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167．3。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；4I
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13/2
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的结构光电感应器
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：
)
()(输⼊信号光功率
输出信号光功率in out P P G =
①增益谱G(λ)：增益G 与信号光波长λ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
②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
③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1530nm～1560nm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
①按图7连接实验设备。
②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0mA~46mA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
★注意：LD1 的驱动电流调节幅度不允许超过46mA ！！
③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I 1，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。
④旋转主机⾯板圆形旋钮在0mA ~380mA 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 ！！
⑤设置LD1的驱动电流数值为上⾯测得I 2，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P p 为1480nm 激光器的输出光功率，即泵浦光功率；
P out1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；
P out2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；
)
(05.0)(11mW mW P G out =
；
)
(2.0)()(22mW mW P dB G out =
；
⑥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P out1、P out2）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系并得出结论。
⑦旋转主机⾯板圆形旋钮分别将LD1、LD2的驱动电流缓慢降置0mA，关闭主机电源。
四注意事项
1.系统上电后禁⽌将光纤连接器对准⼈眼，以免灼伤。
2.光纤连接器陶瓷插芯表⾯光洁度要求极⾼，除专⽤清洁布外禁⽌⽤⼿触摸或
接触硬物。空置的光纤连接器端⼦必须插上护套。
3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应⼤于30mm。
4.光纤头与1550nm SLED管芯距离必须⼤于1mm。
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