分布式拉曼光纖放大器的應(yīng)用

摘要　隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)信息的依賴越來越嚴(yán)重，信息傳輸?shù)男枨蠹眲∨蛎�，大幅度提升現(xiàn)有光纖系統(tǒng)的容量，增加無電再生中繼的簡(jiǎn)單傳輸距離，已經(jīng)成為光纖通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在這種背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪聲和幾乎無限的帶寬特性而得到廣泛關(guān)注。本文介紹了拉曼光纖放大器的基本概念，重點(diǎn)分析了拉曼光纖放大器的應(yīng)用前景和存在的問題。

1  拉曼放大器介紹

1.1  拉曼放大

當(dāng)一定強(qiáng)度的光入射到光纖中時(shí)會(huì)引起光纖材料的分子振動(dòng)，進(jìn)而調(diào)制入射光強(qiáng)，產(chǎn)生間隔恰好為分子振動(dòng)頻率的邊帶。低頻邊帶稱斯托克斯線，高頻邊帶稱反斯托克斯線，前者強(qiáng)度較高。這樣，當(dāng)兩個(gè)恰好頻率間隔為斯托克斯頻率的光波同時(shí)入射到光纖時(shí)，低頻波將獲得光增益，高頻波將衰減，其能量轉(zhuǎn)移到低頻段上，這就是受激拉曼散射（SRS）。

光纖拉曼放大器是SRS的一個(gè)重要應(yīng)用。由于石英光纖具有很寬的SRS增益譜，且在13THz附近有一個(gè)較寬的主峰。如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)的泵浦波在光纖中同時(shí)傳輸，并且它們的頻率之差處在光纖的拉曼增益譜（見圖1）范圍內(nèi)，則弱信號(hào)光即可得到放大，這種基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器。

圖1  光纖中的受激拉曼增益譜

1.2  拉曼放大器的類型

（1）集總式拉曼放大器，即放大過程發(fā)生在含有摻鉺光纖的封閉模塊中。主要作為高增益、高功率放大，可放大EDFA所無法放大的波段（圖2中的綠色曲線）。

圖2  分布式/集總式光放大器的比較

（2）分步式拉曼放大器。拉曼泵浦位于每級(jí)跨距的末端，泵浦方向與信號(hào)的傳輸方向相反（圖2中的藍(lán)色曲線）。采用分布式拉曼光纖放大輔助傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)信噪比（OSNR）。這種分布式拉曼放大技術(shù)由于系統(tǒng)傳輸容量提升的需要而得到快速發(fā)展。

1.3  拉曼放大（DRA）增益譜的調(diào)整

拉曼增益譜的形狀依賴于泵浦波長(zhǎng)，最大增益波長(zhǎng)比泵浦波長(zhǎng)高100nm左右。這種特性使得在具有可用泵浦波長(zhǎng)的條件下，放大任何波長(zhǎng)區(qū)間的光信號(hào)成為可能。通過使用不同的泵浦波長(zhǎng)組合可以在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)區(qū)間獲得平坦的增益譜型（見圖3）。

圖3  使用多泵浦波長(zhǎng)獲得平坦的寬帶增益譜

1.4  拉曼泵浦模塊

圖4中的綠色框圖部分是一個(gè)為后向泵浦配置應(yīng)用的拉曼泵浦激光器模塊示意圖。在這種配置中，DRA一般和系統(tǒng)的EDFA聯(lián)合使用，用作EDFA的前級(jí)放大器（Pre-amplifier）。這就是大家熟知的RAMAN/EDFA混合放大器。

圖4  簡(jiǎn)化的后向泵浦的拉曼放大器應(yīng)用框圖

圖5表示的是采用某個(gè)拉曼泵浦模塊在G.652光纖中的測(cè)試結(jié)果，包括增益譜及噪聲指數(shù)（NF）隨泵浦功率變化的情況。從圖5中可以看出，在C-BAND范圍，增益可以達(dá)到14dB以上，增益平坦度可以控制在1dB以內(nèi)。

2  分布式拉曼放大器（DRA）的應(yīng)用

摻鉺光纖放大器是一種成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，在光網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過10年。雖然分布式拉曼放大器在很多應(yīng)用方面可以彌補(bǔ)EDFA的不足，但是也要考慮DRA應(yīng)用中的各種挑戰(zhàn)。

