光纤放大器增益及噪声指数测试分析方法

光纤放大器增益及噪声指数测试分析方法摘要：光纤通信技术具有成本低、损耗低、高安全及不受电磁干扰等特点，光纤放大器有效的解决了光信号传输中的衰减，在光纤密集组网中广泛应用。光纤放大器是实现光信号放大、延长传输距离的最佳手段，应用极广。光纤放大器的增益及噪声指数指标直接影响着信号传输质量。本文阐述了一种基于光谱分析仪的光纤放大器增益及噪声指数测试分析方法，详细介绍了光纤放大器光谱测试方法及核心参数的提取及分析。关键词:光纤放大器EDFA增益特性噪声指数0引言光纤通信以其良好的通信质量和巨大的带宽资源成为骨干传输的必然选择，是主流的通信媒介。随着人们对通信业务的需求急剧增长，对信息的传输提出了越来越高的要求，但是由于光纤本身的散射和吸收等因素的影响，使得信号在传输的过程中严重失真，限制了传输的距离。20世纪80年代末光纤放大器的出现，有效的解决了信号衰减的问题。光纤放大器可以直接在光域放大光信号，并具有高增益、偏振无关、无串扰、低噪声系数和低插入损耗等优点[1-3]。光放大器的出现使得全光网的实现成为可能。光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发展，并且逐步向全光网络演进[4]。1光纤放大器光纤放大器的运作机理与光源类似。光纤放大器按照原理的不同大体上分为两类：传输型光纤放大器和掺杂型光纤放大器。传输型光纤放大器利用光纤中的受激散射现象，在泵浦光的作用下，使得光纤内的信号放大。与传输性光纤放大器相比，这两种放大器都是依靠光激励来实现，但它们的光放大工作原理不相同。在掺杂型光纤放大器中，EDFA是性能优异、技术最成熟、应用最广泛的光纤放大器。1988年，低损耗的掺铒光纤技术已相当成熟，并达到实用水平。它的研制成功是光纤通信领域内的一次革命[5]。EDFA工作原理掺铒光纤中的铒离子工作原理是以爱因斯坦的光受激辐射理论为理论基础的。在泵浦光的作用下，铒离子先由基态E1跃迁到激发态E3或E2，跃迁到激发态E3（寿命约为1μs）的粒子迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态跃迁至亚稳态E2。一般情况下，掺铒光纤受激发出的光的波长为1520～1570nm，即EDFA通常对1520~1570nm的光信号具有放大的作用。在铒离子受激辐射光放大的过程中，有少部分粒子以自发辐射形式从亚稳态跃迁到基态，产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断的放大，从而形成了放大的自发辐射(AmplifiedSpontaneousEmission，ASE)，并消耗了部分泵浦功率。在EDFA中，ASE是作为噪声存在的，影响了放大器的性能。因此，光放大器的性能是光网络系统设计者必须考虑的因素，同时也是衡量光网络系统性能的标准。1.2EDFA性能指标1.2.1增益特性和噪声指数增益特性是EDFA的一个重要的特性，它表示了光放大器的放大能力。在一定的浓度范围内，增益随着铒离子的浓度增大，当浓度超过一定值时，增益反而下降。在EDFA输出的光中，信号光和自发辐射光被一起放大，共同形成了影响信号光的噪声源。光放大器的噪声会使系统的性能劣化，在光的接收端追求的正是低的噪声指数。2噪声指数测试及分析2.1输入及输出特性通过对信号的探测直接得到各个通道的输入信号功率LINi及输出信号功率LOUTi。由于光放大器是模拟器件,它会放大与信号一起进入它的任何噪声,过高的输入功率会造成光放大器饱和，增益和输出功率取决于输入功率和光放大器的特性。2.2噪声功率我们采用区域计算方法来拟合噪声功率，首先需要设置噪声功率计算区域（噪声功率的波长位置就在信号波长处）和计算方法，常用的计算方法是曲线拟合，共分为五种，分别为：线性拟合；高斯拟合；三次多项式拟合；四次多项式拟合；五次多项式拟合。根据不同的信号波形，应选取适合的拟合方法。2.3增益特性及噪声指数通过上述计算，得到信号的噪声功率，根据上面得到的信号功率，可以得到各个通道的增益为(3)其中，为各个通道的增益，为各个通道的输出信号功率，为各个通道的噪声功率，为各个通道的输入信号功率。根据增益，可以求得光放大器各个通道的噪声指数为(4)其中，为各个通道的噪声指数，为普朗克常量，为修正系数，通常为光的折射率，为真空中的光速，为各个通道的分辨率，通常用3dB带宽功率表示。3.试验与验证6362A光谱分析仪采用双通光栅分光单元、高分辨率衍射光栅定位、光学楔形延迟消偏振、小信号和宽波段光谱检测等技术研制而成。基于6362A光谱仪，应用上述测试分析方法，对光纤放大器进行了测试，测试及分析结果如图6所示。图6光放大测试及分析结果通过测试和分析结果与光纤放大器厂家出厂报告以及计量结果对比，噪声指数分析结果一致。4结束语本文介绍了光纤放大器的发展趋势、系统构成及影响性能的指标。同时，提出了两种不同的核心参数增益和噪声指数参数测试分析方法，最后基于我所研制的6362A光谱分析仪实现对光纤放大器的光谱测试。通过对信号波长和功率及噪声功率的测量方法的设计，能够真实有效地反映出被测光纤放大器的性能。参考文献[1]熊英，曹文华.高速光纤通信中的光纤放大器及其发展[J].光器件，2008(05):35-37.[2]谈仲纬，吕超.光纤通信技术发展现状与展望[J].中国工程科学,2020:1-156.[3]杨建虎,戴世勋,胡丽丽，等.光纤放大器应用及研究进展[J].激光与光电子学进展,2