CN101174896A - 一种掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法，测量包括以下步骤：DFB光源通过可调光衰减器输入至滤波器，在滤波器输出端连接的光功率计上获得EDFA的输入功率P_in；悬空EDFA输入端，利用EDFA中的ASE谱的平坦区，在光功率计上获得通过滤波器带宽内的ASE功率P_ASE；将DFB光源信号通过可调衰减器送入EDFA，通过滤波器在光功率计上获得经EDFA放大后的信号和ASE的混合功率P_out；通过改变可调光衰减器值，计算并描绘出EDFA增益和噪声系数曲线。有益效果是：本发明利用EDFA的ASE谱的平坦区，配合一个带通滤波器，可快速准确地计算EDFA的增益和噪声系数。本发明测试方法简单，极大降低了测量成本。

Description

一种掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤放大器，特别是涉及一种掺铒光纤放大器中增益和噪声系数的测量方法。

背景技术

目前市场上光纤放大器是光纤通信系统中必不可少的关键器件，不仅对光信号可进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能。光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器(Erbium-DopedFiber Amplifier，EDFA)、半导体光放大器(SOA)和光纤喇曼放大器(FRA)等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统(雷达多路数据复接、数据传输、制导等)等领域。

EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器(Power booster-Amplifier)、中继放大器(Line-Amplifier)和前置放大器(Pre-Amplifier)；它们对放大器性能有不同的要求，如：功放要求输出功率大，前置放大器对噪声性能要求高，而中继放大器两者兼顾等。

掺铒光纤放大器(EDFA)主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、波分复用器(WDM)、隔离器(Isolator)等组成，EDFA的内部按泵浦方式分为三种最基本的结构，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

如图1至图3所示，同向泵浦的信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入；反向泵浦的信号光与泵浦光，从两个不同方向注入掺铒光纤；双向泵浦是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结构。

EDFA最基本和最重要的两个指标是增益(G)和噪声系数(NF)，如何有效、简捷地确定EDFA的放大的自发辐射(ASE)噪声是关系到测试结果准确性的关键。目前广泛应用的测试方法有两类，电谱测量法和光谱测量法。其中光谱测量法包括直接法、ASE近似法、偏振隔离法和脉冲调制法。电谱测量法最能反映EDFA各项噪声的实际影响，并可以准确地区别输出信号和噪声，光源的相对强度噪声、散射噪声及光电检测器的热噪声等其他噪声的影响可以克服，测量的准确性高于光谱测量法。在光谱测量的几种方法中，直接法是最方便的，但该方法的缺点也很明显。首先，光谱议测量出的是输入光信号的功率谱，用其来近似光功率存在误差。特别是在使用光谱议的分辨率、测试波长范围、重复扫描次数等选择不同的测试条件时，其结果往往存在差别。其次，选择ASE噪声功率测量点也需要根据经验确定。近似法在测量准确性上有所提高，是目前实验室和开发中广泛采用的方法，但增加了测量步骤。从理论上讲，偏振隔离法和脉冲法都可以确定ASE噪声功率的大小，但偏振隔离法受到偏振检测器指标的影响。不难理解检偏器的隔离度越高，测量ASE噪声功率时就越容易消除信号光的影响。目前一般商用器件能达到的隔离度为30dB，在一定程度上影响了测量的准确性。在这一点上，脉冲法优于偏振隔离法，测量ASE噪声光功率时，信号光对其的影响可实现60dB以上的隔离度。

上述几种方法都存在外围设备比较昂贵，例如电谱仪，光谱仪的成本都比较高，这就给EDFA增益和噪声系数的测量带来了困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服已有技术的缺点，提供一种结构简单、成本低、可快速测量EDFA增益和噪声系数的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法，测量包括以下步骤：DFB光源通过可调光衰减器输入至滤波器，在所述滤波器输出端连接的光功率计上获得EDFA的输入功率P_in；悬空EDFA输入端，利用EDFA中的ASE谱的平坦区，滤波器的带宽在平坦区内，EDFA输出端通过滤波器在光功率计上获得通过滤波器带宽内的ASE功率P_ASE；将DFB光源信号通过可调衰减器送入EDFA，从EDFA的输出，通过滤波器在光功率计上获得经EDFA放大后的信号和ASE的混合功率P_out；通过改变可调光衰减器值，计算并描绘出掺铒光纤放大器增益和噪声系数曲线。

测量包括以下步骤：(1)测量输入信号功率P_in；(2)测量滤波器带宽内的ASE功率P_ASE；(3)测量放大后的信号和ASE的混合功率P_out；(4)将测得的功率代入公式： $G=10\lg \left(\frac{P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)$ 得到增益值，所述增益为输出端口的信号功率与输入端口的信号比值，以dB表示；将测得的功率代入公式： $\mathrm{NF}\left(\mathrm{dB}\right)=10\lg (\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{{\mathrm{hvG}}_1{B}_0}+\frac{1}{G_1}),$ 得到EDFA的噪声系数；(5)调整光衰减器，重复上述步骤，得到输入光功率P_in，输出光功率P_out，放大的自发辐射噪声功率P_ASE的多组相对应的数据；(6)根据步骤5的多组相对应的数据描绘出EDFA的增益曲线和噪声系数曲线。

