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拉曼放大器

时间:2022-11-04 百科知识 版权反馈
【摘要】:光纤拉曼放大器的工作基于石英光纤中的受激拉曼散射。光纤拉曼放大器就是利用拉曼散射原理,将低波长(泵)能量转移到高波长信号上。拉曼光纤放大器的开发有两种基本的思路:一种是使用1 480nm的激光器组和特定波长复用器及保偏耦合器的技术,另一种是使用光纤激光器和拉曼波长转换技术。

1.拉曼放大器的概述

光纤拉曼放大器的工作基于石英光纤中的受激拉曼散射。当向光纤中射入强功率的光信号时,输入光的一部分变换为比输入光波长更长的光波信号输出,这种现象就是拉曼散射。光纤拉曼放大器就是利用拉曼散射原理,将低波长(泵)能量转移到高波长信号上。拉曼光纤放大利用了光纤中的非线性受激拉曼散射效应,这是一种三阶非线性过程,是光子与声子(分子振动模)之间的非弹性散射,把短波长泵浦光的能量转化为长波长信号光的能量,实现对信号光的放大。

通过适当改变泵浦激光光波的波长,FRA可以在任意波段进行光放大的宽带放大,甚至可在1 270~1 670nm整个波段内提供放大。但是,如果泵浦光源的带宽过宽时,会出现泵浦光源间的感应拉曼散射效应,从而达不到预期的宽带平坦性。如果对FRA和EDFA的泵浦波长加以优选,在进行串联时就可以获得互补,从而达到满意的增益平坦性,实现宽带化。FRA的拉曼增益与泵浦光功率有关。由于在光的行进方向和逆行方向均能产生拉曼散射光。因而,拉曼放大的泵浦光方向既可前向泵浦也可后向泵浦。另外,泵浦光的波长对FRA的增益最大点至关重要。

FRA可分为分布式FRA、分立式FRA和集中式FRA。分布式FRA主要作为光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大,实现光纤通信系统光信号的透明传输,增益与损耗相等,输出功率与输入功率相等,主要用于光纤通信系统中作为多路信号和高速超短光脉冲信号损耗的补偿放大,也可作为光接收机的前置放大器,作为损耗补偿放大应用时,光纤既是增益媒质,又是传输媒质,光纤既存在损耗,又产生增益,增益补偿损耗实现净增益为零的无损透明传输,因而可辅助EDFA改善DWDM系统的性能。而分立式FRA或者集中式FRA是利用特殊的增益光纤作为增益介质,主要作为高增益、高功率放大,放大EDFA不能放大的波段或与EDFA一起构成超宽带放大器。

2.拉曼放大器的基本原理

当光辐射通过介质时,大部分入射光直接透射过去,一部分光则偏离原来的传播方向而向空间散射开来,形成散射光。散射光与入射光在强度、方向、偏振态及频率方面均可能有所不同。在许多非线性光学介质中,对波长较短的泵浦光的散射使得一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束,频率下移量由介质的振动模式决定,此过程称为拉曼效应,量子力学描述为入射光的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子。同时分子完成振动态之间的跃迁,入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。由于材料中的分子处于一系列不同的能级上,因而各自引起的散射光的频移也不相同,使散射光谱表现为一定的连续性,但是其拉曼散射几率不同。散射概率不同在现象上表现为不同信号波长上的拉曼增益不同。研究发现,石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱,并在13THz附近有一较宽的主峰。因为这一特性,光纤可用做宽带放大器的放大介质。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传播,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。

拉曼效应在光纤中具有建设性的应用刚刚兴起。拉曼放大器利用硅光纤中的内在属性来进行信号的放大,信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿,这就意味着光纤本身将成为放大器的一部分,因而在光纤内部将同时进行着光信号的放大和衰减。以此原理工作的拉曼放大器通常称为分布式拉曼放大器(Distributed Raman Amplifier,DRA)。

DRA工作的基本原理是受激拉曼散射效应,在足够强的短波长泵浦光以一定强度与信号光同时进入光纤后,信号在光纤中被放大,即将一小部分入射功率由一光束转移到另外一个频率下移的光束。频率下移量由非线性介质的振动模式决定,当波长较短(与信号波长相比)的泵浦光馈入光纤时,发生此类效应。泵浦光光子释放其自身的能量,释放出基于信号光波长的光子,将其能量叠加在信号光上,从而完成对信号光的放大。泵浦光子的能量产生了一个与信号光同频的光子和一个声子(Vibration Energy),如图9.12.13所示。

图9.12.13 自激拉曼散射效应

在图9.12.13中,基态上方存在一个范围较宽的振动态,为信号光提供增益。由于振动态(Vibrational State)与基态(Ground State)间的宽度很大,也就提供了多种增益的可能,这可由图9.12.13中的阴影区域看出。

拉曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。拉曼增益与泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值呈线性关系。如图9.12.14所示,在差值为100nm时,这种增长达到极点,即1 450nm泵浦源在1 550nm产生的拉曼增益最高,因此要放大C+L波段1 530~1 605nm的工作波长,最佳泵浦源波长在1 420~1 500nm波段,从理论上讲,采用拉曼放大器可以放大任何波长的工作信号。通常情况下,在泵浦光与信号光的波长相差100nm以内,拉曼增益与该差值基本呈线性关系。随后随该差值快速减小。可用的增益带宽约为48nm。

