中間級(jí)接入摻鉺光纖放大器及其自動(dòng)增益校準(zhǔn)

吳曉燕，任海蘭

（武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074）

中間級(jí)接入摻鉺光纖放大器及其自動(dòng)增益校準(zhǔn)

吳曉燕，任海蘭*

（武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074）

為了根據(jù)外界條件的變化自動(dòng)進(jìn)行增益調(diào)整，引入了中間級(jí)接入摻鉺光纖放大器，它具有兩級(jí)放大功能，增益在一定范圍內(nèi)可調(diào)，且能自動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)的變化調(diào)整自身的增益，使其滿(mǎn)足不同條件的應(yīng)用需求。采用自動(dòng)增益校準(zhǔn)的方法，對(duì)其原理進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了中間級(jí)接入摻鉺光纖放大器的增益校準(zhǔn)及驗(yàn)證數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，自動(dòng)增益校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性。這一結(jié)果對(duì)摻鉺光纖放大器實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的自動(dòng)增益控制是有幫助的。

光纖放大器；自動(dòng)增益控制；自動(dòng)增益校準(zhǔn)；中間級(jí)接入

引 言

摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）在光網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)以及有線(xiàn)電視網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，常用于功率放大、預(yù)放大以及線(xiàn)路放大，同時(shí)還可用來(lái)對(duì)光無(wú)源器件的損耗進(jìn)行補(bǔ)償?shù)龋?］。EDFA擁有較大的增益帶寬，決定了它能將多個(gè)通路的光信號(hào)復(fù)用起來(lái)在線(xiàn)路上傳輸，并且它對(duì)光信號(hào)的傳輸速率和數(shù)據(jù)調(diào)制格式透明，使得光網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、透明性和可靠性得到了顯著改善，極大地加快了光纖通信系統(tǒng)尤其是密集波分復(fù)用系統(tǒng)的研發(fā)和商用化［2］。

隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的不斷成熟，單個(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率逐漸提升到10Gbit/s～40Gbit/s，色散因此成為決定無(wú)電再生中繼傳輸距離的重要因素。常采用的改善色散的方法是在傳輸線(xiàn)路上增加色散補(bǔ)償單元［3］，如色散補(bǔ)償光纖和色散補(bǔ)償模塊等。一般有前置補(bǔ)償和后置補(bǔ)償兩種方式，前置補(bǔ)償方式由于所引入的器件插入損耗較大，會(huì)使線(xiàn)路的發(fā)送功率降低，而后置補(bǔ)償方式需要對(duì)線(xiàn)路上的放大器設(shè)定相應(yīng)的增益來(lái)補(bǔ)償色散補(bǔ)償單元的插入損耗，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。因此，為了便于系統(tǒng)的管理并降低光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，引入了中間級(jí)接入（mid-stage access，MSA）增益可調(diào)EDFA。

1 MSA增益可調(diào)EDFA的性能分析

MSA增益可調(diào)EDFA的光放大分為兩級(jí)放大器來(lái)完成，這兩級(jí)放大器為可調(diào)增益放大級(jí)1和可調(diào)增益放大級(jí)2，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩級(jí)放大的增益可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整［4］。輸入光信號(hào)進(jìn)入放大器的輸入端，經(jīng)過(guò)第1級(jí)放大后由MSA輸出，在可變?cè)鲆娣糯蠹?jí)1的MSA輸出和放大級(jí)2的MSA輸入之間有接入抽頭，可用來(lái)接入進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)纳⒀a(bǔ)償光纖（dispersion compensating fiber，DCF）、色散補(bǔ)償模塊（dispersion compensating module，DCM）和光分插復(fù)用模塊或者其它光模塊。之后，信號(hào)光從MSA進(jìn)入第2級(jí)進(jìn)行再放大，此結(jié)構(gòu)的EDFA對(duì)信號(hào)光進(jìn)行了前后兩次放大，不僅使EDFA具有較高的增益，同時(shí)還可以根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求（如色散補(bǔ)償）在兩級(jí)放大之間加入其它功能的模塊或器件，改善了系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)了靈活性。

Fig.1 Configuration of MSA

對(duì)于單級(jí)結(jié)構(gòu)的EDFA來(lái)說(shuō)，其放大自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission，ASE）噪聲［5］為：

式中，PASE是目標(biāo)增益為G、信號(hào)光頻率為ν、帶寬為B范圍內(nèi)產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射噪聲，h為普朗克常量，nsp為自發(fā)輻射因子。由（1）式可知，在輸入光功率確定的情況下，信號(hào)光頻率和帶寬固定，只要目標(biāo)增益G不變，其噪聲功率PASE也不變，EDFA的噪聲指數(shù)也就不變。

而對(duì)于MSA增益可調(diào)EDFA來(lái)說(shuō)，其相當(dāng)于兩臺(tái)單級(jí)的EDFA進(jìn)行級(jí)聯(lián)，而且兩級(jí)增益分別可調(diào)，只要增益改變，EDFA的噪聲指數(shù)［6］Fn就會(huì)發(fā)生變化。MSA增益可調(diào)EDFA等效噪聲指數(shù)可表示為：

