FRA/EDFA混合放大器在WDM系统中的应用
发布时间：2003-09-24 19:53:53 热度：7836
张家红 黄光明 马虹 王新旗
（大唐电信光通信分公司 成都 610062）
摘要：本文简单介绍了喇曼光纤放大器的原理、特点和噪声性能，重点阐述了FRA/EDFA 混合放大器对光信噪比的提高及其应用于系统时应该考虑的问题。
关键词：喇曼光纤放大器（FRA） EDFA 混合放大器
前言
第一代WDM光传输系统（DWDM+EDFA）初步解决了传统电信业务大容量和远距离传输的基本问题，但最近几年来IP业务的迅猛发展，广大用户对带宽的要求日益迫切，宽带网的建设方兴未艾。而现有的第一代WDM无论其传输容量、对带宽的利用率、无电中继最大传输距离、网络的延伸扩展性等方面都无法满足日益增长的需求。EDFA的增益谱只能覆盖C波段(1529-1561nm)和L波段(1570-1610nm)。而石英单模光纤在1.55mm波段的低损耗窗口拥有几十THz的带宽，目前还远没有得到充分利用。如何有效提高现有光纤传输系统的传输速率和通道数以增加总容量、延长无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域新的研究热点。
目前，国外一些知名通信厂商已经在通信系统中采用喇曼光纤放大器来增加传输容量或者延长无中继传输距离，详情请见下表。不难看出：喇曼光纤放器已经成为超大容量超长距离光通信系统的一项关键技术，在C+L波段 FRA/EDFA混合放大器则是较为常用的解决方案。
公司 参考处 容量(Gb/s) 距离（Km） 主要技术
Fujitsu OFC’02 88*43 600 NRZ调制, 喇曼+EDFA混合放大，C+L波段
Lucent OFC’02 40*40 500 NRZ调制, 喇曼+EDFA混合放大，C波段
Cisco OFC’03 192*10 2400 全喇曼放大
OFS OFC’03 80*42.7 800 200nm带宽，全喇曼放大，
1 喇曼光纤放大器的原理和特点
喇曼光纤放大器是利用大功率下光纤中的受激喇曼散射效应来实现能量从高功率泵浦光到低功率信号光的转移，实现信号光的放大。从光与物质相互作用的量子理论来看，喇曼散射和放大过程是：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完
成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光[1]。
斯托克斯频移由分子振动能级决定，对于非晶态石英光纤，其分子振动能级融合在一起，形成一条能带，因此可在较宽的范围内通过受激喇曼散射实现光的放大。
光纤的典型喇曼增益谱如图1所示[1]。用光纤作为放大介质，喇曼增益具有很宽的频谱，在13.2THz附近有一个主峰。如果一个弱信号和强泵浦光同时传输，并且弱信号在放大频谱内，那么泵浦光转移一部分能量到信号光，从而实现信号放大，基于这种原理的放大器就是喇曼光纤放大器。
喇曼光纤放大器和掺铒光纤放大器相比至少具有以下几个方面的优势[2]：
◆增益谱灵活。增益谱不是由特定的掺杂元素决定，只要有合适的泵浦光源，光纤透明窗口内任何位置上的信号都可得到放大；
◆低噪声。和EDFA相比，FRA产生的噪声更小，可以得到更好的系统性能同时。因此可以利用FRA实现系统从2.5Gbit/s到10Gbit/s甚至40Gbit/s的平滑升级和实现超长段传输[3]。
2 喇曼光纤放大器分类和结构
喇曼光纤放大器可分为两类：分立式喇曼放大器和分布式喇曼放大器。前者所用的光纤增益介质比较短，一般在十公里以内，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。后者所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。
喇曼放大器按泵浦方式分三种结构：前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦。
前向泵浦是一种信号光和泵浦光以同一方向从光纤输入端注入的结构，也称同向泵浦。反向泵浦是一种信号光和泵浦光以相反方向注入光纤的结构。双向泵浦是前向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结构。
