刘海锋 万崑

(1．增城市职业技术学校 电子汽修部，广东增城 511300;2．华南师范大学 物理电信工程学院，广州 510006)

光网络长途传输系统可以分为以下三种:一是常规长距离传输，指电中继段长度在640 km以下的系统;二是亚超长距离传输，指电中继段长度在640 km至2 000 km的系统;三是超长距离传输(ULH)，指电中继段长度在2 000 km以上的系统。采用超长距离传输技术，可以显著提高光纤传输的无电再生中继单跨长度和总传输距离，因此大量节约昂贵的光电转换再生器，价格上表现为为获得相同容量－跨距积所需的投资金额将随着传输系统跨距的延长可显著降低。

1 拉曼放大器技术

在超长距离传输系统中，拉曼放大器技术是非常瞩目的光传输技术，可以放大掺饵光纤放大器不能放大的波段，并利用普通光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比。拉曼放大器利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。对于超长距离系统来说，利用拉曼放大器可以提高系统的光信噪比，增加系统跨距长度，提高波分复用系统的通路数和抑制光纤非线性效应。

1.1 拉曼放大器工作原理［1］

光纤拉曼放大器是非线性光纤光学的重要应用。研究发现，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射(SRS)增益谱，并在13 THz附近有一较宽的主峰，如图1所示。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦波的拉曼增益带宽内，泵浦光光子释放其自身的能量，释放出基于信号光波长的光子，将其能量叠加在信号光上，弱信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器 (FRA)。

当散射介质的分子具有分立的本征能级结构，而单色输入光的频率γ与分子任何一个共振吸收频率都不等时，分子本身不能对入射光子产生真正的共振吸收，但能对入射光产生散射作用，如图2和图3所示。

设散射分子的两个最低能级分别为a和c，能量间隔为hΔγ，在入射光作用下，原处于较低能级a上的分子在散射后先跃迁到一个中间状态 (虚能级)之上，然后又跃迁返回至另一个较高能级c，分子内能增加，而散射光子的频率则向低频方向移动了Δγ，这种过程产生的散射光称为斯托克斯光。与此类似，散射光称为反斯托克斯光，其特点是散射分子回到了较低能级，内能减少，而散射光子的频率向高频方向移动了Δγ。由量子电动力学理论可得到光强为Ⅰ(γ，0)的入射光在光纤中传输距离z后，受激散射光的光强Ⅰ(γ，z)为:

图1 拉曼增益谱曲线

图2 下移拉曼散射

图3 上移拉曼散射

式中gR称为斯托克斯拉曼散射增益因子，即

可见，受激拉曼散射的增益因子与散射过程初始能级上的分子密度N0、分子微分截面σ和总泵浦光强Ⅰ0的乘积成正比，而与受激拉曼散射谱线宽度Δγ成反比。

基于受激拉曼散射机制，一个入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移部分能量，产生另一个低频光子，称为斯托克斯频移光，而剩余的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γR=γP-γs由分子振动能级决定，其值决定了SRS的频率范围，对非晶态石英光纤，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可在较宽的频差γP-γs范围 (40 THz)内通过SRS实现信号光的放大，光增益系数g=gRⅠP，ⅠP为泵浦光强度，由泵浦功率PP决定，gR为拉曼增益系数。

在拉曼放大过程中，信号光通过SRS增益从泵浦光得到能量而被放大，同时又被光纤吸收而衰减;而泵浦光通过SRS过程将能量转移给信号光而衰减，同时亦被光纤吸收而衰减，这两种过程同时存在。在连续波情况下，泵浦波和斯托克斯波的相互作用过程可用下列耦合方程来分析:

式中，ap和as分别为泵浦光和信号光的横截面，αp和αs分别为泵浦波长和信号波长处的光纤损耗，γp和γs分别为泵浦光和信号光频率，Pp和Ps分别为泵浦光和信号光功率。

1.2 拉曼放大器在光网络中的应用及优点［2］

拉曼放大器可以提供单一简化的放大平台来满足长距离传输的需要。目前在工程中采用的基本都是分布式拉曼放大器 (DRA)，主要辅助掺饵光纤放大器 (EDFA)用于提高波分复用系统的性能，抑制非线性效应，提高信噪比，采用分布式拉曼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噪比。图4是分布式拉曼放大辅助传输系统的典型结构，采用后向传输的拉曼泵浦与掺饵光纤放大器结合组成混合放大器。拉曼泵浦光在密集波分复用 (WDM)系统的每个传输段 (Span)的末端注入光纤，并于信号传输方向相反，以传输光纤为增益介质，对信号进行分布式放大。采用后向拉曼放大的原因是在传输Span的末端的信号光功率微弱，不会因为拉曼放大而引起附加的光纤非线性效应。分布式拉曼放大器作为预放，在接收机或EDFA之前，以提高传输系统的光信噪比，增加传输跨距 (Span)长度。在长距离传输光纤中，信号被分布式放大，接受端信号的信噪比得到改善。