（1）激光安全。由于向傳輸光纖引入了高的泵浦功率，需要關(guān)注激光功率安全問題。

（2）端面清潔。為了防止光連接器的損傷、燒毀，影響系統(tǒng)性能，端面的清潔非常重要。

（3）拉曼增益對(duì)傳輸光纖的特性敏感，例如光纖類型、光纖衰耗系數(shù)等。

（4）投入成本與運(yùn)營(yíng)成本的考慮。

因此，在討論DRA的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)主要考慮體現(xiàn)其重要價(jià)值和優(yōu)越性的應(yīng)用，而不是使用傳統(tǒng)EDFA產(chǎn)品技術(shù)也可以滿足的應(yīng)用。廣泛地說，DRA的應(yīng)用可以分為無法在線路中間放大的長(zhǎng)距離光纖通信線路的連接和LH，ULH高容量、長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1  單跨段長(zhǎng)距離的通信線路

對(duì)于2個(gè)相距遙遠(yuǎn)的無法在線路中間使用EDFA等中繼設(shè)備的通信站點(diǎn)而言，選擇使用分布式拉曼放大器產(chǎn)品是必須的，如海纜通信鏈路，偏遠(yuǎn)無人區(qū)站點(diǎn)間的通信鏈路，不便設(shè)立中繼站點(diǎn)或中級(jí)放大器的通信鏈路。

一般來說，如果光纖線路距離小于160km，在線路兩端使用傳統(tǒng)的EDFA即可，對(duì)于更長(zhǎng)距離的線路，需要考慮使用分布式拉曼放大器（DRA）。圖6進(jìn)一步說明了這個(gè)問題。從圖6可以看出，在不同的拉曼增益下OSNR與鏈路損耗的關(guān)系。假定每個(gè)通道的發(fā)送光功率為8dBm，前置EDFA的噪聲指數(shù)為5dB；同時(shí)假定系統(tǒng)容量較低，通道數(shù)較少，不考慮色散及非線性效應(yīng)引起的通道代價(jià)，使用10dB增益的DRA，可以容許線路損耗增加5dB，使用14dB增益的DRA，可以容許線路損耗增加到6.3dB。對(duì)于10Gbit/s的通道，如果使用FEC(前向糾錯(cuò))，在無誤碼的條件下，容許的傳輸光纖線路損耗達(dá)到52dB，相應(yīng)的光纖線路長(zhǎng)度約為250km。

圖6  不同DRA增益下的OSNR//鏈路損耗關(guān)系曲線

2.2  多級(jí)跨距中的長(zhǎng)跨距連接

DRA的另一個(gè)重要應(yīng)用是多跨距線路，其中一個(gè)或多個(gè)跨距的長(zhǎng)度或損耗高于其他跨距。估計(jì)有20%的區(qū)域、長(zhǎng)距或超長(zhǎng)距離傳輸線路可以借助于DRA。圖7表示的是跨距末端的OSN隨其中的較長(zhǎng)跨距損耗變化的曲線。曲線表明，對(duì)其中損耗為40dB的2個(gè)跨距線路，使用DRA可以使系統(tǒng)的OSNR改善2dB。除了改善OSNR，DRA還允許使用原先標(biāo)準(zhǔn)的EDFA線路放大器（EDFA-LA）。使用之前的假定為，一個(gè)典型的增益可調(diào)EDFA具有一定的動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)范圍，例如14～26dB。因此，使用14dB的DRA，并使EDFA工作在26dB增益處，可以為線路信號(hào)提供40dB的增益。

圖7  在使用DRA和不使用DRA條件下的OSNR與長(zhǎng)跨距損耗的關(guān)系曲線

2.3  高容量長(zhǎng)距離ULH系統(tǒng)

ULH傳輸需求的主要背后驅(qū)動(dòng)因素是光網(wǎng)絡(luò)向動(dòng)態(tài)可配置全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在這種光網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)用到可充配置分插/復(fù)用模塊（ROADM）和交叉連接器（OCX），表明所有的光通道應(yīng)該能夠穿越傳輸距離很長(zhǎng)的光網(wǎng)絡(luò)。

圖8a表示的是計(jì)算系統(tǒng)的OSNR與跨距數(shù)量的關(guān)系，分為使用DRA和不使用DRA的情況。圖中曲線表明，DRA顯著提升ULH系統(tǒng)的傳輸距離，容許傳輸4000km或更遠(yuǎn)。光載噪比OSNR改善5~7dB，有利于增加通道數(shù)而提高系統(tǒng)容量。例如，在C-BAND內(nèi)，通過將通道發(fā)送功率降低3dB，將通道數(shù)從40提高到80，使用DRA，由于OSNR的改善，可以很容易實(shí)現(xiàn)通道擴(kuò)展的應(yīng)用。以上結(jié)果顯示了DRA是如何增加ULH系統(tǒng)的傳送距離及容量。另一方面，由采用DRA改善的載噪比可使傳送跨距增加，減少了總的中繼放大站點(diǎn)的數(shù)量，減少了總的系統(tǒng)成本。

