周雪芳，郝红甜，樊 冰，毕美华，杨国伟

二合一泵浦激光器的C+L波段EDFA实验箱设计

周雪芳1，郝红甜1，樊 冰2，毕美华1，杨国伟1

（1. 杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018；2. 杭州电子科技大学 国有资产与实验管理处，浙江 杭州 310018）

以二合一激光器为泵浦源，软件和硬件相结合，设计了一种包括C波段放大模块、L波段放大模块、液晶面板显示模块和控制模块的C+L波段的EDFA教学实验箱。该实验箱可进行“光纤通信”及“光网络”等课程的综合实验，有助于加深学生对相关理论的理解与掌握，更好地培养学生的创新思维和实践能力。

掺铒光纤放大器实验箱；二合一泵浦激光器；光纤通信；光网络

国家工程教育专业认证标准中的电子信息与电气工程类通信工程专业培养方案中，“光纤通信”与“光网络”是两门重要的专业课[1-4]，但由于学习内容具有较强的专业理论性和工程实用性，学生在学习这两门课程时不容易理解。

目前光纤通信、光网络等实验课程中用到的掺铒光纤放大器（EDFA）实验箱存在严重的不足[5-9]：一是实验箱完全封装，学生实验时只需要进行简单的光纤线路连接，不能较好地支撑理论知识的学习；二是EDFA多半是工作在C波段，少有工作在L波段的EDFA，这与光纤通信的最新发展不一致；三是现有的EDFA实验箱只能实现对线路光信号的放大，不能设计出关于放大器的可扩展性实验，实验类型过于单一化。

本文以二合一激光器为泵浦源，设计了泵浦源的温度控制电路（ATC）和功率控制电路（APC），自制了一种能够工作在C波段和L 波段的EDFA本科教学实验箱。该实验箱可开展C波段和L波段EDFA的不同泵浦方式实验测试、放大器增益与掺铒光纤长度与实验测试等教学实验。

1 EDFA的工作原理及特性

1.1 EDFA的构成

EDFA的结构如图1所示[10-12]，主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光复用器和光隔离器组成[10]。其工作原理：信号光与泵浦光经过复用器后进入EDF中，泵浦光的能量被铒光纤中的铒离子吸收而产生跃迁至更高能级，从而实现铒离子的粒子数反转分布，反转分布的铒离子在信号光的诱导下产生受激辐射，辐射出与信号光同频率、同相位的光子，这样通过能级间的受激辐射将泵浦光的能量转移为信号光的能量，实现了信号光的放大。

图1 EDFA的结构

1.2 EDFA的泵浦方式

依据泵浦光和信号光注入方式的不同，EDFA的泵浦方式有3种：前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦，如图2所示。3种不同结构对信号输出功率和噪声特性有不同的影响。在相同的泵浦条件下，采用前向泵浦可获得较好的噪声特性；采用后向泵浦可获得较高的输出功率；采用双向泵浦，使EDFA的增益和噪声性能都优于单向泵浦，且放大特性与信号传输方向无关。

图2 3种不同泵浦方式

1.3 EDFA的增益和噪声特性

（1）增益。增益是描述EDFA对输入信号光放大能力的参数，其定义为[13]

依据EDFA的放大机理可知，增益会随着输入光功率、掺铒光纤长度和泵浦功率变化，且他们之间有很复杂的关系，其变化关系可用下式估算：

假设没有自发辐射，依据能量守恒可知，当输入信号光功率非常大时，增益为1，无放大。

（2）噪声系数。噪声系数NF是EDFA的又一个重要特性，可表示为

2 C+L波段的EDFA实验箱设计

C+L波段的EDFA 的系统设计框图见图3，主要包括二合一的泵浦激光器、功率和温度控制模块、液晶显示模块、C波段放大模块和L波段放大模块。功率和温度控制模块主要是控制二合一泵浦激光器的输出功率和工作温度，确保泵浦激光器的正常工作。液晶显示模块包含液晶显示面板和按键，显示泵浦激光器的当前工作指标。C波段EDFA放大模块由C波段的EDF、WDM复用器、耦合器和隔离器构成。L波段EDFA由L波段的EDF、WDM复用器、耦合器和隔离器构成。C+L波段EDFA可实现不同泵浦方式的光路连接，便于学生实验时测试对比分析不同泵浦方式下的EDFA的放大特性。

图3 系统设计框图

2.1 二合一泵浦激光器的硬件设计

该实验箱的核心元件为二合一泵浦激光器LD，本实验箱选用DRIVE系列的二合一激光管，自行设计电路控制模块和显示模块，利用硬件电路设计液晶显示板，便于硬件操作设置LD的温度和功率。控制模块中的功率控制电路APC和温度控制电路ATC用于控制C波段EDFA放大模块、L波段EDFA放大模块中的泵浦激光器，同时实时控制液晶面板显示。

