課程設計說明書

燕山大學課程設計說明書題目：測試摻鉺光纖放大器性能的實驗設計學院（系）： 理學院年級專業(yè)： 學號： 學生姓名： 指導教師： 侯巖雪教師職稱： 講師

燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：理學院 基層教學單位：應用物理系學號080108030014學生姓名張立波 專業(yè)（班級） 應用物理學設計題目測試摻鉺光纖放大器性能的實驗設計設計技術參數(shù)飽和輸出功率噪聲系數(shù)偏振相關增益變化設計要求了解摻鉺光纖放大器的基本結構和功能測試摻鉺光纖放大器的各種參數(shù)計算增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù)工作量本課程設計為期四周，共計20個完整工作日，每天工作8小時。工作計劃第一周：選定題目，進行調研，查找資料，掌握相應的實驗原理和實驗方法；第二周：提出初步的實驗設計方案，并準備相應的實驗設備；第三周：搭建實驗裝置，進行實驗測量和數(shù)據(jù)分析；第四周：對實驗過程中出現(xiàn)的問題進行總結，分析原因并提出可能的解決方案，完成論文。參考資料楊淑雯.全光光纖通信網(wǎng).北京：科學出版社，2004.GerdKeiser.光纖通信第三版.北京：電子工業(yè)出版社，2002.黃章永.光電子器件和組件.北京：北京郵電大學出版社，2002指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。年月日摘要隨著光纖激光器在光通信、醫(yī)學、傳感器和光譜學等領域的廣泛應用，作為光纖激光器的重要代表之一的EDFA（Er-dopedfiberaplifier，摻餌光纖放大器）也得到了迅速的發(fā)展，國內外相當多的研究機構都致力于EDFA的研究和開發(fā)。本文簡單介紹了EDFA的基本原理，測試摻鉺光纖放大器（EDFA）的各種參數(shù)，并根據(jù)測量的參數(shù)計算增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù)。關鍵詞：摻鉺光纖放大器；增益；噪聲系數(shù)AbstractWiththedevelopmentofopticalfiberlasersinopticalcommunications,medical,sensorandspectroscopyapplicationsoffiberlasers,asoneofthemostimportantrepresentativesoftheEDFA(Er-dopedfiberaplifier,erbiumdopedfiberamplifier)alsogotrapiddevelopment,domesticandforeignmanyresearchinstitutionshavecommittedtoEDFAresearchanddevelopment.ThispaperbrieflyintroducedthebasicprincipleofEDFA,testerbium-dopedfiberamplifier(EDFA)ofvariousparameters,andaccordingtothemeasuredparameterstocalculatethegain,thesaturatedoutputpowerandnoisecoefficient.Keywords：EDFA(Erbiumdopedfiberamplifier);gain；noisefigure;testmethod目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IV\o"CurrentDocument"Abstract V\o"CurrentDocument"第1章緒論 11.1光纖激光器的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀 1\o"CurrentDocument"1.2摻鉺光纖放大器 2\o"CurrentDocument"1.3摻鉺光纖激光器的應用 3\o"CurrentDocument"第2章?lián)姐s光纖放大器的原理 52.1摻鉺光纖放大器的基本結構 5\o"CurrentDocument"EDFA主要參數(shù) 6\o"CurrentDocument"EDFA性能指標 7\o"CurrentDocument"EDFA的增益特性 7\o"CurrentDocument"EDFA的輸出功率特性 8\o"CurrentDocument"EDFA增益與輸入輸出功率的關系 8\o"CurrentDocument"2.3.4增益帶寬特性 92.3.5噪聲特性 9\o"CurrentDocument"2.3.6摻鉺光纖的失真特性 11\o"CurrentDocument"2.3.7噪聲系數(shù)對光傳輸系統(tǒng)CNR的影響 12第3章?lián)姐s光纖放大器的特點 15\o"CurrentDocument"EDFA的優(yōu)點 15EDFA的缺點 16\o"CurrentDocument"第4章?lián)姐s光纖放大器的性能測試 184.1實驗目的 184.2實驗裝置以及原理 18\o"CurrentDocument"4.3實驗步驟 19\o"CurrentDocument"結論 21\o"CurrentDocument"參考文獻 22第1章緒論1.1光纖激光器的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀光纖激光器作為第三代固體激光器的代表，是當前光電子技術研究領域的的前沿課題之一，但是它并不是一項新技術，它的歷史幾乎和激光器一樣長，對摻雜光纖做增益介質的光纖激光器的研究始于20世紀60年代。