二合一泵浦激光器的C+L波段EDFA實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

周雪芳，郝紅甜，樊 冰，畢美華，楊國(guó)偉

二合一泵浦激光器的C+L波段EDFA實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

周雪芳1，郝紅甜1，樊 冰2，畢美華1，楊國(guó)偉1

（1. 杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 杭州電子科技大學(xué) 國(guó)有資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)管理處，浙江 杭州 310018）

以二合一激光器為泵浦源，軟件和硬件相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種包括C波段放大模塊、L波段放大模塊、液晶面板顯示模塊和控制模塊的C+L波段的EDFA教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱可進(jìn)行“光纖通信”及“光網(wǎng)絡(luò)”等課程的綜合實(shí)驗(yàn)，有助于加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的理解與掌握，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

摻鉺光纖放大器實(shí)驗(yàn)箱；二合一泵浦激光器；光纖通信；光網(wǎng)絡(luò)

國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的電子信息與電氣工程類通信工程專業(yè)培養(yǎng)方案中，“光纖通信”與“光網(wǎng)絡(luò)”是兩門重要的專業(yè)課[1-4]，但由于學(xué)習(xí)內(nèi)容具有較強(qiáng)的專業(yè)理論性和工程實(shí)用性，學(xué)生在學(xué)習(xí)這兩門課程時(shí)不容易理解。

目前光纖通信、光網(wǎng)絡(luò)等實(shí)驗(yàn)課程中用到的摻鉺光纖放大器（EDFA）實(shí)驗(yàn)箱存在嚴(yán)重的不足[5-9]：一是實(shí)驗(yàn)箱完全封裝，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的光纖線路連接，不能較好地支撐理論知識(shí)的學(xué)習(xí)；二是EDFA多半是工作在C波段，少有工作在L波段的EDFA，這與光纖通信的最新發(fā)展不一致；三是現(xiàn)有的EDFA實(shí)驗(yàn)箱只能實(shí)現(xiàn)對(duì)線路光信號(hào)的放大，不能設(shè)計(jì)出關(guān)于放大器的可擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)類型過于單一化。

本文以二合一激光器為泵浦源，設(shè)計(jì)了泵浦源的溫度控制電路（ATC）和功率控制電路（APC），自制了一種能夠工作在C波段和L 波段的EDFA本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱可開展C波段和L波段EDFA的不同泵浦方式實(shí)驗(yàn)測(cè)試、放大器增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試等教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 EDFA的工作原理及特性

1.1 EDFA的構(gòu)成

EDFA的結(jié)構(gòu)如圖1所示[10-12]，主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、光復(fù)用器和光隔離器組成[10]。其工作原理：信號(hào)光與泵浦光經(jīng)過復(fù)用器后進(jìn)入EDF中，泵浦光的能量被鉺光纖中的鉺離子吸收而產(chǎn)生躍遷至更高能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)鉺離子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，反轉(zhuǎn)分布的鉺離子在信號(hào)光的誘導(dǎo)下產(chǎn)生受激輻射，輻射出與信號(hào)光同頻率、同相位的光子，這樣通過能級(jí)間的受激輻射將泵浦光的能量轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光的放大。

圖1 EDFA的結(jié)構(gòu)

1.2 EDFA的泵浦方式

依據(jù)泵浦光和信號(hào)光注入方式的不同，EDFA的泵浦方式有3種：前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦，如圖2所示。3種不同結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)輸出功率和噪聲特性有不同的影響。在相同的泵浦條件下，采用前向泵浦可獲得較好的噪聲特性；采用后向泵浦可獲得較高的輸出功率；采用雙向泵浦，使EDFA的增益和噪聲性能都優(yōu)于單向泵浦，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無關(guān)。

圖2 3種不同泵浦方式

1.3 EDFA的增益和噪聲特性

（1）增益。增益是描述EDFA對(duì)輸入信號(hào)光放大能力的參數(shù)，其定義為[13]

