拉曼放大器技術(shù)在超長(zhǎng)距離傳輸中的應(yīng)用

劉海鋒 萬(wàn)崑

(1．增城市職業(yè)技術(shù)學(xué)校 電子汽修部，廣東增城 511300;2．華南師范大學(xué) 物理電信工程學(xué)院，廣州 510006)

光網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)可以分為以下三種:一是常規(guī)長(zhǎng)距離傳輸，指電中繼段長(zhǎng)度在640 km以下的系統(tǒng);二是亞超長(zhǎng)距離傳輸，指電中繼段長(zhǎng)度在640 km至2 000 km的系統(tǒng);三是超長(zhǎng)距離傳輸(ULH)，指電中繼段長(zhǎng)度在2 000 km以上的系統(tǒng)。采用超長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)，可以顯著提高光纖傳輸?shù)臒o(wú)電再生中繼單跨長(zhǎng)度和總傳輸距離，因此大量節(jié)約昂貴的光電轉(zhuǎn)換再生器，價(jià)格上表現(xiàn)為為獲得相同容量－跨距積所需的投資金額將隨著傳輸系統(tǒng)跨距的延長(zhǎng)可顯著降低。

1 拉曼放大器技術(shù)

在超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，拉曼放大器技術(shù)是非常矚目的光傳輸技術(shù)，可以放大摻餌光纖放大器不能放大的波段，并利用普通光纖就能實(shí)現(xiàn)分布式放大，從而大大提高系統(tǒng)的光信噪比。拉曼放大器利用光纖自身對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)在傳輸過(guò)程中的固有損耗可以在光纖內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于超長(zhǎng)距離系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，利用拉曼放大器可以提高系統(tǒng)的光信噪比，增加系統(tǒng)跨距長(zhǎng)度，提高波分復(fù)用系統(tǒng)的通路數(shù)和抑制光纖非線性效應(yīng)。

1.1 拉曼放大器工作原理［1］

光纖拉曼放大器是非線性光纖光學(xué)的重要應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖具有很寬的受激拉曼散射(SRS)增益譜，并在13 THz附近有一較寬的主峰，如圖1所示。如果一個(gè)弱信號(hào)與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦波的拉曼增益帶寬內(nèi)，泵浦光光子釋放其自身的能量，釋放出基于信號(hào)光波長(zhǎng)的光子，將其能量疊加在信號(hào)光上，弱信號(hào)光即可得到放大，這種基于SRS機(jī)制的光放大器即稱(chēng)為光纖拉曼放大器 (FRA)。

當(dāng)散射介質(zhì)的分子具有分立的本征能級(jí)結(jié)構(gòu)，而單色輸入光的頻率γ與分子任何一個(gè)共振吸收頻率都不等時(shí)，分子本身不能對(duì)入射光子產(chǎn)生真正的共振吸收，但能對(duì)入射光產(chǎn)生散射作用，如圖2和圖3所示。

設(shè)散射分子的兩個(gè)最低能級(jí)分別為a和c，能量間隔為hΔγ，在入射光作用下，原處于較低能級(jí)a上的分子在散射后先躍遷到一個(gè)中間狀態(tài) (虛能級(jí))之上，然后又躍遷返回至另一個(gè)較高能級(jí)c，分子內(nèi)能增加，而散射光子的頻率則向低頻方向移動(dòng)了Δγ，這種過(guò)程產(chǎn)生的散射光稱(chēng)為斯托克斯光。與此類(lèi)似，散射光稱(chēng)為反斯托克斯光，其特點(diǎn)是散射分子回到了較低能級(jí)，內(nèi)能減少，而散射光子的頻率向高頻方向移動(dòng)了Δγ。由量子電動(dòng)力學(xué)理論可得到光強(qiáng)為Ⅰ(γ，0)的入射光在光纖中傳輸距離z后，受激散射光的光強(qiáng)Ⅰ(γ，z)為:

圖1 拉曼增益譜曲線

圖2 下移拉曼散射

圖3 上移拉曼散射

式中g(shù)R稱(chēng)為斯托克斯拉曼散射增益因子，即

可見(jiàn)，受激拉曼散射的增益因子與散射過(guò)程初始能級(jí)上的分子密度N0、分子微分截面σ和總泵浦光強(qiáng)Ⅰ0的乘積成正比，而與受激拉曼散射譜線寬度Δγ成反比。

