拉曼光纖放大器的發(fā)展現(xiàn)狀

方音佳 趙蕊月

摘 要：拉曼光纖放大器是密集波分復(fù)用（DWDM）通信系統(tǒng)的重要組成部分，因此研究如何提升FRA的各項性能成為DWDM通信系統(tǒng)中的一項重要內(nèi)容。綜述了拉曼光纖放大器國內(nèi)外的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外多款光纖拉曼放大器的產(chǎn)品性能特點。最后，展望了光纖拉曼放大器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：光纖拉曼放大器；密集波分復(fù)用；增益平坦；偏振相關(guān)增益；帶寬

中圖分類號：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0076-02

Abstract： Raman fiber amplifier is an important part of dense wavelength division multiplexing （DWDM） communication system， so how to improve the performance of FRA becomes an important part of DWDM communication system. The research and development of Raman fiber amplifiers at home and abroad are reviewed， and the performance characteristics of many kinds of optical Raman fiber amplifiers at home and abroad are introduced. Finally， the development trend of Raman fiber amplifier is prospected.

Keywords： Raman fiber amplifier； dense wavelength division multiplexing； gain flatness； polarization dependent gain； bandwidth

引言

隨著全球網(wǎng)絡(luò)化、社會信息化的快速發(fā)展，人們對光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率和容量的需求越來越高，而密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)以其能夠更加充分地利用光纖的巨大資源的優(yōu)勢，從而得以快速發(fā)展。拉曼光纖放大器（Raman Fiber Amplifier， RFA）由于其具有任意工作波長、寬帶增益、分布式放大等優(yōu)良特性，已經(jīng)成為了DWDM通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和重要器件之一。為了保證WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，波分復(fù)用系統(tǒng)中使用的光纖放大器應(yīng)具備有足夠的帶寬、低噪聲系數(shù)和高輸出功率、低偏振相關(guān)以及能夠控制放大器的增益平坦度等相關(guān)特性。因此，針對RFA的相關(guān)特性的研究也成為了近年來研究光纖拉曼放大器的熱點和方向?；谏鲜黾夹g(shù)背景，本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外光纖拉曼放大器的研究和發(fā)展，并介紹了國內(nèi)外光纖拉曼放大器的產(chǎn)品以及其相關(guān)特性參數(shù)。

1 光纖拉曼放大器的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

拉曼光纖放大器的基本原理是利用光纖中的非線性效應(yīng)（Raman散射效應(yīng)）實現(xiàn)光信號的放大。與其他不同類型的光放大器相比，拉曼光纖放大器具有諸多優(yōu)點：（1）和EDFA有很大不同，RFA不需要特殊的增益介質(zhì)，只要普通的傳輸光纖即可實現(xiàn)光信號放大，這樣便可以很好地實現(xiàn)分布式放大、對光纖放大系統(tǒng)進(jìn)行直接擴容升級、合理地利用光纖的低損耗窗口等相關(guān)改善。（2）拉曼放大器的增益光波長取決于泵浦光的波長，理論上只要選擇合適的泵浦光的波長，就可以放大任意光信號波段，進(jìn)而實現(xiàn)全波段的拉曼放大。（3）光纖的拉曼增益具有比較寬的頻帶，如果采用多波長泵浦方式的光纖拉曼放大器，就可以獲得大于100nm的增益譜。（4）低噪聲系數(shù)，EDFA配合RFA的混合型放大器能夠極大地提升傳輸系統(tǒng)的性能。（5）拉曼光纖放大器的增益譜具有疊加效應(yīng)，采用多泵浦的方式可以在獲得較寬的拉曼增益譜的同時，單個波長的拉曼增益譜會相互補償，從而達(dá)到增益平坦的效果，保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。（6）飽和功率很高，當(dāng)放大的信號功率開始接近泵浦功率的大小時，光增益的下降僅僅是3dB的大小。以上諸多的優(yōu)點也決定了拉曼光纖放大器能在WDM光纖通信系統(tǒng)中能得到廣泛的應(yīng)用。

