中間級接入摻鉺光纖放大器及其自動增益校準

吳曉燕，任海蘭

（武漢郵電科學研究院，武漢430074）

中間級接入摻鉺光纖放大器及其自動增益校準

吳曉燕，任海蘭*

（武漢郵電科學研究院，武漢430074）

為了根據(jù)外界條件的變化自動進行增益調(diào)整，引入了中間級接入摻鉺光纖放大器，它具有兩級放大功能，增益在一定范圍內(nèi)可調(diào)，且能自動根據(jù)系統(tǒng)的變化調(diào)整自身的增益，使其滿足不同條件的應(yīng)用需求。采用自動增益校準的方法，對其原理進行了理論分析和實驗驗證，取得了中間級接入摻鉺光纖放大器的增益校準及驗證數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，自動增益校準數(shù)據(jù)具有較高的準確性。這一結(jié)果對摻鉺光纖放大器實現(xiàn)快速、準確的自動增益控制是有幫助的。

光纖放大器；自動增益控制；自動增益校準；中間級接入

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)以及有線電視網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，常用于功率放大、預放大以及線路放大，同時還可用來對光無源器件的損耗進行補償?shù)龋?］。EDFA擁有較大的增益帶寬，決定了它能將多個通路的光信號復用起來在線路上傳輸，并且它對光信號的傳輸速率和數(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)尤其是密集波分復用系統(tǒng)的研發(fā)和商用化［2］。

隨著密集波分復用技術(shù)的不斷成熟，單個波長的傳輸速率逐漸提升到10Gbit/s～40Gbit/s，色散因此成為決定無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路上增加色散補償單元［3］，如色散補償光纖和色散補償模塊等。一般有前置補償和后置補償兩種方式，前置補償方式由于所引入的器件插入損耗較大，會使線路的發(fā)送功率降低，而后置補償方式需要對線路上的放大器設(shè)定相應(yīng)的增益來補償色散補償單元的插入損耗，增加了系統(tǒng)設(shè)計的復雜性。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)計難度，引入了中間級接入（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的光放大分為兩級放大器來完成，這兩級放大器為可調(diào)增益放大級1和可調(diào)增益放大級2，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩級放大的增益可以在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整［4］。輸入光信號進入放大器的輸入端，經(jīng)過第1級放大后由MSA輸出，在可變增益放大級1的MSA輸出和放大級2的MSA輸入之間有接入抽頭，可用來接入進行色散補償?shù)纳⒀a償光纖（dispersion compensating fiber，DCF）、色散補償模塊（dispersion compensating module，DCM）和光分插復用模塊或者其它光模塊。之后，信號光從MSA進入第2級進行再放大，此結(jié)構(gòu)的EDFA對信號光進行了前后兩次放大，不僅使EDFA具有較高的增益，同時還可以根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求（如色散補償）在兩級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，增強了靈活性。

Fig.1 Configuration of MSA

對于單級結(jié)構(gòu)的EDFA來說，其放大自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission，ASE）噪聲［5］為：

式中，PASE是目標增益為G、信號光頻率為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，信號光頻率和帶寬固定，只要目標增益G不變，其噪聲功率PASE也不變，EDFA的噪聲指數(shù)也就不變。

而對于MSA增益可調(diào)EDFA來說，其相當于兩臺單級的EDFA進行級聯(lián)，而且兩級增益分別可調(diào)，只要增益改變，EDFA的噪聲指數(shù)［6］Fn就會發(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1的噪聲指數(shù)和增益，F(xiàn)n2為可調(diào)增益放大級2的噪聲指數(shù)，T為常數(shù)。由（2）式可知，只要有一級EDFA的噪聲指數(shù)Fn1或Fn2發(fā)生變化，整個EDFA的噪聲指數(shù)Fn就會發(fā)生相應(yīng)的變化。為了使整個EDFA的噪聲指數(shù)盡量保持在最佳狀態(tài)，在滿足EDFA系統(tǒng)應(yīng)用要求的前提下，應(yīng)盡量提高MSA增益可調(diào)EDFA前級增益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1有足夠大的增益，則EDFA的噪聲系數(shù)將主要由第1級放大器來決定，只要降低第1級放大器的Fn，整個系統(tǒng)的Fn就可以比較低。那么，可調(diào)增益放大級2的設(shè)計重點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［7］。在單級放大的情況下，還沒有任何結(jié)構(gòu)的EDFA能滿足最大輸出功率、最高增益、最低噪聲指數(shù)和最佳譜線形狀的要求。因此，對于MSA增益可調(diào)EDFA來說，兩級放大選用何種結(jié)構(gòu)必須由對模塊性能起決定作用的參量來決定，且必須達成一個合適的折中性權(quán)衡［8］。