由于喇曼过程是瞬时发生，如果采用前向泵浦，泵浦噪声将严重的对WDM信道产生影响。当喇曼泵浦功率有轻微的功率波动，个别的数据位放大将出现异常，导致放大过程的波动。如果采用反向放大，喇曼泵浦功率的波动就会被平均[2]。
另外，采用后向泵浦的喇曼放大器的偏振态相关增益较小。文献[4]报道了Ericsson光网络实验室的研究结果：在后向泵浦喇曼放大器中，改变信号光的偏振态，信号光的最大最小增益差别较小，而前向喇曼放大器的信号最大最小增益差别较大。
3 喇曼光纤放大器的噪声性能
喇曼光纤放大器在输出端产生的噪声包括放大的自发辐射噪声（ASE）和双次瑞利散射噪声。我们知道非相干的自发辐射在传输光纤的任何一点都会产生，而且其中的一部分会被耦合进光波导，在传输的过程中不仅衰减还被泵浦光放大。因此，要想计算分布式喇曼放大器的ASE噪声，就必须先求出泵浦光的传输特性，从而得到光纤上每一点的喇曼增益。关于如何求ASE 噪声文献[7]已经有了说明，所以本文不做详细介绍而直接利用其结果。
在忽略信号光和噪声对泵浦光消耗的情况下，喇曼光纤放大器在输出端产生的单位频带ASE噪声光子数为：
其中K是偏振因子，当泵浦光偏振态完全混乱时取2，
分别是开关增益、光纤损耗系数和光纤长度。 ASE噪声光功率谱密度是：
公式2表示的ASE光在平方率接收机中与信号发生拍频，产生ASE噪声电流。在0码和1码时，这部分拍频噪声电流的功率[9]
其中
为接收机灵敏度，
为接收机电滤波器的带宽，
为进入接收机的信号平均光功率。在只考虑ASE噪声的时候，接收机的电信噪比：
根据文献[9]，瑞利噪声在0码和1码产生的拍频噪声电流功率是：
其中
。在只考虑DRB噪声的情况下接收机的电信噪比为：
下图给出光纤损耗分别为20和33dB时，只考虑ASE噪声和只考虑瑞利噪声时接收机的电信噪比和喇曼放大器开关增益的关系。
可以看出如果光纤长度一定，当开关增益小的时候，ASE噪声构成放大器噪声的主要成分，可以忽略瑞利噪声；当开关增益很大时，瑞利噪声急剧增加，有可能超过ASE噪声。当喇曼放大器增益小于15dB时可以不考虑瑞利噪声。
4 FRA/EDFA混合放大器对WDM系统光信噪比的改善
相对EDFA来说，喇曼光纤放大器（FRA）的泵浦效率要低得多，泵浦激光器成本也比较高，因此在实际应用中通常和EDFA级连使用。混合放大器的噪声指数主要由喇曼光纤放大器决定，输出功率主要由EDFA提供，从而以合理的成本获得较好的性能[7]。
图3是级连EDFA系统单段示意图，EDFA产生的单位频带内的噪声光子数[5]：
其中
是EDFA增益（等于级间损耗），L是光纤长度。在图4中
，
分别EDFA的增益和喇曼光纤放大器的开关增益。假定EDFA的自发翻转因子
不随增益变化，则级连FRA/EDFA输出的单位频带噪声光子数
。因此，在相同配置(相同传输信道、相同输入信号)情况下，使用FRA/EDFA 混合放大器与仅使用EDFA相比，在接收段可以提高光信噪比：
下图给出在相同配置情况下，
和喇曼放大器开关增益的曲线，其中级间损耗取30dB,自发辐射因子取2。
图5 不同增益时的
我们可以从上图得到结论：
◆随喇曼放大器开关增益增加而增加。这也是在光通信系统中使用喇曼光纤放大器能够延长无中继距离、提高光信噪比以及使系统平滑升级的原因所在。
◆随增益先近似线性增加而后趋于饱和。考虑到喇曼光纤放大器的泵浦成本较高，因此应在保证满足系统光信噪比的情况下尽量降低喇曼光纤放大器的增益，而完全用它取代EDFA并不经济。
下面举一个例子，分析 FRA/EDFA混合放大器对光信噪比的提高。图6给出的是级连EDFA系统框图，图7是级连FRA/EDFA系统框图。
该系统为32*10G WDM系统，在这里仅选取其中一个信道（192.9THz）进行光信噪比分析。同时为简化起见，我们假定图6和图7中相对应的EDFA具有相同的噪声系数。
具体参数如下：
在图7中，我们用喇曼光纤放大器承担部分 EDFA增益。下图给出喇曼光纤放大器增益分别为8、10、12、14，16 dB时各个EDFA输出端的光信噪比以及图6中各个EDFA输出端的光信噪比。
