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1引言

高速數(shù)據(jù)通信和高質(zhì)量視頻通信以及多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展使得長距離光纖傳輸系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)容量成倍增長,波分復(fù)用技術(shù)(WDM)的逐漸商用和EDFA的應(yīng)用使光纖的通信速率從原來的10Gb/s達(dá)到了Tb/s。繼續(xù)增加復(fù)用波長數(shù)目(全波段波長放大),是對光纖放大器提出的新要求。喇曼光纖放大器(FRA)因其全波段放大特性、可利用傳輸光纖在線放大特性以及優(yōu)良的噪聲特性,再次成為光纖通信系統(tǒng)中研究的熱點。

2EDFA與FRA性能對比

2.1EDFA性能分析2.1.1飽和增益性能

EDFA采用摻鉺離子單模光纖作為增益介質(zhì),在增益介質(zhì)吸收波長上提供泵浦,形成激光放大的條件。利用980nm和14

80nm附近的半導(dǎo)體激光器可以有效泵浦EDFA,僅用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得30~40dB的高增益放大。通過改變其摻雜元素,可以進(jìn)一步使增益譜的平坦度和譜寬得到改善。現(xiàn)在EDFA在C波段主要是通過摻入鋁、L波段是通過摻入碲化物來拓寬和均衡其譜寬特性。

通過理論模型求出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差及泵浦功率,就可得到增益系數(shù),通過在整個摻鉺光纖放大器長度上進(jìn)行積分,即可求出光纖放大器的增益。由于泵浦功率沿光纖變化,所以各處的增益系數(shù)是不同的,增益必須在整個光纖上積分得到,因此通過選擇光纖長度可以得到較為平坦的增益。

圖1為EDFA小信號增益G與泵浦功率PP及摻鉺光纖放大器長度L的關(guān)系曲線。增益系數(shù)隨著放大器的長度存在一個最佳值,超過這個值后,放大器的增益反而因為光纖的衰減損耗而減小。

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在光纖長度一定時,并不是泵浦功率越大,增益系數(shù)越大,而是存在一個飽和值,超過它,增益系數(shù)將不再會增大。因此在給定摻鉺光纖的情況下,應(yīng)選合適的泵浦功率和光纖長度,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(圖2)。

2.1.2噪聲特性

噪聲系數(shù)Fn定義為,噪聲系數(shù)用來描述放大器對信噪比的惡化程度,噪聲系數(shù)越小,輸出的信噪比越高。

EDFA的噪聲系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差DN有關(guān),泵浦越充分,DN越大,噪聲越小,強泵浦下的三能級系統(tǒng)即為EDFA的極限噪聲指數(shù)。

2.2FRA性能分析2.2.1飽和增益性能

對光纖受激喇曼散射(SRS)的研究發(fā)現(xiàn),石英光纖具有很寬的喇曼增益譜(達(dá)40THz)。如果頻率為wP泵浦光和wS的信號光(信號光波長在泵浦光的喇曼增益帶寬內(nèi))通過波長選擇耦合輸入光纖,當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時,泵浦光的能量通過SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號光,使光信號得到放大,泵浦光和信號光可分別在光纖的兩端輸入,在反向傳輸?shù)倪^程中同樣能實現(xiàn)弱信號的放大。

對于FRA,當(dāng)信號功率增大,而泵浦功率轉(zhuǎn)移給信號而產(chǎn)生的消耗不可忽略時,泵浦功率在傳輸過程不斷衰減,信號光的放大速率受到限制,放大過程就會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。假定衰減系數(shù)aS=aP,可得到飽和增益的近似表達(dá)式為

式中;GA為小信號增益系數(shù)。隨著r0(即PS(0))增大,增益將呈現(xiàn)飽和特性。當(dāng)GAr0≈1時,增益降到原來的一半。這時信號功率已接近輸入泵浦功率,可用輸入泵浦功率代表FRA的飽和輸出功率。