图9.12.14 拉曼增益与波长增值的关系

拉曼放大器在拓扑结构上的设计易于掺铒光纤放大器,因为只要仔细设计,现有的光纤即可作为放大介质。但是,泵涌光强、波长数量和分布将对拉曼放大的增益和噪声起决定作用。通过选择光纤类型、泵浦源波长以及光纤的跨距,可以达到许多优化目标。例如,通过对拉曼泵涌所用波长的优化,可以保证增益非常平坦。

拉曼光纤放大器的开发有两种基本的思路:一种是使用1 480nm的激光器组和特定波长复用器及保偏耦合器的技术,另一种是使用光纤激光器和拉曼波长转换技术。这两种方案都是目前通用的方案,且被证明是行之有效的,前一方案中,核心技术包括特定波长高功率激光二极管、保偏耦合器、泵浦合波器,适用于高功率的信号与泵浦的WDM器件及其他相关工艺技术。后一种方案中,核心技术包括包层泵涌的掺镱光纤、锥形多模泵浦合波器、光纤光栅、拉曼光纤,适用于高功率的信号与泵浦的WDM器件及相关技术。

3.拉曼放大器的优缺点

拉曼放大器的优点:

①可在任意波长处获得增益、更高的功率和更宽的带宽。

②可使用传输光纤作为增益介质,可以弥补EDFA的不足,有利于改进整个系统的性能。这是因为FRA是分布式放大,放大器增益介质就是传输光纤的一部分。这种分布式放大光传输系统的噪声性能要优于集中式(如EDFA)放大。而且,分布的泵浦降低了本地的信号功率电平,从而降低了信道间的非线性互作用影响。

总之,FRA可改进系统的信噪比,有利于提高码速,有利于延长中继距离。

FRA的主要缺点:

①泵浦效率低,因而要求很高的泵浦功率。

②拉曼增益与偏振状态有关。

4.拉曼放大器的分类和应用方式

拉曼放大器可以分布式、集中式、分立式或混合式。因此拉曼放大器既可以充当稀土掺杂的放大器用于低噪声的前置放大,也具备全拉曼系统中所有放大器所需的功能而应用在全拉曼系统中。此外在拉曼放大器中,放大和色散补偿可以由同一段光纤来实现。拉曼放大器能够提供一个单一、简化的放大平台从而来满足长途和超长传输的需要。拉曼放大器主要分为两大类:分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。

(1)分立式拉曼放大器

分立式拉曼放大器是指用一个集中的单元来提供增益,这一点与分布式拉曼放大完全不同,在分立式拉曼放大器中,所有的泵浦功率都被限制在一个由隔离器作为边界的集中单元中。图9.12.15给出了一个典型的采用集中泵浦的拉曼放大器。图中后向传输的泵浦光功率通过使用隔离器被集中在一个单元中。相比于DRA应用,图中的拉曼放大器基本没有泵浦功率进入外部传输线路。图9.12.16为传输单元内信号光功率和泵浦光功率沿着集中单元长度的变化情况。

图9.12.15 分立式拉曼放大器工作原理

图9.12.16 分立式RA在集中单元内信号光和泵浦光功率的变化曲线

分立式拉曼放大器采用拉曼增益系数较高的特种光纤(如高掺锗光纤等),这种光纤长度一般为几公里。泵浦功率要求很高,一般为数W。分立式拉曼放大器可产生40dB以上的高增益,其应用方式和EDFA完全一样,用来对信号进行集总式放大,因此主要用于实现EDFA无法放大的波段。

使用分立式拉曼放大器的一个主要的原因就是在石英硅光纤中开发新的可利用的波带。因为拉曼放大器的整个放大波段可以是1 280~1 530nm,而这么大的带宽对EDFA来说是不可能做到的。

在所有要开发的新波段中,最重要的要属S波段。因为相对于L波段来说,S波段在SMF光纤中具有较好的衰减特性,而且也比L波段的抗光纤弯曲造成的衰减能力强。此外S波段也比L和C波段的色散特性要好。例如,S波段的色散要比L段的色散小接近30%。目前半导体光放大器、掺铒光纤放大器和集中式以及分立式拉曼放大器都可以用来开发S波段。

分立式拉曼放大器最早是工作在1 310nm波段而被应用到有线电视中的。除此之外,人们再没有对拉曼放大器在该波段做过类似的商用开发。这里有一些原因。第一,1 310nm波段不适于长途传输系统的应用。例如,在1 310nm窗口的损耗是0.35dB左右,而在1 550nm窗口的损耗可以低至0.2dB。而高的损耗就意味着缩短再生器之间的中继距离。这无疑会增加系统的代价。第二,1 310nm适于SMF光纤的应用,但却不适于应用在零色散光纤的WDM系统中。即在1 310nm附近不能开通太多的信道。第三,1 310nm波段的窗口相对1 550nm的窗口还是比较窄的。在1 310nm窗口内至多可以利用20nm的带宽,而正在这段带宽内损耗增加得非常快。现在人们正在开发应用于1 400nm窗口的分立式拉曼放大器。

