喇曼和摻鉺光纖放大器在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

        高速數(shù)據(jù)通信和高質(zhì)量視頻通信以及多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展使得長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)容量成倍增長(zhǎng)，波分復(fù)用技術(shù)(WDM)的逐漸商用和EDFA 的應(yīng)用使光纖的通信速率從原來(lái)的10Gb/s達(dá)到了Tb/s。繼續(xù)增加復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)目(全波段波長(zhǎng)放大)，是對(duì)光纖放大器提出的新要求。喇曼光纖放大器（FRA）因其全波段放大特性、可利用傳輸光纖在線放大特性以及優(yōu)良的噪聲特性，再次成為光纖通信系統(tǒng)中研究的熱點(diǎn)。

       2 EDFA與FRA性能對(duì)比

       2.1 EDFA性能分析2.1.1 飽和增益性能

       EDFA采用摻鉺離子單模光纖作為增益介質(zhì)，在增益介質(zhì)吸收波長(zhǎng)上提供泵浦，形成激光放大的條件。利用980nm和1480nm附近的半導(dǎo)體激光器可以有效泵浦EDFA，僅用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得30～40dB的高增益放大。通過(guò)改變其摻雜元素，可以進(jìn)一步使增益譜的平坦度和譜寬得到改善?，F(xiàn)在EDFA在C波段主要是通過(guò)摻入鋁、L波段是通過(guò)摻入碲化物來(lái)拓寬和均衡其譜寬特性。

       通過(guò)理論模型求出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差及泵浦功率，就可得到增益系數(shù)，通過(guò)在整個(gè)摻鉺光纖放大器長(zhǎng)度上進(jìn)行積分，即可求出光纖放大器的增益。由于泵浦功率沿光纖變化，所以各處的增益系數(shù)是不同的，增益必須在整個(gè)光纖上積分得到，因此通過(guò)選擇光纖長(zhǎng)度可以得到較為平坦的增益。

        圖1為EDFA小信號(hào)增益G與泵浦功率 PP及摻鉺光纖放大器長(zhǎng)度L的關(guān)系曲線。增益系數(shù)隨著放大器的長(zhǎng)度存在一個(gè)最佳值，超過(guò)這個(gè)值后，放大器的增益反而因?yàn)楣饫w的衰減損耗而減小。

       在光纖長(zhǎng)度一定時(shí)，并不是泵浦功率越大，增益系數(shù)越大，而是存在一個(gè)飽和值，超過(guò)它，增益系數(shù)將不再會(huì)增大。因此在給定摻鉺光纖的情況下，應(yīng)選合適的泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(圖2)。

         2.1.2 噪聲特性

        噪聲系數(shù)Fn定義為，噪聲系數(shù)用來(lái)描述放大器對(duì)信噪比的惡化程度，噪聲系數(shù)越小，輸出的信噪比越高。

        EDFA的噪聲系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差DN 有關(guān)，泵浦越充分，DN越大，噪聲越小，強(qiáng)泵浦下的三能級(jí)系統(tǒng)即為EDFA的極限噪聲指數(shù)。

         2.2 FRA性能分析 2.2.1 飽和增益性能

        對(duì)光纖受激喇曼散射（SRS）的研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖具有很寬的喇曼增益譜（達(dá)40THz）。如果頻率為 wP泵浦光和wS的信號(hào)光（信號(hào)光波長(zhǎng)在泵浦光的喇曼增益帶寬內(nèi)）通過(guò)波長(zhǎng)選擇耦合輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過(guò)SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使光信號(hào)得到放大，泵浦光和信號(hào)光可分別在光纖的兩端輸入，在反向傳輸?shù)倪^(guò)程中同樣能實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的放大。

        對(duì)于FRA，當(dāng)信號(hào)功率增大，而泵浦功率轉(zhuǎn)移給信號(hào)而產(chǎn)生的消耗不可忽略時(shí)，泵浦功率在傳輸過(guò)程不斷衰減，信號(hào)光的放大速率受到限制，放大過(guò)程就會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。假定衰減系數(shù)aS ＝aP，可得到飽和增益的近似表達(dá)式為

        式中 ；GA為小信號(hào)增益系數(shù)。隨著r0（即P S(0)）增大，增益將呈現(xiàn)飽和特性。當(dāng)G Ar0≈1時(shí)，增益降到原來(lái)的一半。這時(shí)信號(hào)功率已接近輸入泵浦功率，可用輸入泵浦功率代表FRA的飽和輸出功率。

