铒钇超大功率光放大技术的应用研究

1、饵钮超大功率光放大技术（ErYbDFA）在NGB网络构建中的应用四川蓝网数讯科技有限公司 李万成www.sclanwang comA一、 前百下一代广播电视网-NGB是以有线电视数字化和移动多媒体广播电视 （CMMB ）的成果为基础，以自主创新的“高性能宽带信息网”核心技术为支 撑，构建的适合我国国情的、“三网融合”的、有线无线相结合的、全程全网 的下一代广播电视网络.为此，广电总局科技司在09年颁布了一个面向下一代广播电视网 （NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书。在白皮书中建议：下一代广 播电视网（NGB）要面向未来五到十年，每个光节点覆盖用户不要多于200 户，并逐步向50户或20户

2、过渡。网络结构的实质就是FTTB （光纤到大楼）， 使每个光节点覆盖用户小于50户。因而，NGB网络与传统的FTTN （光纤到节点，每节点500-200户）有 了两个显著的不同：1） NGB网络需要的光节点成倍增加，需要更大的光功率来覆盖， 传统的1310nm光发送机或EDFA1550nm光纤放大器性能价格比 较低，显得难以适应。由于NGB网络光节点规模都较小，基本上是1栋楼设置1个光节点（主 要是EPON+EoC IP数据平台的要求）。这样，一个一般规模的网络就需要 用巨量的光功率才能加以覆盖。比如，1个20万户的城市网络：1个分前端按3-5万户计算，5km半径， 每50户1个光节点，约有6

3、00-1000个光节点。如果采用1310nm光发送技术，大概需要100-166台10mw的1310nm 光发送机，不仅成本高，维护困难，电源的UPS备份都很狂杂，而且，还要 占用机房大量的空间，即使采用模块式的光平台，3U机框10个功能块，也要10-17个机框，至少3-4个大几架，同时还伴随大量的电缆布线即使采用EDFA光纤放大技术，也需要有10-16台20dBm光纤放大器, 如图1所示° 1台20dBm光纤放大器覆盖64个光节点或大楼，使每台EDFA 与2台OLT相匹配。每光节点接收光功率预算为0-3dBm o1X8链路损耗20S21dB,接收光功率45dBm 加入WDM后,接收光

4、功率为-1.5dBm图1 NGB网络光功率的分配模型同样，要占用12个大机架，耗费机房大量空间，资金投入也较大。2) NGB网络可靠性与单一广播式的HFC网络相比较，要求更高，对于一个全业务的NGB网络而言，关键设备的1 + 1热备份是 至关重要的.必须实现1 + 1的热备份，才能确保NGB网络的 可用性.因为下一代广播电视网络NGB的内涵和实质是一种能以支撞大量互动 电视视频流为基础的语音、数据与视频三网融合的宽带综合业务双向网。相 灼于传统的有线电视网，NGB网络是双向网络，支持双向互动业务，实现语 音、数据和视频的双向传输。在下行通道中有大量的VOD点播业务，因此， 需要极大地提高网络卜

5、行通道的可靠性。在一个机房中，传统的16台EDFA是无法作1+1的热备份。只能采取 N+1冷备份，即16台EDFA,用1台来备份。 只要有1台EDFA工作不正 常，就会影响64个光节点，近3200个用户，而且更换时间过长，VOD业务 会中断，不太适应NGB网络高可靠性的要求。基于上述的考虑，本文提出了用1550nm锂钮超大功率光放大技术 (ErYbDFA)来构建NGB网络，一方面能大量减少设备数量，减少投入，A 备最佳的性能价格比，同时能节省机房空间，有效保护珍贵的机房资源；另 一方面，能实现EYDFA光放大器的1 + 1热备份，实现关键设备的全保护, 确保NGB网络的可靠性和可用性。本文分为

