掺铒光纤放大器(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，它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0.98μm和1.48μm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-电-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，代表着新一代的光纤通信技术。

【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。

【实验原理】

掺铒光纤放大器的基本工作原理与一般光放大器相同，工作物质粒子经泵浦源作用，由低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)，在一定的泵浦强度下，得到粒子数反转分布而具有光放大作用，当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。ED-FA细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。图9.1为正向泵浦的EDFA原理性光路，其主体是泵浦源与掺铒光纤。WDM为波分复用器，它的作用是将不同波长的泵浦光和信号光混合而送入掺铒光纤。对它的要求是能将两信号有效地混合而损耗最小。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声，提高系统的信噪比。在泵浦源作用下的掺铒光纤中，通过光与工作物质的相互作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其放大。

图9.1 EDFA原理性光路图

自发辐射(ASE)是掺铒光纤放大器的一个重要问题。在激光放大器和激光器中一样，存在着自发辐射。在激光器中自发辐射不可或缺，输出的激光最初来自自发辐射。激光腔正是从最初的宽谱自发辐射中选择了特定频率的光进行放大输出的。如果说自发辐射在激光器中的作用是有用的“种子”，则在激光放大器中，它充当的角色却是有害的“稗子”。放大器是用来放大输入光信号的，自发辐射与光信号伴生却毫无益处。它与待放大的光信号一起参与激光物质粒子的受激辐射，与信号竞争，自身得到放大，同时消耗高能级的粒子，降低信号增益。更严重的是，放大了的自发辐射传到接收端，在对信号光进行检测时，与信号光一起形成拍频噪声。这将降低系统的信噪比，限制光接收机的灵敏度。图9.2为加入1536nm和不加入1536nm信号光时的输出光谱，可以看出放大器自发辐射对系统性能有很大的影响。

图9.2 放大器自发辐射的影响

EDFA的增益与泵浦强度及光纤长度有关。图9.3给出了掺铒光纤放大器小信号增益G与泵浦功率P及光纤长度L的关系曲线。它的泵浦光波长为1.48μm，信号光波长为1.55μm，采用了典型的光纤参数。图9.3(a)用泵浦光功率P做参变量，给出了增益G(dB)与光纤长度L之间的关系曲线。在L较短处，增益沿纤增加很快，当L超过某值时，增长变慢。这是由于放大中的消耗，使P(z)随光纤长度的增加而减少的缘故。在某一长度处，信号不再被放大，超过此长度后，信号反而因衰减而减小。因而就放大器的总增益而言，存在一最佳的光纤长度。而这一最佳光纤长度又与泵浦功率P的大小有关。图9.3(b)以光纤长度L做参变量给出了增益G与泵浦功率P之间的关系。可见增益与光纤长度和泵浦功率有关。因此，在给定的掺铒光纤的情况下，应选合适的泵浦功率与光纤长度，进行优化设计。上述光纤的定性特性可在所有EDFA中观察到。

图9.3 EDFA放大特性

实际的EDFA的增益随频率变化关系还与基质光纤及其掺杂有关。图9.4给出了具有不同组分掺铒光纤的增益谱，可见增益谱具有双峰。增益谱的尖锐程度及带宽对光纤芯子的掺杂情况十分敏感。纯硅的增益谱很窄，在1.53μm处3dB带宽为10nm。合适的掺杂可将增益谱展宽，由图9.4可见，掺入Al、P展宽了频带。人们在研究通过改变掺杂以展宽增益带宽方面做了大量工作，现EDFA的增益谱宽已可达上百nm，而且增益谱较平坦。即使掺铒光纤放大器芯子的组分相同，不同放大器的增益谱也会有所差别，这是因为增益谱还与光纤长度有关的缘故。由于泵浦功率沿纤变化，所以各处的增益系数是不同的，而增益须在整个光纤上积分得到。这一特性可用来通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。

图9.4 EDFA增益谱

【实验仪器】

实验装置如图9.5所示: CA9005信息光电子综合实验系统、1550nm激光器、1480/1550波分复用器、掺铒光纤、光纤连接线、1480nm泵浦激光器、溴钨灯、光谱仪

图9.5 掺铒光纤放大器实验装置示意图

【实验内容及步骤】

(1)实验装置连接

按图9.5所示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通信接口用串行通信电缆连接至计算机主机COM1口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。

(2)掺铒光纤放大器Gs-Pp特性曲线测量(www.daowen.com)

①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OPM ，调节1550nm激光器输出功率为0.1mW。

②将1550nm激光器输出和OPM恢复为如图所示连接，设置LD2工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为0。

③缓慢增加1480nm泵浦激光器输出功率，0～80mW每隔2mW记录一次OPM功率数据，求信号增益，作Gs-Pp曲线。

(3)EDFA增益谱测量

①将卤素光源驱动端口连接至LVS，缓慢增加LVS输出电压(Vo)至8V。

②将卤素光源输出光信号连接至光谱分析器，输入狭缝置2mm，输出狭缝置1mm。

③将光谱分析器功率探头输出连接至PD，OPMMOD置PD/mW，量程(OPMRTO)置10nW档。测量卤素光源输出光谱，波长范围1520～1650nm，波长间隔1nm。将此光谱设为增益谱计算基准。

④将卤素光源光信号输入EDFA，EDFA输出光信号连接至光谱分析器，输出狭缝置1mm。OPMRTO置100μW档。

⑤设置LD2工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为200mA。

⑥测量EDFA输出光谱，波长范围1520～1650nm，波长间隔1nm。

⑦求EDFA增益谱。

【思考题】

(1)什么是掺铒光纤? 它在光纤放大器中的主要作用是什么? 为什么有最佳长度?

(2)掺铒光纤的放大特性取决于什么?

(3)在掺铒光纤放大器中，泵浦光源的作用是什么?

【注意事项】

(1)1480nm泵浦激光器通电后不能直接用光纤连接线连接到仪器OPM接头，以防止泵浦激光器功率超过量程而损坏功率计。

(2)光纤连接线的光纤头不能用手触摸或接触硬物，只能用专用清洁布蘸酒精清洗。