斯尼澤（Snitzer）于1963年報道了在玻璃基質中摻激活釹離子所制成的光纖激光器。20世紀70年代以來，人們在光纖制備技術以及光纖激光器的泵浦與諧振腔結構的探索方面取得了較大進展。而在20世紀80年代中期英國南安普頓大學鉺光纖的突破，使光纖激光器更具實用性，顯示出十分誘人的前景。有在光纖放大器實用化以前，為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離都要進行“再生”，即把傳輸后的弱光信號轉換成電信號，經(jīng)過放大、整形后，再去調制激光器，生成一定強度的光信號，即所謂的O-E-O光電混合中繼。但隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，于是中繼部分成了信號傳輸容量擴大的“瓶頸”。光纖放大器的出現(xiàn)解決了這一難題，其不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了損耗對光網(wǎng)絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了C+L波段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要摻鉺光纖放大器（Erbium-DopedFiberAmplifier，EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖喇曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)（雷達多路數(shù)據(jù)復接、數(shù)據(jù)傳輸、制導等）等領域。在系統(tǒng)中EDFA有三種基本的應用方式：功率放大器（Powerbooster-Amplifier）、中繼放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）0它們對放大器性能有不同的要求，功放要求輸出功率大，前放對噪聲性能要求高，而線放兩者兼顧。摻鉺光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應用，可以省去大量的光中繼機，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。其主要應用包括：1、可作光距離放大器。傳統(tǒng)的電子光纖中繼器有許多局限性。如，數(shù)字信號和模擬信號相互轉換時，中繼器要作相應的改變；設備由低速率改變成高速率時，中繼器要隨之更換;只有傳輸同一波長的光信號，且結構復雜、價格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設備擴容或用于光波分復用時，也無需更換。2、可作不發(fā)送機的后置放大器及光接收機的前置放大器。作光發(fā)送機的后置放大器時，可將激光器的發(fā)送功率從0db提高到+10db。作光接收機的前置放大器時，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設1-2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。此外，摻鉺光纖放大器待解決的問題摻鉺光纖放大器的獨特優(yōu)越性已被世人所公認，并且得到越來越廣泛的應用。雖然，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業(yè)務聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術的不斷進步，這些問題將會得到完滿的解決。1.2摻鉺光纖放大器90年代初期，摻餌光纖放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽為光通信發(fā)展的一個“里程碑”。摻鉺光纖在泵浦光源（波長980nm或1480nm）的作用下產(chǎn)生受激輻射，而且所輻射的光隨著輸入光信號的變化而變化，這就相當于對輸入光信號進行了放大。研究表明，摻鉺光纖放大器通?？傻玫?5-40dB的增益，中繼距離可以在原來的基礎上提高100km以上。摻鉺光纖放大器的放大作用是通過1550nm波段的信號光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級壽命較長，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉，即處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當信號光子通過摻鉺光纖，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆?，產(chǎn)生信號放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的Er3+離子對信號光子產(chǎn)生受激吸收效應，吸收光子。EDFA的最大輸出功率常3dB飽和輸出功率來表示。3dB飽和輸出功率是指當飽和增益下降3dB時所對應的輸出功率，該參數(shù)反映了EDFA的最大功率輸出能力，EDFA的飽和輸出特性與泵浦功率大小、摻鉺光纖長短有關。泵浦光功率越大，3dB飽和輸出功率越大；摻鉺光纖長度越長，3dB飽和輸出功率也越大。EDFA的輸出光中，除了有信號光外，還有被放大的噪聲。EDFA的噪聲主要有4種：信號光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光ASEde散粒噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲。EDFAX作在1.55pm窗口，該窗口光纖損耗系數(shù)比1.31pm窗口低（僅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器帶寬大，與波分復用（WDM）系統(tǒng)兼容，泵浦效率高，工作性能穩(wěn)定，技術成熟，在現(xiàn)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA）+密集波分復用（DWDM）+非零色散光纖（NZDF）+光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向。1.3摻鉺光纖激光器的應用光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應用，可以省去大量的光中繼機，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。其主要應用包括：1、 可作光距離放大器。傳統(tǒng)的電子光纖中繼器有許多局限性。如，數(shù)字信號和模擬信號相互轉換時，中繼器要作相應的改變；設備由低速率改變成高速率時，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號，且結構復雜、價格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設備擴容或用于光波分復用時，也無需更換。2、 可作不發(fā)送機的后置放大器及光接收機的前置放大器。作光發(fā)送機的后置放大器時，可將激光器的發(fā)送功率從0dB提高到+10dB。作光接收機的前置放大器時，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設1-2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。此外，摻鉺光纖放大器待解決的問題摻鉺光纖放大器的獨特優(yōu)越性已被世人所公認，并且得到越來越廣泛的應用。但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業(yè)務聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術的不斷進步，這些問題將會得到完滿的解決。第2章?lián)姐s光纖放大器的原理2.1摻鉺光纖放大器的基本結構EDFA的基本結構，它主要由有源媒質（幾十米左右長的摻餌石英光纖，芯徑3-5微米，摻雜濃度（25-1000）x10-6）、泵浦光源（990或1480nmLD）、光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉺光纖內可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或兩個方向（雙向泵浦）傳播。當信號光與泵光同時注入到鉺光纖中時，鉺離子在泵光作用下激發(fā)到高能級上，三能級系統(tǒng)），并很快衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級上，在入射信號光作用下回到基態(tài)時發(fā)射對應于信號光的光子，使信號得到放大。其放大的自發(fā)發(fā)射（ASE）譜，帶寬很大（達20-40nm），且有兩個峰值，分別對應于1530nm和1550nm摻鉺光纖在泵浦光源（波長980nm或1480nm）的作用下產(chǎn)生受激輻射，而且所輻射的光隨著輸入光信號的變化而變化，這就相當于對輸入光信號進行了放大。研究表明，摻鉺光纖放大器通?？傻玫?5-40db的增益，中繼距離可以在原來的基礎上提高100km以上。EDFA的結構如圖4-1所示：圖2-1摻鉺光纖放大器結構圖Er3+能級圖及放大過程：摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號的基本原理在于Er3+吸收泵浦光的能量，由基態(tài)4I15/2躍遷至處于高能級的泵浦態(tài)，對于不同的泵浦波長電子躍遷到不同的能級，當用980nm波長的光泵浦時，如圖15-2所示，Er+3從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)4I11/2。