2.2.2噪聲特性

光纖喇曼放大器通常分為兩類:分立式和分布式(DRA)。由于DRA是分布式獲得增益的過程,其等效噪聲比分立式放大器的要小,集中噪聲指數(shù)可小于3dB,甚至可以是負(fù)值。當(dāng)它為負(fù)值時,相當(dāng)于提高輸入信號的信噪比,這樣就可以降低輸入信號的功率或者增加波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸距離。所以DRA輔助傳輸對WDM系統(tǒng)性能的提升具有非常重要的作用。已有系統(tǒng)表明,即使對于效果最差的1530nm信道,系統(tǒng)的信噪比也能提升4.5~6.5dB,等效噪聲指數(shù)Fn能夠到達(dá)5.9~8.9dB。

2.3性能對比

EDFA的特點:工作波長與光纖最小損耗窗口一致,可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用;耦合效率高,易于光纖耦合連接,也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起,損耗可降至0.1dB,熔接反射損耗也很小,不易自激;增益高,輸出功率大,增益可達(dá)40dB,輸出功率在單向泵浦時可達(dá)14dBm,雙向泵浦時可達(dá)17~20dBm,噪聲系數(shù)可

低至3~4dB,串話也很小。EDFA也有缺陷,如波長固定只能放大1.55mm左右的光波,光纖換用不同的介質(zhì)時,鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化,可調(diào)節(jié)的波長有限;增益帶寬不平坦,在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補償。

FRA的特點:增益波長由泵浦光波長決定,理論上能得到任意波長的信號放大,應(yīng)用當(dāng)中,它不僅能工作在EDFA常使用的C波段,而且也能工作在較短的S波段(1350~1450nm)和較長的L波段(1564~1620nm),完全滿足全波光纖對工作窗口的要求;增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身如DRA,沿傳輸光纖分布式放大,光纖中各處的信號光功率都比較小,從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響,這一點與EDFA相比優(yōu)點相當(dāng)明顯;噪聲指數(shù)低,提升原系統(tǒng)的信噪比,DRA與EDFA組合使用可明顯提高長距離光通信系統(tǒng)的總增益,降低系統(tǒng)總噪聲指數(shù),提高系統(tǒng)Q值,從而提高系統(tǒng)可傳輸?shù)淖畲缶嚯x;增益譜比較寬,在普通DSF上單波長泵浦可實現(xiàn)40nm范圍的有效增益,如果采用多個泵浦源,則易于實現(xiàn)寬帶放大。FRA的主要缺陷為:喇曼所需要的泵浦光功率高,分立式要用幾瓦到幾十瓦,分布式要用到幾百毫瓦;作用距離太長,分布式作用距離為幾十到上百公里,增益只有幾到十幾個dB,這就決定了它只能適合于長途干線網(wǎng)的低噪聲放大。

3EDFA與FRA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長中繼距離,當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合使用時(主要應(yīng)用于C,L波段),可實現(xiàn)超大容量、超長距離的傳輸。目前,EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用已比較成熟,在C波段可實現(xiàn)16,32或更多波長系統(tǒng)的放大。EDFA的應(yīng)用形式主要有前置放大器、發(fā)射機功率放大器和光中繼器。圖3給出了EDFA在DWDM系統(tǒng)中的使用形式。將EDFA接在光發(fā)射機的輸出端(功率放大),提高輸出功率,增加入纖功率,由于EDFA低噪聲的特性,將它用作接收機前置放大器,可大大提高接收機靈敏度。

3.2FRA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.2.1分立式喇曼放大器

分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短,泵浦功率要求幾瓦到幾十瓦,可產(chǎn)生40dB以上的高增益,像EDFA一樣可用來對光信號進(jìn)行集中放大,因此主要用于EDFA無法放大的波段。1999年,歐洲光通信會議上,斯坦福大學(xué)的研究人員公布了他們進(jìn)行分立式喇曼放大的實驗,結(jié)果得出,色散補償型光纖(DSF)是得到高質(zhì)量分立式喇曼放大的最佳選擇。如圖4的配置(DCF與普通光纖1∶7,泵浦功率500mW),可實現(xiàn)在進(jìn)行系統(tǒng)色散補償?shù)耐瑫r對信號進(jìn)行高增益、低噪聲的放大。