目前新的发展动向是利用色散补偿光纤(DCF)本身拉曼增益系数较高的特点,在原DCF光纤的基础上加以改进,在保持色散补偿特性的同时进一步提高其拉曼增益系数。这样当系统设计者决定使用色散补偿光纤进行系统的色散补偿方案时,按照色散补偿光纤与普通光纤(G.652)1∶7的配比,每80km的跨距段就需要10km左右的DCF光纤,只要额外加500mW左右的泵浦功率就可实现10dB左右的拉曼增益。这样在色散补偿的同时也实现了光放大,可谓是一举两得,如图9.12.17所示。

图9.12.17 兼顾色散补偿和信号放大的分立式拉曼放大器

(2)分布式拉曼放大器

分布式拉曼放大器(DRA)是一种可以对传输光纤进行泵浦放大的放大器。分布式放大器可以使光传输系统的性能得到极大的改善,而以目前的技术来看只有拉曼放大技术才能实现在光传输过程中的分布式放大,因此分布式拉曼放大器在系统中的应用前景正日益重要起来。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长,一般为几十千米,泵源功率可降低到几百毫瓦,主要辅助EDFA提高DWDM通信系统的性能,抑制非线性效应,提高信噪比。在DWDM系统中,传输容量,尤其是复用波长数目的增加,使光纤中传输的光功率越来越大,引起的非线性效应也越来越强,容易产生信道串扰,使信号失真。采用分布式光纤拉曼放大辅助传输可大大降低信号的入射功率,同时保持适当的光信号信噪比。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到了快速的发展。

分布式光纤拉曼放大辅助传输系统的典型结构如图9.12.18所示,DRA就利用了传输网络中已有的传输光纤作为拉曼增益介质来进行放大。这是一个很典型的放大结构,即后向传输的拉曼泵浦与分立式放大器(如EDFA)结合起来组成混合放大器。拉曼泵浦光在DWDM系统的每个传输单元(Span)的末端注入光纤,并与信号传输方向相反,以传输光纤为增益介质,对信号进行分布式放大。如此,分布式光纤拉曼放大器与掺铒光纤放大器混合使用,同时对信号进行在线放大。值得注意的是,这种后向拉曼泵浦由于传输单元末端的光信号功率微弱,不会因为拉曼放大而引起附加的光纤非线性效应。

图9.12.18 采用分布式拉曼辅助传输的WDM系统

使用DRA可以改善SNR并降低非线性损耗,如图9.12.19所示。该图画出了一个周期放大系统中的信号功率与传输距离的关系。其中锯齿状线条表示的信号是只经过常规EDFA放大的信号光功率的变化情况,而曲线状线条则表示的是使用了周期性分布式拉曼放大DRA放大后的信号光功率沿传输距离的变化情况。可以看出使用DRA技术后降低了整个信号的漂移幅度,同时在大功率信号区域,对于使用DRA的方案来说并不需要功率很高的注入信号,因此这就降低了非线性效益的影响,另外在低功率信号区域,信号光功率也不必非常低,这样就从根本上提高了OSNR。

图9.12.19 仅使用EDFA和“周期性使用拉曼放大+EDFA放大”的信号光功率与传输距离的关系

分布式拉曼放大器可以作为预放,置于接收机或EDFA的前面,以提高光传输系统的光信噪比,增加传输跨距长度,在长距离传输光纤中,信号被分布式放大,接收端信号的信噪比得到了改善。

使用DRA有很多的优势。首先,能够改善放大器的噪声指数。这样就可以使用较低的信号入口功率,同时还可以使系统容忍高的损耗或者可以延长再生器之间的传输间隔。第二个优势是在整个光纤谱内具有较为平坦的增益。这样可以改善信噪比,降低非线性效应的影响。这种特性对于高速以及孤子传输是相当有利的。第三个优势是当DRA和EDFA共同使用时,在线路上的复杂性就可以全部承载在EDFA上,即DRA只充当低噪声的前置放大器,而关于增益均衡、增益校正、上/下路复用器和色散补充等就可以由中间的EDFA来完成。当然DRA也面临着很多的挑战。首先,在典型的DRA应用中,光纤的长度不能超过40km,这是因为对于非线性效应来说,光纤的有效长度是由泵浦光波的衰减来确定的,而对处于1 450nm附近的泵浦波长,其光纤的穿透力低于40km。其次,使用DRA后再传输光纤中所需的高的泵浦功率。例如,在DSF中要达到最优的噪声指数需要580mW,在SMF中需要1.28W。而在这个功率级别上,一些连接器很容易受到损害。

设计分布式拉曼放大器时,需要考虑的是使用前向泵浦、后向泵浦,还是双向泵浦。如果采用前向泵浦,拉曼效应是瞬间产生的,放大后泵浦源噪声对WDM信号有很大干扰,拉曼泵浦不可避免地具有随机的功率起伏,单个冲击经过不同程度的放大,导致幅度上的波动或抖动,从而影响信号的传输。如果采用后向泵浦,拉曼泵浦源的功率波动会被均衡掉,因此由泵浦源所产生的噪声就能有效地被抑制。