圖8a  在使用和不使用DRA的條件下ULH系統(tǒng)的OSNR與跨距數(shù)目的關(guān)系曲線

圖8b表示的是針對(duì)2500km的ULH系統(tǒng)計(jì)算的OSNR與跨距的關(guān)系。假定的條件同上，光纖損耗以0.2dB/km計(jì)，每個(gè)跨距的連接/熔接損耗保留為2dB。結(jié)果表明，使用DRA能使跨距增加50％，相當(dāng)于跨距數(shù)可減少35％。考慮到各方面的綜合因素，對(duì)于LH和ULH系統(tǒng)，實(shí)際的最大平均跨距長(zhǎng)度是100～120km。

圖8b  在使用和不使用DRA的條件下2500km ULH系統(tǒng)的OSNR與距離的關(guān)系曲線

3  拉曼放大（DRA）的應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.1  激光安全

激光安全是光傳輸系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題，當(dāng)由于意外原因使得光連接器開路或光纖線路故障時(shí)，要求與傳輸相關(guān)的所有激光器和發(fā)射機(jī)的功率應(yīng)降低到安全水平值以下。使用DRA的傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的采用EDFA的系統(tǒng)在兩方面有主要區(qū)別：

（1）拉曼泵浦模塊的輸出功率比EDFA系統(tǒng)的典型功率水平高很多，高于指定的激光輻射安全水平。

（2）分布式拉曼放大器DRA沿傳輸光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲（ASE），即使中間光纖發(fā)生斷裂故障，ASE功率仍沿著系統(tǒng)方向傳輸，這使得EDFA系統(tǒng)經(jīng)常使用的輸入無光關(guān)斷的控制方式在此不太適用。為了解決這個(gè)問題，需要準(zhǔn)確判斷線路情況及線路有效信號(hào)功率，方法包括泵浦反射監(jiān)測(cè)，OSC信道功率監(jiān)測(cè)，帶外ASE功率監(jiān)測(cè)等方式。通過這些機(jī)制，可以提供拉曼放大器放大效率及其他重要的診斷信息，實(shí)現(xiàn)拉曼泵浦模塊的自動(dòng)關(guān)泵功能。

3.2  拉曼增益與傳輸光纖特性的相關(guān)性

拉曼放大器的增益介質(zhì)即是傳輸光纜，因此傳輸光纜的種類及質(zhì)量對(duì)拉曼放大器的性能有很大影響。在給定的泵浦條件下，獲得的拉曼增益及拉曼增益譜的形狀與傳輸光纖的類型密切相關(guān)�，F(xiàn)在中國(guó)境內(nèi)鋪設(shè)的光纜主要是G.652和G.655，也有少數(shù)地方存在G.653光纖。由于各種傳輸光纖的數(shù)值孔徑不同，制造工藝不同，其作為增益光纖的增益特性、噪聲特性也不一樣。在G.652和G.655光纖中，G.655光纖的增益較大，色散受限小，而G.652光纖則增益較小，但是噪聲特性相對(duì)較好，適于長(zhǎng)距離無電中繼傳輸。而G.653光纖由于其較小的模場(chǎng)直徑及色散系數(shù)，導(dǎo)致其非線性系數(shù)較高，因此光纜中存在強(qiáng)烈的四波混頻，交叉相位調(diào)制及受激拉曼散射等非線性效應(yīng)。引入拉曼放大器，能夠有效減小G.653光纖的入纖功率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

4  結(jié)束語

光纖拉曼放大器由于具有極寬的增益帶寬，極低的噪聲系數(shù)，在未來超大容量高速傳輸系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。目前，世界正進(jìn)入全光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高峰，分布式拉曼放大器DRA的使用為光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供了重要的選項(xiàng)，是某些應(yīng)用傳統(tǒng)EDFA無法解決的應(yīng)用成為可能，這些應(yīng)用包括超長(zhǎng)單跨距光傳輸線路，包含長(zhǎng)跨距的多跨距傳輸線路，增加ULH系統(tǒng)的傳輸容量�？紤]到與DRA相關(guān)的應(yīng)用問題及投入成本的增加，需要區(qū)分在什么應(yīng)用情況DRA具有真正的優(yōu)勢(shì)，需要采取有效的措施解決DRA應(yīng)用中的問題。