基于EDFA的TDM－PON上行信號光功率均衡器

陳曉文

（1.福建信息職業(yè)技術學院 電子工程系，福建 福州 350003；2.萬能科技大學 工程與電資學院，臺灣 中壢 32061）

隨著人們對網絡帶寬的需求越來越大，憑借設備成本和運行維護成本的優(yōu)勢，無源光網絡成為運營商解決“最后一公里”問題的重要方案［1］，成為光纖到戶最受歡迎的方法［2－3］。在時分復用無源光網絡中，上行信號以時分多址接入方式傳送。由于不同光網絡單元發(fā)送的光信號功率大小不同，光網絡單元（optical network unit，ONU）與光線路終端（optical line termination，OLT）的距離不同，因此光線路終端接收到的功率大小差異比較大，光線路終端必須采用突發(fā)模式光接收機。突發(fā)模式光接收機要對每一幀數據進行門限電平判決，恢復時鐘數據［4］。突發(fā)模式光接收機增加了局端設計上的復雜度與頻寬的浪費。

為使光線路終端接收到的各光脈沖峰值功率波動變化較小，文獻［5－8］采用不同方法對上行信號進行光功率均衡。文獻［5－6］通過光發(fā)射機自動增益控制來實現，使光發(fā)射機變得復雜；文獻［7］采用上行光注入于工作在臨界電流以下的法布里－珀羅激光器來實現，其要求上行信號光的波長具有相同的穩(wěn)定性，這實際中很難做到；文獻［8］方法是文獻［7］方法的優(yōu)化，先用單模激光注入用戶端ONU，鎖定各ONU上行光波長，鎖模后ONU上行光再注入法布里－珀羅激光器，但當環(huán)境溫度變化太大時，單模激光就無法鎖定用戶端上行光波長。

本文采用摻鉺光纖放大器（Erbium－doped fiber amplifier，EDFA）作為光功率均衡器，上行信號光功率先經過EDFA均衡再送入接收機，在不需要特定波長來注入鎖定上行光波長，也不增加光發(fā)射機復雜度的情況下，可改善文獻［5－8］的問題。

1 理論分析

摻鉺光纖放大器的增益譜特性取決于鉺光纖內Er3＋離子的吸收和輻射截面的頻率特性，以及光纖內的粒子數反轉程度和上能級粒子數沿光纖軸向的分布情況。光纖中頻率為v的光場在z點處的增益系數［9］近似為

Wp為泵浦速率，Ws和WASE分別為信號與噪聲的受激輻射速率。式（1）中N2為上能級粒子數，N為總粒子數，Γp為泵浦光場在鉺摻雜區(qū)域的功率限制因子，σpa為泵浦頻率vp處的躍遷截面，Pp（z）為泵浦功率，A為光纖中光的模場面積，h為普朗克常數，Pj（z）為信號功率，vj為信號光頻率，（z，v）為自發(fā)輻射功率，τ為上能級壽命，σa為吸收截面，σe為輻射截面，Γj和Γv是信號與噪聲參量的功率限制因子。

在小信號并忽略ASE噪聲的情況下（Ws、WASE?Wp），可以得到放大器的小信號增益為

為放大器的飽和泵浦功率。當泵浦功率Pp?Psat時，小信號增益隨泵浦功率線性增大；當Pp?Psat時，g0≈Γvσe（v）N，此時 N2接近 N 的值，進一步增大Pp將不再導致增益增大。

放大器增益也可用小信號增益表示為

其中 Wsat＝（1＋PP／Psat）／τ為飽和受激輻射速率。式（5）表明，當光纖內的信號或噪聲功率增大時，放大器增益將趨于飽和，增大泵浦功率可以改善放大器的飽和特性。

2 實驗與結果

利用EDFA對時分復用無源光網絡（Time Division Multiplexing－Passive Optical Network，TDM－PON）與長距離無源光網絡 （Long Reach－Passive Optical Network，LR－PON）上行信號光功率進行均衡，通過實驗驗證功率均衡的效果。

2.1 EDFA用作TDM－PON上行信號光功率均衡器

應用摻鉺光纖放大器做為TDM－PON上行信號光功率均衡器架構如圖1所示，實驗裝置如圖2所示。將EDFA內的泵浦激光器的驅動電流調至最低，由于EDFA的放大增益太高，所以需接第2個光衰減器（VOA2），目的是將放大的光信號降為光學示波器可接受的范圍，實驗將VOA2固定衰減10dB。圖2中EDFA放大的信號為是1550nm，EDFA的泵浦源為980nm。將EDFA泵浦激光器激發(fā)光功率分別設為25、30與35mW，測量其輸出光功率變化，實驗結果如圖3所示，當上行光功率為－16至－26dBm時，EDFA之輸出光功率變化量分別為2.9、2.77與2.47dB。由于此EDFA是前向泵浦EDFA，隨著光信號在EDFA的傳播方向，前向泵浦之激發(fā)光強度逐漸遞減，光信號與噪聲的增益亦逐漸遞減，容易發(fā)生增益飽和現象。當激發(fā)光功率較大時，光信號在EDFA前段得到較高的增益，在EDFA后段光功率更容易飽和，光功率均衡效果較好。