由于泵浦態(tài)上的載流子的壽命只有1〃s，電子迅速以非輻射方式由泵浦態(tài)豫馳至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長的壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子不斷累積，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。當有1550nm的信號光通過已被激活的鉺光纖時，在信號光的感應下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以收集受激輻射的方式躍遷到基態(tài)，同時釋放出一個與感應光子全同的光子，從而實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。在放大過程中，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子也會以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE:AmplifiedSpontaneousEnission）會消耗泵浦光并引入噪聲。EDFA中，當接入泵浦光功率后輸入信號光將得到放大，同時產(chǎn)生部分ASE自發(fā)輻射光，兩種光都消耗上能級的鉺粒子。當泵浦光功率足夠大，而信號光與ASE很弱時，上下能級的粒子數(shù)反轉程度很高，并可認為沿EDFA長度方向上的上能級粒子數(shù)保持不變，放大器的增益將達到很高的值，而且隨輸入信號光功率的增加，增益仍維持恒定不變，這種增益稱為小信號增益。在給定輸入泵浦光功率時，隨著信號光和ASE光的增大，上能級粒子數(shù)的增加將因不足以補償消耗而逐漸減少，增益也將不能維持初始值不變，并逐漸下降，此時放大器進入飽和工作狀態(tài)，增益產(chǎn)生飽和。飽和增益值不是一個確定值，隨輸入功率和飽和深度以及泵浦光功率而變。2.2EDFA主要參數(shù)小信號（線性）增益：輸出與輸入信號光功率之比，不包括泵光和ASE光0G=10log10（（P-Pase>P） （1）式中Pin和Pout是被放大的連續(xù)信號光的輸入和出功率，Pase是放大的自發(fā)輻射噪聲功率。飽和輸出功率：增益相對小信號增益減小3dB時的輸出功率稱為飽和輸出功率，在本實驗中通過作圖法得到。噪聲系數(shù)(NF：NoiseFigure):定義為放大器輸入信噪比和輸出信噪比之比,NF(dB)=10logNF(dB)=10log(Pase +—)10hvGBGi0i(PP P-ASE—n ^+/■—P-PPoutASE out=10log10hvBI0(2)式中h：普朗克常數(shù)，6.626196X10-34J.secv:光頻率，B0:有效帶寬，本實驗里取為40nm。偏振相關增益變化△g:測算出不同偏振狀態(tài)下的小信號增益值，找出所有小信號p增益值中的最大值g和最小值g.，偏振相關增益變化△g可由下式算出：△Gp=G皿嵌fmm ⑶2.3EDFA性能指標EDFA的主要應用特性包括增益特性、、輸人輸出特性、飽和特性增益帶寬特性和噪聲特性等，它們與輸人光功率大小、餌光纖長度及參數(shù)、泵浦功率大小及泵浦波長、信號波長等都有密切關系。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光纖放大器的第一要求。在摻餌光纖放大器中，增益G定義為光放大器輸出信號光功率P0對輸入信號光功率弓的比值，即。EDFA的增益大小與多種因素有關，通常為15-40dB。增益與光纖中摻鉺濃度，泵浦光功率密切相關。增益與光纖長度也有關系。由增益與光纖長度的關系曲線可以看出，開始時增益隨摻餌光纖長度的增加而上升。但當光纖超過一定長度后，增益反而逐漸下降。因此存在一個最佳增益的最佳長度。但應注意，這一長度只能是最大增益長度，而不是摻餌光纖的最佳長度。因為還涉及到其它特性，如噪聲特性等。摻餌光纖放大器實用性的關鍵是在半導體激光器能提供的光功率下得到高增益。衡量這一性能的參數(shù)是增益系數(shù)一放大器最高增益與其對應泵浦光功率的比值，它指出放大器的泵浦效率。目前泵浦激光器的工作波長主要有兩種：980nm和1480nm。2.3.2EDFA的輸出功率特性輸出功率是光放大器的第二個重要的特性，它代表了一個闌值，在這一闌值點放大器從線性增益變化到非線性區(qū)。理想EDFA光放大器，不管輸人功率有多高，光信號都能按同一比例被放大，但實際上卻并非如此，當輸入功率增加時受激輻射加快，以致于減少了粒子反轉數(shù)，使受激輻射光減弱，導致增益飽和，輸出功率趨于平穩(wěn).近似于固定功率輸出。最大輸出功率常用飽和輸出功率來表示，意思是當飽和增益下降時所對應的輸出功率，。飽和輸出特性與泵浦功率大小、摻餌光纖長短有關。泵浦光功率越大,飽和輸出功率越大，光纖長度越長,飽和輸出功率也越大。在這里需要區(qū)分的一點是飽和的輸出功率，其不同于飽和輸出功率，飽和的輸出功率是指放大器所能達到的最大功率，當在高飽和狀態(tài)下，泵浦與信號達到完全的能量轉換時，最大輸出功率可以同輸人泵浦功率相等。2.3.3EDFA增益與輸入輸出功率的關系增益和輸出功率水平是光放大器的關鍵指標，兩者都與輸人功率和放大器的特性有關。輸入功率是光放大的起點。