光纤拉曼放大器的应用与发展近况_光纤通信

崔晟1，马晓明2，刘劲松3
1.西安电子科技大学 技术物理学院
2.深圳高等职业技术学院
3.华中科技大学 激光技术国家重点实验室
摘 要：文章阐述了光纤拉曼放大器（FRA）在延长系统传输距离，提高单信道比特率，减少信道间距，扩展传输频谱，S波段放大及提供高增益方面的巨大作用，同时介绍了FRA的最新成果.
关键词：光纤拉曼放大器；频谱利用率；超宽带放大器；S波段放大器；高增益
掺铒光纤放大器(EDFA)是目前发展最为成熟的光纤放大器，在1 530～1 565 nm波段（C波段）具有高增益、低噪声和可多路放大的优点.但是C波段仅占光纤低损耗频谱的一小部分，因此人们又开发了L波段（1 570～1 620 nm）的EDFA和S波段（1 480～1 530 nm）的TDFA等其它波段的光放大器.然而，这当中最为引人注目的是光纤拉曼放大器（FRA），因为它是唯一一种光纤基全波段放大器.本文将重点介绍近年来利用FRA（包括分布式拉曼放大器（DRA））在延长传输距离、提高频谱利用率、实现超宽带放大和在S波段放大方面取得的新成果和采用的新技术.
1利用DRA延长传输距离和提高频谱利用率
图1所示为采用DRA＋EDFA放大与只采用EDFA放大时信号功率的演化情况.从图中可以看出，同样的中继距离下，前者信号功率起伏变化较小，既没有在每段光纤输入端超过非线性阈值，也没有在传输中衰减很多，因而有效地提高了系统的光信噪比(OSNR)，减少了非线性失真，降低了所需信号输入功率，延长了系统传输距离.对10 Gbit/s或更低速率的系统来说，传输距离主要受光纤衰减的影响，典型的中继距离为80 km.T.Terahra等采用DRA放大，使SSMF(标准单模光纤)系统OSNR提高了3.7～4.3 dB，中继距离达到140 km[1].对于40 Gbit/s系统，其传输距离主要受自相位调制（SPM）和群速色散（GVD）造成的波形失真的限制，采用DRA可以减少SPM，其增益光纤采用色散管理光纤（DMF）还可以减少GVD的影响.Sugabara.H.等人利用DRA和DMF实现了32×42.7 Gbit/s×6 050 km(信道数×单信道比特率×传输距离)的传输，全部采用拉曼放大而没有使用昂贵的3R中继[2].DRA还可使信道间距减小，速率增加，从而提高频谱利用率.以速率为10 Gbit/s、信道间隔为100 GHz的系统为例，其频谱利用率为0.1 bit/s/Hz.通过使用DRA 和光时分复用（OTDM）技术，W.S.Lee等人将单信道比特率提高到80 Gbit/s，实现了32×80 Gbit/s×120 km无中继传输，频谱利用率达到0.8 bit/s/Hz[3].Takayuki Miyakawa利用DRA将信道间距缩小为50 GHz，实现了64×40 Gbit/s×230 km的无中继传输，频谱利用率也达到0.8 bitsHz[4].

2利用FRA实现超宽带放大
在多波段的WDM系统中，使用超宽带放大器与使用EDFA放大相比也有很多好处.超宽带放大器不需要将信号先分成C和L波段，然后分别进行放大，因而结构简单可靠，不需要为分/复用器预留频率空间，同时可减少损耗.FRA可以独立或者与EDFA配合完成超宽带放大，其关键是在很宽的频率范围内保证对所有信道一致的放大.这可以通过使用增益平坦滤波器（GFF）或者采用增益平坦化的泵浦设计来实现.前者简单易行，后者计算上比较麻烦，但可减少功率损耗.前者如Foursa.D.G.所做（见图2）[5]，由980 nm泵浦的EDFA负责C波段的放大，由1 497 nm拉曼泵浦源负责L波段的放大.其增益谱线由于叠加在1 535（EDFA产生）、1 560（叠加产生）和1 600 nm（拉曼放大产生）附近出现3个增益峰值，大小为1.5～2 dB.而在1 540和1 560 nm附近出现两个0 dB左右的谷底.采用GFF后将所有信号增益控制在0 dB左右，这样实现了80 nm带宽、256×10 Gbit/s×11 000 km的传输.

