基于OPTISYSTEM的拉曼光纖放大器特性仿真分析

[摘 要]拉曼光纖放大器工作原理是基于光纖的拉曼效應，通過適當地改變泵浦激光光波的波長可以提供整個波長波段的放大，它是非線性光纖光學的重要應用。本文主要通過Optisystem仿真分析其增益飽和特性，研究光纖長度，泵浦光功率和輸入信號功率對增益飽和特性的影響。

[關鍵詞]拉曼放光纖放大器；增益；泵浦；光功率

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.24.094

[中圖分類號]TN722 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2016）24-0-02

0 引 言

EDFA是線路上使用最廣泛的光放大器，但它的工作帶寬較窄，增益帶寬不夠平坦，噪聲系數較大。拉曼光纖放大器是一種基于受激拉曼散射（SRS）機制的光放大器，如果將一個弱信號與一個強泵浦光波同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦波的拉曼增益帶寬內，弱信號光即可得到放大。它的出現彌補了EDFA的不足，有望在寬帶長距離傳輸系統上廣泛地使用。本文主要介紹了拉曼光纖放大器的基本原理及其增益飽和特性，研究泵浦光功率和輸入信號功率對增益飽和特性的影響。

1 拉曼光纖放大器（RFA）系統的搭建

拉曼光纖放大器與EDFA一樣有三種泵浦方式：正向、反向和雙向泵浦。在實際系統中，反向泵浦的噪聲特性比其他兩種結構較好，如果采用正向泵浦，由于拉曼過程是瞬時發生，泵浦噪聲將嚴重對信道產生影響。當拉曼泵浦波有輕微功率波動，個別數據位放大將出現異常，導致放大過程的波動。如果采用反向放大，由于每個數據位會與幾毫秒的泵浦光作用，拉曼泵浦功率的波動會被平均。在反向泵浦方式下，由于傳輸單元末端的光信號功率微弱，不會因為拉曼光纖放大而引起附加的光纖非線性效應。

搭建分布式反向泵浦拉曼光纖放大器的系統模型 ，參數設置為：連續激光器陣列的參數為f=1 520 nm，△f=-0.955 nm，P=-8 dBm；泵浦激光器，拉曼光纖的參數為L=25 km；雙端波分復用器的參數f為1518～1625 nm之間。采用多波長泵浦方式。

2 RFA的增益特性與光纖長度的關系

設定系統中拉曼光纖的長度為1～60 km之間連續變化，測得RFA的增益隨光纖長度的變化曲線，如圖1所示。

由仿真結果可以看出，光纖長度在1～60 km之間變化時，RFA增益可達到一個峰值6.3 dB。初始時增益隨光纖長度的增加而增加，但當光纖超過長度14 km后，增益反而逐漸下降，光纖長度存在一個最佳增益的最佳長度。

考慮光纖長度時，要獲得較大增益，應選擇長14 km的RFA，可獲得的增益為6.3 dB。但應注意，這一長度只能是最大增益長度，而不是光纖的最佳長度，因其還涉及其他特性，如噪聲特性等。

3 RFA的增益特性與輸入信號功率的關系

設定仿真系統中連續激光器陣列的輸入信號功率為-20～10 dBm之間，測得RFA的增益隨輸入信號功率的變化曲線，如圖2所示。

由仿真結果可以看出，輸入信號功率在-20～10 dBm之間變化時，RFA增益存在一個最大值6.8 dB和最小值3.8 dB。初始時，輸入信號功率在-20～-10 dBm范圍內變化時增益平坦，越過一定功率后，增益反而隨著輸入信號光功率的提高而下降。

考慮輸入信號功率時，要獲得較大增益，應選擇輸入信號功率為-20～-10 dBm之間的RFA，可獲得的增益為6.8dB。改變輸入信號功率將導致增益輪廓的變化，究其原因，是信號之間的拉曼光纖互作用所致。分布式拉曼光纖放大不僅發生在泵浦與信號之間，也發生在信號與信號之間 ，信號功率越大，這種作用就越強，增益輪廓變化也就越明顯，因此，改變輸入信號功率將導致增益輪廓的變化。

4 RFA的增益特性與泵浦光功率的關系

設定仿真系統中泵浦激光器陣列的泵浦光功率在1～3000 mW之間變化，測出RFA的增益隨泵浦光功率的變化曲線，如圖3所示。

由仿真結果可以看出，泵浦光功率在1～3 000 mW之間變化時，RFA增益可達到一個峰值10.5 dB。初始時增益隨泵浦光功率的增加而上升，但當泵浦光功率增加到一定值2 350 mW后，增益開始下降。泵浦光功率在2 000～2 680 mW范圍內增益基本平坦。

考慮泵浦光功率時，要獲得較大增益，應選擇泵浦光功率為 2 000～2 680 mW的RFA，可獲得的增益為10.5 dB。

5 拉曼光纖放大器（RFA）的優化設計

WDM系統對光放大器都有一個要求——增益平坦，目前RFA增益平坦的方法主要采用多波長泵浦和增益均衡器兩類。采用多波長可以得到寬帶、平坦的增益曲線，且所需的總泵浦功率相對較小，泵浦效率較高。此時就要考慮波長間隔及泵浦功率的波長分配。一般短波長區波長間隔比長波長區要小，波長間隔大引起的增益抖動也大。此外，由于泵浦間的拉曼作用，短波長區功率分配所占比重應大一些。但要獲到一個比較好的泵浦功率與波長的配置，必須深入研究泵浦與泵浦之間、泵浦與信號之間、信號與信號之間的相互作用。

采用增益均衡器件實現RFA的增益平坦，與EDFA的增益平坦化方法相同。RFA的增益平坦化也可以使用濾波性元件，如閃耀光柵、長周期光纖光柵、聲光調諧濾波器、干涉濾光片與光纖環鏡等來實現。利用這些器件損耗特性和放大器的增益波長特性相反的增益均衡器來抵消增益的不均勻性，其關鍵在于精心設計增益均衡器，使放大器的增益曲線與均衡器的損耗特性準確吻合，增益峰值處的損耗也大，最終達到增益平坦的目的。

主要參考文獻

[1]楊祥林.光放大器及其應用[M].北京：電子工業出版社，2000.

[2]常建華，陶在紅，孫小菡，等.光纖拉曼放大器[J].真空電子技術，2003（3）.