摻鉺光纖放大器在光纖有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

-PAGE4-摻鉺光纖放大器在光纖有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用武漢有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司高見韓高鵬概述我國CATV網(wǎng)絡(luò)基本上是采用G.652光纖加同軸電纜（HFC）的方式進(jìn)行建設(shè)的。但在EDFA沒有商用化以前，光纖部分一直使用色散小、衰耗大但技術(shù)成熟早的1310nm系統(tǒng),在現(xiàn)有發(fā)射光功率(<15mW)條件下,要確保傳輸指標(biāo)，系統(tǒng)有35km的傳輸距離限制。因此，使得CATV在稍大范圍內(nèi)長距離傳輸、集中分配光信號(hào)、建立可靠的自愈主干網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)。目前，EDFA在1550nm波長窗口已經(jīng)商用，它實(shí)現(xiàn)了直接光放大，無需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且具有輸出功率大、增益高、工作頻帶寬、與偏振無關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)信號(hào)類型無關(guān)等特點(diǎn)，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，為CATV網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前的升級改造過程中實(shí)現(xiàn)大范圍長距離傳輸、集中分配光信號(hào)、建立可靠的自愈主干網(wǎng)、促使CATV網(wǎng)絡(luò)從光纖同軸電纜網(wǎng)向光纜網(wǎng)轉(zhuǎn)變提供了新的手段。EDFA基本特性參數(shù)增益和輸出光功率EDFA的增益G定義為輸出光功率和輸入光功率之比即:G=10lg(P0/Pi)(dB)飽和輸出光功率Psat是指由最大增益下降3dB時(shí)對應(yīng)的輸出功率，表示EDFA從線性增益區(qū)變化到非線性增益區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)輸出功率高于Psat時(shí)，增益隨輸出光功率的增大而減小。對于給定的EDFA,其增益與輸入光的強(qiáng)度、泵浦光功率及摻鉺光纖長度都有關(guān)系。小信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)。當(dāng)輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應(yīng)，因而，感應(yīng)輻射就能維持達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭?。?dāng)輸入光變強(qiáng)時(shí)，由于高能位的電子供應(yīng)不充分，感應(yīng)輻射光的增加變少，于是就出現(xiàn)飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3dB飽和輸出功率也就越大。噪聲系數(shù)FEDFA的噪聲系數(shù)定義為F=(SNR)in/(SNR)out，這里SNR指的是將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娦盘?hào)時(shí)的信噪比，是衡量EDFA內(nèi)部噪聲大小的量。EDFA的噪聲包括四項(xiàng)：信號(hào)光的散彈噪聲，自發(fā)輻射的散彈噪聲，信號(hào)光與自發(fā)輻射的拍頻噪聲，自發(fā)輻射之間的拍頻噪聲。當(dāng)輸出功率小于-20dBm時(shí)自發(fā)輻射之間的拍頻噪聲是主要的,這相當(dāng)于前置放大器應(yīng)用的情況,可用窄帶光濾波器來降低。當(dāng)輸出功率大于-20dBm時(shí)，在EDFA中起主要作用的是信號(hào)光與自發(fā)輻射之間的差拍噪聲(ASE噪聲)，并與信號(hào)功率成正比。