掺铒光纤放大器在光纤有线电视网络中的应用

1、掺铒光纤放大器在光纤有线电视网络中的应用武汉有线广播电视网络有限公司 高见 韩高鹏一. 概述我国CATV网络基本上是采用G.652光纤加同轴电缆（HFC）的方式进行建设的。但在EDFA没有商用化以前，光纤部分一直使用色散小、衰耗大但技术成熟早的1310nm系统,在现有发射光功率(1，于是有：F=2nASE1（1/G） 所以,对于理想放大器的F=2(即3dB)。对于40mW以下的输出光功率，EDFA的F4dB；当输出光功率达到80mW时，EDFA的F4.5dB；实际EDFA的F一般都在4.5dB，并随输入光功率变化。通常存在一个最佳输入光功率，使EDFA的F最小。3. 非线性特性EDFA应用于光

2、纤AM-VSB CATV系统产生的非线性失真包括两部分。一是有频率啁啾的调幅光波信号通过EDFA时，由于其增益谱的不平坦性，频率啁啾转换成额外的强度调制。二是输入光源光功率随调制电流变化产生的非线性成分在EDFA中会得到放大，但在CATV频段内它与调制频率无关。这二部分失真在光纤AM CATV系统中按矢量和的方式累积，而不按噪声的平方和方式累积,在一定条件下有可能相互抵消，因此,一般此项很小可忽略。这就使EDFA应用于光纤CATV系统中时有可能使原系统中非线性失真有所改善，增大光功率裕量。三. EDFA对系统性能的影响1. 对系统噪声的影响光纤传输系统的噪声主要来源于：光发射机的相对强度噪声、

3、EDFA中信号光与自发辐射之间的差拍噪声、光接收机的散弹噪声和热噪声。 系统未加EDFA时的载噪比可表示为:1/(CNR)1= 1/(CNR)RIN + 1/(CNR)short + 1/(CNR)th 式中(CNR)RIN,(CNR)short,(CNR)th分别为激光器相对强度噪声,光检测器散粒噪声和接收机前放热噪声决定的载噪比。当系统中加入EDFA之后，EDFA内部噪声决定的在光接收机输出端的载噪比为:(C/N)EDFA=m2Pi/4hBF 式中m 为光调制度,Pi为EDFA输出光功率，h为光子能量,F为EDFA噪声系数。于是，在有EDFA的光纤CATV系统中，总的载噪比为:1/(CNR

4、)TOTAL= 1/(CNR)1 + 1/(CNR)EDFA 将该式作简单变换后,可以写成如下形式:1/(CNR)TOTAL =(CNR)1 /1+(CNR)1 /(CNR)EDFA 即:EDFA的加入,使系统的载噪比劣化,劣化量取决于EDFA的噪声系数F和输入光功率Pi。F越小，Pi越大时，劣化程度较小。通过无EDFA和有EDFA时（CNR）的变化(见图1)可得出如下结论：(1). 无EDFA时,CNR在传输损耗较小的范围内很高,但此值随接收光功率的减小而急剧减低。(2). 将EDFA接入系统时，将使CNR降低，但在一定的传输损耗范围内，CNR的变化甚少。因此，可以根据CNR设计值，大幅度提

5、高传输损耗容限，即可以传输更远的距离，或分配更多的光节点。 图1:采用EDFA对系统载噪比的影响2. EDFA对系统非线性失真的影响在CATV系统中，非线性失真用CSO、CTB两个参数来衡量。在光纤有线电视系统中,光发射机中的驱动放大器、激光器、外调制器、光纤、EDFA、光接收机中的光检测器、电信号放大器以及反射光等都可产生非线性失真。即信号经过光电变换或有源电设备都会产生失真。但EDFA工作在1550nm波段，具有将光信号直接放大的特性，没有光/电/光的转换过程，没有CSO、CTB指标。多级EDFA串接时，系统的CNR会劣化，但CSO和CTB几乎维持不变。采用EDFA后，提高了注入光纤的功率

6、，可以传输很远的距离，但当大到一定数值时，由于与光纤的非线性相互作用将会产生影响系统的传输距离和传输质量的特殊非线性效应。一方面是因受激散射导致的受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS），它们限制了每路的最大功率。在高功率模拟系统中，SBS是特别重要的一种非线性效应。SBS是光场和声频声子在光纤中相互作用的结果。它造成了光在反向的散射，并增加了前向的强度噪声。对于布里渊门限以上的场强，接收端的强度噪声明显增强，导致系统CNR恶化。尽管其本身无法用CSO,CTB衡量,但超过阈值点仍会引起系统CSO,CTB的劣化。另一方面是光强度变化引起折射率调制，即非线性折射率效应。在光功率较低时，可认

7、为石英光纤的折射率是恒定值，但在高功率情况下它就会发生变化，产生所谓的自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等非线性效应。在传输速率不是很高的CATV系统,这些因素一般可不考虑。 四. EDFA在光纤CATV网络中的应用1. 基本作用光放大器在光纤传输系统中基本作用有四种，即功率放大器（后置），前置放大器（预放），分配放大器和线路放大器（中继）。 对引入了EDFA的系统，在设计中应对其增益、饱和功率、噪声以及光接收机噪声（主要是热噪声）等四个因素进行综合平衡。 (1).功率放大器：紧接前端光发射机输出端之后，将光发射机的输出光加以放大增强,再进行分配或延长传输距离，以

