光电子技术实验报告

光纤放大器增益与噪声特性

王浩然无11

2011011202

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性1

1实验目的

∙掌握掺铒光纤放大器的基本工作原理及基本结构；∙掌握掺铒光纤放大器的基本工作特性及基本测试方法；∙掌握光纤激光器的结构和特性；

∙增强对光学增益介质中自发辐射、受激辐射和激光震荡过程的理解。

2

2.1

实验原理

掺铒光纤放大器的工作原理

铒离子在硅石英基质中分裂成若干能级，其部分能级如下图所示：

图1:铒离子的部分能级图

其中𝐼13/2能级是亚稳态能级，它与基态𝐼15/2构成受激辐射的上下能级。易知选取980nm或1480nm的光作为泵浦光源，可以实现在这两个能级之间的粒子树反转，具备对光信号放大的条件。

根据泵浦光与放大光信号的传播方向可以分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。其中正向泵浦的光路如下。从泵浦激光二极管发出的泵浦光和信号光通过光波分复用器耦合到掺铒光纤中。

图2:正向泵浦

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性2

当没有外来信号的情况下，掺铒光纤内部也会有随机的自发辐射，这些自发辐射光沿掺铒光纤向正反两个方向传播时，也会被放大。这种自发辐射的放大是掺铒光纤放大器的主要噪声来源。

2.2掺铒光纤放大器的基本性能指标

掺铒光纤放大器的性能指标一般用增益和噪声系数来衡量。其中增益定义为经过放大的输

出信号光功率与输入信号光功率的比值，通常用对数表示。

(︂)︂𝑃𝑠𝑜𝑢𝑡

𝐺(𝑑𝐵)=10𝑙𝑜𝑔10

𝑃𝑠𝑖𝑛

噪声系数定义为放大器输出信噪比与输入信噪比之比。以对数表示时，有

[︂]︂(𝑆/𝑁)𝑖𝑛

𝑁𝐹(𝑑𝐵)=10𝑙𝑜𝑔10

(𝑆/𝑁)𝑜𝑢𝑡

对于掺铒光纤放大器来说，其噪声主要是自发辐射与信号之间的拍频噪声。放大器噪声系数与自发辐射功率之间的关系为

𝑁𝐹(𝑑𝐵)=10𝑙𝑜𝑔10

其中𝐵0是测量自发辐射功率时的滤波器带宽。

[︂𝑃𝐴𝑆𝐸ℎ𝜈𝐺𝐵0

]︂

3实验步骤

实验步骤如下：

1.测量DFB激光器P-I曲线，确定激光器的工作电流，使之稳定在线性工作区。2.测量光隔离器的正反两个方向的插入损耗，确定其是适用的。3.测量光分路器两个端口的分光比。

4.搭建ASE宽谱光源，如下图所示，当没有激光信号输入时，用光功率计测量光功率输

出，用光谱仪观察输出光谱特性。

图3:搭建EDFA装置

5.按照下图搭建EDFA测试光路。测量在无信号输入时点4的ASE功率值，调节可调光衰减器，测量在不同输入信号功率情况下的点2和点4处的光功率值。计算对应的EDFA的增益和噪声系数。

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性3

图4:搭建EDFA测试装置

6.反接EDFA测量在反向泵浦条件下的EDFA的增益和噪声系数特性。

7.按照下图搭建基于光纤端面反射的直腔光纤激光器。用光谱仪观察输出端自激震荡的光谱图形。

图5:搭建光纤反射激光器

8.按照下图搭建利用光纤光栅的反射特性的光纤激光器。用光谱仪观察输出端自激震荡的光谱图形。

图6:搭建光纤光栅激光器

4实验数据

首先测量DFB激光器的P-I曲线，根据实验中测得的数据，可以绘制出DFB激光器的P-I

曲线如下图所示。

易知DFB激光器的阈值电流约为20mA，实验过程中选择DFB激光器的直流工作点为32mA，在其线性工作取内。

测量无源器件光分路器的分光比，测量出其两个端口输出分别为𝑃1=240.12𝜇A和𝑃2=249.18𝜇A，可以计算出其分光比为

𝑅12=

𝑃1

=0.9636𝑃2

测量光隔离器正向衰减和反向衰减，测量时输出分别为-3.99dBm和-58.62dBm，此时激光器的输出功率为-2.89dBm，可以计算出光隔离器的正向和反向衰减为

𝛼1=−2.89−(−3.99)=1.1dB𝛼2=−2.89−(−58.62)=55.73dB

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性4

测量光滤波器的带内衰减，测得光经过滤波器后的功率为-4.99dBm，可以计算出带内衰减为

𝛼𝑓=−2.89−(−4.99)=2.1dB

0.70.60.5P / mW0.40.30.20.10051015I / mA20253035图7:DFB激光器的P-I曲线

搭建ASE宽谱光源，可以测得自发辐射功率为

𝑃𝐴𝑆𝐸,𝐴𝐿𝐿=2.2907mW

此时用光谱仪观察自发辐射光谱如下：

图8:自发辐射光谱

搭建好正向泵浦的EDFA测试光路，如4所示，在无光信号输入时，测量经过滤波器之后的自发辐射噪声功率为

𝑃𝐴𝑆𝐸=105.16𝜇W

调整可变衰减器，测得2处和4处光功率分别为𝑃2和𝑃4。则EDFA的输入光功率为

𝑃𝑖(dB)=𝑃1(dB)=𝑃2(dB)+𝑅12(dB)

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性5

EDFA输出光功率为

𝑃𝑜(dB)=𝑃4(dB)−𝑃𝐴𝑆𝐸(dB)+𝛼𝑓(dB)

则EDFA的增益为

𝐺(dB)=𝑃𝑜(dB)−𝑃𝑖(dB)

EDFA的噪声系数为

𝑁𝐹(dB)=𝑃𝐴𝑆𝐸(dB)−𝐺(dB)−10log10

其中𝐵0为测量时的滤波器带宽。

采用上述方法计算，对于不同的输入功率，EDFA的增益与噪声系数与输入功率的关系图可绘制如下：

28[︂

𝜆ℎ𝑐𝐵0

]︂

2624G/dB22201816−60−50−40−30Pin/dBm−20−100图9:不同输入功率下EDFA的增益

181614NF/dB1210864−60−50−40−30Pin/dBm−20−100图10:不同输入功率下EDFA的噪声系数

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性6

此时观察经过EDFA放大之后的光谱如下：

图11:经过EDFA放大之后的光谱

从图中可以看出，在中心1550nm上存在较高的峰，周围是经过滤波器之后的自发辐射噪声。

按照5搭建基于光纤端面反射的激光器，用光谱仪观察其输出光谱如下：

图12:基于光纤端面反射的激光器的光谱

由图中可以看出，基于光纤端面反射的激光器具有多跟谱线，集中在1550nm附近。按照6搭建基于光纤光栅的激光器，用光谱仪观察其输出光谱如下：

《光电子技术实验》光纤放大器增益与噪声特性7

图13:基于光纤光栅的激光器的光谱

由图中可以看出，相对于基于光纤端面反射的激光器，基于光纤光栅的激光器谱线较少，这是因为光纤光栅具有更好的选频特性。

5实验体会

对于我来说，掺铒光纤放大器EDFA是一个新东西，预习实验的时候觉得很多东西都不懂，

但是只要把EDFA的原理和几个重要的概念如自发辐射噪声功率和噪声系数搞清楚，实验内容就比较明白了。本次实验中重要的是搞清楚EDFA测试电路的原理，认识新增加的无源器件诸如光隔离器、光分路器和光滤波器等的作用，本次实验就比较简单了。