二合一泵浦激光器的C+L波段EDFA實驗箱設計

周雪芳，郝紅甜，樊 冰，畢美華，楊國偉

二合一泵浦激光器的C+L波段EDFA實驗箱設計

周雪芳1，郝紅甜1，樊 冰2，畢美華1，楊國偉1

（1. 杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018；2. 杭州電子科技大學 國有資產與實驗管理處，浙江 杭州 310018）

以二合一激光器為泵浦源，軟件和硬件相結合，設計了一種包括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教學實驗箱。該實驗箱可進行“光纖通信”及“光網絡”等課程的綜合實驗，有助于加深學生對相關理論的理解與掌握，更好地培養學生的創新思維和實踐能力。

摻鉺光纖放大器實驗箱；二合一泵浦激光器；光纖通信；光網絡

國家工程教育專業認證標準中的電子信息與電氣工程類通信工程專業培養方案中，“光纖通信”與“光網絡”是兩門重要的專業課[1-4]，但由于學習內容具有較強的專業理論性和工程實用性，學生在學習這兩門課程時不容易理解。

目前光纖通信、光網絡等實驗課程中用到的摻鉺光纖放大器（EDFA）實驗箱存在嚴重的不足[5-9]：一是實驗箱完全封裝，學生實驗時只需要進行簡單的光纖線路連接，不能較好地支撐理論知識的學習；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展不一致；三是現有的EDFA實驗箱只能實現對線路光信號的放大，不能設計出關于放大器的可擴展性實驗，實驗類型過于單一化。

本文以二合一激光器為泵浦源，設計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本科教學實驗箱。該實驗箱可開展C波段和L波段EDFA的不同泵浦方式實驗測試、放大器增益與摻鉺光纖長度與實驗測試等教學實驗。

1 EDFA的工作原理及特性

1.1 EDFA的構成

EDFA的結構如圖1所示[10-12]，主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、光復用器和光隔離器組成[10]。其工作原理：信號光與泵浦光經過復用器后進入EDF中，泵浦光的能量被鉺光纖中的鉺離子吸收而產生躍遷至更高能級，從而實現鉺離子的粒子數反轉分布，反轉分布的鉺離子在信號光的誘導下產生受激輻射，輻射出與信號光同頻率、同相位的光子，這樣通過能級間的受激輻射將泵浦光的能量轉移為信號光的能量，實現了信號光的放大。

圖1 EDFA的結構

1.2 EDFA的泵浦方式

依據泵浦光和信號光注入方式的不同，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種不同結構對信號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于單向泵浦，且放大特性與信號傳輸方向無關。

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對輸入信號光放大能力的參數，其定義為[13]

依據EDFA的放大機理可知，增益會隨著輸入光功率、摻鉺光纖長度和泵浦功率變化，且他們之間有很復雜的關系，其變化關系可用下式估算：

假設沒有自發輻射，依據能量守恒可知，當輸入信號光功率非常大時，增益為1，無放大。

（2）噪聲系數。噪聲系數NF是EDFA的又一個重要特性，可表示為

2 C+L波段的EDFA實驗箱設計

C+L波段的EDFA 的系統設計框圖見圖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前工作指標。C波段EDFA放大模塊由C波段的EDF、WDM復用器、耦合器和隔離器構成。L波段EDFA由L波段的EDF、WDM復用器、耦合器和隔離器構成。C+L波段EDFA可實現不同泵浦方式的光路連接，便于學生實驗時測試對比分析不同泵浦方式下的EDFA的放大特性。

圖3 系統設計框圖

2.1 二合一泵浦激光器的硬件設計

該實驗箱的核心元件為二合一泵浦激光器LD，本實驗箱選用DRIVE系列的二合一激光管，自行設計電路控制模塊和顯示模塊，利用硬件電路設計液晶顯示板，便于硬件操作設置LD的溫度和功率?？刂颇K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，同時實時控制液晶面板顯示。

ON和OFF狀態下的二合一泵浦激光器實物圖見圖4。液晶面板上數字顯示二合一泵浦激光器當前工作狀態下的參數，如激光器ON或OFF、溫度、功率大小等。面板上設置6個按鍵：激光器開關按鈕、溫度與功率顯示模式選擇按鈕、數值增加按鈕、數值減小按鈕、限值按鈕和步長按鈕。工作時通過啟動液晶面板顯示模塊上的開關按鈕，打開泵浦激光器和EDFA的工作電源；然后通過按下LD功率設定按鈕設置當前泵浦激光器的輸出功率，按下LD溫度設定按鈕設置當前泵浦激光器的工作溫度，分別對C波段和L波段的不同泵浦方式、不同EDF長度進行測試。

