郝繼華

（太原有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)有限公司，山西 太原 030024）

1 引言

我國(guó)有線(xiàn)電視發(fā)展到今天，已擁有約兩億用戶(hù)的規(guī)模。光纖及光纖、電纜混合傳輸（HFC）技術(shù)已成組網(wǎng)主流方案。光纖損耗是限制光纖傳輸距離和覆蓋范圍的主要原因之一。摻鉺光纖放大器（EDFA）的實(shí)用化為有線(xiàn)電視高質(zhì)量、遠(yuǎn)距離、大范圍覆蓋提供了條件，并大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)造價(jià)和維護(hù)成本。EDFA已成為光纖傳輸系統(tǒng)中的主要器件。

2 EDFA的原理及組成

一臺(tái)實(shí)用的摻鉺光纖放大器主要由以下部分組成：摻鉺光纖、高功率泵浦、波分復(fù)用器、光隔離器以及周邊輔助電路。光纖放大器的本質(zhì)是光能量從泵浦光波長(zhǎng)到信號(hào)波長(zhǎng)的變換，因此關(guān)鍵部件是作為波長(zhǎng)變換器的摻鉺光纖和能量源的泵浦。大量實(shí)驗(yàn)表明，980 nm和1 480 nm的激光泵浦效率最高，只使用幾毫瓦的泵浦光就可以產(chǎn)生30～40 dB的放大器增益。因此，可以用鉺的簡(jiǎn)化三能級(jí)模型來(lái)說(shuō)明，見(jiàn)圖1。

如圖1所示，E1為基態(tài)，E2為亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)，E3為激發(fā)態(tài)能量最高。當(dāng)基態(tài)離子被980 nm泵浦光激勵(lì)到激發(fā)態(tài)時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)快速非輻射躍遷到達(dá)亞穩(wěn)態(tài)。而被1 480 nm泵浦激勵(lì)到亞穩(wěn)態(tài)的離子，會(huì)衰變到亞穩(wěn)態(tài)能帶的低能態(tài)。因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)的壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于到達(dá)這個(gè)能態(tài)的壽命，當(dāng)處于亞穩(wěn)態(tài)的離子受到信號(hào)光子觸發(fā)時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)離子將回到基態(tài)，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與輸入光子具有相同能量、相同相位、相同偏振態(tài)的光子，光信號(hào)得到放大。受亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)能帶寬度的限制，受激輻射出現(xiàn)在1 530～1 560 nm范圍內(nèi)。

圖1 餌的簡(jiǎn)化三能級(jí)模型圖

就泵浦光與輸入信號(hào)光的相對(duì)位置不同，EDFA有3種結(jié)構(gòu)：①同向泵浦方式，信號(hào)光與泵浦光從摻鉺光纖的輸入端輸入。②反向泵浦方式，信號(hào)光與泵浦光從摻鉺光纖的不同方向輸入。③雙向泵浦方式，采用兩個(gè)泵浦，分別從摻鉺光纖的輸入、輸出端輸入。

3 EDFA的主要技術(shù)特性及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響

EDFA的主要特性包括小信號(hào)增益、飽和輸出功率、增益平坦度、噪聲系數(shù)以及非線(xiàn)性失真。了解這些性能對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)于光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)是至關(guān)重要的。

3.1 小信號(hào)增益及飽和輸出功率

EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、泵浦功率有關(guān)。對(duì)于給定長(zhǎng)度的放大器，增益最初隨泵浦功率的增加按指數(shù)函數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值后，增益增加變慢。對(duì)于給定的泵浦功率，對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳放大器長(zhǎng)度。隨著長(zhǎng)度的增加，剩余長(zhǎng)度的摻鉺光纖沒(méi)有受到泵浦的激勵(lì)，還會(huì)產(chǎn)生受激吸收，導(dǎo)致增益出現(xiàn)下降。

在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入信號(hào)功率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入光的增加而變化。當(dāng)輸入光功率增加到一定程度后，增益隨著信號(hào)的增強(qiáng)而下降，放大器進(jìn)入飽和放大區(qū)。飽和輸出功率定義為小信號(hào)增益下降3 dB時(shí)的輸出功率。對(duì)于大信號(hào)，其飽和增益隨著泵浦功率線(xiàn)性增加，使EDFA工作在飽和增益狀態(tài)，利用增益飽和特性，可有效補(bǔ)償光鏈路一定范圍內(nèi)的功率波動(dòng)。

3.2 光放大器的噪聲特性

噪聲特性是影響放大器性能的重要參數(shù)。放大器的噪聲主要是摻鉺光纖中的自發(fā)輻射噪聲（ASE）。在光通信系統(tǒng)中則存在著來(lái)自信號(hào)的散粒噪聲、自發(fā)輻射噪聲及它們之間相互作用的拍差噪聲。

放大器的噪聲可以用噪聲系數(shù)F來(lái)表示，它定義為：

其中，in和out表示帶和不帶放大器，在光接收機(jī)輸出端測(cè)得的CNR。在高增益工作狀態(tài)，F(xiàn)近似為2Nsp，對(duì)于理想放大器，自發(fā)輻射系數(shù)Nsp=1。這意味著最佳放大器噪聲指數(shù)為3dB（=10lg2），實(shí)際工作的放大器噪聲系數(shù)一般在4 dB左右。