與在電子系統(tǒng)中一樣，輸人功率必須高于一個最小值，但同時要低于一個最大值才能使光放正常工作，輸人信號還要遠高于背景噪聲，以提供足夠高的信噪比。由于光放大器是模擬器件，它會放大與信號一起進人它的任何噪聲，過高的輸人功率會造成光放飽和，盡管它不會“燒斷”光放大器的摻餌光纖，但就像超過額定功率的音頻揚聲器那樣，結果不言而喻。增益和輸出功率取決于輸人功率和光放大器的特性。增益是用dB作單位的放大倍數(shù)，它是輸人功率和放大器設計參數(shù)的函數(shù)。對小輸人信號來說，增益最大，在較高的輸人功率下，增益有可能飽和，這是因為光放大器始消耗通過受激輻射放大信號的受激餌原子輸出功率不會停止增長，因為放大器不會真正用掉最后一個受激餌原子，而是每次增加的光子發(fā)生受激輻射的可能性越來越小，這樣放大的可能性也變小，這意味著增益隨輸人功率的增加而減小。增加輸人功率可以使輸出功率持續(xù)增大，但即使少量增加輸人功率，對輸出功率的提升也不像在更低功率水平下的那樣大典型的光放大器的小信號增益是30dB,但在更高功率下的增益會降低到10dB左右。小信號輸人時增益最高，高功率輸人時會發(fā)生增益飽和。輸出功率是指光纖放大器出射的放大信號的總功率，以mW或dBmS度，如以dBm量度功率則輸出功率等于輸人功率加上增益.用G表示。最大功率受泵浦功率和放大器構造的限制，典型的最大飽和輸出功率為10-24dBm,對于單波長系統(tǒng)，它是發(fā)送的光信道中的功率，對于WDM系統(tǒng)，它是所有被放大的光信道的信號功率之和，這意味著每個信道的功率隨信道數(shù)的增加而減少，若最大功率是100mW,光放大器能將這100mW發(fā)送到每一個光信道。以每信道12.5mW發(fā)送到8個信道。2.3.4增益帶寬特性作為實用的光放大器，總希望在寬的頻帶內獲得高的增益，即有大的增益帶寬，大的增益帶寬對于各路寬帶信號的復用放大級超短光脈沖的放大都是至關重要的。增益帶寬與許多因素有關。如摻餌光纖的基質材料、泵浦波長、光纖長度的用特性等。從波長增益特性看，其增益譜是相當寬的。但它的形成不規(guī)則。在小信號條件下，在1530nm附近有個增益尖峰,3dB譜寬約為5nm；在1550nm附近的增益較低，但相對較平坦，3dB譜寬約為15nm-20nm。在飽和條件下，1530nm尖峰下降較多，甚至低于1550nm峰。在多路信號復用放大時，為了容納較多的信道,且各信道都能得到較均勻的放大，希望放大器的增益譜較為平坦，即要求被放大的各個信道信號輸出具有幾乎相等的增益平坦度。在通常的情況下，光放大器在1.55波段的帶寬為30-40nm，將它用于DWDM系統(tǒng)時，因各信道的波長不同而有增益偏差，經(jīng)過多級放大后，增益偏差累積，低電平信道信號的SNR惡化，高電平信道信號也因光纖非線性效應而使信號特性惡化，最終造成整個系統(tǒng)不能工作。因此，要使各個信道的增益偏差處在允許范圍內，放大器的增益必須平坦。通過小心地選擇可以獲得寬平的增益譜，利用光濾波器進行增益譜整形是一種外部的解決方法。目前已經(jīng)得到G大于25dB時,3dB帶寬大于30nm,這時Pp<50mW。2.3.5噪聲特性EDFA輸出光中，除了有信號光外，還有自發(fā)輻射光，它們被一起放大，形成了影響信號光的噪聲源，EDFA的噪聲主要有以下四種：（1）信號光的散粒噪聲；（2）被放大的自發(fā)輻射；（3）ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲，這里的差拍噪聲指的是信號和ASE經(jīng)光電檢測器輸出的光生電流表達式中的交叉項；（4）ASE光譜間的差拍噪聲，這里差拍噪聲指的是ASE的二次項。以上四種噪聲中，后二種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定EDPA性能的重要因素。衡量EDFA噪聲特性可用噪聲指數(shù)NF來度量。其定義為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪聲比的比值，它與輸人信號功率、泵浦光功率、泵浦方式緊密相關。（1）在輸入小信號情況下，光放的噪聲指數(shù)（NF）隨著輸人信號光功率的增大而略有減小，這是由于受激輻射轉換為信號光子的反轉離子數(shù)隨信號光功率的增大而增多，與之對應供自發(fā)輻射放大的反轉離子數(shù)相對減??；在小信號增益保持恒定時，ASE功率的減小將導致噪聲系數(shù)的減小，當EDFA進人飽和工作狀態(tài)后，盡管放大過程對ASE的抑制增強，但是由于飽和增益下降得較快，以至噪聲指數(shù)反而隨信號功率的增大而增大。（2）噪聲指數(shù)隨著泵浦功率的增加而減小，EDFA的噪聲功率由兩部分組成。一部分是每一小段光纖產(chǎn)生的自發(fā)輻射，而大部分是該段光纖對前部光纖產(chǎn)生的自發(fā)輻射的放大，即放大的自發(fā)輻射。泵浦功率越大，前一部分所占的比重就越小，這是因為雖然輸出噪聲功率隨泵浦功率的增大而增大，但是信號同樣也獲得增益，因而每一段光纖產(chǎn)生的自發(fā)輻射的比重較小，所以總的信噪比提高，即噪聲指數(shù)NF降低。