式中，F(xiàn)n1和G1為可調(diào)增益放大級(jí)1的噪聲指數(shù)和增益，F(xiàn)n2為可調(diào)增益放大級(jí)2的噪聲指數(shù)，T為常數(shù)。由（2）式可知，只要有一級(jí)EDFA的噪聲指數(shù)Fn1或Fn2發(fā)生變化，整個(gè)EDFA的噪聲指數(shù)Fn就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。為了使整個(gè)EDFA的噪聲指數(shù)盡量保持在最佳狀態(tài)，在滿(mǎn)足EDFA系統(tǒng)應(yīng)用要求的前提下，應(yīng)盡量提高M(jìn)SA增益可調(diào)EDFA前級(jí)增益G1的大小，這樣就能夠極大地降低EDFA的整體噪聲指數(shù)。因此，如果可調(diào)增益放大級(jí)1有足夠大的增益，則EDFA的噪聲系數(shù)將主要由第1級(jí)放大器來(lái)決定，只要降低第1級(jí)放大器的Fn，整個(gè)系統(tǒng)的Fn就可以比較低。那么，可調(diào)增益放大級(jí)2的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是盡可能提高輸出功率。這樣結(jié)構(gòu)的EDFA在低噪聲指數(shù)以及高飽和輸出功率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［7］。在單級(jí)放大的情況下，還沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)的EDFA能滿(mǎn)足最大輸出功率、最高增益、最低噪聲指數(shù)和最佳譜線(xiàn)形狀的要求。因此，對(duì)于MSA增益可調(diào)EDFA來(lái)說(shuō)，兩級(jí)放大選用何種結(jié)構(gòu)必須由對(duì)模塊性能起決定作用的參量來(lái)決定，且必須達(dá)成一個(gè)合適的折中性權(quán)衡［8］。

2 MSA增益可調(diào)EDFA自動(dòng)增益校準(zhǔn)原理

本文中探討的EDFA的自動(dòng)增益校準(zhǔn)，是通過(guò)對(duì)輸入、輸出光功率的監(jiān)控［8］計(jì)算出EDFA的實(shí)際增益，并不斷調(diào)整抽運(yùn)激光器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換（digital/analog conversion，DAC）值，即抽運(yùn)工作電流的采樣值，使增益達(dá)到目標(biāo)值。增益校準(zhǔn)完成后，獲取入光功率、目標(biāo)增益與抽運(yùn)DAC的對(duì)應(yīng)關(guān)系［9］，并建立鏈表存入EDFA的內(nèi)存中，作為EDFA自動(dòng)增益控制的參考值。當(dāng)EDFA進(jìn)行自動(dòng)增益控制時(shí)，通過(guò)查表獲取當(dāng)前入光功率及目標(biāo)增益對(duì)應(yīng)的DAC值，可直接調(diào)整抽運(yùn)至此DAC并在此基礎(chǔ)上做出微調(diào)，以便快速地鎖定到目標(biāo)增益，極大地簡(jiǎn)化EDFA自動(dòng)增益控制的流程。

選用MSA增益可調(diào)EDFA的光路如圖2所示。在一個(gè)特定增益情況下，其中間級(jí)增益是一個(gè)固定值，抽運(yùn)1保證中間級(jí)的增益達(dá)到要求值，而抽運(yùn)2則用來(lái)調(diào)整整級(jí)的增益值，可調(diào)光衰減器（variable optical attenuator，VOA）VOA2對(duì)于某個(gè)固定增益來(lái)說(shuō)是一個(gè)定值，它的作用是限制中間級(jí)的輸出功率，可調(diào)光衰減器1根據(jù)EDFA的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可以用來(lái)優(yōu)化EDFA的增益平坦度［10］Fg，使增益保持平坦。

Fig.2 Optical schematics of EDFA module

對(duì)某一特定增益點(diǎn)的校準(zhǔn)需要分別在其輸入光功率為最大和最小的情況下，找到抽運(yùn)1、抽運(yùn)2的

DAC值，然后通過(guò)線(xiàn)性插值［11］的方式得出各種輸入光情況下的抽運(yùn)1和抽運(yùn)2的DAC值。在EDFA模塊的增益可調(diào)范圍內(nèi)，需要按照1dB的間隔進(jìn)行增益的校準(zhǔn)，但為了簡(jiǎn)化校準(zhǔn)流程，一般只進(jìn)行最大及最小增益的校準(zhǔn)，其它各增益可以通過(guò)線(xiàn)性插值的方法進(jìn)行擬合。具體校準(zhǔn)流程如圖3所示。圖中，C1，C2，Cmax分別表示抽運(yùn)1，抽運(yùn)2的DAC值及DAC最大值。

