占生宝,丁　健

(1.滁州学院 电子与电气工程学院，滁州 239000; 2.安庆师范学院， 安庆 246133)

EDFA增益瞬态控制研究的最新进展

占生宝1,2,丁健1

(1.滁州学院 电子与电气工程学院，滁州 239000; 2.安庆师范学院， 安庆 246133)

摘要：针对当前光分组与线路节点光放大高稳定性需求，依据电、光两种主流控制方案，阐明了掺Er3+光纤放大器(EDFA)带微调和无微调情况下，基于电的自动增益控制机理。综述了EDFA增益瞬态控制研究的最新进展。分析了各种增益控制方案的具体控制过程。呈现了这些控制方法所取得的阶段性成果。

关键词：光通信；掺Er3+光纤放大器；波分复用；增益瞬态；自动增益控制

E-mail：zhanshb@aliyun.com

引言

为应对全球每年超过50%的业务增长需求[1-2]，一种集成光分组交换(optical packet switching,OPS)与线路交换(optical circuit switching,OCS)于同一网络基础的光分组与线路(optical packet and circuit,OPCI)节点系统正成为当前的研究热点[3-5]。该系统中，OPCI将依据用户的不同需求，被设计成同时支持多种业务服务，其中，OPS提供“尽力而为”服务[6]，而OCS则提供全光配置，实现宽带、高品质服务[6-7]。需要强调的是，该OPCI系统并不是OPS和OCS的简单融合，而是利用密集波分复用技术，依据用户需求，在OPS和OCS之间执行波长资源的动态重新分配。由此可见，如此的OPCI节点，其光放大器的作用不仅仅是弥补信号传输，更重要的是补偿信号处理所引起的损耗，因此，作为波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)系统最常用的放大器件，掺Er3+光纤放大器(Er3+-doped fiber amplifier, EDFA)能否应对频繁变化的输入信号而实现无损放大，将是确保OPCI系统走向实用化的关键问题。

众所周知，由于光放大器的增益饱和，信号增/撤或突发传输所引起的增益瞬态，将直接影响光信号的传输质量，为此，不断开发光纤放大器的增益瞬态抑制技术，将是光纤通信发展的持久课题。自EDFA投入使用以来，其增益瞬态控制已进行了广泛而深入的研究[8-11]，到目前为止，分别形成了电、光两种主流自动增益控制方案，且这些方案还将不断地改进、深化。为此，本文中将依据当前广泛采用的两种主流方案为线索，阐述EDFA自动增益控制研究的最新进展。

1基于电的增益控制

基于电的增益控制，其实现途径是：依据光电检测器检测出的输入信号功率，对比需要锁定的增益值，按照预先标定的电流值来控制抽运源，使得抽运源输出功率能适合输入信号的变化[12]。下面，以正向抽运方式为例，阐明电的自动增益控制机理。

假设EDFA的增益设置为19.7dB，输入信号的可控范围为-60dBm~-10dBm，输出信号上升沿速度与输入信号上升沿速度完全一致，依据参考文献[13]和参考文献]中的相关参量，可得到带微调情况下EDFA增益及瞬态响应如图1所示。图中，Pp表示EDFA的抽运功率，Ps表示输入信号功率。

图1a—带调谐时增益与输入功率关系b—ACC控制时增益随时间变化c—AGC控制时增益随时间变化

由图1a可以看出，不同抽运功率对应不同的增益曲线。对于相同抽运下的信号增益，其增益值由小信号增益确定，且基本保持不变，见图中带箭头的线段A；当输入信号增加，对于自动恒定抽运功率控制(automatic constant pump power control, ACC)，此时掺Er3+光纤(Er3+-doped fiber,EDF)材料上能级反转粒子数的不足，将导致放大器增益下降，并最终保持在一个恒定的常数值，见图1b中带箭头的线段B所示，该过程大约需要0.65ms；而对于自动增益控制(automatic gain control, AGC)，当输入信号增大时，则减小的响应总能在非辐射衰减时间后恢复到稳态值，由此导致增益曲线呈现一个小的凹陷，见图1c中带箭头的线段C所示。该控制过程大约需要82μs。

