分布式拉曼光纤放大器的应用 摘要 随着社会的发展，人们对信息的依赖越来越严重，信息传输的需求急剧膨胀，大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的简单传输距离，已经成为光纤通信领域的热点在这种背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪声和几乎无限的带宽特性而得到广泛关注本文介绍了拉曼光纤放大器的基本概念，重点分析了拉曼光纤放大器的应用前景和存在的问题 1 拉曼放大器介绍 1.1 拉曼放大 当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射光强，产生间隔恰好为分子振动频率的 边带低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度较高这样，当两个恰好频率间隔为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，其能量转移到低频段上，这就是受激拉曼散射（ SRS） 光纤拉曼放大器是 SRS 的一个重要应用由于石英光纤具有很宽的 SRS 增益谱，且在13THz 附近有一个较宽的主峰如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱（见图 1）范围内，则弱信号光即可得到放大，这种基于 SRS 机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。
图 1 光纤中的受激拉曼增益谱 1.2 拉曼放大器的类型 （ 1）集总式拉曼放大器，即放大过程发生在含有掺铒光纤的封闭模块中主要作为高增益、高功率放大，可放大 EDFA 所无法放大的波段（图 2 中的绿色曲线） 图 2 分布式 /集总式光放大器的比较 （ 2）分步式拉曼放大器拉曼泵浦位于每级跨距的末端，泵浦方向与信号的传输方向相反（图 2 中的蓝色曲线）采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（ OSNR）这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速发展 1.3 拉曼放大（ DRA）增益谱的调整 拉曼增益谱的形状依赖于泵浦波长，最大增益波长比泵浦波长高 100nm 左右这种特性使得在具有可用泵浦波长的条件下，放大任何波长区间的光信号成为可能通过使用不同的泵浦波长 组合可以在一个很宽的波长区间获得平坦的增益谱型（见图 3） 图 3 使用多泵浦波长获得平坦的宽带增益谱 1.4 拉曼泵浦模块 图 4 中的绿色框图部分是一个为后向泵浦配置应用的拉曼泵浦激光器模块示意图在这种配置中， DRA 一般和系统的 EDFA 联合使用，用作 EDFA 的前级放大器（ Pre-amplifier）。
这就是大家熟知的 RAMAN/EDFA 混合放大器 图 4 简化的后向泵浦的拉曼放大器应用框图 图 5 表示的是采用某个拉曼泵浦模块在 G.652 光纤中的测试结果，包括增益谱及噪声指数（ NF）随泵浦功率变化的情况从图 5 中可以看出，在 C-BAND 范围，增益可以达到 14dB以上，增益平坦度可以控制在 1dB 以内 2 分布式拉曼放大器（ DRA）的应用 掺铒光纤放大器是一种成熟、可靠、经济有效的技术，在光网络中的广泛应用已经超过10 年虽然分布式拉曼放大器在很多应用方面可以弥补 EDFA 的不足，但是也要考虑 DRA应用中的各种挑战 （ 1）激光安全由于向传输光纤引入了高的泵浦功率，需要关注激光功率安全问题 （ 2）端面清洁为了防止光连接器的损伤、烧毁，影响系统性能，端面的清洁非常重要 （ 3）拉曼增益对传输光纤的特性敏感，例如光纤类型、光纤衰耗系数等 （ 4）投入成本与运 营成本的考虑 因此，在讨论 DRA 的应用时，应主要考虑体现其重要价值和优越性的应用，而不是使用传统 EDFA 产品技术也可以满足的应用广泛地说， DRA 的应用可以分为无法路中间放大的长距离光纤通信线路的连接和 LH， ULH 高容量、长距离传输系统中的应用。
2.1 单跨段长距离的通信线路 对于 2 个相距遥远的无法路中间使用 EDFA 等中继设备的通信站点而言，选择使用分布式拉曼放大器产品是必须的，如海缆通信链路，偏远无人区站点间的通信链路，不便设立中继站点或中级放大器的通信链路 一般来说，如果光纤线路 距离小于 160km，路两端使用传统的 EDFA 即可，对于更长距离的线路，需要考虑使用分布式拉曼放大器（ DRA）图 6 进一步说明了这个问题从图 6 可以看出，在不同的拉曼增益下 OSNR 与链路损耗的关系假定每个通道的发送光功率为 8dBm，前置 EDFA 的噪声指数为 5dB；同时假定系统容量较低，通道数较少，不考虑色散及非线性效应引起的通道代价，使用 10dB 增益的 DRA，可以容许线路损耗增加 5dB，使用 14dB 增益的 DRA，可以容许线路损耗增加到 6.3dB对于 10Gbit/s 的通道，如果使用FEC(前向纠错 )，在 无误码的条件下，容许的传输光纤线路损耗达到 52dB，相应的光纤线路长度约为 250km 图 6 不同 DRA 增益下的 OSNR//链路损耗关系曲线 2.2 多级跨距中的长跨距连接 DRA 的另一个重要应用是多跨距线路，其中一个或多个跨距的长度或损耗高于其他跨距。
