江蘇中博通信有限公司 沈順元

混合式喇曼/摻鉺光纖放大器特性及應(yīng)用進(jìn)展

江蘇中博通信有限公司 沈順元

摘要：介紹了光纖喇曼放大器的結(jié)構(gòu)，分析了分布式喇曼放大器（DRA）的低噪聲特性。對(duì)于Raman/EDFA（喇曼/摻鉺光纖放大器）混合式光放大器的主要特性進(jìn)行了深入討論并介紹了它在波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：光纖喇曼放大器；摻鉺光纖放大器；波分復(fù)用；噪聲；增益譜

0　引言

如果沒(méi)有喇曼（Raman）放大，要在常規(guī)的光纖跨段上傳輸速率40 Gb/s以上的信號(hào)，是很難獲得所要求的光信噪比（OSNR）的[1]。FRA（光纖喇曼放大器）有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：任何光纖都有喇曼增益，因此很容易利用已經(jīng)鋪設(shè)的光纖實(shí)現(xiàn)喇曼放大，在終端對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，十分經(jīng)濟(jì)；喇曼增益譜范圍決定于泵浦波長(zhǎng)，可采用多波長(zhǎng)泵浦得到寬的平坦增益譜，光帶寬可達(dá)80～100 nm；喇曼放大的增益帶寬大，其半高全寬達(dá)6 THz，適合于高速率信號(hào)的放大；喇曼放大在本質(zhì)上是低噪聲的，有利于系統(tǒng)信噪比的提高。

1　光纖喇曼放大器

FRA主要由喇曼增益媒質(zhì)（光纖）、泵浦光源、耦合器等構(gòu)成。信號(hào)光與泵浦光可以同向傳播，也可以反向傳播。圖1為反向泵浦FRA的結(jié)構(gòu)框圖，泵浦功率通過(guò)耦合器反向注入光纖，輸入信號(hào)在與泵浦信號(hào)相向傳輸中因受激喇曼散射而獲得放大，并從輸出端輸出。如果泵浦波長(zhǎng)為1 450 nm，則喇曼散射產(chǎn)生的信號(hào)光波長(zhǎng)約為1 550 nm，剛好落在光纖通信的最低損耗窗口。圖1中兩端的光隔離器用于消除各種反射的放大及雙瑞利散射，保證放大器的穩(wěn)定工作。在同向泵浦時(shí)，放大主要發(fā)生在鏈路的發(fā)送機(jī)端，因此鏈路始端的信號(hào)功率就較高，且產(chǎn)生的放大的自發(fā)發(fā)射（ASE）功率沿鏈路是衰減的，有利于信噪比的提高；另一方面，信號(hào)與泵浦光同向傳輸?shù)倪^(guò)程中，泵浦光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲會(huì)轉(zhuǎn)移到信號(hào)上，引起嚴(yán)重的信噪比退化。在反向泵浦時(shí)，泵浦功率在接收機(jī)端注入，增益主要產(chǎn)生在靠近接收機(jī)端的一段長(zhǎng)約20 km的鏈路上，輸出端信號(hào)較強(qiáng)，因此反向泵浦方式能夠改善系統(tǒng)的信噪比，獲得了廣泛的應(yīng)用。

FRA有分布式（DRA）和分立式（或集中式）兩類。DRA利用傳輸光纖本身作為增益媒質(zhì)，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，達(dá)幾十千米。實(shí)驗(yàn)證明，DRA能提高系統(tǒng)的功率預(yù)算，延長(zhǎng)光纖跨段及系統(tǒng)傳輸距離，減少系統(tǒng)非線性的影響，因而受到高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的青睞；分立式喇曼放大器的長(zhǎng)度較短，一般在十千米以內(nèi)，通常采用高摻鍺、低損耗、小有效面積的色散補(bǔ)償光纖作為增益媒質(zhì)，它一方面用于信道的色散補(bǔ)償，同時(shí)也用作為喇曼增益媒質(zhì)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益、低噪聲放大。目前分立式喇曼放大器的研究主要集中在光纖傳輸損耗較低的S波段。

圖2為集中式光放大器〔如EDFA（摻鉺光纖放大器）〕與反向分布式光放大器中信號(hào)功率沿傳輸距離的變化。在EDFA系統(tǒng)中，放大器輸出端的信號(hào)功率電平最高，然后慢慢減小到下一級(jí)放大器輸入端的低電平。顯然，高電平端容易受到非線性的影響，低電平端則噪聲性能差；相對(duì)而言，DRA整段維持中等大小的功率電平，預(yù)期受到光纖非線性的影響要小于EDFA。由于系統(tǒng)的噪聲性能決定于信號(hào)的輸出功率與ASE功率之比，而DRA的輸出端功率電平高，因此DRA具有比EDFA更好的噪聲性能也就不足為奇了。

喇曼放大器的噪聲源中，有的是所有光放大器中所共有的，如散彈噪聲、ASE噪聲、與上能級(jí)壽命有關(guān)的噪聲等；有的則是其獨(dú)有的，如雙瑞利散射噪聲、受激聲子熱噪聲等。通常情況下，喇曼放大器的主要噪聲源是信號(hào)與ASE之間的拍頻噪聲。由于喇曼放大器中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)幾乎總是完全的，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)系數(shù)nsp≈1，因此在本質(zhì)上它是低噪聲的。

