淺析拉曼放大器對ＷＤＭ系統(tǒng)性能的影響

摘 要：介紹了目前在光通訊領域有很大發(fā)展前景的光纖拉曼放大器(RFA)的基本工作原理，以及它在WDM系統(tǒng)中的應用和所存在的一些問題。

關鍵詞：光纖通信；光纖拉曼放大器；WDM

1 拉曼放大器工作原理及分類

(1)受激拉曼散射(SRS)。受激拉曼散射是強激光的光電場與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動或與晶體中的晶格相耦合產(chǎn)生的，具有很強的受激特性，即與激光器中的受激光發(fā)射有類似特性：方向性強，散射強度高。

(2)光纖拉曼放大器工作原理。光纖拉曼放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應，在形式上表現(xiàn)為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光即得到放大。RFA 中一個入射泵浦光子通過光纖非線性散射轉移部分能量，產(chǎn)生低頻斯托克斯光子，而剩余能量被介質(zhì)以分子振動(光學聲子) 的形式吸收，完成振動態(tài)之間的躍遷。斯托克斯頻移Vr=Vp-Vs由分子振動能級決定，其值決定了SRS 的頻率范圍，其中Vp是泵浦光的頻率，Vs是信號光的頻率。對非晶態(tài)石英光纖來說，其分子振動能級融合在一起，形成了一條能帶，因而可在較寬頻差Vp-Vs范圍(40THz)內(nèi)通過SRS實現(xiàn)信號光的放大。

(3)拉曼放大器的分類。光纖拉曼放大器分為兩類：集中式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。分布式拉曼放大器可對光信號進行在線放大，實現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，尤其適用于海底光纜通信等不方便設立中繼器的場合。分布拉曼放大技術自1999年成功的用于DWDM傳輸系統(tǒng)，就再次受到廣泛關注，成為超長距離全光傳輸中的重要技術。

2 拉曼放大器在WDM系統(tǒng)中的影響

分布式拉曼放大器對超長距離全光WDM傳輸中通道數(shù)增加、傳輸速率提高以及系統(tǒng)性能的改善起著非常重要的作用：(1) DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量和復用波長數(shù)目的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹碓酱螅鸱蔷€性效應也越來越強，嚴重的限制了傳輸距離。由于分布式拉曼放大器的放大作用是沿光纖分布的，而不是集中作用的，使得光纖中各處的信號光功率都較小，可降低非線性效應特別是四波混頻效應的干擾。(2) 分布式拉曼放大器由于光纖本身既是增益媒質(zhì)，又是傳輸媒質(zhì)，光纖既存在損耗，又產(chǎn)生增益，增益可補償損耗，因此，采用分布式拉曼放大器可降低信號的入射功率，同時保證適當?shù)墓庑旁氡?OSNR)，入射功率降低了，也可有效地抑制非線性效應。(3) 拉曼放大器增益波長由泵浦光波長決定 ，使用多個泵浦源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬。(4)拉曼放大器輔助傳輸可提高信噪比，信噪比的提高是實現(xiàn)超長距離的關鍵。采用拉曼輔助傳輸后，OSNR提高了4.7dB。分布式拉曼放大器與EDFA混合使用能有效地降低系統(tǒng)傳輸跨距的噪聲。(5) 用分布式拉曼放大器可直接提高Q因子值。分布拉曼不但使系統(tǒng)的Q值升高了，還使得最佳入射信號光功率降低了許多，這對降低光纖非線性對信號的串擾有非常積極的作用。

3 光纖拉曼放大器的應用與進展

目前，分布式光纖拉曼放大器進展很快，國外很多長距離、超大容量的密集波分復用光通訊系統(tǒng)(DWDM) 所使用的光放大器大多是分布式光纖拉曼放大器，這不僅可以充分利用光纖資源，降低成本，而且可以降低增益介質(zhì)中的光密度，以便減少由于非線性效應產(chǎn)生的四波混頻、信道間串擾所引起的系統(tǒng)性能劣化。但拉曼放大器的增益較低(實際線路中使用時不超過16dB)，而EDFA雖然噪聲指數(shù)上不如拉曼放大器，但小信號增益可以超過30dB，因此將拉曼放大器與EDFA結合起來的混合放大器是一種理想的應用形式。

4 目前所面臨的問題

在深入研究FRA的過程中，泵浦源的選擇與配置、噪聲的控制等都是急待解決的問題。其中，光纖的色散特性會引起傳輸中的前后碼產(chǎn)生干擾，即碼間干擾，限制了傳輸碼速率和傳輸距離。針對目前傳輸線路上鋪設的G652單模光纖所存在的色散較大的問題，可以將DCF光纖作為G652光纖的色散補償和色散斜率補償部分，組成補償型FRA。

除了復雜的、高難度的工程設計以外，為了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器經(jīng)常會使用超過1W(>30dBm)的放大器。因此，光傳輸系統(tǒng)對拉曼放大器附近的光纖連接頭與光纖镕接點的質(zhì)量有很高的要求，以盡量減少反射與損耗對拉曼增益機制的副作用。同時為了防止高能量激光對工程維護人員可能造成的傷害，自動光功率關閉(ALS)與人員特別培訓都是不可或缺的。再者，拉曼放大技術雖然提高了信噪比，但是它不能完全解決全光傳輸?shù)膯栴}。