基于双向EDFA 的超长距光纤通信技术研究

李 璐，韩 煦，袁 军，蒋 威，王 媛，龙 晨

（1.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074；2.国网湖北省电力有限公司 超高压公司，湖北 武汉 430050；3.武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

0 引 言

超长距光纤通信通常采用分布式光纤技术来实现。由于该技术线路无需使用传统意义上的传感器，并同时具备信号传输与传感两种功能[1-2]，且在传递信息时还可连续感知光纤线路的环境信息。因此，分布式光纤在长距离通信中具有显著的优势。

在长距离通信过程中，光信号并非是无损的。所以为了补偿其在通信中的损耗，通常使用掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）对光信号进行合理放大，并以此保证信号的质量[3-4]。然而传统的光纤传输均使用单向传输，故EDFA 也为单向结构。随着技术的不断发展及传输提速的需求，双向传输的光纤被广泛铺设，而双向掺铒光纤放大器（Bi-EDFA）也需架设于光纤中。但Bi-EDFA 在结构上源端与负载端无法增加隔离器件，因此其隔离度较差，设计难度也较大。对此，本文在原Bi-EDFA 结构的对应位置进行了改造，降低了模型噪声并且提高了增益。

1 Bi-EDFA 理论

1.1 EDFA 组成结构

典型的EDFA[5-6]结构由光隔离器、波分复用器、掺铒光纤及激光发射器四部分组成，其具体结构如图1所示。

光隔离器[7]作为抑制器件，可用来抑制电路中信号的发射，而在单向光纤系统中，该器件能提高系统的信噪比。波分复用器也称为耦合器，其可将激光发射器生成的信号耦合至光纤中。而激光发射器又被称作泵浦源，负责将激光粒子变成激发态，进而实现粒子的能级跃迁，其是整个系统的供能结构，且根据所放位置的不同，又可分为前向、后向与双向泵浦。掺铒光纤则为EDFA 信号的传输介质。

EDFA 正常工作以铒元素的能级跃迁为基础，在泵浦源发出能量信号后，铒元素吸收该能量以实现能级跃迁，同时生成一定数量的粒子。泵浦源能量信号的强度与生成的粒子数量强相关，粒子数增多导致的结果即为信号的放大。

1.2 EDFA 性能指标

作为一种放大器，EDFA 的指标与放大器性能指标基本一致，主要指标包括增益、饱和功率、噪声系数及信号带宽[8-10]。其中增益是放大器性能的直接体现，即信号的放大倍数，可表示为：

式中：Pout和Pin分别为输出与输入功率；g(z)为光纤增益系数，其是光纤的特有属性；L为光纤长度。

饱和功率是指EDFA 在不失真情况下的最大输出功率，其通常为低于增益3 dB 时的输出功率。而噪声系数（NF）表示光纤对信号信噪比的影响，具体定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，则有：

式中：SNR 为信噪比；nsp为粒子反转系数。放大器带宽即为饱和功率下降3 dB 时的信号带宽。由EDFA 的结构及参数指标可知，在其首尾处均放置了光隔离器。故EDFA 仅能对光信号进行单向放大，而在新型分布式长距离光纤系统中，单根光纤则需具备双向放大的功能。因此，需对传统单向EDFA 光纤进行改进。

2 改进的Bi-EDFA 结构设计

2.1 Bi-EDFA 基本结构与数学模型

基于单向EDFA 进行改进后的双向EDFA[11-13]基础模型如图2 所示。

图2 中仅采用单根光纤进行放大，而并未使用光隔离器。虽然此种基础结构可进行信号的双向传输，但由于没有抑制器件对噪声信号进行抑制，故图中所示结构的噪声会更大，且信号质量也较差。

为了减小噪声系数对整个系统的影响，可利用环形器[14-16]对基础结构加以改进。基于环形器重组形成的Bi-EDFA 结构如图3 所示。在该结构中，不同方向的信号进入环形器后将传输到不同的支路，而光隔离器的加入能减小发射信号的噪声，并提高信号质量。

由EDFA 的工作原理及相关理论可知，能将Bi-EDFA 看作一个二能级系统（Two-level System），且可使用简化的Giles-Emmanue 模型对其加以解释，该模型可表示为：

式中：Δvk为带宽，vk表示频率；(z)为Δvk内部信号沿正向（+）以及反向（-）的功率值；n1表示平均粒子数；n2为二能级系统中的粒子总数；αk，gk和lk分别表示光纤的吸收、发射及本征系数；m为振态个数；h表示普朗克常量。

根据上述模型能得到某长度光纤的功率分布情况，进而依据功率对系统的各项指标进行计算。

2.2 改进模型的实现

本文所述的基于环形器及光隔离器构成的方案相较基础模型而言，对信号质量有一定的提高，但结构并不完善。为了进一步提高模型的质量，本文从以下两个方面对模型加以改进：

1）参数指标优化。由上文可知，系统参数指标要求具有良好的增益与尽可能低的噪声系数，同时还应从器件内部降低反射，从而能够通过后续仿真对整个系统的参数进行调整。

2）增加器件。在降低噪声系数方面，可在图3 的基础上加入滤波器，以减少噪声的影响，也可根据光信号的传播方向使用环形器替代光耦合器。环形器的工作原理如图4 所示，其为一三端口器件，当信号从一端口输入时，其可从二端口输出；而从二端口输入时，又可从三端口输出，且这三个端口均为互易关系。将环形器合理放置于系统中，可实现信号流向的转换，同时令其自身的插损较小，故可将该器件使用在本系统中。

