海底光纜通信中拉曼放大器和摻鉺光纖放大器的研究

摘要：拉曼放大器和摻鉺光纖放大器（EDFA）是光纖通信系統中兩種重要的光信號放大設備，它們的工作基本原理、特點都有相似的地方，也有不同之處。本文從拉曼放大器和摻鉺光纖放大器的理論模型出發，數值研究兩種放大器對輸入光信號放大過程，研究兩種光放大器在海底光纜通信場景的適用性，為未來網絡建設規劃提供理論依據。

關鍵詞：拉曼放大器；摻鉺光纖放大器；海底光纜通信

一、引言

光纖通信系統中傳輸媒介光纖對光學信號具有吸收的作用，光信號在光纖中傳輸一段距離后其功率會減弱，因此需要對光信號的功率進行放大才可以長距離傳輸。在光通信發展初期，對光信號的放大需要進行光-電-光轉換，即將光信號轉換為電信號，然后電信號重新整形、再生和定時（3R），再將電信號轉換為光信號發送出去。摻鉺光纖放大器（EDFA）和拉曼放大器直接在光域內對信號光進行放大，不需要將光信號進行光-電-光轉換，簡化光信號放大的過程，促進光通信快速的發展。EDFA和拉曼放大器的工作原理和過程具有相同之處，例如兩種光放大器都是光泵浦放大、泵浦光均可以采用多種方向泵浦工作方式。兩種放大器也存在不同之處，比如泵浦波長的選擇。本文從兩種放大器的數值模型出發，通過建立兩種光放大器的數值模型，并對兩種放大器的工作過程進行數值研究，進一步分析兩種放大器在海纜光通信系統中的適用性。

二、理論模型

拉曼放大器和EFDA放大器工作示意如圖1所示。

光隔離器保證光單向傳輸，避免反射光的影響；合波模塊根據輸入泵浦光的個數決定是否需要，如單個泵浦光輸入則不需要合波模塊。兩種放大器的工作原理均可以使用圖1進行說明。拉曼放大器是分布式放大器，可以使用多種波長的泵浦光；EFDA放大器是分放大器，一般使用1480nm、980nm波長的泵浦光。

（一）拉曼放大器模型

拉曼放大器是一種分布式放大器，在長距離傳輸的過程中能量轉移過程比較復雜，包括短波長光的能量轉移到長波長光上、短波長信號光的能量轉移到長波長的泵浦光上、瑞利散射和自發輻射噪聲等。不考慮信號光動態變化情況，即不考慮時間維度，頻率為的光分量在光纖中傳輸，其功率演變可以使用下面的公式表示[1]。

（1）

（1）式中，P±表示（+）或者（-）后向傳輸的光功率；（1）式右側的第一項表示光在光纖中傳輸的損耗，第二項表示瑞利散射，第三項表示頻率比v大的光將轉移到v頻率分量的光，第四項表示頻率的光將能量轉移到頻率分量比其小的光，后面兩項表示的是與溫度相關的自發輻射噪聲（ASE）項。gR （v-ξ）是光纖的拉曼增益系數。

（二）EDFA模型

EDFA是在光纖中摻入鉺離子，在泵浦光的作用下實現高能級上的鉺離子粒子數反轉，此時如有信號光輸入，輸入信號光使高能級上的鉺離子發生受激輻射，實現對輸入信號光放大。嚴格的EDFA模型求解相當復雜，需要一定的簡化才可以對EDFA模型進行求解。目前有Giles和Saleh兩個常用的簡化模型，與Saleh模型相比，Giles可以計算沿著傳輸方向的光纖中鉺離子反轉分布、信號光功率、ASE功率分布等，因此Giles模型描述的物理過程更加完備。EDFA的Giles模型中載流子方程、傳輸方程分別使用下面兩個公式描述[2]：

（2）

（3）

（2）式表示摻鉺光纖中鉺離子的反轉度，式中ξ表示摻鉺光纖的飽和參數，表示鉺離子摻雜濃度，表示高能級上鉺離子的濃度。（3）式中、分別表示摻鉺光纖的吸收、發射系數，m表示自發輻射噪聲的偏振態系數（m=2表示兩個偏振態），表示摻鉺光纖的背景損耗系數。

三、理論結果

基于上文所述的拉曼放大器、EDFA的模型，對拉曼放大器和EDFA進行數值模擬，研究信號光在拉曼光放大器和EDFA中放大過程，并根據模擬結果討論兩種放大器在海底光纜通信場景的適用性。

（一）拉曼放大器

拉曼放大器仿真參數設置如下：信號波長為1528～1620nm，等間距分為121個信道，輸入信號光功率均設置為3dBm；ASE噪聲頻譜范圍設置為1480～1630nm，取151個頻點；光纖長度設置為10km。前向泵浦光波長為：1422.33nm、1430.93nm、1439.02nm、1450.17nm、1459.05nm、1467.74nm、1478.45nm和1502.71nm，對應的光功率為：189.05 mW、171.94 mW、193.34 mW、188.93 mW、125.78 mW、152.5 mW、118.81 mW和180.84mW；后向泵浦光波長為：1422.71nm、1431.59nm、1439.32nm、1451.05nm、1461.12nm、1468.9nm、1478.9nm和1504.3nm，對應的光功率為：96.14mW、69.45mW、90.75mW、50.75mW、28.15mW、47.71mW、18.92mW和76.75mW。