國外方面，1999年，日本的科學(xué)家Y. Emori和S. Namiki等人克服了摻鉺光纖放大器的在帶寬上的限制，發(fā)揮拉曼放大器在帶寬方面的獨特優(yōu)勢，采用多泵浦的方式，以12個波長信道的WDM激光二極管單元作為拉曼放大器的泵浦光源，實驗結(jié)果得到了接近100nm的帶寬，而且增益平坦度小于±0.5dB（沒有使用增益均衡濾波器）。2003年，A.Mori和H. Masuda等人從增益介質(zhì)方面入手，采用高Raman增益系數(shù)的碲基光纖，使用雙向泵浦的方式，同時將4個波長信道的激光二極管作為泵浦光源，實驗中使用長度為250m的碲基光纖，最后獲得了160nm增益帶寬，且拉曼增益超過10dB。2009年，C. E. S. Castellani等人通過相關(guān)研究，設(shè)計了一個低平坦度、高增益、低損耗的光子晶體光纖拉曼放大器。在該設(shè)計的放大器裝置中，只使用了兩個低功率的泵浦源就實現(xiàn)了在C波段的放大，平均拉曼增益為8.5dB，且只有0.71dB的拉曼增益平坦度。2013年，K. Singh等人通過使用4階龍格-庫塔法的方法，很好地解決了多泵浦拉曼放大器的傳輸方程，并且在遺傳算法的基礎(chǔ)上，利用啟發(fā)式搜索的方法優(yōu)化了泵浦功率沿光纖的分布。實驗驗證了對5個使用正向泵浦方式的光源波長和功率的優(yōu)化配置，并通過不同的光纖長度，不同功率的輸入光信號進(jìn)行模擬和優(yōu)化，實驗結(jié)果顯示當(dāng)光纖長度為50km，輸入1mW的信號光時，其拉曼增益為28.15dB，且增益平坦度為0.26dB。在該文獻(xiàn)中，實驗通過80km的光纖，獲得的最大拉曼增益為46.66dB。2014年，S. Singh等人對一個帶寬為64nm、320個光通信信道、且信道間隔為25GHz的DWDM系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。采用遺傳算法優(yōu)化了拉曼放大器反向泵浦的泵浦源的功率，并使用增益均衡濾波器（gain flattening filter，GFF），優(yōu)化得到了18dB左右的平均增益，且增益平坦度低于0.5dB的。通過不斷地研究和探索，有學(xué)者將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了另一個方面，即針對光纖固有的增益效率系數(shù)平坦度，研究和設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的光纖，從而使這種特殊光纖的有效模場面積在信號光波段內(nèi)有較大的變化，這樣就能得到平坦的拉曼增益效率系數(shù)的譜形，因此，最終的拉曼放大器增益譜將有由拉曼增益效率系數(shù)來決定，這樣在拉曼放大器系統(tǒng)中只需使用單個泵浦源就能實現(xiàn)其平坦化放大。類似的研究有，2005年，S. K.Varshney等人利用多包層的光子晶體光纖（PCF），光纖長度為5.2km，采用波長為1450nm的單個泵浦源就獲得了19dB的平均凈增益，且拉曼增益平坦度較小，僅為±1.2dB。該文獻(xiàn)所設(shè)計的色散補償光子晶體光纖有諸多優(yōu)點，不僅會使拉曼增益譜變的相對平坦，還會補償常規(guī)單模光纖的色散積累。

國內(nèi)方面，2004年，劉濤，黃德修等人采用長為5km、色散補償?shù)奶厥夤饫w，使用波長為1427.2nm的單泵浦源，采用后向泵浦的方式，在800mW的泵浦功率下，達(dá)到了14.77dB的拉曼增益，并且?guī)挒?5nm（增益為3dB時）。2006年，顏玢玢等人使用單一的遺傳算法，優(yōu)化了后向泵浦方式下泵浦光源的波長和功率，實驗使5個泵浦的波長和功率得到了優(yōu)化。最終實現(xiàn)了在帶寬為1520-1610nm時，平均拉曼增益達(dá)到了15.55dB，且拉曼增益平坦度低于0.87dB。2014年，鞏稼民等人設(shè)計使用了兩段特殊光纖（As-S高非線性光纖），并通過線性擬合的方式，分析處理光纖的拉曼增益譜前后沿，采用多泵浦的方式，實現(xiàn)了前放大后補償?shù)男Ч瑢嶒灚@得了20.45dB的平均拉曼增益，且拉曼增益平坦度為0.15dB。為克服傳統(tǒng)光纖拉曼放大器的增益系數(shù)低和增益不平坦的難題，2017年，鞏稼民等人通過級聯(lián)光子晶體光纖的設(shè)計方案，設(shè)計了一種增益平坦的拉曼光纖放大器，實驗結(jié)果顯示在帶寬范圍為1508～1544nm內(nèi)，實現(xiàn)了21dB的拉曼增益，且拉曼增益平坦度僅為0.14dB。北京郵電大學(xué)的李明杰等人，通過仿真的方式，建立多泵浦拉曼-摻鉺光纖混合放大和二階泵浦拉曼-摻餌光纖混合放大模型，在差分進(jìn)化算法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了它們的增益譜平坦度，實驗結(jié)果得到93nm的增益帶寬和1.2dB的增益平坦度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張洪月等人使用了一種新型光纖，通過優(yōu)化新型PCF的結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)只需要單一泵浦源，就能使拉曼增益平坦度小于1dB。

