CN108234019B - 双光路偏振平衡测试掺铒光纤放大器附加噪声功率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属光纤传感技术领域，具体为一种基于双光路偏振平衡的测试掺铒光纤放大器（EDFA）附加噪声功率的方法。本发明方法是在掺铒光纤放大器输出端接入一个偏振控制器和偏振分束器，通过调整偏振控制器使经过偏振分束器后的两路光信号达到平衡，利用放大的信号光与自发辐射光偏振特性的差异，通过信号处理消除信号光及其强度噪声，从而得到由EDFA引入的附加噪声功率，并且由此研究EDFA对分布式光纤传感系统信噪比的影响程度。本发明测试方法简便易行，无需提供额外的调制信号，可精确、完整地测得由EDFA引入的附加噪声对系统的恶化水平，对超长距离分布式光纤传感系统的研究和优化具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属光纤信息技术领域，具体涉及一种测试掺铒光纤放大器(EDFA)附加噪声功率的方法。
背景技术
分布式光纤传感以其寿命长、灵敏度高、耐高压、抗电磁干扰性好、系统简单等优点被广泛运用于周界预警、油管监测等领域。目前，基于波分复用的分布式光纤传感系统可以实现 50km的无中继长距离传感。但由于受到光路损耗的限制，要实现超长距离的光纤传感，则需在系统中加入掺铒光纤放大器EDFA(Erbium-doped fiber amplifier)作为中继器以对信号光进行放大。掺铒光纤放大器的基本原理是利用受激辐射效应，产生大量与信号光相同的光子，从而实现光放大。但事实上，泵浦光将Er3+离子激发至亚稳态后，除了受激辐射之外，还会产生自发辐射，并且自发辐射光子在掺铒光纤中传输时同样也会得到放大，与信号光叠加相互作用产生拍频噪声。另外，还存在自发辐射的散粒噪声以及自发辐射光之间的拍频噪声等，都会使系统的噪声增加，导致分布式光纤传感系统的精确度和灵敏度下降。因此准确地测定和分析放大器引入的附加噪声，即信号光-自发辐射拍频噪声和自发辐射拍频噪声形成的综合噪声，对于长距离分布式光纤传感系统的研究和优化设计非常重要。目前，对掺铒光纤放大器的噪声评估，主要是针对自发辐射所进行的噪声指数测量，缺乏直接对附加噪声的测量方法。
图1为Er3+离子的能级结构。对于掺铒光纤放大器，980nm泵浦光使Er3+离子跃迁到激发态，然后发生无辐射跃迁转移到亚稳态上，受到信号光激发产生受激辐射，产生与信号光相同性质的光子。若信号光为偏振光，则放大后的信号光仍为偏振光。处于亚稳态的Er3+离子同时还会发生自发辐射，产生的自发辐射光偏振方向和相位具有随意性，为非偏振光。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可简单、精确测试掺铒光纤放大器附加噪声功率的方法。
本发明提供的测试掺铒光纤放大器附加噪声功率的方法，是利用被放大的信号光和自发辐射光在偏振特性上的差异，设计基于双光路偏振平衡的光路系统，以消除信号光及其强度噪声，以获取完整的附加噪声，进而可以测试分析掺铒光纤放大器EDFA引入的附加噪声对系统性能的影响程度。本方法具体是：在掺铒光纤放大器输出端接入一个偏振控制器和偏振分束器，通过调整偏振控制器，使经过偏振分束器后的两路光电流信号直流量相等，从而消除信号光及自发辐射拍频的直流成分；由于放大信号的强度噪声在两个偏振方向上具有相关性，可通过平衡光路相减消除放大信号的强度噪声，从而对测得的光电流进行信号处理，即得到完整的附加噪声，即信号光-自发辐射拍频噪声与自发辐射拍频噪声之和。这种测试方法简便易行，无需提供额外的调制信号，可精确、完整地测得由EDFA引入的附加噪声对系统的恶化水平(影响程度)。
对应于上述方法的光路系统，由光源(S)、第一偏振分束器(PBS)、第一滤波器(FWDM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、第二滤波器(FWDM)、光衰减器(VOA)、偏振控制器(PC)、第二偏振分束器(PBS)以及光电探测器(PD)依次连接组成，如图2所示。
光源接入第一偏振分束器，其作用是使进入光纤放大器的输入信号光为偏振光，滤波器的作用是消除信号光带宽区域之外的自发辐射。信号光经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后，被偏振分束器分为两个相互垂直的偏振分量，分别经两个光电探测器PD x和PD y探测转变为光电流，表示为：
其中，
为输出信号的直流部分；
为输出信号的交流成分，即放大信号的强度噪声，其值与EDFA的放大增益有关，与自发辐射无关，对系统信噪比没有影响[1]；
表示自发辐射形成光电流的直流部分；
分别表示信号-自发辐射拍频噪声和自发辐射拍频噪声，两者构成EDFA引入的附加噪声，将引起系统信噪比恶化。
调整偏振控制器，使进入两个探测器的直流量相同，即：