在使用前向和后向泵浦两种不同拉曼放大应用方式的情况下,信号光功率随传输距离的变化情况如图9.12.20所示。

图9.12.20 在使用不同拉曼放大应用方式下的光功率随传输距离的变化情况

从实现拉曼放大的方式来看,现在应用都采用传输线路光纤作为工作媒质,而不像EDFA专门用一段掺铒光纤进行放大。在采用拉曼放大器的WDM系统中,只需要泵浦源,而不再需要特殊的工作媒质。正常EDFA的噪声系数为5~7dB,拉曼放大器由于是分布式的,其等效噪声系数很小,大约为-2~1dB。由于一般情况下的使用方式都是拉曼放大器在前,EDFA放大器在后,因此“拉曼+EDFA”放大器的噪声系数在很大程度上取决于拉曼放大器的噪声系数。一般来说,采用拉曼放大器后可以减小光放大器噪声系数3dB左右,也就是说,光放大器噪声从6dB降低到3dB以下,至少延长传输距离1倍,从而延长光电传输距离1 200km以上。

从应用上看,拉曼更多采用的是后向泵浦。如果拉曼泵浦源和工作波长在同一个方向传输,泵浦源与工作波长信号传输方向和路径相同,经过的相位改变也相向,其偏振态的关系维持—个固定相位,即信号开始传输时的相位差。由于拉曼增益的偏振效应,如果工作波长与泵浦源的偏振态相差90°,则信号无法获得增益,如果相差45°,其增益也会受到影响。只有工作信号偏振态与泵浦源完全一致时,信号才能获得有效增益。而实际光工作信号经过许多段光放大段的传输,其偏振态随光纤传输变化很大,是—个动态数值,每个光放大器站放置的泵浦源很难保证与工作波长偏振态一致,其拉曼增益的效率将降低。由于偏振增益的关系,拉曼放大器一般不采用同向泵浦.而采用后向泵浦。图9.12.21给出了采用后向泵浦DRA的工作原理示意图

图9.12.21 后向泵浦拉曼放大

在后向泵浦方式下,由于传输单元末端的光信号功率微弱,不会因为拉曼放大而引起附加的光纤非线性效应。对于受限于四波混频的波分复用系统,注入信号功率降低6dB可以使波长间隔缩小一半。对于主要的非线性限制因素是互相位调制的系统,注入信号功率降低6dB可以使波长间隔缩小为1/4。可见,当注入光功率被降低到光纤非线性效应可以被忽略的程度时,在现有的25Gbit/s系统中,DWDM系统的复用波长间隔可以进一步缩短,复用的信道数可进一步增加,总传输速率从而得到提升。

传统的分布式拉曼光纤放大器大都采用后向泵浦的方式,与前向以及双向泵浦的方式相比,这种泵浦方式存在等效噪声指数大的缺点,如果只采用单一方向的泵浦结构就不能同时实现增益与噪声指数的优化。而通过双向泵浦结构及合理的泵浦波长的选择,在1 528~1 605nm范围内可以同时实现增益与噪声指数的平坦化。这种新型泵浦结构的分布式拉曼光纤放大器的泵浦结构如图9.12.22所示。

图9.12.22 可同时实现增益与噪声指数平坦的双向泵浦结构

对于10Gbit/s甚至40Gbit/s系统,为保持接收端信号的信噪比,其注入端信号的光功率相对于门前的25Gbit/s系统均需要有较大幅度的提高,这样即使是32波传输也会由于光强太大,在发送端会发生很严重的非线性效应,严重影响信号的传输。利用分布式拉曼放大技术,可以在保持接收端信噪比不变的情况下降低入注功率,使得在现有的通信环境下从2.5Gbit/s系统较平滑地升级到10Gbit/s系统成为可能。

(3)FRA的应用

利用商用的色散补偿光纤作为拉曼增益介质,既可以补偿光纤的色散,又可以构成集中式的FRA。尤其是构成S波段(1 480~1 530nm)的FRA,拓宽EDFA的工作带宽,构成混合式宽带光纤放大器系统,如图9.12.23所示。

图9.12.23 FRA与EDFA构成的混合式宽带光纤放大器系统

混合放大器的总增益Gtotal

混合放大器的总增益NFtotal

图9.12.24是FRA应用于WDM系统中的一个实例。由图9.12.24可知,该系统由FRA与EDFA联合实现混合放大,使得系统具备分波段光放大、分波段色散补偿以及在EDFA级间色散补偿等特点。

图9.12.24 FRA在WDM系统中的应用实例

在长途和超长的DWDM光纤系统市场中,由于拉曼放大在光传输系统扩容和增加传输距离方面具有巨大的优势和潜力,被认为是新一代高速超长距离DWDM光纤通信骨干网中的核心技术之一。

①在单纤单向WDM系统中拉曼放大器的应用

图9.12.25显示了多波段WDM中分布式拉曼放大器的设计方案,采用多泵浦源,对波长区间为80nm宽的WDM信号进行增益均衡。

图9.12.25 多波段拉曼放大器

图9.12.26 8泵浦拉曼放大器光谱分布

信号波长覆盖将近82nm,波长间隔为50GHz(0.4nm),共计205个波长,每个波长的发送光功率为-3dB左右,光纤为60km的SSMF,8泵源后向拉曼放大。8个拉曼泵浦源的输出光功率范围为19.5~21.5dBm,通过对选择泵浦源波长的优化,能够保证很好的增益平坦度。泵浦源的波长区间宽为86nm,8个波长的间隔不均匀,与WDM信号波长的差值为77~163nm,如图9.12.26所示。注意其中波长最短的4个泵浦的间距基本相同,其他4个的间距要大很多。对于泵浦波长间距的选择有两个原因,首先拉曼增益响应是非对称的,在泵浦波长与信号波长差值小于100nm时,增益与差值呈线性增长。其次,泵浦和泵浦间有着很强的相互作用,由于拉曼泵浦的间隔跨度为86nm,相互之间的拉曼放大已经很严重了。短波长的拉曼泵浦对于长波长的泵浦而言也可看成放大器。

