混合式喇曼/摻鉺光纖放大器特性及應用進展

江蘇中博通信有限公司 沈順元

混合式喇曼/摻鉺光纖放大器特性及應用進展

江蘇中博通信有限公司 沈順元

摘要：介紹了光纖喇曼放大器的結構，分析了分布式喇曼放大器（DRA）的低噪聲特性。對于Raman/EDFA（喇曼/摻鉺光纖放大器）混合式光放大器的主要特性進行了深入討論并介紹了它在波分復用光纖通信系統中的應用與進展。

關鍵詞：光纖喇曼放大器；摻鉺光纖放大器；波分復用；噪聲；增益譜

0　引言

如果沒有喇曼（Raman）放大，要在常規的光纖跨段上傳輸速率40 Gb/s以上的信號，是很難獲得所要求的光信噪比（OSNR）的[1]。FRA（光纖喇曼放大器）有許多突出的優點：任何光纖都有喇曼增益，因此很容易利用已經鋪設的光纖實現喇曼放大，在終端對已有系統進行升級，十分經濟；喇曼增益譜范圍決定于泵浦波長，可采用多波長泵浦得到寬的平坦增益譜，光帶寬可達80～100 nm；喇曼放大的增益帶寬大，其半高全寬達6 THz，適合于高速率信號的放大；喇曼放大在本質上是低噪聲的，有利于系統信噪比的提高。

1　光纖喇曼放大器

FRA主要由喇曼增益媒質（光纖）、泵浦光源、耦合器等構成。信號光與泵浦光可以同向傳播，也可以反向傳播。圖1為反向泵浦FRA的結構框圖，泵浦功率通過耦合器反向注入光纖，輸入信號在與泵浦信號相向傳輸中因受激喇曼散射而獲得放大，并從輸出端輸出。如果泵浦波長為1 450 nm，則喇曼散射產生的信號光波長約為1 550 nm，剛好落在光纖通信的最低損耗窗口。圖1中兩端的光隔離器用于消除各種反射的放大及雙瑞利散射，保證放大器的穩定工作。在同向泵浦時，放大主要發生在鏈路的發送機端，因此鏈路始端的信號功率就較高，且產生的放大的自發發射（ASE）功率沿鏈路是衰減的，有利于信噪比的提高；另一方面，信號與泵浦光同向傳輸的過程中，泵浦光的相對強度噪聲會轉移到信號上，引起嚴重的信噪比退化。在反向泵浦時，泵浦功率在接收機端注入，增益主要產生在靠近接收機端的一段長約20 km的鏈路上，輸出端信號較強，因此反向泵浦方式能夠改善系統的信噪比，獲得了廣泛的應用。

FRA有分布式（DRA）和分立式（或集中式）兩類。DRA利用傳輸光纖本身作為增益媒質，長度較長，達幾十千米。實驗證明，DRA能提高系統的功率預算，延長光纖跨段及系統傳輸距離，減少系統非線性的影響，因而受到高速長距離光纖通信系統的青睞；分立式喇曼放大器的長度較短，一般在十千米以內，通常采用高摻鍺、低損耗、小有效面積的色散補償光纖作為增益媒質，它一方面用于信道的色散補償，同時也用作為喇曼增益媒質，對信號進行高增益、低噪聲放大。目前分立式喇曼放大器的研究主要集中在光纖傳輸損耗較低的S波段。

圖2為集中式光放大器〔如EDFA（摻鉺光纖放大器）〕與反向分布式光放大器中信號功率沿傳輸距離的變化。在EDFA系統中，放大器輸出端的信號功率電平最高，然后慢慢減小到下一級放大器輸入端的低電平。顯然，高電平端容易受到非線性的影響，低電平端則噪聲性能差；相對而言，DRA整段維持中等大小的功率電平，預期受到光纖非線性的影響要小于EDFA。由于系統的噪聲性能決定于信號的輸出功率與ASE功率之比，而DRA的輸出端功率電平高，因此DRA具有比EDFA更好的噪聲性能也就不足為奇了。