（3）EDFA的常見泵浦方式有三種：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦，在摻餌光纖較短時，這三種方式的^EDFA的小信號增益和噪聲指數(shù)相差不多，但是由于這三種泵浦方式都能使整個光纖的餌離子處于完全反轉的狀態(tài)，所以信噪比惡化基本相同，但是當EDF長度增大時，同向泵浦形式輸出的ASE功率最小，因而噪聲指數(shù)最低；雙向泵浦形式的噪聲指數(shù)居中；反向泵浦形式的噪聲指數(shù)最高。不同的泵浦方式，DEFA的性能達到最佳。理論與實踐已經(jīng)證明，對于任何利用受激輻射進行放大的光放大器，其噪聲系數(shù)的最小值為3dB,這個極限就被稱為噪聲系統(tǒng)的量子極限。對于980nm泵浦，其噪聲指數(shù)可以基本達到該極限，數(shù)值約為3.2-3.4dB，而1480泵浦的最小噪聲指數(shù)約為4dB。光放大器的噪聲會造成系統(tǒng)性能的劣化，因此對噪聲的優(yōu)化設計是必須的。對EDFA噪聲優(yōu)化的目的，即在滿足所需指標的前提下盡可能降低噪聲指數(shù)或作某種權衡調整。波導結構的變化（包括NA、摻雜半徑等）對噪聲指數(shù)的影響非常小，但泵浦功率升高時，10噪聲指數(shù)下降。值得注意的是，在大信號功率時，1550nm波長的噪聲指數(shù)要比1532nm波長低1-2dB。光放大器噪聲的優(yōu)化可通過在放大器中間插人波長選擇元件和方向選擇元件來完成。在EDFA中插人光隔離器，可有效地去除ASE噪聲，使光纖輸人端的粒子數(shù)反轉程度上升，噪聲系數(shù)降低。另一個改善增益和噪聲性能的元件是波長選擇濾波器，它濾去信號通帶之外的ASE功率，導致放大器性能的巨大改變。實驗表明，當泵浦功率在5mW到1554mW范圍內變化、光濾波器帶寬為1nm、信號波長為1554nm時，濾波器的插人對1554nm信號波長放大器性能所造成的改善大于1534nm信號波長，增益可改善達12dB（980nm泵浦）和8dB（1480nm泵浦），而噪聲指數(shù)則降低4dB（980nm泵浦）和1dB（1480nm泵浦）。加入光濾波器的另一個作用是進行光放大器的增益均衡，此時所用的濾波器為帶阻型，帶阻峰值對準光放大器的增益峰值。由于帶阻濾波器限制了增益峰值處的信號功率ASE功率，保存了亞穩(wěn)態(tài)能級上的粒子，從而使長波長的信號增益增加了，此消彼長，于是整個增益譜變得平坦一些。2.3.6摻鉺光纖的失真特性EDFA的失真主要有兩個來源：一是EDFA中受激輻射輸出的光功率與人射信號光功率之間的非線性造成的失真，二是光放增益譜的不平坦所引起的失真。因為第一個原因造成的失真遠低于光發(fā)射機本身的失真，可以忽略不計,EDFA中只考慮第二個原因造成的失真。EDFA的失真同輸人光功率和信號波長有關。在人射的信號光功率一定時，可以找到一個最佳波長，使二次互調失真不存在。反過來，在波長一定時改變信號光功率，對有的波長可以找到一個人射光功率，使二次互調失真不存在，但對有的波長，二次互調失真卻與人射信號光功率無關。EDFA輸人光功率和信號波長之間有一個最佳組合，當采用合適的輸人光功率時，可以做到EDFA無失真的工作。這時光纖有線電視系統(tǒng)的失真與EDFA無關，可以順利級連光纖放大器而不使失真惡化，大大增加了系統(tǒng)的可擴展性。EDFA的輸出失真是光發(fā)射機失真和EDFA增益傾斜引起失真的矢量和，兩個失真的位相差與輸人信號光功率有關，輸人信號光功率的不同使他們的疊加有時加強、有時減弱。光發(fā)射機激光器產(chǎn)生的CSO和EDFA的輸人信號光功率無關；而DEFA增益傾斜引起的CSO失真，在輸人光功率小于6dBm時隨功率的增加而減少，在輸人光功率大于6dBm時隨功率的增加而增加，在輸人光功率等于6dBm時增益傾斜引起的失真為零，用dB表示為負無窮大。激光器產(chǎn)生的失真與增益傾斜引起的失真之和的相位差，在輸人光功率小于6dB時為180o,二者互相抵消；在輸人光功率大于6dBm時為零，二者互相加強。激光器產(chǎn)生的失真與增益傾斜引起的失真疊加的結果，在輸人功率為-1.3dBm時，取極小值（-74dB）。2.3.7噪聲系數(shù)對光傳輸系統(tǒng)CNR的影響如果保證在有光纖放大器和沒有光纖放大器時進人光接收機的信號光功率相等，并且在無EDFA時的CNR及光調制度m一定的前提下，光纖放大器的噪聲系數(shù)越低，同時其輸人光功率越大，則系統(tǒng)載噪比損失越小。由于噪聲系數(shù)與輸人光功率有關，所以對于選定的EDFA光纖放大器，系統(tǒng)載噪比實質上取決于輸入EDFA的信號光功率的大小。實驗證明，當光纖放大器的輸人功率為+6dBm時，EDFA所引起的系統(tǒng)載噪比的損失只有約1dB，因此在含有EDFA的模擬光纖傳輸系統(tǒng)中，為確保系統(tǒng)的載噪比，光纖放大器的輸人光功率應取得較大。在優(yōu)化設計的情況下，一個光纖放大器的引人可使傳輸距離得以延長，而系統(tǒng)載噪比也只降低1-1.5dB,而光纖不太長時，CSO、CTB幾乎不變，這樣就允許幾次光放大，比光電一光中繼式（中繼一次載噪比降低3dB、CSO劣化4.5dB、CTB劣化6dB）優(yōu)越得多。在含有EDFA的鏈路中，系統(tǒng)載噪比與光接收機輸人光功率的關系值得注意。光纖放大器噪聲和激光器相對強度噪聲分別決定的載噪比與接收光功率無關，但由接收機電路噪聲決定的載噪比與接收光功率的平方成正比，由光電轉換散彈噪聲決定的載噪比與接收光功率也成正比。