C波段集中式光纖喇曼放大器的研究

在PTDS仿真平臺上，對C波段集中式光纖喇曼放大器特性進行了仿真試驗，設計出一個參數得到優化的集中式光纖喇曼放大器，并對摻鉺光纖放大器和光纖喇曼放大器在改善10 Gb/s系統性能方面作了比較。結果表明光纖喇曼放大器的性能優于摻鉺光纖放大器。
關 鍵 詞 波分復用； 摻鉺光纖放大器； 集中式光纖喇曼放大器； 誤碼率

在過去的10年中，摻鉺光纖放大器(EDFA)取代了傳統的光-電-光中繼方式，實現了一根光纖中多路光信號的同時放大，大大降低了光中繼的成本，同時EDFA可與傳輸光纖實現良好耦合，具有高增益大輸出功率的優點[1]，因此成功地應用于波分復用(WDM)光通信系統中，極大地增加了光纖中傳輸的信息容量和傳輸距離[2]。但是，隨著計算機網絡及其他新的數據傳輸業務的飛速發展，進一步提高光纖傳輸系統容量已經成為光纖通信領域研究的熱點[3]。解決這個問題有以下三種方案：增加每個信道的傳輸速率；進一步減小信道間距；增加總的傳輸帶寬。采用第一種方案，例如從10 Gb/s提高到40 Gb/s將帶來色散補償問題，這里既有普通的色散又有偏振模式色散（PMD），同時電子器件還存在“電子瓶頸”問題。采用第二種方案，比如將信道間距從100 GHz降到50 GHz或更少將帶來四波混頻(FWM)等非線性效應，要求系統采取措施控制波長的穩定性。故兩種方案實現起來都有一定的難度，所以更加關注第三種方案。由于受能級躍遷機制所限，EDFA一般工作在1 550 nm窗口，不能很好地開發整個光纖低損耗區的帶寬資源，而且EDFA的光信噪比也不高。光纖喇曼放大器(FRA)由于其自身固有的全波段放大特性和利用傳輸光纖在線放大的優點，能很好地開發整個光纖低損耗區的帶寬資源，增加總的傳輸帶寬。如果采用集中式放大，還可以得到和EDFA幾乎相同的增益值，所以光纖喇曼放大器能很好地改善整個光纖通信系統的通信容量和系統性能，可以用來實現在整個光纖低損耗區的放大，從而大大提高帶寬利用率，適應信息容量的進一步增加。本文在PTDS仿真平臺上研究了FRA的特性進行研究，設計出一個參數得到優化的FRA，對EDFA和FRA在改善10 Gb/s系統性能上作一比較，從而可以看出FRA的優點所在。
1 PTDS仿真平臺及仿真系統
PTDS是Virtual Photonics Incorporated(VPI)公司在Photonic Design Automation(PDA)光子自動化設計工具基礎上開發而來的具有綜合設計環境的光子傳輸設計套件。它提供了模塊化的仿真工具，將光纖通信系統中從發射機到接收機的抽象成一個個的模塊，同時提供了一套邏輯運算和數學運算工具，可以實現電域和光域的邏輯變換。本實驗所用仿真系統的結構如圖1所示。光源(SIGNAL)發出的信號光經環形控制(LOOP)后進入光纖，光纖由三段組成，從左至右分別是傳輸光纖(SMF) 、色散補償光纖(DCF)和FRA。FRA與LOOP相連，通過它可控制光波傳輸距離。光波經過3周傳輸后，經LOOP輸出進入PIN光電二極管進行光電轉換，得到的電信號再經過濾波，時鐘提取得到信息。SMF的色散系數為16×10－6 s/m2，DCF的色散系數為－90×10－6 s/m2，兩者的有效模場面積均為80 μm2。由于193.1 THz附近光纖具有最小損耗，因此仿真試驗中的信號光頻率均設計在該頻率附近。在以下仿真試驗中，設信號光功率都為1 mW，以降低由于信號光所導致的非線性效應。FRA用作集中式放大器時，其長度約為1～2 km。由于后向泵浦的FRA比前向泵浦的FRA有更小的噪聲，故本實驗采用后向泵浦方式，泵浦功率一般設為1～2 W。

2 集中式FRA的特性仿真研究
2.1 OSNR與泵浦功率、FRA長度、信號功率及信號頻率的關系
經仿真研究，在考慮后向瑞利散射、自發喇曼散射、自相位調制、泵浦光源和信號源噪聲以及其他一些隨機噪聲的情況下，FRA泵浦功率在1～2 W，FRA長度在1～2 km，信號功率在1～10 mW范圍內變化時，OSNR幾乎不隨泵浦功率、FRA長度、信號功率及信號頻率的變化而變化。造成這種情況的主要原因有：1）強泵浦光使受激喇曼散射遠遠大于自發喇曼散射，從而可以認為通過該放大器所產生的自發喇曼散射噪聲能忽略不計；2）很強的泵浦功率對于極短的光纖可認為不變，信號和噪聲功率經過該放大器放大同等倍數而不引入其他附加噪聲；3）在C波段，光纖損耗差別不大，因此，在優化參數時僅考慮對增益的影響。
2.2 喇曼增益與泵浦功率、FRA長度、信號功率及信號頻率的關系
圖2和圖3給出了FRA增益G隨后向泵浦功率P和FRA長度L的變化關系曲線。從圖中可以看出，喇曼增益隨后向泵浦功率和FRA長度的增加而接近線性增加。因此，為了得到較大的增益須選擇較大的泵浦功率和較長的光纖。喇曼增益隨信號功率S的變化關系曲線如圖4所示。從圖中可以看出，增益隨信號功率的增加而單調增加，當信號功率較小(1～4 mW)時，增益增加較迅速，當信號功率繼續增加時，出現一個增益隨信號功率線性增加區域(6～8 mW)，但增加已經不如前一段迅速了，當信號功率再進一步增加時增益增加得更緩慢，此時已經進入了增益飽和區。FRA的增益隨信號頻率F的變化關系曲線如圖5所示。在193 THz處，FRA增益有一極大值，在191～193 THz內，增益隨信號頻率的增加而單調增加，在193～196 THz內，增益隨信號頻率的增加而單調降低，FRA的這種增益分布在很大程度上由泵浦功率和泵浦波長決定。
2.3 系統BER與SMF長度的關系
系統BER與SMF長度D之間的關系在單信道系統和多信道系統中的情況各不相同，因此應分別進行研究，在本實驗中，不失一般性選擇16路DWDM系統作為多信道系統。在單信道系統中，信號頻率為193.1 THz，信道速率為10 Gb/s，信號功率為4 mW。圖6給出了系統BER隨SMF長度的變化關系曲線。從圖中可以清楚看到，BER在單模光纖長度為60 km時，還保持了較小的值,但是隨著SMF長度的增加，光信噪比開始惡化，致使系統BER增加。在16 路DWDM系統中，16 路信號頻率范圍在192.725～193.475 THz，信道間隔為50 GHz，每信道速率為10 Gb/s，每信道信號功率為0.5 mW。圖7 給出了系統BER隨SMF長度D的變化關系曲線。從圖中可以清楚看到，BER在SMF長度為49.4 km時，還保持了較小的值，但是隨著SMF長度的增加，光信噪比開始惡化，致使系統BER增加。