"EDFA的增益特性 7\o"CurrentDocument"EDFA的输出功率特性 8\o"CurrentDocument"EDFA增益与输入输出功率的关系 8\o"CurrentDocument"2.3.4增益带宽特性 92.3.5噪声特性 9\o"CurrentDocument"2.3.6掺铒光纤的失真特性 11\o"CurrentDocument"2.3.7噪声系数对光传输系统CNR的影响 12第3章掺铒光纤放大器的特点 15\o"CurrentDocument"EDFA的优点 15EDFA的缺点 16\o"CurrentDocument"第4章掺铒光纤放大器的性能测试 184.1实验目的 184.2实验装置以及原理 18\o"CurrentDocument"4.3实验步骤 19\o"CurrentDocument"结论 21\o"CurrentDocument"参考文献 22第1章绪论1.1光纤激光器的发展历史及其现状光纤激光器作为第三代固体激光器的代表，是当前光电子技术研究领域的的前沿课题之一，但是它并不是一项新技术，它的历史几乎和激光器一样长，对掺杂光纤做增益介质的光纤激光器的研究始于20世纪60年代。斯尼泽（Snitzer）于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学铒光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的前景。有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（WDM）、密集波分复用（DWDM）、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掺铒光纤放大器（Erbium-DopedFiberAmplifier，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（Powerbooster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）0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，而线放两者兼顾。掺铒光纤放大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。其主要应用包括：1、可作光距离放大器。传统的电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换;只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。2、可作不发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。此外，掺铒光纤放大器待解决的问题掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。虽然，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。1.2掺铒光纤放大器90年代初期，掺饵光纤放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光通信发展的一个“里程碑”。掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40dB的增益，中继距离可以在原来的基础上提高100km以上。掺铒光纤放大器的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+离子相互作用产生的。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。EDFA的最大输出功率常3dB饱和输出功率来表示。3dB饱和输出功率是指当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率，该参数反映了EDFA的最大功率输出能力，EDFA的饱和输出特性与泵浦功率大小、掺铒光纤长短有关。泵浦光功率越大，3dB饱和输出功率越大；掺铒光纤长度越长，3dB饱和输出功率也越大。EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有被放大的噪声。EDFA的噪声主要有4种：信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光ASEde散粒噪声；自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射ASE光谱间的差拍噪声。