前向拉曼放大器在超長距傳輸系統的特殊用途

賈 想，李獻勤，桂 桑，顧文華，朱曉波，

（1.南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094；2.無錫市德科立光電子技術有限公司，江蘇 無錫 214028）

在我國，由于國土幅員遼闊，許多偏遠地區人煙稀少、地形復雜，修建中繼站的難度很大，許多跨段超過300 km，因此，對光通信傳輸系統的無中繼最大傳輸距離提出了更高要求[1-3]。

在傳統的研究中，為提升光通信系統的無電中繼最大跨距，多采用在輸出端安裝泵浦拉曼光纖放大器，即后向拉曼放大器（Backward-pumped Distributed Raman Amplifier,BDRA），利用其低有效噪聲系數以突破輸出端OSNR的限制。而同等泵浦功率下，因為增益飽和的原因，前向拉曼光纖放大器（Forwardpumped Distributed Raman Amplifier,FDRA）所能得到的拉曼增益一般明顯低于BDRA[4-6]，因此在實際中很少使用，一般也是作為BDRA的輔助，利用對OSNR受限系統傳輸距離的提升作用，來補償一小部分損耗光纖（<10 dB）[7-9]。

文中提出，可以使用FDRA來提高名義SBS閾值，即在不激發SBS的前提下，在發射端能夠得到等效最大信號光輸出功率，等于在該前提下信號光實際入纖功率與FDRA增益之和，從而有效地延長傳輸距離。

1 實驗系統與仿真模型

1.1 實驗簡介

在單波長超長距傳輸系統中，從發射端參數優化的角度來講，無光電光轉換的最大跨距通常受到以下幾個因素的制約：首先是光纖損耗導致的發射光功率要求，即要求發射光功率足夠克服光纖損耗，使得光接收器處接收到的信號光功率大于接收器的靈敏度。在采用摻鉺光纖放大器等放大技術后，通常光接收器處的信號光功率都可以超過接收器靈敏度[10]。第二是各種噪聲導致的OSNR限制，即要求光接收器處的OSNR大于一定閾值。因此，要求盡量使用低噪聲的光放大器，以及提高發射端的OSNR，通常是提高發射光功率[11]。但是發射光功率的提高受到SBS閾值的限制，也是該類光傳輸系統中，提高極限傳輸距離最大和最難以解決的限制。

文中FDRA對信號光的增益方式屬于分布式增益，即增益效果分布在傳輸光纖中，而不是集中在入纖端。若將其抽運光功率等效換算為輸入端的集總式增益，則在光纖輸入端的等效信號光功率將有望突破SBS閾值的限制，或者理解為將FDRA的分布式增益等效為光纖輸入端的集總式放大增益后，提升了所得到的名義SBS閾值，從而可以在SBS受限的傳輸系統中使用FDRA來提升名義SBS閾值，進而提升該類型光通信傳輸系統的無中繼最大跨距。文中將通過數值仿真與實際測試相結合的方式，深入研究FDRA對SBS受限單波長超長跨距光通信系統最大跨距的提升作用。

1.2 實驗測試系統

該研究中的實驗系統采用商用光通信模塊搭建，系統框架如圖1所示。

圖1 光通信系統實驗框架

在以上系統架構中，通過調整可變光衰減器1（Variable Optical Attenuator,VOA）的數值來等效總光纖長度的變化，即尋求無光電光中繼的最大單跨距傳輸距離。光功率放大器（Optical Booster Amplifier,OBA）采用自動電流控制（Automatic Current Control,ACC）模式，輸出恒定功率，經VOA2衰減后等效改變光纖輸入端的輸入信號光功率和OSNR。

1.3 實驗測試系統

表1為4組典型實驗測量結果及理論仿真結果的比較。

表1 4組典型實驗測量結果及理論仿真結果（VOA1的本底損耗為6.6 d B）

實驗中，首先測試不使用FDRA時，將OBA輸出功率調到最大16.4 dBm（實驗1），此時VOA1為8.5 dB，對應最大系統插損43.44 dB，傳輸距離278.6 km。此時，系統中最大信號功率出現在發射端，16.4 dBm<19.12 dBm，所以尚未達到SBS閾值，系統是OSNR受限的。為了提高OSNR和信號功率，開啟FDRA到最大泵浦功率(4個泵都開到400 mW)，OBA功率不變，仍為16.4 dBm，也就是實驗2的情況，這時無論怎么調，VOA1系統都不通，但是OSNR和接收端信號功率確實得到了提升，這是因為此時系統的最大信號功率（仿真計算得到19.67 dBm）超過了SBS閾值19.12 dBm，系統變成SBS受限。如果降低OBA功率，FDRA功率固定為(400,400,400,400)mW不變時（實驗3），系統可以導通，并且最大VOA1為9.8 dB（對應入纖功率為-0.5 dBm），對應系統總插損44.14 dB，等效傳輸距離282.3 km。如果同時改變OBA輸出功率和FDRA泵浦功率（實驗4），優化結果得到最大，VOA1可達到10.3 dB，對應系統總插損45.24 dB，等效傳輸距離288.1 km，較不使用FDRA時提高約10 km。此時入纖信號功率為16.6 dBm，FDRA抽運泵浦功率為（0,0,200,150）mW。

實驗中還測試了其他波長的XFP模塊，并得到了類似的結果。對于1 544.57 nm的XFP模塊得到了最好的FDRA增強傳輸效果：不使用FDRA時最大VOA1為1.1 dB（對應系統插損45.88 dB），開啟FDRA到（100,100,200,0）mW時最大VOA1為5.4 dB（對應系統插損50.18 dB），即使用FDRA可以得到4.3 dB的增益，傳輸距離大約延長22.6 km。

