陳曉文

（1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 福州 350003；2.萬能科技大學(xué) 工程與電資學(xué)院，臺(tái)灣 中壢 32061）

隨著人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求越來越大，憑借設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)成本的優(yōu)勢，無源光網(wǎng)絡(luò)成為運(yùn)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(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中，上行信號(hào)以時(shí)分多址接入方式傳送。由于不同光網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)送的光信號(hào)功率大小不同，光網(wǎng)絡(luò)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(jī)。突發(fā)模式光接收機(jī)要對每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行門限電平判決，恢復(fù)時(shí)鐘數(shù)據(jù)［4］。突發(fā)模式光接收機(jī)增加了局端設(shè)計(jì)上的復(fù)雜度與頻寬的浪費(fèi)。

為使光線路終端接收到的各光脈沖峰值功率波動(dòng)變化較小，文獻(xiàn)［5－8］采用不同方法對上行信號(hào)進(jìn)行光功率均衡。文獻(xiàn)［5－6］通過光發(fā)射機(jī)自動(dòng)增益控制來實(shí)現(xiàn)，使光發(fā)射機(jī)變得復(fù)雜；文獻(xiàn)［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(shí)現(xiàn)，其要求上行信號(hào)光的波長具有相同的穩(wěn)定性，這實(shí)際中很難做到；文獻(xiàn)［8］方法是文獻(xiàn)［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(dāng)環(huán)境溫度變化太大時(shí)，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(hào)光功率先經(jīng)過EDFA均衡再送入接收機(jī)，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(jī)復(fù)雜度的情況下，可改善文獻(xiàn)［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(nèi)Er3＋離子的吸收和輻射截面的頻率特性，以及光纖內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度和上能級(jí)粒子數(shù)沿光纖軸向的分布情況。光纖中頻率為v的光場在z點(diǎn)處的增益系數(shù)［9］近似為

Wp為泵浦速率，Ws和WASE分別為信號(hào)與噪聲的受激輻射速率。式（1）中N2為上能級(jí)粒子數(shù)，N為總粒子數(shù)，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(shù)，Pj（z）為信號(hào)功率，vj為信號(hào)光頻率，（z，v）為自發(fā)輻射功率，τ為上能級(jí)壽命，σa為吸收截面，σe為輻射截面，Γj和Γv是信號(hào)與噪聲參量的功率限制因子。

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

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

放大器增益也可用小信號(hào)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(dāng)光纖內(nèi)的信號(hào)或噪聲功率增大時(shí)，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(shí)驗(yàn)與結(jié)果

利用EDFA對時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（Time Division Multiplexing－Passive Optical Network，TDM－PON）與長距離無源光網(wǎng)絡(luò) （Long Reach－Passive Optical Network，LR－PON）上行信號(hào)光功率進(jìn)行均衡，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證功率均衡的效果。

2.1 EDFA用作TDM－PON上行信號(hào)光功率均衡器

應(yīng)用摻鉺光纖放大器做為TDM－PON上行信號(hào)光功率均衡器架構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。將EDFA內(nèi)的泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電流調(diào)至最低，由于EDFA的放大增益太高，所以需接第2個(gè)光衰減器（VOA2），目的是將放大的光信號(hào)降為光學(xué)示波器可接受的范圍，實(shí)驗(yàn)將VOA2固定衰減10dB。圖2中EDFA放大的信號(hào)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(shè)為25、30與35mW，測量其輸出光功率變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)上行光功率為－16至－26dBm時(shí)，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(hào)在EDFA的傳播方向，前向泵浦之激發(fā)光強(qiáng)度逐漸遞減，光信號(hào)與噪聲的增益亦逐漸遞減，容易發(fā)生增益飽和現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)光功率較大時(shí)，光信號(hào)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(gòu)

圖2 TDM－PON的EDFA光功率均衡實(shí)驗(yàn)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(shí)EDFA增益特性曲線，其通過“頻域內(nèi)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(hào)眼圖如圖5所示，對比光功率均衡前后的信號(hào)眼圖發(fā)現(xiàn)，上行光經(jīng)由EDFA均衡后，信號(hào)眼圖由閉合變張開，說明EDFA不僅使上行光信號(hào)功率差異變小，對上行光信號(hào)的傳輸質(zhì)量也有明顯改善作用。信號(hào)質(zhì)量被改善程度與激發(fā)光功率大小無明顯關(guān)系。

