掺铒光纤放大器在光纤有线电视网络中的应用

-PAGE4-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(<15mW)条件下,要确保传输指标，系统有35km的传输距离限制。因此，使得CATV在稍大范围内长距离传输、集中分配光信号、建立可靠的自愈主干网无法实现。目前，EDFA在1550nm波长窗口已经商用，它实现了直接光放大，无需转换成电信号，并且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统信号类型无关等特点，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，为CATV网络在当前的升级改造过程中实现大范围长距离传输、集中分配光信号、建立可靠的自愈主干网、促使CATV网络从光纤同轴电缆网向光缆网转变提供了新的手段。EDFA基本特性参数增益和输出光功率EDFA的增益G定义为输出光功率和输入光功率之比即:G=10lg(P0/Pi)(dB)饱和输出光功率Psat是指由最大增益下降3dB时对应的输出功率，表示EDFA从线性增益区变化到非线性增益区的转折点，当输出功率高于Psat时，增益随输出光功率的增大而减小。对于给定的EDFA,其增益与输入光的强度、泵浦光功率及掺铒光纤长度都有关系。小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，感应辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，感应辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3dB饱和输出功率也就越大。噪声系数FEDFA的噪声系数定义为F=(SNR)in/(SNR)out，这里SNR指的是将输入光信号转变为输出电信号时的信噪比，是衡量EDFA内部噪声大小的量。EDFA的噪声包括四项：信号光的散弹噪声，自发辐射的散弹噪声，信号光与自发辐射的拍频噪声，自发辐射之间的拍频噪声。当输出功率小于-20dBm时自发辐射之间的拍频噪声是主要的,这相当于前置放大器应用的情况,可用窄带光滤波器来降低。当输出功率大于-20dBm时，在EDFA中起主要作用的是信号光与自发辐射之间的差拍噪声(ASE噪声)，并与信号功率成正比。EDFA噪声系数可用下式表示：F=[1+PASE/hυΔυ]/G式中,G为EDFA增益，hυ为光子能量，Δυ为光谱频宽，Pase为被放大了的自发辐射功率，可按下式计算：PASE=+2nASE(G—1)hυ(Δυ)式中,nASE为自发辐射因子,对理想EDFA,nASE=1,实际的EDFA,nASE>1，于是有：F=2nASE[1—（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F≤4dB；当输出光功率达到80mW时，EDFA的F≤4.5dB；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。非线性特性EDFA应用于光纤AM-VSBCATV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AMCATV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。EDFA对系统性能的影响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、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/4hυBF式中m为光调制度,Pi为EDFA输出光功率，hυ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)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：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。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。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。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，那么，终端的放大了的自发辐射噪声PASE=F（G-1）hυ(Δυ)（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。SBS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。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得多，一般为100－200GHz。且其阈值较高，对于单信道而言，SRS阈值可高达1W。目前由于CATV频道数有限，满足性能指标，在相当长一段时间还不会影响CATV光纤传输系统。应用实例武汉有线广播电视网络公司在对光纤主干结构优化的基础上利用EDFA对光纤干线网进行了改造建设。在按地理位置划分成的十一个区域的中心设立了十一个分前端，主前端用三台模拟1550nm外调制光发射机带五台EDFA输出，其中部分能量用于郊区联网,补偿光光链路损耗，其余能量用于十一个分前端，保证传给每个分前端的两路光信号分别来自不同的光发、EDFA，实现前端光信号的备份冗余。到达每个分前端的两路信号分别经不同的物理路由，各分前端可任选主线路或备线路中的光信号作为输入，实现线路备份冗余。一条线路上出现故障，分前端会自动切换到另一条线路上，从而不影响信号的传输。形成以一级1550光纤环型网为主，二级光