依據(jù)EDFA的放大機(jī)理可知，增益會(huì)隨著輸入光功率、摻鉺光纖長(zhǎng)度和泵浦功率變化，且他們之間有很復(fù)雜的關(guān)系，其變化關(guān)系可用下式估算：

假設(shè)沒有自發(fā)輻射，依據(jù)能量守恒可知，當(dāng)輸入信號(hào)光功率非常大時(shí)，增益為1，無放大。

（2）噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)NF是EDFA的又一個(gè)重要特性，可表示為

2 C+L波段的EDFA實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

C+L波段的EDFA 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見圖3，主要包括二合一的泵浦激光器、功率和溫度控制模塊、液晶顯示模塊、C波段放大模塊和L波段放大模塊。功率和溫度控制模塊主要是控制二合一泵浦激光器的輸出功率和工作溫度，確保泵浦激光器的正常工作。液晶顯示模塊包含液晶顯示面板和按鍵，顯示泵浦激光器的當(dāng)前工作指標(biāo)。C波段EDFA放大模塊由C波段的EDF、WDM復(fù)用器、耦合器和隔離器構(gòu)成。L波段EDFA由L波段的EDF、WDM復(fù)用器、耦合器和隔離器構(gòu)成。C+L波段EDFA可實(shí)現(xiàn)不同泵浦方式的光路連接，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試對(duì)比分析不同泵浦方式下的EDFA的放大特性。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1 二合一泵浦激光器的硬件設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)箱的核心元件為二合一泵浦激光器LD，本實(shí)驗(yàn)箱選用DRIVE系列的二合一激光管，自行設(shè)計(jì)電路控制模塊和顯示模塊，利用硬件電路設(shè)計(jì)液晶顯示板，便于硬件操作設(shè)置LD的溫度和功率。控制模塊中的功率控制電路APC和溫度控制電路ATC用于控制C波段EDFA放大模塊、L波段EDFA放大模塊中的泵浦激光器，同時(shí)實(shí)時(shí)控制液晶面板顯示。

ON和OFF狀態(tài)下的二合一泵浦激光器實(shí)物圖見圖4。液晶面板上數(shù)字顯示二合一泵浦激光器當(dāng)前工作狀態(tài)下的參數(shù)，如激光器ON或OFF、溫度、功率大小等。面板上設(shè)置6個(gè)按鍵：激光器開關(guān)按鈕、溫度與功率顯示模式選擇按鈕、數(shù)值增加按鈕、數(shù)值減小按鈕、限值按鈕和步長(zhǎng)按鈕。工作時(shí)通過啟動(dòng)液晶面板顯示模塊上的開關(guān)按鈕，打開泵浦激光器和EDFA的工作電源；然后通過按下LD功率設(shè)定按鈕設(shè)置當(dāng)前泵浦激光器的輸出功率，按下LD溫度設(shè)定按鈕設(shè)置當(dāng)前泵浦激光器的工作溫度，分別對(duì)C波段和L波段的不同泵浦方式、不同EDF長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。

圖4 ON和OFF狀態(tài)下的二合一泵浦激光器實(shí)物圖

2.2 二合一泵浦激光器的軟件設(shè)計(jì)

利用LabVIEW設(shè)計(jì)顯示和控制軟件，利用計(jì)算機(jī)設(shè)置LD的溫度和驅(qū)動(dòng)電流。圖5為C+L波段EDFA本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱激光驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)流程圖，首先需要對(duì)各功能端口進(jìn)行初始化，判斷是否正確安裝了端口驅(qū)動(dòng)，開啟驅(qū)動(dòng)器設(shè)置輸出電流與工作溫度。圖6為軟件界面。該實(shí)驗(yàn)箱在使用過程中，可直接通過液晶顯示板上的按鈕進(jìn)行操作，也可通過軟件實(shí)現(xiàn)EDFA的遠(yuǎn)程控制。

