基于EDFA的TDM－PON上行信号光功率均衡器

陈晓文

（1.福建信息职业技术学院 电子工程系，福建 福州 350003；2.万能科技大学 工程与电资学院，台湾 中坜 32061）

随着人们对网络带宽的需求越来越大，凭借设备成本和运行维护成本的优势，无源光网络成为运营商解决“最后一公里”问题的重要方案［1］，成为光纤到户最受欢迎的方法［2－3］。在时分复用无源光网络中，上行信号以时分多址接入方式传送。由于不同光网络单元发送的光信号功率大小不同，光网络单元（optical network unit，ONU）与光线路终端（optical line termination，OLT）的距离不同，因此光线路终端接收到的功率大小差异比较大，光线路终端必须采用突发模式光接收机。突发模式光接收机要对每一帧数据进行门限电平判决，恢复时钟数据［4］。突发模式光接收机增加了局端设计上的复杂度与频宽的浪费。

为使光线路终端接收到的各光脉冲峰值功率波动变化较小，文献［5－8］采用不同方法对上行信号进行光功率均衡。文献［5－6］通过光发射机自动增益控制来实现，使光发射机变得复杂；文献［7］采用上行光注入于工作在临界电流以下的法布里－珀罗激光器来实现，其要求上行信号光的波长具有相同的稳定性，这实际中很难做到；文献［8］方法是文献［7］方法的优化，先用单模激光注入用户端ONU，锁定各ONU上行光波长，锁模后ONU上行光再注入法布里－珀罗激光器，但当环境温度变化太大时，单模激光就无法锁定用户端上行光波长。

本文采用掺铒光纤放大器（Erbium－doped fiber amplifier，EDFA）作为光功率均衡器，上行信号光功率先经过EDFA均衡再送入接收机，在不需要特定波长来注入锁定上行光波长，也不增加光发射机复杂度的情况下，可改善文献［5－8］的问题。

1 理论分析

掺铒光纤放大器的增益谱特性取决于铒光纤内Er3＋离子的吸收和辐射截面的频率特性，以及光纤内的粒子数反转程度和上能级粒子数沿光纤轴向的分布情况。光纤中频率为v的光场在z点处的增益系数［9］近似为

Wp为泵浦速率，Ws和WASE分别为信号与噪声的受激辐射速率。式（1）中N2为上能级粒子数，N为总粒子数，Γp为泵浦光场在铒掺杂区域的功率限制因子，σpa为泵浦频率vp处的跃迁截面，Pp（z）为泵浦功率，A为光纤中光的模场面积，h为普朗克常数，Pj（z）为信号功率，vj为信号光频率，（z，v）为自发辐射功率，τ为上能级寿命，σa为吸收截面，σe为辐射截面，Γj和Γv是信号与噪声参量的功率限制因子。

在小信号并忽略ASE噪声的情况下（Ws、WASE≪Wp），可以得到放大器的小信号增益为

为放大器的饱和泵浦功率。当泵浦功率Pp≪Psat时，小信号增益随泵浦功率线性增大；当Pp≫Psat时，g0≈Γvσe（v）N，此时 N2接近 N 的值，进一步增大Pp将不再导致增益增大。

放大器增益也可用小信号增益表示为

其中 Wsat＝（1＋PP／Psat）／τ为饱和受激辐射速率。式（5）表明，当光纤内的信号或噪声功率增大时，放大器增益将趋于饱和，增大泵浦功率可以改善放大器的饱和特性。

2 实验与结果

利用EDFA对时分复用无源光网络（Time Division Multiplexing－Passive Optical Network，TDM－PON）与长距离无源光网络 （Long Reach－Passive Optical Network，LR－PON）上行信号光功率进行均衡，通过实验验证功率均衡的效果。

2.1 EDFA用作TDM－PON上行信号光功率均衡器

应用掺铒光纤放大器做为TDM－PON上行信号光功率均衡器架构如图1所示，实验装置如图2所示。将EDFA内的泵浦激光器的驱动电流调至最低，由于EDFA的放大增益太高，所以需接第2个光衰减器（VOA2），目的是将放大的光信号降为光学示波器可接受的范围，实验将VOA2固定衰减10dB。图2中EDFA放大的信号为是1550nm，EDFA的泵浦源为980nm。将EDFA泵浦激光器激发光功率分别设为25、30与35mW，测量其输出光功率变化，实验结果如图3所示，当上行光功率为－16至－26dBm时，EDFA之输出光功率变化量分别为2.9、2.77与2.47dB。由于此EDFA是前向泵浦EDFA，随着光信号在EDFA的传播方向，前向泵浦之激发光强度逐渐递减，光信号与噪声的增益亦逐渐递减，容易发生增益饱和现象。当激发光功率较大时，光信号在EDFA前段得到较高的增益，在EDFA后段光功率更容易饱和，光功率均衡效果较好。