6、三大部分，第一部分为1550nin光纤放大技术的选择，分析比 较EDFA和EYDFA光纤放大技术的性能，第二部分为EYDFA饵钮超大功率 光放大器的工作原理，着重分析EYDFA的两个关键技术和器件的特性：包层 Pump源和双包层掺杂光纤。第三部分为在EYDFA光放大器系统中如何实现 VOD视频流的插播，给出了一种OverLay插播的解决方案。第四部分为结束 语。二、1550nm光纤放大技术的选择EDFA通常采用单包层、单模的掺银光纤EDF光纤，对泵浦源的激光模 式要求较高，导致泵浦耦合效率低，为了提高输出光功率，可增加掺杂Er3 十浓度。但随着Er3 +浓度的提高，Er3 +发生聚集，会引发浓

7、度猝灭效应，直 接影响掺银光纤放大器的泵浦转换效率和增益的提高。而不断发展的NGB网 络系统对掺锂光纤放大器的性能提出了更高的要求，包括高饱和输出功率 （33 dBm, 2000mw）.低噪声系数（NFV5dBm）、较宽的增益带宽（30nm）、平 坦的增益谱（增益平坦度2 dB）等。显然，标准的EDFA远远不能满足。而大规模用于FTTH的双包层Er3+ / Yb3 +共掺光纤放大器（EYDFA）比传 统的EDFA有更优良的特性。以双包层光纤为基础的包层泵浦技术使能量转 换效率提高到一个新的水平，泵浦耦合效率可达84%,降低了对泵浦光模式 的要求。另外，Yb3 +共掺人掺锂光纤中不但有效抑制了高

8、Er3 +浓度引起的浓 度猝灭效应，提高了泵浦效率，而且使饵镜共掺光纤的吸收谱大大加宽（800 1100m）o实验表明，EYDFA具有优良的噪声特性和增益平坦特性，如图2-4 所示。1530154015501S601570信号波长，run图2 EYDFA光谱特性00 906gso1000 iceoWa length (nn)iioe图3 EYDFA吸收峰分布图540155015601570信号波长/nni日里、展庠3理 里、«吗K叁图4 EYDFA频谱增益特性与EDFA不同，饵忆超大功率1550光纤放大器的输出功率可以高达6W(6000mw),普遍商用的是 2'V ( ZOO

9、Omw ) 即 1 台+ 33dBm ( 2000mw) 的饵钮掺杂光纤放大器(YbErDFA)相当T- 16台+ 20dBm( 1600mw)的EDFAo 如图5所示。银钮(ErYb)超大功率光纤放大器LA5500lX33dBm (2000mv)单口输出光功1丽丽，(2000m)雄粗小鼾的大暴相当于16个20dBm的EDFA的光功率输出图5饵钮(YbEr)光放与EDFA的比较如图6所示，光分路器的每个端口的输出光功率都为100mw(20dBm)。1550nm ErYb光纤放大技术的优势：输出光功率大，高达2000mw,相当于16台+20dBm的EDFA,极大 地节省了成本，可降低约一半左右。

10、这样每个分前端仅仅需要1台ErYb 光纤放大器。 可实现1 + 1的热备份，完成关键没备的全保护，确保NGB网络的可靠性和可用性.不仅节省了空间，而且相应的维护(比如电源的UPS备份)也变得非常容易。三、银钮超大功率光放大器的基本原理和结构供钮超大功率光放大器的结构如图7所示，增益光纤分成两段，分别进 行泵浦，形成双级结构。第一级从6-+10dBm输入放大至13dBm以上，作为 二级光放大的驱动光功率，使输出光功率达2w以上，同时使二级放大器的噪 声影响也非常小。两级间用一隔离器隔开，抑制正反向自发辐射光的放大。 放大器的总噪声指数由前级放大的噪声指数决定。这种设计结构同时实现了高增益和低噪声

11、。图7饵钮超大功率光放大器的结构图其中最为关键的器件与技术是包层泵浦(Cladding Pump)和双包层光纤 (Cladding Fiber)。包层泵浦(Cladding Pump)；由于Yb具有比Ei大的吸收截面和宽的吸收带宽(800- UOOnm),所以 可以在较宽的波长范围选择合适的泵浦源，827nmLD、1060nm掺Nd光纤激 光器、1064nm的NdYAG激光器、980nm的激光器和1480nm的泵浦源。另 外Yb的掺入使更多的Er以离子对(Er/Yb)的形式存在，有效地抑制了浓度 淬灭效应，提高了光纤放大器的能量转换效率。包层泵浦源(LD激光器)是一种激光器阵列，排列起来后输出

