EDFA

EDFA（精选5篇）

EDFA 篇1

摘要：光功率是光纤通信的重要指标,光功率的有效管理对于电力系统通信实现状态检修等工作具有重要意义。针对电力长跨距传输系统存在的EDFA等光放大设备,文章提出通过CORBA接口对EDFA进行光功率采集、分析和管理。对EDFA的工作原理、应用方式及特性进行分析,并以10 G骨干网为例,对BA和PA的配置和性能指标进行研究,推导出不同配置情况下光纤衰耗的理论计算公式。依托通信资源管理系统,设计实现了EDFA光功率采集子系统,并根据生产实际进行了数据分析,验证了该系统的实用性。

关键词：EDFA,CORBA,光功率采集,通信资源管理

0 引言

目前,通信资源管理系统已经在电力系统普遍应用,实现了电力通信网络运行维护与专业管理工作的智能化、流程化、电子化的闭环管理,为通信调度及业务管理提供了全面支撑,提高了通信资源的管理效率,对电网资源的管理、有效利用以及员工工作效率等各方面有很大的改进和提高[1,2,3]。光功率是光纤通信的主要指标,光功率的大小可以反映传输设备的运行状况,其衰耗可以直观反映光缆的传输质量,因此将光功率参数纳入通信资源管理系统进行实时监控,有利于维护人员及时发现传输网络故障和隐患并进行处理,实现标准化管理。

在长跨距无中继传输系统中,为解决衰耗过大的问题,传输设备通常与掺饵光纤放大器 (Erbiumdoped Optical Fiber Amplifier,EDFA)配合使用,这就要求传输设备网管和EDFA网管都能与资源管理系统通信,才能实现长跨距传输系统的光功率管理。本文通过对EDFA设备进行研究,开发EDFA数据采集功能模块实现光功率管理,并作为通信资源管理系统的子系统,为长跨距传输系统的运行质量提供参考。

1 EDFA 的工作原理、特性及分类

目前,电力系统通信主要采用基于SDH的光纤通信,光纤通信系统传输距离受限于光纤的损耗和色散等因素,以G.652光纤为例,不采用任何长跨距技术,2.5 Gbit/s的SDH系统最大传输距离为82 km,10 Gbit/s的SDH系统仅为75 km[4]。在电力长跨距无中继传输系统中,EDFA技术由于较高的增益和性价比而被广泛用于延长传输距离。

1.1 EDFA 工作原理

EDFA主要由掺饵光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器和光滤波器等组成[5],其基本结构组成如图1所示。

图 1 EDFA 基本结构组成 Fig.1 Basic structure of EDFA

光隔离器用来保证光信号的正向传输,光耦合器用来将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合进入掺饵光纤,光滤波器用来滤除光放大器的噪声, 提高系统的信噪比。EDFA工作原理是通过泵浦光源输出一定功率的光,从而向掺饵光纤提供能量, 将掺铒光纤中基态的饵离子 (Er3+) 激励到高能态, 致使粒子数发生反转,从而产生受激辐射,实现对1 550 nm波段光信号的放大。

1.2 EDFA 工作特性及分类

按照泵浦光源的泵浦方式不同,EDFA分为同向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构3种结构方式。双向泵浦EDFA结构复杂,但在相同的泵浦光条件下,信号输出光功率高,噪声指数较小,应用效果较好。

根据在传输线路中的安装位置不同,EDFA可以分为功率放大器 (Boost Amplifier,BA)、线路放大器 (Line Amplifier,LA)、前置放大器 (Pre Amplifier, PA)3种应用形式。BA用在光发射机的输出端,用以提高入纤光功率,延长光信号在系统中的传输距离。LA在光纤传输线路中用作光中继器,补偿光信号在线路上的衰耗。PA用在光接收机的输入端,对光信号进行预先放大处理,提高光检测器的接收灵敏度[6]。根据不同的传输距离,不同类型的光放大器可以级联或相互配合使用[7]。

2 EDFA 的应用

以内蒙古电网10 G传输骨干网一期工程为例, 依托500 k V变电站为节点建设,共11个光纤传输数字段,其中有9段传输距离超过70 km,最长距离永圣域变至丰泉变达到156 km。针对长跨距传输系统,工程设计采用EDFA技术实现10 Gbit/s的高速率、大容量通信。根据光功率最坏值计算法进行计算设计,统计全网共分为3种配置情况:50 km以下传输段未配置光放大器,50~70 km传输段配置使用BA,70 km及以上配置使用BA+PA。综合考虑光纤的衰耗、色散及光纤非线性效应等因素影响,传输系统中采用的BA及PA性能指标见表1和表2所列。

由表1可以看出,BA的特点为输出锁定,约为12 d Bm;由表2可以看出,PA特点为增益锁定,约为25 d Bm,经过定期的人工观测统计,EDFA的该项特点得到验证,实际运行值在该性能指标浮动。经过实际测试运行,EDFA配置情况满足10 G网正常通信要求。

3 EDFA 光功率采集设计与实现

3.1 设计理论依据

传输系统中两端设备的收发光功率即为光缆纤芯的出入纤光功率,通过监测在用光纤的光功率大小,可以直观反映此段光缆的衰耗情况。根据传输系统中光放大器的不同配置情况,理论上光纤每千米衰耗值计算公式如下。