图1 TDM－PON的EDFA光功率均衡器架构

图2 TDM－PON的EDFA光功率均衡实验装置

图3 TDM－PON上行光通过EDFA均衡器后的功率曲线

图4所示是激发光功率分别为25、30与35mW时EDFA增益特性曲线，其通过“频域内差法”测量得到。由图4可知，入射光功率不同得到的增益不同，入射光功率大获得增益小，入射光功率小获得增益大。

图4 掺铒光纤放大器增益特性曲线

光功率均衡前后的信号眼图如图5所示，对比光功率均衡前后的信号眼图发现，上行光经由EDFA均衡后，信号眼图由闭合变张开，说明EDFA不仅使上行光信号功率差异变小，对上行光信号的传输质量也有明显改善作用。信号质量被改善程度与激发光功率大小无明显关系。

图5 上行光功率－25dBm光功率均衡前后的信号眼图

2.2 EDFA用作LR－PON上行信号光功率均衡器

用波分复用无源光网络（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，WDM－PON）与TDM－PON所构成的混合无源光网络可实现长距离无源光网络。长距离无源光网能够有更大的信息容量与网络涵盖范围，传输距离从传统的无源光网的20km延伸到100km，可以降低设备所需数量，并减少网络成本。由于要支持长距离与高分流比，在LR－PON中通常会使用光放大器来补偿光功率的损耗。

图6为LR－PON光功率均衡器的光网架构图，以反射式半导体光放大器（reflective semiconductor optical amplifier，RSOA）作为无色ONU光源，即下行信号经过波长解复用后注入到客户端RSOA内，激发RSOA输出与信号光波长相一致的光信号。此光波长既作为下行的信号光，又作为上行信号的光源。采用此方案系统ONU之RSOA无需温度控制，且网络架构简单。不足之处在于系统中需要高功率下行信号光，因此于OLT波长复用后尚须一宽频带EDFA来做功率放大器，并且在光纤传输时，可能引起较强的瑞利后向散射噪声光，所以上、下行信号采用不同光纤传输［10］，使下行光的后向散射噪声不影响上行光信号质量。最后上行光通过OLT波长解复用后再各自经过所属波长通道的EDFA光功率均衡器，进行光接收前的光功率均衡与前置光放大。

图6 基于EDFA的LR－PON光功率均衡器光网架构

为验证上述架构以EDFA为上行光功率均衡器的可行性，以图7实验装置来测量其结果。实验中以可调波长激光（Tunable－LD）的单纵模光为波长解复用的下行光（光功率设为0.2mW），入射RSOA后，反射光经RSOA的增益调制后作为ONU的上行信号光（N个用户中的一户）。装置中以VOA1调整入射光功率至EDFA，此时EDFA之激发光功率为25mW，以光功率计测量EDFA之输出光信号功率，实验结果如图8所示。由图8可知EDFA之光功率均衡效果与图3之结果几乎完全相同，输入光功率范围从－16至－26dBm，输出光功率变化量为2.9dB。由此可知，EDFA光功率均衡器无论对FP－LD的多纵模光或对RSOA的单纵模光，其光功率均衡效果相同。

图7 模拟LR－PON上行光功率均衡的实验装置

图8 LR－PON上行光通过EDFA均衡器后的功率曲线

信号眼图能评估均衡器对RSOA上行信号的传输质量影响，图9给出了光功率为－20dBm时RSOA上行光信号未经过均衡器信号眼图与经过EDFA光功率均衡器后信号眼图的比较，信号眼图明显变得张开。

图9 光功率为－20dBm时RSOA上行光信号均衡前后信号眼图

若再考虑图6波长解复用后每个波长通道均需1个EDFA来做光功率均衡的高成本问题，提出另一降低成本的架构方案，即波长解复用的N个波长通道之EDFA共享一泵浦激光器，如图10所示。一个泵浦激光器以1×N功率分光器平均分送激发光至N个EDFA中，能有效降低N个EDFA的建置成本。

图10 共享泵浦激光器的EDFA

3 结束语

利用EDFA对TDM－PON与LR－PON上行信号光功率进行均衡，使上行光到达光线路终端的信号功率差异明显变小。实验结果表明，从－16dBm至－26dBm的上行光功率经过EDFA均衡后能变换成大约3dB功率变化量输出，EDFA泵浦激光器激发光功率越大者，光功率均衡效果越好，输出光功率也越高。通过对比上行光信号光功率均衡前后眼图发现，EDFA光功率均衡器提高了上行光信号传输质量。

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