分布式拉曼光纤放大器的应用

摘要　随着社会的发展，人们对信息的依赖越来越严重，信息传输的需求急剧膨胀，大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的简单传输距离，已经成为光纤通信领域的热点。在这种背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪声和几乎无限的带宽特性而得到广泛关注。本文介绍了拉曼光纤放大器的基本概念，重点分析了拉曼光纤放大器的应用前景和存在的问题。

1  拉曼放大器介绍

1.1  拉曼放大

当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度较高。这样，当两个恰好频率间隔为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，其能量转移到低频段上，这就是受激拉曼散射（SRS）。

光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱，且在13THz附近有一个较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱（见图1）范围内，则弱信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。

图1  光纤中的受激拉曼增益谱

1.2  拉曼放大器的类型

（1）集总式拉曼放大器，即放大过程发生在含有掺铒光纤的封闭模块中。主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段（图2中的绿色曲线）。

图2  分布式/集总式光放大器的比较

（2）分步式拉曼放大器。拉曼泵浦位于每级跨距的末端，泵浦方向与信号的传输方向相反（图2中的蓝色曲线）。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速发展。

1.3  拉曼放大（DRA）增益谱的调整

拉曼增益谱的形状依赖于泵浦波长，最大增益波长比泵浦波长高100nm左右。这种特性使得在具有可用泵浦波长的条件下，放大任何波长区间的光信号成为可能。通过使用不同的泵浦波长组合可以在一个很宽的波长区间获得平坦的增益谱型（见图3）。

图3  使用多泵浦波长获得平坦的宽带增益谱

1.4  拉曼泵浦模块

图4中的绿色框图部分是一个为后向泵浦配置应用的拉曼泵浦激光器模块示意图。在这种配置中，DRA一般和系统的EDFA联合使用，用作EDFA的前级放大器（Pre-amplifier）。这就是大家熟知的RAMAN/EDFA混合放大器。

图4  简化的后向泵浦的拉曼放大器应用框图

图5表示的是采用某个拉曼泵浦模块在G.652光纤中的测试结果，包括增益谱及噪声指数（NF）随泵浦功率变化的情况。从图5中可以看出，在C-BAND范围，增益可以达到14dB以上，增益平坦度可以控制在1dB以内。

2  分布式拉曼放大器（DRA）的应用

掺铒光纤放大器是一种成熟、可靠、经济有效的技术，在光网络中的广泛应用已经超过10年。虽然分布式拉曼放大器在很多应用方面可以弥补EDFA的不足，但是也要考虑DRA应用中的各种挑战。

（1）激光安全。由于向传输光纤引入了高的泵浦功率，需要关注激光功率安全问题。

（2）端面清洁。为了防止光连接器的损伤、烧毁，影响系统性能，端面的清洁非常重要。

（3）拉曼增益对传输光纤的特性敏感，例如光纤类型、光纤衰耗系数等。

（4）投入成本与运营成本的考虑。

因此，在讨论DRA的应用时，应主要考虑体现其重要价值和优越性的应用，而不是使用传统EDFA产品技术也可以满足的应用。广泛地说，DRA的应用可以分为无法在线路中间放大的长距离光纤通信线路的连接和LH，ULH高容量、长距离传输系统中的应用。

2.1  单跨段长距离的通信线路

对于2个相距遥远的无法在线路中间使用EDFA等中继设备的通信站点而言，选择使用分布式拉曼放大器产品是必须的，如海缆通信链路，偏远无人区站点间的通信链路，不便设立中继站点或中级放大器的通信链路。

一般来说，如果光纤线路距离小于160km，在线路两端使用传统的EDFA即可，对于更长距离的线路，需要考虑使用分布式拉曼放大器（DRA）。图6进一步说明了这个问题。从图6可以看出，在不同的拉曼增益下OSNR与链路损耗的关系。假定每个通道的发送光功率为8dBm，前置EDFA的噪声指数为5dB；同时假定系统容量较低，通道数较少，不考虑色散及非线性效应引起的通道代价，使用10dB增益的DRA，可以容许线路损耗增加5dB，使用14dB增益的DRA，可以容许线路损耗增加到6.3dB。对于10Gbit/s的通道，如果使用FEC(前向纠错)，在无误码的条件下，容许的传输光纤线路损耗达到52dB，相应的光纤线路长度约为250km。