1)无光放情况:每km衰耗=(本端光端机输出光功率-对端光端机输入光功率)/ 光缆长度

2)只配置BA:每km衰耗=(本端BA发送光功率-对端光接收机输入光功率)/ 光缆长度

3)BA+PA配置:每km衰耗 =(本端BA发送光功率-对端PA接收光功率)/ 光缆长度

为提高监测的精度,实时采集设备收发光功率十分必要。因此设计光功率采集系统,根据以上公式编制算法,就可以得到光纤每km衰耗值,通过与光缆衰耗系数进行对比和分析,可以为判断光缆运行质量提供参考依据。

3.2 系统与功能设计

E D FA光功率管理系统依托通信资源管理系统,运用公共对象请求代理架构(Common Object Request Broker Architecture ,CORBA )技术进行 设计,通过采集EDFA网管数据 实现光功 率的管理。

3.2.1 CORBA 技术

CORBA技术是对象管理组织(Object Management Group,OMG)提出的一种面向对象的分布式开放计算平台,其接口规范、操作系统及编程语言独立,引入对象 请求代理(Object Request Broker, ORB)提供了对象间发送请求、接收应答的透明机制,已经成为分布式处理领域研究的热点,尤其在网络管理领域得到了较好的应用[8,9]。

3.2.2 EDFA 网管

EDFA网管是网元级的网管系统,采用电信管理网的三层体系架构:管理界面、数据采集服务器以及数据处理服务器,每层都有明确的分工且层间采用严格定义的协议进行通信,实现安全、配置、告警、性能、日志管理以及北向接口等功能,通过北向接口功能,EDFA光功率等数据就可以实现第三方网管的统一采集和管理。

3.2.3 光功率管理系统功能设计

光功率管理系统作为一个子系统嵌入资源管理系统,需要根据资源管理系统的分层协议进行部署。以内蒙古电网通信资源管理系统为例,资源系统通过第三方网管提供的北向CORBA接口进行配置数据、告警数据和性能数据等的采集,在统一综合网管平台实现数据分析和展示,通信资源管理系统功能结构如图2所示。

该系统以集中式数据库为中心设计各个程序模块,数据库数据来源于设备网管和硬件设备,以Web模式为基本表现形式。由图2可以看出,该系统功能分为6层,分别是接口适配层、数据层、应用服务层、辅助支撑层、操作表示层和外部接口层。每层有不同的功能模块,不同模块间采用松耦合的关系进行组织,可以灵活地部署在不同的硬件环境下进行管理。

EDFA光功率管理系统根据资源系统各层协议, 相应的软件功能均融入到资源系统的整体软件结构中。硬件设计方面,EDFA网管通过系统交换机接入资源管理系统网络,相关的光功率管理数据存放在数据库服务器,采集及分析等管理软件部署在应用服务器,在Web服务器上运行光功率管理的Web发布程序,在采集服务器上运行光功率相关的采集程序,各个服务器通过系统网络与终端和EDFA网管通信,共同协作完成光功率管理功能。系统实现主要功能包括光功率等性能数据采集、拓扑监控、衰耗分析、门限管理、越限提示及处理等。

3.2.4 数据采集功能模块设计

EDFA数据采集功能模块是整个系统的关键部分,通过CORBA接口获取需要的技术参数。EDFA光功率采集系统结构如图3所示。

首先与EDFA网管系统正确建立接口适配器连接,创建性能任务,正确选择端口数据信息与光功率任务匹配,然后设置光功率采集周期及时间,执行数据采集程序,后台按各项数据的任务时间点定时发送采集命令进行采集,并将所采集的结果储存在数据库,最后实现在数据采集前台查询该任务数据,通过人性化界面呈现出来。

采集服务器通过CORBA接口主要采集EDFA设备的配置数据、性能数据及告警数据,编制采集程序主要流程为:初始化→获取命名服务→获取会话工厂→获取会话→获取网元管理器→获取性能管理器等,根据EDFA网管提供的相关信息,配置适配器用户名、密码、命名服务等信息,并进行连接测试,以保证数据的正常传递。

4 系统功能实现

根据以上系统功能设计,10 G传输网光功率管理系统拓扑监控界面如图4所示,可以直观看到10个站点的连接及光放配置情况等,在可编辑模式可以实现光放配置、光缆长度和门限等的管理,这里设定光缆衰耗阈值为0.23 d B/km, 超出此门限值便发出告警。选中某光缆段可以查看采集到的光功率大小, 以及查询某一段时间内出入光纤的光功率详细数值和曲线图。

图 4 10 G 传输网光功率管理系统拓扑监控界面 Fig.4 Network topology monitoring interface of 10 G system

汗海—旗下营的光功率曲线如图5所示,统计周期为2014年4月1日至5月20日,左侧曲线 为旗下营侧BA发光功率即入纤光功率,基本保持在–12.8 d Bm左右,右侧曲线为汗海侧PA收光功率即出纤光功率,在–30 d Bm左右浮动,5月20日光功率甚至达到了–40 d Bm,计算得此纤芯平均衰耗值高达0.32 d Bm/km,远远高于普通G.652光纤的0.23 d Bm/km,系统发出越限警告。查看对应传输网管告警情况,发现4月份传输系统有误码出现,5月14日开始出现通信中断告警。结合其他纤芯的光功率采集结果,判定500 k V汗旗 ( 汗海变—旗下营变 ) 线光缆运行质量存在较大隐患,现场测试空余纤芯结果与判断结论一致,由于汗旗线光缆年限较长,出现光缆通信质量下降,设计的EDFA光功率采集分析系统正确无误,已经做好应急预案并安排计划检修此段光缆。