反向泵浦分布式喇曼放大器的噪聲性能可等同于一段無(wú)源光纖加上一個(gè)虛構(gòu)的等效分立式放大器的噪聲性能，見(jiàn)圖3。

這里，將傳輸光纖視作為第一個(gè)“放大器”，后接一個(gè)分立式光放大器。GR和FnR為有喇曼泵浦時(shí)的增益和噪聲系數(shù)，Gf（它等于光纖跨段損耗Lsp的倒數(shù)）和Fnf為沒(méi)有喇曼泵浦時(shí)的增益和噪聲系數(shù)。注意GR和Gf有可能小于1，這顯示傳輸光纖中出現(xiàn)了凈損耗。Fn,eff為置于傳輸系統(tǒng)輸出端的虛構(gòu)等效分立式光放大器的噪聲系數(shù)，它與喇曼泵浦系統(tǒng)具有同樣的噪聲性能。無(wú)泵浦功率時(shí)，跨段損耗Lsp很大，信噪比將嚴(yán)重惡化；但隨著泵浦功率的增加，喇曼增益不斷提高，則信號(hào)增強(qiáng)，信噪比增大，或噪聲系數(shù)逐漸下降。

在喇曼放大器研究中，這種噪聲系數(shù)的改善常常采用等效噪聲系數(shù)Fn,eff的概念，從級(jí)聯(lián)放大器噪聲系數(shù)的Friis公式可得

因此，等效噪聲系數(shù)為

由于Gf＝1/ Lsp，上式可用dB表示為

式（3）說(shuō)明，DRA的等效噪聲系數(shù)等于傳輸光纖有、無(wú)泵浦時(shí)的噪聲系數(shù)之比，且用dB表示的等效噪聲系數(shù)通常是負(fù)的。例如，設(shè)光纖損耗為0.2 dB/km，光纖長(zhǎng)度100 km，則從式（3）可得Fn,eff＝FnR(dB)－20 dB。測(cè)量和模擬的DRA等效噪聲系數(shù)與泵浦功率有關(guān)，隨著泵浦功率的提高，喇曼增益增大，其等效噪聲系數(shù)逐漸下降，在一定的泵浦功率時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，見(jiàn)圖4。而泵浦功率進(jìn)一步提高時(shí)，雖然喇曼增益也增大，但其等效噪聲系數(shù)反而增大了，這是由于瑞利散射噪聲迅速增大所致。從圖4可見(jiàn)，在一定的泵浦功率時(shí)，DRA的等效噪聲系數(shù)約為－3 dB，而EDFA的典型噪聲系數(shù)為4 dB，因此采用DRA時(shí)的信噪比改善可達(dá)7 dB之多。

2　Raman/EDFA混合光放大器性能

雖然光纖喇曼放大器具有低噪聲的特性，但瑞利散射限制了其增益不能超過(guò)10～15 dB。而通常，光纖的一個(gè)傳輸跨段長(zhǎng)為80～100 km，因此在光纖損耗為0.2 dB/km時(shí)，要求的光放大器增益應(yīng)在16～20 dB以上，即一個(gè)DRA的增益尚不足以補(bǔ)償一個(gè)傳輸跨段光纖的損耗。為此，可在DRA后面級(jí)聯(lián)一個(gè)目前波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的低增益EDFA，從而構(gòu)成Raman/EDFA混合式光光放大器，這是目前高速光通信系統(tǒng)中的一種典型用法，應(yīng)用于系統(tǒng)中時(shí)在增大EDFA帶寬的同時(shí)，既能增加跨段距離，又能減小光纖非線性的影響。由于信號(hào)進(jìn)入EDFA中時(shí)的功率已被DFA放大到了足夠高，因而可忽略EDFA產(chǎn)生的附加噪聲。這樣，Raman/EDFA混合式光放大器的等效噪聲系數(shù)必然是低的，因而能顯著提高系統(tǒng)的OSNR[1]。

下面進(jìn)一步介紹Raman/EDFA混合式光放大器的優(yōu)勢(shì)。

2.1噪聲特性[2,3]

Raman/EDFA混合式光放大器的結(jié)構(gòu)及等效系統(tǒng)如圖5所示。利用這兩個(gè)系統(tǒng)的等效關(guān)系，有如下的關(guān)系：

其中Fn，EDFA為EDFA的噪聲指數(shù)。從式（4）可得該系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)為

可見(jiàn)，由于DRA的增益，進(jìn)入EDFA的信號(hào)功率很高，則可忽略EDFA產(chǎn)生的附加噪聲，即式（5）可簡(jiǎn)化為式（2）。如果增益足夠高，等效噪聲系數(shù)不但能小于分立式光放大器的3 dB量子極限，而且甚至也可能是負(fù)的。由于OSNR反比于光放大器的噪聲系數(shù)，因此等效噪聲系數(shù)減小1 dB，OSNR就能增加1 dB。喇曼增益愈高、跨段損耗愈大，等效噪聲系數(shù)愈低，OSNR的改善愈明顯，這對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)無(wú)疑都是十分有利的。