EDFA噪聲系數(shù)可用下式表示：F=[1+PASE/hυΔυ]/G式中,G為EDFA增益，hυ為光子能量，Δυ為光譜頻寬，Pase為被放大了的自發(fā)輻射功率，可按下式計(jì)算：PASE=+2nASE(G—1)hυ(Δυ)式中,nASE為自發(fā)輻射因子,對理想EDFA,nASE=1,實(shí)際的EDFA,nASE>1，于是有：F=2nASE[1—（1/G）]所以,對于理想放大器的F=2(即3dB)。對于40mW以下的輸出光功率，EDFA的F≤4dB；當(dāng)輸出光功率達(dá)到80mW時(shí)，EDFA的F≤4.5dB；實(shí)際EDFA的F一般都在4.5dB，并隨輸入光功率變化。通常存在一個(gè)最佳輸入光功率，使EDFA的F最小。非線性特性EDFA應(yīng)用于光纖AM-VSBCATV系統(tǒng)產(chǎn)生的非線性失真包括兩部分。一是有頻率啁啾的調(diào)幅光波信號(hào)通過EDFA時(shí)，由于其增益譜的不平坦性，頻率啁啾轉(zhuǎn)換成額外的強(qiáng)度調(diào)制。二是輸入光源光功率隨調(diào)制電流變化產(chǎn)生的非線性成分在EDFA中會(huì)得到放大，但在CATV頻段內(nèi)它與調(diào)制頻率無關(guān)。這二部分失真在光纖AMCATV系統(tǒng)中按矢量和的方式累積，而不按噪聲的平方和方式累積,在一定條件下有可能相互抵消，因此,一般此項(xiàng)很小可忽略。這就使EDFA應(yīng)用于光纖CATV系統(tǒng)中時(shí)有可能使原系統(tǒng)中非線性失真有所改善，增大光功率裕量。EDFA對系統(tǒng)性能的影響對系統(tǒng)噪聲的影響光纖傳輸系統(tǒng)的噪聲主要來源于：光發(fā)射機(jī)的相對強(qiáng)度噪聲、EDFA中信號(hào)光與自發(fā)輻射之間的差拍噪聲、光接收機(jī)的散彈噪聲和熱噪聲。系統(tǒng)未加EDFA時(shí)的載噪比可表示為:1/(CNR)1=1/(CNR)RIN+1/(CNR)short+1/(CNR)th式中(CNR)RIN,(CNR)short,(CNR)th分別為激光器相對強(qiáng)度噪聲,光檢測器散粒噪聲和接收機(jī)前放熱噪聲決定的載噪比。當(dāng)系統(tǒng)中加入EDFA之后，EDFA內(nèi)部噪聲決定的在光接收機(jī)輸出端的載噪比為:(C/N)EDFA=m2Pi/4hυBF式中m為光調(diào)制度,Pi為EDFA輸出光功率，hυ為光子能量,F為EDFA噪聲系數(shù)。于是，在有EDFA的光纖CATV系統(tǒng)中，總的載噪比為:1/(CNR)TOTAL=1/(CNR)1+1/(CNR)EDFA將該式作簡單變換后,可以寫成如下形式:1/(CNR)TOTAL=(CNR)1/[1+(CNR)1/(CNR)EDFA]即:EDFA的加入,使系統(tǒng)的載噪比劣化,劣化量取決于EDFA的噪聲系數(shù)F和輸入光功率Pi。F越小，Pi越大時(shí)，劣化程度較小。通過無EDFA和有EDFA時(shí)（CNR）的變化(見圖1)可得出如下結(jié)論：無EDFA時(shí),CNR在傳輸損耗較小的范圍內(nèi)很高,但此值隨接收光功率的減小而急劇減低。將EDFA接入系統(tǒng)時(shí)，將使CNR降低，但在一定的傳輸損耗范圍內(nèi)，CNR的變化甚少。因此，可以根據(jù)CNR設(shè)計(jì)值，大幅度提高傳輸損耗容限，即可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，或分配更多的光節(jié)點(diǎn)。圖4:物理環(huán)形、邏輯星形的結(jié)構(gòu)主干傳輸網(wǎng)是沿途光分路法構(gòu)成的雙環(huán)時(shí)，EDFA在主前端用作功率放大和功率分配，向分前端和遠(yuǎn)郊提供信號(hào)，在環(huán)上用作線路放大，補(bǔ)償線路和光分路器的損耗。主干傳輸網(wǎng)是物理環(huán)邏輯星結(jié)構(gòu)時(shí)，EDFA只在主前端用作功率放大和功率分配，向分前端和遠(yuǎn)郊提供信號(hào)。EDFA在分配網(wǎng)中只作分配放大器使用，用于向該分前端轄區(qū)內(nèi)提供信號(hào),還可向同向遠(yuǎn)郊提供信號(hào)。中繼EDFA位置的優(yōu)化EDFA做點(diǎn)—點(diǎn)傳輸中的線路放大（中繼）時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮EDFA的最佳位置。EDFA靠近發(fā)射端，其噪聲經(jīng)過較大的線路衰減后才到達(dá)光接收機(jī)，影響較??；EDFA靠近接收端，其輸入信號(hào)較小，因此增益飽和效應(yīng)的影響也小。