EDFA增益瞬態(tài)控制研究的最新進展

占生寶,丁　健

(1.滁州學院 電子與電氣工程學院，滁州 239000; 2.安慶師范學院， 安慶 246133)

EDFA增益瞬態(tài)控制研究的最新進展

占生寶1,2,丁健1

(1.滁州學院 電子與電氣工程學院，滁州 239000; 2.安慶師范學院， 安慶 246133)

摘要：針對當前光分組與線路節(jié)點光放大高穩(wěn)定性需求，依據(jù)電、光兩種主流控制方案，闡明了摻Er3+光纖放大器(EDFA)帶微調(diào)和無微調(diào)情況下，基于電的自動增益控制機理。綜述了EDFA增益瞬態(tài)控制研究的最新進展。分析了各種增益控制方案的具體控制過程。呈現(xiàn)了這些控制方法所取得的階段性成果。

關(guān)鍵詞：光通信；摻Er3+光纖放大器；波分復用；增益瞬態(tài)；自動增益控制

E-mail：zhanshb@aliyun.com

引言

為應(yīng)對全球每年超過50%的業(yè)務(wù)增長需求[1-2]，一種集成光分組交換(optical packet switching,OPS)與線路交換(optical circuit switching,OCS)于同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的光分組與線路(optical packet and circuit,OPCI)節(jié)點系統(tǒng)正成為當前的研究熱點[3-5]。該系統(tǒng)中，OPCI將依據(jù)用戶的不同需求，被設(shè)計成同時支持多種業(yè)務(wù)服務(wù)，其中，OPS提供“盡力而為”服務(wù)[6]，而OCS則提供全光配置，實現(xiàn)寬帶、高品質(zhì)服務(wù)[6-7]。需要強調(diào)的是，該OPCI系統(tǒng)并不是OPS和OCS的簡單融合，而是利用密集波分復用技術(shù)，依據(jù)用戶需求，在OPS和OCS之間執(zhí)行波長資源的動態(tài)重新分配。由此可見，如此的OPCI節(jié)點，其光放大器的作用不僅僅是彌補信號傳輸，更重要的是補償信號處理所引起的損耗，因此，作為波分復用(wavelength division multiplexing, WDM)系統(tǒng)最常用的放大器件，摻Er3+光纖放大器(Er3+-doped fiber amplifier, EDFA)能否應(yīng)對頻繁變化的輸入信號而實現(xiàn)無損放大，將是確保OPCI系統(tǒng)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問題。

眾所周知，由于光放大器的增益飽和，信號增/撤或突發(fā)傳輸所引起的增益瞬態(tài)，將直接影響光信號的傳輸質(zhì)量，為此，不斷開發(fā)光纖放大器的增益瞬態(tài)抑制技術(shù)，將是光纖通信發(fā)展的持久課題。自EDFA投入使用以來，其增益瞬態(tài)控制已進行了廣泛而深入的研究[8-11]，到目前為止，分別形成了電、光兩種主流自動增益控制方案，且這些方案還將不斷地改進、深化。為此，本文中將依據(jù)當前廣泛采用的兩種主流方案為線索，闡述EDFA自動增益控制研究的最新進展。

1基于電的增益控制

基于電的增益控制，其實現(xiàn)途徑是：依據(jù)光電檢測器檢測出的輸入信號功率，對比需要鎖定的增益值，按照預先標定的電流值來控制抽運源，使得抽運源輸出功率能適合輸入信號的變化[12]。下面，以正向抽運方式為例，闡明電的自動增益控制機理。

假設(shè)EDFA的增益設(shè)置為19.7dB，輸入信號的可控范圍為-60dBm~-10dBm，輸出信號上升沿速度與輸入信號上升沿速度完全一致，依據(jù)參考文獻[13]和參考文獻]中的相關(guān)參量，可得到帶微調(diào)情況下EDFA增益及瞬態(tài)響應(yīng)如圖1所示。圖中，Pp表示EDFA的抽運功率，Ps表示輸入信號功率。

圖1a—帶調(diào)諧時增益與輸入功率關(guān)系b—ACC控制時增益隨時間變化c—AGC控制時增益隨時間變化

由圖1a可以看出，不同抽運功率對應(yīng)不同的增益曲線。對于相同抽運下的信號增益，其增益值由小信號增益確定，且基本保持不變，見圖中帶箭頭的線段A；當輸入信號增加，對于自動恒定抽運功率控制(automatic constant pump power control, ACC)，此時摻Er3+光纖(Er3+-doped fiber,EDF)材料上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的不足，將導致放大器增益下降，并最終保持在一個恒定的常數(shù)值，見圖1b中帶箭頭的線段B所示，該過程大約需要0.65ms；而對于自動增益控制(automatic gain control, AGC)，當輸入信號增大時，則減小的響應(yīng)總能在非輻射衰減時間后恢復到穩(wěn)態(tài)值，由此導致增益曲線呈現(xiàn)一個小的凹陷，見圖1c中帶箭頭的線段C所示。該控制過程大約需要82μs。