2.2增益譜特性

光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，與光放大器EDFA和WDM技術(shù)的珠聯(lián)璧合密不可分。但EDFA的傳統(tǒng)放大波段是C波段（1 520～1 565 nm），能提供35～40 nm的傳輸帶寬。但對(duì)于高速發(fā)展的光通信應(yīng)用來(lái)說(shuō)，該帶寬的容量早已是捉襟見(jiàn)肘。為此，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)波長(zhǎng)的L波段EDFA（1 570～1 620 nm）。一個(gè)寬帶的EDFA通常有二級(jí)構(gòu)成，一級(jí)放大C波段信號(hào)，另一級(jí)放大L波段信號(hào)。它采用復(fù)雜的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，二級(jí)之間有10 nm的隔離帶，以消除多徑干涉的影響，噪聲性能亦不如C波段的EDFA。

對(duì)于喇曼放大器，雖然光纖本身的增益譜很寬，但卻是不平坦的類三角形形狀，不利于WDM應(yīng)用。為了獲得平坦的寬帶增益譜，通常采用多泵浦技術(shù)，不同泵浦波長(zhǎng)的多個(gè)增益峰合成所需要的寬帶寬。如采用12個(gè)不同波長(zhǎng)不同功率的泵浦激光器，獲得了80 nm寬的增益譜，增益脈動(dòng)小于0.1 dB。顯然，其代價(jià)是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

Raman/EDFA混合式光放大器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠簡(jiǎn)單地構(gòu)成寬的平坦增益譜。眾所周知，EDFA的增益譜形狀是后傾的三角形，而喇曼增益譜的形狀則是前傾的三角形，見(jiàn)圖6。將二者的反對(duì)稱形狀合成，則構(gòu)成的Raman/EDFA混合式光放大器預(yù)期可以獲得足夠?qū)挼钠教乖鲆孀V。例如，一個(gè)1 497 nm反向泵浦的DRA，后接一個(gè)980 nm泵浦的C波段EDFA，再加上一個(gè)增益均衡平坦濾波器，就構(gòu)成了一個(gè)寬帶Raman/EDFA混合式光放大器，其增益譜達(dá)寬80 nm（均衡后的增益脈動(dòng)小于±0.2 dB），連續(xù)覆蓋了C加L兩個(gè)波段。該混合放大器的等效噪聲系數(shù)為2.7～4.8 dB，顯然優(yōu)于一般的C波段EDFA。采用它作為中繼光放大器，將256×10 Gb/s的信號(hào)無(wú)誤碼傳輸了11 000 km[4]。

3　Raman/EDFA在WDM系統(tǒng)中應(yīng)用

Raman/EDFA混合式光放大器在高速大容量光纖通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)中獲得了廣泛的應(yīng)用，包括長(zhǎng)距離陸地及海底的WDM系統(tǒng)、長(zhǎng)距離無(wú)中繼系統(tǒng)、WDM光網(wǎng)絡(luò)等，尤其是在速率大于40 Gb/s的系統(tǒng)中更是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。例如，文獻(xiàn)[4]介紹了采用80 nm帶寬Raman/EDFA混合式光放大器傳輸2.56 Tb/s（256×10 Gb/s）信號(hào)11 000 km的結(jié)果；文獻(xiàn)[5-6]分別介紹了采用Raman/EDFA混合式光放大器延長(zhǎng)信號(hào)無(wú)中繼傳輸距離的報(bào)道；文獻(xiàn)[7]創(chuàng)造了大容量的38.75 Tb/s（155×250 Gb/s）信號(hào)傳輸6600 km的記錄，采用C加L的Raman/EDFA混合式光放大器，中繼距離100 km；文獻(xiàn)[8]介紹了增益平坦的Raman/EDFA放大器結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[9-10]進(jìn)一步對(duì)單個(gè)光放大器（EDFA，Raman）與混合式光放大器（EDFA/EDFA，Raman/Raman，EDFA/Raman）的性能，進(jìn)行了深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

在剛剛結(jié)束的OFC2014會(huì)議上，報(bào)道了許多100 Gb/s及B100 Gb/s的超高速率光纖通信系統(tǒng)的傳輸驗(yàn)證，大多采用Raman/EDFA或全喇曼的光放大器[11,12]。B100 Gb/s稱為超越100 Gb/s（beyond 100 Gb/s），即信道傳輸速率達(dá)到400 Gb/s甚至1 Tb/s以上。例如文獻(xiàn)[12]報(bào)道了一個(gè)WDM環(huán)路傳輸3 200～4 800 km的測(cè)試結(jié)果，采用增益為25 dB的Raman/EDFA混合式光放大器，跨段距離100 km，譜效率高達(dá)3.3 b/（s·Hz）（在400 Gb/s速率時(shí)）及5 b/（s·Hz）（在1 Tb/s速率時(shí)）。

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