掺铒光纤放大器在有线电视超干线网络中的应用

郝继华

（太原有线电视网络有限公司，山西 太原 030024）

1 引言

我国有线电视发展到今天，已拥有约两亿用户的规模。光纤及光纤、电缆混合传输（HFC）技术已成组网主流方案。光纤损耗是限制光纤传输距离和覆盖范围的主要原因之一。掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化为有线电视高质量、远距离、大范围覆盖提供了条件，并大幅度降低了网络造价和维护成本。EDFA已成为光纤传输系统中的主要器件。

2 EDFA的原理及组成

一台实用的掺铒光纤放大器主要由以下部分组成：掺铒光纤、高功率泵浦、波分复用器、光隔离器以及周边辅助电路。光纤放大器的本质是光能量从泵浦光波长到信号波长的变换，因此关键部件是作为波长变换器的掺铒光纤和能量源的泵浦。大量实验表明，980 nm和1 480 nm的激光泵浦效率最高，只使用几毫瓦的泵浦光就可以产生30～40 dB的放大器增益。因此，可以用铒的简化三能级模型来说明，见图1。

如图1所示，E1为基态，E2为亚稳态，处于中间能级，E3为激发态能量最高。当基态离子被980 nm泵浦光激励到激发态时，会经过快速非辐射跃迁到达亚稳态。而被1 480 nm泵浦激励到亚稳态的离子，会衰变到亚稳态能带的低能态。因为亚稳态的寿命远长于到达这个能态的寿命，当处于亚稳态的离子受到信号光子触发时，亚稳态离子将回到基态，同时发射一个与输入光子具有相同能量、相同相位、相同偏振态的光子，光信号得到放大。受亚稳态和基态能带宽度的限制，受激辐射出现在1 530～1 560 nm范围内。

图1 饵的简化三能级模型图

就泵浦光与输入信号光的相对位置不同，EDFA有3种结构：①同向泵浦方式，信号光与泵浦光从掺铒光纤的输入端输入。②反向泵浦方式，信号光与泵浦光从掺铒光纤的不同方向输入。③双向泵浦方式，采用两个泵浦，分别从掺铒光纤的输入、输出端输入。

3 EDFA的主要技术特性及其对系统性能的影响

EDFA的主要特性包括小信号增益、饱和输出功率、增益平坦度、噪声系数以及非线性失真。了解这些性能对系统的影响，对于光通信系统的设计、施工和维护是至关重要的。

3.1 小信号增益及饱和输出功率

EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、泵浦功率有关。对于给定长度的放大器，增益最初随泵浦功率的增加按指数函数增加，当泵浦功率超过一定值后，增益增加变慢。对于给定的泵浦功率，对应一个最佳放大器长度。随着长度的增加，剩余长度的掺铒光纤没有受到泵浦的激励，还会产生受激吸收，导致增益出现下降。

在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入信号功率较小时，放大器增益不随输入光的增加而变化。当输入光功率增加到一定程度后，增益随着信号的增强而下降，放大器进入饱和放大区。饱和输出功率定义为小信号增益下降3 dB时的输出功率。对于大信号，其饱和增益随着泵浦功率线性增加，使EDFA工作在饱和增益状态，利用增益饱和特性，可有效补偿光链路一定范围内的功率波动。

3.2 光放大器的噪声特性

噪声特性是影响放大器性能的重要参数。放大器的噪声主要是掺铒光纤中的自发辐射噪声（ASE）。在光通信系统中则存在着来自信号的散粒噪声、自发辐射噪声及它们之间相互作用的拍差噪声。

放大器的噪声可以用噪声系数F来表示，它定义为：

其中，in和out表示带和不带放大器，在光接收机输出端测得的CNR。在高增益工作状态，F近似为2Nsp，对于理想放大器，自发辐射系数Nsp=1。这意味着最佳放大器噪声指数为3dB（=10lg2），实际工作的放大器噪声系数一般在4 dB左右。