2 MSA增益可調(diào)EDFA自動增益校準原理

本文中探討的EDFA的自動增益校準，是通過對輸入、輸出光功率的監(jiān)控［8］計算出EDFA的實際增益，并不斷調(diào)整抽運激光器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換（digital/analog conversion，DAC）值，即抽運工作電流的采樣值，使增益達到目標值。增益校準完成后，獲取入光功率、目標增益與抽運DAC的對應(yīng)關(guān)系［9］，并建立鏈表存入EDFA的內(nèi)存中，作為EDFA自動增益控制的參考值。當EDFA進行自動增益控制時，通過查表獲取當前入光功率及目標增益對應(yīng)的DAC值，可直接調(diào)整抽運至此DAC并在此基礎(chǔ)上做出微調(diào)，以便快速地鎖定到目標增益，極大地簡化EDFA自動增益控制的流程。

選用MSA增益可調(diào)EDFA的光路如圖2所示。在一個特定增益情況下，其中間級增益是一個固定值，抽運1保證中間級的增益達到要求值，而抽運2則用來調(diào)整整級的增益值，可調(diào)光衰減器（variable optical attenuator，VOA）VOA2對于某個固定增益來說是一個定值，它的作用是限制中間級的輸出功率，可調(diào)光衰減器1根據(jù)EDFA的工作狀態(tài)進行調(diào)整，可以用來優(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

對某一特定增益點的校準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1、抽運2的

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

Fig.3 Flow chart of automatic gain calibration

該自動校準方法不僅能夠根據(jù)輸出信號的各項參量自動進行增益調(diào)整，而且還能對EDFA的其它參量，如增益平坦度和噪聲指數(shù)等進行權(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)，來調(diào)整EDFA的工作參量，以滿足EDFA自動增益控制在不同條件的應(yīng)用需要。

3 結(jié)果分析

為了驗證以上自動增益校準原理的可行性，并驗證基于校準數(shù)據(jù)的查表機制進行自動增益控制的準確性，開發(fā)了基于VC++6.0的MSA增益可調(diào)EDFA自動增益校準系統(tǒng)，并完成了圖2所示結(jié)構(gòu)的EDFA增益的自動校準和驗證，選定目標增益為38.2dB，入射光功率為-15.4dBm的增益校準及驗證結(jié)果如表1所示，入射光功率為-34.8dBm的增益校準及驗證結(jié)果如表2所示。表中，I1和I2分別表示抽運1和抽運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）高光下校準的實際增益與目標增益38.2dB的偏差為0.01dB，低光下校準的實際增益與目標增益的偏差為0.07dB，能達到校準的目標增益。

（2）增益驗證時，EDFA根據(jù)自動校準的結(jié)果查找目標增益38.2dBm對應(yīng)的抽運DAC值并進行微調(diào)來自動控制增益，高光下鎖定的實際增益與校準增益偏差為0.07dB，低光下實際增益與校準增益的偏差為0.05dB，由此可見自動增益校準的結(jié)果具有較高的準確性，通過查找自動校準的結(jié)果，EDFA能準確地鎖定到目標增益。

（3）雖然高光下校準的抽運DAC值與驗證反饋的抽運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DAC值的增加，增益趨于飽和，抽運DAC值的改變所能引起的增益變化很小。

（4）增益校準時，對于EDFA的Fg和Fn進行了權(quán)衡優(yōu)化，使其能滿足產(chǎn)品的要求，驗證時，EDFA自動鎖定增益后Fn，F(xiàn)g的結(jié)果也能很好地滿足要求，能很好地保證EDFA的工作性能。

（5）高、低光的校準數(shù)據(jù)與驗證反饋數(shù)據(jù)基本相同，各項指標偏差很小，能很好地滿足EDFA自動增益控制的要求。

4 結(jié) 論

隨著智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)的智能化程度要求也越來越高。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；配合色散補償模塊及色散補償光纖的使用，可進一步改善色散對高速線路的影響。可以預見，MSA增益可調(diào)光放大技術(shù)將會在不遠的將來得到更加廣泛的應(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)域為光纖通信。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：renhl＠wri.com.cn

2012-10-22；

2013-01-29