二階DRA泵浦方式對噪聲性能的影響

黃金飛，付成鵬，余春平

（1.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205； 2.武漢郵電科學研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室，武漢 430074）

二階DRA泵浦方式對噪聲性能的影響

黃金飛1，2，付成鵬1，2，余春平1，2

（1.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205； 2.武漢郵電科學研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室，武漢 430074）

介紹了二階DRA（分布式拉曼放大器）的結(jié)構(gòu)原理和等效噪聲指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過實驗和理論分析研究了二階DRA的噪聲特性與一階二階泵浦注入比例的關(guān)系。結(jié)果表明，放大器增益基本不變時，二階泵浦光注入比例越大，等效噪聲指數(shù)越?。煌ㄟ^適當?shù)卣{(diào)整一階二階泵浦功率，可使放大器工作在更小噪聲條件下，使整個系統(tǒng)的噪聲性能得以提升。

二階分布式拉曼放大器；增益；等效噪聲指數(shù)

0 引 言

DRA（分布式拉曼放大器）不僅可放大傳統(tǒng)EDFA（摻鉺光纖放大器）不能放大的波段，還具有很寬的拉曼增益譜及更小的噪聲指數(shù)，能實現(xiàn)光信號的在線分布式放大。正是因為信號光沿光纖逐漸被放大，而不是集中于一點，所以減弱了傳輸中非線性效應的影響?；谏鲜鰞?yōu)點，DRA有非常廣闊的應用領(lǐng)域，非常適用于超長跨距無中繼DWDM（密集波分復用）系統(tǒng)，可避免中間放大器節(jié)點的搭建，有效降低了投資和維護成本［1］。但傳統(tǒng)一階RFA（拉曼光纖放大器）在FOPA（光纖參量放大器）、HFA（混合光纖放大器）等的競爭下，優(yōu)勢相對弱化。為滿足更高通信質(zhì)量對放大器的要求，基于高階拉曼效應的高階DRA成為研究熱點，高階DRA不僅可以實現(xiàn)更高的增益，還能顯著優(yōu)化系統(tǒng)的信噪比［2］。本文研究了二階DRA泵浦方式對其噪聲特性的影響，實驗研究和理論模擬分析表明，二階DRA在保證相同增益的條件下，二階泵浦在一階二階總泵浦中所占比重越大，即二階泵浦光注入的越多，系統(tǒng)的噪聲性能表現(xiàn)越好，這一結(jié)論對充分發(fā)揮二階DFA的低噪聲優(yōu)勢具有重要指導意義。

圖1 二階DRA結(jié)構(gòu)示意圖

1 二階DRA放大原理及等效噪聲指數(shù)

二階DRA的結(jié)構(gòu)有多種，放大原理基本一致，圖1所示為一種后向二階共泵的結(jié)構(gòu)方案。傳統(tǒng)的一階RFA是直接將1 455 nm的泵浦光注入傳輸光纖對1 550 nm的信號光進行放大，兩者之間頻率差滿足Stokes頻移關(guān)系。而二階的RFA是在高于一階泵浦頻率一個Stokes頻移的位置上加上一個二階泵浦，即1 356 nm的泵浦光，這樣1 455 nm的泵浦光也充當了種子光，二階泵浦先對一階泵浦進行放大，而后一階泵浦再對信號光進行放大［3］。引入了二階泵浦后，允許一階泵浦功率很低，而高功率短波長的泵很容易用拉曼光纖激光器實現(xiàn)，也可以通過復用多個半導體激光器來達到所需功率值［4］。這樣高功率二階泵浦成為主要能量來源，易實現(xiàn)高增益。

對于高階RFA，考慮光纖損耗、瑞利散射、泵浦和泵浦、泵浦和信號及信號和信號之間的互作用，噪聲自發(fā)輻射和受激拉曼散射效應，RFA功率傳輸方程可表示為

式中，h為普朗克常量；Keff、Aeff分別為偏振因子和光纖有效面積；g（υ-δ）為頻率υ和δ之間的拉曼增益系數(shù)；α、γ分別表示衰減系數(shù)和瑞利散射系數(shù)；正、負號分別表示前向和后向光波。等式右側(cè)第1項表示高頻δ對低頻υ的拉曼增益；第2項為低頻υ對高頻δ的功率損耗；第3項表示受溫度影響的頻率υ處的放大自發(fā)射輻射；第4項和第5項分別為光纖損耗和瑞利散射對光功率的影響。

對于DRA，因為有傳輸光纖的原因，我們用ENF（等效噪聲指數(shù)）來衡量其噪聲特性，ENF和放大器ASE（放大的自發(fā)輻射）功率的關(guān)系為

式中，GR為放大器的開關(guān)比增益；B為探測器帶寬。

2 實驗研究及理論分析

實驗采用多波光源，波長范圍為1 528.705～1 567.348 nm，共24波，結(jié)構(gòu)方案與圖1類似，采用后向泵浦方式，兩個1 340、兩個1 360 nm的泵組成二階泵浦源，兩個1 425、兩個1 455 nm的泵組成一階泵浦源，傳輸光纖長度約100 km，傳輸后進入放大器模塊的輸入信號光功率為-28.025 dBm。使用光譜儀掃描輸入，保存輸入數(shù)據(jù)并保持輸入不變，開始時只打開一階泵浦，以后逐步降低一階泵功率，增加二階泵功率，過程中單波增益均維持在21 dB（不含光纖損耗）左右，一階二階泵浦功率設(shè)置如表1所示。