图4 采用分布式拉曼辅助传输的WDM系统

拉曼放大器具有许多的优点:第一，拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，并可在1 292～1 660 nm光谱范围内进行光放大，获得比EDFA宽的多的增益带宽，拉曼放大器和EDFA结合使用，可以获得大于100 nm增益平坦宽带。第二，拉曼放大增益波长由泵浦波长决定，只要泵浦源波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大，将拉曼放大器和EDFA结合使用混合放大，可以在很宽的范围内保证群信号的平坦性，利用拉曼增益的可调节性，弥补EDFA放大的不平坦性。第三，分布式拉曼放大器对信号光进行在线放大，而且光放大沿着光纤分布而不是集中作用，因此光纤的输入光功率大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少。第四，一般EDFA的噪声系数为5～7 dB，拉曼放大器由于是分布式，等效噪声系数很小，一般为－2～1 dB。采用拉曼放大器后可以减少光放大器噪声系数3～4 dB左右，即光放大器噪声从6 dB降低到3 dB以下，噪声基底明显下降，因此利用拉曼放大与EDFA混合放大，光信噪比提高4 dB左右。

2 拉曼放大器的应用仿真试验

仿真时为了简化设计，在以下的试验中光纤参数如表1所示［3］

表1 光纤模型的主要参数

拉曼放大器可以辅助EDFA用于提高波分复用系统的性能，采用后向泵浦的分布式拉曼放大器可大大降低信号入射功率，抑制非线性效应，保持信号适当的信噪比［4］。

下面通过仿真来研究拉曼放大器实际在波分复用系统中对网络系统性能的提升作用。

一个8波复用的光系统，信号在传输100 km后，质量已经严重劣化，单波信号的光功率、信噪比、眼图质量以及误码率已不能达到信号传输的要求，具体见图5中所示。

为解决信号的传输质量下降，可以在接收端进行光信号放大，以使信号质量得到改善［5］。

1)直接在接收端分波器前使用拉曼放大器对传送信号进行放大。接收信号光谱、信号眼图及误码分析如图6所示。从仿真结果可以看出，分波器接收端单波信号光功率得到提高，同时仍然保持了一定的信噪比，眼图质量明显改善，信号误码率从未使用拉曼放大器之前的1.01×10－9明显改善到1.22×10－73。

2)在接收端分波器之前使用EDFA对信号进行放大，接收信号光谱、信号眼图及误码分析如图7所示。通过仿真结果可以看出，由于采用EDFA放大光信号，分波器接收端单波信号的光功、信号眼图质量和误码率得到进一步的改善。

图5 信号传输质量分析

图6 采用拉曼放大器对信号的改善

图7 采用EDFA对信号的改善

3)在接收端分波器之前使用拉曼放大器辅助EDFA对信号进行放大，接收信号光谱、信号眼图及误码分析如图8所示。从仿真结果对比可以看到，由于使用拉曼放大器，混合放大器的增益平坦度得到改善，接收信号信噪比与单独使用EDFA改善4 dB左右，接收信号眼图及误码率进一步提升。

图8 采用拉曼放大器辅助EDFA对信号的改善

3 结语

通过仿真分析可以看出，光信号经过长距离传输后，质量劣化需要进行信号放大以改善信号，使得在接收端能仍正确的判决信号，准确地恢复出发送端信号。由于引入放大器，即引入了放大器噪声，接收信号信噪比有所下降，但由于拉曼放大器的良好工作，在保持信噪比只下降4dB左右的同时，单路光信号功率提升10dB左右，以保证在接收端可以更好的进行信号判决，最终改善了信号误码率，实现光网络的长距离传输。对比接收端单独采用EDFA放大器和采用拉曼放大器混合放大，由于后向泵浦分布式拉曼放大的工作，改善了放大器的增益平坦度，降低了混合放大器的噪声系数，可以更好的改善网络性能，也就是更加利于光信号的超长距离传输。

［1］王艳芬．光纤喇曼放大器的特性及其在WDM系统中的应用研究［D］．成都:电子科技大学，2005．

［2］龚倩，徐荣，叶小华，等．高速超长距离光传输技术［M］．北京:人民邮电出版社，2005．

［3］Kun Wan，Hua xiao．Simulation and Analysis of Optical Network Based on ULH WDM［C］．Recenet Advances in Computer Science and Information Engineering Volume 4，Springer－Verlag Berlin and Heidelberg GmbH ＆ Co．K，Zhihong qiao，2012:487－494．

［4］谷坊祝，张斌．超长距离无中继光传输技术的应用［J］．电力系统通信，2007，28(179):36－39．

［5］范文文．基于拉曼放大的千里传输系统［D］．北京:北京邮电大学电子工程学院电子科学与技术专业，2012－12．