海底光纜通信中拉曼放大器和摻鉺光纖放大器的研究

摘要：拉曼放大器和摻鉺光纖放大器（EDFA）是光纖通信系統(tǒng)中兩種重要的光信號(hào)放大設(shè)備，它們的工作基本原理、特點(diǎn)都有相似的地方，也有不同之處。本文從拉曼放大器和摻鉺光纖放大器的理論模型出發(fā)，數(shù)值研究?jī)煞N放大器對(duì)輸入光信號(hào)放大過程，研究?jī)煞N光放大器在海底光纜通信場(chǎng)景的適用性，為未來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：拉曼放大器；摻鉺光纖放大器；海底光纜通信

一、引言

光纖通信系統(tǒng)中傳輸媒介光纖對(duì)光學(xué)信號(hào)具有吸收的作用，光信號(hào)在光纖中傳輸一段距離后其功率會(huì)減弱，因此需要對(duì)光信號(hào)的功率進(jìn)行放大才可以長(zhǎng)距離傳輸。在光通信發(fā)展初期，對(duì)光信號(hào)的放大需要進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后電信號(hào)重新整形、再生和定時(shí)（3R），再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)送出去。摻鉺光纖放大器（EDFA）和拉曼放大器直接在光域內(nèi)對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，不需要將光信號(hào)進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化光信號(hào)放大的過程，促進(jìn)光通信快速的發(fā)展。EDFA和拉曼放大器的工作原理和過程具有相同之處，例如兩種光放大器都是光泵浦放大、泵浦光均可以采用多種方向泵浦工作方式。兩種放大器也存在不同之處，比如泵浦波長(zhǎng)的選擇。本文從兩種放大器的數(shù)值模型出發(fā)，通過建立兩種光放大器的數(shù)值模型，并對(duì)兩種放大器的工作過程進(jìn)行數(shù)值研究，進(jìn)一步分析兩種放大器在海纜光通信系統(tǒng)中的適用性。

二、理論模型

拉曼放大器和EFDA放大器工作示意如圖1所示。

光隔離器保證光單向傳輸，避免反射光的影響；合波模塊根據(jù)輸入泵浦光的個(gè)數(shù)決定是否需要，如單個(gè)泵浦光輸入則不需要合波模塊。兩種放大器的工作原理均可以使用圖1進(jìn)行說明。拉曼放大器是分布式放大器，可以使用多種波長(zhǎng)的泵浦光；EFDA放大器是分放大器，一般使用1480nm、980nm波長(zhǎng)的泵浦光。

（一）拉曼放大器模型

拉曼放大器是一種分布式放大器，在長(zhǎng)距離傳輸?shù)倪^程中能量轉(zhuǎn)移過程比較復(fù)雜，包括短波長(zhǎng)光的能量轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)波長(zhǎng)光上、短波長(zhǎng)信號(hào)光的能量轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)波長(zhǎng)的泵浦光上、瑞利散射和自發(fā)輻射噪聲等。不考慮信號(hào)光動(dòng)態(tài)變化情況，即不考慮時(shí)間維度，頻率為的光分量在光纖中傳輸，其功率演變可以使用下面的公式表示[1]。

（1）

（1）式中，P±表示（+）或者（-）后向傳輸?shù)墓夤β剩唬?）式右側(cè)的第一項(xiàng)表示光在光纖中傳輸?shù)膿p耗，第二項(xiàng)表示瑞利散射，第三項(xiàng)表示頻率比v大的光將轉(zhuǎn)移到v頻率分量的光，第四項(xiàng)表示頻率的光將能量轉(zhuǎn)移到頻率分量比其小的光，后面兩項(xiàng)表示的是與溫度相關(guān)的自發(fā)輻射噪聲（ASE）項(xiàng)。gR （v-ξ）是光纖的拉曼增益系數(shù)。

