1 引言
高速數(shù)據(jù)通信和高質(zhì)量視頻通信以及多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展使得長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)容量成倍增長(zhǎng),，波分復(fù)用技術(shù)(WDM)的逐漸商用和EDFA 的應(yīng)用使光纖的通信速率從原來的10Gb/s達(dá)到了Tb/s,。繼續(xù)增加復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)目(全波段波長(zhǎng)放大),，是對(duì)光纖放大器提出的新要求,。喇曼光纖放大器（FRA）因其全波段放大特性,、可利用傳輸光纖在線放大特性以及優(yōu)良的噪聲特性,，再次成為光纖通信系統(tǒng)中研究的熱點(diǎn),。
2 EDFA與FRA性能對(duì)比
2.1 EDFA性能分析2.1.1 飽和增益性能
EDFA采用摻鉺離子單模光纖作為增益介質(zhì),，在增益介質(zhì)吸收波長(zhǎng)上提供泵浦,，形成激光放大的條件。利用980nm和14
80nm附近的半導(dǎo)體激光器可以有效泵浦EDFA,，僅用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得30～40dB的高增益放大,。通過改變其摻雜元素，可以進(jìn)一步使增益譜的平坦度和譜寬得到改善?，F(xiàn)在EDFA在C波段主要是通過摻入鋁,、L波段是通過摻入碲化物來拓寬和均衡其譜寬特性。
通過理論模型求出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差及泵浦功率,，就可得到增益系數(shù),，通過在整個(gè)摻鉺光纖放大器長(zhǎng)度上進(jìn)行積分，即可求出光纖放大器的增益,。由于泵浦功率沿光纖變化,，所以各處的增益系數(shù)是不同的，增益必須在整個(gè)光纖上積分得到,，因此通過選擇光纖長(zhǎng)度可以得到較為平坦的增益,。
圖1為EDFA小信號(hào)增益G與泵浦功率 PP及摻鉺光纖放大器長(zhǎng)度L的關(guān)系曲線。增益系數(shù)隨著放大器的長(zhǎng)度存在一個(gè)最佳值,，超過這個(gè)值后,，放大器的增益反而因?yàn)楣饫w的衰減損耗而減小。
在光纖長(zhǎng)度一定時(shí),，并不是泵浦功率越大,，增益系數(shù)越大，而是存在一個(gè)飽和值,，超過它,，增益系數(shù)將不再會(huì)增大。因此在給定摻鉺光纖的情況下,，應(yīng)選合適的泵浦功率和光纖長(zhǎng)度,，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(圖2)。
2.1.2 噪聲特性
噪聲系數(shù)Fn定義為,，噪聲系數(shù)用來描述放大器對(duì)信噪比的惡化程度,，噪聲系數(shù)越小，輸出的信噪比越高,。
EDFA的噪聲系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差DN 有關(guān),，泵浦越充分，DN越大,，噪聲越小,，強(qiáng)泵浦下的三能級(jí)系統(tǒng)即為EDFA的極限噪聲指數(shù),。
2.2 FRA性能分析 2.2.1 飽和增益性能
對(duì)光纖受激喇曼散射（SRS）的研究發(fā)現(xiàn),，石英光纖具有很寬的喇曼增益譜（達(dá)40THz）,。如果頻率為 wP泵浦光和wS的信號(hào)光（信號(hào)光波長(zhǎng)在泵浦光的喇曼增益帶寬內(nèi)）通過波長(zhǎng)選擇耦合輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí),，泵浦光的能量通過SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光,，使光信號(hào)得到放大，泵浦光和信號(hào)光可分別在光纖的兩端輸入,，在反向傳輸?shù)倪^程中同樣能實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的放大,。
對(duì)于FRA，當(dāng)信號(hào)功率增大,，而泵浦功率轉(zhuǎn)移給信號(hào)而產(chǎn)生的消耗不可忽略時(shí),，泵浦功率在傳輸過程不斷衰減，信號(hào)光的放大速率受到限制,，放大過程就會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,。假定衰減系數(shù)aS ＝aP，可得到飽和增益的近似表達(dá)式為
式中 ,；GA為小信號(hào)增益系數(shù),。隨著r0（即P S(0)）增大，增益將呈現(xiàn)飽和特性,。當(dāng)G Ar0≈1時(shí),，增益降到原來的一半。這時(shí)信號(hào)功率已接近輸入泵浦功率,，可用輸入泵浦功率代表FRA的飽和輸出功率,。
2.2.2 噪聲特性
光纖喇曼放大器通常分為兩類：分立式和分布式（DRA）。由于DRA是分布式獲得增益的過程,，其等效噪聲比分立式放大器的要小,，集中噪聲指數(shù)可小于3dB，甚至可以是負(fù)值,。當(dāng)它為負(fù)值時(shí),，相當(dāng)于提高輸入信號(hào)的信噪比，這樣就可以降低輸入信號(hào)的功率或者增加波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸距離,。所以DRA輔助傳輸對(duì)WDM系統(tǒng)性能的提升具有非常重要的作用,。已有系統(tǒng)表明，即使對(duì)于效果最差的1530nm信道,，系統(tǒng)的信噪比也能提升4.5~6.5dB,，等效噪聲指數(shù)Fn能夠到達(dá)5.9~8.9dB。
2.3 性能對(duì)比
EDFA的特點(diǎn)：工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致,，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用,；耦合效率高，易于光纖耦合連接,，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起,，損耗可降至0.1dB,，熔接反射損耗也很小，不易自激,；增益高,，輸出功率大，增益可達(dá)40dB,，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dBm,，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17~20dBm，噪聲系數(shù)可