        2.2.2 噪聲特性

        光纖喇曼放大器通常分為兩類(lèi)：分立式和分布式（DRA）。由于DRA是分布式獲得增益的過(guò)程，其等效噪聲比分立式放大器的要小，集中噪聲指數(shù)可小于3dB，甚至可以是負(fù)值。當(dāng)它為負(fù)值時(shí)，相當(dāng)于提高輸入信號(hào)的信噪比，這樣就可以降低輸入信號(hào)的功率或者增加波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸距離。所以DRA輔助傳輸對(duì)WDM系統(tǒng)性能的提升具有非常重要的作用。已有系統(tǒng)表明，即使對(duì)于效果最差的1530nm信道，系統(tǒng)的信噪比也能提升4.5~6.5dB，等效噪聲指數(shù)Fn能夠到達(dá)5.9~8.9dB。

        2.3 性能對(duì)比 EDFA的特點(diǎn)：工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用；耦合效率高，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，熔接反射損耗也很小，不易自激；增益高，輸出功率大，增益可達(dá)40dB，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dBm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17~20dBm，噪聲系數(shù)可低至 3~4dB，串話也很小。EDFA也有缺陷，如波長(zhǎng)固定只能放大1.55mm左右的光波，光纖換用不同的介質(zhì)時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限；增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。

        FRA的特點(diǎn)：增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，理論上能得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大，應(yīng)用當(dāng)中，它不僅能工作在EDFA常使用的C波段，而且也能工作在較短的S波段（1350~1450nm）和較長(zhǎng)的L波段（1564~1620nm），完全滿足全波光纖對(duì)工作窗口的要求；增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身如DRA，沿傳輸光纖分布式放大，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響，這一點(diǎn)與EDFA相比優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)明顯；噪聲指數(shù)低，提升原系統(tǒng)的信噪比，DRA與EDFA組合使用可明顯提高長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)的總增益，降低系統(tǒng)總噪聲指數(shù)，提高系統(tǒng)Q值，從而提高系統(tǒng)可傳輸?shù)淖畲缶嚯x；增益譜比較寬，在普通DSF上單波長(zhǎng)泵浦可實(shí)現(xiàn)40nm范圍的有效增益，如果采用多個(gè)泵浦源，則易于實(shí)現(xiàn)寬帶放大。FRA的主要缺陷為：喇曼所需要的泵浦光功率高，分立式要用幾瓦到幾十瓦，分布式要用到幾百毫瓦；作用距離太長(zhǎng)，分布式作用距離為幾十到上百公里，增益只有幾到十幾個(gè)dB，這就決定了它只能適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)的低噪聲放大。

       3 EDFA與FRA在DWDM系統(tǒng)中的

       應(yīng)用

       3.1 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

       EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長(zhǎng)中繼距離，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合使用時(shí)(主要應(yīng)用于C，L波段)，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸。目前，EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用已比較成熟，在C波段可實(shí)現(xiàn)16，32或更多波長(zhǎng)系統(tǒng)的放大。EDFA的應(yīng)用形式主要有前置放大器、發(fā)射機(jī)功率放大器和光中繼器。圖3給出了EDFA在 DWDM系統(tǒng)中的使用形式。 將EDFA接在光發(fā)射機(jī)的輸出端（功率放大），提高輸出功率，增加入纖功率，由于EDFA 低噪聲的特性，將它用作接收機(jī)前置放大器，可大大提高接收機(jī)靈敏度。

        3.2 FRA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

        3.2.1 分立式喇曼放大器

        分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短，泵浦功率要求幾瓦到幾十瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，像EDFA一樣可用來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行集中放大，因此主要用于EDFA無(wú)法放大的波段。1999年，歐洲光通信會(huì)議上，斯坦福大學(xué)的研究人員公布了他們進(jìn)行分立式喇曼放大的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出，色散補(bǔ)償型光纖（DSF）是得到高質(zhì)量分立式喇曼放大的最佳選擇。如圖4的配置（DCF與普通光纖1∶7，泵浦功率500mW），可實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行系統(tǒng)色散補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益、低噪聲的放大。

        3.2.2 分布式喇曼放大器

        DWDM系統(tǒng)的傳輸性能受光纖的非線性影響， DRA采用傳輸光纖作為光放大媒介，能降低光纖的輸入功率，隨之降低FWM、交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，避免四波混頻效應(yīng)，DRA允許使用靠近光纖的零色散點(diǎn)窗口，即擴(kuò)大了光纖的可用窗口。

        采用DRA技術(shù)的傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖5所示，在WDM系統(tǒng)的每個(gè)再生段內(nèi)，在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵浦，信號(hào)將會(huì)沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式喇曼放大，從目前的技術(shù)看來(lái)也只有喇曼放大技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)光傳輸過(guò)程中的分布式放大。

       （1）DRA在DSF DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

        圖6為NTT 的DRA DWDM傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)距離為80