C波段集中式光纖喇曼放大器的研究

在PTDS仿真平臺(tái)上，對(duì)C波段集中式光纖喇曼放大器特性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)參數(shù)得到優(yōu)化的集中式光纖喇曼放大器，并對(duì)摻鉺光纖放大器和光纖喇曼放大器在改善10 Gb/s系統(tǒng)性能方面作了比較。結(jié)果表明光纖喇曼放大器的性能優(yōu)于摻鉺光纖放大器。
關(guān) 鍵 詞 波分復(fù)用； 摻鉺光纖放大器； 集中式光纖喇曼放大器； 誤碼率

在過(guò)去的10年中，摻鉺光纖放大器(EDFA)取代了傳統(tǒng)的光-電-光中繼方式，實(shí)現(xiàn)了一根光纖中多路光信號(hào)的同時(shí)放大，大大降低了光中繼的成本，同時(shí)EDFA可與傳輸光纖實(shí)現(xiàn)良好耦合，具有高增益大輸出功率的優(yōu)點(diǎn)[1]，因此成功地應(yīng)用于波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)中，極大地增加了光纖中傳輸?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>信息容量和傳輸距離[2]。但是，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其他新的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，進(jìn)一步提高光纖傳輸系統(tǒng)容量已經(jīng)成為光纖通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3]。解決這個(gè)問(wèn)題有以下三種方案：增加每個(gè)信道的傳輸速率；進(jìn)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(lái)色散補(bǔ)償問(wèn)題，這里既有普通的色散又有偏振模式色散（PMD），同時(shí)電子器件還存在“電子瓶頸”問(wèn)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(lái)四波混頻(FWM)等非線性效應(yīng)，要求系統(tǒng)采取措施控制波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。故兩種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)都有一定的難度，所以更加關(guān)注第三種方案。由于受能級(jí)躍遷機(jī)制所限，EDFA一般工作在1 550 nm窗口，不能很好地開(kāi)發(fā)整個(gè)光纖低損耗區(qū)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(yōu)點(diǎn)，能很好地開(kāi)發(fā)整個(gè)光纖低損耗區(qū)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(gè)光纖通信系統(tǒng)的通信容量和系統(tǒng)性能，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)在整個(gè)光纖低損耗區(qū)的放大，從而大大提高帶寬利用率，適應(yīng)信息容量的進(jìn)一步增加。本文在PTDS仿真平臺(tái)上研究了FRA的特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一個(gè)參數(shù)得到優(yōu)化的FRA，對(duì)EDFA和FRA在改善10 Gb/s系統(tǒng)性能上作一比較，從而可以看出FRA的優(yōu)點(diǎn)所在。
1 PTDS仿真平臺(tái)及仿真系統(tǒng)
PTDS是Virtual Photonics Incorporated(VPI)公司在Photonic Design Automation(PDA)光子自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而來(lái)的具有綜合設(shè)計(jì)環(huán)境的光子傳輸設(shè)計(jì)套件。它提供了模塊化的仿真工具，將光纖通信系統(tǒng)中從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的抽象成一個(gè)個(gè)的模塊，同時(shí)提供了一套邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算工具，可以實(shí)現(xiàn)電域和光域的邏輯變換。本實(shí)驗(yàn)所用仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源(SIGNAL)發(fā)出的信號(hào)光經(jīng)環(huán)形控制(LOOP)后進(jìn)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(bǔ)償光纖(DCF)和FRA。FRA與LOOP相連，通過(guò)它可控制光波傳輸距離。光波經(jīng)過(guò)3周傳輸后，經(jīng)LOOP輸出進(jìn)入PIN光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到的電信號(hào)再經(jīng)過(guò)濾波，時(shí)鐘提取得到信息。