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1、- 1 -EDFA 性能的测量实验报告一、实验目的通过实验加深对掺饵光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能的了解，通过测量EDFA 的增益、输出饱和功率、噪声系数等参数，了解掺铒光纤放大器的技术参数及测量方法。使用实验室提供的仪器记录实验数据，应用相关知识分析处理数据并得出合理的实验结果。二、实验要求本次实验要求使用实验室提供的设备：光谱分析仪、2m 长光纤等，按照实验规范进行实验，记录相关数据，通过分析数据得出所测 EDFA 的性能参数。实验完毕后整理实验平台，关闭仪器，将设备恢复到实验开始前的状态。三、实验原理1、掺铒光纤放大器的工作原理EDFA 的结构如下图所示： Er fiberWDM
2、Isolatr IsolatrSignal 980nm Pup LD图 3-1 EDFA 结构示意图EDFA 主要由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器、隔离器等组成，当泵浦光入射到掺铒光纤时，掺铒光纤中的 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 3-2 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 ，因此载流子会迅速以非辐射方式由泵浦态跃迁至亚稳态，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。
3、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- 2 -自发辐射（ASE）会消耗泵浦光并引入噪声，即自发辐射噪声。2、EDFA 基本性能指标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
4、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。小信号（线性）增益：输出与输入信号光功率之比，不包括泵浦光和ASE光。3-1inASEoutPG10lg式中P in和P out是被放大的连续信号光的输入和出功率，P ASE是放大的自发辐射噪声功率。饱和
5、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：放大器输入信噪比和输出信噪比之比。3-2980nm1480nm1520-1570nm4I1/24I13/24I15/2图 3-2 Er3 的能级图ASEoutinASEoutinASEPPhvB01l0l10lg )G(l)d(NF- 3 -式中 h为普朗克常数， h=6.62619610-34Jsec， 为光频率，B 0为有效带宽，本实验中取为40nm。3、实验装置及实验框图本实验所需实验仪器为：1550nm LD 光源、EDFA、光固定衰减器、光功率计、跳线、法兰盘。实验仪器连接如下
6、图所示：四、实验步骤1、测量 EDFA 的增益曲线：按图 3-3(a)所示，用跳线连好实验装置，开启 EDFA 稍候至稳定工作状态，先使EDFA 的输入悬空，输出接光功率计，测得 EDFA 的自发辐射噪声功率 PASE；然后图 3-3(b)连接各装置，开启 1550nm LD 光源稍候至稳定输出状态，改变固定衰减器的数目，组合出不同的衰减率：35dB、30dB、25dB、20dB 、 15 dB、10 dB、5 dB；用功率计在A 点处测量并记录信号光的输入功率 Pin，同时对应每一个输入功率值，都要在 B 点处测得一个经过 EDFA 的放大后输出功率 Pout，并记录实验数据，计算出各个输入
7、功率下的增益值 G，绘制出增益曲线。2输出饱和功率及线性工作区和饱和工作区的判别：通过作图法得到饱和输出功率，使用步骤 1 中测得数据绘出增益曲线，示意图如图 4-1 所示，曲线 a 是 EDFA 的增益曲线，虚线 b 表示其过 0 点的切线，其斜率即小信号增益，虚线 c 的斜率是 b 的一半，所以与曲线 a 的交点 A 所对应的输出功率值即EDFA Power meter (a)EDFA1550nmLD Power meter PC图 3-3 实验装置示意图Attenuator (b)A B- 4 -EDFA 的 饱和输出功率 。图中竖虚线 d 左侧是 EDFA 的线性工作区，右侧是 EDF
8、A 的饱和工作区。 PinPoutabcAd图 4-1 EDFA 增益曲线示意图O3绘制噪声系数曲线：根据公式计算 EDFA 的噪声系数，并绘制以输入功率为横轴以噪声系数为纵轴的噪声系数曲线。五、实验数据及结果分析1、实验数据：衰减率（dB）输入功率Pin（dBm ）输出功率Pout（dBm）噪声功率PASE（dBm ）增益G(dB)噪声系数NF（dBm）5 -13.22 9.54 5.9910 -17.99 9.42 5.9915 -22.74 9.31 5.9920 -28.07 9.01 5.9925 -33.2 8.48 5.9930 -38.2 7.99 5.9935 -40.13 7.25 5.992、EDFA 增益曲线- 5 -
