前向拉曼放大器在超長距傳輸系統(tǒng)的特殊用途

賈 想，李獻(xiàn)勤，桂 桑，顧文華，朱曉波，

（1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.無錫市德科立光電子技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214028）

在我國，由于國土幅員遼闊，許多偏遠(yuǎn)地區(qū)人煙稀少、地形復(fù)雜，修建中繼站的難度很大，許多跨段超過300 km，因此，對光通信傳輸系統(tǒng)的無中繼最大傳輸距離提出了更高要求[1-3]。

在傳統(tǒng)的研究中，為提升光通信系統(tǒng)的無電中繼最大跨距，多采用在輸出端安裝泵浦拉曼光纖放大器，即后向拉曼放大器（Backward-pumped Distributed Raman Amplifier,BDRA），利用其低有效噪聲系數(shù)以突破輸出端OSNR的限制。而同等泵浦功率下，因?yàn)樵鲆骘柡偷脑?，前向拉曼光纖放大器（Forwardpumped Distributed Raman Amplifier,FDRA）所能得到的拉曼增益一般明顯低于BDRA[4-6]，因此在實(shí)際中很少使用，一般也是作為BDRA的輔助，利用對OSNR受限系統(tǒng)傳輸距離的提升作用，來補(bǔ)償一小部分損耗光纖（<10 dB）[7-9]。

文中提出，可以使用FDRA來提高名義SBS閾值，即在不激發(fā)SBS的前提下，在發(fā)射端能夠得到等效最大信號光輸出功率，等于在該前提下信號光實(shí)際入纖功率與FDRA增益之和，從而有效地延長傳輸距離。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與仿真模型

1.1 實(shí)驗(yàn)簡介

在單波長超長距傳輸系統(tǒng)中，從發(fā)射端參數(shù)優(yōu)化的角度來講，無光電光轉(zhuǎn)換的最大跨距通常受到以下幾個因素的制約：首先是光纖損耗導(dǎo)致的發(fā)射光功率要求，即要求發(fā)射光功率足夠克服光纖損耗，使得光接收器處接收到的信號光功率大于接收器的靈敏度。在采用摻鉺光纖放大器等放大技術(shù)后，通常光接收器處的信號光功率都可以超過接收器靈敏度[10]。第二是各種噪聲導(dǎo)致的OSNR限制，即要求光接收器處的OSNR大于一定閾值。因此，要求盡量使用低噪聲的光放大器，以及提高發(fā)射端的OSNR，通常是提高發(fā)射光功率[11]。但是發(fā)射光功率的提高受到SBS閾值的限制，也是該類光傳輸系統(tǒng)中，提高極限傳輸距離最大和最難以解決的限制。

文中FDRA對信號光的增益方式屬于分布式增益，即增益效果分布在傳輸光纖中，而不是集中在入纖端。若將其抽運(yùn)光功率等效換算為輸入端的集總式增益，則在光纖輸入端的等效信號光功率將有望突破SBS閾值的限制，或者理解為將FDRA的分布式增益等效為光纖輸入端的集總式放大增益后，提升了所得到的名義SBS閾值，從而可以在SBS受限的傳輸系統(tǒng)中使用FDRA來提升名義SBS閾值，進(jìn)而提升該類型光通信傳輸系統(tǒng)的無中繼最大跨距。文中將通過數(shù)值仿真與實(shí)際測試相結(jié)合的方式，深入研究FDRA對SBS受限單波長超長跨距光通信系統(tǒng)最大跨距的提升作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

該研究中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用商用光通信模塊搭建，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框架

在以上系統(tǒng)架構(gòu)中，通過調(diào)整可變光衰減器1（Variable Optical Attenuator,VOA）的數(shù)值來等效總光纖長度的變化，即尋求無光電光中繼的最大單跨距傳輸距離。光功率放大器（Optical Booster Amplifier,OBA）采用自動電流控制（Automatic Current Control,ACC）模式，輸出恒定功率，經(jīng)VOA2衰減后等效改變光纖輸入端的輸入信號光功率和OSNR。

1.3 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

表1為4組典型實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果及理論仿真結(jié)果的比較。

表1 4組典型實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果及理論仿真結(jié)果（VOA1的本底損耗為6.6 d B）