SMF的色散系數(shù)為16×10－6 s/m2，DCF的色散系數(shù)為－90×10－6 s/m2，兩者的有效模場(chǎng)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(yàn)中的信號(hào)光頻率均設(shè)計(jì)在該頻率附近。在以下仿真試驗(yàn)中，設(shè)信號(hào)光功率都為1 mW，以降低由于信號(hào)光所導(dǎo)致的非線性效應(yīng)。FRA用作集中式放大器時(shí)，其長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)采用后向泵浦方式，泵浦功率一般設(shè)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(zhǎng)度、信號(hào)功率及信號(hào)頻率的關(guān)系
經(jīng)仿真研究，在考慮后向瑞利散射、自發(fā)喇曼散射、自相位調(diào)制、泵浦光源和信號(hào)源噪聲以及其他一些隨機(jī)噪聲的情況下，F(xiàn)RA泵浦功率在1～2 W，F(xiàn)RA長(zhǎng)度在1～2 km，信號(hào)功率在1～10 mW范圍內(nèi)變化時(shí)，OSNR幾乎不隨泵浦功率、FRA長(zhǎng)度、信號(hào)功率及信號(hào)頻率的變化而變化。造成這種情況的主要原因有：1）強(qiáng)泵浦光使受激喇曼散射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自發(fā)喇曼散射，從而可以認(rèn)為通過(guò)該放大器所產(chǎn)生的自發(fā)喇曼散射噪聲能忽略不計(jì)；2）很強(qiáng)的泵浦功率對(duì)于極短的光纖可認(rèn)為不變，信號(hào)和噪聲功率經(jīng)過(guò)該放大器放大同等倍數(shù)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(yōu)化參數(shù)時(shí)僅考慮對(duì)增益的影響。
2.2 喇曼增益與泵浦功率、FRA長(zhǎng)度、信號(hào)功率及信號(hào)頻率的關(guān)系
圖2和圖3給出了FRA增益G隨后向泵浦功率P和FRA長(zhǎng)度L的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，喇曼增益隨后向泵浦功率和FRA長(zhǎng)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(zhǎng)的光纖。喇曼增益隨信號(hào)功率S的變化關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中可以看出，增益隨信號(hào)功率的增加而單調(diào)增加，當(dāng)信號(hào)功率較小(1～4 mW)時(shí)，增益增加較迅速，當(dāng)信號(hào)功率繼續(xù)增加時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)增益隨信號(hào)功率線性增加區(qū)域(6～8 mW)，但增加已經(jīng)不如前一段迅速了，當(dāng)信號(hào)功率再進(jìn)一步增加時(shí)增益增加得更緩慢，此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入了增益飽和區(qū)。FRA的增益隨信號(hào)頻率F的變化關(guān)系曲線如圖5所示。在193 THz處，F(xiàn)RA增益有一極大值，在191～193 THz內(nèi)，增益隨信號(hào)頻率的增加而單調(diào)增加，在193～196 THz內(nèi)，增益隨信號(hào)頻率的增加而單調(diào)降低，F(xiàn)RA的這種增益分布在很大程度上由泵浦功率和泵浦波長(zhǎng)決定。
2.3 系統(tǒng)BER與SMF長(zhǎng)度的關(guān)系
系統(tǒng)BER與SMF長(zhǎng)度D之間的關(guān)系在單信道系統(tǒng)和多信道系統(tǒng)中的情況各不相同，因此應(yīng)分別進(jìn)行研究，在本實(shí)驗(yàn)中，不失一般性選擇16路DWDM系統(tǒng)作為多信道系統(tǒng)。在單信道系統(tǒng)中，信號(hào)頻率為193.1 THz，信道速率為10 Gb/s，信號(hào)功率為4 mW。圖6給出了系統(tǒng)BER隨SMF長(zhǎng)度的變化關(guān)系曲線。從圖中可以清楚看到，BER在單模光纖長(zhǎng)度為60 km時(shí)，還保持了較小的值,但是隨著SMF長(zhǎng)度的增加，光信噪比開(kāi)始惡化，致使系統(tǒng)BER增加。在16 路DWDM系統(tǒng)中，16 路信號(hào)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(hào)功率為0.5 mW。圖7 給出了系統(tǒng)BER隨SMF長(zhǎng)度D的變化關(guān)系曲線。從圖中可以清楚看到，BER在SMF長(zhǎng)度為49.4 km時(shí)，還保持了較小的值，但是隨著SMF長(zhǎng)度的增加，光信噪比開(kāi)始惡化，致使系統(tǒng)BER增加。