我们可以从上图清楚地看出输出端光信噪比随着喇曼光纤放大器增益的提高而增加，当喇曼光纤放大器的开关增益为8dB时，系统输出端光信噪比可以提高约4dB，达到26dB以上。对于该系统而言，即使没有FEC功能，光信噪比也完全可以满足系统正常运行的需要，因此再提高该系统中喇曼光纤放大器的增益也没有必要。
5 FRA/EDFA混合放大器在系统应用中应考虑的问题
作为一项新的技术应用于光通信系统，喇曼光纤放大器也给系统设计带来新的问题。
由于受激喇曼散射效率低，因此需要较高功率的泵浦源，这就要求链路中耦合器、连接头等光器件能够承受较高的光功率，同时很高的泵浦入纤光功率也会增加系统的维护难度。
对于采用混合放大器的WDM系统，当波长数目增加/减少或者线路出现变化时，涉及EDFA和喇曼放大器之间的增益均衡，因此二者的增益匹配和控制机制必须协调，这是一个有待研究的问题。另外，还必须考虑喇曼光纤放大器对传输光纤的适应性问题：比如当传输光纤的状况或者类型发生变化时，要求光放大器能够快速自动的调整各个泵浦光功率以保证设定增益，这就要求我们的控制模块智能化，这也是我们正在研究的问题。
6 结论
本文介绍了喇曼光纤放大器的ASE和瑞利噪声，重点阐述了FRA/EDFA混合放大器对光信噪比的提高，并给出具体例子加以说明。由于受激喇曼散射效率低，因此成本相对较高，这就决定了在现阶段它不会替代EDFA,而是和EDFA组成混合放大器，来提高信噪比，延长无中继距离。由于目前实用的WDM系统都在C Band，而L Band 的应用还没提上议程，因此宽带喇曼光纤放大器的应用还有待于市场的进一步推动。
参考文献
[1] Govind P.Agrawal Nonlinear fiber optics 第三版 第8章
Academic press,INC
[2] Raman amplification design in WDM systems， www.iec.org
[3] P.B. Hansen, L. Eskildsen, S.G. Grubb, A.J. Stentz, T.A. Strasser, J. Judkins,
J.J. DeMarco, R. Pedrazzani, and D.J. DiGiovanni, “Capacity upgrades of transmission
systems by Raman amplification”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp. 262–264,
Feb. 1997.
[4] Berntson A,Popov S. Vanin E,et al. “Polarisation dependence and gain tilt
of Raman amplifiers for WDM systems”[C]. OFC2001,MI2
[5] Giles C R,and Desurvire E. “Modeling Erbium-doped fiber amplifiers”
J.Lightwave Technoligy,1991,9(2):271-283.
[6] Vittorio Curri “System Advantages of Raman Amplifiers”.
Proc.NFOEC 2000 ,Paper B1.1
[7] Sihai Wang, Chongcheng Fan “Distributed fiber Raman amplifiers: analytical
expression of noise characteristics under complex conditions”, Optics Communications
198(2001) 65-70
[8] ChrisFludger,AndresMaroney and Nigel Jolley, An analysis of the improvements in
OSNR from distributed Raman amplifiers using modern transmission fibers.
FF2-2,OFC2002.