EDFAX作在1.55pm窗口，该窗口光纤损耗系数比1.31pm窗口低（仅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。1.3掺铒光纤激光器的应用光纤放大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。其主要应用包括：1、 可作光距离放大器。传统的电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。2、 可作不发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0dB提高到+10dB。作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。此外，掺铒光纤放大器待解决的问题掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。第2章掺铒光纤放大器的原理2.1掺铒光纤放大器的基本结构EDFA的基本结构，它主要由有源媒质（几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度（25-1000）x10-6）、泵浦光源（990或1480nmLD）、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（双向泵浦）传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统），并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射（ASE）谱，带宽很大（达20-40nm），且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高100km以上。EDFA的结构如图4-1所示：图2-1掺铒光纤放大器结构图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15-2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1〃s，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:AmplifiedSpontaneousEnission）会消耗泵浦光并引入噪声。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。2.2EDFA主要参数小信号（线性）增益：输出与输入信号光功率之比，不包括泵光和ASE光0G=10log10（（P-Pase>P） （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：NoiseFigure):定义为放大器输入信噪比和输出信噪比之比,NF(dB)=10logNF(dB)=10log(Pase +—)10hvGBGi0i(PP P-ASE—n ^+/■—P-PPoutASE out=10log10hvBI0(2)式中h：普朗克常数，6.626196X10-34J.secv:光频率，B0:有效带宽，本实验里取为40nm。偏振相关增益变化△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p增益值中的最大值g和最小值g.，偏振相关增益变化△g可由下式算出：△Gp=G皿嵌fmm ⑶2.3EDFA性能指标EDFA的主要应用特性包括增益特性、、输人输出特性、饱和特性增益带宽特性和噪声特性等，它们与输人光功率大小、饵光纤长度及参数、泵浦功率大小及泵浦波长、信号波长等都有密切关系。2.3.1EDFA的增益特性增益特性表示了光放大器的放大能力，是EDFA光纤放大器的第一要求。在掺饵光纤放大器中，增益G定义为光放大器输出信号光功率P0对输入信号光功率弓的比值，即。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15-40dB。增益与光纤中掺铒浓度，泵浦光功率密切相关。增益与光纤长度也有关系。由增益与光纤长度的关系曲线可以看出，开始时增益随掺饵光纤长度的增加而上升。但当光纤超过一定长度后，增益反而逐渐下降。因此存在一个最佳增益的最佳长度。但应注意，这一长度只能是最大增益长度，而不是掺饵光纤的最佳长度。因为还涉及到其它特性，如噪声特性等。掺饵光纤放大器实用性的关键是在半导体激光器能提供的光功率下得到高增益。衡量这一性能的参数是增益系数一放大器最高增益与其对应泵浦光功率的比值，它指出放大器的泵浦效率。目前泵浦激光器的工作波长主要有两种：980nm和1480nm。