國產(chǎn)FPGA助力長跨度光纖傳輸系統(tǒng)

1、光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)展

光纖傳輸系統(tǒng)由PDH發(fā)展到SDH，再到后來的WDM系統(tǒng)，從最初的單波長通道發(fā)展到多波長通道，光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量在不斷提高，光纖傳輸系統(tǒng)未來會(huì)繼續(xù)沿著超高速、超大容量、超長距離傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。
光纖在長距離傳輸時(shí)，存在一定的損耗和色散，導(dǎo)致光信號(hào)能量降低，為了加長通信距離需要在通信線路中設(shè)置一定數(shù)量的中繼器，以便使衰減的光信號(hào)強(qiáng)度得到補(bǔ)充。中繼器都是采用光-電-光的轉(zhuǎn)換方式，即O/E/O變換，具有成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性降低等缺欠。80年代末至90年代初，研制成摻鉺光纖放大器（EDFA）代替長距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)的光-電-光混合式中繼器，奠定了高速大容量WDM光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用，從而使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用（WDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。光纖放大器在光纜電視（CATV）、光纖傳感、空間光通信、光雷達(dá)、光加工等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。使用光纖放大器可大大提高光纖傳輸系統(tǒng)的容量和單跨段傳輸距離，在骨干網(wǎng)傳輸中，光纖放大器的應(yīng)用可以大大減少長途干線系統(tǒng)的再生中繼器的數(shù)量。

圖 光纖放大器在CATV傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖 光纖放大器在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

2、長跨度光纖傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵器件

—光纖放大器

光纖放大器一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成，目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）和拉曼光纖放大器（RFA）三種。根據(jù)光纖放大器在光線路中的位置和作用，一般分為前置放大器（PA）、線路放大器（LA）和功率放大器（BA）三種。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的相干光系統(tǒng)、光孤子通信系統(tǒng)、WDM或OFDM系統(tǒng)、光纖CATV系統(tǒng)、特種專用系統(tǒng)（雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋╊I(lǐng)域，用作功率放大、中繼放大、前置放大。

圖 摻鉺光纖放大器（EDFA）模型

3、基于億海神針系列FPGA應(yīng)用案例

— EDFA

中科億海微億海神針系列FPGA邏輯資源覆蓋9K~130K，可以用于實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖放大器EDFA的控制電路功能。我司億海神針系列FPGA的典型應(yīng)用案例如下圖所示，其中FPGA可實(shí)現(xiàn)壓控恒流源的高速PID控制，TEC溫控系統(tǒng)的PID控制，并完成與上位管理單元的通信功能。

圖 FPGA在EDFA上應(yīng)用架構(gòu)圖

優(yōu)勢：

1）基于光纖放大器的應(yīng)用場景復(fù)雜，多為客戶定制產(chǎn)品，產(chǎn)品研發(fā)周期較長，利用FPGA實(shí)現(xiàn)的光纖放大器，可根據(jù)不同用戶場景需求進(jìn)行電路參數(shù)的快速多樣性研發(fā)設(shè)計(jì)，加快研發(fā)進(jìn)度；

2）FPGA的靈活性設(shè)計(jì)平臺(tái)，提高研發(fā)效率，進(jìn)而可以降低產(chǎn)品研發(fā)成本；

3）光纖放大器控制電路部分多為實(shí)時(shí)性控制功能，利用FPGA可提高控制信號(hào)的響應(yīng)速度；

4）對(duì)電路參數(shù)變化、激光器性能變化適應(yīng)性好，一定程度上加強(qiáng)了通用性；

5）利用FPGA控制，系統(tǒng)更加容易擴(kuò)展，提升了可靠性。

公司情況

中科億海微電子科技（蘇州）有限公司，是中國科學(xué)院“可編程芯片與系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的科研與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)，按照國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)起成立的以“可編程邏輯芯片與可重構(gòu)系統(tǒng)”為技術(shù)特色的高新技術(shù)企業(yè)。公司堅(jiān)持全正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線，自主研制具有高可靠性的嵌入式可編程電路IP核、可編程邏輯芯片、EDA軟件與可重構(gòu)系統(tǒng)，提供具有高性能和自適應(yīng)計(jì)算的行業(yè)解決方案和集成電路設(shè)計(jì)服務(wù)，具有較完善的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。