圖5 上行光功率－25dBm光功率均衡前后的信號(hào)眼圖

2.2 EDFA用作LR－PON上行信號(hào)光功率均衡器

用波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，WDM－PON）與TDM－PON所構(gòu)成的混合無源光網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)長距離無源光網(wǎng)絡(luò)。長距離無源光網(wǎng)能夠有更大的信息容量與網(wǎng)絡(luò)涵蓋范圍，傳輸距離從傳統(tǒng)的無源光網(wǎng)的20km延伸到100km，可以降低設(shè)備所需數(shù)量，并減少網(wǎng)絡(luò)成本。由于要支持長距離與高分流比，在LR－PON中通常會(huì)使用光放大器來補(bǔ)償光功率的損耗。

圖6為LR－PON光功率均衡器的光網(wǎng)架構(gòu)圖，以反射式半導(dǎo)體光放大器（reflective semiconductor optical amplifier，RSOA）作為無色ONU光源，即下行信號(hào)經(jīng)過波長解復(fù)用后注入到客戶端RSOA內(nèi)，激發(fā)RSOA輸出與信號(hào)光波長相一致的光信號(hào)。此光波長既作為下行的信號(hào)光，又作為上行信號(hào)的光源。采用此方案系統(tǒng)ONU之RSOA無需溫度控制，且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單。不足之處在于系統(tǒng)中需要高功率下行信號(hào)光，因此于OLT波長復(fù)用后尚須一寬頻帶EDFA來做功率放大器，并且在光纖傳輸時(shí)，可能引起較強(qiáng)的瑞利后向散射噪聲光，所以上、下行信號(hào)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(hào)質(zhì)量。最后上行光通過OLT波長解復(fù)用后再各自經(jīng)過所屬波長通道的EDFA光功率均衡器，進(jìn)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(wǎng)架構(gòu)

為驗(yàn)證上述架構(gòu)以EDFA為上行光功率均衡器的可行性，以圖7實(shí)驗(yàn)裝置來測量其結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中以可調(diào)波長激光（Tunable－LD）的單縱模光為波長解復(fù)用的下行光（光功率設(shè)為0.2mW），入射RSOA后，反射光經(jīng)RSOA的增益調(diào)制后作為ONU的上行信號(hào)光（N個(gè)用戶中的一戶）。裝置中以VOA1調(diào)整入射光功率至EDFA，此時(shí)EDFA之激發(fā)光功率為25mW，以光功率計(jì)測量EDFA之輸出光信號(hào)功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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?qū)SOA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(shí)驗(yàn)裝置

圖8 LR－PON上行光通過EDFA均衡器后的功率曲線

信號(hào)眼圖能評(píng)估均衡器對RSOA上行信號(hào)的傳輸質(zhì)量影響，圖9給出了光功率為－20dBm時(shí)RSOA上行光信號(hào)未經(jīng)過均衡器信號(hào)眼圖與經(jīng)過EDFA光功率均衡器后信號(hào)眼圖的比較，信號(hào)眼圖明顯變得張開。

圖9 光功率為－20dBm時(shí)RSOA上行光信號(hào)均衡前后信號(hào)眼圖

若再考慮圖6波長解復(fù)用后每個(gè)波長通道均需1個(gè)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(gòu)方案，即波長解復(fù)用的N個(gè)波長通道之EDFA共享一泵浦激光器，如圖10所示。一個(gè)泵浦激光器以1×N功率分光器平均分送激發(fā)光至N個(gè)EDFA中，能有效降低N個(gè)EDFA的建置成本。

圖10 共享泵浦激光器的EDFA

3 結(jié)束語

利用EDFA對TDM－PON與LR－PON上行信號(hào)光功率進(jìn)行均衡，使上行光到達(dá)光線路終端的信號(hào)功率差異明顯變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從－16dBm至－26dBm的上行光功率經(jīng)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(hào)光功率均衡前后眼圖發(fā)現(xiàn)，EDFA光功率均衡器提高了上行光信號(hào)傳輸質(zhì)量。

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