图 5 汗海—旗下营的光功率曲线 Fig.5 Optical power curve of Hanhai-Qixiaying

5 结语

E D FA数据采集系统实现了光功率参数等数据的统一管理,有利于长跨距传输系统的运行维护,大大减轻了维护人员日常巡视传输系统网管的工作量,实践证明,该系统能够及时发现光缆、设备、接头等的故障和隐患,特别是对光缆老化的监测具有重大意义,可为电力系统通信状态检修提供参考。

WDM系统中的EDFA特性研究 篇2

关键词：掺铒光纤放大器,WDM系统,EDFA特性

WDM技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来 (复用) , 送入到光缆线路上的同一根光纤信号中进行传输, 在接收端又将组合波长的光信号分开 (解复用) , 并作进一步处理, 恢复出原信号后送入不同的终端, 因此将此项技术称为光波长分割复用, 简称光波分复用技术[1]。

WDM系统主要由光发射机、光波复用器、光功率放大器、传输光纤链路、光前置放大器、光波解复用器、光接收机构成。光放大器是指能够在光域直接提升信号功率的器件, 它通过提高信号发射功率和补偿传输中的功率损失而延长无电中继的传输距离, 从而大大简化了系统结构, 降低系统成本;另外, 光放大器能够同时透明放大多路高速WDM信号, 实现宽带、大容量的光中继;最后, 借助与光放大器还能够进行各种光信号的处理, 如波长变换、波长选择、光开关、光再生等等, 从而增加网络对光的控制和处理能力[2]。掺铒光纤放大器 (EDFA) 是最理想的光放大器, EDFA主要有掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、隔离器等部件组成, 它的主要应用形式有作前置放大器、作功率放大器和作光中继器等三种形式。因此, 研究WDM系统中EDFA的特性也就显得非常重要。

1 掺饵光纤放大器的原理

EDFA的放大功能是利用Er3+的受激辐射放大原理, 其粒子数反转以及增益谱特性都与Er3+的能级结构有关。EDFA的工作原理与激光器的工作原理类似, 一般可用一个三能级的工作模型来描述, 如图1所示。E1是激光器的基态, E2是激光器的上能级, E3是高于上能级的一个能级。EDFA实现放大的必要条件是激光工作介质处于粒子数反转状态, 即处于E2能级的粒子数大于E1的粒子数。因此, 必须对激光工作介质即掺饵光纤进行泵浦, 引入泵浦光, 使基态E1的粒子产生受激吸收跃迁, 而到达一个高能级E3。在掺饵光纤中, 跃迁的粒子就是饵离子Er3+。Er3+离子在E3能级寿命很短, 很快通过非辐射跃迁的方式到E2能级。由于受激辐射的作用, 在输入信号光时, 能级E2的粒子将跃迁到能级E1, 并以光子形式释放能量, 从而实现了光放大。在能级E1和E2之间存在受激辐射的同时还存在受激吸收, 能级E1的粒子吸收信号光光子能量跃迁到能级E2, 这一作用使信号光衰减。当受激辐射带来的光放大刚好抵消受激吸收带来的光衰减时, 称掺饵光纤被“ 漂白” 。若受激发射大于受激吸收, 则得到了对信号光的净增益[3]。

2 EDFA特性

EDFA特性包括其增益特性、噪声特性, 用于WDM系统的EDFA还应包括增益谱特性。

2.1 增益特性

EDFA的增益定义为输出信号光功率与输入信号的光功率的比值

G=Psout/Psin

影响增益的因素很多, 包括泵浦功率、掺饵光纤的长度以及输入信号光功率, 而限制增益进一步提高的因素还包括由于放大的自发辐射噪声 (ASE) 引起的自饱和现象等。我们常用增益——输出信号光功率关系来反应EDFA的增益特性, 关系曲线如图2所示。可以看到, 在小信号区, 增益变化很小而输入光功率较大时, 进入饱和状态, 增益将迅速下降。

2.2 噪声特性

EDFA的噪声主要来自放大器的自发辐射噪声 (ASE) , 在带宽Δν内的ASE的噪声功率为:

PASE=2nsp (G-1) hvΔν

式中:G为EDFA的增益, h为普朗克常数, ν为自发辐射光频率, nsp为自发辐射因子, 其值为:

nsp=ηN2/ (ηN2-N1)

式中, η=δe/δn, δe和δn分别为发射和吸收截面, N2和N1分别为放大器上能级和基级的粒子数密度, 当粒子数完全反转时, N1=0, nsp获得最小值为1。放大器噪声ASE带来的对信噪比的影响常用噪声系数NF来表示:

NF=2nsp (G-1) /G=PASE/hvΔνG

在实际的测试中, 我们常根据上式计算NF的值。NF与输入信号功率有关, 可以从Psout-NF关系曲线图2反映出来。在小信号区域, NF值基本不变;进入饱和状态后, NF值将增大。

2.3 增益谱特性

EDFA的增益谱如图3所示, 一般在1530nm处都有一个峰值, 在1550nm处有较平坦的增益谱。影响增益谱的因素主要有: (1) 掺铒光纤的吸收和发色截面谱; (2) 掺铒光纤的长度; (3) 泵浦和信号光功率。

在非饱和区, EDFA的增益谱可表示为:

式中, P0为有效铒离子浓度, L为掺铒光纤长度, δe (λ) 和δn (λ) 分别为波长λ处的发射和吸收截面;n1和n2分别为沿整条掺铒光纤长度基级和上能级的平均归一化粒子数。

undefined

当泵浦功率很大, 掺铒光纤实现完全粒子数反转, 则有n1=0, 于是有:

undefined

此时, EDFA的增益谱与EDF的发射截面谱形状一致。

3 EDFA在波分复用 (WDM) 系统中的应用

图4为WDM系统示意。如图4所示, EDFA在波分复用系统中的应用主要包括以下三点:

1) 作为功率放大器 (booster) , 提升输出信号功率;

2) 作为线路放大器 (line amplifier) , 放大信号功率, 补偿光纤损耗;

3) 作为前置放大器 (pre-amplifier) , 提高接收系统灵敏度。对于功率放大器、线路放大器和前置放大器, 由于它们在系统中所处的位置不同, 因此对各自有不同的要求。例如对功率放大器, 要求输出光功率高;对线路放大器, 则要求高增益、低噪声;对前置放大器, 则要求低噪声[4]。

对于WDM通信系统来说, EDFA的增益谱平坦特性是一个非常重要的因素。对于长距离、多级级联的WDM系统来说, 增益谱不平坦带来的增益差别的积累将导致输出端各信道间信号功率的不平衡, 并进而影响到信噪比的差别。因此, 增益谱的不平坦将限制可利用的带宽和复用信道数。

衡量EDFA增益谱平坦程度的参数是一定带宽内增益的最大差别Gp-p, 如图5所示。

影响增益谱的因素正如前一节所述, 平坦增益谱、增大带宽可采取不同的方法。降低泵浦功率, 使EDFA工作在一定程度的饱和状态, 可增大EDFA的带宽。一般说来, EDF达到60%的粒子数反转程度时, EDFA具有最大的带宽。但降低泵浦功率, 将会带来增益的降低和噪声系数的上升。

在石英光纤中可以同时掺入锗 (GeO2) 和铝 (Al2O3) , 用来提高纤芯的折射率, 改善Er3+的掺杂浓度, 避免了Er3+聚集问题。掺铝还能改善光谱特性, 在宿主玻璃中掺杂了铝后, 其EDF的光谱特性的平坦特性将得到改善[5]。

据报道一种掺铝的EDF和掺铝/磷的EDF组成的EDFA获得了1543～1558nm范围的平坦增益谱。另一种实现增益谱平坦的方法是采用光滤波器的方法, 对1530nm处的增益峰值进行抑制。据有关文献报道, 采用这种方法, 已可以做到1526～1558nm带宽内增益差别不到1dB, 但滤波器的引入的插损会造成增益下降和噪声系数上升, 这也是采用滤波法带来的缺点。

在考虑EDFA的平坦特性时, 还必须考虑保持增益谱平坦情况下的EDFA的动态范围。当输入信号光功率发生变化时, 放大器的增益谱也会改变。解决这一问题的办法可采用自动增益控制 (AGC) 技术。

4 结论

WDM系统对放大器有特殊的要求, 可以归结为:低噪声特性;高增益和大输出功率;平坦带宽增益特性。EDFA在WDM系统中占据着重要位置, 研究好其特性, 使其特性达到WDM系统对放大器的要求成为优化WDM系统的关键。

参考文献

[1]郑玉浦, 蔡小林, 张椿玲, 等.光纤通信原理与技术[M].兰州大学出版社, 2006.

[2]顾畹仪, 闻和, 喻松, 等.WDM超长距离光传输技术[M].北京邮电大学出版社, 2008.

[3]黄鹏, 甘志.EDFA及其在波分复用系统中的应用[J].现代有线传输, 1998, 8 (2) :11-14.

[4]聂秋华.光纤激光器和放大器技术[M].北京:电子工业出版社, 1997.

EDFA 篇3

近年来, 随着计算机网络、电信网络和有线电视网络技术的发展, 在“三网融合”的背景下, 网络的规模越来越大, 结构越来越复杂, 异构性越来越高, 用户数量越来越多, 网络管理的难度也随之增加。在某种意义上, 管理好一个网络甚至比建设好一个网络更紧要。因此, 如何保证网络的可靠运行和服务质量, 如何提供一个经济有效的网络管理系统, 已经成为广电运营商、设备提供商以及学术界共同关心的重要问题。

基于模型的嵌入式系统设计方法是目前的一个研究热点, 因此, 本文结合实际需要, 把这种方法用于嵌入式管理代理的设计开发中, 从而设计出可维护性更高、扩展性更强的系统, 因而具有较高实用价值和参考意义。

1 管理代理对象结构分析及建模

1.1 识别对象及对象关联

建立类图的第一步是识别领域中的相关对象。识别对象有多种策略, 本文所用策略及识别的对象如表1所示。

1.2 建立系统整体类图

上面识别的一些对象在结构上可能是相同的, 例如前面板的上翻、下翻和确定按钮具有相同结构。显然按钮可抽象为一个类。按照这种方法, 可将对象图抽象为类图。如图1所示为嵌入式管理代理系统整体的主要类图。

1.3 建立各子系统

(1) Agent子系统。每一个管理信息库MIB由一组对象标识符 (Object ID) 组成, 而每个Object ID又包含了一组状态信息样本。Agent子系统能够通过I2C、RS485、温度传感器Temp和电源电平传感器Battery进行数据采集, 并根据来自网络或串口的请求输出信息。类MsgQ是用于串口收发的消息队列。类Timer是定时器封装类, 它为MIBSample类提供了精确定时。