此时，通过信号处理将两路信号相减，(1)式中的直流量减后为零，第二项强度噪声在两个偏振分量上具有相关性，平衡光路中相减可消除此部分噪声[1]。第三、五项为与自发辐射相关的噪声项，由于自发辐射相位随机，故x，y路信号不相关，有：
其中，σ2表示方差。所以有：
即得到完整的附加噪声功率，即信号光-自发辐射拍频噪声与自发辐射拍频噪声之和。
再对两路信号相加：
σ2[ix(t)+iy(t)]＝σ2[Δis]+σ2[Δis-ase]+σ2[Δiase-ase] (6)
通过比较(5)、(6)式，可得到附加噪声功率与输出信号光强度噪声功率之间的关系。又由于输出信号光强度噪声与增益成正比，有：
σ2[Δis]＝G2σ2[Δiin] (7)
结合(5)、(6)和(7)式，即可获得附加噪声功率与增益的比值，定义其为附加噪声因子:
附加噪声因子η可以反映EDFA对系统的综合影响水平。
本发明所述的这种测试方法简便易行，无需提供额外的调制信号，可精确、完整地测得由 EDFA引入的附加噪声对系统的恶化水平，对超长距离分布式光纤传感系统的研究和优化具有重要意义。
附图说明
图1是Er3+的能级结构图。
图2是利用偏振平衡法测试附加噪声的系统结构图。
图3是不同输入光功率下，附加噪声因子随泵浦电流的变化曲线图。
图4是不同泵浦电流下，附加噪声因子随输入光功率的变化曲线图。
具体实施方式
实施例的测量系统采用如图2所示。光源采用SLD宽带光源，FWDM为100G滤波式复用器，波长范围为1551.595-1555.875nm，EDFA为OPEAK公司生产的单模掺铒光纤放大器，偏振控制器选用机械式三环偏振控制器，此外，为减少光纤端面反射光对系统的影响，各无源器件的连接均采用FC/APC型。图3为不同输入光功率下，附加噪声因子随泵浦电流的变化曲线。图4为不同泵浦电流下，附加噪声因子随输入光功率的变化曲线。
[1]Zhou P,Peng H,Chen Y,et al.Independence between intensity andphase noise of superluminescent diodes in the low-frequency domain.[J].ApplOpt,2017,56(29):8275-8282.。
Claims (4)
1.一种基于双光路偏振平衡的测试掺铒光纤放大器附加噪声功率的方法，其特征在于，利用被放大的信号光和自发辐射光在偏振特性上的差异，设计基于双光路偏振平衡的光路系统，在掺铒光纤放大器EDFA输出端依次接入一个偏振控制器和偏振分束器，通过调整偏振控制器，使经过偏振分束器后的两路光电流信号直流量相等，从而消除信号光及自发辐射拍频的直流成分；利用放大信号的强度噪声在两个偏振方向上具有相关性，通过平衡光路相减消除放大信号的强度噪声，从而对测得的光电流进行信号经过处理，得到完整的附加噪声；并进一步精确、完整地测得由EDFA引入的附加噪声对系统的影响程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光路系统由光源S、第一偏振分束器PBS、第一滤波器FWDM、掺铒光纤放大器EDFA、第二滤波器FWDM、光衰减器VOA、偏振控制器PC、第二偏振分束器PBS以及两个光电探测器PD依次连接组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，信号光经掺铒光纤放大器EDFA放大后，被第二偏振分束器分为两个相互垂直的偏振分量，分别经两个光电探测器PD x和PDy探测转变为光电流，表示为：
其中，
为输出信号的直流部分；
为输出信号的交流成分，即放大信号的强度噪声；
表示自发辐射形成光电流的直流部分；
分别表示信号-自发辐射拍频噪声和自发辐射拍频噪声，两者构成EDFA引入的附加噪声；
调整偏振控制器，使进入两个探测器的直流量相同，即：
此时，通过信号处理将两路信号相减，(1)式中的直流量减后为零，第二项强度噪声在两个偏振分量上具有相关性，平衡光路中相减即消除此部分噪声；第三、五项为与自发辐射相关的噪声项，由于自发辐射相位随机，故x，y路信号不相关，有：
其中，σ2表示方差，所以有：
即得到完整的附加噪声功率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，再对两路信号相加：
σ2[ix(t)+iy(t)]＝σ2[Δis]+σ2[Δis-ase]+σ2[Δiase-ase] (6)
通过比较(5)、(6)式，得到附加噪声功率与输出信号光强度噪声功率之间的关系；又由于输出信号光强度噪声与EDFA增益成正比，有：
σ2[Δis]＝G2σ2[Δiin] (7)
结合(5)、(6)和(7)式，即获得附加噪声功率与增益的比值，定义其为附加噪声因子:
附加噪声因子η反映EDFA对系统的综合影响水平。
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