[9] 丁伟，多波长泵浦光纤拉曼放大器的研究，北京大学硕士研究生论文
（大唐电信光通信分公司 成都 610062）
摘要：本文简单介绍了喇曼光纤放大器的原理、特点和噪声性能，重点阐述了FRA/EDFA 混合放大器对光信噪比的提高及其应用于系统时应该考虑的问题。
关键词：喇曼光纤放大器（FRA） EDFA 混合放大器
前言
第一代WDM光传输系统（DWDM+EDFA）初步解决了传统电信业务大容量和远距离传输的基本问题，但最近几年来IP业务的迅猛发展，广大用户对带宽的要求日益迫切，宽带网的建设方兴未艾。而现有的第一代WDM无论其传输容量、对带宽的利用率、无电中继最大传输距离、网络的延伸扩展性等方面都无法满足日益增长的需求。EDFA的增益谱只能覆盖C波段(1529-1561nm)和L波段(1570-1610nm)。而石英单模光纤在1.55mm波段的低损耗窗口拥有几十THz的带宽，目前还远没有得到充分利用。如何有效提高现有光纤传输系统的传输速率和通道数以增加总容量、延长无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域新的研究热点。
目前，国外一些知名通信厂商已经在通信系统中采用喇曼光纤放大器来增加传输容量或者延长无中继传输距离，详情请见下表。不难看出：喇曼光纤放器已经成为超大容量超长距离光通信系统的一项关键技术，在C+L波段 FRA/EDFA混合放大器则是较为常用的解决方案。
公司 参考处 容量(Gb/s) 距离（Km） 主要技术
Fujitsu OFC’02 88*43 600 NRZ调制, 喇曼+EDFA混合放大，C+L波段
Lucent OFC’02 40*40 500 NRZ调制, 喇曼+EDFA混合放大，C波段
Cisco OFC’03 192*10 2400 全喇曼放大
OFS OFC’03 80*42.7 800 200nm带宽，全喇曼放大，
1 喇曼光纤放大器的原理和特点
喇曼光纤放大器是利用大功率下光纤中的受激喇曼散射效应来实现能量从高功率泵浦光到低功率信号光的转移，实现信号光的放大。从光与物质相互作用的量子理论来看，喇曼散射和放大过程是：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完
成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光[1]。
斯托克斯频移由分子振动能级决定，对于非晶态石英光纤，其分子振动能级融合在一起，形成一条能带，因此可在较宽的范围内通过受激喇曼散射实现光的放大。
光纤的典型喇曼增益谱如图1所示[1]。用光纤作为放大介质，喇曼增益具有很宽的频谱，在13.2THz附近有一个主峰。如果一个弱信号和强泵浦光同时传输，并且弱信号在放大频谱内，那么泵浦光转移一部分能量到信号光，从而实现信号放大，基于这种原理的放大器就是喇曼光纤放大器。
喇曼光纤放大器和掺铒光纤放大器相比至少具有以下几个方面的优势[2]：
◆增益谱灵活。增益谱不是由特定的掺杂元素决定，只要有合适的泵浦光源，光纤透明窗口内任何位置上的信号都可得到放大；
◆低噪声。和EDFA相比，FRA产生的噪声更小，可以得到更好的系统性能同时。因此可以利用FRA实现系统从2.5Gbit/s到10Gbit/s甚至40Gbit/s的平滑升级和实现超长段传输[3]。
2 喇曼光纤放大器分类和结构
喇曼光纤放大器可分为两类：分立式喇曼放大器和分布式喇曼放大器。前者所用的光纤增益介质比较短，一般在十公里以内，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。后者所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。
喇曼放大器按泵浦方式分三种结构：前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦。
前向泵浦是一种信号光和泵浦光以同一方向从光纤输入端注入的结构，也称同向泵浦。反向泵浦是一种信号光和泵浦光以相反方向注入光纤的结构。双向泵浦是前向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结构。