②与EDFA混合使用实现宽带平坦增益的放大

拉曼放大器除了可以单独作为分布式放大器使用外,另一个应用方式就是EDFA和拉曼放大器的混合使用,特点是在一个很宽的带宽范围内提供平坦的增益。中继器中可以将EDFA的非平坦增益运用更加灵活的拉曼增益来进行补偿。这里可以使用多波长泵浦来“塑造”拉曼增益曲线,使其刚好达到这个效果。同时,拉曼放大器本身可以作为放大器用于放大EDFA无法放大的区域。在宽频WDM中,一些频带使用常规的EDFA结构进行放大,而另一些利用拉曼效应和适当的泵浦波长。通过拉曼放大对现有的系统增加通信窗口来升级也是一个很有吸引力的应用。

拉曼放大器的增益较低(在实际线路中使用时不超过16dB),而EDFA虽然噪声指数不如拉曼放大器,但是小信号增益可以超过30dB,因此将拉曼放大器和EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。掺铒光纤放大器和拉曼放大器的结合,可以在很宽的范围内保证群路信号的平坦性,利用拉曼增益的可调节特性,弥补EDFA放大的不平坦性。同时EDFA所不能放大的波长区域,拉曼放大器可以正常工作。

混合EDFA和拉曼放大的应用方式在最近的设计中很成功地用于大容量高光信噪比的DWDM中,或长放大距离的应用中,如架设光缆

图9.12.27是“混合EDFA+拉曼”放大的一个可行方案。EDFA设置在拉曼放大后很远的距离。

图9.12.27 混合EDFA+拉曼放大的方案图

其工作原理为:进入放大单元的光信号首先被均衡器进行均衡,同时使用拉曼光纤放大器提高光信号的信噪比;然后,复用在光纤中的C波段光信号和L波段光信号通过L/C分波器进行分波,各自进入光放大器OA分段放大,补偿损耗;放大的同时,光信号还通过由DCF组成的色散补偿模块DCM进行色散补偿,而增益调节和锁定单元可以动态调节光放大器的增益并锁定各通路输出的功率;C波段光信号在放大前通过1 510/1 550分波器和OSC监控信号再次进行分波,在放大过后两者又通过1 510/1 550合波器进行合波;最后经过放大了的L波段光信号和C波段光信号再通过L/C分合波器进行合波,然后输出。

该方案具有以下优点:

a.增加了系统可用带宽。使用C波段1 530~1 565nm的35nm带宽和L波段1 510~1 565nm的55nm带宽,使系统的可用带宽达到85nm,大大提升了系统容量。

b.具有动态增益调节和锁定功能。系统加入了调节和锁定单元,使得在进行信号放大时,可以动态调节和锁定增益。

c.在放大光信号的同时,可以通过DCF进行色散补偿。

d.均衡单元对可以对信号进行均衡,改善放大器增益的不平坦性,同时FRA的使用可以提高各通路信号的信噪比。

在信号放大段内的光信号的光强分布与放大方案有很大关系,并可通过拉曼泵浦功率和泵浦方向来控制。通过仔细地选择泵浦光波长、传输光纤长度和种类,可以制定出多种优化方案来。例如,通过频率相关的拉曼增益来实现整体增益的平坦,优化可以通过数字模拟来研究和分析。下面将给出一个实验来说明这种应用方式的优势所在。

实验中采用外调制光发射模块,码型为非归零码(NRZ),没有加前向纠错(FEC)功能。发射模块的出光功率为0.3dBm,色散容限(2dB)为1 600ps/km,中心波长为1 550.1nm。接收模块(PIN)的灵敏度为-18dBm,过载点为0dBm,传输光纤为160km G.652光纤。实验装置如图9.12.28所示。160km G.652光纤的实际损耗为33dB,为了测试系统灵敏度,在两段光纤的中间加上了可调衰减器。考虑发射机的色散容限,选择补偿100km的色散补偿模块。实验结果为:拉曼放大器增益为11dB时,系统灵敏度为-35.5dBm;拉曼放大器增益为16dB时,系统灵敏度为-36.5dBm;拉曼放大器增益为20dB时,系统灵敏度为-37.5dBm。实验结果表明,将拉曼故大器和EDFA结合而形成的混合放大器将大大提高10Gbit/s系统的接收性能。

图9.12.28 用于10Gbit/s的SDH传输系统的混合放大器实验装置图

目前,采用分布式拉曼放大器和EDFA构成的混合式光纤放大器方案已成为高容量骨干网中的流行配置,在超长单跨和超长距离传输中有极明朗的应用前景。例如,在40Gbit/s系统中,为保证足够的误码率指标,必须提高单位比特内的平均信号光功率。为保证现今的跨距长度并且防止非线性效应危害,采用分布式拉曼放大技术成为优选方案之一。随着两用化半导体泵浦激光器价格的不断下调,分布式拉曼放大技术的实用化程度也不断提高,现在已经参与网络运营。

