隨著通信市場形勢的發(fā)展，下一代ROADM的應用迫在眉睫，其集成了波長無關，方向無關，競爭無關(CDC-less)靈活波長柵格和高階調(diào)制模式等功能。為實現(xiàn)這些功能下一代ROADM網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)采用了多波切換開關(MCS，multicast switch)以避免波長競爭，由此引入插損，為滿足相干光接收機的最小輸入功率同時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)進行多線路功率補償。本文提出一種新型的由雙芯泵浦激光器獨立控制的EDFA Array，其具有封裝體積小，功耗低，反應快，控制靈活，噪聲性能好，瞬態(tài)性能好等優(yōu)點。

　　1、原理與結(jié)構(gòu)設計

　　1.1總體結(jié)構(gòu)設計

　　EDFA Array相對普通的EDFA的主要區(qū)別有：

　　1.EDFA Array上下波較為頻繁，因此對瞬態(tài)控制(transient control)方面的指標更為關注；

　　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，波分復用器，光電探測器(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?？刂茊卧诮Y(jié)構(gòu)設計上采用雙處理器結(jié)構(gòu)，一個處理器(MCU)負責通信、狀態(tài)告警等實時性要求較低的任務，另一個處理器(FPGA)負責增益控制方面的相關任務。通過PD陣列實時采樣的光功率控制泵浦激光器陣列實現(xiàn)對8個通道的實時靈活補償，無業(yè)務通道關閉泵浦制冷功能以降低功耗。

　　1.2瞬態(tài)控制結(jié)構(gòu)設計

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

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

　　2.當瞬態(tài)引起的輸出功率過小時會影響相干光接收的信號接收；

　　3.當瞬態(tài)引起的輸出功率過大時造成相干光接收機超載；

　　4.瞬態(tài)引起的輸出功率變化還會降低光信號的信噪比。

　　本設計通過采用高速的數(shù)模(DAC)、模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路，高速光探測器(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相對于輸入光變化的延遲，從而獲得更小的瞬時增益波動和更快的瞬時增益抑制。

　　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)達到較為適合水平從而有效抑制瞬態(tài)過沖/欠沖幅度；反饋環(huán)路采用比例積分微分(PID)控制同時補償放大的自發(fā)輻射(ASE)對泵浦功率進行微調(diào)，保證穩(wěn)定時增益誤差更低。通過前饋過調(diào)算法可以使瞬態(tài)性能更好，過調(diào)算法的實現(xiàn)依賴于瞬態(tài)識別模塊的高效、準確判斷，在非瞬態(tài)過程(一般工作狀態(tài))前饋控制輸出電流為Kx+B，在瞬態(tài)過程時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為過調(diào)比例。本設計的控制算法靈活在一階前饋算法無法滿足要求時還可采用二階甚至三階前饋算法，以達到更好的瞬態(tài)抑制效果。

　　2、性能測試及分析

　　2.1瞬態(tài)性能

　　圖3 EDFA Array瞬態(tài)測試結(jié)果

　　輸入端瞬時上下39個波長通道即在40個波長通道信號(0dBm)和1550nm單波信號(-16dBm)之間切換，測試上下波前后1550nm通道的功率波動，用示波器觀測如圖3所示。其中圖3(a)，圖3(b)其邊沿時間為1ms，測得功率波動幅度小于0.1dB，恢復時間在1ms左右；圖3(c)，圖3(d) 其邊沿時間為0.1ms，測得功率波動幅度在0.2dB左右，恢復時間在0.2ms左右。此測試結(jié)果遠優(yōu)于NTT實驗室的分享式泵浦激光器方案的EDFA Array的瞬態(tài)性能指標，其短時間上下波時的功率波動幅度在10dB左右，恢復時間也在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應用的技術要求。

　　2.3 其他指標

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

　　波長無關、方向無關、競爭無關和靈活柵格的ROADM是未來智能光網(wǎng)絡的發(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大大減小ROADM網(wǎng)絡的布設成本。本文提出并實際研制一種采用雙芯泵浦激光器獨立控制的EDFA Array，其工作波長范圍為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左右還有其他相關指標均達到ROADM的應用要求，尤其在瞬態(tài)抑制方面本方案相對于其他方案有明顯優(yōu)勢，其16dB上下的情況下瞬態(tài)增益波動在0.5dB以內(nèi)，穩(wěn)定時間在1ms以內(nèi)，其市場前景十分看好。