圖2是對應(yīng)圖1相同輸入信號設(shè)置，無微調(diào)時增益隨時間的變化。從圖2b可以看出，當抽運功率大于設(shè)定的抽運值(約19mW)時，增益響應(yīng)大于20dB，此時，假若信號功率從0.1mW增加至0.4mW，AGC控制首先導致增益下降到最低值，然后恢復到設(shè)定值(19.7dB)，該過程大約需要83μs。反之，當抽運功率設(shè)定為12mW，見圖2c，此時，AGC控制首先從17.5dB下降到最小值，然后再上升到設(shè)定值，該過程大約需要138μs。因此，如何依據(jù)EDFA響應(yīng)特點，找出一種補償過沖/低沖響應(yīng)時間，是基于電的自動增益控制的關(guān)鍵問題。

圖2a—無微諧時增益與輸入功率關(guān)系b—無微諧, 初始Pp設(shè)為30mW，增益與時間關(guān)系c—無微諧, 初始Pp設(shè)為12mW，增益與時間關(guān)系

1.1　基于PID的增益控制

在基于電的自動增益控制方案中，使用最廣泛的增益控制系統(tǒng)當算比例-積分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制系統(tǒng)[15-17]，該系統(tǒng)如圖3所示[13]。圖3中，輸入抽運功率與實際抽運輸出功率之差定義為跟蹤誤差，該誤差進入PID控制器，在那里計算出誤差的比例、積分與微分增益。

圖3　PID增益控制原理示意圖

一個典型的PID控制器如圖4所示[13]，該控制器的輸出包括兩個主導項：瞬時抽運輸入和被控增益誤差。其中，被控增益誤差分別為比例增益(Kp)、微分增益(Kd)、積分增益(Ki)與誤差幅度之和[13]。圖中，e(t),∫e(τ),de(τ)分別表示比例、積分、微分蹤跡誤差。

圖4　PID結(jié)構(gòu)示意圖

基于該控制方案，2009年，MUHYALDIN等人以8信道中的4信道增/撤為例，詳細分析、比較了單獨使用比例、微分、積分控制器以及其中的兩兩組合、三者同時組合的自動增益控制效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于優(yōu)化的控制參量，單獨微分、積分增益控制效果優(yōu)于比例控制效果；三者同時組合的控制效果與其中二者組合的控制效果基本相同。在優(yōu)化的控制參量下，當抽運功率為65mW時，三者組合控制的最大增益瞬態(tài)值為1.18dB，瞬態(tài)控制所需的最小時間約為500μs。

圖5　擾動觀察器增益控制原理示意圖

分析上述PID及改進的PID控制方案，不難發(fā)現(xiàn)，其控制機理是運用抽運功率，合理改善上能級反轉(zhuǎn)粒子的狀況，來達到減小放大器增益瞬態(tài)目的，然而，上能級反轉(zhuǎn)粒子的有效壽命除與上能級粒子壽命有關(guān)外，還與放大器初始和穩(wěn)態(tài)時的飽和系數(shù)有關(guān)[19]，改變抽運功率雖然能改變飽和系數(shù)，但由于抽運功率改變有限，因此增益瞬態(tài)控制的時間不可能很短。由此可知，在抽運功率變化不大的情況下，基于PID的干擾觀察自動控制方案控制增益瞬態(tài)的時間已接近極限。

1.2　基于可變衰減器的增益控制

除采用PID控制方案外，利用高速率可調(diào)光衰減器(variableopticalattenuator,VOA)進行增益瞬態(tài)控制也不失為一種理想的控制方案，該方案如圖6所示[20]。

圖6　可調(diào)衰減超快增益控制原理示意圖

其控制原理是：輸入和輸出監(jiān)控器首先檢測出實際輸入和輸出信號的變化，然后依據(jù)事先設(shè)定的信號增益，控制前饋和反饋放大器的信號輸出，再將該控制信號加入抽運驅(qū)動器，從而有效控制抽運源的抽運功率。由于輸入信號變化會導致過沖/低沖響應(yīng)，為此，在輸出信號增益均衡器的后端再級聯(lián)一個高速率的可調(diào)衰減器，該衰減器的響應(yīng)時間少于1μs，并采用反饋控制信號對該可調(diào)衰減器進行驅(qū)動，由于該衰減器有能力實現(xiàn)高速率響應(yīng)，因此，EDFA出現(xiàn)的過沖/低沖增益瞬態(tài)能夠迅速消除。