喇曼放大器的噪聲源中，有的是所有光放大器中所共有的，如散彈噪聲、ASE噪聲、與上能級壽命有關的噪聲等；有的則是其獨有的，如雙瑞利散射噪聲、受激聲子熱噪聲等。通常情況下，喇曼放大器的主要噪聲源是信號與ASE之間的拍頻噪聲。由于喇曼放大器中粒子數反轉幾乎總是完全的，即粒子數反轉系數nsp≈1，因此在本質上它是低噪聲的。

反向泵浦分布式喇曼放大器的噪聲性能可等同于一段無源光纖加上一個虛構的等效分立式放大器的噪聲性能，見圖3。

這里，將傳輸光纖視作為第一個“放大器”，后接一個分立式光放大器。GR和FnR為有喇曼泵浦時的增益和噪聲系數，Gf（它等于光纖跨段損耗Lsp的倒數）和Fnf為沒有喇曼泵浦時的增益和噪聲系數。注意GR和Gf有可能小于1，這顯示傳輸光纖中出現了凈損耗。Fn,eff為置于傳輸系統輸出端的虛構等效分立式光放大器的噪聲系數，它與喇曼泵浦系統具有同樣的噪聲性能。無泵浦功率時，跨段損耗Lsp很大，信噪比將嚴重惡化；但隨著泵浦功率的增加，喇曼增益不斷提高，則信號增強，信噪比增大，或噪聲系數逐漸下降。

在喇曼放大器研究中，這種噪聲系數的改善常常采用等效噪聲系數Fn,eff的概念，從級聯放大器噪聲系數的Friis公式可得

因此，等效噪聲系數為

由于Gf＝1/ Lsp，上式可用dB表示為

式（3）說明，DRA的等效噪聲系數等于傳輸光纖有、無泵浦時的噪聲系數之比，且用dB表示的等效噪聲系數通常是負的。例如，設光纖損耗為0.2 dB/km，光纖長度100 km，則從式（3）可得Fn,eff＝FnR(dB)－20 dB。測量和模擬的DRA等效噪聲系數與泵浦功率有關，隨著泵浦功率的提高，喇曼增益增大，其等效噪聲系數逐漸下降，在一定的泵浦功率時達到最低點，見圖4。而泵浦功率進一步提高時，雖然喇曼增益也增大，但其等效噪聲系數反而增大了，這是由于瑞利散射噪聲迅速增大所致。從圖4可見，在一定的泵浦功率時，DRA的等效噪聲系數約為－3 dB，而EDFA的典型噪聲系數為4 dB，因此采用DRA時的信噪比改善可達7 dB之多。

2　Raman/EDFA混合光放大器性能

雖然光纖喇曼放大器具有低噪聲的特性，但瑞利散射限制了其增益不能超過10～15 dB。而通常，光纖的一個傳輸跨段長為80～100 km，因此在光纖損耗為0.2 dB/km時，要求的光放大器增益應在16～20 dB以上，即一個DRA的增益尚不足以補償一個傳輸跨段光纖的損耗。為此，可在DRA后面級聯一個目前波分復用（WDM）系統中廣泛應用的低增益EDFA，從而構成Raman/EDFA混合式光光放大器，這是目前高速光通信系統中的一種典型用法，應用于系統中時在增大EDFA帶寬的同時，既能增加跨段距離，又能減小光纖非線性的影響。由于信號進入EDFA中時的功率已被DFA放大到了足夠高，因而可忽略EDFA產生的附加噪聲。這樣，Raman/EDFA混合式光放大器的等效噪聲系數必然是低的，因而能顯著提高系統的OSNR[1]。

下面進一步介紹Raman/EDFA混合式光放大器的優勢。

2.1噪聲特性[2,3]

Raman/EDFA混合式光放大器的結構及等效系統如圖5所示。利用這兩個系統的等效關系，有如下的關系：

其中Fn，EDFA為EDFA的噪聲指數。從式（4）可得該系統的等效噪聲系數為

可見，由于DRA的增益，進入EDFA的信號功率很高，則可忽略EDFA產生的附加噪聲，即式（5）可簡化為式（2）。如果增益足夠高，等效噪聲系數不但能小于分立式光放大器的3 dB量子極限，而且甚至也可能是負的。由于OSNR反比于光放大器的噪聲系數，因此等效噪聲系數減小1 dB，OSNR就能增加1 dB。喇曼增益愈高、跨段損耗愈大，等效噪聲系數愈低，OSNR的改善愈明顯，這對于系統的設計及實際應用來說無疑都是十分有利的。