圖1 TDM－PON的EDFA光功率均衡器架構

圖2 TDM－PON的EDFA光功率均衡實驗裝置

圖3 TDM－PON上行光通過EDFA均衡器后的功率曲線

圖4所示是激發(fā)光功率分別為25、30與35mW時EDFA增益特性曲線，其通過“頻域內差法”測量得到。由圖4可知，入射光功率不同得到的增益不同，入射光功率大獲得增益小，入射光功率小獲得增益大。

圖4 摻鉺光纖放大器增益特性曲線

光功率均衡前后的信號眼圖如圖5所示，對比光功率均衡前后的信號眼圖發(fā)現，上行光經由EDFA均衡后，信號眼圖由閉合變張開，說明EDFA不僅使上行光信號功率差異變小，對上行光信號的傳輸質量也有明顯改善作用。信號質量被改善程度與激發(fā)光功率大小無明顯關系。

圖5 上行光功率－25dBm光功率均衡前后的信號眼圖

2.2 EDFA用作LR－PON上行信號光功率均衡器

用波分復用無源光網絡（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，WDM－PON）與TDM－PON所構成的混合無源光網絡可實現長距離無源光網絡。長距離無源光網能夠有更大的信息容量與網絡涵蓋范圍，傳輸距離從傳統的無源光網的20km延伸到100km，可以降低設備所需數量，并減少網絡成本。由于要支持長距離與高分流比，在LR－PON中通常會使用光放大器來補償光功率的損耗。

圖6為LR－PON光功率均衡器的光網架構圖，以反射式半導體光放大器（reflective semiconductor optical amplifier，RSOA）作為無色ONU光源，即下行信號經過波長解復用后注入到客戶端RSOA內，激發(fā)RSOA輸出與信號光波長相一致的光信號。此光波長既作為下行的信號光，又作為上行信號的光源。采用此方案系統ONU之RSOA無需溫度控制，且網絡架構簡單。不足之處在于系統中需要高功率下行信號光，因此于OLT波長復用后尚須一寬頻帶EDFA來做功率放大器，并且在光纖傳輸時，可能引起較強的瑞利后向散射噪聲光，所以上、下行信號采用不同光纖傳輸［10］，使下行光的后向散射噪聲不影響上行光信號質量。最后上行光通過OLT波長解復用后再各自經過所屬波長通道的EDFA光功率均衡器，進行光接收前的光功率均衡與前置光放大。

圖6 基于EDFA的LR－PON光功率均衡器光網架構

為驗證上述架構以EDFA為上行光功率均衡器的可行性，以圖7實驗裝置來測量其結果。實驗中以可調波長激光（Tunable－LD）的單縱模光為波長解復用的下行光（光功率設為0.2mW），入射RSOA后，反射光經RSOA的增益調制后作為ONU的上行信號光（N個用戶中的一戶）。裝置中以VOA1調整入射光功率至EDFA，此時EDFA之激發(fā)光功率為25mW，以光功率計測量EDFA之輸出光信號功率，實驗結果如圖8所示。由圖8可知EDFA之光功率均衡效果與圖3之結果幾乎完全相同，輸入光功率范圍從－16至－26dBm，輸出光功率變化量為2.9dB。由此可知，EDFA光功率均衡器無論對FP－LD的多縱模光或對RSOA的單縱模光，其光功率均衡效果相同。

圖7 模擬LR－PON上行光功率均衡的實驗裝置

圖8 LR－PON上行光通過EDFA均衡器后的功率曲線

信號眼圖能評估均衡器對RSOA上行信號的傳輸質量影響，圖9給出了光功率為－20dBm時RSOA上行光信號未經過均衡器信號眼圖與經過EDFA光功率均衡器后信號眼圖的比較，信號眼圖明顯變得張開。

圖9 光功率為－20dBm時RSOA上行光信號均衡前后信號眼圖

若再考慮圖6波長解復用后每個波長通道均需1個EDFA來做光功率均衡的高成本問題，提出另一降低成本的架構方案，即波長解復用的N個波長通道之EDFA共享一泵浦激光器，如圖10所示。一個泵浦激光器以1×N功率分光器平均分送激發(fā)光至N個EDFA中，能有效降低N個EDFA的建置成本。

圖10 共享泵浦激光器的EDFA

3 結束語

利用EDFA對TDM－PON與LR－PON上行信號光功率進行均衡，使上行光到達光線路終端的信號功率差異明顯變小。實驗結果表明，從－16dBm至－26dBm的上行光功率經過EDFA均衡后能變換成大約3dB功率變化量輸出，EDFA泵浦激光器激發(fā)光功率越大者，光功率均衡效果越好，輸出光功率也越高。通過對比上行光信號光功率均衡前后眼圖發(fā)現，EDFA光功率均衡器提高了上行光信號傳輸質量。

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