放大器介紹

1.1拉曼放大

當(dāng)一定強(qiáng)度的光入射到光纖中時(shí)會(huì)引起光纖材料的分子振動(dòng)，進(jìn)而調(diào)制入射光強(qiáng)，產(chǎn)生間隔恰好為分子振動(dòng)頻率的邊帶。低頻邊帶稱斯托克斯線，高頻邊帶稱反斯托克斯線，前者強(qiáng)度較高。這樣，當(dāng)兩個(gè)恰好頻率間隔為斯托克斯頻率的光波同時(shí)入射到光纖時(shí)，低頻波將獲得光增益，高頻波將衰減，其能量轉(zhuǎn)移到低頻段上，這就是受激拉曼散射（SRS）。

拉曼光纖放大器是SRS的一個(gè)重要應(yīng)用。由于石英光纖具有很寬的SRS增益譜，且在13THz附近有一個(gè)較寬的主峰。如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)的泵浦波在光纖中同時(shí)傳輸，并且它們的頻率之差處在光纖的拉曼增益譜（見圖1）范圍內(nèi)，則弱信號(hào)光即可得到放大，這種基于SRS機(jī)制的光纖放大器稱為光纖拉曼放大器。

圖1光纖中的受激拉曼增益譜

1.2拉曼放大器的類型

（1）集總式拉曼放大器，即放大過程發(fā)生在含有摻鉺光纖的封閉模塊中。主要作為高增益、高功率放大，可放大EDFA所無法放大的波段（圖2中的綠色曲線）。

圖2分布式/集總式光放大器的比較

（2）分步式拉曼放大器。拉曼泵浦位于每級(jí)跨距的末端，泵浦方向與信號(hào)的傳輸方向相反（圖2中的藍(lán)色曲線）。采用分布式拉曼光纖放大輔助傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)信噪比（OSNR）。這種分布式拉曼放大技術(shù)由于系統(tǒng)傳輸容量提升的需要而得到快速發(fā)展。

1.3拉曼放大（DRA）增益譜的調(diào)整

拉曼增益譜的形狀依賴于泵浦波長(zhǎng)，最大增益波長(zhǎng)比泵浦波長(zhǎng)高100nm左右。這種特性使得在具有可用泵浦波長(zhǎng)的條件下，放大任何波長(zhǎng)區(qū)間的光信號(hào)成為可能。通過使用不同的泵浦波長(zhǎng)組合可以在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)區(qū)間獲得平坦的增益譜型（見圖3）。

圖3使用多泵浦波長(zhǎng)獲得平坦的寬帶增益譜

1.4拉曼泵浦模塊

圖4中的綠色框圖部分是一個(gè)為后向泵浦配置應(yīng)用的拉曼泵浦激光器模塊示意圖。在這種配置中，DRA一般和系統(tǒng)的EDFA聯(lián)合使用，用作EDFA的前級(jí)放大器（Pre-amplifier）。這就是大家熟知的RAMAN/EDFA混合放大器。

圖4簡(jiǎn)化的后向泵浦的拉曼放大器應(yīng)用框圖

圖5表示的是采用某個(gè)拉曼泵浦模塊在G.652光纖中的測(cè)試結(jié)果，包括增益譜及噪聲指數(shù)（NF）隨泵浦功率變化的情況。從圖5中可以看出，在C-BAND范圍，增益可以達(dá)到14dB以上，增益平坦度可以控制在1dB以內(nèi)。

2分布式拉曼放大器（DRA）的應(yīng)用

摻鉺光纖放大器是一種成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，在光網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過10年。雖然分布式拉曼放大器在很多應(yīng)用方面可以彌補(bǔ)EDFA的不足，但是也要考慮DRA應(yīng)用中的各種挑戰(zhàn)。

（1）激光安全。由于向傳輸光纖引入了高的泵浦功率，需要關(guān)注激光功率安全問題。

（2）端面清潔。為了防止光連接器的損傷、燒毀，影響系統(tǒng)性能，端面的清潔非常重要。

（3）拉曼增益對(duì)傳輸光纖的特性敏感，例如光纖類型、光纖衰耗系數(shù)等。

（4）投入成本與運(yùn)營(yíng)成本的考慮。

因此，在討論DRA的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)主要考慮體現(xiàn)其重要價(jià)值和優(yōu)越性的應(yīng)用，而不是使用傳統(tǒng)EDFA產(chǎn)品技術(shù)也可以滿足的應(yīng)用。廣泛地說，DRA的應(yīng)用可以分為無法在線路中間放大的長(zhǎng)距離光纖通信線路的連接和LH，ULH高容量、長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1單跨段長(zhǎng)距離的通信線路

對(duì)于2個(gè)相距遙遠(yuǎn)的無法在線路中間使用EDFA等中繼設(shè)備的通信站點(diǎn)而言，選擇使用分布式拉曼放大器產(chǎn)品是必須的，如海纜通信鏈路，偏遠(yuǎn)無人區(qū)站點(diǎn)間的通信鏈路，不便設(shè)立中繼站點(diǎn)或中級(jí)放大器的通信鏈路。

一般來說，如果光纖線路距離小于160km，在線路兩端使用傳統(tǒng)的EDFA即可，對(duì)于更長(zhǎng)距離的線路，需要考慮使用分布式拉曼放大器（DRA）。圖6進(jìn)一步說明了這個(gè)問題。從圖6可以看出，在不同的拉曼增益下OSNR與鏈路損耗的關(guān)系。假定每個(gè)通道的發(fā)送光功率為8dBm，前置EDFA的噪聲指數(shù)為5dB；同時(shí)假定系統(tǒng)容量較低，通道數(shù)較少，不考慮色散及非線性效應(yīng)引起的通道代價(jià)，使用10dB增益的DRA，可以容許線路損耗增加5dB，使用14dB增益的DRA，可以容許線路損耗增加到6.3dB。對(duì)于10Gbit/s的通道，如果使用FEC(前向糾錯(cuò))，在無誤碼的條件下，容許的傳輸光纖線路損耗達(dá)到52dB，相應(yīng)的光纖線路長(zhǎng)度約為250km。

圖6不同DRA增益下的OSNR//鏈路損耗關(guān)系曲線

2.2多級(jí)跨距中的長(zhǎng)跨距連接

DRA的另一個(gè)重要應(yīng)用是多跨距線路，其中一個(gè)或多個(gè)跨距的長(zhǎng)度或損耗高于其他跨距。估計(jì)有20%的區(qū)域、長(zhǎng)距或超長(zhǎng)距離傳輸線路可以借助于DRA。圖7表示的是跨距末端的OSN隨其中的較長(zhǎng)跨距損耗變化的曲線。曲線表明，對(duì)其中損耗為40dB的2個(gè)跨距線路，使用DRA可以使系統(tǒng)的OSNR改善2dB。除了改善OSNR，DRA還允許使用原先標(biāo)準(zhǔn)的EDFA線路放大器（EDFA-LA）。使用之前的假定為，一個(gè)典型的增益可調(diào)EDFA具有一定的動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)范圍，例如14～26dB。因此，使用14dB的DRA，并使EDFA工作在26dB增益處，可以為線路信號(hào)提供40dB的增益。