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高速光纤通信:增益均衡

       一切推理都必须从观察和实验得来。—伽利略(G.Galilei)

一、增益均衡的必要性——满足光纤通信系统所有信道对BER的要求

        EDFA增益不平坦,多级串联后使不同波长的光增益相差很大,这种光放大器线路的非一致性频谱响应,使长距离传输系统的SNR下降。
        为此,每个中继器使用增益平坦滤波器,纠正EDFA增益形状和与波长有关的光纤传输损耗引起的输出功率-频谱曲线的畸变。然而,这种光功率-频谱特性的纠正,不能完全解决所有信道的偏差。所选器件参数不可能完全一致,制造过程也不可避免产生偏差。而且,光纤老化或光缆维修也会引起网络传输特性的变化,进而使功率-频谱特性发生偏差。

二、 增益均衡实现方法——预增强和插入增益平坦滤波器

        首先,采用功率预增强技术,根据每个波长在线路中的损耗情况,使进入每个WDM信道的光功率不同,从而使终端接收机对所有波长信道接收的SNR(BER)都几乎相同。
        其次,把增益平坦滤波器插入线路中,进行适当的预均衡。实际上有4种增益平坦滤波技术。
        1)每个光放大器均有增益平坦滤波器。
        2)每10个光放大器插入一个固定增益平坦均衡器,补偿放大器链路中残留非一致性频谱响应,如图10.4.1所示,没有增益平坦均衡时,在1533~1569nm范围(36nm)内,增益波动3dB,当插入增益平坦均衡器后,只有0.25dB的波动。
固定增益均衡器对EDFA增益频谱响应的影响
图10.4.1固定增益均衡器对EDFA增益频谱响应的影响
        3)每10个放大器插入一个可调谐斜率均衡器,补偿因器件老化和光缆维修引起的增益畸变。
        4)周期性地插入拉曼放大器,通过遥控拉曼泵浦功率,获得可调谐倾斜增益,如图10.4.2所示。
 将拉曼放大插入EDFA链路中构成调谐增益斜率均衡器
图10.4.2 将拉曼放大插入EDFA链路中构成调谐增益斜率均衡器
a)拉曼增益与波长的关系b)拉曼放大产生增益倾斜
       有两种可用的增益平坦技术,一种是无源均衡技术,另一种是有源均衡技术。均衡器也可以按它们纠正的目的分类,纠正增益-频谱特性倾斜或斜率的,称为斜率均衡器,纠正与残留非线性有关倾斜的,称为形状均衡器。

三、 无源均衡器——光滤波器均衡

       无源均衡器的特性在出厂前均已调整好。通常,每10~15个中继器插入一个均衡器。 无源均衡器有斜率均衡器和形状均衡器,两者的区别在于是否与波长有关,前者与波长有关,而后者则无关。但两者均由固定传输滤波器组成,用光纤熔接方法接入中继器盒。
       一种无源均衡器用多个介质薄膜光滤波器(4.4.2节)或布拉格光纤光栅滤波器(4.3.2节)组成,典型均衡器的构成如图10.4.3所示,在包含8对光纤的中继器盒中,只用一个均衡器即可。通常,均衡器的均衡范围为1~6dB,插入损耗为3~7dB。需要均衡的区段增益-频谱特性形状,以及滤波器的传输特性,通常直接测量决定。无源均衡器直流电阻小于0.5Ω,不需要供电。
由滤波器构成的无源均衡器
图10.4.3由滤波器构成的无源均衡器
a)单个滤波器构成b)无源均衡器同时补偿8个光纤对的增益

四、 有源均衡器——有源滤波

       在输出功率自动控制的中继器中,输入信号功率的下降将引起短波长信号EDFA增益的增加,于是产生了负的斜率,即频带内短波长信道将携带更多的功率,使用有源均衡器可以均衡这种特性。网络寿命期内,网络管理者在任何时间均可以发送指令,通过光纤传送给中继器监控电路,进行增益斜率调整。
        用于1个光纤对的有源斜率均衡器如图10.4.4所示,该均衡器利用法拉第磁光效应(见5.1.1节),使入射光偏振方向发生旋转,其磁场由通电线圈产生。波长不同,旋转角度也不同,法拉第旋转器输出端对WDM波段内不同波长信道信号提供不同的线性衰减特性,即检偏器输出倾斜的增益-频谱特性,可用于对输入WDM信道信号增益的纠正。不同的偏流产生不同的倾斜校正,使用监控信号设置一套偏置电流对其校正。图10.4.4a监控电路中的PIN光检测器接收终端站发送来的监控指令,被监控电路接收理解,并对光纤对上的有源滤波器独立控制。倾斜纠正范围典型值为±4dB,提供的平坦偏差为0.1~0.4dB。
       对倾斜均衡的监控与对中继器的监控类似,不过使用的指令要少得多。光纤对上的每个有源滤波器有唯一的地址,终端站只需通知指定的斜率均衡器调整线圈偏流,对倾斜实施控制。
用于一个光纤对的有源斜率均衡器
图10.4.4 用于一个光纤对的有源斜率均衡器
a)在一个光纤对中使用有源滤波器进行斜率均衡b)调整加在法拉第介质上的电流实施倾斜控制
       通常,6个光纤对均衡器消耗的电力可使供电网络电压下降15~20V(线性电流1000mA)。
       有源均衡器还可以采用其他原理构成,例如可用拉曼泵浦获得正倾斜增益-频谱特性,如图10.4.2所示,用于纠正老化和维修产生的负斜率。单个波长拉曼泵浦就可以获得40nm以上的带宽。混合使用EDFA和拉曼泵浦,同时可以提供倾斜增益-频谱特性和增益补偿。另外一种有源均衡技术是使用可变光衰减器(VOA),直接控制VOA的设置,调整输入到EDFA的输入功率,EDFA就产生一个线性倾斜的输出。但这种方法的系统代价要比固定滤波器或拉曼倾斜均衡器的高。还有一种有源均衡是用光开关从一套无源倾斜滤波器特性中,选择所需要的那种特性进行均衡,但这种方法将中断业务运行。