图6  不同DRA增益下的OSNR//链路损耗关系曲线

2.2  多级跨距中的长跨距连接

DRA的另一个重要应用是多跨距线路，其中一个或多个跨距的长度或损耗高于其他跨距。估计有20%的区域、长距或超长距离传输线路可以借助于DRA。图7表示的是跨距末端的OSN随其中的较长跨距损耗变化的曲线。曲线表明，对其中损耗为40dB的2个跨距线路，使用DRA可以使系统的OSNR改善2dB。除了改善OSNR，DRA还允许使用原先标准的EDFA线路放大器（EDFA-LA）。使用之前的假定为，一个典型的增益可调EDFA具有一定的动态增益调节范围，例如14～26dB。因此，使用14dB的DRA，并使EDFA工作在26dB增益处，可以为线路信号提供40dB的增益。

图7  在使用DRA和不使用DRA条件下的OSNR与长跨距损耗的关系曲线

2.3  高容量长距离ULH系统

ULH传输需求的主要背后驱动因素是光网络向动态可配置全光网络的发展。在这种光网络中，会用到可充配置分插/复用模块（ROADM）和交叉连接器（OCX），表明所有的光通道应该能够穿越传输距离很长的光网络。

图8a表示的是计算系统的OSNR与跨距数量的关系，分为使用DRA和不使用DRA的情况。图中曲线表明，DRA显著提升ULH系统的传输距离，容许传输4000km或更远。光载噪比OSNR改善5~7dB，有利于增加通道数而提高系统容量。例如，在C-BAND内，通过将通道发送功率降低3dB，将通道数从40提高到80，使用DRA，由于OSNR的改善，可以很容易实现通道扩展的应用。以上结果显示了DRA是如何增加ULH系统的传送距离及容量。另一方面，由采用DRA改善的载噪比可使传送跨距增加，减少了总的中继放大站点的数量，减少了总的系统成本。

图8a  在使用和不使用DRA的条件下ULH系统的OSNR与跨距数目的关系曲线

图8b表示的是针对2500km的ULH系统计算的OSNR与跨距的关系。假定的条件同上，光纤损耗以0.2dB/km计，每个跨距的连接/熔接损耗保留为2dB。结果表明，使用DRA能使跨距增加50％，相当于跨距数可减少35％。考虑到各方面的综合因素，对于LH和ULH系统，实际的最大平均跨距长度是100～120km。

图8b  在使用和不使用DRA的条件下2500km ULH系统的OSNR与距离的关系曲线

3  拉曼放大（DRA）的应用注意事项

3.1  激光安全

激光安全是光传输系统的一个关键问题，当由于意外原因使得光连接器开路或光纤线路故障时，要求与传输相关的所有激光器和发射机的功率应降低到安全水平值以下。使用DRA的传输系统与传统的采用EDFA的系统在两方面有主要区别：

（1）拉曼泵浦模块的输出功率比EDFA系统的典型功率水平高很多，高于指定的激光辐射安全水平。

（2）分布式拉曼放大器DRA沿传输光纤产生自发辐射噪声（ASE），即使中间光纤发生断裂故障，ASE功率仍沿着系统方向传输，这使得EDFA系统经常使用的输入无光关断的控制方式在此不太适用。为了解决这个问题，需要准确判断线路情况及线路有效信号功率，方法包括泵浦反射监测，OSC信道功率监测，带外ASE功率监测等方式。通过这些机制，可以提供拉曼放大器放大效率及其他重要的诊断信息，实现拉曼泵浦模块的自动关泵功能。

3.2  拉曼增益与传输光纤特性的相关性

拉曼放大器的增益介质即是传输光缆，因此传输光缆的种类及质量对拉曼放大器的性能有很大影响。在给定的泵浦条件下，获得的拉曼增益及拉曼增益谱的形状与传输光纤的类型密切相关。现在中国境内铺设的光缆主要是G.652和G.655，也有少数地方存在G.653光纤。由于各种传输光纤的数值孔径不同，制造工艺不同，其作为增益光纤的增益特性、噪声特性也不一样。在G.652和G.655光纤中，G.655光纤的增益较大，色散受限小，而G.652光纤则增益较小，但是噪声特性相对较好，适于长距离无电中继传输。而G.653光纤由于其较小的模场直径及色散系数，导致其非线性系数较高，因此光缆中存在强烈的四波混频，交叉相位调制及受激拉曼散射等非线性效应。引入拉曼放大器，能够有效减小G.653光纤的入纤功率，优化系统性能。

4  结束语

光纤拉曼放大器由于具有极宽的增益带宽，极低的噪声系数，在未来超大容量高速传输系统中有着广泛的应用。目前，世界正进入全光网络建设的高峰，分布式拉曼放大器DRA的使用为光网络的设计提供了重要的选项，是某些应用传统EDFA无法解决的应用成为可能，这些应用包括超长单跨距光传输线路，包含长跨距的多跨距传输线路，增加ULH系统的传输容量。考虑到与DRA相关的应用问题及投入成本的增加，需要区分在什么应用情况DRA具有真正的优势，需要采取有效的措施解决DRA应用中的问题。