由于喇曼过程是瞬时发生，如果采用前向泵浦，泵浦噪声将严重的对WDM信道产生影响。当喇曼泵浦功率有轻微的功率波动，个别的数据位放大将出现异常，导致放大过程的波动。如果采用反向放大，喇曼泵浦功率的波动就会被平均[2]。
另外，采用后向泵浦的喇曼放大器的偏振态相关增益较小。文献[4]报道了Ericsson光网络实验室的研究结果：在后向泵浦喇曼放大器中，改变信号光的偏振态，信号光的最大最小增益差别较小，而前向喇曼放大器的信号最大最小增益差别较大。
3 喇曼光纤放大器的噪声性能
喇曼光纤放大器在输出端产生的噪声包括放大的自发辐射噪声（ASE）和双次瑞利散射噪声。我们知道非相干的自发辐射在传输光纤的任何一点都会产生，而且其中的一部分会被耦合进光波导，在传输的过程中不仅衰减还被泵浦光放大。因此，要想计算分布式喇曼放大器的ASE噪声，就必须先求出泵浦光的传输特性，从而得到光纤上每一点的喇曼增益。关于如何求ASE 噪声文献[7]已经有了说明，所以本文不做详细介绍而直接利用其结果。
在忽略信号光和噪声对泵浦光消耗的情况下，喇曼光纤放大器在输出端产生的单位频带ASE噪声光子数为：
其中K是偏振因子，当泵浦光偏振态完全混乱时取2，
分别是开关增益、光纤损耗系数和光纤长度。 ASE噪声光功率谱密度是：
公式2表示的ASE光在平方率接收机中与信号发生拍频，产生ASE噪声电流。在0码和1码时，这部分拍频噪声电流的功率[9]
其中
为接收机灵敏度，为接收机电滤波器的带宽，为进入接收机的信号平均光功率。在只考虑ASE噪声的时候，接收机的电信噪比：
根据文献[9]，瑞利噪声在0码和1码产生的拍频噪声电流功率是：
其中
。在只考虑DRB噪声的情况下接收机的电信噪比为：
下图给出光纤损耗分别为20和33dB时，只考虑ASE噪声和只考虑瑞利噪声时接收机的电信噪比和喇曼放大器开关增益的关系。
可以看出如果光纤长度一定，当开关增益小的时候，ASE噪声构成放大器噪声的主要成分，可以忽略瑞利噪声；当开关增益很大时，瑞利噪声急剧增加，有可能超过ASE噪声。当喇曼放大器增益小于15dB时可以不考虑瑞利噪声。
4 FRA/EDFA混合放大器对WDM系统光信噪比的改善
相对EDFA来说，喇曼光纤放大器（FRA）的泵浦效率要低得多，泵浦激光器成本也比较高，因此在实际应用中通常和EDFA级连使用。混合放大器的噪声指数主要由喇曼光纤放大器决定，输出功率主要由EDFA提供，从而以合理的成本获得较好的性能[7]。
图3是级连EDFA系统单段示意图，EDFA产生的单位频带内的噪声光子数[5]：
其中
是EDFA增益（等于级间损耗），L是光纤长度。在图4中，分别EDFA的增益和喇曼光纤放大器的开关增益。假定EDFA的自发翻转因子不随增益变化，则级连FRA/EDFA输出的单位频带噪声光子数 。因此，在相同配置(相同传输信道、相同输入信号)情况下，使用FRA/EDFA 混合放大器与仅使用EDFA相比，在接收段可以提高光信噪比：
下图给出在相同配置情况下，
和喇曼放大器开关增益的曲线，其中级间损耗取30dB,自发辐射因子取2。
图5 不同增益时的
我们可以从上图得到结论：
◆
随喇曼放大器开关增益增加而增加。这也是在光通信系统中使用喇曼光纤放大器能够延长无中继距离、提高光信噪比以及使系统平滑升级的原因所在。
◆
随增益先近似线性增加而后趋于饱和。考虑到喇曼光纤放大器的泵浦成本较高，因此应在保证满足系统光信噪比的情况下尽量降低喇曼光纤放大器的增益，而完全用它取代EDFA并不经济。
下面举一个例子，分析 FRA/EDFA混合放大器对光信噪比的提高。图6给出的是级连EDFA系统框图，图7是级连FRA/EDFA系统框图。
该系统为32*10G WDM系统，在这里仅选取其中一个信道（192.9THz）进行光信噪比分析。同时为简化起见，我们假定图6和图7中相对应的EDFA具有相同的噪声系数。
具体参数如下：
在图7中，我们用喇曼光纤放大器承担部分 EDFA增益。下图给出喇曼光纤放大器增益分别为8、10、12、14，16 dB时各个EDFA输出端的光信噪比以及图6中各个EDFA输出端的光信噪比。