图2是对应图1相同输入信号设置，无微调时增益随时间的变化。从图2b可以看出，当抽运功率大于设定的抽运值(约19mW)时，增益响应大于20dB，此时，假若信号功率从0.1mW增加至0.4mW，AGC控制首先导致增益下降到最低值，然后恢复到设定值(19.7dB)，该过程大约需要83μs。反之，当抽运功率设定为12mW，见图2c，此时，AGC控制首先从17.5dB下降到最小值，然后再上升到设定值，该过程大约需要138μs。因此，如何依据EDFA响应特点，找出一种补偿过冲/低冲响应时间，是基于电的自动增益控制的关键问题。

图2a—无微谐时增益与输入功率关系b—无微谐, 初始Pp设为30mW，增益与时间关系c—无微谐, 初始Pp设为12mW，增益与时间关系

1.1　基于PID的增益控制

在基于电的自动增益控制方案中，使用最广泛的增益控制系统当算比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制系统[15-17]，该系统如图3所示[13]。图3中，输入抽运功率与实际抽运输出功率之差定义为跟踪误差，该误差进入PID控制器，在那里计算出误差的比例、积分与微分增益。

图3　PID增益控制原理示意图

一个典型的PID控制器如图4所示[13]，该控制器的输出包括两个主导项：瞬时抽运输入和被控增益误差。其中，被控增益误差分别为比例增益(Kp)、微分增益(Kd)、积分增益(Ki)与误差幅度之和[13]。图中，e(t),∫e(τ),de(τ)分别表示比例、积分、微分踪迹误差。

图4　PID结构示意图

基于该控制方案，2009年，MUHYALDIN等人以8信道中的4信道增/撤为例，详细分析、比较了单独使用比例、微分、积分控制器以及其中的两两组合、三者同时组合的自动增益控制效果，结果发现：基于优化的控制参量，单独微分、积分增益控制效果优于比例控制效果；三者同时组合的控制效果与其中二者组合的控制效果基本相同。在优化的控制参量下，当抽运功率为65mW时，三者组合控制的最大增益瞬态值为1.18dB，瞬态控制所需的最小时间约为500μs。

图5　扰动观察器增益控制原理示意图

分析上述PID及改进的PID控制方案，不难发现，其控制机理是运用抽运功率，合理改善上能级反转粒子的状况，来达到减小放大器增益瞬态目的，然而，上能级反转粒子的有效寿命除与上能级粒子寿命有关外，还与放大器初始和稳态时的饱和系数有关[19]，改变抽运功率虽然能改变饱和系数，但由于抽运功率改变有限，因此增益瞬态控制的时间不可能很短。由此可知，在抽运功率变化不大的情况下，基于PID的干扰观察自动控制方案控制增益瞬态的时间已接近极限。

1.2　基于可变衰减器的增益控制

除采用PID控制方案外，利用高速率可调光衰减器(variableopticalattenuator,VOA)进行增益瞬态控制也不失为一种理想的控制方案，该方案如图6所示[20]。

图6　可调衰减超快增益控制原理示意图

其控制原理是：输入和输出监控器首先检测出实际输入和输出信号的变化，然后依据事先设定的信号增益，控制前馈和反馈放大器的信号输出，再将该控制信号加入抽运驱动器，从而有效控制抽运源的抽运功率。由于输入信号变化会导致过冲/低冲响应，为此，在输出信号增益均衡器的后端再级联一个高速率的可调衰减器，该衰减器的响应时间少于1μs，并采用反馈控制信号对该可调衰减器进行驱动，由于该衰减器有能力实现高速率响应，因此，EDFA出现的过冲/低冲增益瞬态能够迅速消除。