表1 一階二階泵浦功率設(shè)置表

為方便表達一階泵功率在減小，同時二階泵功率在增大這一漸變過程，用每次實驗的二階泵功率之和與該次一階二階泵浦總功率的比值來衡量二階泵浦所占比重，則實驗1～4分別為0、33.46%、70.58%和88.51%，每次輸出依然用光譜儀進行掃描，計算得到相應的ENF，圖2所示為不同二階泵浦占比時ENF的變化圖。

由圖2可看出，隨著二階泵功率與總功率比值的增大，ENF曲線不斷下移，表明隨著一階泵浦不斷減弱、二階泵浦不斷增強，ENF在不斷減小。此外，從單根曲線可以看出，在泵浦情況固定時，隨著波長變長，ENF有減小的趨勢。這種規(guī)律是基于一階泵浦源均可以正常充當種子光的，極端情況假設(shè)沒有一階泵浦，則系統(tǒng)基本沒有放大功能，失去了討論的意義。

針對上述實驗結(jié)果，設(shè)計了簡單的模擬條件進行理論分析。假設(shè)入射光為1 550 nm的單波信號光，一個1 455 nm的一階泵和一個1 356 nm的二階泵，同樣采用圖1方案后向泵浦，光纖長度為100 km，不考慮溫度效應，根據(jù)式（1）列出傳輸微分方程組，通過數(shù)值分析方法求解。求得增益均約為17.8 dB（不含光纖損耗），一階二階泵浦功率配置情況與ENF變化關(guān)系如圖3所示。

顯而易見，隨著二階泵浦功率增大、一階泵浦功率減小，ENF在不斷地減小，與實驗結(jié)果一致。選取圖3中（583，0）、（400，270）和（240，545）這3個點，進一步得出信號功率、一階泵浦功率和后向ASE功率沿光纖變化曲線圖，如圖4～6所示。

圖3 ENF隨一階二階泵浦功率變化圖

圖4 信號功率變化圖

圖5 一階泵浦功率變化圖

圖6 后向ASE功率變化圖

圖中，點線表示不加二階泵浦、一階泵浦最大；點劃線表示一階、二階泵浦均適中；實線表示一階泵浦最小、二階泵浦最大。由圖5可以看出，由于采用后向泵浦方式，一階泵浦功率實線在100 km處最小，點劃線居中，點線最大。隨著泵浦沿光纖深入，至約90 km過程中實線急劇上升，點劃線上升后下降，點線一直下降，說明在二階泵浦作用下，一階泵浦功率在增大，二階泵浦越強，沿光纖上升距離越遠，此后實線一直居于上方，點劃線居中，點線居下方，說明在此大段光纖中由于二階泵浦的作用，一階泵浦源發(fā)揮作用更有力，于是不難理解圖4所示信號光功率變化曲線。對于圖6，前面大段的光纖中，實線居于上，原因在于此時信號功率和一階泵浦功率也相對較大，而最后實線居于下，原因在于一階泵浦功率急劇變小?？偨Y(jié)而言，二階泵浦所占比重越大，會使一階泵浦功率沿光纖分布更均勻，所以ENF更小。

3 結(jié)束語

本文在研究二階DRA ENF與一階二階泵浦比重分配的關(guān)系時，將一階泵浦功率逐漸降低，二階泵浦功率逐漸增高，同時保證系統(tǒng)的增益基本維持不變，觀察ENF的變化情況。實驗發(fā)現(xiàn)，二階泵浦比重分配越大，ENF越小。理論模擬分析表明，在保證正常工作條件下，盡可能增大二階泵浦功率，能獲得更好的噪聲特性，減小光傳輸系統(tǒng)的誤碼率。

［1］Rosa Pawel，Mingming Tan，Son Thai Le，et al.Unrepeatered DP-QPSK transmission over 352.8 km SMF using random DFB fibre laser amplification［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2015，27（11）: 1189-1192.

［2］Stefano Faralli，Gabriele Bolognini，Maria Adelaide Andrade，et al.Unrepeated WDM Transmissio Systems Based on Advanced First-Order and Higher Order Raman-Copumping Technologies［J］.Journal of Lightwave Technology，2007，25（11）:3519-3527.

［3］臧可.高階光纖拉曼放大器的特性研究［D］.北京:北京郵電大學信息光子與光通信研究院，2013.

［4］Mermelstein M D，Brar K，Headley C.RIN Transfer Suppression Technique for 2nd Order Raman Pumping Schemes［C］//OFC 2003.Atlanta，US:OSA，2003: Th B5.

The Effect of Second Order DRA Pumping Way on the Performance of the Noise

HUANG Jin-fei1，2，F(xiàn)U Cheng-peng1，2，YU Chun-ping1，2
（1.Accelink Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430205，China； 2.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks，Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

This paper introduces the structure of second-order Distributed Raman Amplifier（DRA）and the effective noise figure of DRA.Based on previous work，the relationship of the second order DRA’s noise characteristic and the injection ratio of first order and second order pump is investigated both in experiment and theory.It is found that when the amplifier gain is approximately constant，the greater the injection ratio of second order pump can be achieved with smaller effective noise figure.Therefore，through the appropriate adjustment of the first order and second order pump power，it can make the amplifier work on the smaller noise condition.The noise performance of the whole system can also be improved.

second order distributed Raman amplifier；gain；effective noise figure

TN248

A

1005-8788（2016）05-0062-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.018

2016-05-11

黃金飛（1993-），男，安徽亳州人。碩士研究生，主要研究方向為光通信技術(shù)。