OptiAmplifier下的光纖拉曼放大器仿真探究

張 浩

OptiAmplifier下的光纖拉曼放大器仿真探究

張 浩

（陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

本文利用Optiamplifier光放大器設(shè)計軟件對拉曼放大器的泵浦光源種類、泵浦光源波長、泵源數(shù)目及功率的大小，及采用何種光纖等方面進行了仿真實驗，最后從成本、實用角度出發(fā)采用三泵源實現(xiàn)了1530～1600nm放大帶寬、平坦增益等性能指標(biāo)。

光纖拉曼放大器；拉曼增益；噪聲系數(shù)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信波段由C帶（1528nm-1562nm）向L帶（1570-1610nm）和S帶（1485-1520nm）擴展。光纖拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier，F(xiàn)RA）基于受激拉曼散射機制，是唯一能在1270nm到1670nm的全波段上進行光放大的器件。同時，F(xiàn)RA還具有寬帶放大特性、噪聲系數(shù)低以及可用普通光纖作為增益介質(zhì)等內(nèi)在優(yōu)勢。使得FRA成為近年來研究的熱點，在光通信方面有廣泛的、極具吸引力的應(yīng)用前景。

本次研究確定實現(xiàn)如下的拉曼放大器指標(biāo)：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)L+C波段（1535-1605nm）的近70nm寬帶Raman放大；

2）拉曼增益能夠達到或超過10dB的開關(guān)增益；

3）拉曼放大的增益紋波系數(shù)不超過0.5dB，且偏振相關(guān)增益小于0.5dB；

1 泵浦波長及數(shù)目的選擇

因為多泵浦Raman寬帶光纖放大器的最大優(yōu)點之一是通過選擇合適的泵浦波長及泵浦光功率來實現(xiàn)寬帶而平坦的增益譜寬。因此我們一方面自行建模，進行Raman泵浦光源的優(yōu)化設(shè)計；同時利用Optiwave 公司的光放大器的設(shè)計軟件OptiAmplifier。此設(shè)計軟件提供了可視化的EDFA及Raman 光纖放大器的設(shè)計及仿真軟件，并提供與MATLab的數(shù)據(jù)接口，可以在MATLab環(huán)境下，通過自行設(shè)計的器件模塊以及OptiAmplifier提供的基本光器件模塊，設(shè)計我們需要的Raman放大器的光路，并對器性能進行仿真在給定的帶寬之內(nèi)優(yōu)化。在設(shè)計過程中我們可以看到，采用較多的泵浦可以得到更寬的帶寬。然而從實用的角度考慮，在滿足設(shè)計要求的同時，盡可能的降低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜程度，以較少的泵浦?jǐn)?shù)目實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。圖1給出了三個泵浦（1447nm、1467nm、1497nm）和四個泵浦（1450nm、1465nm、1487nm、1502nm）的條件下拉曼增益譜的仿真結(jié)果。

理論仿真得到的三泵浦增益譜曲線和噪聲系數(shù)譜如下圖2（a）（b）所示。由圖2（a）可以看出，在采用三個泵浦光源的條件下，我們可以得到近似1535nm到1625nm范圍近80nm的帶寬，且其增益平坦性能較好。

圖2（b）給出的是對應(yīng)的仿真噪聲系數(shù)，同樣可以看出，在上述的帶寬條件下，其對應(yīng)的噪聲系數(shù)為負(fù)值，符合拉曼放大器噪聲系數(shù)要求。設(shè)計得出的Raman增益與光纖有效截面積之間關(guān)系如圖3所示。在相同光纖長度（40KM）下，光纖的有效截面積分別為80，72，60，50平方微米在相同的條件下，得到的拉曼增益譜曲線，從曲線中可以看出：在其他條件相同的前提下，光纖的有效截面積越小，其增益系數(shù)越大。

設(shè)計時得到的Raman增益與輸入波長信道數(shù)目之間關(guān)系的設(shè)計仿真曲線如圖4所示。圖4是在泵浦條件不變的條件下，信道數(shù)目與拉曼增益的關(guān)系曲線。

從圖中可以看出，由于Raman放大器飽和功率較高，當(dāng)信道數(shù)目從4個增加到8個再到22個時，對同一個信號波長，拉曼放大器的增益有所下降，但其下降的幅度不是很大（最大約為1dB）左右）。圖5是摻鉺光纖放大器（EDFA）的增益隨著信道數(shù)目的增加導(dǎo)致其增益變化的情形；當(dāng)加入信道的數(shù)目從1路增加到16路時，EDFA的放大增益最大下降接近14dB。對比圖4和圖5可以看出拉曼放大器增益互調(diào)現(xiàn)象相對于摻鉺光纖放大器來說具有無可比擬的優(yōu)越性，這也是拉曼放大器的一個極其誘人的優(yōu)點。