3.2.2分布式喇曼放大器

DWDM系統(tǒng)的傳輸性能受光纖的非線性影響,DRA采用傳輸光纖作為光放大媒介,能降低光纖的輸入功率,隨之降低FWM、交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng),避免四波混頻效應(yīng),DRA允許使用靠近光纖的零色散點窗口,即擴大了光纖的可用窗口。

采用DRA技術(shù)的傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖5所示,在WDM系統(tǒng)的每個再生段內(nèi),在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵浦,信號將會沿光纖實現(xiàn)分布式喇曼放大,從目前的技術(shù)看來也只有喇曼放大技術(shù)才能實現(xiàn)光傳輸過程中的分布式放大。

(1)DRA在DSFDWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖6為NTT的DRADWDM傳輸實驗系統(tǒng)。實驗距離為80×8km,傳輸容量為32×10Gb/s,信道間隔為50GHz。波長范圍從1545.3~1557.8nm,采用陣列波導(dǎo)型光柵(AWG)匯集比特流,采用色散補償光纖糾正比特流波形。系統(tǒng)由一條80km長的環(huán)形DSF,EDFA,DRA式泵浦源LD以及增益均衡器(EQ)等組成。

圖7顯示了該實驗的喇曼增益與EDFA增益。喇曼增益是采用雙向泵浦進(jìn)行的,后向泵浦高于前向泵浦以抑制光纖非線性效應(yīng),前向泵浦用來提高喇曼增益的平坦度。EDFA的增益可壓制自激輻射噪聲。實驗表明,經(jīng)過8段80km的傳輸,所有信道誤碼率均達(dá)到10-9。

(2)DRA用于1.6Tb/sDWDM系統(tǒng)

Lucent與BellLabs聯(lián)合采用40Gb/sOTDM以及喇曼放大技術(shù)進(jìn)行了40×40Gb/s(1.6Tb/s)數(shù)據(jù)傳輸實驗。該實驗的傳輸距離是400km,分成4段100km的光纖,高于其他商用長距離系統(tǒng)所采用的80km的放大距離,可兼容目前的商用網(wǎng)絡(luò)。

該系統(tǒng)運行在C波段,如在L波段運行還可提高傳輸容量。該系統(tǒng)使用的OTDM系統(tǒng)是世界上第一種可在一條信道中傳輸40Gb/s的傳輸產(chǎn)品。

4結(jié)束語

近幾年來,EDFA取代傳統(tǒng)的光-電-光中繼方式,成功推動了WDM系統(tǒng)的發(fā)展,EDFA實現(xiàn)了在一根光纖中多路光信號同時放大,同時可與光纖實現(xiàn)良好的耦合,具有高增益低噪聲等優(yōu)點。光纖喇曼放大器由于自身低噪聲、全波段放大和可利用傳輸光纖作在線放大等優(yōu)點,與EDFA結(jié)合使用能夠繼續(xù)推動WDM系統(tǒng)的發(fā)展,因此在最近幾年受到廣泛關(guān)注。尤其是DRA技術(shù),已成為下一代光纖WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

DRA具有明顯的“跨距延伸”作用,可使光再生段傳輸更趨向透明??祵幑就ㄟ^實驗發(fā)現(xiàn),實現(xiàn)2.5倍的跨距是可能的。DRA技術(shù)還可提高WDM系統(tǒng)的譜利用率,這是實現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)升級到40Gb/s所必需的技術(shù)。它還允許系統(tǒng)通過加密信道間隔,提高光纖傳輸?shù)膹?fù)用程度和傳輸容量,可做到信道間隔由100GHz升級到50GHz而無任何附加代價。如采用雙向喇曼泵浦,還可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸跨距。在下一代光纖WDM系統(tǒng)中,光纖喇曼放大技術(shù)必將發(fā)揮出更大的作用。

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