5.拉曼放大器的系统应用设计原则

在应用拉曼放大器的系统中,产生拉曼增益有两个因素——光纤自身和拉曼放大器,根据它们的具体参数调制系统,改善10Gbit/s系统或400Gbit/s系统的传输性能。在早期的发展中,噪声被公认为是限制40Gbit/s系统发展的障碍,40Gbit/s的信号需要电再生之前在每个区段上只能传输40km左右,为了确保网络运营的经济性,必须将每个区段的间距维持在80~100km左右,那么拉曼放大器在40Gbit/s传输系统中发挥着关键作用,大幅度消除噪声造成的影响,使信号在电再生之前传输更远的距离。

在拉曼放大器的应用中,需要考虑增益、增益平坦度以及噪声等因素对改善系统传输性能的影响,与EDFA放大过程不同,拉曼放大效应是信号在光纤的传输过程中产生的,在设计过程中,需要了解光纤和拉曼放大器相关参数值之间的相互作用,如表9.12.1所示。

表9.12.1 拉曼放大器工程设计原则

拉曼放大器的应用不仅是在10Gbit/s、40Gbit/s长途传输系统中,还在某些需要增强系统余量的特殊环境下(比如,在一个高衰耗的区段中);在应用波长倒换和选路单元后,系统累积噪声增大;需要延伸信号传输距离的场合。目前较多的是在超长距环境下,采用“拉曼放大器+EDFA”的解决方案。同时,拉曼放大器的引入,可以降低信号的发送光功率,在多波长环境下,可以改善非线性影响。

(1)增益/泵浦功率要求

通过模拟和实验证实,当拉曼泵浦功率达到500mW时,可以提供10dB左右的平均增益。一旦确定了为达到一定增益而需要的泵浦功率,那么在同一根光纤上为达到第二级的增益而需要的泵浦功率也可以通过推算确定下来,二者之间的关系可以表示如下:

其中,Ppump和Ppump,o的单位为mW,G和G0的单位为dB,Ppump,o和G0为参考基准的泵浦功率和增益。

除了在同一根光纤/光缆上根据要求进行多次升级外,还可以推算在其他光纤上需要的泵浦功率,可以依比例而计算,但需要光纤的具体参数,包括光纤的有效面积(Aeff,pump)以及拉曼增益系数(gR)与有效面积(Aeff)的比值,还应考虑适当的有效作用距离(Leff),根据这些信息,可以决定这一类光纤的参数指标(FOM),如表9.12.2所示。通过FOM可以便捷地计算出不同光纤上所需要的泵浦功率。

表9.12.2 光纤参数指标

根据FOM,在不同种类的光纤上所需要的泵浦功率(为达到一个固定的增益)可以表示为

其中,Ppump的单位为mW,Gain的单位为dB,根据以上关系,可以计算不同光纤在馈入同样的泵浦功率时达到的增益。

(2)设计过程中需要考虑的因素

在馈入一定泵浦功率的条件下,就需要考虑影响拉曼增益的因素。在考虑安装带来的损耗时,这些损耗一般分布在拉曼放大器和光缆连接的部分,大约为0.5~1.5dB,考虑到这些,有如下公式;

其中,Ppump和Ppump,o的单位为mW,JumperLoss为光纤跳线的损耗,单位为dB。根据以上公式,在实际工程实施中就具体参数设置泵浦功率。

6.拉曼放大技术对光通信系统性能的影响

拉曼放大器辅助传输对DWDM系统性能的提升具有非常重要的作用,这从系统性能参数,如光信噪比、噪声系数(NF)和性能质量Q因子系数的分析与测量可以看出。

(1)光信噪比

光信噪比(OSNR)是光纤信号与噪声的比值。OSNR的大小决定了信号质量的优劣。一般对于10Gbit/s信号接收端要求在25dB以上(没有前向纠错编码FEC技术时),光信噪比在WDM系统发送端一般有35~40dB,但是经过第一个光放大器后,OSNR将有比较明显的下降,以后每经过一个光放大器EDFA,OSNR都将继续下降,但下降的速度会逐渐放慢。劣化的主要原因在于光放大器在放大信号、噪声的同时,还引入了新的ASE噪声,也就是本放大器的噪声,使总噪声水平提高,OSNR下降。下降速度逐步放慢的原因在于随着线路中级联的放大器数目的增加,“基底”噪声水平提高,仅增加一个EDFA-ASE对总噪声水平的影响不大。

EDFA的噪声系数决定了系统ASE噪声的积累速度。目前商用化EDFA噪声系数为5~7dB,要解决光信噪比OSW受限问题,必须降低光放大器的噪声系数。由于40Gbit/s WDM系统需要的光信噪比比10Gbit/s高6dB左右,如果采用提高发射光功率来满足OSNR的方法,则会使光纤非线性效应更突出,所以必须采用其他的措施。为了克服噪声的积累,在超长距传输环境下,引入了一种特殊的放大器——拉曼放大器,降低了光放大器的噪声系数和噪声累积速度,大大延伸了光电传输距离。

