基于雙向EDFA 的超長距光纖通信技術(shù)研究

李 璐，韓 煦，袁 軍，蔣 威，王 媛，龍 晨

（1.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 超高壓公司，湖北 武漢 430050；3.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

超長距光纖通信通常采用分布式光纖技術(shù)來實現(xiàn)。由于該技術(shù)線路無需使用傳統(tǒng)意義上的傳感器，并同時具備信號傳輸與傳感兩種功能[1-2]，且在傳遞信息時還可連續(xù)感知光纖線路的環(huán)境信息。因此，分布式光纖在長距離通信中具有顯著的優(yōu)勢。

在長距離通信過程中，光信號并非是無損的。所以為了補償其在通信中的損耗，通常使用摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）對光信號進(jìn)行合理放大，并以此保證信號的質(zhì)量[3-4]。然而傳統(tǒng)的光纖傳輸均使用單向傳輸，故EDFA 也為單向結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及傳輸提速的需求，雙向傳輸?shù)墓饫w被廣泛鋪設(shè)，而雙向摻鉺光纖放大器（Bi-EDFA）也需架設(shè)于光纖中。但Bi-EDFA 在結(jié)構(gòu)上源端與負(fù)載端無法增加隔離器件，因此其隔離度較差，設(shè)計難度也較大。對此，本文在原Bi-EDFA 結(jié)構(gòu)的對應(yīng)位置進(jìn)行了改造，降低了模型噪聲并且提高了增益。

1 Bi-EDFA 理論

1.1 EDFA 組成結(jié)構(gòu)

典型的EDFA[5-6]結(jié)構(gòu)由光隔離器、波分復(fù)用器、摻鉺光纖及激光發(fā)射器四部分組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光隔離器[7]作為抑制器件，可用來抑制電路中信號的發(fā)射，而在單向光纖系統(tǒng)中，該器件能提高系統(tǒng)的信噪比。波分復(fù)用器也稱為耦合器，其可將激光發(fā)射器生成的信號耦合至光纖中。而激光發(fā)射器又被稱作泵浦源，負(fù)責(zé)將激光粒子變成激發(fā)態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)粒子的能級躍遷，其是整個系統(tǒng)的供能結(jié)構(gòu)，且根據(jù)所放位置的不同，又可分為前向、后向與雙向泵浦。摻鉺光纖則為EDFA 信號的傳輸介質(zhì)。

EDFA 正常工作以鉺元素的能級躍遷為基礎(chǔ)，在泵浦源發(fā)出能量信號后，鉺元素吸收該能量以實現(xiàn)能級躍遷，同時生成一定數(shù)量的粒子。泵浦源能量信號的強度與生成的粒子數(shù)量強相關(guān)，粒子數(shù)增多導(dǎo)致的結(jié)果即為信號的放大。

1.2 EDFA 性能指標(biāo)

作為一種放大器，EDFA 的指標(biāo)與放大器性能指標(biāo)基本一致，主要指標(biāo)包括增益、飽和功率、噪聲系數(shù)及信號帶寬[8-10]。其中增益是放大器性能的直接體現(xiàn)，即信號的放大倍數(shù)，可表示為：

式中：Pout和Pin分別為輸出與輸入功率；g(z)為光纖增益系數(shù)，其是光纖的特有屬性；L為光纖長度。

飽和功率是指EDFA 在不失真情況下的最大輸出功率，其通常為低于增益3 dB 時的輸出功率。而噪聲系數(shù)（NF）表示光纖對信號信噪比的影響，具體定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值，則有：

式中：SNR 為信噪比；nsp為粒子反轉(zhuǎn)系數(shù)。放大器帶寬即為飽和功率下降3 dB 時的信號帶寬。由EDFA 的結(jié)構(gòu)及參數(shù)指標(biāo)可知，在其首尾處均放置了光隔離器。故EDFA 僅能對光信號進(jìn)行單向放大，而在新型分布式長距離光纖系統(tǒng)中，單根光纖則需具備雙向放大的功能。因此，需對傳統(tǒng)單向EDFA 光纖進(jìn)行改進(jìn)。

2 改進(jìn)的Bi-EDFA 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 Bi-EDFA 基本結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