(2) MIB Memory子系统。类MIBMemory管理着嵌入式管理代理的存储空间, 它保存了系统采集的被管设备的MIB, 可以分配空间给新的MIB, 也可以删除某个MIB。MIBMemory是类AgentController的一部分, 即它们之间存在着聚合关系, 每个AgentController对象有1个MIBMemory对象。类ObjectID与类MIBMemory之间也存在着聚合关系, 每个MIBMemory可以存储0到多个ObjectID。类MIB与MIBMemory之间也同样是聚合关系, 每个MIBMemory最多可以存储30个MIB。

(3) Clock子系统。Clock类保存管理代理系统当前累计运行时间。Clock通过一个定时器来测量时间, 每秒钟都调用nextSecond () 方法更新内部时钟。当时间增加到24小时, 调用nextDay () 方法更新日期。

(4) UI子系统。类UI管理着系统与用户之间的交互行为。它接收用户的键盘输入, 然后通过LCD液晶显示屏、LED或蜂鸣器将结果反馈给用户。

2 转换与测试

我们使用visualSTATE建模环境中的有效性测试工具 (Validator) 对嵌入式管理代理的状态图模型进行测试。

Validator用于对VS状态图模型进行交互式模拟、分析和调试。如果借助RealLink硬件调试工具, 还可以连接目标板对状态机的运行时行为进行监控 (暂不讨论这种测试方案) 。有效性测试结果如图2所示。

图2是利用混合图识别出来的状态图模型的一个交互式模拟的示例。通过交互式地输入一些事件, 在计算机中观察可执行模型模拟运算输出的结果及内部变化, 可以测试一个状态机模型。

通过这种方式还可以进行对比分析或回归测试, 例如检查系统的修改有没有导致意外的结果。利用Validator工具还可以将一组测试步骤记录下来, 以备日后重用并进行回归测试, 从而保证了所有的修改都不会偏离设计的初衷。在交互式模拟测试或对比测试前提下, 还可以进行动态分析, 从而获得系统优化和系统瓶颈, 甚至发现模型的哪个部分运行得最活跃、哪个部分从未被激活。

3 结束语

本文以光放大器EDFA设备网管为实例, 在对其进行总体描述之后, 基于UML对嵌入式管理代理进行面向对象系统分析与建模, 构建了一系列用例图、类图和子系统状态图, 然后用层级树辅助建立整体状态图, 并在VisualSTATE状态图建模环境下实现了各层次模型的绘制、模型的交互式模拟测试和完整性测试。

摘要：结合当前HFC网络设备管理代理的需求, 把UML状态图应用于管理代理的软件分析与设计, 以EDFA设备为例, 详细探讨了软件建模过程, 运用面向对象的方法, 构建了软件的用例模型、对象结构模型和行为模型。通过可视化状态图建模工具实现系统的模型仿真、有效性验证和动态规范性验证, 给出了测试结果。

关键词：UML,状态图,EDFA,软件建模

参考文献

[1]Bruce Powel Douglass.实时UML开发嵌入式系统高效对象 (第2版) [M].尹浩琼, 欧阳宇, 译.北京:中国电力出版社, 2003.

[2]Samek M.Practical Statecharts in C/C++:Quantum Programming for Embedded Systems[M].CMP BOOKS, 2002.

[3]IEC60728-7-1.Cable networks for television signals, sound signals and interactive services-Part7-1:Hybrid fiber coax outside plant status monitoring-Physical (PHY) layer specification[S].2003.

EDFA 篇4

关键词：L波段,掺铒光纤放大器,增益斜率,温度

0 引言

在DWDM(密集波分复用)传输系统中，EDFA(掺铒光纤放大器)的增益平坦度和增益斜率是衡量光纤放大器性能的重要指标。因为铒纤本身不具备平坦的增益特性，目前通常使用GFF(增益平坦滤波器)对增益谱的形状进行“整形”，以得到所需的增益平坦度和增益斜率。然而，仅仅使用GFF只能在固定的工作状态下获得平坦的增益，当增益和输入信号功率发生变化时，EDFA中粒子反转水平随之发生变化，增益斜率和平坦度不可避免地要发生改变，表现出EDFA固有的DGT(动态增益斜率)特性;同样，当温度变化时，铒离子的吸收、发射截面也将发生相应的变化，引起增益斜率和平坦度的变化[1,2,3,4]。为使EDFA在增益和环境温度发生变化的情况下保持良好的增益平坦度，必须对DGT和增益的温度相关性进行相应的补偿。

对L波段的EDFA，因其平均粒子反转水平较低，增益和增益斜率随温度的变化比C波段要大得多，掌握其变化规律并进行相应的补偿是非常重要的。F.A.Flood[5]详细研究了温度对掺锗硅基铒纤L波段增益产生的影响，结果表明：在整个L波段内，无论是采用980nm还是1 480nm泵浦，各个波长处的增益几乎都随温度的升高而减小。不过上述结论是在同向泵浦和单段铒纤的情况下得到的，并且使用的样品为低掺杂浓度的掺锗硅基铒纤。在目前商用的L波段EDFA中，普遍使用了复杂组分的高掺杂浓度的铒纤，并且采用多段铒纤和多泵浦的结构，对此情况下增益的温度特性尚未进行详细的研究。本文对一种采用多段铒纤和多泵浦结构的商用L波段EDFA增益的温度特性进行了理论分析和实验研究。

1 L波段EDFA增益的温度相关性理论分析

在忽略非均匀加宽的情况下，EDFA的增益可表述为[6]