在同样传输距离的前提下,与以往WDM系统相比,使用拉曼放大技术的传输系统的每通路光信号的发送功率相对较低。输出光功率的降低,使每个通路经过线路放大器后,信号放大的同时,所引入的非线性损耗降低,这样使信号尽可能以线性模式(如准线性模式)传输。因此输出信号的光信噪比增大,从而保证在没有电再生中继设备的条件下,信号可以传输更远的距离。在WDM系统中,OSNR是衡量光路性能的重要指标,但由于OSNR是放大器噪声和线性与非线性的积累效应所决定的,无法考虑波形失真和非线性效应,对于准确评估数字传输性能是不够的。Q因子被定义为接收机判决电路信噪比,这种检测到的电SNR最终决定物理层系统BER。可以适用于各种信号格式和速率的数字信号,由于不需要解开帧结构进行开销分析而比较简单易行,该参数的确立和测量方法对于实际维护和测试有重要意义。

(2)噪声系数

在拉曼放大器中存在4种噪声源。

第一是双布里渊散射(DRS),它其实相当于两种散射(一个是后向散射,另一个是前向散射),这是精细玻璃合成时的不均匀造成的。后向传输的ASE会被DRS反射,从而变成前向传输,同时获得瑞利散射带来的增益。这反过来叠加到受到多重反射的ASE噪声上,从而降低了信噪比。此外,从DRS来的多路信号的相互干涉也会降低SNR。DRS与光纤的长度和光纤中的增益是成正比的,因此DRS在拉曼放大器中会由于光纤很长(通常会是几千米)而成为一个非常重要的影响因素。从实用的角度来说,DRS会在每一级放大后降低10~15dB的增益。因此通常可以在多级放大之间放置隔离器来获得高增益的放大器。例如,实验室已经研制出具有两级放大的增益为-30dB的拉曼放大器,它的噪声指数低于5.5dB。

第二个噪声源是拉曼放大器具有非常短的上升沿时间,一般短达3~6fs。这种瞬间增益会把泵浦的被动耦合到光信号中。通常采取的规避措施是使泵浦和光信号后向传输,这样就会产生一个有效的上升沿时间,一段相当于在光纤中的传输时间。如果使泵浦和信号在同一个方向传输的话,泵浦激光器就必须具有非常低的相对强度噪声(RIN)。例如,此时同向的泵浦激光器可以采用FabIy-Perot激光二极管而不能采用Grating-Stabilized激光二极管。

拉曼放大器的第三个噪声源就是常规的放大自发辐射噪声(ASE)。通常信号ASE的拍频噪声要大于ASE-ASE噪声而占主导地位。很幸运的是,拉曼放大器一般信号的ASE噪声都很低,这是由于拉曼系统通常都是一个后向系统。第四个噪声源来自于受激光子的光噪声,这是由于光信号在频谱上靠近泵浦使用的波长,从而被放大所导致的,换句话而言,在高温或较高温度时,会出现一族因受热而产生的离散光子,它们会自发地获得来自泵浦的增益,因此会产生靠近泵浦波长的信号噪声。实验已经表明这种噪声可以把噪声指数提高3dB。在分布式拉曼放大系统中,其噪声系数FR(线性)可以表示如下:其中表示ASE强度,GR代表拉曼增益。从噪声系数(dB)的定义,FR的值小于3dB,在某些系统测试中,甚至可以是负值。

当一个分布式拉曼前置放大器(增益为GR,噪声系数为FR)与一个EDFA放大器(增益为GE,噪声系数为FE)级联在一起时,整体噪声系数F有如下定义:

拉曼放大器的噪声系数FR一般都低于EDFA的FR,根据上面的公式,增大拉曼的增益可以降低整体噪声系数。

在超长距系统中,采用拉曼放大和EDFA共同对信号进行放大的方式,系统的增益可达到28dB左右,而噪声系数只有2dB左右,保证信号的长距离传输。而一段EDFA的噪声系数在5.5~7dB。

拉曼放大器不可避免地引入了一定的噪声,由于多采用分布式拉曼放大方案,与EDFA相比,拉曼放大器的噪声较小。这是因为拉曼放大器引发的放大的自发辐射(ASE)噪声经过后向传输后被衰减掉,所以拉曼放大器的噪声较小。噪声系数FR一般在3dB以内,在某些情况下还会是负值。当拉曼增益增加时,噪声性能会明显下降。

在采用拉曼放大器的系统中,存在一种二次背向瑞利散射(DRBS)效应,影响了对噪声的改善程度。瑞利散射出的光被光纤捕获和传导,产生出DRBS。后向散射的光传回到源端,与输入信号汇合,造成带内交叉串扰,又继续向前传送,散射光在传输光纤中来回经过了两遍,而信号光只传输了一遍,因此,在增益值较大的情况下,DRBS的影响会尤为突出,DRBS成为了拉曼增益效应的主要障碍。

