國產FPGA助力長跨度光纖傳輸系統

1、光纖傳輸系統發展

光纖傳輸系統由PDH發展到SDH，再到后來的WDM系統，從最初的單波長通道發展到多波長通道，光纖通信系統的傳輸容量在不斷提高，光纖傳輸系統未來會繼續沿著超高速、超大容量、超長距離傳輸的方向發展。
光纖在長距離傳輸時，存在一定的損耗和色散，導致光信號能量降低，為了加長通信距離需要在通信線路中設置一定數量的中繼器，以便使衰減的光信號強度得到補充。中繼器都是采用光-電-光的轉換方式，即O/E/O變換，具有成本高、系統復雜、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中傳統的光-電-光混合式中繼器，奠定了高速大容量WDM光通信系統與網絡大規模應用的基礎。這項技術不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創了1550nm頻段的波分復用，從而使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發展史上的一個劃時代的里程碑。光纖放大器在光纜電視（CATV）、光纖傳感、空間光通信、光雷達、光加工等技術領域有著廣泛應用。使用光纖放大器可大大提高光纖傳輸系統的容量和單跨段傳輸距離，在骨干網傳輸中，光纖放大器的應用可以大大減少長途干線系統的再生中繼器的數量。

圖 光纖放大器在CATV傳輸系統中的應用

圖 光纖放大器在DWDM系統中的應用

2、長跨度光纖傳輸系統關鍵器件

—光纖放大器

光纖放大器一般由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成，目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和拉曼光纖放大器（RFA）三種。根據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。現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的相干光系統、光孤子通信系統、WDM或OFDM系統、光纖CATV系統、特種專用系統（雷達多路數據復接、數據傳輸等）領域，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，可以用于實現摻鉺光纖放大器EDFA的控制電路功能。我司億海神針系列FPGA的典型應用案例如下圖所示，其中FPGA可實現壓控恒流源的高速PID控制，TEC溫控系統的PID控制，并完成與上位管理單元的通信功能。

圖 FPGA在EDFA上應用架構圖

優勢：

1）基于光纖放大器的應用場景復雜，多為客戶定制產品，產品研發周期較長，利用FPGA實現的光纖放大器，可根據不同用戶場景需求進行電路參數的快速多樣性研發設計，加快研發進度；

2）FPGA的靈活性設計平臺，提高研發效率，進而可以降低產品研發成本；

3）光纖放大器控制電路部分多為實時性控制功能，利用FPGA可提高控制信號的響應速度；

4）對電路參數變化、激光器性能變化適應性好，一定程度上加強了通用性；

5）利用FPGA控制，系統更加容易擴展，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，是中國科學院“可編程芯片與系統”研究領域的科研與產業化團隊，按照國家創新驅動發展戰略，發起成立的以“可編程邏輯芯片與可重構系統”為技術特色的高新技術企業。公司堅持全正向設計技術路線，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軟件與可重構系統，提供具有高性能和自適應計算的行業解決方案和集成電路設計服務，具有較完善的知識產權保護體系。