我们可以从上图清楚地看出输出端光信噪比随着喇曼光纤放大器增益的提高而增加，当喇曼光纤放大器的开关增益为8dB时，系统输出端光信噪比可以提高约4dB，达到26dB以上。对于该系统而言，即使没有FEC功能，光信噪比也完全可以满足系统正常运行的需要，因此再提高该系统中喇曼光纤放大器的增益也没有必要。
5 FRA/EDFA混合放大器在系统应用中应考虑的问题
作为一项新的技术应用于光通信系统，喇曼光纤放大器也给系统设计带来新的问题。
由于受激喇曼散射效率低，因此需要较高功率的泵浦源，这就要求链路中耦合器、连接头等光器件能够承受较高的光功率，同时很高的泵浦入纤光功率也会增加系统的维护难度。
对于采用混合放大器的WDM系统，当波长数目增加/减少或者线路出现变化时，涉及EDFA和喇曼放大器之间的增益均衡，因此二者的增益匹配和控制机制必须协调，这是一个有待研究的问题。另外，还必须考虑喇曼光纤放大器对传输光纤的适应性问题：比如当传输光纤的状况或者类型发生变化时，要求光放大器能够快速自动的调整各个泵浦光功率以保证设定增益，这就要求我们的控制模块智能化，这也是我们正在研究的问题。
6 结论
本文介绍了喇曼光纤放大器的ASE和瑞利噪声，重点阐述了FRA/EDFA混合放大器对光信噪比的提高，并给出具体例子加以说明。由于受激喇曼散射效率低，因此成本相对较高，这就决定了在现阶段它不会替代EDFA,而是和EDFA组成混合放大器，来提高信噪比，延长无中继距离。由于目前实用的WDM系统都在C Band，而L Band 的应用还没提上议程，因此宽带喇曼光纤放大器的应用还有待于市场的进一步推动。
参考文献
[1] Govind P.Agrawal Nonlinear fiber optics 第三版 第8章
Academic press,INC
[2] Raman amplification design in WDM systems， www.iec.org
[3] P.B. Hansen, L. Eskildsen, S.G. Grubb, A.J. Stentz, T.A. Strasser, J. Judkins,
J.J. DeMarco, R. Pedrazzani, and D.J. DiGiovanni, “Capacity upgrades of transmission
systems by Raman amplification”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, pp. 262–264,
Feb. 1997.
[4] Berntson A,Popov S. Vanin E,et al. “Polarisation dependence and gain tilt
of Raman amplifiers for WDM systems”[C]. OFC2001,MI2
[5] Giles C R,and Desurvire E. “Modeling Erbium-doped fiber amplifiers”
J.Lightwave Technoligy,1991,9(2):271-283.
[6] Vittorio Curri “System Advantages of Raman Amplifiers”.
Proc.NFOEC 2000 ,Paper B1.1
[7] Sihai Wang, Chongcheng Fan “Distributed fiber Raman amplifiers: analytical
expression of noise characteristics under complex conditions”, Optics Communications
198(2001) 65-70
[8] ChrisFludger,AndresMaroney and Nigel Jolley, An analysis of the improvements in
OSNR from distributed Raman amplifiers using modern transmission fibers.
FF2-2,OFC2002.
[9] 丁伟，多波长泵浦光纤拉曼放大器的研究，北京大学硕士研究生论文