ON和OFF状态下的二合一泵浦激光器实物图见图4。液晶面板上数字显示二合一泵浦激光器当前工作状态下的参数，如激光器ON或OFF、温度、功率大小等。面板上设置6个按键：激光器开关按钮、温度与功率显示模式选择按钮、数值增加按钮、数值减小按钮、限值按钮和步长按钮。工作时通过启动液晶面板显示模块上的开关按钮，打开泵浦激光器和EDFA的工作电源；然后通过按下LD功率设定按钮设置当前泵浦激光器的输出功率，按下LD温度设定按钮设置当前泵浦激光器的工作温度，分别对C波段和L波段的不同泵浦方式、不同EDF长度进行测试。

图4 ON和OFF状态下的二合一泵浦激光器实物图

2.2 二合一泵浦激光器的软件设计

利用LabVIEW设计显示和控制软件，利用计算机设置LD的温度和驱动电流。图5为C+L波段EDFA本科教学实验箱激光驱动器的软件设计流程图，首先需要对各功能端口进行初始化，判断是否正确安装了端口驱动，开启驱动器设置输出电流与工作温度。图6为软件界面。该实验箱在使用过程中，可直接通过液晶显示板上的按钮进行操作，也可通过软件实现EDFA的远程控制。

图5 软件流程图

图6 软件运行界面

3 C+L波段EDFA的实验测试

C+L波段EDFA的教学目标是通过实验让学生掌握EDFA的放大机理，了解3种不同泵浦方式的应用、EDFA增益的影响因素等。EDFA实验箱实物见图7。

图7 C+L波段EDFA的实验箱实物图

以3种不同泵浦下的C波段EDFA的增益特性实验为例来说明该实验箱的操作与测试如下：

（1）按照图8用法兰连接各个器件，构建前向泵浦的C波段EDFA测试系统，每个器件的两端都是PC/APC光纤连接器，检查光路，确保每个元器件的连接正常；

图8 C波段前向泵浦EDFA实验系统框图

（2）打开液晶显示板上的激光器开关按钮，使激光器工作在ON状态，激光器的驱动电流初始值为0 mA；

（3）接入需放大的输入信号光，信号光的功率和波长保持不变；

（4）依次增大泵浦激光器的驱动电流，每变化一个电流则用光功率计或光谱仪实时观测和记录铒光纤后输出光信号的波形和光功率大小；

（5）基于所记录的数据，计算EDFA的增益。

（6）依据图2的连接方法，将实验系统分别更换成后向泵浦和双向泵浦的方式，并分别按照上述测量过程进行测试；

（7）依次记录后向泵浦和双向泵浦时的输出光信号功率大小，计算不同泵浦功率下的增益系数；

（8）将上述3种连接方式下的数据绘制成图。

图9是驱动电流为300 mA时3种泵浦方式下EDFA的自发辐射噪声（ASE）光谱，实验现象与理论分析相符合。

图9 C波段3种不同泵浦方式下EDFA 的ASE测试结果

4 C+L波段EDFA实验箱可开设的实验

本实验箱可开设的本科教学实验见表1。

表1 C+L波段EDFA实验箱可开设的本科教学实验

5 结语

本文设计的C+L波段EDFA实验箱获2018年高等教育学会高校教师教学创新大赛——第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛及优秀作品展示活动三等奖，且已在我院的光纤通信实验和光网络实验课程中使用，取得了较好的教学效果。

[1] 王启明，赵玲娟，朱洪亮，等. 光纤通信有源器件的发展现状[J]．电信科学，2016, 32(5): 10–23.

[2] 张珂卫，赵卫，谢小平，等.基于掺铒光纤的高增益低噪声光放大器实验研究[J].光学学报，2013(5): 33–37.

[3] 赵梓森．中国光纤通信发展的回顾[J].电信科学，2016，32(5): 5–9.

[4] 彭利标，王奉良，李冰玉，等.光纤放大器及其应用[J].廊坊师范学院学报(自然科学版)，2014, 14(4): 56–61.

[5] 高志文.光放大器的设计[J]. 军民两用技术与产品，2017(1): 59–60.

[6] 熊炼.光纤放大器EDFA设计概要[J].现代有线传输，2003 (4): 17–20, 29.

[7] 林宇航，张彦. 光放大器的研究和应用[J].光纤通信，1998 (2): 29–34.

[8] 王东昊. 980 nm泵浦激光器精密驱动技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[9] 谭莉，倪文俊，丁永奎，等. L-band EDFA中980nm泵浦激光器驱动控制电路的设计与调试[J].光子技术，2013(1): 38–41.

[10] 帕勒里斯.光纤通信[M].贾东方，译. 5版.北京: 电子工业出版社，2005.

[11] 李履信，沈建华.光纤通信系统[M]. 2版. 北京: 机械工业出版社，2003.

[12] 刘德明.光纤光学与光纤通信基础实验[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[13] 王辉.光纤通信[M].北京: 电子工业出版社，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项目（GJY2017006）；杭州电子科技大学教学研究项目（YB201756）、浙江省高校实验室工作研究项目（ZD201701）和院教改项目（0TXYB201803）

周雪芳（1976—），女，江西丰城，工学硕士，副教授，主要从事光纤激光器、光通信系统及光传感技术研究。E-mail: zhouxf@hdu.edu.cn