G(λ)=exp{Γ·L[σe(λ)·珔n2-σa(λ)·珔n1]}，(1)式中，σa(λ)和σe(λ)分别为在波长λ处的吸收截面和发射截面;珔n1和珔n2分别为基态和激发态的平均粒子数密度;Γ为交叠因子;L为铒纤长度。由式(1)可知，在σa和σe不变的情况下，当铒纤输入功率或者增益改变时，珔n1和珔n2通常会发生改变，铒纤的增益谱形状也会发生相应的改变，导致DGT的产生;另一方面，即使铒纤输入功率和泵浦功率不变，在温度发生变化时，由于σa和σe不仅是波长的函数，而且还和温度相关，使得EDFA的增益也和温度相关。

σa和σe的温度相关性可解释如下：在铒纤中，无论基态和激发态都会在晶格场的作用下发生斯塔克劈裂，产生一系列称为斯塔克能级的子能级。平衡态时，基态或者激发态的铒粒子在各个斯塔克能级的占据几率服从玻耳兹曼分布

式中，P(E1)和P(E2)分别为热平衡时E1和E2能级处占据几率;k为波耳兹曼常数;T为绝对温度。σa和σe与铒离子处于这些斯塔克能级的几率有关，而几率又依赖于温度，由此导致铒纤增益的温度相关性。通常实验测得的σa(λ)和σe(λ)谱一方面反映了基态和激发态内各个斯塔克能级的位置;另一方面反映了给定温度下基态和激发态内粒子数的分布。在我们实验的温度范围内，可认为斯塔克能级的位置与温度无关，而温度通过改变粒子数分布几率来影响σa和σe。

图1所示为室温时OFS公司的LRL型铒纤的σa和σe与波长的关系。根据铒纤的吸收谱和荧光谱，对σa和σe随温度的变化特性已进行了详细的研究[4,7,8]，其两个典型的特征如下：(1)在1 530nm附近，σa和σe的峰值随温度的升高而下降;(2)在1 560nm附近，σa和σe的值随温度的升高而有所增大，这种反常的增大可从1 550nm附近延续到1 580nm附近。

在1 530～1 560nm之间，因为各个斯塔克能级间由热加宽而发生强的交叠，σa和σe随温度的变化关系非常复杂，从而导致C波段的增益谱呈现出复杂的变化方式，并且与铒纤的基质成分和饱和程度密切相关[5]。在1 560～1 580nm之间，由于σa和σe随温度升高而产生反常的增大，即当T1>T2时，σe(T1)>σe(T2)，σa(T1)>σa(T2)。从式(1)不难看到，若粒子反转程度较低，珔n2较小，L波段中的1 570～1 580nm附近增益可能随温度的升高而增大;反之，在饱和程度较高，粒子反转程度较低时，增益出现相反的变化。因此，在此波长范围内，铒纤增益的温度特性与饱和程度密切相关，增益随温度的变化可出现相反的变化趋势，此现象也被我们后面的实验所证实。而在更长波长处，当温度升高时，基态和激发态中处于能量较低的子能级上的粒子数减少，这就增加了长波长处的吸收并减少了发射，相应的σa增大而σe却减小，所以在>1 580nm的长波段，增益随温度的增加是单调递减的。

2 L波段EDFA的温度特性实验与分析

图2所示为实验所使用的EDFA结构。采用980和1 480nm两级泵浦，所用铒纤为OFS公司的LRL型铒纤，两段铒纤的长度分别为13m(铒纤1)和15m(铒纤2)，两段铒纤均盘绕在一个恒温盒中，该恒温盒可将铒纤温度控制在室温至80℃之间。为使L波段的增益平坦，并抑制第1段铒纤产生的C波段ASE(自发放大辐射)，两段铒纤中加入了GFF。两端铒纤间的ISO(隔离器)用于消除第2段铒纤产生的反向ASE。

图3所示为总输入功率为-2dBm时不同温度下的增益谱。图中除给出了测量的增益谱以外，还给出了各个温度下最小二乘法拟合的增益(直线)，以便于观察增益斜率的变化。L波段EDFA在35℃时平均增益为24dB,980和1 480nm泵浦的功率分别为210和176mW。由图3可知，在1 582nm两侧，增益随温度的变化方式相反。在L波段两端按相反趋势变化的增益使得增益斜率随温度有较大的变化，当从35℃升温到70℃时，增益斜率从正值(2.2dB)变为负值，但平均增益仅减小了0.3dB。

为考察不同工作条件下增益斜率随温度的变化趋势，我们把总输入功率调整为-20dBm，但仍保持35℃时的平均增益为24 dB，此时980和1 480nm泵浦的功率分别变为167和60mW。测试结果如图4所示，在整个L波段，增益基本上随温度升高而减小，与高功率输入时(图3中)1 570～1 580nm之间增益的变化趋势相反。由此可见，在1 570～1 580nm之间，L波段EDFA在高饱和情况下，增益随温度的升高而增大;而在反转程度较高时，增益出现相反的变化。

尽管在不同工作状态下，L波段EDFA在1 570～1 580nm之间的增益谱随温度的变化方式不尽相同，但在整个L波段的大部分波长范围内，其增益总是随温度的升高而减小。由图3和图4可知，从整个L波段来看，增益斜率总是随温度的升高而减小。图5给出了两个不同输入功率下增益斜率与温度的变化关系，其中“□”和“○”表示实验测量点，它们可用线性关系很好地进行拟合。根据此线性关系，对铒纤的温度进行控制就可方便地调整放大器的增益斜率，并用于补偿DGT。