另一方面，由于光檢測器的非線性特性，信號(hào)和EDFA的噪聲將在其中發(fā)生差拍，噪聲功率中影響最大的一項(xiàng)是信號(hào)幅值和光放大器噪聲幅值的積。進(jìn)入接收機(jī)后，使信號(hào)劣化的主要因素則是熱噪聲。這樣，如果EDFA的噪聲已經(jīng)受到了較大的衰減，則起主要作用的將是熱噪聲，否則起主要作用的將可能是EDFA噪聲。在點(diǎn)—點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)中典型的應(yīng)用情況是兩點(diǎn)間只用了一個(gè)EDFA。對于這種情況，除考慮以上各個(gè)因素外，同時(shí)應(yīng)考慮到EDFA后面的帶通濾波器的影響，于是，可以對這一EDFA的位置進(jìn)行優(yōu)化。雖然目前還不能給出最佳位置的表達(dá)式，但數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明，確實(shí)存在最佳位置，只是對于不同的系統(tǒng)參數(shù)，最佳位置略有變化，但基本上是在靠近接收端占總距離約1/5的地方。值得注意的是即使與準(zhǔn)確的最佳位置有較小的偏離，信噪比也會(huì)有較大的下降。另外，如果必須使用位于接收端的遠(yuǎn)程光泵哺，那么從總的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮，EDFA的位置還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步向接收端靠近。EDFA的級聯(lián)EDFA除了放大輸入的光信號(hào)之外，還產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，可以等效成一個(gè)理想的增益為G的放大器，和一個(gè)功率為PASE的噪聲源相疊加。對于一個(gè)EDFA級聯(lián)系統(tǒng)，每一級EDFA將前一級的ASE噪聲放大G倍，同時(shí)疊加上本身產(chǎn)生的ASE噪聲，噪聲逐級積累，于是，光信噪比將逐級劣化。通過提高EDFA的輸出功率和降低放大了大自發(fā)輻射噪聲都可提高光信噪比。對于一個(gè)M段光纖的系統(tǒng)，有M+1個(gè)EDFA級聯(lián)，假設(shè)每一級EDFA都一樣，每一段光纖損耗都等于EDFA的增益，那么，終端的放大了的自發(fā)輻射噪聲PASE=F（G-1）hυ(Δυ)（M+1）。可以看出PASE隨EDFA的級數(shù)線性增長，而光纖的損耗是隨著光纖長度增長呈指數(shù)增長，根據(jù)假設(shè)，放大器的增益正好補(bǔ)償光纖損耗，可以得出以下結(jié)論：PASE不變時(shí)，降低中繼長度（即降低EDFA增益），增加中繼個(gè)數(shù)（即增加EDFA級聯(lián)個(gè)數(shù)），要比增加中繼長度，減少中繼個(gè)數(shù)傳輸更遠(yuǎn)的距離。換一個(gè)角度說，傳輸距離相同的情況下，降低中繼長度，增加中繼個(gè)數(shù)，要比增加中繼長度，減少中繼個(gè)數(shù)時(shí)有較小的PASE，即提高了接收端光信噪比。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了選擇中繼距離外，選用噪聲指數(shù)小的EDFA也是提高光信噪比的一種有效的方法。SBS及其抑制當(dāng)入射進(jìn)光纖的光功率足夠強(qiáng)，并超過某一閥值時(shí)，入射光(pump光)要引起晶格振動(dòng)，并受到振動(dòng)聲子的散射，轉(zhuǎn)換成后向傳輸?shù)乃雇锌怂构狻Ｇ跋騻鬏數(shù)男盘?hào)光與反向的斯托克斯光相互作用，使前向傳輸?shù)男盘?hào)光的能量被非線性地衰減，這時(shí)系統(tǒng)信噪比會(huì)急劇惡化。因此光纖的入射光功率必須保持在一個(gè)門限功率以下，這個(gè)門限功率稱為SBS閾值PSBS。對單模光纖，典型的PSBS約8dBm(6mw)。對于現(xiàn)代DFB-LD激光器這是很容易達(dá)到的功率值。因此，在1550nm波段，由于最高可用光功率被SBS所限制，無論對模擬還是對數(shù)字信號(hào)傳輸，SBS都是主要的限制因素。按常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮SBS限制，1550nm系統(tǒng)的最遠(yuǎn)傳輸距離僅為8/0.2=40km。SBS除了對入纖光功率限制外，還對系統(tǒng)的非線性失真指標(biāo)產(chǎn)生影響。