8、供各方向的光干线输出。由于光发射机后的信号功率一般都比较大，所以，对功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的饱和输出功率.其饱和输出光功率取决于光链路损耗，输入光功率取决于系统对CNR的要求。如图2中的EDFA1。(2). 前置放大器：在光接收机前，对信号进行预放，提高光接收机的接收灵敏度。在光信噪比满足要求情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度。要求应有较大的增益和较低的噪声，而饱和功率通常不会成为主要考虑因素。预放后噪声的影响还可以用带通滤波器削弱。该滤波器位于预放之后，其通带应尽可能小，直到完全与系统带宽相匹配。由于系统带宽通常远小于ED

9、FA带宽，加上滤波器后可以使噪声大大降低。但为调幅方式的低输入前置放大器有较大的困难。如图2中的EDFA2。(3)分配放大器：在光分路器之前插入EDFA，用于分配光信号。一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。其饱和输出功率取决于分配区光链路损耗，输入光功率取决于系统对CNR的要求如图2中的EDFA3。(4)线路放大器：在功率放大器之后，传输线路中间插入EDFA，用于周期性地补偿线路传输损耗，增加传输距离。或在光分路器之前插入EDFA作为在线放大器，用于补偿分支损耗。一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。其饱和输出功率取决于区光链路损耗，输入光功率取决于系统对CNR的要求如图2中的E

10、DFA4。 图2： EDFA在光纤CATV网络中的作用2. 具体应用地域性CATV光纤网一般分为二层即主干传输网和分配网，也以将两层合为一体。采用哪种方式建设，应根据地域覆盖范围、地理环境的不同、居住人口密集程度的不同、用户规模的大小及系统指标来综合决定。在小型城市（县级）和地区,覆盖范围不大，前端出纤量不大，一般采用传统的将主干网和分配网合为一体的一级星型结构组网。EDFA在其中有两个作用，一是作功率分配，传给市内或附近的乡镇。二是作功率放大，为偏远的乡镇提供信号。市县以上的大中型城市和地区一般采用二级光纤组网, 在辖区内建立多个分前端，前端与分前端之间组成主干传输网。分前端至光节点组成分配

11、网，尽量避免由一个总前端向所有光节点馈送信号。为了提高CATV网络的整体可靠性，主干传输网采用1550nm系统环形结构，并设计具备自愈功能。环型拓扑结构是从发射端通过光纤连接各个接收端(或光节点)，并形成环路。现代CATV传输系统中,多在大城市中通过在主前端以下设立分布式分前端的系统中采用环型拓扑结构。环型结构有三种即:单环、双环、物理环逻辑星。由于CATV是单向广播信号，主前端用发射机加EDFA，沿途在每个分前端进行光分配组成的单环在传输CATV信号时并不实用。当某一处光纤出现故障，其后的所有分前端都会中断信号。而且如果网络的分前端较多时，受SBS门限限制，一个发送EDFA的输出光功率不足以

12、驱动一个环上所有分前端的光信号分配,就需要增加分配EDFA，从而会导致系统指标不够。实际使用的是双环结构，双环也有两种,一种是利用沿途光分路法组成的双环(如图3)。用两根光纤分别沿两个方向给各个分前端分配光功率。每一分前端均获得来自不同光纤的两路输入光功率，一主一备。当主信号出现故障时，光开关会自动接通备用光信号。形成两路冗余备份，以提高可靠性。另一种是用两个发送光分路器和多芯光缆构造物理环形、逻辑星形的冗余网络，如图4所示。这种光纤模拟传输方式可靠性更高。 图3: 沿途光分路法构成的双环结构 图4: 物理环形、逻辑星形的结构主干传输网是沿途光分路法构成的双环时，EDFA在主前端用作功率放大和

13、功率分配，向分前端和远郊提供信号，在环上用作线路放大，补偿线路和光分路器的损耗。主干传输网是物理环逻辑星结构时， EDFA只在主前端用作功率放大和功率分配，向分前端和远郊提供信号。EDFA在分配网中只作分配放大器使用，用于向该分前端辖区内提供信号,还可向同向远郊提供信号。五. 中继EDFA位置的优化 EDFA做点点传输中的线路放大（中继）时，应当考虑EDFA的最佳位置。EDFA靠近发射端，其噪声经过较大的线路衰减后才到达光接收机，影响较小；EDFA靠近接收端，其输入信号较小，因此增益饱和效应的影响也小。另一方面，由于光检测器的非线性特性，信号和EDFA的噪声将在其中发生差拍，噪声功率中影响最大