基于單向EDFA 進(jìn)行改進(jìn)后的雙向EDFA[11-13]基礎(chǔ)模型如圖2 所示。

圖2 中僅采用單根光纖進(jìn)行放大，而并未使用光隔離器。雖然此種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可進(jìn)行信號的雙向傳輸，但由于沒有抑制器件對噪聲信號進(jìn)行抑制，故圖中所示結(jié)構(gòu)的噪聲會更大，且信號質(zhì)量也較差。

為了減小噪聲系數(shù)對整個系統(tǒng)的影響，可利用環(huán)形器[14-16]對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)?；诃h(huán)形器重組形成的Bi-EDFA 結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在該結(jié)構(gòu)中，不同方向的信號進(jìn)入環(huán)形器后將傳輸?shù)讲煌闹罚飧綦x器的加入能減小發(fā)射信號的噪聲，并提高信號質(zhì)量。

由EDFA 的工作原理及相關(guān)理論可知，能將Bi-EDFA 看作一個二能級系統(tǒng)（Two-level System），且可使用簡化的Giles-Emmanue 模型對其加以解釋，該模型可表示為：

式中：Δvk為帶寬，vk表示頻率；(z)為Δvk內(nèi)部信號沿正向（+）以及反向（-）的功率值；n1表示平均粒子數(shù)；n2為二能級系統(tǒng)中的粒子總數(shù)；αk，gk和lk分別表示光纖的吸收、發(fā)射及本征系數(shù)；m為振態(tài)個數(shù)；h表示普朗克常量。

根據(jù)上述模型能得到某長度光纖的功率分布情況，進(jìn)而依據(jù)功率對系統(tǒng)的各項指標(biāo)進(jìn)行計算。

2.2 改進(jìn)模型的實現(xiàn)

本文所述的基于環(huán)形器及光隔離器構(gòu)成的方案相較基礎(chǔ)模型而言，對信號質(zhì)量有一定的提高，但結(jié)構(gòu)并不完善。為了進(jìn)一步提高模型的質(zhì)量，本文從以下兩個方面對模型加以改進(jìn)：

1）參數(shù)指標(biāo)優(yōu)化。由上文可知，系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)要求具有良好的增益與盡可能低的噪聲系數(shù)，同時還應(yīng)從器件內(nèi)部降低反射，從而能夠通過后續(xù)仿真對整個系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2）增加器件。在降低噪聲系數(shù)方面，可在圖3 的基礎(chǔ)上加入濾波器，以減少噪聲的影響，也可根據(jù)光信號的傳播方向使用環(huán)形器替代光耦合器。環(huán)形器的工作原理如圖4 所示，其為一三端口器件，當(dāng)信號從一端口輸入時，其可從二端口輸出；而從二端口輸入時，又可從三端口輸出，且這三個端口均為互易關(guān)系。將環(huán)形器合理放置于系統(tǒng)中，可實現(xiàn)信號流向的轉(zhuǎn)換，同時令其自身的插損較小，故可將該器件使用在本系統(tǒng)中。

根據(jù)上述思路，本文對Bi-EDFA 模型進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到改進(jìn)后的模型如圖5 所示。

圖5 所示的模型使用單根摻鉺光纖實現(xiàn)。為避免雙向光信號互相干擾，在線路中加入了改進(jìn)的光隔離器ISO 及環(huán)形器OC，泵浦源LD 則可為WDM 模塊提供信號。而為了能進(jìn)行更為靈活的調(diào)試，還在線路中增加了衰減器VOA 對Bi-EDFA 模型的增益實現(xiàn)控制。

3 模型仿真與實驗分析

3.1 實驗環(huán)境搭建

本次實驗仿真使用Opti-System 13.0 軟件對模型參數(shù)指標(biāo)加以優(yōu)化，其能對光纖鏈路模型進(jìn)行仿真，同時還可提供自動化的參數(shù)掃描與仿真。具體實驗環(huán)境如表1 所示。

表1 實驗環(huán)境說明

3.2 Bi-EDFA 模型參數(shù)仿真與優(yōu)化

Bi-EDFA 模型的增益與噪聲系數(shù)為影響其性能的兩大參數(shù)，使用式（3）可對模型各處的功率進(jìn)行計算。但由于該公式為數(shù)學(xué)模型，僅能求得數(shù)值解，而無法獲得解析解。因此，使用Opti-System 軟件的Giles-Emmanue 模型算法進(jìn)行參數(shù)仿真。