在系统设计中应考虑其噪声特性。由于拉曼光纤放大是分布式的过程,RFA的等效噪声相对于EDFA要小。低噪声的原因是在拉曼光纤放大过程中ASE也在一段较长的光纤中被衰减了,光纤越长噪声越低,由于光纤越长增益越大,因此对于RFA的特性是增益越大噪声越低。当仅考虑泵浦光、信号光(不考虑高阶STOKES光)及ASE噪声(不考虑瑞利散射引起的噪声)时,拉曼放大器的噪声光功率与拉曼放大器的增益成线性关系,即增益越大,噪声越大。在增益一定的前提下,随着信号衰减系数的提高,噪声光功率在变小,也就是说,光纤对信号的损耗一定程度上抑制了自发辐射的噪声。同样,在增益一定的条件下,噪声光功率随着传输距离的增大而减少,这是因为随着传输距离的增大,泵浦光的放大作用逐渐减弱,因此,由于对自发辐射信号的放大而引起的噪声也减弱了。

不过RFA对噪声性能的改进受到二次背向瑞利散射的限制,DRBS对信号光有干扰并且造成串扰,尤其在高增益的情况下,DRBS对噪声的贡献变得更加显著,因此RFA的增益也受到一定的限制。提高拉曼光放大器的噪声性能有两个方法:改变泵浦衰减和改变信号衰减。泵浦衰减影响到拉曼光放大器的等效光纤长度,衰减越小长度越大,因此对AASE的衰减也越大,有利于提高噪声性能。拉曼光放大器的优点就在于其分布式放大过程,增加信号的衰减也能够进一步减弱ASE,不过同时也要求增加拉曼光放大器的增益来补偿对信号的衰减。对于泵浦衰减和信号衰减的控制是改善整个系统光信噪比的重要手段。分布式拉曼放大器常规EDFA混合使用能有效地降低系统的传输单元噪声,而不必减小单元长度。

(3)Q因子系数

在光通信系统中,特别是WDM系统中,OSNR是目前衡量光路性能的重要指标,目前在光域内还没有其他指标像OSNR一样真实地反映信号性能质量。但是越来越多的人认为:10Gbit/s及以上速率系统非线性效应很强,对系统最终的BER性能有着举足轻重的影响,仅仅依靠OSNR已无法准确地衡量系统的性能,同样的光信噪比情况下,非线性效应的大小会引起系统BER的显著变化。光信噪比并没有考虑非线性的作用,即同样的光信噪比情况下,由于非线性或波形失真,系统的误码性能可能有很大区别。为此,有些厂商倾向于提出一个新的概念,即用Q因子来衡量系统性能。所谓Q因子就是在判决电平点信号和噪声的比值,是一个电信号信噪比的概念。

Q因子被定义为接收机判决电路信噪比。这种检测到的电SNR最终决定物理层系统的BER。与BER和误码率相比,Q因子只需要光电变换和时钟恢复,而不需要解开帧结构,进行开销分析,因此可以应用在3R中继器的光通路连接处。

Q因子被定义为在最佳判决点,信号与噪声的比值。假设信号“1”和“0”的概率是相同的,P(0)=P(1)=0.5,噪声与信号的统计特性无关。

Q因子可以写为dB形式:

其中,μ1是“1”电平时的平均电平,μ0是“0”电平时的平均电平,σ1和σ0是“1”电平和“0”电平时的标准方差。

采用光放大器的系统,光放大器的输出功率(Pout≥Psens)与光放大器自发辐射噪声Psp的比值定义为光信噪比。系统的Q因子与光信噪比有定量的关系。

分布拉曼放大辅助传输对系统性能质量Q因子的影响可由以下分析得出。放大自发辐射为信号主要噪声来源时,Q因子可用以下方程表示:

其中,P是信号入射功率,F是放大器噪声指数(以线性单位表示),G是放大器增益(以线性单位表示),N是放大器数目,Be为电域带宽,hv为一常数。因为分布拉曼可被等效为一分立的放大器,相当于在每个传输单元添加了一个放大器。可做如下定性分析,由于放大器加倍,每个放大器的增益可减为原来的1/2(这里增益是以dB表示的),转换成线性单位代入Q方程中,即使以“2×放大器数的增量”,Q值的提升也大于2dB(较高的Q值意味着较好的误码率)。这也是陆上6×100km系统和海底140×50km系统两者都能工作和具有相同噪声积累的道理所在。

由Q因子方程还可以看出,降低分母里的噪声指数F可以直接提高Q因子值。然而,光纤传输设计中通常要考虑ASE噪声和光纤非线性之间的均衡。当入射信号光功率过低时,ASE噪声使Q值降低,当功率太高时,光纤非线性使Q值降低。分布式拉曼放大器不但使系统的Q值升高了,还使最佳入射信号光功率降低了许多,这对降低光纤非线性对信号的串扰有非常积极的作用。分布式拉曼放大器能提高系统性能的优点使其具有所谓的“跨距延伸效益”。跨距延伸使长距离传输干线上可撤除昂贵的3R中继器,趋向光透明性,具有直接的商业需求。分布式拉曼放大器还成为一种网络升级必需的器件,用以将现有的传输系统升级到40Gbit/s。如果没有拉曼放大,现有的各种光纤类型只有在传输单元长度不长于50km的情况下才能支持这个码率。除了距离和比特速率的提高外,分布式拉曼放大器还允许通过加密信道间隔,提高光纤传输的复用程度和传输容量。光纤拉曼放大器的这些优点及其作为分立式放大器使用时所具有的超宽带特性使其在近几年内获得了广泛的研究和应用,并取得了骄人的业绩。

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