隨著通信市場(chǎng)形勢(shì)的發(fā)展，下一代ROADM的應(yīng)用迫在眉睫，其集成了波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，方向無(wú)關(guān)，競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)(CDC-less)靈活波長(zhǎng)柵格和高階調(diào)制模式等功能。為實(shí)現(xiàn)這些功能下一代ROADM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了多波切換開關(guān)(MCS，multicast switch)以避免波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)，由此引入插損，為滿足相干光接收機(jī)的最小輸入功率同時(shí)考慮模塊體積和器件成本可采用摻鉺光纖放大器陣列(EDFA Array)進(jìn)行多線路功率補(bǔ)償。本文提出一種新型的由雙芯泵浦激光器獨(dú)立控制的EDFA Array，其具有封裝體積小，功耗低，反應(yīng)快，控制靈活，噪聲性能好，瞬態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

　　1、原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　EDFA Array相對(duì)普通的EDFA的主要區(qū)別有：

　　1.EDFA Array上下波較為頻繁，因此對(duì)瞬態(tài)控制(transient control)方面的指標(biāo)更為關(guān)注；

　　2.EDFA Array的通道數(shù)，輸出功率和增益值都比較小，在器件選擇上可多考慮成本因素；

　　3.EDFA Array在器件排布和模塊尺寸控制方面也需關(guān)注。

　　圖1 EDFA Array結(jié)構(gòu)圖

　　本文提出的EDFA Array采用如圖1所示結(jié)構(gòu)，由摻鉺光纖，光耦合器，光隔離器，波分復(fù)用器，光電探測(cè)器(PD)，泵浦激光器，控制電路組成。泵浦激光器的選擇上考慮到無(wú)制冷泵浦激光器在低溫(-5℃以下)性能不佳和單芯泵浦激光器在器件排上不利于控制模塊尺寸，本方案選用雙芯制冷泵浦激光器。控制單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用雙處理器結(jié)構(gòu)，一個(gè)處理器(MCU)負(fù)責(zé)通信、狀態(tài)告警等實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù)，另一個(gè)處理器(FPGA)負(fù)責(zé)增益控制方面的相關(guān)任務(wù)。通過(guò)PD陣列實(shí)時(shí)采樣的光功率控制泵浦激光器陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)通道的實(shí)時(shí)靈活補(bǔ)償，無(wú)業(yè)務(wù)通道關(guān)閉泵浦制冷功能以降低功耗。

　　1.2瞬態(tài)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　EDFA Array的瞬態(tài)特性帶給系統(tǒng)的不利影響主要有：

　　1.當(dāng)瞬態(tài)引起的輸出功率超過(guò)非線性效應(yīng)的閾值，將產(chǎn)生自相位調(diào)制、四波混頻等非線性效應(yīng)，劣化傳輸性能；

　　2.當(dāng)瞬態(tài)引起的輸出功率過(guò)小時(shí)會(huì)影響相干光接收的信號(hào)接收；

　　3.當(dāng)瞬態(tài)引起的輸出功率過(guò)大時(shí)造成相干光接收機(jī)超載；

　　4.瞬態(tài)引起的輸出功率變化還會(huì)降低光信號(hào)的信噪比。

　　本設(shè)計(jì)通過(guò)采用高速的數(shù)模(DAC)、模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路，高速光探測(cè)器(PD)及高速微處理器FPGA使前饋與反饋電路處理速度更快，盡可能地縮小電路響應(yīng)相對(duì)于輸入光變化的延遲，從而獲得更小的瞬時(shí)增益波動(dòng)和更快的瞬時(shí)增益抑制。

　　圖2 EDFA瞬態(tài)控制原理圖

　　瞬態(tài)控制原理如圖2所示，包括前饋部分和反饋部分。前饋環(huán)路能夠迅速改變泵浦功率，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到較為適合水平從而有效抑制瞬態(tài)過(guò)沖/欠沖幅度；反饋環(huán)路采用比例積分微分(PID)控制同時(shí)補(bǔ)償放大的自發(fā)輻射(ASE)對(duì)泵浦功率進(jìn)行微調(diào)，保證穩(wěn)定時(shí)增益誤差更低。通過(guò)前饋過(guò)調(diào)算法可以使瞬態(tài)性能更好，過(guò)調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)依賴于瞬態(tài)識(shí)別模塊的高效、準(zhǔn)確判斷，在非瞬態(tài)過(guò)程(一般工作狀態(tài))前饋控制輸出電流為Kx+B，在瞬態(tài)過(guò)程時(shí)前饋控制輸出電流為R(Kx+B)，其中x為輸入光功率，K、B為一階前饋算法系數(shù)，R為過(guò)調(diào)比例。本設(shè)計(jì)的控制算法靈活在一階前饋算法無(wú)法滿足要求時(shí)還可采用二階甚至三階前饋算法，以達(dá)到更好的瞬態(tài)抑制效果。

　　2、性能測(cè)試及分析

　　2.1瞬態(tài)性能

　　圖3 EDFA Array瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果

　　輸入端瞬時(shí)上下39個(gè)波長(zhǎng)通道即在40個(gè)波長(zhǎng)通道信號(hào)(0dBm)和1550nm單波信號(hào)(-16dBm)之間切換，測(cè)試上下波前后1550nm通道的功率波動(dòng)，用示波器觀測(cè)如圖3所示。其中圖3(a)，圖3(b)其邊沿時(shí)間為1ms，測(cè)得功率波動(dòng)幅度小于0.1dB，恢復(fù)時(shí)間在1ms左右；圖3(c)，圖3(d) 其邊沿時(shí)間為0.1ms，測(cè)得功率波動(dòng)幅度在0.2dB左右，恢復(fù)時(shí)間在0.2ms左右。此測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于NTT實(shí)驗(yàn)室的分享式泵浦激光器方案的EDFA Array的瞬態(tài)性能指標(biāo)，其短時(shí)間上下波時(shí)的功率波動(dòng)幅度在10dB左右，恢復(fù)時(shí)間也在10ms左右[5]。

　　2.2 增益平坦度和噪聲指數(shù)

　　在輸出光功率分別為1dBm和20dBm下測(cè)試EDFA Array的增益平坦度和噪聲指數(shù)，結(jié)果如圖4所示，增益平坦度能夠保持在±0.5dB以內(nèi)，噪聲指數(shù)在5.5dB左右，符合ROADM應(yīng)用的技術(shù)要求。

　　2.3 其他指標(biāo)

　　EDFA Array在額定增益為17dB的情況下支持的波長(zhǎng)范圍為1529nm-1563nm，偏振相關(guān)增益(PDG)為0.3dB，偏振模色散(PMD)為0.5ps/km，符合ROADM應(yīng)用的技術(shù)要求。

　　波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)和靈活柵格的ROADM是未來(lái)智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，摻鉺光纖放大器陣列(EDFA Array) 在其中不可或缺，其能在縮小模塊體積的同時(shí)大大減小ROADM網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)成本。本文提出并實(shí)際研制一種采用雙芯泵浦激光器獨(dú)立控制的EDFA Array，其工作波長(zhǎng)范圍為1529nm-1563nm，額定增益17dB，增益平坦度在±0.5dB以內(nèi)，噪聲指數(shù)5.5dB左右還有其他相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到ROADM的應(yīng)用要求，尤其在瞬態(tài)抑制方面本方案相對(duì)于其他方案有明顯優(yōu)勢(shì)，其16dB上下的情況下瞬態(tài)增益波動(dòng)在0.5dB以內(nèi)，穩(wěn)定時(shí)間在1ms以內(nèi)，其市場(chǎng)前景十分看好。