在有线电视应用中，假定有单级EDFA，每个RF信道调制度为m，光接收机平均直流电流IR，B为光检测器电带宽，RIN为系统相对强度噪声，则系统的载噪比为：

它描述了输入光功率、放大器噪声系数与CNR的关系。光输入功率较低时，放大后信号CNR主要受信号散粒噪声-ASE的拍差噪声和ASE-ASE的拍差噪声影响。处于饱和放大状态时，输入光功率在一定范围时受接收机热噪声和信号散粒噪声影响，噪声指数几乎不变；输入光功率超过一定范围时，噪声指数随输入光功率的增加而增加。

3.3 非线性失真

在1 550 nm光链路中插入EDFA时，由它引起的CTB、CSO失真可以忽略。同时，由于EDFA一般工作在饱和放大区，由增益平坦度引起的非线性失真也不大。EDFA的主要失真由光纤的非线性效应引起，主要包括色散引起的失真、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）的失真。

色散引起的失真主要由激光器啁啾和光纤色散相互作用产生，在采用外调制激光器或色散补偿光纤后，非线性失真会降到可以接受的水平。

高于SBS门限的光注入光纤时，与光纤中声子作用，产生反向散射光，与正向光信号作用，导致CNR迅速下降，并且使CSO、CTB劣化。

4 EDFA在有线电视网络中的应用

有线电视网络根据功能需求的不同形成多种网络结构。光纤超干线，适用于主前端与各分前端的光信号传输；光纤到小区是典型的HFC网络，适用于用户相对密集的城市住宅区；光纤到最后一台放大器，这种结构单台接收机覆盖用户较少，但信号质量可靠稳定，适用于农村等居住比较分散，不便大量使用有源设备和电缆的地区。

EDFA应用灵活，一般有3种工作模式：①功率放大器，直接应用在光发射机之后，用来提高输出光功率，延长传输距离或驱动更多光节点，要求低噪声和高饱和输出功率。②在线放大器，实现了全光中继，可以多级应用，主要受光纤色散和放大器级联后CNR劣化限制。③前置放大器，要求高灵敏度、低噪声和大的小信号增益。

在太原有线电视网络发展的过程中，逐步形成了按区域划分设立分前端，其中包括8个市区分前端和4个县级分前端。在主前端用两台10 dBm输出的1 550 nm外调制光发射机带5台用做功率放大器的EDFA，采用物理星形和逻辑双环形拓扑到分前端。在分前端采用两台自带切换功能的光接收机或外置RF切换设备，保证了不同光发射机、不同路由的冗余备份。

在去往4个远距离县级分前端的链路上，综合应用EDFA的各种工作模式组成的网络见图2。虽然EDFA放大了光功率，延长了信号传输距离，但因为放大器自有噪声的存在，也降低了系统的CNR。在无光纤放大器且载噪比和光调制度给定的前提下，光纤放大器的噪声系数越低，输入光功率越大，则系统载噪比损失越小。

图2 EDFA网络拓扑图

光传输系统总载噪比为：

NFi、PSi分别为第i级放大器的噪声系数和输入光功率。

按照以上公式和网络拓扑图计算，距离最长的光节点娄烦的CNR指标见图3。

CNR0：光发射机直接到光接收机的CNR指标。

图3 光节点娄烦CNR指标图

级联四级EDFA时光链路的CNR为47.26 dB，满足分前端的技术指标要求。

5 结束语

将EDFA应用于有线电视光纤超干线网络当中，形成物理星型结构和逻辑环网结构，提高了系统的安全性、稳定性和信号传输质量。在三网融合过程中，可使用1 550 nm+1 310 nm的2级结构，与CMTS-CM系统组成双向网络，提供数据业务。系统还可以通过波分复用技术与PON网络完美融合，为有线电视网络的可持续发展奠定了基础。