EDFA增益控制与差错检测的功率监测方案

引言

　　EDFA(掺铒光纤放大器)使用在WDM网络的中继节点，包括光交叉链接和光上∕下复用。EDFA沿着不同路径放大多路信号，输入到EDFA的信道数在光路进行重配置或一条链路失效时将会改变。输入到每一个EDFA的WDM(波分复用)信道电压由于光纤因使用时间受损变化而改变，这些变化影响了EDFA总的输入电压，而输入电压会引起EDFA增益变化，这些都会影响传输性能。由于光功率突然增加导致电压峰值的出现将会破坏光接收器，接收器引起的突发错误会使电压低于最小需求电压。这种衰减对系统性能的服务质量有不利影响并 限制网络的可测量性。为提供高质量的服务和高精度网络，对EDFA 增益以及光功率必须进行控制。

　　WDM网络中差错检测对光传输系统是一个重要的问题。在WDM网络的功率监测中，使用光放大器，很难将信号功率与有一个很大的动态范围的ASE(放大自发辐射)功率区分开来，因为这两种功率在信道数很小的时候很接近。这就在总功率被监测时会引起差错监测出错。对于WDM网络，ASE对光功率监测没有影响。

　　本文介绍了EDFA增益与输出功率控制以及对WDM网络差错检测的功率监测机制。控制信道功率在一个光源有问题的节点中也可保持稳定，并被用于EDFA增益与输出功率控制和功率监测。同时记录了控制信道稳定的EDFA节点瞬态功率（增益）结果。

控制信道功率的稳定化处理

　　此增益与功率控制方案包括监测一个WDM信道校准泵浦功率，监测总的信号功率，监测一个加在放大器或泵浦功率的额外的探测信号，插入一个补偿信号，通过一个后向反馈环路钳制增益。最重要的是监测一个EDFA放大波段的WDM信道（控制信道）。采用这种方法，控制信道的输入与输出功率通过窄带带通滤波器（BPF）监测，信道增益可以计算。控制电路用来调整泵浦功率，维持控制信道增益为常量。这种增益控制方案对于信道数目很小的时候很有优势。当只有几个信道时，ASE电压相当于输出信道功率。如果监测总功率，ASE引起监测信号功率的误码。然而，直到ASE在控制信道输出功率中被消除后，这种方案才可控制EDFA不受ASE影响。此方案在一个OADM环系统中实现，可成功减少光浪涌。如果EDFA不实行控制将导致系统性能下降，由于控制信道光源出现问题将使得控制信道不能输入到EDFA非常高或非常低的功率。因此，按照服务质量，稳定控制信道功率对获得EDFA增益与输出功率控制非常重要。

　　图1（a）为WDM网络一个链路及其节点的示意图，显示了控制EDFA增益与输出功率的控制信道。节点包括控制信道源，WDM复用、解复用器以及3R转发器，OXC，和一个OADM（用于实现节点功能）。对所有WDM信道的功率在这个设备中被补偿然后发送到传输光纤。设备分别被安装在工作和保护节点，控制信道源设置也相同。如果其中一个信道源出现问题，在节点与下一节点之间控制信道功率将减少或消失。图1（b）描述了稳定化的控制信道功率方案。此方案考虑到在相同操作条件下光电二极管比激光器更可靠，且控制电路有足够的可靠性。

图1（a）WDM网络链路节点框图

图1（b）稳定性控制信道方案框图

　　控制信道功率稳定在控制信道源单元。耦合器功率用一个PD探测，使控制信道源的电流稳定。控制信道的自动变平控制阻止了控制信道功率的变化。因此，由于光功率持续输入到EDFA以及在控制信道光源有问题的情况下光功率也可以控制就会使得EDFA增益与输出功率保持稳定。

　　信道功率的稳定性控制不只用于EDFA增益控制，也用于WDM网络中差错检测，例如监测信号差损（LOS），而且还用于对总功率进行监测。如果在一个级联光放大器WDM网络中只有几个信道，累积的ASE将比在一个光放大器输入终端的LOS大，即使当信道功率下降到低于电压值。信道功率也会下降到低于LOS临界值，由于放大器有AGC或ALC功能，信道斜率在输出终端会变大。如果使用总功率监测将会引起差错监测出错。在传输光纤上游应该可以监测到出错，然而错误是由放大器监测到的。相比而言，当控制信道功率监测只受ASE影响，出错将被精确检测到。因此，这个功率监测机制在传输系统中提供了高可靠差错监测。