摻鉺光纖中，當接入泵浦光功率后輸入信號光將得到放大，同時產(chǎn)生部分ASE自發(fā)輻射光，兩種光都消耗上能級的鉺粒子。當泵浦光功率足夠大，而信號光與ASE很弱時，上下能級的粒子數(shù)反轉程度很高，并可認為沿EDFA長度方向上的上能級粒子數(shù)保持不變，放大器的增益將達到很高的值，而且隨輸入信號光功率的增加，增益仍維持恒定不變，這種增益稱為小信號增益。在給定輸入泵浦光功率時，隨著信號光和ASE光的增大，上能級粒子數(shù)的增加將因不足以補償消耗而逐漸減少，增益也將不能維持初始值不變，并逐漸下降，此時放大器進入飽和工作狀態(tài)，增益產(chǎn)生飽和。飽和增益值不是一個確定值，隨輸入功率和飽和深度以及泵浦光功率而變從上面的介紹可知，影響EDFA性能的因素很多，有設計方面的，如餌光纖參量、泵浦方式、波長等；也有使用方面的，如信號波長、輸人信號光功率等，但影響EDFA性能的主要因素是餌光纖參量與泵浦波長，下面將作簡要總結。（1）餌光纖參量的影響，餌光纖參量包括它的材料特性和波導特性。光纖基質材料特性影響EDFA的增益系數(shù)、帶寬、可摻Er3+濃度、泵功率到信號功率的轉換效率等許多參量。為了與普通的單模光纖相兼容，容易連接，餌光纖的基質材料用得最多的是Ge/Si和Al/Ge/Si型兩種，其中Ge/Si光纖具有較高的增益系數(shù)，而Al/Ge/Si光纖的增益帶寬較寬.（可達35nm以上），且易于將Er3+控制在纖芯的中心區(qū)，以改進泵浦效率。Er3+濃度影響EDFA增益系數(shù)和最佳光纖長度。早期的EDFA采用高摻雜濃度（1000ppm左右）和短（幾到幾十米）的鉺光纖，近來研究及產(chǎn)品應用表明低摻雜濃度（100ppm左右）、長（幾十到幾百米）的餌光纖有更好的性能。目前商用化的EDFA都采用后者。EDFA的波導結構有三種：第一種可與普通標準單模光纖相兼容，第二種可與1.5微米DSF光纖相兼容，第三種的模斑尺寸均小于前兩種。實驗表明，對這些光纖結構，在Pp較小時，Er3+限定在纖芯附近可改善增益及增益系數(shù)，但在高泵功率時改善不大。當波導參量1480nm時，截止波長從1400nm減小時，G增大，且在800-1000nm范圍有最佳值。當波導參量餌光纖數(shù)值孔徑NA增大時增益系數(shù)增大；理論預期值：當NA=0.4時，增益系數(shù)可達23dB/mW。波導參量芯包（芯與包層）折射率差^的大小影響增益及彎曲損耗，彎曲損耗的問題與EDFA封裝時餌光纖要成1-2cm的線圈有關;△增大時彎曲損耗減小，增益系數(shù)增大，但這時餌光纖與前后光纖器件的光纖連接損耗增大，因而要統(tǒng)一考慮，△的典型值為0.8-1.2%。（2）泵浦波長的影響。EDFA設計中，餌光纖的波導設計是決定效率的主要因素，但泵浦波長的選擇對效率、信噪比及輸出功率的大小的影響也是舉足輕重的。實驗及應用表明，820nm、980nm和1480nm三個波長可采用半導體激光器，這可有利于EDFA的小型化包裝及實用化,820nm附近可用成熟的1。作泵源，價格也低，但有激發(fā)態(tài)吸收（ESA）影響，使泵浦效率和增益系數(shù)較低；980nm和1480nm兩個波長上既沒有ESA,泵浦效率又高，又可用LD作光源，因而是最佳泵浦帶，但哪一個最好尚不能定論，而且也與使用要求有關，但一般而言，980nm泵浦可獲得最高的增益系數(shù)及量子極限的噪聲系數(shù)(NF=3dB)，而1480nm泵浦時可獲得較大的飽和輸出功率。對于分布式放大器，在980nm泵浦時，由于受瑞利散射的限制，光纖長度僅限于幾百米，尤其在1550nm波長下使用時,980nm時的光纖損耗太大；相反，對于1480nm泵浦，光纖損耗較低(0.2-0.3dB/km)，使光纖可長達10km以上。第3章?lián)姐s光纖放大器的特點3.1EDFA的優(yōu)點EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它一系列突出的優(yōu)點。EDFA的工作波長與光纖最小損耗窗口一致，恰好落在最佳波長區(qū)(1300-1600nm)；因為EDFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達到0.1dB，耦合效率高。因為是光纖型放大器，易于與傳輸光纖耦合連接，也可以用熔接在一起，熔接后反射損耗??；能量轉換效率高。激光工作物質集中在光纖芯子中，且集中在光纖芯子中的近軸部分，餌信號光和泵浦光也是在光纖的近軸部分最強，這使得光與媒質的作用很充分；再加之有較長的作用長度，因而有較高的轉換效率。所需泵浦光功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當高，用980nm光源泵浦時，增益效率可達11dB/mW，用1480nm光源泵浦時為5.1dB/mW；泵浦功率轉換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%.增益高、噪聲低、輸出功率大。增益約為20-40dB。輸出功率在單光譜時可達14dBm，而在雙泵浦時可達17dBm，甚至20dBm。