用于下一代ROADM网的EDFA阵列的研究

2014-08-11 09:38

　　随着通信市场形势的发展，下一代ROADM的应用迫在眉睫，其集成了波长无关，方向无关，竞争无关(CDC-less)灵活波长栅格和高阶调制模式等功能。为实现这些功能下一代ROADM网络结构采用了多波切换开关(MCS，multicast switch)以避免波长竞争，由此引入插损，为满足相干光接收机的最小输入功率同时考虑模块体积和器件成本可采用掺铒光纤放大器阵列(EDFAArray)进行多线路功率补偿。本文提出一种新型的由双芯泵浦激光器独立控制的EDFA Array，其具有封装体积小，功耗低，反应快，控制灵活，噪声性能好，瞬态性能好等优点。

1、原理与结构设计

1.1总体结构设计

　　EDFA Array相对普通的EDFA的主要区别有：

　　1.EDFA Array上下波较为频繁，因此对瞬态控制(transient control)方面的指标更为关注；

　　2.EDFA Array的通道数，输出功率和增益值都比较小，在器件选择上可多考虑成本因素；

　　3.EDFA Array在器件排布和模块尺寸控制方面也需关注。

用于下一代ROADM网的EDFA阵列的研究

　　图1 EDFA Array结构图

　　本文提出的EDFA Array采用如图1所示结构，由掺铒光纤，光耦合器，光隔离器，波分复用器，光电探测器(PD)，泵浦激光器，控制电路组成。泵浦激光器的选择上考虑到无制冷泵浦激光器在低温(-5℃以下)性能不佳和单芯泵浦激光器在器件排上不利于控制模块尺寸，本方案选用双芯制冷泵浦激光器。控制单元在结构设计上采用双处理器结构，一个处理器(MCU)负责通信、状态告警等实时性要求较低的任务，另一个处理器(FPGA)负责增益控制方面的相关任务。通过PD阵列实时采样的光功率控制泵浦激光器阵列实现对8个通道的实时灵活补偿，无业务通道关闭泵浦制冷功能以降低功耗。

1.2瞬态控制结构设计

　　EDFA Array的瞬态特性带给系统的不利影响主要有：

　　1.当瞬态引起的输出功率超过非线性效应的阈值，将产生自相位调制、四波混频等非线性效应，劣化传输性能；

　　2.当瞬态引起的输出功率过小时会影响相干光接收的信号接收；

　　3.当瞬态引起的输出功率过大时造成相干光接收机超载；

　　4.瞬态引起的输出功率变化还会降低光信号的信噪比。

　　本设计通过采用高速的数模(DAC)、模数(ADC)转换电路，高速光探测器(PD)及高速微处理器FPGA使前馈与反馈电路处理速度更快，尽可能地缩小电路响应相对于输入光变化的延迟，从而获得更小的瞬时增益波动和更快的瞬时增益抑制。

用于下一代ROADM网的EDFA阵列的研究

　　图2 EDFA瞬态控制原理图

　　瞬态控制原理如图2所示，包括前馈部分和反馈部分。前馈环路能够迅速改变泵浦功率，使反转粒子数达到较为适合水平从而有效抑制瞬态过冲/欠冲幅度；反馈环路采用比例积分微分(PID)控制同时补偿放大的自发辐射(ASE)对泵浦功率进行微调，保证稳定时增益误差更低。通过前馈过调算法可以使瞬态性能更好，过调算法的实现依赖于瞬态识别模块的高效、准确判断，在非瞬态过程(一般工作状态)前馈控制输出电流为Kx+B，在瞬态过程时前馈控制输出电流为R(Kx+B)，其中x为输入光功率，K、B为一阶前馈算法系数，R为过调比例。本设计的控制算法灵活在一阶前馈算法无法满足要求时还可采用二阶甚至三阶前馈算法，以达到更好的瞬态抑制效果。

2、性能测试及分析

2.1瞬态性能

　　图3 EDFA Array瞬态测试结果

　　输入端瞬时上下39个波长通道即在40个波长通道信号(0dBm)和1550nm单波信号(-16dBm)之间切换，测试上下波前后1550nm通道的功率波动，用示波器观测如图3所示。其中图3(a)，图3(b)其边沿时间为1ms，测得功率波动幅度小于0.1dB，恢复时间在1ms左右；图3(c)，图3(d) 其边沿时间为0.1ms，测得功率波动幅度在0.2dB左右，恢复时间在0.2ms左右。此测试结果远优于NTT实验室的分享式泵浦激光器方案的EDFA Array的瞬态性能指标，其短时间上下波时的功率波动幅度在10dB左右，恢复时间也在10ms左右[5]。

2.2 增益平坦度和噪声指数

　　在输出光功率分别为1dBm和20dBm下测试EDFA Array的增益平坦度和噪声指数，结果如图4所示，增益平坦度能够保持在±0.5dB以内，噪声指数在5.5dB左右，符合ROADM应用的技术要求。

2.3 其他指标

　　EDFA Array在额定增益为17dB的情况下支持的波长范围为1529nm-1563nm，偏振相关增益(PDG)为0.3dB，偏振模色散(PMD)为0.5ps/km，符合ROADM应用的技术要求。

　　波长无关、方向无关、竞争无关和灵活栅格的ROADM是未来智能光网络的发展方向，掺铒光纤放大器阵列(EDFA Array) 在其中不可或缺，其能在缩小模块体积的同时大大减小ROADM网络的布设成本。本文提出并实际研制一种采用双芯泵浦激光器独立控制的EDFA Array，其工作波长范围为1529nm-1563nm，额定增益17dB，增益平坦度在±0.5dB以内，噪声指数5.5dB左右还有其他相关指标均达到ROADM的应用要求，尤其在瞬态抑制方面本方案相对于其他方案有明显优势，其16dB上下的情况下瞬态增益波动在0.5dB以内，稳定时间在1ms以内，其市场前景十分看好。