浅析拉曼放大器对ＷＤＭ系统性能的影响

　　 摘 要：介绍了目前在光通讯领域有很大发展前景的光纤拉曼放大器(RFA)的基本工作原理，以及它在WDM系统中的应用和所存在的一些问题。
　　关键词：光纤通信；光纤拉曼放大器；WDM
　　
　　1 拉曼放大器工作原理及分类
　　
　　(1)受激拉曼散射(SRS)。受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。
　　(2)光纤拉曼放大器工作原理。光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光即得到放大。RFA 中一个入射泵浦光子通过光纤非线性散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余能量被介质以分子振动(光学声子) 的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移Vr=Vp-Vs由分子振动能级决定，其值决定了SRS 的频率范围，其中Vp是泵浦光的频率，Vs是信号光的频率。对非晶态石英光纤来说，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可在较宽频差Vp-Vs范围(40THz)内通过SRS实现信号光的放大。
　　(3)拉曼放大器的分类。光纤拉曼放大器分为两类：集中式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。分布式拉曼放大器可对光信号进行在线放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。分布拉曼放大技术自1999年成功的用于DWDM传输系统，就再次受到广泛关注，成为超长距离全光传输中的重要技术。
　　
　　2 拉曼放大器在WDM系统中的影响
　　
　　分布式拉曼放大器对超长距离全光WDM传输中通道数增加、传输速率提高以及系统性能的改善起着非常重要的作用：(1) DWDM系统中，传输容量和复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起非线性效应也越来越强，严重的限制了传输距离。由于分布式拉曼放大器的放大作用是沿光纤分布的，而不是集中作用的，使得光纤中各处的信号光功率都较小，可降低非线性效应特别是四波混频效应的干扰。(2) 分布式拉曼放大器由于光纤本身既是增益媒质，又是传输媒质，光纤既存在损耗，又产生增益，增益可补偿损耗，因此，采用分布式拉曼放大器可降低信号的入射功率，同时保证适当的光信噪比(OSNR)，入射功率降低了，也可有效地抑制非线性效应。(3) 拉曼放大器增益波长由泵浦光波长决定 ，使用多个泵浦源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽。(4)拉曼放大器辅助传输可提高信噪比，信噪比的提高是实现超长距离的关键。采用拉曼辅助传输后，OSNR提高了4.7dB。分布式拉曼放大器与EDFA混合使用能有效地降低系统传输跨距的噪声。(5) 用分布式拉曼放大器可直接提高Q因子值。分布拉曼不但使系统的Q值升高了，还使得最佳入射信号光功率降低了许多，这对降低光纤非线性对信号的串扰有非常积极的作用。
3 光纤拉曼放大器的应用与进展
　　
　　目前，分布式光纤拉曼放大器进展很快，国外很多长距离、超大容量的密集波分复用光通讯系统(DWDM) 所使用的光放大器大多是分布式光纤拉曼放大器，这不仅可以充分利用光纤资源，降低成本，而且可以降低增益介质中的光密度，以便减少由于非线性效应产生的四波混频、信道间串扰所引起的系统性能劣化。但拉曼放大器的增益较低(实际线路中使用时不超过16dB)，而EDFA虽然噪声指数上不如拉曼放大器，但小信号增益可以超过30dB，因此将拉曼放大器与EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。
　　
　　4 目前所面临的问题
　　
　　在深入研究FRA的过程中，泵浦源的选择与配置、噪声的控制等都是急待解决的问题。其中，光纤的色散特性会引起传输中的前后码产生干扰，即码间干扰，限制了传输码速率和传输距离。针对目前传输线路上铺设的G652单模光纤所存在的色散较大的问题，可以将DCF光纤作为G652光纤的色散补偿和色散斜率补偿部分，组成补偿型FRA。
　　除了复杂的、高难度的工程设计以外，为了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器经常会使用超过1W(>30dBm)的放大器。因此，光传输系统对拉曼放大器附近的光纤连接头与光纤镕接点的质量有很高的要求，以尽量减少反射与损耗对拉曼增益机制的副作用。同时为了防止高能量激光对工程维护人员可能造成的伤害，自动光功率关闭(ALS)与人员特别培训都是不可或缺的。再者，拉曼放大技术虽然提高了信噪比，但是它不能完全解决全光传输的问题。