圖5 軟件流程圖

圖6 軟件運(yùn)行界面

3 C+L波段EDFA的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

C+L波段EDFA的教學(xué)目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握EDFA的放大機(jī)理，了解3種不同泵浦方式的應(yīng)用、EDFA增益的影響因素等。EDFA實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物見圖7。

圖7 C+L波段EDFA的實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖

以3種不同泵浦下的C波段EDFA的增益特性實(shí)驗(yàn)為例來說明該實(shí)驗(yàn)箱的操作與測(cè)試如下：

（1）按照?qǐng)D8用法蘭連接各個(gè)器件，構(gòu)建前向泵浦的C波段EDFA測(cè)試系統(tǒng)，每個(gè)器件的兩端都是PC/APC光纖連接器，檢查光路，確保每個(gè)元器件的連接正常；

圖8 C波段前向泵浦EDFA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

（2）打開液晶顯示板上的激光器開關(guān)按鈕，使激光器工作在ON狀態(tài)，激光器的驅(qū)動(dòng)電流初始值為0 mA；

（3）接入需放大的輸入信號(hào)光，信號(hào)光的功率和波長(zhǎng)保持不變；

（4）依次增大泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電流，每變化一個(gè)電流則用光功率計(jì)或光譜儀實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄鉺光纖后輸出光信號(hào)的波形和光功率大?。?/p>

（5）基于所記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算EDFA的增益。

（6）依據(jù)圖2的連接方法，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別更換成后向泵浦和雙向泵浦的方式，并分別按照上述測(cè)量過程進(jìn)行測(cè)試；

（7）依次記錄后向泵浦和雙向泵浦時(shí)的輸出光信號(hào)功率大小，計(jì)算不同泵浦功率下的增益系數(shù)；

（8）將上述3種連接方式下的數(shù)據(jù)繪制成圖。

圖9是驅(qū)動(dòng)電流為300 mA時(shí)3種泵浦方式下EDFA的自發(fā)輻射噪聲（ASE）光譜，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論分析相符合。

圖9 C波段3種不同泵浦方式下EDFA 的ASE測(cè)試結(jié)果

4 C+L波段EDFA實(shí)驗(yàn)箱可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)箱可開設(shè)的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)見表1。

表1 C+L波段EDFA實(shí)驗(yàn)箱可開設(shè)的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的C+L波段EDFA實(shí)驗(yàn)箱獲2018年高等教育學(xué)會(huì)高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽——第五屆全國(guó)高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽及優(yōu)秀作品展示活動(dòng)三等獎(jiǎng)，且已在我院的光纖通信實(shí)驗(yàn)和光網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程中使用，取得了較好的教學(xué)效果。

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Design of C+L band EDFA experimental box for two-in-one pump laser

ZHOU Xuefang1, HAO Hongtian1, FAN Bing2*, BI Meihua1, YANG Guowei1

(1. College of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China; 2. Department of State-owned Assets and Laboratory Management, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

In combination of the hardware and software with a two-in-one laser as pumping source, a C+L band EDFA (erbium doped fiber amplifier) teaching experiment box including C band amplifier module, L band amplifier module, LCD panel display module and control module is designed. The experimental box can offer diversified comprehensive experiments for the courses of “Optical fiber communication” and “Optical network”, which will help students to deepen their understanding and mastery of relevant theories, and better train their innovative thinking and practical ability.

EDFA experimental box; two-in-one pump laser; fiber optic communication; optical network

TN929.1-33

A

1002-4956(2019)11-0075-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.019

2019-03-11

浙江省高等教育研究院項(xiàng)目（GJY2017006）；杭州電子科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（YB201756）、浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目（ZD201701）和院教改項(xiàng)目（0TXYB201803）

周雪芳（1976—），女，江西豐城，工學(xué)碩士，副教授，主要從事光纖激光器、光通信系統(tǒng)及光傳感技術(shù)研究。E-mail: zhouxf@hdu.edu.cn