摻鉺光纖放大器在有線電視超干線網絡中的應用

郝繼華

（太原有線電視網絡有限公司，山西 太原 030024）

1 引言

我國有線電視發展到今天，已擁有約兩億用戶的規模。光纖及光纖、電纜混合傳輸（HFC）技術已成組網主流方案。光纖損耗是限制光纖傳輸距離和覆蓋范圍的主要原因之一。摻鉺光纖放大器（EDFA）的實用化為有線電視高質量、遠距離、大范圍覆蓋提供了條件，并大幅度降低了網絡造價和維護成本。EDFA已成為光纖傳輸系統中的主要器件。

2 EDFA的原理及組成

一臺實用的摻鉺光纖放大器主要由以下部分組成：摻鉺光纖、高功率泵浦、波分復用器、光隔離器以及周邊輔助電路。光纖放大器的本質是光能量從泵浦光波長到信號波長的變換，因此關鍵部件是作為波長變換器的摻鉺光纖和能量源的泵浦。大量實驗表明，980 nm和1 480 nm的激光泵浦效率最高，只使用幾毫瓦的泵浦光就可以產生30～40 dB的放大器增益。因此，可以用鉺的簡化三能級模型來說明，見圖1。

如圖1所示，E1為基態，E2為亞穩態，處于中間能級，E3為激發態能量最高。當基態離子被980 nm泵浦光激勵到激發態時，會經過快速非輻射躍遷到達亞穩態。而被1 480 nm泵浦激勵到亞穩態的離子，會衰變到亞穩態能帶的低能態。因為亞穩態的壽命遠長于到達這個能態的壽命，當處于亞穩態的離子受到信號光子觸發時，亞穩態離子將回到基態，同時發射一個與輸入光子具有相同能量、相同相位、相同偏振態的光子，光信號得到放大。受亞穩態和基態能帶寬度的限制，受激輻射出現在1 530～1 560 nm范圍內。

圖1 餌的簡化三能級模型圖

就泵浦光與輸入信號光的相對位置不同，EDFA有3種結構：①同向泵浦方式，信號光與泵浦光從摻鉺光纖的輸入端輸入。②反向泵浦方式，信號光與泵浦光從摻鉺光纖的不同方向輸入。③雙向泵浦方式，采用兩個泵浦，分別從摻鉺光纖的輸入、輸出端輸入。

3 EDFA的主要技術特性及其對系統性能的影響

EDFA的主要特性包括小信號增益、飽和輸出功率、增益平坦度、噪聲系數以及非線性失真。了解這些性能對系統的影響，對于光通信系統的設計、施工和維護是至關重要的。

3.1 小信號增益及飽和輸出功率

EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、泵浦功率有關。對于給定長度的放大器，增益最初隨泵浦功率的增加按指數函數增加，當泵浦功率超過一定值后，增益增加變慢。對于給定的泵浦功率，對應一個最佳放大器長度。隨著長度的增加，剩余長度的摻鉺光纖沒有受到泵浦的激勵，還會產生受激吸收，導致增益出現下降。

在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入信號功率較小時，放大器增益不隨輸入光的增加而變化。當輸入光功率增加到一定程度后，增益隨著信號的增強而下降，放大器進入飽和放大區。飽和輸出功率定義為小信號增益下降3 dB時的輸出功率。對于大信號，其飽和增益隨著泵浦功率線性增加，使EDFA工作在飽和增益狀態，利用增益飽和特性，可有效補償光鏈路一定范圍內的功率波動。

3.2 光放大器的噪聲特性

噪聲特性是影響放大器性能的重要參數。放大器的噪聲主要是摻鉺光纖中的自發輻射噪聲（ASE）。在光通信系統中則存在著來自信號的散粒噪聲、自發輻射噪聲及它們之間相互作用的拍差噪聲。

放大器的噪聲可以用噪聲系數F來表示，它定義為：

其中，in和out表示帶和不帶放大器，在光接收機輸出端測得的CNR。在高增益工作狀態，F近似為2Nsp，對于理想放大器，自發輻射系數Nsp=1。這意味著最佳放大器噪聲指數為3dB（=10lg2），實際工作的放大器噪聲系數一般在4 dB左右。