Raman增益與輸入信號之間的關(guān)系如下圖6所示。圖6給出了在光纖的長度和截面積保持不變的條件下，改變信號光的輸入功率時，其對應(yīng)的拉曼變化情況。從圖中可以看出，在其它條件不變的情況下，輸入信號了功率從0dB減小到－20dB時，各個信號功率對應(yīng)的拉曼增益是逐漸增大的，信號功率最小時其對應(yīng)的拉曼增益為最大。但當(dāng)信號減小到一定程度，如圖3.6所示，當(dāng)信號功率為－10dB和－20dB時，其對應(yīng)的拉曼增益數(shù)值變化就非常小了，接近一個恒定的數(shù)值，這也說明了在計算拉曼增益時，一定要注意在小信號輸入功率這個條件是非常合理的，否則可能會出現(xiàn)較大的偏差。

2 光纖拉曼放大器中拉曼光纖的選擇

對于光纖放大器的設(shè)計和實現(xiàn)，增益介質(zhì)的選擇是一個關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有石英光纖的拉曼增益效率極低，故要求的泵浦光功率較高。為了獲得較高的增益，人們嘗試各種不同類型的光纖作為增益介質(zhì)，表 1給出了 5種典型光纖用于拉曼增益介質(zhì)時的參數(shù)。

從表1分析，可發(fā)現(xiàn)在選擇拉曼光纖時，應(yīng)考慮以下因素的影響：

1)纖芯摻雜濃度。在一定范圍內(nèi)增加纖芯摻雜濃度可以增加拉曼效應(yīng)；

2)有效纖芯截面積。小的有效纖芯截面積將可以增大泵浦光的功率密度，從而增加光纖的拉曼效應(yīng)；

3)光纖長度。圖7給出了三種不同光纖的拉曼凈增益隨光纖長度變化的曲線?？梢钥闯觯S著光纖長度的增大增益曲線趨向飽和，同時較長的光纖導(dǎo)致噪聲指數(shù)亦變大，如圖8所示。因此，在獲得一定增益的同時，應(yīng)選擇最短的飽和長度。

4）纖衰減系數(shù)。高衰減系數(shù)使光纖有效長度減小，從而拉曼凈增益減??；同時高α值導(dǎo)致噪聲指數(shù)亦變大。因此從這兩方面講，光纖衰減系數(shù)越小越好。

可以看出，用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和標(biāo)準(zhǔn)色散位移光纖作為拉曼增益介質(zhì)，很難獲得較大增益；L＜10km的色散平坦光纖增益約10dB，增大光纖長度可使增益提高，但實用化比較困難；高非線性光纖的增益最大，但考慮到在相同長度下其增益和色散補償光纖相差不大，而噪聲指數(shù)約是色散補償光纖的2倍，因此從整體上考慮，色散補償光纖 (DCF)是光纖拉曼放大器的最佳增益介質(zhì)。

3 實驗所用的一些主要儀器和設(shè)備：

1）6波長WDM標(biāo)準(zhǔn)波長激光器一臺，武漢郵科院

2）可調(diào)DFB激光器一臺，Narno Photonics

3)DFB激光器一臺，AnritusMG9638A

4)光譜分析儀1臺，AnritusMS9720A

5)光隔離器；

6)光功率計1臺，ExFo；

7)8波長可調(diào)WDM光源 santec（ExternalcavityTunable LD Module）

4 結(jié)論

本此研究是通過Optiwave 仿真設(shè)計軟件和Matlab工具對光纖拉曼放大器進行了仿真設(shè)計。在仿真設(shè)計的基礎(chǔ)上對拉曼放大器樣機進行了研制和測試工作，并對樣機進行了性能測試（包括增益特性，噪聲特性及偏振相關(guān)特性等）的測量工作。測量結(jié)果表明，此光纖拉曼放大器樣機性能優(yōu)良，達到或超過目前的商用目標(biāo)，主要指標(biāo)結(jié)果為：增益帶寬70nm，平均工作增益10.36dB，增益平坦度0.48dB，有效噪聲系數(shù)-2.52dB，偏振相關(guān)增益0.3dB。

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Simulation study of OptiAmplifier fiber Raman amplifier

Zhang Hao
(Xianyang City,Shaanxi Province,Shaanxi Post and Telecommunication College,712000)

In this paper,by using Optiamplifier optical amplifier design software pumping light source, the Raman amplifier pump wavelength, pump power source number and size,and the optical fiber was used to simulate the experiment,finally from the practical point of view,the cost of three pump source to achieve 1530 ~ 1600nm amplification bandwidth, flat gain and other performance indicators.

Raman fiber amplifier; Raman gain coefficient;noise

表1 不同類型光纖的一些拉曼特性