12、功率达好 几WoCladding PumpMultimodeLooer Pump Larger pipe = More power inJUUL Diode array (broad area device) Lower $/mWFigure 8. Single Mod。Optical Amplifier Pumping versus与普通的DEF (掺饵光纤)配合使用时，包层泵浦的大部分功率，都不 能有效地注入进DEF掺饵光纤中，因为包层单模的(DEF)的吸收截面小， 难以使大面积发光的包层泵浦光耦合入EDF中，实现能量的转换。如图所示。双包层推杂光纤(Cladding Fiber)双包层E

13、r/Yb共掺光纤具有双包层结构，如图9-10所示，由两个包层与 纤芯组成。内包层作为泵浦光波导，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯 (90um： 5um)«Second Cladding: Fkx>rine-doped Sica I First Cladding： Fused SiicaCoro: RjGod Siica with Ynorbiun (Y) Erbium (Er3*). A uminum Oxice. Phosphorus n1>n3>n3 1550 nm light guides in the coreFigure 9. Cladding Pumped

14、 Fiber DesiyiiFigure 10. Symmetry Breaking Inner Cladding Feature Design大孔径的内包层能使大面积发光的包层泵浦光能直接耦合入内包层中， 泵浦光在内包层和外包层的界面上来回反射，反复穿越纤芯，激活增益光纤, 使纤芯中传输的信号不断放大。图2双包层光纤戴面示意困这种具有双包层结构的增益光纤的内包层界面形状对泵浦吸收效率具有 很大的影响。内包层形状为圆界面的双包层光纤对泵浦光吸收效率非常低， 而D形和矩形双包层光纤对泵浦光的吸收效率则较高。目前，双包层Er/Yb 共掺光纤内包层横界面一般采用矩形、正六边形或梅花形。四、1550n

15、m银钮超大功率光放大系统中VOD视频并发流的插播技 术解决方案如图12所示，为155011m饵钮超大功率光放大器的一种典型应用。首先，下行广播系统(Broadcast)的构建：(1)从总前端经环网的两条不同路由的光功率分别驱动分前端中的2台 超大光功率的EYDFA。每台EYDFA分别输入到一个超大光率的光开关中， 其中切出一路2w的光功率(另一路作备份)至1个16x16的光分路器，输出 16路20dBm ( lOOmw)的光功率，构成了 一个全保护的1550nm光网。(2)每20dBm II再分别连接1个8x8的光分路器进行光功率的分配， 其每路光功率经0-5km的光缆连接到小区的1个1x8的

16、光分路器中，每路分 别连接8栋楼宇，完成了 FTTB的构建。(3) 16x16的光分路器的每分光II输出的光功率(相当于1台20dBm的 EDFA)最好覆益64个光节点或大楼(约3200户),每光节点接收光功率预 算在03dBm之间。之所以使16x16光分路器的每个端I I覆盖2n ( 64)个 光节点，主要是为了能与EPON的1-2台OLT相匹配，每台OLT能接入32 或64个CNU。可见，采用饵用超大功率放大技术，每个分前端只需要1台EYDFA (另 1台为备份)，可提供16个20dBm,覆盖1024个光节点，约51200户。分前 端变得非常简洁。在实际应用中，一开始光节点较少时，或许只需

17、用到几个20dBm II,此时，可以暂时不购置备份的EYDFA,以节省前期投入。当20dBm I使用量超过8个以上时，或有双向互动VOD业务时，一定要1 + 1热备份，提高和确保网络的可靠性和可用性。边缘QAM光A 1OA 1直调式 1550TX20%的并发接入率：开通用盖率80%FTTB小区楼宇型光接收机PON-3X1633dBm(2 W)Overlay非均匀插播系统开ONU关1310TX直调式 1550TX直调式 155OTX边缘QAM 调制器1550Tx1310TX边*QAMttBQAM 调制40%的并发接入率：开通率100%8EDFAxj64 X 50=25,600户/640个并发流，