基于受激拉曼散射機(jī)制，一個(gè)入射泵浦光子通過(guò)光纖的非線性散射轉(zhuǎn)移部分能量，產(chǎn)生另一個(gè)低頻光子，稱(chēng)為斯托克斯頻移光，而剩余的能量被介質(zhì)以分子振動(dòng) (光學(xué)聲子)的形式吸收，完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。斯托克斯頻移γR=γP-γs由分子振動(dòng)能級(jí)決定，其值決定了SRS的頻率范圍，對(duì)非晶態(tài)石英光纖，其分子振動(dòng)能級(jí)融合在一起，形成了一條能帶，因而可在較寬的頻差γP-γs范圍 (40 THz)內(nèi)通過(guò)SRS實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大，光增益系數(shù)g=gRⅠP，ⅠP為泵浦光強(qiáng)度，由泵浦功率PP決定，gR為拉曼增益系數(shù)。

在拉曼放大過(guò)程中，信號(hào)光通過(guò)SRS增益從泵浦光得到能量而被放大，同時(shí)又被光纖吸收而衰減;而泵浦光通過(guò)SRS過(guò)程將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)光而衰減，同時(shí)亦被光纖吸收而衰減，這兩種過(guò)程同時(shí)存在。在連續(xù)波情況下，泵浦波和斯托克斯波的相互作用過(guò)程可用下列耦合方程來(lái)分析:

式中，ap和as分別為泵浦光和信號(hào)光的橫截面，αp和αs分別為泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)處的光纖損耗，γp和γs分別為泵浦光和信號(hào)光頻率，Pp和Ps分別為泵浦光和信號(hào)光功率。

1.2 拉曼放大器在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)［2］

拉曼放大器可以提供單一簡(jiǎn)化的放大平臺(tái)來(lái)滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枰?。目前在工程中采用的基本都是分布式拉曼放大?(DRA)，主要輔助摻餌光纖放大器 (EDFA)用于提高波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比，采用分布式拉曼放大輔助傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑旁氡?。圖4是分布式拉曼放大輔助傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，采用后向傳輸?shù)睦闷峙c摻餌光纖放大器結(jié)合組成混合放大器。拉曼泵浦光在密集波分復(fù)用 (WDM)系統(tǒng)的每個(gè)傳輸段 (Span)的末端注入光纖，并于信號(hào)傳輸方向相反，以傳輸光纖為增益介質(zhì)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分布式放大。采用后向拉曼放大的原因是在傳輸Span的末端的信號(hào)光功率微弱，不會(huì)因?yàn)槔糯蠖鸶郊拥墓饫w非線性效應(yīng)。分布式拉曼放大器作為預(yù)放，在接收機(jī)或EDFA之前，以提高傳輸系統(tǒng)的光信噪比，增加傳輸跨距 (Span)長(zhǎng)度。在長(zhǎng)距離傳輸光纖中，信號(hào)被分布式放大，接受端信號(hào)的信噪比得到改善。

圖4 采用分布式拉曼輔助傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)

拉曼放大器具有許多的優(yōu)點(diǎn):第一，拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，并可在1 292～1 660 nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光放大，獲得比EDFA寬的多的增益帶寬，拉曼放大器和EDFA結(jié)合使用，可以獲得大于100 nm增益平坦寬帶。第二，拉曼放大增益波長(zhǎng)由泵浦波長(zhǎng)決定，只要泵浦源波長(zhǎng)適當(dāng)，理論上可以得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大，將拉曼放大器和EDFA結(jié)合使用混合放大，可以在很寬的范圍內(nèi)保證群信號(hào)的平坦性，利用拉曼增益的可調(diào)節(jié)性，彌補(bǔ)EDFA放大的不平坦性。第三，分布式拉曼放大器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行在線放大，而且光放大沿著光纖分布而不是集中作用，因此光纖的輸入光功率大為減少，從而非線性效應(yīng)尤其是四波混頻效應(yīng)大大減少。第四，一般EDFA的噪聲系數(shù)為5～7 dB，拉曼放大器由于是分布式，等效噪聲系數(shù)很小，一般為－2～1 dB。采用拉曼放大器后可以減少光放大器噪聲系數(shù)3～4 dB左右，即光放大器噪聲從6 dB降低到3 dB以下，噪聲基底明顯下降，因此利用拉曼放大與EDFA混合放大，光信噪比提高4 dB左右。

2 拉曼放大器的應(yīng)用仿真試驗(yàn)