Fig.3 Flow chart of automatic gain calibration

該自動(dòng)校準(zhǔn)方法不僅能夠根據(jù)輸出信號(hào)的各項(xiàng)參量自動(dòng)進(jìn)行增益調(diào)整，而且還能對(duì)EDFA的其它參量，如增益平坦度和噪聲指數(shù)等進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化。更重要的是，它還把EDFA的輸入功率作為自我調(diào)節(jié)的依據(jù)，來(lái)調(diào)整EDFA的工作參量，以滿(mǎn)足EDFA自動(dòng)增益控制在不同條件的應(yīng)用需要。

3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證以上自動(dòng)增益校準(zhǔn)原理的可行性，并驗(yàn)證基于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的查表機(jī)制進(jìn)行自動(dòng)增益控制的準(zhǔn)確性，開(kāi)發(fā)了基于VC++6.0的MSA增益可調(diào)EDFA自動(dòng)增益校準(zhǔn)系統(tǒng)，并完成了圖2所示結(jié)構(gòu)的EDFA增益的自動(dòng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證，選定目標(biāo)增益為38.2dB，入射光功率為-15.4dBm的增益校準(zhǔn)及驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，入射光功率為-34.8dBm的增益校準(zhǔn)及驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。表中，I1和I2分別表示抽運(yùn)1和抽運(yùn)2的電流值。

Table 1 Result contrast between gain calibration and verification in high input

由表1和表2可以看出：

（1）高光下校準(zhǔn)的實(shí)際增益與目標(biāo)增益38.2dB的偏差為0.01dB，低光下校準(zhǔn)的實(shí)際增益與目標(biāo)增益的偏差為0.07dB，能達(dá)到校準(zhǔn)的目標(biāo)增益。

（2）增益驗(yàn)證時(shí)，EDFA根據(jù)自動(dòng)校準(zhǔn)的結(jié)果查找目標(biāo)增益38.2dBm對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)DAC值并進(jìn)行微調(diào)來(lái)自動(dòng)控制增益，高光下鎖定的實(shí)際增益與校準(zhǔn)增益偏差為0.07dB，低光下實(shí)際增益與校準(zhǔn)增益的偏差為0.05dB，由此可見(jiàn)自動(dòng)增益校準(zhǔn)的結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，通過(guò)查找自動(dòng)校準(zhǔn)的結(jié)果，EDFA能準(zhǔn)確地鎖定到目標(biāo)增益。

（3）雖然高光下校準(zhǔn)的抽運(yùn)DAC值與驗(yàn)證反饋的抽運(yùn)DAC值精度較大，但它所引起的增益偏差僅有0.07dB，而低光下C2值的偏差僅為7，而引起的增益差為0.05dB。這是由于低光下，抽運(yùn)DAC較小，其微小的改變即能引起增益的較大改變，而高光下隨著抽運(yùn)DAC值的增加，增益趨于飽和，抽運(yùn)DAC值的改變所能引起的增益變化很小。

（4）增益校準(zhǔn)時(shí)，對(duì)于EDFA的Fg和Fn進(jìn)行了權(quán)衡優(yōu)化，使其能滿(mǎn)足產(chǎn)品的要求，驗(yàn)證時(shí)，EDFA自動(dòng)鎖定增益后Fn，F(xiàn)g的結(jié)果也能很好地滿(mǎn)足要求，能很好地保證EDFA的工作性能。

（5）高、低光的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與驗(yàn)證反饋數(shù)據(jù)基本相同，各項(xiàng)指標(biāo)偏差很小，能很好地滿(mǎn)足EDFA自動(dòng)增益控制的要求。

4 結(jié) 論

隨著智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能化程度要求也越來(lái)越高。鑒于MSA增益可調(diào)EDFA配置的靈活性以及其在網(wǎng)絡(luò)管理中的靈活性，它將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的固定增益EDFA。增益均衡技術(shù)加上增益可調(diào)結(jié)構(gòu)，可極大地改善EDFA的增益平坦特性；配合色散補(bǔ)償模塊及色散補(bǔ)償光纖的使用，可進(jìn)一步改善色散對(duì)高速線(xiàn)路的影響?？梢灶A(yù)見(jiàn)，MSA增益可調(diào)光放大技術(shù)將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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Erbium-doped fiber am plifier w ith m id-stage access and automatic gain calibration

WU Xiao-yan，REN Hai-lan
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

In order to adjust the gain automatically under different environmental conditions，an erbium-doped fiber amplifier（EDFA）withmid-stage access was introduced，which had two amplifier stages and variable gain within a certain range.To achieve the purpose of automatic gain adjustment，themethod of automatic gain calibration was adopted.After theoretical analysis and experimental verification，the data of gain calibration and verification of the EDFA with mid-stage access were obtained.The results show that the data of automatic calibration has high accuracy.This research is helpful for EDFA to achieve automatic gain control rapidly and exactly.

fiber amplifier；automatic gain control；automatic gain calibration；mid-stage access

TN722

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.025

1001-3806（2013）04-0529-04

吳曉燕（1988-），女，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣饫w通信。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：renhl＠wri.com.cn

2012-10-22；

2013-01-29