3 结论

L波段EDFA中铒纤的温度对增益谱有明显的影响。文献[5]中对单段铒纤的实验结果表明：无论是在高、中和低的饱和程度下，各个波长处的增益几乎都随温度的升高而减小。但我们却发现在1 570～1 582nm之间，根据铒纤饱和程度的不同，增益随温度升高可能出现相反的变化方式。在较高的饱和程度下，温度变化时，1 582nm两侧的增益的变化趋势相反，这使得高饱和程度下增益斜率对温度的变化更加敏感。

尽管L波段EDFA增益谱随温度的变化方式比较复杂，但是在整个L波段的大部分波长范围内，增益总是随温度的升高而减小，所以当温度升高时，其增益斜率总是单调变化，且增益斜率与温度之间的关系可很好地用线性关系进行拟合。利用此特性对铒纤温度进行控制，可在一定范围内调整L波段EDFA的增益斜率或补偿DGT，以满足DWDM系统传输的要求。

参考文献

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EDFA 篇5

光纤放大器是光通信系统中必不可少的器件,随着100Gbit/s相干通信系统的逐步商用,系统对光纤放大器的需求量越来越大,要求也越来越高,单独的EDFA(掺铒光纤放大器)与RFA(拉曼光纤放大器)已不能满足要求[1]。根据EDFA和RFA各自的优点,将它们结合在一起组成的混合光纤放大器在现代通信系统中得到了广泛应用。然而在现有技术中,RFA与EDFA都是独立 使用、独立调 节的,没有一个统一的控制平台来调整混合放大器的放大增益和增益系数,而是仅仅将现有的RFA与EDFA简单组合使用,且EDFA有内置VOA(可变光衰减器),在小增益情况下,噪声指数较大。

鉴于上述问题,本文提出一种新型的增益可调的混合光纤放大器,由统一的控制平台来调节RFA与EDFA的增益,其RFA增益与EDFA增益可以相互补偿,增益斜率亦可相互补偿,解决了现有独立调整的RFA和EDFA由于没有统一控制,无法达到预期的放大效果,以及现有内置VOA的EDFA噪声指数较大的问题。该混合光纤放大器充分结合了EDFA和RFA的优点,增益大,噪声小,非常适用于超长距离、超大容量和超高速率的通信系统。

1两种混合光纤放大器结构的比较

目前国内外光通信系统中所使用的混合光纤放大器均是EDFA和RFA的简单叠加,如图1所示,其增益为EDFA增益和RFA增益之和,由于EDFA和RFA是分别控制、独立调整的,它们的增益和增益斜率无法实现相互补偿,在增益平坦性方面也不是特别理想。

本文提出一种新型的增益可调的混合光纤放大器,如图2所示,其EDFA不带内置的VOA,RFA增益与EDFA增益在统一的控制平台上进行调节,形成反馈,增益斜率亦可相互补偿。由图可知,混合光纤放大器由RFA、EDFA和控制模块三大部分组成。RFA包括泵浦信号合波器、泵浦激光器组、带外窄带滤波器以及光电探测器,其中,泵浦激光器组为1400~1499nm的泵浦激光器,至少包含两种

不同的泵浦波长,能够补偿由于EDFA增益斜率变化带来的增益波动的劣化;EDFA包括输入耦合器、掺铒光纤、输出耦合器、输入光电探测器和输出光电探测器;控制模块由MCU(微处理单元)及其外围电路组成,根据预期放大要求,控制RFA和EDFA的增益调整和增益斜率调整。由于混合光纤放大器中的EDFA不包括VOA,因此不会出现因VOA衰减带来的噪声指数劣化和泵浦能量浪费的问题。此外,由于不存在VOA衰减,相同增益情况下泵浦功率会小很多,有助于改善瞬态特性,同时也简化了EDFA的结构,使得增益控制方法更为简单,性能更可靠,在提高产品性能的同时,还可以大幅降低成本和功耗。

2混合光纤放大器的增益调整原理

2.1多泵浦 RFA的理论基础与增益特性

在多泵浦分布式RFA系统中,由于拉曼散射的作用,能量由短波长向长波长传递,造成光功率的重新分配,若不考虑噪声、瑞利散射和温度对放大器的影响,泵浦光和信号光的功率变化可以由下式表示[2]:

式中,等号右边第1项为光纤衰耗;第2项为短波长泵浦产生的拉曼增益;第3项为对于更长波长的泵浦能量损耗;v、ξ分别为信号和泵浦光频率;+ 和分别表示前向和后向传播的光波;P± (z,v)表示某一特定频率的光功率;α(v)为损耗系数;g(ξ-v)为泵浦频率ξ对信号频率v的拉曼增益系数;Keff为偏振因子;Aeff为光纤的有效面积。

在RFA中,当泵浦光 与信号光 的频率相 差13.2THz(约100nm)时,获得的增益最大。如图3所示,图中下面两条曲线分别为1425和1455nm波长的泵浦光单独作用时产生的增益,可以看出,每个泵浦波长主要对某一信号带宽内的增益起作用,对其他带宽内的增益也起作用,但作用较小;同时,拉曼增益谱并不是各泵浦光单独作用时的简单叠加,因为泵浦与泵浦之间、信号与泵浦之间存在着受激拉曼作用,导致能量由短波长泵浦向长波长泵浦传递,并且泵浦间能量的传递呈现非线性规律。图3中,上面的两条曲线显示了考虑泵浦之间的影响和不考虑泵浦之间的影响时增益谱的区别。根据RFA的这些特点,可以通过调节不同泵浦波长的功率比例来实现拉曼增益斜率的调节。图4所示为在不同泵浦功率下产生的拉曼增益。当泵浦功率变化时,拉曼增益斜率也发生变化。