實(shí)驗(yàn)中，首先測試不使用FDRA時，將OBA輸出功率調(diào)到最大16.4 dBm（實(shí)驗(yàn)1），此時VOA1為8.5 dB，對應(yīng)最大系統(tǒng)插損43.44 dB，傳輸距離278.6 km。此時，系統(tǒng)中最大信號功率出現(xiàn)在發(fā)射端，16.4 dBm<19.12 dBm，所以尚未達(dá)到SBS閾值，系統(tǒng)是OSNR受限的。為了提高OSNR和信號功率，開啟FDRA到最大泵浦功率(4個泵都開到400 mW)，OBA功率不變，仍為16.4 dBm，也就是實(shí)驗(yàn)2的情況，這時無論怎么調(diào)，VOA1系統(tǒng)都不通，但是OSNR和接收端信號功率確實(shí)得到了提升，這是因?yàn)榇藭r系統(tǒng)的最大信號功率（仿真計(jì)算得到19.67 dBm）超過了SBS閾值19.12 dBm，系統(tǒng)變成SBS受限。如果降低OBA功率，F(xiàn)DRA功率固定為(400,400,400,400)mW不變時（實(shí)驗(yàn)3），系統(tǒng)可以導(dǎo)通，并且最大VOA1為9.8 dB（對應(yīng)入纖功率為-0.5 dBm），對應(yīng)系統(tǒng)總插損44.14 dB，等效傳輸距離282.3 km。如果同時改變OBA輸出功率和FDRA泵浦功率（實(shí)驗(yàn)4），優(yōu)化結(jié)果得到最大，VOA1可達(dá)到10.3 dB，對應(yīng)系統(tǒng)總插損45.24 dB，等效傳輸距離288.1 km，較不使用FDRA時提高約10 km。此時入纖信號功率為16.6 dBm，F(xiàn)DRA抽運(yùn)泵浦功率為（0,0,200,150）mW。

實(shí)驗(yàn)中還測試了其他波長的XFP模塊，并得到了類似的結(jié)果。對于1 544.57 nm的XFP模塊得到了最好的FDRA增強(qiáng)傳輸效果：不使用FDRA時最大VOA1為1.1 dB（對應(yīng)系統(tǒng)插損45.88 dB），開啟FDRA到（100,100,200,0）mW時最大VOA1為5.4 dB（對應(yīng)系統(tǒng)插損50.18 dB），即使用FDRA可以得到4.3 dB的增益，傳輸距離大約延長22.6 km。

2 仿真與討論

2.1 數(shù)值仿真模型

系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要分為五部分：FDRA增益模型、光纖衰減模型、放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission,ASE）級聯(lián)模型、非線性效應(yīng)及色散模型以及SBS閾值計(jì)算模型，上述模型均通過Matlab計(jì)算求解。

1）FDRA增益模型

基于FDRA增益模型，光纖中信號功率以及泵浦光功率可依據(jù)經(jīng)典信號傳輸公式迭代求解[12]：

式中：Pp為泵浦光抽運(yùn)功率，z為傳輸距離，αp為泵浦光損耗系數(shù)，系數(shù)CR=gR/Aeff，gR為拉曼增益系數(shù)，可根據(jù)圖2描點(diǎn)讀出。Aeff為光纖有效面積，取典型值50μm2，νP為泵浦光頻率，νS為信號光頻率；Ps為信號光功率，αs為信號光損耗系數(shù)。

圖2 石英光纖拉曼增益系數(shù)

2）光纖損耗模型

信號光和噪聲在光纖中傳輸損耗系數(shù)為實(shí)驗(yàn)測量值，αp=αS=-0.19 dB/km。

3)ASE級聯(lián)模型

ASE功率級聯(lián)模型基于式（2）計(jì)算得到：

式中：PASE1為光放大器（Optical Power Amplifier,OPA）輸入端的ASE功率，其數(shù)值需根據(jù)2.1節(jié)中FDRA增益模型來定，對系統(tǒng)輸入的ASE可經(jīng)FDRA增益后仿真計(jì)算得到；GOPA為OPA的增益；PASE2為OPA引入的ASE；F為OPA的噪聲系數(shù)；ν為信號頻率；B為濾波帶寬，取100 GHz。GOPA、PASE2、F均由設(shè)備測試說明書得到，式中總體量綱為1。

4）非線性效應(yīng)及色散模型

該模型包含SPM、XPM及色散3個效應(yīng)模塊。

SPM效應(yīng)可用以下公式表示：

其中，L表示光纖傳輸距離。非線性長度LNL=(γP0)-1，P0代表峰值功率，γ代表非線性效應(yīng)系數(shù)，光纖有效長度Leff=[1-exp(-αL)]/α，最大相移φmax=Leff/LNL。