在有線(xiàn)電視應(yīng)用中，假定有單級(jí)EDFA，每個(gè)RF信道調(diào)制度為m，光接收機(jī)平均直流電流IR，B為光檢測(cè)器電帶寬，RIN為系統(tǒng)相對(duì)強(qiáng)度噪聲，則系統(tǒng)的載噪比為：

它描述了輸入光功率、放大器噪聲系數(shù)與CNR的關(guān)系。光輸入功率較低時(shí)，放大后信號(hào)CNR主要受信號(hào)散粒噪聲-ASE的拍差噪聲和ASE-ASE的拍差噪聲影響。處于飽和放大狀態(tài)時(shí)，輸入光功率在一定范圍時(shí)受接收機(jī)熱噪聲和信號(hào)散粒噪聲影響，噪聲指數(shù)幾乎不變；輸入光功率超過(guò)一定范圍時(shí)，噪聲指數(shù)隨輸入光功率的增加而增加。

3.3 非線(xiàn)性失真

在1 550 nm光鏈路中插入EDFA時(shí)，由它引起的CTB、CSO失真可以忽略。同時(shí)，由于EDFA一般工作在飽和放大區(qū)，由增益平坦度引起的非線(xiàn)性失真也不大。EDFA的主要失真由光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)引起，主要包括色散引起的失真、受激布里淵散射（SBS）、自相位調(diào)制（SPM）的失真。

色散引起的失真主要由激光器啁啾和光纖色散相互作用產(chǎn)生，在采用外調(diào)制激光器或色散補(bǔ)償光纖后，非線(xiàn)性失真會(huì)降到可以接受的水平。

高于SBS門(mén)限的光注入光纖時(shí)，與光纖中聲子作用，產(chǎn)生反向散射光，與正向光信號(hào)作用，導(dǎo)致CNR迅速下降，并且使CSO、CTB劣化。

4 EDFA在有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)根據(jù)功能需求的不同形成多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。光纖超干線(xiàn)，適用于主前端與各分前端的光信號(hào)傳輸；光纖到小區(qū)是典型的HFC網(wǎng)絡(luò)，適用于用戶(hù)相對(duì)密集的城市住宅區(qū)；光纖到最后一臺(tái)放大器，這種結(jié)構(gòu)單臺(tái)接收機(jī)覆蓋用戶(hù)較少，但信號(hào)質(zhì)量可靠穩(wěn)定，適用于農(nóng)村等居住比較分散，不便大量使用有源設(shè)備和電纜的地區(qū)。

EDFA應(yīng)用靈活，一般有3種工作模式：①功率放大器，直接應(yīng)用在光發(fā)射機(jī)之后，用來(lái)提高輸出光功率，延長(zhǎng)傳輸距離或驅(qū)動(dòng)更多光節(jié)點(diǎn)，要求低噪聲和高飽和輸出功率。②在線(xiàn)放大器，實(shí)現(xiàn)了全光中繼，可以多級(jí)應(yīng)用，主要受光纖色散和放大器級(jí)聯(lián)后CNR劣化限制。③前置放大器，要求高靈敏度、低噪聲和大的小信號(hào)增益。

在太原有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的過(guò)程中，逐步形成了按區(qū)域劃分設(shè)立分前端，其中包括8個(gè)市區(qū)分前端和4個(gè)縣級(jí)分前端。在主前端用兩臺(tái)10 dBm輸出的1 550 nm外調(diào)制光發(fā)射機(jī)帶5臺(tái)用做功率放大器的EDFA，采用物理星形和邏輯雙環(huán)形拓?fù)涞椒智岸?。在分前端采用兩臺(tái)自帶切換功能的光接收機(jī)或外置RF切換設(shè)備，保證了不同光發(fā)射機(jī)、不同路由的冗余備份。

在去往4個(gè)遠(yuǎn)距離縣級(jí)分前端的鏈路上，綜合應(yīng)用EDFA的各種工作模式組成的網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2。雖然EDFA放大了光功率，延長(zhǎng)了信號(hào)傳輸距離，但因?yàn)榉糯笃髯杂性肼暤拇嬖冢步档土讼到y(tǒng)的CNR。在無(wú)光纖放大器且載噪比和光調(diào)制度給定的前提下，光纖放大器的噪聲系數(shù)越低，輸入光功率越大，則系統(tǒng)載噪比損失越小。

圖2 EDFA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

光傳輸系統(tǒng)總載噪比為：

NFi、PSi分別為第i級(jí)放大器的噪聲系數(shù)和輸入光功率。

按照以上公式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D計(jì)算，距離最長(zhǎng)的光節(jié)點(diǎn)婁煩的CNR指標(biāo)見(jiàn)圖3。

CNR0：光發(fā)射機(jī)直接到光接收機(jī)的CNR指標(biāo)。

圖3 光節(jié)點(diǎn)婁煩CNR指標(biāo)圖

級(jí)聯(lián)四級(jí)EDFA時(shí)光鏈路的CNR為47.26 dB，滿(mǎn)足分前端的技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

將EDFA應(yīng)用于有線(xiàn)電視光纖超干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，形成物理星型結(jié)構(gòu)和邏輯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和信號(hào)傳輸質(zhì)量。在三網(wǎng)融合過(guò)程中，可使用1 550 nm+1 310 nm的2級(jí)結(jié)構(gòu)，與CMTS-CM系統(tǒng)組成雙向網(wǎng)絡(luò)，提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。系統(tǒng)還可以通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)與PON網(wǎng)絡(luò)完美融合，為有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。