噪聲指數(shù)低，一般為4?7dB；頻帶寬，在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm帶寬，可以進行多信道傳輸，便于擴大傳輸容量，從而節(jié)省成本費用，對比特率高于2.5Gb/s的系統(tǒng)有利；與半導體激光放大器不同，EDFA的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關，放大特性與光信號的傳輸方向也無關，當光纖放大器內無隔離器時，可以實現(xiàn)雙向放大;在多信道應用中可以進行無串話傳輸；(注：所謂極化光纖(PoledFiber)是指對熔石英光纖外加直流強電場進行極化，以及其它附加工藝處理后(如升溫，紫外照射，激光注入等),具有永久二階非線性光學效應(例如電光效應，倍頻效應等)的一種光纖功能器件。極化光纖器件是一種新型的全玻璃光纖有源器件，它充分利用了①熔石英光纖優(yōu)良的透明性和很低的群速色散；②與晶體材料的非線性光學器件或電光器件相比，它的制造成本很低，易集成化和封裝簡便；③具有較高的光學損傷閾值；④具有較高的可靠性和較低的插入損耗。這些都使它在許多領域有著廣泛的應用前景。例如：在高速光纖通訊領域，可作為光纖調制器，可調制相位和偏振態(tài)，在適當?shù)慕Y構下，還可調制振幅，也可作為高速光開關；在非線性光學領域，可作為光學參量頻率轉換器件,光子對放大器，例如利用三波混頻，以擴展高功率二極管激光器的波長范圍；在光纖傳感領域，其可調制特性，可作為本征光纖傳感器，測量電壓等參量；帶有布拉格反射光柵的、集成化的電光有源光纖傳感器在替代現(xiàn)有傳感器上是非常吸引人的。⑺增益特性穩(wěn)定。EDFA對溫度不敏感，在100°C范圍內，增益特性保持穩(wěn)定；中繼器只有低速電子裝置和幾個無源器件，所以結構簡單，可靠性高，體積小;可以同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高比特率信號和低比特率信號。當系統(tǒng)擴容時，可以只改動端機而不改動線路。對不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，與準同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)的各種速率兼容，調制方案可以任意選擇；EDFA需要的工作電流比光一電一光中繼器小，因此可以大大減小所需電流，從而降低了對海底電纜和絕緣特性的要求：EDFA具有增益自動調整的能力，在放大器級聯(lián)使用中可以自動補償線路上損耗的增加，使系統(tǒng)經(jīng)久耐用。3.2EDFA的缺點EDFA也有其固有的缺點。波長范圍固定。只能放大1550nm左右波長的光波，可以調節(jié)的波長范圍有限。增益帶寬不平坦。EDFA的增益譜寬大約40nm，但增益帶寬不平坦。在光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊手段來進行增益譜補償。附加的噪聲使接收機靈敏度退化。光纖的色散和非線性效應可以無阻礙地得到積累增益特性不敏感。首先是EDFA增益對溫度不敏感，在100°C內增益特性持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關?？蓪崿F(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分復用系統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴容時，可只改動端機而不改動線路。EDFA也有固有的缺點：一為波長固定，只能放大1.55Mm左右的光波，換用不同基質的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調節(jié)的波長有限，只能換用其他元素；二在于增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。第4章?lián)姐s光纖放大器的性能測試4.1實驗目的測試摻鉺光纖放大器（EDFA）的各種參數(shù)，并根據(jù)測量的參數(shù)計算增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù)；了解摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本結構和功能。4.2實驗裝置以及原理4.2.1實驗原理在光纖放大器實用化以前，為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離都要進行“再生”，即把傳輸后的弱光信號轉換成電信號，經(jīng)過放大、整形后，再去調制激光器，生成一定強度的光信號，即所謂的O-E-O光電混合中繼。但隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，于是中繼部分成了信號傳輸容量擴大的“瓶頸”。光纖放大器的出現(xiàn)解決了這一難題，其不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了損耗對光網(wǎng)絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了C+L波段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有