因?yàn)镾BS表現(xiàn)為當(dāng)光纖注入功率大于SBS閾值時(shí)，進(jìn)入光纖的光信號(hào)部分轉(zhuǎn)化為后向散射光，該后向散射光進(jìn)入光源后，會(huì)使激光振蕩產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，激光波長發(fā)生變化，激光器的相對強(qiáng)度噪聲劣化。同時(shí)，SBS使接收端得不到預(yù)期的接收光功率，造成光功率損耗增加，使系統(tǒng)CNR指標(biāo)下降，另外，SBS還將引起系統(tǒng)的CSO劣化.由于SBS閾值隨光源線寬的增大而增大，且與信道數(shù)無關(guān)。盡管SBS效應(yīng)是光纖非線性失真中最容易產(chǎn)生的失真，但通過相位調(diào)制法，激光器光頻顫動(dòng)法等方法是可以抑制的。外調(diào)制發(fā)射機(jī)生產(chǎn)廠家都使用了SBS抑制技術(shù)。目前市場上出售的1550nm外調(diào)制光發(fā)射機(jī)，已經(jīng)可將單模光纖的SBS閾值做到16-17dBm的水平。即可將高達(dá)40-50mW的光功率注入單模光纖中傳輸而不會(huì)受SBS的影響。實(shí)際應(yīng)用中，不是只要根據(jù)所需的傳輸距離選用適當(dāng)?shù)腅DFA就可以把光發(fā)射機(jī)輸出的已調(diào)光信號(hào)傳到所需要的地方去，必須要考慮光發(fā)射機(jī)的SBS閾值。要保證經(jīng)EDFA直接輸出給每一段長光纖或經(jīng)EDFA及光分路器分配后注入任何一支光纖光路的光功率都不能大于所選用發(fā)射機(jī)的SBS閾值。SRS及其抑制在光強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中，當(dāng)光信號(hào)與SiO2光纖中分子振動(dòng)相互作用時(shí)，則產(chǎn)生SRS效應(yīng)。當(dāng)一定強(qiáng)度的光入射到光纖中時(shí)會(huì)引起光纖材料的分子振動(dòng)，進(jìn)而調(diào)制入射光強(qiáng)產(chǎn)生了間隔恰好為分子振動(dòng)頻率的邊帶。低頻邊帶稱為斯托克斯光，高頻邊帶稱為反斯托克斯光，前者強(qiáng)于后者。當(dāng)兩個(gè)恰好分離斯托克斯頻率的光波同時(shí)入射到光纖時(shí)，低頻波將獲得光增益，高頻波將衰減，其能量轉(zhuǎn)移到低頻波上去，也就是短波長光能量將轉(zhuǎn)移到長波長信號(hào)，這就是SRS散射。SRS與SBS的區(qū)別在于，SRS激發(fā)的是光頻支聲子，而SBS激發(fā)的是聲頻支聲子。SRS的閾值取決于光線所傳輸?shù)男诺罃?shù)、信道間隔、每信道所傳輸?shù)墓β室约盁o再生系統(tǒng)的長度。由于SRS激發(fā)的是光頻支聲子，所產(chǎn)生的喇曼頻移量比布里淵頻移量大得多，一般為100－200GHz。且其閾值較高，對于單信道而言，SRS閾值可高達(dá)1W。目前由于CATV頻道數(shù)有限，滿足性能指標(biāo)，在相當(dāng)長一段時(shí)間還不會(huì)影響CATV光纖傳輸系統(tǒng)。應(yīng)用實(shí)例武漢有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)公司在對光纖主干結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上利用EDFA對光纖干線網(wǎng)進(jìn)行了改造建設(shè)。在按地理位置劃分成的十一個(gè)區(qū)域的中心設(shè)立了十一個(gè)分前端，主前端用三臺(tái)模擬1550nm外調(diào)制光發(fā)射機(jī)帶五臺(tái)EDFA輸出，其中部分能量用于郊區(qū)聯(lián)網(wǎng),補(bǔ)償光光鏈路損耗，其余能量用于十一個(gè)分前端，保證傳給每個(gè)分前端的兩路光信號(hào)分別來自不同的光發(fā)、EDFA，實(shí)現(xiàn)前端光信號(hào)的備份冗余。到達(dá)每個(gè)分前端的兩路信號(hào)分別經(jīng)不同的物理路由，各分前端可任選主線路或備線路中的光信號(hào)作為輸入，實(shí)現(xiàn)線路備份冗余。一條線路上出現(xiàn)故障，分前端會(huì)自動(dòng)切換到另一條線路上，從而不影響信號(hào)的傳輸。形成以一級1550光纖環(huán)型網(wǎng)為主，二級光