仿真時(shí)為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在以下的試驗(yàn)中光纖參數(shù)如表1所示［3］

表1 光纖模型的主要參數(shù)

拉曼放大器可以輔助EDFA用于提高波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，采用后向泵浦的分布式拉曼放大器可大大降低信號(hào)入射功率，抑制非線性效應(yīng)，保持信號(hào)適當(dāng)?shù)男旁氡龋?］。

下面通過(guò)仿真來(lái)研究拉曼放大器實(shí)際在波分復(fù)用系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的提升作用。

一個(gè)8波復(fù)用的光系統(tǒng)，信號(hào)在傳輸100 km后，質(zhì)量已經(jīng)嚴(yán)重劣化，單波信號(hào)的光功率、信噪比、眼圖質(zhì)量以及誤碼率已不能達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)囊螅唧w見(jiàn)圖5中所示。

為解決信號(hào)的傳輸質(zhì)量下降，可以在接收端進(jìn)行光信號(hào)放大，以使信號(hào)質(zhì)量得到改善［5］。

1)直接在接收端分波器前使用拉曼放大器對(duì)傳送信號(hào)進(jìn)行放大。接收信號(hào)光譜、信號(hào)眼圖及誤碼分析如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，分波器接收端單波信號(hào)光功率得到提高，同時(shí)仍然保持了一定的信噪比，眼圖質(zhì)量明顯改善，信號(hào)誤碼率從未使用拉曼放大器之前的1.01×10－9明顯改善到1.22×10－73。

2)在接收端分波器之前使用EDFA對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，接收信號(hào)光譜、信號(hào)眼圖及誤碼分析如圖7所示。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，由于采用EDFA放大光信號(hào)，分波器接收端單波信號(hào)的光功、信號(hào)眼圖質(zhì)量和誤碼率得到進(jìn)一步的改善。

圖5 信號(hào)傳輸質(zhì)量分析

圖6 采用拉曼放大器對(duì)信號(hào)的改善

圖7 采用EDFA對(duì)信號(hào)的改善

3)在接收端分波器之前使用拉曼放大器輔助EDFA對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，接收信號(hào)光譜、信號(hào)眼圖及誤碼分析如圖8所示。從仿真結(jié)果對(duì)比可以看到，由于使用拉曼放大器，混合放大器的增益平坦度得到改善，接收信號(hào)信噪比與單獨(dú)使用EDFA改善4 dB左右，接收信號(hào)眼圖及誤碼率進(jìn)一步提升。

圖8 采用拉曼放大器輔助EDFA對(duì)信號(hào)的改善

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真分析可以看出，光信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，質(zhì)量劣化需要進(jìn)行信號(hào)放大以改善信號(hào)，使得在接收端能仍正確的判決信號(hào)，準(zhǔn)確地恢復(fù)出發(fā)送端信號(hào)。由于引入放大器，即引入了放大器噪聲，接收信號(hào)信噪比有所下降，但由于拉曼放大器的良好工作，在保持信噪比只下降4dB左右的同時(shí)，單路光信號(hào)功率提升10dB左右，以保證在接收端可以更好的進(jìn)行信號(hào)判決，最終改善了信號(hào)誤碼率，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離傳輸。對(duì)比接收端單獨(dú)采用EDFA放大器和采用拉曼放大器混合放大，由于后向泵浦分布式拉曼放大的工作，改善了放大器的增益平坦度，降低了混合放大器的噪聲系數(shù)，可以更好的改善網(wǎng)絡(luò)性能，也就是更加利于光信號(hào)的超長(zhǎng)距離傳輸。

［1］王艷芬．光纖喇曼放大器的特性及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］．成都:電子科技大學(xué)，2005．

［2］龔倩，徐榮，葉小華，等．高速超長(zhǎng)距離光傳輸技術(shù)［M］．北京:人民郵電出版社，2005．

［3］Kun Wan，Hua xiao．Simulation and Analysis of Optical Network Based on ULH WDM［C］．Recenet Advances in Computer Science and Information Engineering Volume 4，Springer－Verlag Berlin and Heidelberg GmbH ＆ Co．K，Zhihong qiao，2012:487－494．

［4］谷坊祝，張斌．超長(zhǎng)距離無(wú)中繼光傳輸技術(shù)的應(yīng)用［J］．電力系統(tǒng)通信，2007，28(179):36－39．

［5］范文文．基于拉曼放大的千里傳輸系統(tǒng)［D］．北京:北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，2012－12．