基于該控制原理，2011年，HORIUCHI等人采用40信道進行了相關(guān)實驗研究。其中，39信道作為增/撤信道，一個信道作為殘留測量信道，每個信道輸入功率均設(shè)定為-20dBm，輸出信號增益設(shè)定為15dB，在1530.33nm和1561.42nm之間改變殘留信道波長，測得當信道增加時，最大增益漂移約為0.7dB，信道撤除時，最大增益漂移約為1.2dB。在抑制增益瞬態(tài)時間方面，當信道增加時，抑制增益瞬態(tài)的時間約為3μs，當信道撤除時，抑制增益瞬態(tài)的時間約為20μs。

為進一步減小上述超快增益控制方案的瞬態(tài)功率漂移，2011年，SATO等人對上述控制方案又進行了改進。在前饋抽運控制、可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)中加入可編程門陣列數(shù)字模塊，以實現(xiàn)增益瞬態(tài)的精確微調(diào)，改進的控制方案如圖7所示[2]。

圖7　基于可編程門陣列的超快增益控制示意圖

基于該控制方案，SATO等人以波分復用21信道中1,2,4,10,20信道增/撤為例進行了相關(guān)實驗研究，發(fā)現(xiàn)殘留1550nm信道的最大增益漂移僅為0.19dB，增益瞬態(tài)控制的時間約為10μs，當采用10個同樣結(jié)構(gòu)的EDFA級聯(lián)時，最大增益漂移約為1.9dB。

分析上述控制方案，不難發(fā)現(xiàn)，其控制增益瞬態(tài)的機理是利用可調(diào)衰減器的衰減來刮除或填平過沖/低沖響應(yīng)部分，因此，該方案對可變衰減器的響應(yīng)速度提出了極高要求，但隨著光開關(guān)技術(shù)和微電子技術(shù)的突破，該方案可能會成為增益瞬態(tài)控制最具潛能的方案之一。

2基于全光增益控制

上述研究表明，電的增益控制能夠有效抑制微秒量級的EDFA增益瞬態(tài)，然而，當分組交換的包長為納秒量級，或?qū)τ跓o源光網(wǎng)絡(luò)的上行信號，該控制方案就顯得力不從心，為此，人們提出了全光增益鉗制方案。對于全光增益鉗制機理，參考文獻[21]中進行了相關(guān)分析，在此不再贅述。

2.1　增大EDF纖芯面積的鉗制方案

依據(jù)EDFA傳輸特性，2007年，AWAJI等人提出了一種增大EDF纖芯活動面積的增益鉗制方案[22]，該方案控制增益瞬態(tài)的原理為：

式中，G′(0)為增益漂移的初始斜率，G(0)為瞬態(tài)前的信號增益，G(∞)為瞬態(tài)結(jié)束時的增益，G(λj)為某一信道增益，τ為Er3+的壽命，PIS(λj)為某一信道固有飽和功率，Pout(λj)表示信號輸出功率，S為纖芯面積，σa和σe分別為Er3+吸收和輻射面積，h為普朗克常量，ν表示頻率，Γ表示功率填充因子，β表示衰減系數(shù)，αj和αf分別為某波長和反饋信道的吸收系數(shù)。由上述公式可以看出：增益改變量與固有飽和功率成反比，進而與纖芯面積S成反比，因此，增大纖芯面積S，就可達到減少信號增益瞬態(tài)的目的。

基于上述控制機理，AWAJI等人使用長度為400ns的分組包，比較了在增加纖芯面積和不增加纖芯面積兩種情況下的EDFA增益瞬態(tài)抑制情況，結(jié)果表明，使用該特殊設(shè)計的EDFA，最大增益瞬態(tài)可改善38%[22]。

2.2　增益鉗制光自動量級控制方案

無源光網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)中，為增加網(wǎng)絡(luò)單元的寄存數(shù)量，大量使用中繼放大器，該中繼器只適合于放大線偏振信號，而對于突發(fā)模式的上行信號，當使用基于自發(fā)輻射光作為反饋機制時，由于偏振相關(guān)損耗的影響，不可避免地會導致輸出信號的變形。針對該情況，2008年，F(xiàn)UKADA等人提出了一種基于增益鉗制的自動量級控制方案，如圖8所示[23]，圖中APC(auto power control)為自動功率控制，GCL-ALC(gain-clamp light auto level control)為增益鉗制光自動量級控制。