圖4 ON和OFF狀態下的二合一泵浦激光器實物圖

2.2 二合一泵浦激光器的軟件設計

利用LabVIEW設計顯示和控制軟件，利用計算機設置LD的溫度和驅動電流。圖5為C+L波段EDFA本科教學實驗箱激光驅動器的軟件設計流程圖，首先需要對各功能端口進行初始化，判斷是否正確安裝了端口驅動，開啟驅動器設置輸出電流與工作溫度。圖6為軟件界面。該實驗箱在使用過程中，可直接通過液晶顯示板上的按鈕進行操作，也可通過軟件實現EDFA的遠程控制。

圖5 軟件流程圖

圖6 軟件運行界面

3 C+L波段EDFA的實驗測試

C+L波段EDFA的教學目標是通過實驗讓學生掌握EDFA的放大機理，了解3種不同泵浦方式的應用、EDFA增益的影響因素等。EDFA實驗箱實物見圖7。

圖7 C+L波段EDFA的實驗箱實物圖

以3種不同泵浦下的C波段EDFA的增益特性實驗為例來說明該實驗箱的操作與測試如下：

（1）按照圖8用法蘭連接各個器件，構建前向泵浦的C波段EDFA測試系統，每個器件的兩端都是PC/APC光纖連接器，檢查光路，確保每個元器件的連接正常；

圖8 C波段前向泵浦EDFA實驗系統框圖

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

（3）接入需放大的輸入信號光，信號光的功率和波長保持不變；

（4）依次增大泵浦激光器的驅動電流，每變化一個電流則用光功率計或光譜儀實時觀測和記錄鉺光纖后輸出光信號的波形和光功率大??；

（5）基于所記錄的數據，計算EDFA的增益。

（6）依據圖2的連接方法，將實驗系統分別更換成后向泵浦和雙向泵浦的方式，并分別按照上述測量過程進行測試；

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

（8）將上述3種連接方式下的數據繪制成圖。

圖9是驅動電流為300 mA時3種泵浦方式下EDFA的自發輻射噪聲（ASE）光譜，實驗現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測試結果

4 C+L波段EDFA實驗箱可開設的實驗

本實驗箱可開設的本科教學實驗見表1。

表1 C+L波段EDFA實驗箱可開設的本科教學實驗

5 結語

本文設計的C+L波段EDFA實驗箱獲2018年高等教育學會高校教師教學創新大賽——第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽及優秀作品展示活動三等獎，且已在我院的光纖通信實驗和光網絡實驗課程中使用，取得了較好的教學效果。

[1] 王啟明，趙玲娟，朱洪亮，等. 光纖通信有源器件的發展現狀[J]．電信科學，2016, 32(5): 10–23.

[2] 張珂衛，趙衛，謝小平，等.基于摻鉺光纖的高增益低噪聲光放大器實驗研究[J].光學學報，2013(5): 33–37.

[3] 趙梓森．中國光纖通信發展的回顧[J].電信科學，2016，32(5): 5–9.

[4] 彭利標，王奉良，李冰玉，等.光纖放大器及其應用[J].廊坊師范學院學報(自然科學版)，2014, 14(4): 56–61.

[5] 高志文.光放大器的設計[J]. 軍民兩用技術與產品，2017(1): 59–60.

[6] 熊煉.光纖放大器EDFA設計概要[J].現代有線傳輸，2003 (4): 17–20, 29.

[7] 林宇航，張彥. 光放大器的研究和應用[J].光纖通信，1998 (2): 29–34.

[8] 王東昊. 980 nm泵浦激光器精密驅動技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[9] 譚莉，倪文俊，丁永奎，等. L-band EDFA中980nm泵浦激光器驅動控制電路的設計與調試[J].光子技術，2013(1): 38–41.

[10] 帕勒里斯.光纖通信[M].賈東方，譯. 5版.北京: 電子工業出版社，2005.

[11] 李履信，沈建華.光纖通信系統[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社，2003.

[12] 劉德明.光纖光學與光纖通信基礎實驗[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[13] 王輝.光纖通信[M].北京: 電子工業出版社，2009.

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目（GJY2017006）；杭州電子科技大學教學研究項目（YB201756）、浙江省高校實驗室工作研究項目（ZD201701）和院教改項目（0TXYB201803）

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