可调光衰减器以5～10dB为一个点调整。

所述DFB光源的中心波长为1549.10nm，3dB带宽0.09nm(1549.06～1549.15nm)；边模抑制比大于40dB；带通滤波器的3dB带宽为3.89nm(1547.66～1551.55nm)。

本发明的有益效果是：本发明利用EDFA的ASE谱的平坦区，配合一个带通滤波器，即可获得EDFA的ASE噪声功率谱，可快速准确地计算EDFA的增益和噪声系数。本发明测得参数的方法简单，仪器设备易得，极大降低了测量成本。

附图说明

图1是EDFA同向泵浦结构示意图；

图2是EDFA反向泵浦结构示意图；

图3是EDFA双向泵浦结构示意图；

图4是Er⁺³的能级图；

图5是典型EDFA的增益、噪声系数与输入功率关系示意图；

图6是本发明测量输入信号功率的方框图；

图7是本发明测量ASE功率的方框图；

图8是本发明测量混合功率的方框图；

图9是EDFA的ASE谱图；

图10是DFB光源的谱线图；

图11是带通滤波器的透射谱；

图12是EDFA的ASE谱经过一个带通滤波器后的光谱图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理是：如图4所示的Er³⁺能级图，Er³⁺吸收足够强泵浦光的能量，使处于基态⁴I_15/2的离子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，Er⁺³从基态跃迁至泵浦态⁴I_11/2。由于泵浦态上的载流子的寿命只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态驰豫至亚稳态⁴I_13/2，在亚稳态上载流子的寿命较长，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数不断增加，从而实现粒子数反转分布，即：处于亚稳态⁴I_13/2的粒子数比⁴I_15/2的粒子数多。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完全相同的光子，(即频率、相位、传播方向和偏振态相同)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，这种放大的自发辐射(ASE：AmplifiedSpontaneous Enission)会消耗泵浦光并构成EDFA的噪声，如果EDFA的输入光功率较低时，自激辐射较强会产生较大的噪声。

EDFA的基本性能：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，并可认为沿掺铒光纤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。

增益：输出端口的信号功率与输入端口的信号功率的比值，以dB表示。

G＝10log₁₀((P_out-P_ASE)/P_in)    (1)

小信号(线性)增益：如图5所示，EDFA工作在线性范围区时的增益，(这时在给定的信号波长和泵浦光功率电平下，它基本上与输入信号光功率无关)输出与输入信号光功率之比，不包括泵浦光和ASE光。

G＝10log₁₀((P_out-P_ASE)/P_in)    (2)

式中P_in和P_out是被放大的连续信号光的输入和输出功率，P_ASE是放大的自发辐射噪声功率。图5线b的左侧是EDFA的线性工作区，即小信号工作区，右侧是饱和工作区。在实际测量中，由于P_out中会含有一定的P_ASE，所以在P_in很小时，计算的增益偏大，当输入功率增大，使得P_out远远大于P_ASE，计算结果就相当精确。

饱和输出功率：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。

噪声系数(NF：Noise Figure)：放大器输入信噪比和输出信噪比之比，国际上通用的测量使用的公式如下：

$\mathrm{NF}\left(\mathrm{dB}\right)=10{\log }_{10}(\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{{\mathrm{hvG}}_1{B}_0}+\frac{1}{G_1})$

${=10\log }_{10}(\frac{P_{\mathrm{ASE}}{P}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{hv}{B}_0(P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}})}+\frac{P_{\mathrm{in}}}{(P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}})})---\left(3\right)$

式中，h：普朗克常数，v：光频率，B₀：有效带宽(滤波器的带宽)NF的理论极限为3dB，实际中一般在线性区内噪声系数在4～8dB之间。

本发明的测量原理：

如图9-图11所示，图9是通过光谱仪测量出的EDFA的ASE谱图，图10是滤波器的透射谱，图11是带通滤波器的透射谱图，图12是EDFA的ASE谱经过一个带通滤波器后的光谱图。

EDFA的输入功率不同，会影响ASE的谱图，但EDFA的输入功率在EDFA正常工作下可以认为EDFA的ASE谱图平坦区的范围基本一致，滤波器的带宽选择在ASE谱图平坦区内，只对符合滤波器带宽条件的ASE进行滤波。信号光的中心波长在带通滤波器的通带范围内，就可以用通过带通滤波器的噪声功率