在Bi-EDFA 模型中，影響增益與噪聲系數(shù)的因素主要有光纖中鉺離子的濃度、EDF 的長度及泵浦功率。在仿真中，泵浦功率選擇50 mW，輸入功率為-20 dBm，輸入光波長為1 550 nm，EDF 長度暫取經(jīng)驗長度7.5 m，而摻鉺半徑取經(jīng)驗值2.2 μm。變量則選擇摻鉺濃度，當(dāng)其他變量均不變時，增益會隨著摻鉺濃度的變化而改變。仿真結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，當(dāng)光纖摻鉺濃度在6×1024～10×1024/m3時，系統(tǒng)可達(dá)到最佳的增益。故光纖摻鉺濃度的最佳取值是8.9×1024/m3，此時系統(tǒng)能夠獲得最大增益為33 dB。

在對EDF 長度仿真時，摻鉺濃度選擇8.9×1024/m3，其他參數(shù)則保持不變。根據(jù)文中參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗，首先是不同泵浦功率下的增益及噪聲系數(shù)隨EDF長度變化的結(jié)果，具體如圖7、圖8 所示。由圖7 可知，在不同泵浦功率下，系統(tǒng)增益呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且最大增益為33 dB。從圖8 則可看出，系統(tǒng)最小噪聲系數(shù)為3.5 dB。而隨著EDF 長度的增加，噪聲系數(shù)也隨之上升，且在達(dá)到某個長度后急速惡化。綜合圖7、圖8，可將EDF 的最佳長度設(shè)定為7.5 m。原因在于，此時的噪聲系數(shù)與增益均可達(dá)到最佳平衡點。而對于泵浦功率的選擇，在EDF 長度為7.5 m 時進(jìn)行實驗，測試結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可知，當(dāng)泵浦功率小于30 mW 時，系統(tǒng)的增益較小，同時噪聲系數(shù)相對較大。而當(dāng)功率大于30 mW 時，系統(tǒng)增益并無明顯提升。因而此次選擇噪聲系數(shù)最小的點，即系統(tǒng)的泵浦功率為30 mW。由仿真得到的系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。

表2 系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)

3.3 實驗測試

本部分實驗為超長距離通信測試，首先對實驗平臺進(jìn)行搭建，該平臺結(jié)構(gòu)如圖10 所示。實驗使用了國產(chǎn)500 mW 激光泵浦源，而頻譜分析儀、信號源與光功率計均使用自主研發(fā)設(shè)備，Bi-EDFA 的系統(tǒng)參數(shù)采用表2中的數(shù)據(jù)。

為了驗證所提模型的優(yōu)越性，本文選擇單向EDFA結(jié)構(gòu)和Bi-EDFA 的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，且泵浦源輸入功率分別為20 mW、40 mW 及60 mW，對比數(shù)據(jù)類型為增益及噪聲系數(shù)，實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 實驗結(jié)果對比

由表3 可知，本文所提改進(jìn)模型在相同泵浦功率下的增益及噪聲系數(shù)均為最優(yōu)，表明本文模型的改進(jìn)效果良好。

本文還進(jìn)行了100 km 的光纖傳輸測試，通過將Bi-EDFA 模型放置在整個鏈路的50 km 處，其可為鏈路正向與反向提供最多30 dB 的增益。再按照表2 的參數(shù)對Bi-EDFA 進(jìn)行部署，從而測試信號發(fā)出后達(dá)到100 km的信號及回波功率，實驗結(jié)果如表4 所示。

如表4 所示，去除鏈路損耗，信號在源端和負(fù)載端接收到的信號功率值均在合理范圍內(nèi)，且信號的功率損耗較少，表明此次設(shè)計的Bi-EDFA 可應(yīng)用于國產(chǎn)超遠(yuǎn)距離光纖傳輸系統(tǒng)中。

表4 信號測試實驗結(jié)果

4 結(jié) 語

Bi-EDFA 結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于超長距光纖通信系統(tǒng)中，但其原結(jié)構(gòu)的隔離度較差且噪聲系數(shù)不佳。因此，本文對Bi-EDFA 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并加入了光環(huán)形器、光隔離器等部件，從而使模型結(jié)構(gòu)在具有雙向傳輸功能的同時，還具備良好的性能。通過使用Opti-System 軟件對參數(shù)進(jìn)行仿真，再根據(jù)仿真結(jié)果搭建國產(chǎn)實驗平臺并進(jìn)行測試，結(jié)果表明，本文模型的性能具有顯著優(yōu)勢，在長距離通信測試中的各項指標(biāo)也較為理想。