2.3.2EDFA的输出功率特性输出功率是光放大器的第二个重要的特性，它代表了一个阑值，在这一阑值点放大器从线性增益变化到非线性区。理想EDFA光放大器，不管输人功率有多高，光信号都能按同一比例被放大，但实际上却并非如此，当输入功率增加时受激辐射加快，以致于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，导致增益饱和，输出功率趋于平稳.近似于固定功率输出。最大输出功率常用饱和输出功率来表示，意思是当饱和增益下降时所对应的输出功率，。饱和输出特性与泵浦功率大小、掺饵光纤长短有关。泵浦光功率越大,饱和输出功率越大，光纤长度越长,饱和输出功率也越大。在这里需要区分的一点是饱和的输出功率，其不同于饱和输出功率，饱和的输出功率是指放大器所能达到的最大功率，当在高饱和状态下，泵浦与信号达到完全的能量转换时，最大输出功率可以同输人泵浦功率相等。2.3.3EDFA增益与输入输出功率的关系增益和输出功率水平是光放大器的关键指标，两者都与输人功率和放大器的特性有关。输入功率是光放大的起点。与在电子系统中一样，输人功率必须高于一个最小值，但同时要低于一个最大值才能使光放正常工作，输人信号还要远高于背景噪声，以提供足够高的信噪比。由于光放大器是模拟器件，它会放大与信号一起进人它的任何噪声，过高的输人功率会造成光放饱和，尽管它不会“烧断”光放大器的掺饵光纤，但就像超过额定功率的音频扬声器那样，结果不言而喻。增益和输出功率取决于输人功率和光放大器的特性。增益是用dB作单位的放大倍数，它是输人功率和放大器设计参数的函数。对小输人信号来说，增益最大，在较高的输人功率下，增益有可能饱和，这是因为光放大器始消耗通过受激辐射放大信号的受激饵原子输出功率不会停止增长，因为放大器不会真正用掉最后一个受激饵原子，而是每次增加的光子发生受激辐射的可能性越来越小，这样放大的可能性也变小，这意味着增益随输人功率的增加而减小。增加输人功率可以使输出功率持续增大，但即使少量增加输人功率，对输出功率的提升也不像在更低功率水平下的那样大典型的光放大器的小信号增益是30dB,但在更高功率下的增益会降低到10dB左右。小信号输人时增益最高，高功率输人时会发生增益饱和。输出功率是指光纤放大器出射的放大信号的总功率，以mW或dBmS度，如以dBm量度功率则输出功率等于输人功率加上增益.用G表示。最大功率受泵浦功率和放大器构造的限制，典型的最大饱和输出功率为10-24dBm,对于单波长系统，它是发送的光信道中的功率，对于WDM系统，它是所有被放大的光信道的信号功率之和，这意味着每个信道的功率随信道数的增加而减少，若最大功率是100mW,光放大器能将这100mW发送到每一个光信道。以每信道12.5mW发送到8个信道。2.3.4增益带宽特性作为实用的光放大器，总希望在宽的频带内获得高的增益，即有大的增益带宽，大的增益带宽对于各路宽带信号的复用放大级超短光脉冲的放大都是至关重要的。增益带宽与许多因素有关。如掺饵光纤的基质材料、泵浦波长、光纤长度的用特性等。从波长增益特性看，其增益谱是相当宽的。但它的形成不规则。在小信号条件下，在1530nm附近有个增益尖峰,3dB谱宽约为5nm；在1550nm附近的增益较低，但相对较平坦，3dB谱宽约为15nm-20nm。在饱和条件下，1530nm尖峰下降较多，甚至低于1550nm峰。在多路信号复用放大时，为了容纳较多的信道,且各信道都能得到较均匀的放大，希望放大器的增益谱较为平坦，即要求被放大的各个信道信号输出具有几乎相等的增益平坦度。在通常的情况下，光放大器在1.55波段的带宽为30-40nm，将它用于DWDM系统时，因各信道的波长不同而有增益偏差，经过多级放大后，增益偏差累积，低电平信道信号的SNR恶化，高电平信道信号也因光纤非线性效应而使信号特性恶化，最终造成整个系统不能工作。因此，要使各个信道的增益偏差处在允许范围内，放大器的增益必须平坦。通过小心地选择可以获得宽平的增益谱，利用光滤波器进行增益谱整形是一种外部的解决方法。目前已经得到G大于25dB时,3dB带宽大于30nm,这时Pp<50mW。2.3.5噪声特性EDFA输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们被一起放大，形成了影响信号光的噪声源，EDFA的噪声主要有以下四种：（1）信号光的散粒噪声；（2）被放大的自发辐射；（3）ASE光谱与信号光之间的差拍噪声，这里的差拍噪声指的是信号和ASE经光电检测器输出的光生电流表达式中的交叉项；（4）ASE光谱间的差拍噪声，这里差拍噪声指的是ASE的二次项。以上四种噪声中，后二种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDPA性能的重要因素。衡量EDFA噪声特性可用噪声指数NF来度量。