（二）EDFA模型

EDFA是在光纖中摻入鉺離子，在泵浦光的作用下實(shí)現(xiàn)高能級(jí)上的鉺離子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)如有信號(hào)光輸入，輸入信號(hào)光使高能級(jí)上的鉺離子發(fā)生受激輻射，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)光放大。嚴(yán)格的EDFA模型求解相當(dāng)復(fù)雜，需要一定的簡(jiǎn)化才可以對(duì)EDFA模型進(jìn)行求解。目前有Giles和Saleh兩個(gè)常用的簡(jiǎn)化模型，與Saleh模型相比，Giles可以計(jì)算沿著傳輸方向的光纖中鉺離子反轉(zhuǎn)分布、信號(hào)光功率、ASE功率分布等，因此Giles模型描述的物理過程更加完備。EDFA的Giles模型中載流子方程、傳輸方程分別使用下面兩個(gè)公式描述[2]：

（2）

（3）

（2）式表示摻鉺光纖中鉺離子的反轉(zhuǎn)度，式中ξ表示摻鉺光纖的飽和參數(shù)，表示鉺離子摻雜濃度，表示高能級(jí)上鉺離子的濃度。（3）式中、分別表示摻鉺光纖的吸收、發(fā)射系數(shù)，m表示自發(fā)輻射噪聲的偏振態(tài)系數(shù)（m=2表示兩個(gè)偏振態(tài)），表示摻鉺光纖的背景損耗系數(shù)。

三、理論結(jié)果

基于上文所述的拉曼放大器、EDFA的模型，對(duì)拉曼放大器和EDFA進(jìn)行數(shù)值模擬，研究信號(hào)光在拉曼光放大器和EDFA中放大過程，并根據(jù)模擬結(jié)果討論兩種放大器在海底光纜通信場(chǎng)景的適用性。

（一）拉曼放大器

拉曼放大器仿真參數(shù)設(shè)置如下：信號(hào)波長(zhǎng)為1528～1620nm，等間距分為121個(gè)信道，輸入信號(hào)光功率均設(shè)置為3dBm；ASE噪聲頻譜范圍設(shè)置為1480～1630nm，取151個(gè)頻點(diǎn)；光纖長(zhǎng)度設(shè)置為10km。前向泵浦光波長(zhǎng)為：1422.33nm、1430.93nm、1439.02nm、1450.17nm、1459.05nm、1467.74nm、1478.45nm和1502.71nm，對(duì)應(yīng)的光功率為：189.05 mW、171.94 mW、193.34 mW、188.93 mW、125.78 mW、152.5 mW、118.81 mW和180.84mW；后向泵浦光波長(zhǎng)為：1422.71nm、1431.59nm、1439.32nm、1451.05nm、1461.12nm、1468.9nm、1478.9nm和1504.3nm，對(duì)應(yīng)的光功率為：96.14mW、69.45mW、90.75mW、50.75mW、28.15mW、47.71mW、18.92mW和76.75mW。

圖2是信號(hào)光沿著光纖演變情況，其左上角是光信號(hào)的演變情況，右上角是信號(hào)光的增益，從這兩個(gè)圖可以看出信號(hào)光的增益譜覆蓋C+L波段，但增益總體不大且增益譜并不是很平坦。其左下角是信號(hào)光的背向瑞利散射，即一重瑞利散射光；一重瑞利散射光對(duì)輸出信號(hào)不影響。其右下角是一重瑞利散射光的背向瑞利散射，即二重瑞利散射光，二重瑞利散射光與輸出信號(hào)光同向，對(duì)輸出信號(hào)光是產(chǎn)生影響。從圖2的右下上角圖可以看出二重瑞利散射光的功率量級(jí)-40～-35dBm，與輸出信號(hào)光4～8.5dBm相比，二重瑞利散射光功率比較弱。

（二） EDFA

EDFA設(shè)置前、后向泵浦光波長(zhǎng)分別設(shè)置為980nm、1480nm，泵浦光功率均設(shè)置為150mW。ASE譜頻率范圍設(shè)置為1520～1570nm，間隔為125GHz。信號(hào)光1530～1580nm，等間距分為40個(gè)信道，功率均設(shè)置為0dBm；鉺纖的長(zhǎng)度設(shè)置為10m。