在有線電視應用中，假定有單級EDFA，每個RF信道調制度為m，光接收機平均直流電流IR，B為光檢測器電帶寬，RIN為系統相對強度噪聲，則系統的載噪比為：

它描述了輸入光功率、放大器噪聲系數與CNR的關系。光輸入功率較低時，放大后信號CNR主要受信號散粒噪聲-ASE的拍差噪聲和ASE-ASE的拍差噪聲影響。處于飽和放大狀態時，輸入光功率在一定范圍時受接收機熱噪聲和信號散粒噪聲影響，噪聲指數幾乎不變；輸入光功率超過一定范圍時，噪聲指數隨輸入光功率的增加而增加。

3.3 非線性失真

在1 550 nm光鏈路中插入EDFA時，由它引起的CTB、CSO失真可以忽略。同時，由于EDFA一般工作在飽和放大區，由增益平坦度引起的非線性失真也不大。EDFA的主要失真由光纖的非線性效應引起，主要包括色散引起的失真、受激布里淵散射（SBS）、自相位調制（SPM）的失真。

色散引起的失真主要由激光器啁啾和光纖色散相互作用產生，在采用外調制激光器或色散補償光纖后，非線性失真會降到可以接受的水平。

高于SBS門限的光注入光纖時，與光纖中聲子作用，產生反向散射光，與正向光信號作用，導致CNR迅速下降，并且使CSO、CTB劣化。

4 EDFA在有線電視網絡中的應用

有線電視網絡根據功能需求的不同形成多種網絡結構。光纖超干線，適用于主前端與各分前端的光信號傳輸；光纖到小區是典型的HFC網絡，適用于用戶相對密集的城市住宅區；光纖到最后一臺放大器，這種結構單臺接收機覆蓋用戶較少，但信號質量可靠穩定，適用于農村等居住比較分散，不便大量使用有源設備和電纜的地區。

EDFA應用靈活，一般有3種工作模式：①功率放大器，直接應用在光發射機之后，用來提高輸出光功率，延長傳輸距離或驅動更多光節點，要求低噪聲和高飽和輸出功率。②在線放大器，實現了全光中繼，可以多級應用，主要受光纖色散和放大器級聯后CNR劣化限制。③前置放大器，要求高靈敏度、低噪聲和大的小信號增益。

在太原有線電視網絡發展的過程中，逐步形成了按區域劃分設立分前端，其中包括8個市區分前端和4個縣級分前端。在主前端用兩臺10 dBm輸出的1 550 nm外調制光發射機帶5臺用做功率放大器的EDFA，采用物理星形和邏輯雙環形拓撲到分前端。在分前端采用兩臺自帶切換功能的光接收機或外置RF切換設備，保證了不同光發射機、不同路由的冗余備份。

在去往4個遠距離縣級分前端的鏈路上，綜合應用EDFA的各種工作模式組成的網絡見圖2。雖然EDFA放大了光功率，延長了信號傳輸距離，但因為放大器自有噪聲的存在，也降低了系統的CNR。在無光纖放大器且載噪比和光調制度給定的前提下，光纖放大器的噪聲系數越低，輸入光功率越大，則系統載噪比損失越小。

圖2 EDFA網絡拓撲圖

光傳輸系統總載噪比為：

NFi、PSi分別為第i級放大器的噪聲系數和輸入光功率。

按照以上公式和網絡拓撲圖計算，距離最長的光節點婁煩的CNR指標見圖3。

CNR0：光發射機直接到光接收機的CNR指標。

圖3 光節點婁煩CNR指標圖

級聯四級EDFA時光鏈路的CNR為47.26 dB，滿足分前端的技術指標要求。

5 結束語

將EDFA應用于有線電視光纖超干線網絡當中，形成物理星型結構和邏輯環網結構，提高了系統的安全性、穩定性和信號傳輸質量。在三網融合過程中，可使用1 550 nm+1 310 nm的2級結構，與CMTS-CM系統組成雙向網絡，提供數據業務。系統還可以通過波分復用技術與PON網絡完美融合，為有線電視網絡的可持續發展奠定了基礎。