AGC\ALC特性

　　控制信道功率采用自动控制，有瞬态响应。以下为EDFA在 ALC下的瞬态响应。

　　图2 显示了实验环境。使用两个DFB-LD分别控制信道1和2.。在信道2我们使用了一个AOM仿真控制信道源。两个控制信道使用一个3dB的耦合器和一个PD。ALC电路控制信道1的驱动电流，监测功率保持常量。控制通道与信号通道通过一个阵列波导光栅（AWG）进行复用。控制通道波长为1572.1nm（190.7THz）。输入控制通道与16个信号通道波长从1573.7（190.5THz信道1）到1598.9nm(187.5THz信道16)有1.6nm（200GHz）信道间隔到EDFA。然后用一个AWG从EDFA解复用输出信道，通过光电转换器和示波器监测功率瞬态。

图2 实验环境搭建

　　图3（a）和（b）显示了EDFA的配置框图。图3（a）代表EDFA信道1，有自动增益控制（AGC）功能，这种配置方式广泛应用于在每一个信号通道均保持不变的情况。BPF只允许控制信道通过。AGC功能可保持控制信道增益为常量。EDFA信道1平均增益为19.1dB，16个信道增益平坦度低于0.8dB。图3（b）为EDFA信道2包含一个可调衰减器（VOA）在两个放大器之间（有AGC功能），达到ALC功能。每一个信道的输出功率都自动控制来补偿输入功率的变化。控制信道增益在EDFA2的EDFA单元中保持常量。保证EDFA信道2平均电平为常量，确保信号增益与斜率。尽管EDFA信道1输出增益随着输入功率电平变化而改变，控制信道输入EDFA2可通过调节VOA来保持稳定，这会达到输入到EDFA2信号功率为常量。输出功率在输入信道功率改变时也可维持常量。EDFA2放大光路从-20dBm到-12dBm到+2.5dBm（平均），增益平坦度少于1.5dB，可变衰减器的驱动速度为320μs。当16信道有15个drop或从1个信道的操作增加到15个时，功率漂移对EDFA1和EDFA2分别低于±0.5与±1.0dB。

图 3（a）带自动增益功能EDFA

　　当控制信道2电源切掉时耦合控制信道功率会忽然下降，返回到之前电平的时间在200μs，误差低于0.05dB。如果信号波长为1573.7nm，通过ALC使得功率抖动可稳定在偏移量1ms内低于0.1dB。我们在这里定义了功率偏移量为区分信道2 切断后功率控制的稳定性。最大功率瞬间增加（或降低）定义为区分最大（或最小）功率与信道2 切断时控制的功率。ALC电路的转换特性表示为LD电流每PD电流每时间。

图3（b）自动增益与电压控制EDFA

      EDFA1的最大功率瞬间增加值与不同输入信道在输入信道功率为－16dBm∕ch时几乎相同,增加微弱。EDFA2最大功率瞬间增加改变微弱， 最大功率瞬间增减在输入功率为－18 dBm∕ch时最小。EDFA2 最大功率瞬间增减分别为0.3～0.1ms以内。

结语

　　本文提出了一个高可靠EDFA增益与输出功率控制以及 WDM网络差错检测的监控方法,此方案可提供功率稳定的控制信道。控制信道功率稳定在一个节点，这个节点可阻止即使在光源有问题时非控制EDFA操作所引起的控制信道功率严重变化。在功率监测中对控制信道功率的使用由于ASE而不受影响，并提供信号功率的精确监测。

　　本文描述了当控制信道忽然改变时EDFA瞬态以及控制信道的控制实验。对EDFA只有AGC功能时与有AGC和ALC两种功能时最大功率瞬态增加与降低分别为±0.5 dB与±0.8 dB。发现功率漂移对信道数是独立的。实验显示瞬态功率对一些传输系统仍然比较大，然而通过对控制信道功率的电路控制与EDFA增益和输出功率来对响应时间进行优化，此方案可提供一个可靠EDFA操作使我们能使用OADM或OXC来构建WDM网络。