其定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪声比的比值，它与输人信号功率、泵浦光功率、泵浦方式紧密相关。（1）在输入小信号情况下，光放的噪声指数（NF）随着输人信号光功率的增大而略有减小，这是由于受激辐射转换为信号光子的反转离子数随信号光功率的增大而增多，与之对应供自发辐射放大的反转离子数相对减小；在小信号增益保持恒定时，ASE功率的减小将导致噪声系数的减小，当EDFA进人饱和工作状态后，尽管放大过程对ASE的抑制增强，但是由于饱和增益下降得较快，以至噪声指数反而随信号功率的增大而增大。（2）噪声指数随着泵浦功率的增加而减小，EDFA的噪声功率由两部分组成。一部分是每一小段光纤产生的自发辐射，而大部分是该段光纤对前部光纤产生的自发辐射的放大，即放大的自发辐射。泵浦功率越大，前一部分所占的比重就越小，这是因为虽然输出噪声功率随泵浦功率的增大而增大，但是信号同样也获得增益，因而每一段光纤产生的自发辐射的比重较小，所以总的信噪比提高，即噪声指数NF降低。（3）EDFA的常见泵浦方式有三种：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦，在掺饵光纤较短时，这三种方式的^EDFA的小信号增益和噪声指数相差不多，但是由于这三种泵浦方式都能使整个光纤的饵离子处于完全反转的状态，所以信噪比恶化基本相同，但是当EDF长度增大时，同向泵浦形式输出的ASE功率最小，因而噪声指数最低；双向泵浦形式的噪声指数居中；反向泵浦形式的噪声指数最高。不同的泵浦方式，DEFA的性能达到最佳。理论与实践已经证明，对于任何利用受激辐射进行放大的光放大器，其噪声系数的最小值为3dB,这个极限就被称为噪声系统的量子极限。对于980nm泵浦，其噪声指数可以基本达到该极限，数值约为3.2-3.4dB，而1480泵浦的最小噪声指数约为4dB。光放大器的噪声会造成系统性能的劣化，因此对噪声的优化设计是必须的。对EDFA噪声优化的目的，即在满足所需指标的前提下尽可能降低噪声指数或作某种权衡调整。波导结构的变化（包括NA、掺杂半径等）对噪声指数的影响非常小，但泵浦功率升高时，10噪声指数下降。值得注意的是，在大信号功率时，1550nm波长的噪声指数要比1532nm波长低1-2dB。光放大器噪声的优化可通过在放大器中间插人波长选择元件和方向选择元件来完成。在EDFA中插人光隔离器，可有效地去除ASE噪声，使光纤输人端的粒子数反转程度上升，噪声系数降低。另一个改善增益和噪声性能的元件是波长选择滤波器，它滤去信号通带之外的ASE功率，导致放大器性能的巨大改变。实验表明，当泵浦功率在5mW到1554mW范围内变化、光滤波器带宽为1nm、信号波长为1554nm时，滤波器的插人对1554nm信号波长放大器性能所造成的改善大于1534nm信号波长，增益可改善达12dB（980nm泵浦）和8dB（1480nm泵浦），而噪声指数则降低4dB（980nm泵浦）和1dB（1480nm泵浦）。加入光滤波器的另一个作用是进行光放大器的增益均衡，此时所用的滤波器为带阻型，带阻峰值对准光放大器的增益峰值。由于带阻滤波器限制了增益峰值处的信号功率ASE功率，保存了亚稳态能级上的粒子，从而使长波长的信号增益增加了，此消彼长，于是整个增益谱变得平坦一些。2.3.6掺铒光纤的失真特性EDFA的失真主要有两个来源：一是EDFA中受激辐射输出的光功率与人射信号光功率之间的非线性造成的失真，二是光放增益谱的不平坦所引起的失真。因为第一个原因造成的失真远低于光发射机本身的失真，可以忽略不计,EDFA中只考虑第二个原因造成的失真。EDFA的失真同输人光功率和信号波长有关。在人射的信号光功率一定时，可以找到一个最佳波长，使二次互调失真不存在。反过来，在波长一定时改变信号光功率，对有的波长可以找到一个人射光功率，使二次互调失真不存在，但对有的波长，二次互调失真却与人射信号光功率无关。EDFA输人光功率和信号波长之间有一个最佳组合，当采用合适的输人光功率时，可以做到EDFA无失真的工作。这时光纤有线电视系统的失真与EDFA无关，可以顺利级连光纤放大器而不使失真恶化，大大增加了系统的可扩展性。EDFA的输出失真是光发射机失真和EDFA增益倾斜引起失真的矢量和，两个失真的位相差与输人信号光功率有关，输人信号光功率的不同使他们的叠加有时加强、有时减弱。光发射机激光器产生的CSO和EDFA的输人信号光功率无关；而DEFA增益倾斜引起的CSO失真，在输人光功率小于6dBm时随功率的增加而减少，在输人光功率大于6dBm时随功率的增加而增加，在输人光功率等于6dBm时增益倾斜引起的失真为零，用dB表示为负无穷大。激光器产生的失真与增益倾斜引起的失真之和的相位差，在输人光功率小于6dB时为180o,二者互相抵消；在输人光功率大于6dBm时为零，二者互相加强。激光器产生的失真与增益倾斜引起的失真叠加的结果，在输人功率为-1.3dBm时，取极小值（-74dB）。