張家紅 黃光明 馬虹 王新旗
      （大唐電信光通信分公司 成都 610062）
摘要：本文簡單介紹了喇曼光纖放大器的原理、特點和噪聲性能，重點闡述了FRA/EDFA 混合放大器對光信噪比的提高及其應用于系統(tǒng)時應該考慮的問題。
關(guān)鍵詞：喇曼光纖放大器（FRA）  EDFA    混合放大器
前言
    第一代WDM光傳輸系統(tǒng)（DWDM+EDFA）初步解決了傳統(tǒng)電信業(yè)務大容量和遠距離傳輸?shù)幕�本問題，但最近幾年來IP業(yè)務的迅猛發(fā)展，廣大用戶對帶寬的要求日益迫切，寬帶網(wǎng)的建設方興未艾。而現(xiàn)有的第一代WDM無論其傳輸容量、對帶寬的利用率、無電中繼最大傳輸距離、網(wǎng)絡的延伸擴展性等方面都無法滿足日益增長的需求。EDFA的增益譜只能覆蓋C波段(1529-1561nm)和L波段(1570-1610nm)。而石英單模光纖在1.55mm波段的低損耗窗口擁有幾十THz的帶寬，目前還遠沒有得到充分利用。如何有效提高現(xiàn)有光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸速率和通道數(shù)以增加總?cè)萘�、延長無電再生中繼的傳輸距離，已經(jīng)成為光纖通信領域新的研究熱點。
    目前，國外一些知名通信廠商已經(jīng)在通信系統(tǒng)中采用喇曼光纖放大器來增加傳輸容量或者延長無中繼傳輸距離，詳情請見下表。不難看出：喇曼光纖放器已經(jīng)成為超大容量超長距離光通信系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，在C+L波段 FRA/EDFA混合放大器則是較為常用的解決方案。
公司 參考處 容量(Gb/s) 距離（Km）           主要技術(shù)
Fujitsu OFC’02 88*43 600 NRZ調(diào)制, 喇曼+EDFA混合放大，C+L波段
Lucent OFC’02 40*40 500 NRZ調(diào)制, 喇曼+EDFA混合放大，C波段
Cisco OFC’03 192*10 2400 全喇曼放大
OFS OFC’03 80*42.7 800 200nm帶寬，全喇曼放大，
1 喇曼光纖放大器的原理和特點
    喇曼光纖放大器是利用大功率下光纖中的受激喇曼散射效應來實現(xiàn)能量從高功率泵浦光到低功率信號光的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)信號光的放大。從光與物質(zhì)相互作用的量子理論來看，喇曼散射和放大過程是：入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光[1]。
    斯托克斯頻移由分子振動能級決定，對于非晶態(tài)石英光纖，其分子振動能級融合在一起，形成一條能帶，因此可在較寬的范圍內(nèi)通過受激喇曼散射實現(xiàn)光的放大。

    光纖的典型喇曼增益譜如圖1所示[1]。用光纖作為放大介質(zhì)，喇曼增益具有很寬的頻譜，在13.2THz附近有一個主峰。如果一個弱信號和強泵浦光同時傳輸，并且弱信號在放大頻譜內(nèi)，那么泵浦光轉(zhuǎn)移一部分能量到信號光，從而實現(xiàn)信號放大，基于這種原理的放大器就是喇曼光纖放大器。
     喇曼光纖放大器和摻鉺光纖放大器相比至少具有以下幾個方面的優(yōu)勢[2]： 
◆增益譜靈活。增益譜不是由特定的摻雜元素決定，只要有合適的泵浦光源，光纖透明窗口內(nèi)任何位置上的信號都可得到放大；
◆低噪聲。和EDFA相比，F(xiàn)RA產(chǎn)生的噪聲更小，可以得到更好的系統(tǒng)性能同時。因此可以利用FRA實現(xiàn)系統(tǒng)從2.5Gbit/s到10Gbit/s甚至40Gbit/s的平滑升級和實現(xiàn)超長段傳輸[3]。
2 喇曼光纖放大器分類和結(jié)構(gòu)
    喇曼光纖放大器可分為兩類：分立式喇曼放大器和分布式喇曼放大器。前者所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在十公里以內(nèi)，泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦特，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，象EDFA一樣用來對信號光進行集中放大，因此主要用于EDFA無法放大的波段。后者所用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應，提高信噪比。
    喇曼放大器按泵浦方式分三種結(jié)構(gòu)：前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦。
    前向泵浦是一種信號光和泵浦光以同一方向從光纖輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱同向泵浦。反向泵浦是一種信號光和泵浦光以相反方向注入光纖的結(jié)構(gòu)。雙向泵浦是前向泵浦和反向泵浦同時泵浦的一種結(jié)構(gòu)。
    由于喇曼過程是瞬時發(fā)生，如果采用前向泵浦，泵浦噪聲將嚴重的對WDM信道產(chǎn)生影響。當喇曼泵浦功率有輕微的功率波動，個別的數(shù)據(jù)位放大將出現(xiàn)異常，導致放大過程的波動。如果采用反向放大，喇曼泵浦功率的波動就會被平均[2]。
    另外，采用后向泵浦的喇曼放大器的偏振態(tài)相關(guān)增益較小。文獻[4]報道了Ericsson光網(wǎng)絡實驗室的研究結(jié)果：在后向泵浦喇曼放大器中，改變信號光的偏振態(tài)，信號光的最大最小增益差別較小，而前向喇曼放大器的信號最大最小增益差別較大。
3 喇曼光纖放大器的噪聲性能
    喇曼光纖放大器在輸出端產(chǎn)生的噪聲包括放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE）和雙次瑞利散射噪聲。我們知道非相干的自發(fā)輻射在傳輸光纖的任何一點都會產(chǎn)生，而且其中的一部分會被耦合進光波導，在傳輸?shù)倪^程中不僅衰減還被泵浦光放大。因此，要想計算分布式喇曼放大器的ASE噪聲，就必須先求出泵浦光的傳輸特性，從而得到光纖上每一點的喇曼增益。關(guān)于如何求ASE 噪聲文獻[7]已經(jīng)有了說明，所以本文不做詳細介紹而直接利用其結(jié)果。
    在忽略信號光和噪聲對泵浦光消耗的情況下，喇曼光纖放大器在輸出端產(chǎn)生的單位頻帶ASE噪聲光子數(shù)為：
 