14、的一项是信号幅值和光放大器噪声幅值的积。进入接收机后，使信号劣化的主要因素则是热噪声。这样，如果EDFA的噪声已经受到了较大的衰减，则起主要作用的将是热噪声，否则起主要作用的将可能是EDFA噪声。 在点点光纤传输系统中典型的应用情况是两点间只用了一个EDFA。对于这种情况，除考虑以上各个因素外，同时应考虑到EDFA后面的带通滤波器的影响，于是，可以对这一EDFA的位置进行优化。虽然目前还不能给出最佳位置的表达式，但数值计算的结果表明，确实存在最佳位置，只是对于不同的系统参数，最佳位置略有变化，但基本上是在靠近接收端占总距离约1/5的地方。值得注意的是即使与准确的最佳位置有较小的偏离，信噪比也会

15、有较大的下降。另外，如果必须使用位于接收端的远程光泵哺，那么从总的技术经济指标考虑，EDFA的位置还应当进一步向接收端靠近。六. EDFA的级联 EDFA除了放大输入的光信号之外，还产生自发辐射噪声，可以等效成一个理想的增益为G的放大器，和一个功率为PASE的噪声源相叠加。对于一个EDFA级联系统，每一级EDFA将前一级的ASE噪声放大G倍，同时叠加上本身产生的ASE噪声，噪声逐级积累，于是，光信噪比将逐级劣化。 通过提高EDFA的输出功率和降低放大了大自发辐射噪声都可提高光信噪比。对于一个M段光纤的系统，有M+1个EDFA级联，假设每一级EDFA都一样，每一段光纤损耗都等于EDFA的增益，那

16、么，终端的放大了的自发辐射噪声PASE = F（G-1）h()（M+1）。可以看出PASE随EDFA的级数线性增长，而光纤的损耗是随着光纤长度增长呈指数增长，根据假设，放大器的增益正好补偿光纤损耗，可以得出以下结论：PASE不变时，降低中继长度（即降低EDFA增益），增加中继个数（即增加EDFA级联个数），要比增加中继长度，减少中继个数传输更远的距离。换一个角度说，传输距离相同的情况下，降低中继长度，增加中继个数，要比增加中继长度，减少中继个数时有较小的PASE，即提高了接收端光信噪比。另外，在系统设计中，除了选择中继距离外，选用噪声指数小的EDFA也是提高光信噪比的一种有效的方法。 七. S

17、BS及其抑制当入射进光纤的光功率足够强，并超过某一阀值时，入射光(pump光)要引起晶格振动，并受到振动声子的散射，转换成后向传输的斯托克斯光。前向传输的信号光与反向的斯托克斯光相互作用，使前向传输的信号光的能量被非线性地衰减，这时系统信噪比会急剧恶化。因此光纤的入射光功率必须保持在一个门限功率以下，这个门限功率称为SBS阈值PSBS。对单模光纤，典型的PSBS约8dBm(6mw)。对于现代DFB-LD激光器这是很容易达到的功率值。因此，在1550nm波段，由于最高可用光功率被SBS所限制，无论对模拟还是对数字信号传输，SBS都是主要的限制因素。按常规系统进行设计，考虑SBS限制，1550nm

18、系统的最远传输距离仅为8/0.2=40km。SBS除了对入纤光功率限制外，还对系统的非线性失真指标产生影响。因为SBS表现为当光纤注入功率大于SBS阈值时，进入光纤的光信号部分转化为后向散射光，该后向散射光进入光源后，会使激光振荡产生不稳定现象，激光波长发生变化，激光器的相对强度噪声劣化。同时，SBS使接收端得不到预期的接收光功率，造成光功率损耗增加，使系统CNR指标下降，另外，SBS还将引起系统的CSO劣化. 由于SBS阈值随光源线宽的增大而增大，且与信道数无关。尽管SBS效应是光纤非线性失真中最容易产生的失真，但通过相位调制法，激光器光频颤动法等方法是可以抑制的。外调制发射机生产厂家都使用

19、了SBS抑制技术。目前市场上出售的1550nm外调制光发射机，已经可将单模光纤的SBS阈值做到16-17dBm的水平。即可将高达40-50mW的光功率注入单模光纤中传输而不会受SBS的影响。实际应用中，不是只要根据所需的传输距离选用适当的EDFA就可以把光发射机输出的已调光信号传到所需要的地方去，必须要考虑光发射机的SBS阈值。要保证经EDFA直接输出给每一段长光纤或经EDFA及光分路器分配后注入任何一支光纤光路的光功率都不能大于所选用发射机的SBS阈值。八. SRS及其抑制在光强度调制系统中，当光信号与SiO2光纤中分子振动相互作用时，则产生SRS效应。当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射光强产生了间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称为斯托克斯光，高频边带称为反斯托克斯光，前者强于后者。当两个恰好分离斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，其能量转移到低频波上去，也就是短波长光能量将转移到长波长信号，这就是SRS散射。SRS与SBS的区别在于，SRS激发的是光频支声子，而SBS激发的是声频支声子。SRS的阈值取决于光线所传输的信道数、信道间隔、每信道所传输的功率以及无再生系统的长度。由于SRS激发的是光频支声子，所产生的喇曼频移量比布里渊频移量大