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1、波分复用系统中的拉曼放大设计指南 Extract from: Translate by: Allan定义光纤拉曼放大器基于光学中的非线性效应受激拉曼散射（SRS），当适当波长的泵浦光以一定功率进入光纤后，光纤中信号将被放大。综述本指南将给出复杂的波分复用（WDM）系统中使用拉曼放大技术的介绍。首先将介绍传统的波分复用系统，由此预测今后可能会出现的问题，介绍拉曼放大器能够起到的作用。然后，将讨论有关SRS中的一些现象和一个中继器的设计。最后，将以几个具体的系统的例子来示范拉曼放大技术的典型应用。1. 传统的WDM系统一个典型的点-点的WDM系统结构中包含以下大部分要素：l 若干光发射机l 一个
2、光复用器l 传输用光线，如标准的单模光纤（SSMF）l 光放大器，通常为EDFAsl 色散补偿设备，如色散补偿光纤（DCF）或,啁啾布拉格光纤光栅（FGBs）l 一个光解复用器l 若干光接收器Figure 1示意了一个这样的WDM系统。 Figure 1. 典型的WDM传输连接由INTERNET所带动的日益增加的服务需求给WDM系统的设计提出新的挑战。采用普通设计的系统将很快达到极限，新技术的采用越来越重要。另外，为实现应用导向的商业发展提出的需求目标，未来的系统必须具有较现在系统更高的标准，如： 通过增加信道传输率和信道数量来提高整个系统的数据传输能力 更长的无中继传输距离，以节省系统在ED
3、FAs上的开销 减少信号失真，使信号能在更长的全光连接中传输有一些新的设计使我们更加接近这些标准，包括以下： 新的传输窗口的开辟 新型的光放大器，能覆盖极宽的带宽范围从而增大系统的传输能力 双向WDM能够抑制光纤中的非线性线效应所有这些技术都会使用大量的模拟工具来模拟其中发生的物理现象和众多光学设备间的相互影响，从而得到对系统性能的总的影响。2. 拉曼放大器所能提供的帮助拉曼效应在光纤中建设性的应用刚刚兴起。拉曼放大器利用硅光纤中的内在属性来进行信号的放大。这就意味着光纤本身将成为放大器的一部分，因而在光纤内部将同时进行着光信号的放大和衰减。以此原理工作的拉曼放大器通常称为分布式拉曼放大器（D
4、RA, Distributed Raman Amplifier）。DRAs的光学原理是SRS。当足够强的短波长泵浦光以一定强度与信号光同时进入光纤后，信号在光纤中被放大。拉曼增益强度与泵浦光强和泵浦光与信号光的频率差有很大的关系。泵浦光子的能量产生了一个与信号光同频的光子和一个声子（vibration energy），如Figure 2.所示：Figure 2. SRS中的能级由于振动态（vibrational states）与基态（ground state）间的宽度很大，也就提供了多种增益的可能。这可由Figure 2.中的阴影区域看出。通常情况下，在泵浦光与信号光的波长相差100nm以内，
5、拉曼增益与该差值基本呈线性关系。随后随该差值快速减小。可用的增益带宽约为48nm。Figure 3. 典型的拉曼增益曲线 Vs. 波长差增益带宽的位置可以方便的通过调节泵浦波长来改变。因而拉曼放大器的放大能力可以覆盖整个光纤的通讯波长。它只依赖于特定波长的大功率泵浦光源。它的缺点是为得到理想的增益系数，它需要高功率的泵浦光。这同时提供了一个新的应用。利用拉曼放大部分的补偿光纤衰减来延长EDFA间的中继距离。拉曼泵浦光可以在EDFA处方便的加入。由于减少了EDFA的使用量，从而节省了开销，同时也降低了需要维护的EDFA点的数量。拉曼放大的另外一个应用是hybrid EDFA/Raman放大器，特