    其中K是偏振因子，當泵浦光偏振態(tài)完全混亂時取2， 分別是開關(guān)增益、光纖損耗系數(shù)和光纖長度。   ASE噪聲光功率譜密度是：
    
     公式2表示的ASE光在平方率接收機中與信號發(fā)生拍頻，產(chǎn)生ASE噪聲電流。在0碼和1碼時，這部分拍頻噪聲電流的功率[9]

    其中為接收機靈敏度，為接收機電濾波器的帶寬，為進入接收機的信號平均光功率。在只考慮ASE噪聲的時候，接收機的電信噪比：
   
根據(jù)文獻[9]，瑞利噪聲在0碼和1碼產(chǎn)生的拍頻噪聲電流功率是：

其中 。在只考慮DRB噪聲的情況下接收機的電信噪比為：
 
    下圖給出光纖損耗分別為20和33dB時，只考慮ASE噪聲和只考慮瑞利噪聲時接收機的電信噪比和喇曼放大器開關(guān)增益的關(guān)系。
  
    可以看出如果光纖長度一定，當開關(guān)增益小的時候，ASE噪聲構(gòu)成放大器噪聲的主要成分，可以忽略瑞利噪聲；當開關(guān)增益很大時，瑞利噪聲急劇增加，有可能超過ASE噪聲。當喇曼放大器增益小于15dB時可以不考慮瑞利噪聲。
4 FRA/EDFA混合放大器對WDM系統(tǒng)光信噪比的改善
    相對EDFA來說，喇曼光纖放大器（FRA）的泵浦效率要低得多，泵浦激光器成本也比較高，因此在實際應用中通常和EDFA級連使用�；旌戏糯笃鞯脑肼曋笖�(shù)主要由喇曼光纖放大器決定，輸出功率主要由EDFA提供，從而以合理的成本獲得較好的性能[7]。

    圖3是級連EDFA系統(tǒng)單段示意圖，EDFA產(chǎn)生的單位頻帶內(nèi)的噪聲光子數(shù)[5]：

    其中是EDFA增益（等于級間損耗），L是光纖長度。在圖4中，分別EDFA的增益和喇曼光纖放大器的開關(guān)增益。假定EDFA的自發(fā)翻轉(zhuǎn)因子不隨增益變化，則級連FRA/EDFA輸出的單位頻帶噪聲光子數(shù) 。因此，在相同配置(相同傳輸信道、相同輸入信號)情況下，使用FRA/EDFA 混合放大器與僅使用EDFA相比，在接收段可以提高光信噪比：

