淺析拉曼放大器對ＷＤＭ系統性能的影響

摘 要：介紹了目前在光通訊領域有很大發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、分子中的振動或與晶體中的晶格相耦合產生的，具有很強的受激特性，即與激光器中的受激光發射有類似特性：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，在形式上表現為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內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，產生低頻斯托克斯光子，而剩余能量被介質以分子振動(光學聲子) 的形式吸收，完成振動態之間的躍遷。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)內通過SRS實現信號光的放大。

(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，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傳輸中通道數增加、傳輸速率提高以及系統性能的改善起著非常重要的作用：(1) DWDM系統中，傳輸容量和復用波長數目的增加，使光纖中傳輸的光功率越來越大，引起非線性效應也越來越強，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，又是傳輸媒質，光纖既存在損耗，又產生增益，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，同時保證適當的光信噪比(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(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中的光密度，以便減少由于非線性效應產生的四波混頻、信道間串擾所引起的系統性能劣化。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常會使用超過1W(>30dBm)的放大器。因此，光傳輸系統對拉曼放大器附近的光纖連接頭與光纖镕接點的質量有很高的要求，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的問題。