基于该控制原理，2011年，HORIUCHI等人采用40信道进行了相关实验研究。其中，39信道作为增/撤信道，一个信道作为残留测量信道，每个信道输入功率均设定为-20dBm，输出信号增益设定为15dB，在1530.33nm和1561.42nm之间改变残留信道波长，测得当信道增加时，最大增益漂移约为0.7dB，信道撤除时，最大增益漂移约为1.2dB。在抑制增益瞬态时间方面，当信道增加时，抑制增益瞬态的时间约为3μs，当信道撤除时，抑制增益瞬态的时间约为20μs。

为进一步减小上述超快增益控制方案的瞬态功率漂移，2011年，SATO等人对上述控制方案又进行了改进。在前馈抽运控制、可调衰减器控制系统中加入可编程门阵列数字模块，以实现增益瞬态的精确微调，改进的控制方案如图7所示[2]。

图7　基于可编程门阵列的超快增益控制示意图

基于该控制方案，SATO等人以波分复用21信道中1,2,4,10,20信道增/撤为例进行了相关实验研究，发现残留1550nm信道的最大增益漂移仅为0.19dB，增益瞬态控制的时间约为10μs，当采用10个同样结构的EDFA级联时，最大增益漂移约为1.9dB。

分析上述控制方案，不难发现，其控制增益瞬态的机理是利用可调衰减器的衰减来刮除或填平过冲/低冲响应部分，因此，该方案对可变衰减器的响应速度提出了极高要求，但随着光开关技术和微电子技术的突破，该方案可能会成为增益瞬态控制最具潜能的方案之一。

2基于全光增益控制

上述研究表明，电的增益控制能够有效抑制微秒量级的EDFA增益瞬态，然而，当分组交换的包长为纳秒量级，或对于无源光网络的上行信号，该控制方案就显得力不从心，为此，人们提出了全光增益钳制方案。对于全光增益钳制机理，参考文献[21]中进行了相关分析，在此不再赘述。

2.1　增大EDF纤芯面积的钳制方案

依据EDFA传输特性，2007年，AWAJI等人提出了一种增大EDF纤芯活动面积的增益钳制方案[22]，该方案控制增益瞬态的原理为：

式中，G′(0)为增益漂移的初始斜率，G(0)为瞬态前的信号增益，G(∞)为瞬态结束时的增益，G(λj)为某一信道增益，τ为Er3+的寿命，PIS(λj)为某一信道固有饱和功率，Pout(λj)表示信号输出功率，S为纤芯面积，σa和σe分别为Er3+吸收和辐射面积，h为普朗克常量，ν表示频率，Γ表示功率填充因子，β表示衰减系数，αj和αf分别为某波长和反馈信道的吸收系数。由上述公式可以看出：增益改变量与固有饱和功率成反比，进而与纤芯面积S成反比，因此，增大纤芯面积S，就可达到减少信号增益瞬态的目的。

基于上述控制机理，AWAJI等人使用长度为400ns的分组包，比较了在增加纤芯面积和不增加纤芯面积两种情况下的EDFA增益瞬态抑制情况，结果表明，使用该特殊设计的EDFA，最大增益瞬态可改善38%[22]。

2.2　增益钳制光自动量级控制方案

无源光网络接入系统中，为增加网络单元的寄存数量，大量使用中继放大器，该中继器只适合于放大线偏振信号，而对于突发模式的上行信号，当使用基于自发辐射光作为反馈机制时，由于偏振相关损耗的影响，不可避免地会导致输出信号的变形。针对该情况，2008年，FUKADA等人提出了一种基于增益钳制的自动量级控制方案，如图8所示[23]，图中APC(auto power control)为自动功率控制，GCL-ALC(gain-clamp light auto level control)为增益钳制光自动量级控制。

图8　增益钳制自动量级控制结构示意图

其控制机理是：增益钳制采用自主信号注入方案[24]，并在该方案中加入以下两个特征模块：(1)自动功率控制模块，其控制光纤放大器输入增益钳制信号功率PGC,in的大小，使之与设定值相匹配；(2)自动量级控制模块，其控制抽运功率，使之匹配设定值的光纤放大器输出增益钳制光功率PGC,out。由此，增益钳制光的增益值将依据设定的光纤输入和自动量级控制的输出功率而共同确定，可表示为：GGC=PGC,out/PGC,in。此外，假若信号光与增益钳制光波长接近，则信号光与增益钳制光的增益几乎相同(G≈GGC)，因此，依据光纤放大器输入和输出端设定的增益钳制光功率，在上行信号放大前，突发模式放大器就能确定上行信号增益。由此可知，假若增益钳制光与上行信号同时放大，由突发上行信号导致的增益动态和信号变形就能得到有效抑制。