    下圖給出在相同配置情況下，和喇曼放大器開關(guān)增益的曲線，其中級間損耗取30dB,自發(fā)輻射因子取2。

圖5 不同增益時的
我們可以從上圖得到結(jié)論：
◆ 隨喇曼放大器開關(guān)增益增加而增加。這也是在光通信系統(tǒng)中使用喇曼光纖放大器能夠延長無中繼距離、提高光信噪比以及使系統(tǒng)平滑升級的原因所在。
◆ 隨增益先近似線性增加而后趨于飽和�？紤]到喇曼光纖放大器的泵浦成本較高，因此應在保證滿足系統(tǒng)光信噪比的情況下盡量降低喇曼光纖放大器的增益，而完全用它取代EDFA并不經(jīng)濟。
下面舉一個例子，分析 FRA/EDFA混合放大器對光信噪比的提高。圖6給出的是級連EDFA系統(tǒng)框圖，圖7是級連FRA/EDFA系統(tǒng)框圖。
該系統(tǒng)為32*10G WDM系統(tǒng)，在這里僅選取其中一個信道（192.9THz）進行光信噪比分析。同時為簡化起見，我們假定圖6和圖7中相對應的EDFA具有相同的噪聲系數(shù)。
具體參數(shù)如下：





    在圖7中，我們用喇曼光纖放大器承擔部分 EDFA增益。下圖給出喇曼光纖放大器增益分別為8、10、12、14，16 dB時各個EDFA輸出端的光信噪比以及圖6中各個EDFA輸出端的光信噪比。

    我們可以從上圖清楚地看出輸出端光信噪比隨著喇曼光纖放大器增益的提高而增加，當喇曼光纖放大器的開關(guān)增益為8dB時，系統(tǒng)輸出端光信噪比可以提高約4dB，達到26dB以上。對于該系統(tǒng)而言，即使沒有FEC功能，光信噪比也完全可以滿足系統(tǒng)正常運行的需要，因此再提高該系統(tǒng)中喇曼光纖放大器的增益也沒有必要。
5 FRA/EDFA混合放大器在系統(tǒng)應用中應考慮的問題
    作為一項新的技術(shù)應用于光通信系統(tǒng)，喇曼光纖放大器也給系統(tǒng)設計帶來新的問題。
    由于受激喇曼散射效率低，因此需要較高功率的泵浦源，這就要求鏈路中耦合器、連接頭等光器件能夠承受較高的光功率，同時很高的泵浦入纖光功率也會增加系統(tǒng)的維護難度。
    對于采用混合放大器的WDM系統(tǒng)，當波長數(shù)目增加/減少或者線路出現(xiàn)變化時，涉及EDFA和喇曼放大器之間的增益均衡，因此二者的增益匹配和控制機制必須協(xié)調(diào)，這是一個有待研究的問題。另外，還必須考慮喇曼光纖放大器對傳輸光纖的適應性問題：比如當傳輸光纖的狀況或者類型發(fā)生變化時，要求光放大器能夠快速自動的調(diào)整各個泵浦光功率以保證設定增益，這就要求我們的控制模塊智能化，這也是我們正在研究的問題。
6 結(jié)論
     本文介紹了喇曼光纖放大器的ASE和瑞利噪聲，重點闡述了FRA/EDFA混合放大器對光信噪比的提高，并給出具體例子加以說明。由于受激喇曼散射效率低，因此成本相對較高，這就決定了在現(xiàn)階段它不會替代EDFA,而是和EDFA組成混合放大器，來提高信噪比，延長無中繼距離。由于目前實用的WDM系統(tǒng)都在C Band，而L Band 的應用還沒提上議程，因此寬帶喇曼光纖放大器的應用還有待于市場的進一步推動。
參考文獻
[1] Govind P.Agrawal  Nonlinear fiber optics 第三版 第8章
Academic press,INC
  [2] Raman amplification design in WDM systems， www.iec.org
[3] P.B. Hansen, L. Eskildsen, S.G. Grubb, A.J. Stentz, T.A. Strasser, J. Judkins,
 J.J. DeMarco, R. Pedrazzani, and D.J. DiGiovanni, “Capacity upgrades of transmission
 systems by Raman amplification”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp. 262–264, 
Feb. 1997.
[4] Berntson A,Popov S. Vanin E,et al. “Polarisation dependence and gain tilt
of Raman amplifiers for WDM systems”[C]. OFC2001,MI2
[5] Giles C R,and Desurvire E. “Modeling Erbium-doped fiber amplifiers” 
J.Lightwave Technoligy,1991,9(2):271-283.
[6] Vittorio Curri “System Advantages of Raman Amplifiers”. 
Proc.NFOEC 2000 ,Paper B1.1
  [7] Sihai Wang, Chongcheng Fan “Distributed fiber Raman amplifiers: analytical 
expression of noise characteristics under complex  conditions”, Optics Communications 
198(2001) 65-70
[8] ChrisFludger,AndresMaroney and Nigel Jolley, An analysis of the improvements in 
OSNR from distributed Raman amplifiers using modern transmission fibers.
FF2-2,OFC2002.
[9] 丁偉，多波長泵浦光纖拉曼放大器的研究，北京大學碩士研究生論文