2.2EDFA的增益特性

EDFA能在1530~1565nm波长范围内提供光放大。但由于掺铒光纤的增益谱形所限,在此范围内不同的波长上,每个波长所获得的增益不同。掺铒光纤的增益谱不平坦是造成EDFA增益不平坦的根本原因,纤长为L的EDFA增益为

式中,n2为粒子反转度;g*为铒纤的增益系数,与铒纤的发射截面σek有关;α是铒纤的吸收系数,与铒纤的吸收截面σak有关[3]。发射截面和吸收截面与信号波长的关系如图5所示。由图可知,增益系数和

吸收系数均是波长的函数。因此,在一定的泵浦功率和铒纤长度下,对不同波长的输入光,获得的信号增益是不同的。对于增益平坦的EDFA,放大器的增益斜率T =0。如果光纤长度L不变,泵浦功率改变,放大器的增益也改变,那么放大器的T将发生变化。同时,由于信号光在铒纤中传播时,短波长的增益会向长波长转移,如果增益变大,在粒子数反转程度变化不大的情况下,L应当变长才能保证T不变,若L保持不变,而σek在C波段是逐渐减小的,短波长处的增益变化更大,意味着长波长信号在L长度的光纤中获得的增益将不足,导致短波长增益较长波长增益大,T为负值;同理,如果增益变小,若L保持不变,长波长处的增益变化较短波长处的小,意味着短波长信号在L长度的光纤中向长波长转移增益过大,从而导致短波长增益不足,而长波长增益过大,T为正值。图6所示为铒纤长度一定、泵浦功率不同时产生的增益谱。通过大量的实验进一步得出EDFA增益G和增益斜率T存在如式(3)所示的关系,式中,dT为EDFA增益斜率的 变化量,EDFA增益每变化1dB,增益斜率反向变化0.85dB。

2.3混合放大器的增益调整方法

在实际应用中,光纤放大器的增益平坦度是长距离传输系统设计中的一个重要参数。在DWDM(密集波分复用)系统中,当上下波长、增益或输入功率发生变化时,若各个波长的增益出现了不一致,则会导致输出端各信道间信号功率的不平衡,进而影响到光信噪比,影响系统的整体性能[4]。因此,在设计和控制混合光纤放大器时,要充分考虑系统的增益平坦性问题。

对于由RFA+EDFA组成的不带VOA的混合放大器,其获得的总增益为RFA和EDFA增益的叠加。设混合光纤放大器的总增益为GH,增益斜率为TH,RFA的增益为GR,增益斜率为TR,EDFA的增益为GE,增益斜率为TE,则有GH=GR +GE,TH=TR +TE。在对不带VOA的混合放大器进行增益调整时,要保持TE不变,即保持增益的平坦性,根据2.1节和2.2节介绍的RFA和EDFA的特性,可以这样实现:调整GE,GR保持不变,此时TE会发生变化,为了保持TH不变,可以通过调整TR来进行补偿。

在DWDM系统中,通道间隔一定时,光通道数量越多,占用的带宽越宽。但由于单一波长泵浦光形成的增益谱不平坦,所以一般使用多个波长的泵浦光共同作用于信号工作的波长范围,以实现较宽波长区域内的信号放大,保证全部工作通道获得预期的放大效果。当使用多个波长的泵浦时,如果各泵浦功率的比例发生变化,则会导致增益谱线倾斜,这时可以根据实际的调整情况,改变泵浦功率组的比例,以此来补偿EDFA增益斜率的变化。

3实验情况及结果分析

设混合放大 器在某一 时刻的总 增益GH=30dB,增益斜率TH= 0,此时EDFA增益GE=20dB,增益斜率TE=0,RFA增益GR=10dB,增益斜率TR=0。当混合放大器的GH从30dB减小到28dB时,根据GH=GR+GE,通过调整EDFA的泵浦电流改变泵浦功率,使EDFA的GE从20dB减小到18dB,此时,ΔGE=-2dB,增益减小了2dB。根据公式(3)可得ΔTE= 1.7dB,增益斜率 增大了1.7dB,为了保持混合放大器的TH不变,根据公式TH =TR+TE,RFA的TR必须减小1.7dB,RFA通过调节各泵浦功率的比例来改变TR的值,以此补偿EDFA增益斜率的变化。实验中选用G.652光纤作为传输光纤,长度为80km,波长分别为1425和1455nm的泵浦组作为第1级RFA的泵浦源,波长为980nm的泵浦作为第2级EDFA的泵浦源,控制电路以MCU(C8051F120)为主,再加上一 些A/D(模/数)转换、D/A(数/模)转换和PID(比例积分微分)算法等外围电路。

当混合放大器的GH从30dB减小到28dB时,其增益谱如图7所示。由图中可以看出,在1529~1565nm的范围内,在初始增益值时,混合放大器、RFA和EDFA的T均为0,此时RFA的泵浦波长和功率如表1所示。当G减小2dB时,EDFA的泵浦功率减小106 mW,此时增益谱发生 倾斜,由式(3)可知,T增大了1.7dB。为了保持混合放大器的增益平坦度,改变RFA各泵浦的功率,这样调整之后 ,FRA的TR减小了1.7dB,最后混合 光纤放大器的TH保持为0,增益也调整到预期值。

4结束语