这种方法虽然取得了不错的效果，但对信号功率的损耗比较大.对于多波长泵浦的FRA（MWFRA），其总增益谱是各个泵浦源增益谱的叠加，如果合理地选择泵浦源的波长和功率，可以使得总增益谱尽量平坦.这时可以采用诸如神经网络、模拟褪火和遗传算法等设计出合理的泵浦源选择算法来寻求最优化的组合，而不需要使用GFF.Victor E.P.从理论上得到的最好的情况是可以在83 nm带宽上实现输出信号功率在0.05 dB内变化[6].Naito.T.等人采用1 408、1 439、1 470、1 502和1 535 nm 5个泵浦源实现了136.6 nm信号带宽上30×10 Gbit/s×120 km的传输，平均增益10.5 dB，起伏为2 dB[7].这个结果虽然与实际应用还有距离（其信道间距达5 nm，增益起伏达平均增益的20％），但为超宽带MW-FRA放大器发展奠定了基础.
3分离式拉曼放大器（LRA）的发展
上面所讨论的宽带放大器都是所谓DRA，由于采用传输光纤作增益介质，提供的增益较小，在各种器件损耗和插入熔接损耗比较大时往往还需要借助EDFA的帮助.但是EDFA只能提供C和L波段的放大，因而需要高增益的S波段放大器或者全波段放大器.LRA可以采用特殊设计的光纤如DCF光纤或者碲基光纤.目前DCF光纤拉曼增益系数比SSMF提高了10倍左右，作为拉曼增益介质后还可以组成所谓色散补偿模块（DCM）.Puc.A.B.等人设计的SLRA（S波段LRA），采用DCF光纤作增益介质组成两级放大，每级采用两个泵浦波长，其间再采用GFF以保证S波段平坦放大，其增益可以达到30 dB，而噪声系数只有5.5 dB左右，可同时补偿损耗和色散，实现了1 493.36～1 521.77 nm波段信号20×10 Gbit/s×876 km的传输.LRA还可采用碲基光纤，其拉曼增益系数比石英光纤要高16倍，峰值达到55/W/km.H.Masuda 等人设计的LRA采用3级放大，其中两级采用碲基光纤，一级采用DCF作为增益介质，以同时补偿损耗和色散.结果在135 nm（1 497～1 632 nm）带宽上获得最低22.8 dB、最高34.6 dB的增益，噪声系数＜8.3 dB.后来他们又在实验中加入了增益平坦器以减少增益起伏，并对SMF进行分布式拉曼放大，以补偿S波段由于光纤衰减较大和信道间受激拉曼散射（SRS）造成的衰减，其结果是实现了313×10.7 Gbit/s×160 km的传输，信道间距为50 GHz.
4结束语
本文首先介绍了FRA在延长系统传输距离，提高单信道比特率，减少信道间距，扩展传输频谱方面取得的最新的成果，然后重点介绍了LRA在提供S波段放大和宽带高增放大方面的进展，可见FRA在任何波段都可以取得良好的放大效果.随着高功率泵浦源的愈加成熟，FRA必将有力地推动光纤通信的发展.
参考文献
［1］Terahra T, Hoshida T. 128×10.66 Gbit/s transmission over 840 kmstandard SMF with 140 km optical repeater spacing employing dualband distributed Raman amplification [A].OFC2000 [C]. Baltimore: 2000.
［2］Sugabara H, Fukuchi K, Tanaka A, et al. 6 050 km transmission of 32×42.7 Gbit/s DWDM signals using Ramanamplified quadruplehybrid span configuration [A]. OFC2002 [C]. Anaheim, California: IEEE, 2002. 887-889.
［3］Lee W S , Miyakawa T, Morita I, et al.2.56 Tbit/s capacity, 0.8 bit/s/Hz DWDM transmission over 120 km NDSF using polarisationbitinterleaved 80Gbit/s OTDM signal [A]. OFC2001 [C]. Anaheim,: OSA, 2001. PD26.
［4］Takayuki, Miyakawa. 2.56 Tbit/s unrepeatered 230 km transmission with 0.8 bit/s/Hz spectral efficiency using lownoise fiber Raman amplifier and 170 μm2-Aeff fiber [A]. OFC2001 [C]. Anaheim: OSA, 2001. PD26-P1-3.
［5］Foursa D G, Davidson C R, Nissov M, et al. 2.56 Tbit/s (256×10 Gbit/s) transmission over 11 000 km using hybrid Raman/EDFAs with 80 nm of continuous bandwidth [A].OFC 2002 [C]. Anaheim, California: IEEE, 2002. 878-880.
［6］Victor E Perlin, Herbert G Winful. Optimal design of flatgain wideband fiber Raman amplifier [J]. Journal of lightwave technology, 2002, 20(2):250-254.
［7］Naito T, Tanaka T, Torii K, et al. A broadband distributed Raman amplifier for bandwidths beyond 100 nm [A]. OFC 2002 [C]. Anaheim, California: IEEE, 2002. 116-117.