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1、光学学报第 18 卷 第 9 期1998 年 9 月V o l. 18, N o. 9Sep tem be r, 1998A C TA O P T ICA S IN ICA用于光孤子通信的理想分布式放大器于晋龙马晓红戴居丰杨恩泽(天津大学电子系, 光电子信息工程开放实验室, 天津 300072)摘 要 光孤子通讯的一个重要的问题是如何提高光孤子通讯的站间距离, 降低线路成本。本文从降低信号在线路中的起伏入手, 通过理论分析和计算机模拟, 提出了用于孤子通讯的理想分布 式光纤放大器的设想。借以降低噪声和提高泵浦站间距, 降低线路成本。并对一些设计参数对系统的影响进行了讨论。关键词 光孤子, 分布
2、式放大器, 站间距。1973 年, 由 H a segaw a 等人提出了光孤子通信的概念1 , 用以克服光纤色散对光纤通信速率的限制。1980 年, M o llen au te r 等人首先在实验中观察到了光纤孤子2 。此后的一段时间 里, 孤子通信一时成为了通信研究中的热点, 各种实验系统纷纷提出。尤其是掺铒光纤放大器的出现3 , 更为孤子通信的研究展示了美好的前景。90 年代中后期, 常规光纤通信由于采用了波分复用 (W DM ) 和色散补偿等技术, 通信速 率和距离都有了突破性进展。与此形成对照的是, 光孤子通信却迟迟没能投入大规模商业使用。究其原因, 主要是光孤子通信本身固有的一些
3、特点所决定的。一个是在线光放大器的自发辐射噪声 (A SE 噪声) 引起的时间抖动, 限制了光孤子通信的通信容量 ( Go rdo n 2H au s 限制4) , 有几种孤子控制技术 (时域控制技术5 和频域控制技术6 ) 较好地解决了这个问题。但为了限制自发辐射噪声的强度, 放大器的增益不能太大, 因此站间距的提高受到了限制; 另一个问题是, 为了保证孤子的稳定传输, 放大器的间距必须远小于光孤子周期。孤子周期的 计算公式Z 0 = T 2 2| 2 |0其中 T 0 为光孤子脉冲宽度, 2 为光纤色散参量。从式中可以看出,它与脉冲的宽度的平方成正比。即通信速率越高, 孤子周期也就越短,
4、放大器的间隔也就越小, 从现有实验来看7 9 ,放大器间距一般小于 50 km 。无论从成本角度还是从将来的系统提升角度来讲, 对于商业应 用来讲是不利的。为了解决这个问题, 分布式光纤放大器的放大的自发辐射噪声低, 不失为一 种 较 好 的 解 决 方 法。最 近 报 道 利 用 分 布 式 掺 铒 光 纤 放 大 器, 其 泵 浦 站 间 距 已 达 到 97km 10 。但是,分布式掺铒光纤放大器自身也存在问题。由于掺铒光纤本身也作为传输光纤用, 所以其制造难度比单纯的掺铒光纤或传输用色散位移光纤要大。另一个问题是, 实际中使 用的普通分布式掺铒光纤放大器, 泵浦光在传输过程中由于损耗和
5、放大吸收, 其在整个放收稿日期: 1997204218; 收到修改稿日期: 1997209215大器中也不是均匀的, 这就使得其增益与损耗不能处处抵消。信号在传输过程中也有起伏。当泵浦站间距提高, 泵浦功率加大时, 这种起伏也加大。数值模拟表明, 当这种起伏的周期 与光孤子的周期可以比较时, 其长距离传输变得不稳定。所以说, 分布式放大器站间距的提 高也是有一定的限制。从中可以看出, 对于分布式放大器来讲, 信号的起伏所产生的色散波是限制传输泵浦站间距的又一重要因素。要提高站间距, 必须在加大泵浦功率的同时减小信 号在传输过程中的起伏。当起伏为 0 时, 孤子传输为理想传输 (不考虑放大的自发
6、辐射噪声) ,信号的传输距离是无限的。在掺铒光纤放大器中, 每点的增益是由这一点的泵浦光功率和掺杂浓度共同决定的。在 足 够强的泵浦光功率下 ( 大于阈值) , 掺杂浓度越大, 其增益也越大; 对于一定的掺杂浓度,泵浦光越强, 增益也越大。对于实际的分布式光纤放大器来讲, 泵浦光是从两端引入的。在传输过程中总是呈一种衰减的趋势。故可以改变光纤中不同位置的铒离子的掺杂浓度13 , 在 泵浦光强的地方, 其掺杂浓度较低; 在泵浦光弱的地方, 掺杂浓度较高。这两个因素相互起 作用, 使总的增益在整个传输线路中平均分配, 使信号起伏最小。这样就可以提高泵浦站间 距。理想的情况下, 泵浦光衰减引起的增益
7、的减小完全由掺杂浓度的增加所抵消, 孤子的传输为理想传输, 称之为理想分布式放大器。1理想分布式光纤放大器的理论计算掺铒光纤放大器的放大过程可以用泵浦光光子的吸收和信号光子的发射来描述, 则有: sP s = P p um p,(1)p式中 P s、P p um p 分别为信号光增量和泵浦光的吸收量; s、p 分别为信号光和泵浦光频率; 为效率常数, 当它等于 1 时, 对应光放大器放大系统的量子极限。在理想分布式放大器中, 信 号在线路中保持不变, 其增益系统与光纤损耗系数相等。有 P s = P s 1 - e xp (- L ) 。P s为线路中的信号功率 (在理想分布式放大器中, 它是