6、点是在一个很宽的带宽范围内提供平坦的增益。中继器中可以将EDFA中的非平坦增益用更加灵活的拉曼增益来进行补偿。这里可以使用多波长泵扑来“塑造”拉曼增益曲线使得刚好达到这个效果。同时，拉曼放大器本身可以用作放大器用于放大EDFA无法放大的区域。在宽频WDM中，一些频带使用常规的EDFA结构进行放大，而另一些利用拉曼效应和适当的泵浦波长。通过拉曼放大对现有的系统增加通讯窗口来升级也是一个很有吸引力的应用。3. EDFAs Vs. 拉曼放大器与EDFA相比，拉曼放大器具有很多优点，包括以下： 低噪声 设计简单，因为信号的放大在光纤内进行，不需要额外的传输介质 灵活的信号频率安排，由于拉曼增益依赖于泵
7、浦波长，而不是介质中的波长敏感物质，如掺铒光纤光纤中的掺杂物的辐射交叉区（emission cross-section of dopant）。 仔细设计的多波长泵浦可以提供很宽的增益区。尽管拉曼放大器由很多优点，它同时也会产生些不好的效应。例如，不仅仅是泵浦光，有些WDM信道都会给其它的信道提供能量进行放大。会导致信道间的串音而降低信号质量。这个现象在单向和双向WDM传输中都存在。因而为了更加准确的分析一个WDM系统，必须模拟所有的拉曼过程。另外，也必须同时考虑自发拉曼散射和反向瑞利散射。Table 1 给除了拉曼放大和EDFA的一些重要参数。应该注意到设计中它们两个的混合使用会发挥它们各自的
8、优势。 Table 1. 拉曼放大与EDFA的参数比较参 数EDFA拉曼放大器放大带决定于掺杂物质依赖于泵浦波长放大带宽20nm, 如增加需要光纤使用多掺杂质 48 nm, 如增加需要多泵浦光源增 益20 dB或更多，依赖于粒子集中程度，光纤长度和泵浦结构411 dB,与泵浦光强和有效光纤长度成正比饱和能量决定于增益系数和物质常量（material constants） 等于泵浦光能量泵浦波长980 nm 或 1480 nm 最大增益，100 nm 低于信号波长拉曼放大在拓扑结构上的设计易于掺铒光纤放大器，因为只要仔细设计，现有的光纤即可作为放大介质。但是，泵浦光强，波长，数量和分布将极大的决
9、定拉曼放大的增益和噪声。在设计分布式拉曼放大器时，相对于信号选择正向或反向放大是一个问题。由于它的若干优点，反向泵浦方案常常被采纳。如够采用正向泵浦，由于拉曼过程是瞬时发生，甭浦噪声将严重的对WDM信道产生影响。当拉曼泵浦波有轻微的功率波动，实际上也经常如此，个别的数据位放大将出现异常，导致放大过程的波动。如果采用反向放大，由于每个数据位会与几毫秒的泵浦光作用，拉曼泵浦功率的波动会被平均。Figure 4 为通常的反向泵浦DRA。 Figure 4. 数据与泵浦反向传输的反向泵普拉曼放大器混合（Hybrid，EDF和拉曼）放大在最近的设计中很成功的用于大容量高光信噪比（OSNR）的DWDM中，
10、或长放大距离的应用中，如架设光缆中。Figure 5 是混合EDF/拉曼放大的一个可行方案。EDFA设置在拉曼放大后很远的距离。Figure 5. 混合EDFA/拉曼放大在信号放大段内的光信号的光强分布于放大方案有很大关系，并可通过拉曼泵浦功率和泵浦方向来控制。Figure 6为不同混合EDFA/拉曼放大方案中信号光能量的分布。Figure 6. 基于EDFA放大的系统(1), 混合放大，拉曼放大只使用了反向放大(2), 混合放大，双向拉曼放大(3)通过仔细的选择泵浦光波长，传输光纤长度和种类，可以进行多种优化方案例如，通过频率相关的拉曼增益来实现整体增益的平坦。优化可以通过数字模拟来研究。4