18、开通覆盖率10%ixi图12用1550nm钥钮超大功率光放大技术(ErYbDFA)构建NGB网络的新型构造其次，下行非均匀精准插播系统(Narrowcast)的构建：下行插JS( Narrowcast)系统及其技术是1550nm光纤放大技术构建FTTB, 实现VOD视频点播的关键和支撑基础。在这里给出了一种能实现非均匀的插 播系统，能够完全依据每个片区VOD视频并发流的实际需求量予以插播，同 时又能充分利用已有的设备，比如1310nm正向光发送机、EDFA1550nm光纤 放大器实现插播。传统的1310nm光发送机模式必须固定、均匀地插播的局限，即每台光 发送机均匀地覆盖固定的几个光节点，使每

19、台边缘QAM调制器也只能与这台 光发送机一一对应地对这几个光节点进行插播，而不能够依据这几个光节点 的实际点播的或所需的并发流实现精准的插播。而不精准的插播就会使一些 边缘QAM调制器提供的并发流过多，而另一些则不够，不能很好地满足用户 的需求。因而，在1310nm光发送机模式中，每台正向光发送机要覆盖多少 光节点，多少用户，提供多少并发流为最佳，在初始设计或规划时，是非常 难以确定的。而采用NxN光分路器的插播系统就能有效地解决这个问题。如图所示，16x16的光分路器有16个输出口和14个输入口，其中有2 个A级输入II ,能被分配至16个输出口，2个B级输入II分别分配至8个输 出H, 4

20、个C级输入H分别至4个输出I, 8个D级输入I分别至2个输出 II，而每个输出端1I输出20dBm,连接到一个8x8光分路器的1个A级输入 【I,从8路输出覆趣64个光节点。利用这种16x16和8x8的多输入的光分路 器就能非常方便地实现非均匀的、能分步实施的精准插播:（1） 如图所示，在1个8x8的另一个A级输入I I上连1台1 Omw的 1550nm或1310nm光发送机就能将1台边缘QAM调制器的所 行4x16个频点的640套SDTV或128套HDTV并发流（窄播 信号）与广播光信号一起混入进下行通道，覆盖64个光节点， 3200个用户，开通覆盖率可达80%,并发接入率为20%。（2）

21、如果要进一步提高并发接入率至40%,可在8x8光分路器的2 个B级输入上接2台光发送机和边缘QAM调制器。1台边缘 QAM调制器覆盖32个光节点，1600户；当分别接至4个C 级输入II时，1台边缘QAM剧制器只覆盖16个光节点，800 户，并发接入率达80%。（3） 如图进一步显示，当1台边缘QAM调制器的频点数因广播频 道数制约时，不能达到满频点插播时，可用2台边缘QAM调 制器的2x16个频点（320个SDTV或64个HDTV并发流）分别 连至2台1310或1550nni的光发送机，与8x8光分路器的C 级输入口相接，覆盖16个光节点，800户，并发接入率达40%。（4） 如果某些片区点

22、播率不高（比如一开始时，实际的点播用户较 少），则可以充分利用已有的EDFA光放大器，实现大范围的 VOD的开通覆盖。如图所示，给出1台20-22dBm的EDFA与 1台1550nm光发送机相结合，连接至16x16光分路器的1个B 级输入口（对应8个输出口，每11覆盖64个光节点），覆盖512 个光节点，25600户（此时，1个分前端只需要2台EDFA,就 能全部涵盖)，开通覆盖率为10%。最后，是并发流的预算：1台边缘QAM调制器的1个8MHz频点可传送10个SDTV标清井 发流(3Mbps,64QAM调制)或2套HDTV高清电视节目(25Mbps)。1台边缘QAM调制器一般有64个领点，共640个SDTV并发流或 128HDTV并发流。按1 ： 4的收敛率计收,1台边缘QAM 调制器可支持2560户的接 入开通，如图所示:与1 II 20dBm匹配，覆盖64个光节点时( 50X64= 3200),接入率 为 80% o与4 I I 20dBm匹配，覆盖4X64个光节点( 50X64X4 = 12800),接 入率为20%的接入率。与8 I I 20dBm匹配，覆靛8 X 64个光节点(50X64X8 = 25600),接 入率为10%的接入率。