2.3.7噪声系数对光传输系统CNR的影响如果保证在有光纤放大器和没有光纤放大器时进人光接收机的信号光功率相等，并且在无EDFA时的CNR及光调制度m一定的前提下，光纤放大器的噪声系数越低，同时其输人光功率越大，则系统载噪比损失越小。由于噪声系数与输人光功率有关，所以对于选定的EDFA光纤放大器，系统载噪比实质上取决于输入EDFA的信号光功率的大小。实验证明，当光纤放大器的输人功率为+6dBm时，EDFA所引起的系统载噪比的损失只有约1dB，因此在含有EDFA的模拟光纤传输系统中，为确保系统的载噪比，光纤放大器的输人光功率应取得较大。在优化设计的情况下，一个光纤放大器的引人可使传输距离得以延长，而系统载噪比也只降低1-1.5dB,而光纤不太长时，CSO、CTB几乎不变，这样就允许几次光放大，比光电一光中继式（中继一次载噪比降低3dB、CSO劣化4.5dB、CTB劣化6dB）优越得多。在含有EDFA的链路中，系统载噪比与光接收机输人光功率的关系值得注意。光纤放大器噪声和激光器相对强度噪声分别决定的载噪比与接收光功率无关，但由接收机电路噪声决定的载噪比与接收光功率的平方成正比，由光电转换散弹噪声决定的载噪比与接收光功率也成正比。掺铒光纤中，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从上面的介绍可知，影响EDFA性能的因素很多，有设计方面的，如饵光纤参量、泵浦方式、波长等；也有使用方面的，如信号波长、输人信号光功率等，但影响EDFA性能的主要因素是饵光纤参量与泵浦波长，下面将作简要总结。（1）饵光纤参量的影响，饵光纤参量包括它的材料特性和波导特性。光纤基质材料特性影响EDFA的增益系数、带宽、可掺Er3+浓度、泵功率到信号功率的转换效率等许多参量。为了与普通的单模光纤相兼容，容易连接，饵光纤的基质材料用得最多的是Ge/Si和Al/Ge/Si型两种，其中Ge/Si光纤具有较高的增益系数，而Al/Ge/Si光纤的增益带宽较宽.（可达35nm以上），且易于将Er3+控制在纤芯的中心区，以改进泵浦效率。Er3+浓度影响EDFA增益系数和最佳光纤长度。早期的EDFA采用高掺杂浓度（1000ppm左右）和短（几到几十米）的铒光纤，近来研究及产品应用表明低掺杂浓度（100ppm左右）、长（几十到几百米）的饵光纤有更好的性能。目前商用化的EDFA都采用后者。EDFA的波导结构有三种：第一种可与普通标准单模光纤相兼容，第二种可与1.5微米DSF光纤相兼容，第三种的模斑尺寸均小于前两种。实验表明，对这些光纤结构，在Pp较小时，Er3+限定在纤芯附近可改善增益及增益系数，但在高泵功率时改善不大。当波导参量1480nm时，截止波长从1400nm减小时，G增大，且在800-1000nm范围有最佳值。当波导参量饵光纤数值孔径NA增大时增益系数增大；理论预期值：当NA=0.4时，增益系数可达23dB/mW。波导参量芯包（芯与包层）折射率差^的大小影响增益及弯曲损耗，弯曲损耗的问题与EDFA封装时饵光纤要成1-2cm的线圈有关;△增大时弯曲损耗减小，增益系数增大，但这时饵光纤与前后光纤器件的光纤连接损耗增大，因而要统一考虑，△的典型值为0.8-1.2%。（2）泵浦波长的影响。EDFA设计中，饵光纤的波导设计是决定效率的主要因素，但泵浦波长的选择对效率、信噪比及输出功率的大小的影响也是举足轻重的。实验及应用表明，820nm、980nm和1480nm三个波长可采用半导体激光器，这可有利于EDFA的小型化包装及实用化,820nm附近可用成熟的1。作泵源，价格也低，但有激发态吸收（ESA）影响，使泵浦效率和增益系数较低；980nm和1480nm两个波长上既没有ESA,泵浦效率又高，又可用LD作光源，因而是最佳泵浦带，但哪一个最好尚不能定论，而且也与使用要求有关，但一般而言，980nm泵浦可获得最高的增益系数及量子极限的噪声系数(NF=3dB)，而1480nm泵浦时可获得较大的饱和输出功率。对于分布式放大器，在980nm泵浦时，由于受瑞利散射的限制，光纤长度仅限于几百米，尤其在1550nm波长下使用时,980nm时的光纤损耗太大；相反，对于1480nm泵浦，光纤损耗较低(0.2-0.3dB/km)，使光纤可长达10km以上。第3章掺铒光纤放大器的特点3.1EDFA的优点EDFA之所以得到迅速的发展，源于它一系列突出的优点。EDFA的工作波长与光纤最小损耗窗口一致，恰好落在最佳波长区(1300-1600nm)；因为EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到0.1dB，耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于与传输光纤耦合连接，也可以用熔接在一起，熔接后反射损耗小；能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子中，且集中在光纤芯子中的近轴部分，饵信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强，这使得光与媒质的作用很充分；再加之有较长的作用长度，因而有较高的转换效率。