估计有 20%的区域、长距或超长距离传输线路可以借助于 DRA图 7 表示的是跨距末端的 OSN 随其中的较长跨距损耗变化的曲线曲线表明，对其中损耗为 40dB 的 2 个跨距线路，使用 DRA 可以使系统的 OSNR 改善 2dB除了改善 OSNR， DRA 还允许使用原先标准的 EDFA 线路放大器（ EDFA-LA）使用之前的假定为，一个典型的增益可调 EDFA 具有一定的动态增益调节范围，例如 14～ 26dB因此，使用 14dB 的 DRA，并使 EDFA 工作在26dB 增益处，可以为线路信号提供 40dB 的增益 图 7 在使用 DRA 和不使用 DRA 条件下的 OSNR 与长跨距损耗的关系曲线 2.3 高容量长距离 ULH 系统 ULH 传输需求的主要背后驱动因素是光网络向动态可配置全光网络的发展在这种光网络中，会用到可充配置分插 /复用模块（ ROADM）和交叉连接器（ OCX），表明所有的光通道应该能够穿越传输距离很长的光网络 图 8a 表示的是计算系统的 OSNR 与跨距数量的关系，分为使用 DRA 和不使用 DRA 的情况图中曲线表明， DRA 显著提升 ULH 系统的传输距离，容许传输 4000km 或更远。
光载 噪比 OSNR 改善 5~7dB，有利于增加通道数而提高系统容量例如，在 C-BAND 内，通过将通道发送功率降低 3dB，将通道数从 40 提高到 80，使用 DRA，由于 OSNR 的改善，可以很容易实现通道扩展的应用以上结果显示了 DRA 是如何增加 ULH 系统的传送距离及容量另一方面，由采用 DRA 改善的载噪比可使传送跨距增加，减少了总的中继放大站点的数量，减少了总的系统成本 图 8a 在使用和不使用 DRA 的条件下 ULH 系统的 OSNR 与跨距数目的关系曲线 图 8b表示的是针对 2500km的 ULH系统计算的 OSNR与跨距的关系假定的条件同上，光纤损耗以 0.2dB/km 计，每个跨距的连接 /熔接损耗保留为 2dB结果表明，使用 DRA 能使跨距增加 50％，相当于跨距数可减少 35％考虑到各方面的综合因素，对于 LH 和 ULH系统，实际的最大平均跨距长度是 100～ 120km 图 8b 在使用和不使用 DRA 的条件下 2500km ULH 系统的 OSNR 与距离的关系曲线 3 拉曼放大（ DRA）的应用注意事项 3.1 激光安全 激光安全是光传输系统的一个关键问题，当由于意外原因使得光连接器开路或光纤线路故障时，要求与传输相关的所有激光器和发射机的功率应降低到安全水平值以下。
使用 DRA的传输系统与传统的采用 EDFA 的系统在两方面有主要区别： （ 1）拉曼泵浦模块的输出功率比 EDFA 系统的典型功率水平高很多，高于指定的激光辐射安全水平 （ 2）分布式 拉曼放大器 DRA 沿传输光纤产生自发辐射噪声（ ASE），即使中间光纤发生断裂故障， ASE 功率仍沿着系统方向传输，这使得 EDFA 系统经常使用的输入无光关断的控制方式在此不太适用为了解决这个问题，需要准确判断线路情况及线路有效信号功率，方法包括泵浦反射监测， OSC 信道功率监测，带外 ASE 功率监测等方式通过这些机制，可以提供拉曼放大器放大效率及其他重要的诊断信息，实现拉曼泵浦模块的自动关泵功能 3.2 拉曼增益与传输光纤特性的相关性 拉曼放大器的增益介质即是传输光缆，因此传输光缆的种类及质量对拉曼放大器 的性能有很大影响在给定的泵浦条件下，获得的拉曼增益及拉曼增益谱的形状与传输光纤的类型密切相关现在中国境内铺设的光缆主要是 G.652 和 G.655，也有少数地方存在 G.653 光纤由于各种传输光纤的数值孔径不同，制造工艺不同，其作为增益光纤的增益特性、噪声特性也不一样在 G.652 和 G.655 光纤中， G.655 光纤的增益较大，色散受限小，而 G.652 光纤则增益较小，但是噪声特性相对较好，适于长距离无电中继传输。
而 G.653 光纤由于其较小的模场直径及色散系数，导致其非线性系数较高，因此光缆中存在强烈的四波混频 ，交叉相位调制及受激拉曼散射等非线性效应引入拉曼放大器，能够有效减小 G.653 光纤的入纤功率，优化系统性能 4 结束语 光纤拉曼放大器由于具有极宽的增益带宽，极低的噪声系数，在未来超大容量高速传输系统中有着广泛的应用目前，世界正进入全光网络建设的高峰，分布式拉曼放大器 DRA的使用为光网络的设计提供了重要的选项，是某些应用传统 EDFA 无法解决的应用成为可能，这些应用包括超长单跨距光传输线路，包含长跨距的多跨距传输线路，增加 ULH 系统的传输容量考虑到与 DRA 相关的应用问题及投入成本的增加，需要区分 在什么应用情况DRA 具有真正的优势，需要采取有效的措施解决 DRA 应用中的问题。