圖3是EDFA信號(hào)光、ASE光演變過程。從圖3的左上角、右上角圖可以看出EDFA的增益譜是不平坦，這是由EDFA的吸收系數(shù)和增益系數(shù)曲線決定的，而吸收系數(shù)和增益系數(shù)曲線是由摻雜特性決定。因此EDFA的增益譜和拉曼放大器增益不平坦的原因是不相同的。此外，從圖3的右上角圖可以看出，EDFA的增益譜寬度比拉曼放大器窄得多，大約為30nm，只能夠覆蓋C或者L波段。

（三）適用性討論

通過上述的分析可以看出，拉曼放大器和EDFA各有優(yōu)缺點(diǎn)。拉曼放大器具有較寬的增益譜，可以覆蓋C+L波段，拉曼放大器的放大特性與泵浦光的波長(zhǎng)、功率有關(guān)，拉曼放大器的增益譜是所有單個(gè)泵浦光的增益譜的疊加。信號(hào)光之間、信號(hào)光與泵浦光之間通過受激拉曼散射相互作用。拉曼放大器可以使用多個(gè)泵浦光，拉曼放大器的放大效率比較低，需要的泵浦光功率比較高，并且增益平坦度優(yōu)化比較復(fù)雜。

EDFA放大器是由摻雜特性決定的，與拉曼放大器相比EDFA增益譜較窄，約為30nm，一般覆蓋C波段，即C波段型的EDFA。為了使EDFA能夠?qū)+L波段進(jìn)行放大，實(shí)際做法是通過改變摻雜濃度，使得EDFA的增益窗口處于L波段，即制作L波段型的EDFA，將C波段型、L波段型的EDFA通過串聯(lián)、并聯(lián)方式組合在一起構(gòu)成C+L波段放大器，放大過程先將輸入信號(hào)光的C、L波段信號(hào)分量分開分別放大，放大后再合在一起傳輸，這種方法會(huì)引入額外的插損。EDFA的增益譜形狀與鉺纖的摻雜特性、輸入信號(hào)光譜相關(guān)，信號(hào)光之間通過載流子競(jìng)爭(zhēng)相互影響。EDFA具有較高的放大效率，因此，需要的泵浦功率要小很多。

因此，拉曼放大器適用于C+L、全波段通信系統(tǒng)，并且對(duì)功耗不限制的場(chǎng)景，例如僅適用無中繼的海纜光通信。而EDFA適用于C或者L波段通信系統(tǒng)、對(duì)功耗有限制的場(chǎng)景，例如用作海底光纜通信中繼器。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文從拉曼放大器、EDFA的數(shù)值模型出發(fā)，分別介紹兩種放大器的數(shù)值理論模型、數(shù)值模型建立和方程求解方法，以EDFA為實(shí)例闡述兩種放大器的求解過程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種放大器的模型進(jìn)行求解，對(duì)兩種放大器對(duì)信號(hào)光的放大過程進(jìn)行分析，闡述兩種放大器對(duì)信號(hào)光放大的物理過程。根據(jù)兩種放大器的模擬結(jié)果，從兩種放大器的放大譜寬、泵浦光功率兩種因素出發(fā)，討論兩種放大器的應(yīng)用場(chǎng)景，得出拉曼放大器適用于C+L甚至全波段的通信系統(tǒng)，但不能適用于對(duì)功耗限制高的場(chǎng)景；EFDA更適用于C或者L波段的通信系統(tǒng)，適用于對(duì)功耗要求限制比較高的系統(tǒng)。

作者單位：陳巨強(qiáng) 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)海南有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] J. Bromage. Raman amplification for fiber communications systems [J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 2004， 22（1）： 79–93.

[2] C. Randy Giles， E. Desurvire. Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 1991， 9（2）：271-282.

[3]張徐亮. 分布式光纖拉曼放大器的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 浙江：浙江大學(xué)，2006.

陳巨強(qiáng)（1978.11-），男，漢族，海南?？?，本科，傳輸與接入中級(jí)職稱，研究方向：傳輸網(wǎng)智能規(guī)劃和業(yè)務(wù)批量自動(dòng)配置研究。