C波段集中式光纤喇曼放大器的研究

在PTDS仿真平台上，对C波段集中式光纤喇曼放大器特性进行了仿真试验，设计出一个参数得到优化的集中式光纤喇曼放大器，并对掺铒光纤放大器和光纤喇曼放大器在改善10 Gb/s系统性能方面作了比较。结果表明光纤喇曼放大器的性能优于掺铒光纤放大器。
关 键 词 波分复用； 掺铒光纤放大器； 集中式光纤喇曼放大器； 误码率

在过去的10年中，掺铒光纤放大器(EDFA)取代了传统的光-电-光中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时放大，大大降低了光中继的成本，同时EDFA可与传输光纤实现良好耦合，具有高增益大输出功率的优点[1]，因此成功地应用于波分复用(WDM)光通信系统中，极大地增加了光纤中传输的信息容量和传输距离[2]。但是，随着计算机网络及其他新的数据传输业务的飞速发展，进一步提高光纤传输系统容量已经成为光纤通信领域研究的热点[3]。解决这个问题有以下三种方案：增加每个信道的传输速率；进一步减小信道间距；增加总的传输带宽。采用第一种方案，例如从10 Gb/s提高到40 Gb/s将带来色散补偿问题，这里既有普通的色散又有偏振模式色散（PMD），同时电子器件还存在“电子瓶颈”问题。采用第二种方案，比如将信道间距从100 GHz降到50 GHz或更少将带来四波混频(FWM)等非线性效应，要求系统采取措施控制波长的稳定性。故两种方案实现起来都有一定的难度，所以更加关注第三种方案。由于受能级跃迁机制所限，EDFA一般工作在1 550 nm窗口，不能很好地开发整个光纤低损耗区的带宽资源，而且EDFA的光信噪比也不高。光纤喇曼放大器(FRA)由于其自身固有的全波段放大特性和利用传输光纤在线放大的优点，能很好地开发整个光纤低损耗区的带宽资源，增加总的传输带宽。如果采用集中式放大，还可以得到和EDFA几乎相同的增益值，所以光纤喇曼放大器能很好地改善整个光纤通信系统的通信容量和系统性能，可以用来实现在整个光纤低损耗区的放大，从而大大提高带宽利用率，适应信息容量的进一步增加。本文在PTDS仿真平台上研究了FRA的特性进行研究，设计出一个参数得到优化的FRA，对EDFA和FRA在改善10 Gb/s系统性能上作一比较，从而可以看出FRA的优点所在。
1 PTDS仿真平台及仿真系统
PTDS是Virtual Photonics Incorporated(VPI)公司在Photonic Design Automation(PDA)光子自动化设计工具基础上开发而来的具有综合设计环境的光子传输设计套件。它提供了模块化的仿真工具，将光纤通信系统中从发射机到接收机的抽象成一个个的模块，同时提供了一套逻辑运算和数学运算工具，可以实现电域和光域的逻辑变换。本实验所用仿真系统的结构如图1所示。光源(SIGNAL)发出的信号光经环形控制(LOOP)后进入光纤，光纤由三段组成，从左至右分别是传输光纤(SMF) 、色散补偿光纤(DCF)和FRA。FRA与LOOP相连，通过它可控制光波传输距离。光波经过3周传输后，经LOOP输出进入PIN光电二极管进行光电转换，得到的电信号再经过滤波，时钟提取得到信息。SMF的色散系数为16×10－6 s/m2，DCF的色散系数为－90×10－6 s/m2，两者的有效模场面积均为80 μm2。由于193.1 THz附近光纤具有最小损耗，因此仿真试验中的信号光频率均设计在该频率附近。在以下仿真试验中，设信号光功率都为1 mW，以降低由于信号光所导致的非线性效应。FRA用作集中式放大器时，其长度约为1～2 km。由于后向泵浦的FRA比前向泵浦的FRA有更小的噪声，故本实验采用后向泵浦方式，泵浦功率一般设为1～2 W。

2 集中式FRA的特性仿真研究
2.1 OSNR与泵浦功率、FRA长度、信号功率及信号频率的关系
经仿真研究，在考虑后向瑞利散射、自发喇曼散射、自相位调制、泵浦光源和信号源噪声以及其他一些随机噪声的情况下，FRA泵浦功率在1～2 W，FRA长度在1～2 km，信号功率在1～10 mW范围内变化时，OSNR几乎不随泵浦功率、FRA长度、信号功率及信号频率的变化而变化。造成这种情况的主要原因有：1）强泵浦光使受激喇曼散射远远大于自发喇曼散射，从而可以认为通过该放大器所产生的自发喇曼散射噪声能忽略不计；2）很强的泵浦功率对于极短的光纤可认为不变，信号和噪声功率经过该放大器放大同等倍数而不引入其他附加噪声；3）在C波段，光纤损耗差别不大，因此，在优化参数时仅考虑对增益的影响。
2.2 喇曼增益与泵浦功率、FRA长度、信号功率及信号频率的关系
图2和图3给出了FRA增益G随后向泵浦功率P和FRA长度L的变化关系曲线。从图中可以看出，喇曼增益随后向泵浦功率和FRA长度的增加而接近线性增加。因此，为了得到较大的增益须选择较大的泵浦功率和较长的光纤。喇曼增益随信号功率S的变化关系曲线如图4所示。从图中可以看出，增益随信号功率的增加而单调增加，当信号功率较小(1～4 mW)时，增益增加较迅速，当信号功率继续增加时，出现一个增益随信号功率线性增加区域(6～8 mW)，但增加已经不如前一段迅速了，当信号功率再进一步增加时增益增加得更缓慢，此时已经进入了增益饱和区。FRA的增益随信号频率F的变化关系曲线如图5所示。在193 THz处，FRA增益有一极大值，在191～193 THz内，增益随信号频率的增加而单调增加，在193～196 THz内，增益随信号频率的增加而单调降低，FRA的这种增益分布在很大程度上由泵浦功率和泵浦波长决定。
2.3 系统BER与SMF长度的关系
系统BER与SMF长度D之间的关系在单信道系统和多信道系统中的情况各不相同，因此应分别进行研究，在本实验中，不失一般性选择16路DWDM系统作为多信道系统。在单信道系统中，信号频率为193.1 THz，信道速率为10 Gb/s，信号功率为4 mW。图6给出了系统BER随SMF长度的变化关系曲线。从图中可以清楚看到，BER在单模光纤长度为60 km时，还保持了较小的值,但是随着SMF长度的增加，光信噪比开始恶化，致使系统BER增加。在16 路DWDM系统中，16 路信号频率范围在192.725～193.475 THz，信道间隔为50 GHz，每信道速率为10 Gb/s，每信道信号功率为0.5 mW。图7 给出了系统BER随SMF长度D的变化关系曲线。从图中可以清楚看到，BER在SMF长度为49.4 km时，还保持了较小的值，但是随着SMF长度的增加，光信噪比开始恶化，致使系统BER增加。