去近似整个平坦区的ASE噪声功率谱，通过测量ASE的自发辐射噪声功率P_ASE，输入信号功率P_in，和输出信号功率P_out，通过计算可快速准确地测量EDFA的EDFA增益和噪声系数。

本发明采用如下方式实施测量并计算结果：

如图6-图8所示，本发明需要分别测量出输入信号功率P_in，自发辐射噪声功率P_ASE和输出信号功率P_out。

DFB光源通过可调光衰减器输入至滤波器，在所述滤波器输出端连接的光功率计上获得EDFA的输入功率P_in；悬空EDFA输入端，利用EDFA中的ASE谱的平坦区，滤波器的带宽在平坦区内，EDFA输出端通过滤波器在光功率计上获得通过滤波器带宽内的ASE功率P_ASE；将DFB光源信号通过可调衰减器送入EDFA，从EDFA的输出，此时可调光衰减器的数值与测量EDFA的输入功率P_in时的数值相同，通过滤波器在光功率计上获得经EDFA放大后的信号和ASE的混合功率P_out。

调整光衰减器(通常5～10dB一个点)，重复上面的测量步骤，用光功率计测量并记录信号光的输入功率P_in，同时对应每一个输入功率值，都要测得一个经过EDFA的放大后输出功率P_out，同时测量每组衰减状态下EDFA的输入悬空，输出连接到光功率计，测得EDFA的自发辐射噪声功率P_ASE，每组数据可以得到相应的增益和噪声系数，从而可以描绘出EDFA的增益曲线和噪声系数曲线。

增益：输出端口的信号功率与输入端口的信号功率的比值，以dB表示。

$G=10\lg \left(\frac{P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)$

噪声系数NF(Noise Figue)是EDFA的输入信噪比和输出信噪比之比(以dB表示)。

$\mathrm{NF}\left(\mathrm{dB}\right)=10\lg \left(\frac{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{out}}}\right)$

$\mathrm{NF}\left(\mathrm{dB}\right)=10\lg (\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{\mathrm{hv}{G}_1{B}_0}+\frac{1}{G_1})$ $G_1=\frac{P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}}}{P_{\mathrm{in}}}$

$=10\lg [\frac{P_{\mathrm{ASE}}{P}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{hv}{B}_0(P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}})}+\frac{P_{\mathrm{in}}}{(P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}})}]$

式中，P_in：输入光功率，P_out：输出光功率，P_ASE：放大的自发辐射噪声功率，h：普朗克常数，v：信号光频率，B₀：有效带宽

将测量后的输入信号功率P_in，自发辐射噪声功率P_ASE和输出信号功率P_out值代入上述计算公式，即可快速准确地测量EDFA的增益和噪声系数，从而可以描绘出EDFA的增益曲线和噪声系数曲线。

Claims (4)

1.一种掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法，其特征在于，测量包括以下步骤：

DFB光源通过可调光衰减器输入至滤波器，在所述滤波器输出端连接的光功率计上获得EDFA的输入功率P_in；

悬空EDFA输入端，利用EDFA中的ASE谱的平坦区，滤波器的带宽在平坦区内，EDFA输出端通过滤波器在光功率计上获得通过滤波器带宽内的ASE功率P_ASE；

将DFB光源信号通过可调衰减器送入EDFA，从EDFA的输出，通过滤波器在光功率计上获得经EDFA放大后的信号和ASE的混合功率P_out；

通过改变可调光衰减器值，计算并描绘出掺铒光纤放大器增益和噪声系数曲线。

2.根据权利要求1所述掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法，其特征在于：

测量包括以下步骤：

(1)测量输入信号功率P_in；

(2)测量滤波器带宽内的ASE功率P_ASE；

(3)测量放大后的信号和ASE的混合功率P_out；

(4)将测得的功率代入公式： $G=10lg\left(\frac{P_{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{ASE}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)$ 得到增益值，所述增益为输出端口的信号功率与输入端口的信号比值，以dB表示；

将测得的功率代入公式： $\mathrm{NF}\left(\mathrm{dB}\right)=10\lg (\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{\mathrm{hv}{G}_1{B}_0}+\frac{1}{G_1}),$ 得到EDFA的噪声系数；

(5)调整光衰减器，重复步骤1-4，得到输入光功率P_in，输出光功率P_out，放大的自发辐射噪声功率P_ASE的多组相对应的数据；

(6)根据步骤5的多组相对应的数据描绘出EDFA的增益曲线和噪声系数曲线。

3.根据权利要求2所述掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法，其特征在于：可调光衰减器以5～10dB为一个点调整。

4.根据权利要求1所述掺铒光纤放大器增益和噪声系数的测量方法，其特征在于：所述DFB光源的中心波长为1549.10nm，3dB带宽0.09nm(1549.06～1549.15nm)；边模抑制比大于40dB；带通滤波器的3dB带宽为3.89nm(1547.66～1551.55nm)。

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