2.2增益譜特性

光纖通信技術的迅速發展，與光放大器EDFA和WDM技術的珠聯璧合密不可分。但EDFA的傳統放大波段是C波段（1 520～1 565 nm），能提供35～40 nm的傳輸帶寬。但對于高速發展的光通信應用來說，該帶寬的容量早已是捉襟見肘。為此，開發了長波長的L波段EDFA（1 570～1 620 nm）。一個寬帶的EDFA通常有二級構成，一級放大C波段信號，另一級放大L波段信號。它采用復雜的并聯結構，二級之間有10 nm的隔離帶，以消除多徑干涉的影響，噪聲性能亦不如C波段的EDFA。

對于喇曼放大器，雖然光纖本身的增益譜很寬，但卻是不平坦的類三角形形狀，不利于WDM應用。為了獲得平坦的寬帶增益譜，通常采用多泵浦技術，不同泵浦波長的多個增益峰合成所需要的寬帶寬。如采用12個不同波長不同功率的泵浦激光器，獲得了80 nm寬的增益譜，增益脈動小于0.1 dB。顯然，其代價是復雜的結構。

Raman/EDFA混合式光放大器的另一個優勢是能夠簡單地構成寬的平坦增益譜。眾所周知，EDFA的增益譜形狀是后傾的三角形，而喇曼增益譜的形狀則是前傾的三角形，見圖6。將二者的反對稱形狀合成，則構成的Raman/EDFA混合式光放大器預期可以獲得足夠寬的平坦增益譜。例如，一個1 497 nm反向泵浦的DRA，后接一個980 nm泵浦的C波段EDFA，再加上一個增益均衡平坦濾波器，就構成了一個寬帶Raman/EDFA混合式光放大器，其增益譜達寬80 nm（均衡后的增益脈動小于±0.2 dB），連續覆蓋了C加L兩個波段。該混合放大器的等效噪聲系數為2.7～4.8 dB，顯然優于一般的C波段EDFA。采用它作為中繼光放大器，將256×10 Gb/s的信號無誤碼傳輸了11 000 km[4]。

3　Raman/EDFA在WDM系統中應用

Raman/EDFA混合式光放大器在高速大容量光纖通信系統及網絡中獲得了廣泛的應用，包括長距離陸地及海底的WDM系統、長距離無中繼系統、WDM光網絡等，尤其是在速率大于40 Gb/s的系統中更是獨領風騷。例如，文獻[4]介紹了采用80 nm帶寬Raman/EDFA混合式光放大器傳輸2.56 Tb/s（256×10 Gb/s）信號11 000 km的結果；文獻[5-6]分別介紹了采用Raman/EDFA混合式光放大器延長信號無中繼傳輸距離的報道；文獻[7]創造了大容量的38.75 Tb/s（155×250 Gb/s）信號傳輸6600 km的記錄，采用C加L的Raman/EDFA混合式光放大器，中繼距離100 km；文獻[8]介紹了增益平坦的Raman/EDFA放大器結構；文獻[9-10]進一步對單個光放大器（EDFA，Raman）與混合式光放大器（EDFA/EDFA，Raman/Raman，EDFA/Raman）的性能，進行了深入的理論與實驗研究。

在剛剛結束的OFC2014會議上，報道了許多100 Gb/s及B100 Gb/s的超高速率光纖通信系統的傳輸驗證，大多采用Raman/EDFA或全喇曼的光放大器[11,12]。B100 Gb/s稱為超越100 Gb/s（beyond 100 Gb/s），即信道傳輸速率達到400 Gb/s甚至1 Tb/s以上。例如文獻[12]報道了一個WDM環路傳輸3 200～4 800 km的測試結果，采用增益為25 dB的Raman/EDFA混合式光放大器，跨段距離100 km，譜效率高達3.3 b/（s·Hz）（在400 Gb/s速率時）及5 b/（s·Hz）（在1 Tb/s速率時）。

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