根据上述思路，本文对Bi-EDFA 模型进行了优化，最终得到改进后的模型如图5 所示。

图5 所示的模型使用单根掺铒光纤实现。为避免双向光信号互相干扰，在线路中加入了改进的光隔离器ISO 及环形器OC，泵浦源LD 则可为WDM 模块提供信号。而为了能进行更为灵活的调试，还在线路中增加了衰减器VOA 对Bi-EDFA 模型的增益实现控制。

3 模型仿真与实验分析

3.1 实验环境搭建

本次实验仿真使用Opti-System 13.0 软件对模型参数指标加以优化，其能对光纤链路模型进行仿真，同时还可提供自动化的参数扫描与仿真。具体实验环境如表1 所示。

表1 实验环境说明

3.2 Bi-EDFA 模型参数仿真与优化

Bi-EDFA 模型的增益与噪声系数为影响其性能的两大参数，使用式（3）可对模型各处的功率进行计算。但由于该公式为数学模型，仅能求得数值解，而无法获得解析解。因此，使用Opti-System 软件的Giles-Emmanue 模型算法进行参数仿真。

在Bi-EDFA 模型中，影响增益与噪声系数的因素主要有光纤中铒离子的浓度、EDF 的长度及泵浦功率。在仿真中，泵浦功率选择50 mW，输入功率为-20 dBm，输入光波长为1 550 nm，EDF 长度暂取经验长度7.5 m，而掺铒半径取经验值2.2 μm。变量则选择掺铒浓度，当其他变量均不变时，增益会随着掺铒浓度的变化而改变。仿真结果如图6 所示。

由图6 可知，当光纤掺铒浓度在6×1024～10×1024/m3时，系统可达到最佳的增益。故光纤掺铒浓度的最佳取值是8.9×1024/m3，此时系统能够获得最大增益为33 dB。

在对EDF 长度仿真时，掺铒浓度选择8.9×1024/m3，其他参数则保持不变。根据文中参数对系统进行仿真实验，首先是不同泵浦功率下的增益及噪声系数随EDF长度变化的结果，具体如图7、图8 所示。由图7 可知，在不同泵浦功率下，系统增益呈现出先增后减的趋势，且最大增益为33 dB。从图8 则可看出，系统最小噪声系数为3.5 dB。而随着EDF 长度的增加，噪声系数也随之上升，且在达到某个长度后急速恶化。综合图7、图8，可将EDF 的最佳长度设定为7.5 m。原因在于，此时的噪声系数与增益均可达到最佳平衡点。而对于泵浦功率的选择，在EDF 长度为7.5 m 时进行实验，测试结果如图9 所示。由图9 可知，当泵浦功率小于30 mW 时，系统的增益较小，同时噪声系数相对较大。而当功率大于30 mW 时，系统增益并无明显提升。因而此次选择噪声系数最小的点，即系统的泵浦功率为30 mW。由仿真得到的系统参数如表2 所示。

表2 系统优化参数

3.3 实验测试

本部分实验为超长距离通信测试，首先对实验平台进行搭建，该平台结构如图10 所示。实验使用了国产500 mW 激光泵浦源，而频谱分析仪、信号源与光功率计均使用自主研发设备，Bi-EDFA 的系统参数采用表2中的数据。

为了验证所提模型的优越性，本文选择单向EDFA结构和Bi-EDFA 的基础结构进行对比，且泵浦源输入功率分别为20 mW、40 mW 及60 mW，对比数据类型为增益及噪声系数，实验结果如表3 所示。

表3 实验结果对比

由表3 可知，本文所提改进模型在相同泵浦功率下的增益及噪声系数均为最优，表明本文模型的改进效果良好。

本文还进行了100 km 的光纤传输测试，通过将Bi-EDFA 模型放置在整个链路的50 km 处，其可为链路正向与反向提供最多30 dB 的增益。再按照表2 的参数对Bi-EDFA 进行部署，从而测试信号发出后达到100 km的信号及回波功率，实验结果如表4 所示。

如表4 所示，去除链路损耗，信号在源端和负载端接收到的信号功率值均在合理范围内，且信号的功率损耗较少，表明此次设计的Bi-EDFA 可应用于国产超远距离光纤传输系统中。

表4 信号测试实验结果

4 结 语

Bi-EDFA 结构可应用于超长距光纤通信系统中，但其原结构的隔离度较差且噪声系数不佳。因此，本文对Bi-EDFA 的结构进行改进，并加入了光环形器、光隔离器等部件，从而使模型结构在具有双向传输功能的同时，还具备良好的性能。通过使用Opti-System 软件对参数进行仿真，再根据仿真结果搭建国产实验平台并进行测试，结果表明，本文模型的性能具有显著优势，在长距离通信测试中的各项指标也较为理想。