喇曼和掺铒光纤放大器在WDM系统中的应用

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1引言

 

高速数据通信和高质量视频通信以及多媒体业务的发展使得长距离光纤传输系统通信业务容量成倍增长,波分复用技术(WDM)的逐渐商用和EDFA的应用使光纤的通信速率从原来的10Gb/s达到了Tb/s。继续增加复用波长数目(全波段波长放大),是对光纤放大器提出的新要求。喇曼光纤放大器(FRA)因其全波段放大特性、可利用传输光纤在线放大特性以及优良的噪声特性,再次成为光纤通信系统中研究的热点。

 

2EDFA与FRA性能对比

 

2.1EDFA性能分析2.1.1饱和增益性能

 

EDFA采用掺铒离子单模光纤作为增益介质,在增益介质吸收波长上提供泵浦,形成激光放大的条件。利用980nm和14

 

80nm附近的半导体激光器可以有效泵浦EDFA,仅用几毫瓦的泵浦功率就可获得30~40dB的高增益放大。通过改变其掺杂元素,可以进一步使增益谱的平坦度和谱宽得到改善。现在EDFA在C波段主要是通过掺入铝、L波段是通过掺入碲化物来拓宽和均衡其谱宽特性。

 

通过理论模型求出粒子数反转差及泵浦功率,就可得到增益系数,通过在整个掺铒光纤放大器长度上进行积分,即可求出光纤放大器的增益。由于泵浦功率沿光纤变化,所以各处的增益系数是不同的,增益必须在整个光纤上积分得到,因此通过选择光纤长度可以得到较为平坦的增益。

 

图1为EDFA小信号增益G与泵浦功率PP及掺铒光纤放大器长度L的关系曲线。增益系数随着放大器的长度存在一个最佳值,超过这个值后,放大器的增益反而因为光纤的衰减损耗而减小。

 

小信号增益与泵浦功率及掺铒光纤放大器长度的关系曲线

 

在光纤长度一定时,并不是泵浦功率越大,增益系数越大,而是存在一个饱和值,超过它,增益系数将不再会增大。因此在给定掺铒光纤的情况下,应选合适的泵浦功率和光纤长度,进行优化设计(图2)。

 

泵浦功率与增益系数的关系曲线

 

2.1.2噪声特性

 

噪声系数Fn定义为,噪声系数用来描述放大器对信噪比的恶化程度,噪声系数越小,输出的信噪比越高。

 

EDFA的噪声系数和粒子数反转差DN有关,泵浦越充分,DN越大,噪声越小,强泵浦下的三能级系统即为EDFA的极限噪声指数。

 

2.2FRA性能分析2.2.1饱和增益性能

 

对光纤受激喇曼散射(SRS)的研究发现,石英光纤具有很宽的喇曼增益谱(达40THz)。如果频率为wP泵浦光和wS的信号光(信号光波长在泵浦光的喇曼增益带宽内)通过波长选择耦合输入光纤,当这两束光在光纤中一起传输时,泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光,使光信号得到放大,泵浦光和信号光可分别在光纤的两端输入,在反向传输的过程中同样能实现弱信号的放大。

 

对于FRA,当信号功率增大,而泵浦功率转移给信号而产生的消耗不可忽略时,泵浦功率在传输过程不断衰减,信号光的放大速率受到限制,放大过程就会出现饱和现象。假定衰减系数aS=aP,可得到饱和增益的近似表达式为

饱和增益的近似表达式

式中;GA为小信号增益系数。随着r0(即PS(0))增大,增益将呈现饱和特性。当GAr0≈1时,增益降到原来的一半。这时信号功率已接近输入泵浦功率,可用输入泵浦功率代表FRA的饱和输出功率。

 

2.2.2噪声特性

 

光纤喇曼放大器通常分为两类:分立式和分布式(DRA)。由于DRA是分布式获得增益的过程,其等效噪声比分立式放大器的要小,集中噪声指数可小于3dB,甚至可以是负值。当它为负值时,相当于提高输入信号的信噪比,这样就可以降低输入信号的功率或者增加波分复用系统的传输距离。所以DRA辅助传输对WDM系统性能的提升具有非常重要的作用。已有系统表明,即使对于效果最差的1530nm信道,系统的信噪比也能提升4.5~6.5dB,等效噪声指数Fn能够到达5.9~8.9dB。

 

2.3性能对比

 

EDFA的特点:工作波长与光纤最小损耗窗口一致,可在光纤通信中获得广泛应用;耦合效率高,易于光纤耦合连接,也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起,损耗可降至0.1dB,熔接反射损耗也很小,不易自激;增益高,输出功率大,增益可达40dB,输出功率在单向泵浦时可达14dBm,双向泵浦时可达17~20dBm,噪声系数可

 

低至3~4dB,串话也很小。EDFA也有缺陷,如波长固定只能放大1.55mm左右的光波,光纤换用不同的介质时,铒离子能级也只能发生很小的变化,可调节的波长有限;增益带宽不平坦,在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

 