所需泵浦光功率较低(数十毫瓦)，泵浦效率却相当高，用980nm光源泵浦时，增益效率可达11dB/mW，用1480nm光源泵浦时为5.1dB/mW；泵浦功率转换为输出功率的效率和吸收效率高于80%.增益高、噪声低、输出功率大。增益约为20-40dB。输出功率在单光谱时可达14dBm，而在双泵浦时可达17dBm，甚至20dBm。噪声指数低，一般为4〜7dB；频带宽，在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm带宽，可以进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用，对比特率高于2.5Gb/s的系统有利；与半导体激光放大器不同，EDFA的增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，当光纤放大器内无隔离器时，可以实现双向放大;在多信道应用中可以进行无串话传输；(注：所谓极化光纤(PoledFiber)是指对熔石英光纤外加直流强电场进行极化，以及其它附加工艺处理后(如升温，紫外照射，激光注入等),具有永久二阶非线性光学效应(例如电光效应，倍频效应等)的一种光纤功能器件。极化光纤器件是一种新型的全玻璃光纤有源器件，它充分利用了①熔石英光纤优良的透明性和很低的群速色散；②与晶体材料的非线性光学器件或电光器件相比，它的制造成本很低，易集成化和封装简便；③具有较高的光学损伤阈值；④具有较高的可靠性和较低的插入损耗。这些都使它在许多领域有着广泛的应用前景。例如：在高速光纤通讯领域，可作为光纤调制器，可调制相位和偏振态，在适当的结构下，还可调制振幅，也可作为高速光开关；在非线性光学领域，可作为光学参量频率转换器件,光子对放大器，例如利用三波混频，以扩展高功率二极管激光器的波长范围；在光纤传感领域，其可调制特性，可作为本征光纤传感器，测量电压等参量；带有布拉格反射光栅的、集成化的电光有源光纤传感器在替代现有传感器上是非常吸引人的。⑺增益特性稳定。EDFA对温度不敏感，在100°C范围内，增益特性保持稳定；中继器只有低速电子装置和几个无源器件，所以结构简单，可靠性高，体积小;可以同时传输模拟信号和数字信号，高比特率信号和低比特率信号。当系统扩容时，可以只改动端机而不改动线路。对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，与准同步数字体系(PDH)和同步数字体系(SDH)的各种速率兼容，调制方案可以任意选择；EDFA需要的工作电流比光一电一光中继器小，因此可以大大减小所需电流，从而降低了对海底电缆和绝缘特性的要求：EDFA具有增益自动调整的能力，在放大器级联使用中可以自动补偿线路上损耗的增加，使系统经久耐用。3.2EDFA的缺点EDFA也有其固有的缺点。波长范围固定。只能放大1550nm左右波长的光波，可以调节的波长范围有限。增益带宽不平坦。EDFA的增益谱宽大约40nm，但增益带宽不平坦。在光纤通信系统中需要采取特殊手段来进行增益谱补偿。附加的噪声使接收机灵敏度退化。光纤的色散和非线性效应可以无阻碍地得到积累增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100°C内增益特性持稳定，另外，增益也与偏振无关。可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。EDFA也有固有的缺点：一为波长固定，只能放大1.55Mm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；二在于增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。第4章掺铒光纤放大器的性能测试4.1实验目的测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数；了解掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能。4.2实验装置以及原理4.2.1实验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（WDM）、密集波分复用（DWDM）、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