基于上述控制机理，FUKADA等人将增益钳制光自动量级控制技术加入无源光网络中继放大器并进行相关测试，结果表明，当光网络单元和中继器之间加入32路分光器时，对于实际的无源光网络单元，该中继放大器能有效抑制突发信号的光涌浪，并能实现突发上行信号的线性放大。

2.3　离线带通滤波器反馈钳制方案

针对增益钳制反馈机制使用的光纤布喇格光栅位于在线光纤，当环境温度或承载压力发生变化时，光纤布喇格光栅的反射窗口随之发生变化，从而导致增益钳制稳定性发生改变的问题，2013年，CHANG等人在参考文献[25]的基础上，提出了一种基于离线带通滤波器的增益钳制设计方案，该方案如图9所示[26]。

图9　离线带通滤波器增益钳制示意图

其设计思路是：将两个隔离器加入EDFA的两端，以阻隔反射光波；使用1个分光器、1个离线可调带通滤波器和1个光耦合器构成负反馈增益钳制回路，达到将特定带宽的自发辐射光波反馈回EDFA始端的目的。基于上述设计思路，CHANG等人研究了整个C波段的增益变化情况，结果表明，在离线带通滤波器使用最佳带宽(2GHz)的情况下，C波段最大增益变化仅为0.11dB，EDFA的增益稳定性可提高10倍~20倍。

3总结与展望

针对当前OPCI节点光放大高稳定性需求，依据电、光两种主流控制方案，阐明了EDFA调谐和未调谐情况下，基于电的自动增益控制机理，综述了EDFA增益瞬态控制研究的最新进展，分析了各种增益控制方案的具体控制过程，并呈现了这些控制方法所取得的阶段性成果。通过这些阐述和分析，不难发现，电的增益控制正逐渐由分立元件向模块化方向发展，因此实现方法简单，且具有鲁棒性，但就目前的成果展示来看，该方案还只能运用于抑制微秒以上量级的增益瞬态；而全光增益钳制虽然能够抑制纳秒量级的增益瞬态，且实现方法简单，但其增益可控范围较小，且要求信道增/撤频率必须小于EDFA弛豫振荡频率。基于上述所展示的阶段性成果，可以推断，模块化、数字化将是未来EDFA增益瞬态控制的必由之路。由此，随着新技术的不断涌现，EDFA性能将会更稳定，增益瞬态控制的速率将更快。

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Recent study progress of gain transient control for EDFA

ZHANShengbao1,2,DINGJian1

(1.School of Electronic and Electrical Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China; 2.Anqing Teachers College, Anqing 246133, China)

Abstract：Aiming at the high stability requirements for light amplification in optical packet and circuit (OPCI) nodes, two main schemes of electrical and optical control for Er3+-doped fiber amplifier (EDFA) gain control were clarified. The principle of electrical automatic gain control was put forward with/without fine tuning of EDFA. The recent study progress of EDFA gain control was summarized. The specific control process of each control scheme was analyzed. The stage achievements by using these control schemes were shown.

Key words:optical communication; erbium-doped fiber amplifier; wavelength-division multiplexing; gain transient; automatic gain control

收稿日期：2014-07-12；收到修改稿日期：2014-11-18

作者简介：占生宝(1967- )，男，博士后，副教授，主要从事激光技术的研究。

基金项目 ：安徽省自然科学基金资助项目(1308085MF92)；安徽省高等学校省级自然科学研究资助项目(KJ2013B186)

中图分类号：TN253

文献标志码：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.026

文章编号：1001-3806(2015)05-0706-06