8、一个固定值) , 为光纤损耗, L 为光纤长度。从 (1) 式可求得泵浦光在线路中的吸收值。再考虑光纤的损耗, 在理想分布式放大器内,任一点的泵浦光表达式为 p P p um p (L ) = P 0 exp (- L ) -P s 1 -e xp (- L ) ,(2)sP 0 为当L = 0 时的泵浦光功率。对于一个固定的 P 0 ,随着L 的增加,P p um p 减小到不能保持掺铒光纤对信号的放大时, 此时的距离就是这一泵浦功率的最大泵浦距离。从粒子数反转的角度, 求得该放大器的增益表达式:G = s sc (1 + R s )N 2 - R sN to t =(3)式中 N to t
9、 为粒子总数; N 2 为上能级粒子数; sc 为信号光的吸收截面; s 为信号光和光纤的耦合效率; R s、R p 分别为信号光和泵浦光的吸收截面比和发射截面的比。将N 2 的表达式用N to t表示: N to t (L ) (R pW p + R sW s ) N 2 (L ) =(1 + R s )W s + (1 + R p )W p + (1)(4)(P s + P - SE +A P + SE )P p um pAW s = s scW p = p p c,h Ah pAs从 (3)、 (4) 式可得到:G = s sc ( 1 + R s ) (R pW p + R sW s
10、) R s N to t = (5)+ (1) -(1 + R Ws )+ (1 + R)Wspp忽略放大的自发辐射噪声的影响, 从以上可以求出理想分布式光纤放大器的浓度分布的表达式: P s s (sc + sa ) s + P p um p (L ) p (p a +p c ) p + (hA ) N to t (L ) =(6) (s sc p a - sa p c p P p um p L p -)( )hA ( ) sa式中 P p um p (L ) 由 (2) 式给出。这样,就得到了正向泵浦的理想分布放大器的浓度分布曲线。由于在理想分布式放大器中, 信号强度在整个线路中 保持不变
11、。在忽略放大的自发辐射噪声 的 情 况 下, 反向泵浦情况与正向泵浦一样, 上式同样可表达反 向泵浦情况。此结果和数值计算结果的比较如图 1 所示。从 (6) 式中可以看到, 理想的分布式放大器的浓度分布与信号光强度、泵浦光强度及光纤损耗均有关系, 对于一个实际的传输线路, 一旦铺设完成, 其浓度的变化曲线就固定了。在这种情况下, 信号光 强度的变化必然引起对泵浦光要求的改变。人们所 关心的是: 此时理想分布式放大器是否还能保持其F ig. 1 D op ed co ncen t ra t io n and p um ppow e r aga in st th e d istance, w i
12、th th e idea l D ED FA理想放大的特点? 对信号的变化对泵浦光的要求又是怎样?由于信号光变化 P s 和泵浦光变化 P p um p 所引起的在L 处理想掺杂浓度的变化 N to t (L )可由下面的表达式表达:N to t (L , P s , P p um p ) = N (L , P s + P s , P p um p + P p um p ) - N (L , P s , P p um p )(7)当理想的情况下,有 N to t (L , P s , P p um p ) =0。就是说信号和泵浦光的变化正好相互补偿, 对掺杂浓度的影响为 0。则从 (7) 式可
13、得到满足这种情况下的 P s 和 P p um p 的关系式。由于该表达式过于烦琐, 本文对于一些参数 ( 信号和泵浦光波长、掺铒光纤在信号和泵浦光 波长处的吸收和发射截面、普朗克常数) 用数值代入, 最后的表达式为:1. 4035 108A p 1 -L ) - 2. 1478 108A s + 4. 5707s p P 0e xp (-P p um p P s(8)(1. 3401 108A+ 4. 5707 P ) exps s p (- L )对于现有的商用光纤参数, P s 为 1 mW 左右, P p um p 为 100 mW 左右, L 50 km 。对上式进行计算, 当信号光
14、和泵浦光的变化满足 ( 8) 式的情况 下, 在 L 点处, 掺杂浓度可以保持不变。但从 (8) 式中可以知道,由于表达式中含有L 。当 P s、 P p um p 取为某一值量, 在整个放大器中不可能处处满足理想放大的条件, 此时的信号会发生起伏。但从计算中可以发现, 由于信号的变化引起的对掺杂浓度的改变随传输距离的增加而增加。所以取最远距离对泵浦功率和信号功率进行优化, 可以使不同的信号引起的对浓度曲线要求改变最小。但这个公式中所含的泵浦效率 并不是一个常 数, 在掺铒光纤参数确定时, 它随泵浦功率和信号功率F ig. 2 C u rve s o f th e p um p ing eff ic iencya t d iffe rence signa l pow e r