XPM效應(yīng)以兩束信號光為例，如式（5）所示。

其中，φj(z)為非線性相移，n2為非線性折射率，Pj為光功率，Aeff為有效面積，ωj為泵浦光功率。在計(jì)算多束信號光之間的XPM效果時可將近似線性疊加。

色散效描述如式（6）所示。

其中，Z表示光纖傳輸距離，β2為群速度色散系數(shù)，β3為三階色散系數(shù)（文中不考慮，設(shè)為0）。

5）SBS閾值計(jì)算模型

SBS閾值經(jīng)典計(jì)算如式（7）所示[13]。

式中：Aeff為光纖有效面積，取典型值50μm2，g0為布里淵增益值，取典型值5×10-11m/W，Leff為光纖有效長度，當(dāng)光纖距離大于50 km時，近似為1/α；α為光纖損耗系數(shù)，測量值為-0.19 dB/km，Δνp為信號光展寬；取測量值，ΔνB為SBS光頻譜展寬，取典型值15 MHz，νB為布里淵頻移，取典型值11.1 GHz；G′取典型值21；ν0為信號光頻率，取測量值；Γ為聲子衰減速率?；谝陨瞎?，將輸入端信號譜寬測量值代入便可計(jì)算SBS閾值。

基于以上數(shù)學(xué)模型，設(shè)置輸入信號光功率[14]、輸入噪聲功率、FDRA泵浦光功率、光纖長度、OPA增益等數(shù)據(jù)[15]，便可仿真輸出端的信號光功率以及噪聲功率，并與設(shè)置的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出端檢測結(jié)果對比，驗(yàn)證該模型相關(guān)參數(shù)的合理性以及準(zhǔn)確性。

2.2 結(jié)果討論

通過OSA測量的信號光譜展寬可計(jì)算SBS閾值，并與仿真結(jié)果中信號最大功率對比，可判斷系統(tǒng)通斷是否基于SBS閾值限制[16]。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果2中，傳輸系統(tǒng)中信號最大功率為19.67 dBm，超過理論計(jì)算的SBS閾值19.12 dBm，對應(yīng)的測試結(jié)果為系統(tǒng)不通，表示此時SBS閾值為主要限制因素。而實(shí)驗(yàn)1、3、4中仿真得到的最大信號光功率均低于相應(yīng)的理論計(jì)算SBS閾值，此時只要輸出端信號光功率及OSRN高于設(shè)備閾值，系統(tǒng)均應(yīng)是導(dǎo)通的，該結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

通過式（1）可對信號及噪聲經(jīng)FDRA增益后在光纖各位置的功率進(jìn)行數(shù)值仿真，以表1中實(shí)驗(yàn)4為例，其實(shí)驗(yàn)條件：波長1 550.12 nm的信號光輸入功率為16.6 dBm，輸入OSNR為47.75 dB，F(xiàn)DRA泵浦功率為(0,0,200,150)mW。當(dāng)光纖長度為288 km時未經(jīng)OPA放大的仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在光纖長度約15.2 km處，信號功率達(dá)到最大值18.96 dBm，如果此最大功率超過模塊的SBS閾值，將導(dǎo)致系統(tǒng)無法導(dǎo)通。實(shí)驗(yàn)測試中，通過光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer,OSA）觀測輸入信號光譜展寬，基于式（3）、（4）可計(jì)算得到SBS閾值為19.12 dBm，因此，此時入纖信號功率低于SBS閾值，該結(jié)果可通過相應(yīng)的測試結(jié)果加以驗(yàn)證。若將此時FDRA對信號光的分布式增益等效換算為入纖端的集總式功率補(bǔ)償，可算得入纖信號光的等效功率高達(dá)24.15 dBm，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)SBS閾值，或者說引入FDRA可顯著提升系統(tǒng)的名義SBS閾值[17]，從而進(jìn)一步增加系統(tǒng)的最大傳輸距離。

圖3 FDRA對信號增益仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

該研究深入分析FDRA對提升SBS受限超長距光通信系統(tǒng)無電中繼最大跨距的作用，并建立準(zhǔn)確、完整的光通信系統(tǒng)仿真模型，通過實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)據(jù)擬合、數(shù)值仿真的方式對FDRA的增益機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證，驗(yàn)證了FDRA可等效突破系統(tǒng)SBS閾值限制，從而有效提升光通信系統(tǒng)的最大傳輸距離。