FRA的特点:增益波长由泵浦光波长决定,理论上能得到任意波长的信号放大,应用当中,它不仅能工作在EDFA常使用的C波段,而且也能工作在较短的S波段(1350~1450nm)和较长的L波段(1564~1620nm),完全满足全波光纤对工作窗口的要求;增益介质可以为传输光纤本身如DRA,沿传输光纤分布式放大,光纤中各处的信号光功率都比较小,从而可降低各种光纤非线性效应的影响,这一点与EDFA相比优点相当明显;噪声指数低,提升原系统的信噪比,DRA与EDFA组合使用可明显提高长距离光通信系统的总增益,降低系统总噪声指数,提高系统Q值,从而提高系统可传输的最大距离;增益谱比较宽,在普通DSF上单波长泵浦可实现40nm范围的有效增益,如果采用多个泵浦源,则易于实现宽带放大。FRA的主要缺陷为:喇曼所需要的泵浦光功率高,分立式要用几瓦到几十瓦,分布式要用到几百毫瓦;作用距离太长,分布式作用距离为几十到上百公里,增益只有几到十几个dB,这就决定了它只能适合于长途干线网的低噪声放大。

 

3EDFA与FRA在DWDM系统中的应用

 

3.1EDFA在DWDM系统中的应用

 

EDFA在光纤通信系统中的主要作用是延长中继距离,当它与波分复用技术结合使用时(主要应用于C,L波段),可实现超大容量、超长距离的传输。目前,EDFA在DWDM系统中的应用已比较成熟,在C波段可实现16,32或更多波长系统的放大。EDFA的应用形式主要有前置放大器、发射机功率放大器和光中继器。图3给出了EDFA在DWDM系统中的使用形式。将EDFA接在光发射机的输出端(功率放大),提高输出功率,增加入纤功率,由于EDFA低噪声的特性,将它用作接收机前置放大器,可大大提高接收机灵敏度。

 

EDFA在 DWDM系统中的应用

 

3.2FRA在DWDM系统中的应用

 

3.2.1分立式喇曼放大器

 

分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短,泵浦功率要求几瓦到几十瓦,可产生40dB以上的高增益,像EDFA一样可用来对光信号进行集中放大,因此主要用于EDFA无法放大的波段。1999年,欧洲光通信会议上,斯坦福大学的研究人员公布了他们进行分立式喇曼放大的实验,结果得出,色散补偿型光纤(DSF)是得到高质量分立式喇曼放大的最佳选择。如图4的配置(DCF与普通光纤1∶7,泵浦功率500mW),可实现在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大。

 

DFC上的分立式喇曼放大

 

3.2.2分布式喇曼放大器

 

DWDM系统的传输性能受光纤的非线性影响,DRA采用传输光纤作为光放大媒介,能降低光纤的输入功率,随之降低FWM、交叉相位调制等非线性效应,避免四波混频效应,DRA允许使用靠近光纤的零色散点窗口,即扩大了光纤的可用窗口。

 

采用DRA技术的传输系统典型结构如图5所示,在WDM系统的每个再生段内,在EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦,信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大,从目前的技术看来也只有喇曼放大技术才能实现光传输过程中的分布式放大。

 

采用DRA

 

(1)DRA在DSFDWDM系统中的应用

 

图6为NTT的DRADWDM传输实验系统。实验距离为80×8km,传输容量为32×10Gb/s,信道间隔为50GHz。波长范围从1545.3~1557.8nm,采用阵列波导型光栅(AWG)汇集比特流,采用色散补偿光纤纠正比特流波形。系统由一条80km长的环形DSF,EDFA,DRA式泵浦源LD以及增益均衡器(EQ)等组成。

 

NTT的DRA DWDM传输实验系统

 

图7显示了该实验的喇曼增益与EDFA增益。喇曼增益是采用双向泵浦进行的,后向泵浦高于前向泵浦以抑制光纤非线性效应,前向泵浦用来提高喇曼增益的平坦度。EDFA的增益可压制自激辐射噪声。实验表明,经过8段80km的传输,所有信道误码率均达到10-9。

 

喇曼增益与EDFA增益

 

(2)DRA用于1.6Tb/sDWDM系统

 

Lucent与BellLabs联合采用40Gb/sOTDM以及喇曼放大技术进行了40×40Gb/s(1.6Tb/s)数据传输实验。该实验的传输距离是400km,分成4段100km的光纤,高于其他商用长距离系统所采用的80km的放大距离,可兼容目前的商用网络。

 

该系统运行在C波段,如在L波段运行还可提高传输容量。该系统使用的OTDM系统是世界上第一种可在一条信道中传输40Gb/s的传输产品。

 

4结束语

 

近几年来,EDFA取代传统的光-电-光中继方式,成功推动了WDM系统的发展,EDFA实现了在一根光纤中多路光信号同时放大,同时可与光纤实现良好的耦合,具有高增益低噪声等优点。光纤喇曼放大器由于自身低噪声、全波段放大和可利用传输光纤作在线放大等优点,与EDFA结合使用能够继续推动WDM系统的发展,因此在最近几年受到广泛关注。尤其是DRA技术,已成为下一代光纤WDM系统的关键技术。

 

DRA具有明显的“跨距延伸”作用,可使光再生段传输更趋向透明。康宁公司通过实验发现,实现2.5倍的跨距是可能的。DRA技术还可提高WDM系统的谱利用率,这是实现现有系统升级到40Gb/s所必需的技术。它还允许系统通过加密信道间隔,提高光纤传输的复用程度和传输容量,可做到信道间隔由100GHz升级到50GHz而无任何附加代价。如采用双向喇曼泵浦,还可进一步提高系统的传输跨距。在下一代光纤WDM系统中,光纤喇曼放大技术必将发挥出更大的作用。

 

 

 

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