11、. 宽带WDM传输中的拉曼放大下面我们将介绍一个超宽带WDM传输中使用拉曼放大器的例子，其中使用了多泵浦来实现增益平坦实现超过80nm的信号带宽，该设计是由Kidorf完成的。如前所述，通过对泵浦源的光强和波长的适当选择，我们可以在系统中实现宽带和增益平坦。Figure 7为一般设计结构的示意图。Figure 7. 宽带拉曼放大设计示意图在输入端输入了覆盖82nm的100路测试信号光，每一路的平均光功率均为-3dBm，光纤为60km的SSMF。光纤中的传输损耗全部由8个反向传输的拉曼放大器来进行补偿。在输出端，使用100个detectors来分别读取每路信号的增益，用来估价系统的拉曼增益响应。
12、Figure 8位输出端的光谱。增益波动在81nm的范围内小于2dB。应注意到还有很大的功率富余，我们可以同时在输出端引入一个增益平坦滤波器来达到增益波动小于0.5dB。Figure 8. 使用8个反向拉曼泵浦，在60kmSSMF传输后的光谱图8个拉曼泵浦的平均功率范围为19.5到21.5dBm。增益的平坦是通过对泵浦频率的仔细选择得到的。拉曼泵浦的波长在86nm内不均匀的分布，与WDM信号段的差值范围为77nm到163nm，如Figure 9所示。注意其中波长最短的4个泵浦的间距基本相同，其它4个的间距要大很多。直觉上，有两个原因会产生这样的间距分布。首先，拉曼增益响应非常不对称。在与信号光
13、的波长差小于100nm以内，几乎是一个线性增益过程，但增益峰后，迅速衰减（见Figure 3）。Figure 9. 反向输入（红色）和正向输出（蓝色）的8个拉曼泵浦的波长分布和能量变化第二，甭浦和泵浦间有着和强的相互作用，由于拉曼泵浦的间距跨度为86nm，相互之间的拉曼放大已经很严重。短波长的拉曼泵浦对于长波长的泵浦而言也可看作是放大器。Figure 10. 8个拉曼泵浦光在光纤中的传输Figure 10 为各各泵浦光沿光纤的光强分布。在光纤的尾端，泵浦的光强几乎相同，长波长的泵浦功率首先被短波长的泵浦放大。进而在光纤中降低。当短波长泵浦的光强由于对长波长泵浦光的放大和光纤的衰减而降低后，泵浦
14、间放大的作用减弱。由Figure 10我们可以得出，泵浦间的相互作用是不可以忽略不记的。5. 双向WDM系统中的拉曼放大本里将示范一个双向WDM信号传输系统及拉曼放大在该系统中对光纤衰减的补偿。Figure 11位系统设计示意图。Figure 11. 在使用C Band和L Band 的双向DWDM系统中应用混合EDF/拉曼放大技术在本系统的设计中，C band与L band的信号反向传输。光纤的衰减由分布拉曼放大器来部分的进行补偿。从而，对于C band和L band使用反向拉曼放大需要将相应的泵浦分别放置于L band 和C band 的发射机端。很明显，这个结构使用了双向泵浦。当为这样的
15、系统建立模型时，需要非常注意的是信号和泵浦间的能量交换过程（泵浦间，泵浦和信号间，信号和信号间）。简化会导致遗漏，例如，在这里泵浦间损耗（pump depletion）情况就不尽相同。只有当所有双向中的情况都予以考虑后，模型才会准确。典型的信号和泵浦的光谱如Figure 12所示。信号中的不平坦现象是由于拉曼的增益曲线造成的。可以通过在紧接EDFAs后放置增益平坦滤波器来修正。Figure 12. 传输光纤的输出光谱（双向）Figure 13显示了信号和泵浦在光纤内双向的传输。L-band信号反向在光纤远端（z=100km）处进入，明显的被同处进入光纤的反向的C-band泵浦光放大。同时，C-band的信号光在光纤近端（z=0km）进入，也被正向传输的L-band泵浦光放大。这种被foreign泵浦放大的情况之所以会出现是由于拉曼放大的带宽很宽。于是，信号在光纤线中被放大两次，一次是被相邻端点进入的foreign泵浦放大，另一次是被它输出端进入的本身的泵浦放大。这个例子同时也说明了建立正确的泵浦间相互作用模型的重要性。在光纤的远端，C-band的泵浦明显的放大了L-band