2 仿真與討論

2.1 數值仿真模型

系統的數學模型主要分為五部分：FDRA增益模型、光纖衰減模型、放大自發輻射（Amplified Spontaneous Emission,ASE）級聯模型、非線性效應及色散模型以及SBS閾值計算模型，上述模型均通過Matlab計算求解。

1）FDRA增益模型

基于FDRA增益模型，光纖中信號功率以及泵浦光功率可依據經典信號傳輸公式迭代求解[12]：

式中：Pp為泵浦光抽運功率，z為傳輸距離，αp為泵浦光損耗系數，系數CR=gR/Aeff，gR為拉曼增益系數，可根據圖2描點讀出。Aeff為光纖有效面積，取典型值50μm2，νP為泵浦光頻率，νS為信號光頻率；Ps為信號光功率，αs為信號光損耗系數。

圖2 石英光纖拉曼增益系數

2）光纖損耗模型

信號光和噪聲在光纖中傳輸損耗系數為實驗測量值，αp=αS=-0.19 dB/km。

3)ASE級聯模型

ASE功率級聯模型基于式（2）計算得到：

式中：PASE1為光放大器（Optical Power Amplifier,OPA）輸入端的ASE功率，其數值需根據2.1節中FDRA增益模型來定，對系統輸入的ASE可經FDRA增益后仿真計算得到；GOPA為OPA的增益；PASE2為OPA引入的ASE；F為OPA的噪聲系數；ν為信號頻率；B為濾波帶寬，取100 GHz。GOPA、PASE2、F均由設備測試說明書得到，式中總體量綱為1。

4）非線性效應及色散模型

該模型包含SPM、XPM及色散3個效應模塊。

SPM效應可用以下公式表示：

其中，L表示光纖傳輸距離。非線性長度LNL=(γP0)-1，P0代表峰值功率，γ代表非線性效應系數，光纖有效長度Leff=[1-exp(-αL)]/α，最大相移φmax=Leff/LNL。

XPM效應以兩束信號光為例，如式（5）所示。

其中，φj(z)為非線性相移，n2為非線性折射率，Pj為光功率，Aeff為有效面積，ωj為泵浦光功率。在計算多束信號光之間的XPM效果時可將近似線性疊加。

色散效描述如式（6）所示。

其中，Z表示光纖傳輸距離，β2為群速度色散系數，β3為三階色散系數（文中不考慮，設為0）。

5）SBS閾值計算模型

SBS閾值經典計算如式（7）所示[13]。

式中：Aeff為光纖有效面積，取典型值50μm2，g0為布里淵增益值，取典型值5×10-11m/W，Leff為光纖有效長度，當光纖距離大于50 km時，近似為1/α；α為光纖損耗系數，測量值為-0.19 dB/km，Δνp為信號光展寬；取測量值，ΔνB為SBS光頻譜展寬，取典型值15 MHz，νB為布里淵頻移，取典型值11.1 GHz；G′取典型值21；ν0為信號光頻率，取測量值；Γ為聲子衰減速率?；谝陨瞎?，將輸入端信號譜寬測量值代入便可計算SBS閾值。

基于以上數學模型，設置輸入信號光功率[14]、輸入噪聲功率、FDRA泵浦光功率、光纖長度、OPA增益等數據[15]，便可仿真輸出端的信號光功率以及噪聲功率，并與設置的相應實驗系統輸出端檢測結果對比，驗證該模型相關參數的合理性以及準確性。

2.2 結果討論

通過OSA測量的信號光譜展寬可計算SBS閾值，并與仿真結果中信號最大功率對比，可判斷系統通斷是否基于SBS閾值限制[16]。如實驗結果2中，傳輸系統中信號最大功率為19.67 dBm，超過理論計算的SBS閾值19.12 dBm，對應的測試結果為系統不通，表示此時SBS閾值為主要限制因素。而實驗1、3、4中仿真得到的最大信號光功率均低于相應的理論計算SBS閾值，此時只要輸出端信號光功率及OSRN高于設備閾值，系統均應是導通的，該結論與實驗結果吻合。

通過式（1）可對信號及噪聲經FDRA增益后在光纖各位置的功率進行數值仿真，以表1中實驗4為例，其實驗條件：波長1 550.12 nm的信號光輸入功率為16.6 dBm，輸入OSNR為47.75 dB，FDRA泵浦功率為(0,0,200,150)mW。當光纖長度為288 km時未經OPA放大的仿真結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在光纖長度約15.2 km處，信號功率達到最大值18.96 dBm，如果此最大功率超過模塊的SBS閾值，將導致系統無法導通。實驗測試中，通過光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer,OSA）觀測輸入信號光譜展寬，基于式（3）、（4）可計算得到SBS閾值為19.12 dBm，因此，此時入纖信號功率低于SBS閾值，該結果可通過相應的測試結果加以驗證。若將此時FDRA對信號光的分布式增益等效換算為入纖端的集總式功率補償，可算得入纖信號光的等效功率高達24.15 dBm，遠高于系統SBS閾值，或者說引入FDRA可顯著提升系統的名義SBS閾值[17]，從而進一步增加系統的最大傳輸距離。

圖3 FDRA對信號增益仿真結果

3 結 論

該研究深入分析FDRA對提升SBS受限超長距光通信系統無電中繼最大跨距的作用，并建立準確、完整的光通信系統仿真模型，通過實驗測試、數據擬合、數值仿真的方式對FDRA的增益機制進行了數值驗證，驗證了FDRA可等效突破系統SBS閾值限制，從而有效提升光通信系統的最大傳輸距離。