淺談光纖拉曼放大器的噪聲分類及噪聲系數

摘 要：本文分析了光纖拉曼放大器的幾種主要噪聲分類、來源及特點，給出了噪聲系數的定義和方程，為研究光纖拉曼放大器相關課題提供一定程度的參考。

關鍵詞：光纖拉曼放大器 噪聲分類 噪聲系數

摻鉺光纖放大器（EDFA）是目前發展最為成熟的光纖放大器，在1530～1565nm波段（C波段）具有高增益、低噪聲和可多路放大的優點。但是C波段僅占光纖低損耗頻譜的一小部分，因此人們開發了L波段（1570～1620nm）的EDFA和S波段（1480～1530nm）的TDFA等其它波段的光放大器。然而，這當中最為引人注目的是光纖拉曼放大器（FRA），因為它是唯一一種光纖基全波段放大器。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（SRS）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，從而使弱信號光得到放大。

光纖拉曼放大器在SDH系統中的應用主要是針對超長跨距的光纖傳輸系統，例如跨海通信、陸地長距離光纖傳輸。在這些情況下，將分布式光纖拉曼放大器用作前置光纖放大器，憑借其低噪聲特性，提高系統的整體接收靈敏度，從而延長傳輸距離或提高系統設計余量。由于分布式光纖拉曼放大器的特殊性，必須考慮使用的安全性、可靠性、合理性。從實際使用的要求看，應該滿足這些要求：1.具有信號光功率監控和無光自動關斷的功能；2.泵浦輸出功率穩定，盡可能采用硬件電路死循環控制的恒定功率輸出方式；3.在信號波長處具有足夠大的有效增益。4.應充分考慮實際光纜的衰減系數和整個跨段的衰耗。

一、光纖拉曼放大器的噪聲分類

拉曼放大器的噪聲組成除了ASE外，還會有其他的噪聲源也會對拉曼放大器的噪聲系數作貢獻。這就是我們在下面分析等效噪聲系數的時候說明把ASE作為唯一計算噪聲源具有局限性的原因。一般認為拉曼放大器中的噪聲源主要有3個來源：（1）ASE噪聲（2）雙瑞利散射（3）泵浦-信號串話噪聲。

1. ASE噪聲

ASE噪聲的產生機理是這樣的：自拉曼散射光會與信號一起同時被放大從而構成對放大信號的干擾而產生噪聲。這里我們應該說明的是實際上我們測量的ASE噪聲應該包括放大信號注入噪聲、ASE注入噪聲、信號ASE自拍頻噪聲和ASE拍頻噪聲四個部分。

2. 雙瑞利散射

當拉曼放大器具有較大的凈增益，而且信號的輸入功率較大，或者光纖的有效截面積較小，瑞利散射系數較大的情況下，注入信號在雙瑞利散射將會引起放大器性能的嚴重惡化，這表明雙瑞利散射信號是伴隨著信號而產生的，會和信號發生相互干擾。由于雙瑞利散射噪聲和信號在同一個頻帶內，因此雙瑞利散射無法在接受端通過濾器器將其去除。

3. 泵浦信號串擾噪聲

由于拉曼散射的響應時間非常快，因此泵浦功率的波動往往會引起拉曼增益的波動，這樣就會使得輸出信號的光功率發生波動，這樣就會導致放大波段信道的相對強度噪聲（RIN）比泵浦光源的相對強度噪聲還差。研究表明，由于RIN下降，對于單段NDSF來說將會導致0.1dB的功率代價（此時泵浦的RIN在前向泵浦的為-110dB/Hz，后向泵浦為-29dB/Hz）。當泵浦激光器的RIN超過這個限度時，會使得系統性能迅速惡化。

二、光纖拉曼放大器的噪聲系數

噪聲是放大器的關鍵參數，當評估拉曼放大器的系統性能時必須將噪聲的影響考慮在內。在拉曼放大器的噪聲組成中，放大的自發輻射（ASE）和瑞利散射（DRS）是主要的噪聲來源。我們下面將對它們進行分析，并分析它們對噪聲系數的貢獻。

對于噪聲的評價，我們通常采用噪聲系數作為噪聲性能評價指標。對于一個具有增益為G的兩端口器件其噪聲系數定義為輸入信噪比[WTBX]（SNRi）和輸出信噪比（SNRo）之間的比值（兩者都是電域的信噪比）。

但是因為拉曼放大器是分布式放大的，其拉曼增益和ASE噪聲的產生也是隨著傳輸光纖分布的。因此為了評價放大器的性能，我們通常使用有效噪聲系數作為分布式拉曼放大器的噪聲評價。等效噪聲系數的定義如圖所示。

三、結論

在光纖拉曼放大器中，增益和噪聲是兩個相互矛盾的因素，增益越大，信號輸出功率越大，但噪聲功率也越大，結果使得信噪比惡化。因此，在實際應用當中應在不在保證一定的信噪比的情況下提高增益，盡量減少幾種主要噪聲源的影響。實際上在拉曼放大器中還存在其它的噪聲影響，如非線性效應產生的噪聲等，在應用中也應該加以考慮。

參考文獻：

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