圖2是信號光沿著光纖演變情況，其左上角是光信號的演變情況，右上角是信號光的增益，從這兩個圖可以看出信號光的增益譜覆蓋C+L波段，但增益總體不大且增益譜并不是很平坦。其左下角是信號光的背向瑞利散射，即一重瑞利散射光；一重瑞利散射光對輸出信號不影響。其右下角是一重瑞利散射光的背向瑞利散射，即二重瑞利散射光，二重瑞利散射光與輸出信號光同向，對輸出信號光是產生影響。從圖2的右下上角圖可以看出二重瑞利散射光的功率量級-40～-35dBm，與輸出信號光4～8.5dBm相比，二重瑞利散射光功率比較弱。

（二） EDFA

EDFA設置前、后向泵浦光波長分別設置為980nm、1480nm，泵浦光功率均設置為150mW。ASE譜頻率范圍設置為1520～1570nm，間隔為125GHz。信號光1530～1580nm，等間距分為40個信道，功率均設置為0dBm；鉺纖的長度設置為10m。

圖3是EDFA信號光、ASE光演變過程。從圖3的左上角、右上角圖可以看出EDFA的增益譜是不平坦，這是由EDFA的吸收系數和增益系數曲線決定的，而吸收系數和增益系數曲線是由摻雜特性決定。因此EDFA的增益譜和拉曼放大器增益不平坦的原因是不相同的。此外，從圖3的右上角圖可以看出，EDFA的增益譜寬度比拉曼放大器窄得多，大約為30nm，只能夠覆蓋C或者L波段。

（三）適用性討論

通過上述的分析可以看出，拉曼放大器和EDFA各有優缺點。拉曼放大器具有較寬的增益譜，可以覆蓋C+L波段，拉曼放大器的放大特性與泵浦光的波長、功率有關，拉曼放大器的增益譜是所有單個泵浦光的增益譜的疊加。信號光之間、信號光與泵浦光之間通過受激拉曼散射相互作用。拉曼放大器可以使用多個泵浦光，拉曼放大器的放大效率比較低，需要的泵浦光功率比較高，并且增益平坦度優化比較復雜。

EDFA放大器是由摻雜特性決定的，與拉曼放大器相比EDFA增益譜較窄，約為30nm，一般覆蓋C波段，即C波段型的EDFA。為了使EDFA能夠對C+L波段進行放大，實際做法是通過改變摻雜濃度，使得EDFA的增益窗口處于L波段，即制作L波段型的EDFA，將C波段型、L波段型的EDFA通過串聯、并聯方式組合在一起構成C+L波段放大器，放大過程先將輸入信號光的C、L波段信號分量分開分別放大，放大后再合在一起傳輸，這種方法會引入額外的插損。EDFA的增益譜形狀與鉺纖的摻雜特性、輸入信號光譜相關，信號光之間通過載流子競爭相互影響。EDFA具有較高的放大效率，因此，需要的泵浦功率要小很多。

因此，拉曼放大器適用于C+L、全波段通信系統，并且對功耗不限制的場景，例如僅適用無中繼的海纜光通信。而EDFA適用于C或者L波段通信系統、對功耗有限制的場景，例如用作海底光纜通信中繼器。

四、結束語

本文從拉曼放大器、EDFA的數值模型出發，分別介紹兩種放大器的數值理論模型、數值模型建立和方程求解方法，以EDFA為實例闡述兩種放大器的求解過程，并在此基礎上對兩種放大器的模型進行求解，對兩種放大器對信號光的放大過程進行分析，闡述兩種放大器對信號光放大的物理過程。根據兩種放大器的模擬結果，從兩種放大器的放大譜寬、泵浦光功率兩種因素出發，討論兩種放大器的應用場景，得出拉曼放大器適用于C+L甚至全波段的通信系統，但不能適用于對功耗限制高的場景；EFDA更適用于C或者L波段的通信系統，適用于對功耗要求限制比較高的系統。

作者單位：陳巨強 中國移動通信集團海南有限公司

參? 考? 文? 獻

[1] J. Bromage. Raman amplification for fiber communications systems [J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 2004， 22（1）： 79–93.

[2] C. Randy Giles， E. Desurvire. Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 1991， 9（2）：271-282.

[3]張徐亮. 分布式光纖拉曼放大器的理論和實驗研究[D]. 浙江：浙江大學，2006.

陳巨強（1978.11-），男，漢族，海南海口，本科，傳輸與接入中級職稱，研究方向：傳輸網智能規劃和業務批量自動配置研究。