圖8　增益鉗制自動量級控制結(jié)構(gòu)示意圖

其控制機理是：增益鉗制采用自主信號注入方案[24]，并在該方案中加入以下兩個特征模塊：(1)自動功率控制模塊，其控制光纖放大器輸入增益鉗制信號功率PGC,in的大小，使之與設(shè)定值相匹配；(2)自動量級控制模塊，其控制抽運功率，使之匹配設(shè)定值的光纖放大器輸出增益鉗制光功率PGC,out。由此，增益鉗制光的增益值將依據(jù)設(shè)定的光纖輸入和自動量級控制的輸出功率而共同確定，可表示為：GGC=PGC,out/PGC,in。此外，假若信號光與增益鉗制光波長接近，則信號光與增益鉗制光的增益幾乎相同(G≈GGC)，因此，依據(jù)光纖放大器輸入和輸出端設(shè)定的增益鉗制光功率，在上行信號放大前，突發(fā)模式放大器就能確定上行信號增益。由此可知，假若增益鉗制光與上行信號同時放大，由突發(fā)上行信號導致的增益動態(tài)和信號變形就能得到有效抑制。

基于上述控制機理，F(xiàn)UKADA等人將增益鉗制光自動量級控制技術(shù)加入無源光網(wǎng)絡(luò)中繼放大器并進行相關(guān)測試，結(jié)果表明，當光網(wǎng)絡(luò)單元和中繼器之間加入32路分光器時，對于實際的無源光網(wǎng)絡(luò)單元，該中繼放大器能有效抑制突發(fā)信號的光涌浪，并能實現(xiàn)突發(fā)上行信號的線性放大。

2.3　離線帶通濾波器反饋鉗制方案

針對增益鉗制反饋機制使用的光纖布喇格光柵位于在線光纖，當環(huán)境溫度或承載壓力發(fā)生變化時，光纖布喇格光柵的反射窗口隨之發(fā)生變化，從而導致增益鉗制穩(wěn)定性發(fā)生改變的問題，2013年，CHANG等人在參考文獻[25]的基礎(chǔ)上，提出了一種基于離線帶通濾波器的增益鉗制設(shè)計方案，該方案如圖9所示[26]。

圖9　離線帶通濾波器增益鉗制示意圖

其設(shè)計思路是：將兩個隔離器加入EDFA的兩端，以阻隔反射光波；使用1個分光器、1個離線可調(diào)帶通濾波器和1個光耦合器構(gòu)成負反饋增益鉗制回路，達到將特定帶寬的自發(fā)輻射光波反饋回EDFA始端的目的。基于上述設(shè)計思路，CHANG等人研究了整個C波段的增益變化情況，結(jié)果表明，在離線帶通濾波器使用最佳帶寬(2GHz)的情況下，C波段最大增益變化僅為0.11dB，EDFA的增益穩(wěn)定性可提高10倍~20倍。

3總結(jié)與展望

針對當前OPCI節(jié)點光放大高穩(wěn)定性需求，依據(jù)電、光兩種主流控制方案，闡明了EDFA調(diào)諧和未調(diào)諧情況下，基于電的自動增益控制機理，綜述了EDFA增益瞬態(tài)控制研究的最新進展，分析了各種增益控制方案的具體控制過程，并呈現(xiàn)了這些控制方法所取得的階段性成果。通過這些闡述和分析，不難發(fā)現(xiàn)，電的增益控制正逐漸由分立元件向模塊化方向發(fā)展，因此實現(xiàn)方法簡單，且具有魯棒性，但就目前的成果展示來看，該方案還只能運用于抑制微秒以上量級的增益瞬態(tài)；而全光增益鉗制雖然能夠抑制納秒量級的增益瞬態(tài)，且實現(xiàn)方法簡單，但其增益可控范圍較小，且要求信道增/撤頻率必須小于EDFA弛豫振蕩頻率。基于上述所展示的階段性成果，可以推斷，模塊化、數(shù)字化將是未來EDFA增益瞬態(tài)控制的必由之路。由此，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，EDFA性能將會更穩(wěn)定，增益瞬態(tài)控制的速率將更快。

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Recent study progress of gain transient control for EDFA

ZHANShengbao1,2,DINGJian1

(1.School of Electronic and Electrical Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China; 2.Anqing Teachers College, Anqing 246133, China)

Abstract：Aiming at the high stability requirements for light amplification in optical packet and circuit (OPCI) nodes, two main schemes of electrical and optical control for Er3+-doped fiber amplifier (EDFA) gain control were clarified. The principle of electrical automatic gain control was put forward with/without fine tuning of EDFA. The recent study progress of EDFA gain control was summarized. The specific control process of each control scheme was analyzed. The stage achievements by using these control schemes were shown.

Key words:optical communication; erbium-doped fiber amplifier; wavelength-division multiplexing; gain transient; automatic gain control

收稿日期：2014-07-12；收到修改稿日期：2014-11-18

作者簡介：占生寶(1967- )，男，博士后，副教授，主要從事激光技術(shù)的研究。

基金項目 ：安徽省自然科學基金資助項目(1308085MF92)；安徽省高等學校省級自然科學研究資助項目(KJ2013B186)

中圖分類號：TN253

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.026

文章編號：1001-3806(2015)05-0706-06