2 拉曼光纖放大器的國內(nèi)外產(chǎn)品

在產(chǎn)品方面：國外主流的拉曼光纖放大器生產(chǎn)廠家相對較多，并且在質(zhì)量和功能上相對比較領(lǐng)先，主要的有美國的Finisar公司、IPG 公司和日本的古河電工等。而國內(nèi)的自主生產(chǎn)廠家相對較少，主要有無錫中興、武漢光迅科技、天津峻烽科技和香港的Amonics 等，他們雖然都有相對成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，但是，以上各家公司生產(chǎn)的拉曼放大器產(chǎn)品的價格昂貴，而且在性能方面和國外相比尚有欠缺，尤其是其拉曼增益與光信號平坦度對光纖類型、長度，信號光波長、功率等的依賴程度較高，因此適用性會由于這些因素而受到限制。

武漢光迅科技是中國領(lǐng)先的光器件產(chǎn)品開發(fā)、制造和供應(yīng)商，其提供的摻鉺光纖放大器和拉曼光放大器及模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)光信號在光網(wǎng)絡(luò)傳輸線路中發(fā)射，中繼，接收等不同階段的放大。拉曼放大器可直接用于放大C-band，L-band以及C&L-band;的光信號，用以改善光信號傳輸線路中的光信噪比，從而提高系統(tǒng)的傳輸性能。其生產(chǎn)的光纖拉曼放大器產(chǎn)品在500mW的抽運功率下，最大增益可達(dá)10dB，抽運功率1200mW時，最大增益可達(dá)22dB，C&L-band;平均增益可達(dá)17dB。其次光迅的拉曼放大器產(chǎn)品具有良好的增益平坦度（C-band增益平坦度小于1dB，C+L-band段小于1.5dB）和較低的噪聲特性，并且其偏振相關(guān)增益較低，最大不超過0.3dB。

對于現(xiàn)有國內(nèi)外市場的成熟的拉曼光纖放大器產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品的性能相比于國外還有一定的差距，而且價格相對比較高昂，因此，設(shè)計一款性能比較完備且成本較低的拉曼放大器產(chǎn)品具有很大的意義。

3 結(jié)束語

以上我們綜述了國內(nèi)外光纖拉曼放大器的發(fā)展現(xiàn)狀，由此可知，光纖拉曼放大器正朝著寬帶放大、高增益、高穩(wěn)定性、低噪聲、低偏振相關(guān)性、模塊化及小型化的方向發(fā)展。但是，國內(nèi)廠家所研制的光纖拉曼放大器的性能與國外廠家的同類產(chǎn)品相比尚有較大差距，主要體現(xiàn)在平均拉曼增益、增益平坦度以及偏振相關(guān)增益等方面。因此，研制拉曼增益高、增益平坦度好以及偏振相關(guān)增益小的光纖拉曼放大器，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，并且對國內(nèi)光纖拉曼放大以及通信技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張瑞君.國際光放大器新進(jìn)展[J].中國電子商情·基礎(chǔ)電子，2008（3）：24-26.

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[3]李明杰.多波長混合光放大器增益譜平坦化的研究[D].北京郵電大學(xué)，2015.

[4]張洪月.拉曼光纖放大器的增益均衡研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.