低至 3~4dB,，串話也很小,。EDFA也有缺陷，如波長(zhǎng)固定只能放大1.55mm左右的光波,，光纖換用不同的介質(zhì)時(shí),，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限,；增益帶寬不平坦,，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。
FRA的特點(diǎn)：增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定,，理論上能得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大,，應(yīng)用當(dāng)中，它不僅能工作在EDFA常使用的C波段,，而且也能工作在較短的S波段（1350~1450nm）和較長(zhǎng)的L波段（1564~1620nm）,，完全滿足全波光纖對(duì)工作窗口的要求；增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身如DRA,，沿傳輸光纖分布式放大,，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響,，這一點(diǎn)與EDFA相比優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)明顯,；噪聲指數(shù)低，提升原系統(tǒng)的信噪比,，DRA與EDFA組合使用可明顯提高長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)的總增益,，降低系統(tǒng)總噪聲指數(shù)，提高系統(tǒng)Q值,，從而提高系統(tǒng)可傳輸?shù)淖畲缶嚯x,；增益譜比較寬，在普通DSF上單波長(zhǎng)泵浦可實(shí)現(xiàn)40nm范圍的有效增益,，如果采用多個(gè)泵浦源,，則易于實(shí)現(xiàn)寬帶放大。FRA的主要缺陷為：喇曼所需要的泵浦光功率高,，分立式要用幾瓦到幾十瓦,，分布式要用到幾百毫瓦,；作用距離太長(zhǎng)，分布式作用距離為幾十到上百公里,，增益只有幾到十幾個(gè)dB，這就決定了它只能適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)的低噪聲放大,。
3 EDFA與FRA在DWDM系統(tǒng)中的
應(yīng)用
3.1 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用
EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長(zhǎng)中繼距離,，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合使用時(shí)(主要應(yīng)用于C，L波段),，可實(shí)現(xiàn)超大容量,、超長(zhǎng)距離的傳輸。目前,，EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用已比較成熟,，在C波段可實(shí)現(xiàn)16，32或更多波長(zhǎng)系統(tǒng)的放大,。EDFA的應(yīng)用形式主要有前置放大器,、發(fā)射機(jī)功率放大器和光中繼器。圖3給出了EDFA在 DWDM系統(tǒng)中的使用形式,。 將EDFA接在光發(fā)射機(jī)的輸出端（功率放大）,，提高輸出功率，增加入纖功率,，由于EDFA 低噪聲的特性,，將它用作接收機(jī)前置放大器，可大大提高接收機(jī)靈敏度,。
3.2 FRA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.2.1 分立式喇曼放大器
分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短,，泵浦功率要求幾瓦到幾十瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益,，像EDFA一樣可用來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行集中放大,，因此主要用于EDFA無法放大的波段。1999年,，歐洲光通信會(huì)議上,，斯坦福大學(xué)的研究人員公布了他們進(jìn)行分立式喇曼放大的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出,，色散補(bǔ)償型光纖（DSF）是得到高質(zhì)量分立式喇曼放大的最佳選擇,。如圖4的配置（DCF與普通光纖1∶7，泵浦功率500mW）,，可實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行系統(tǒng)色散補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益,、低噪聲的放大。
3.2.2 分布式喇曼放大器
DWDM系統(tǒng)的傳輸性能受光纖的非線性影響,， DRA采用傳輸光纖作為光放大媒介,，能降低光纖的輸入功率,，隨之降低FWM、交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng),，避免四波混頻效應(yīng),，DRA允許使用靠近光纖的零色散點(diǎn)窗口，即擴(kuò)大了光纖的可用窗口,。
采用DRA技術(shù)的傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖5所示,，在WDM系統(tǒng)的每個(gè)再生段內(nèi)，在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵浦,，信號(hào)將會(huì)沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式喇曼放大,，從目前的技術(shù)看來也只有喇曼放大技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)光傳輸過程中的分布式放大。
（1）DRA在DSF DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用
圖6為NTT 的DRA DWDM傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),。實(shí)驗(yàn)距離為80×8km,，傳輸容量為32×10Gb/s，信道間隔為50GHz,。波長(zhǎng)范圍從1545.3~1557.8nm,，采用陣列波導(dǎo)型光柵（AWG）匯集比特流，采用色散補(bǔ)償光纖糾正比特流波形,。系統(tǒng)由一條80km長(zhǎng)的環(huán)形DSF,，EDFA，DRA式泵浦源LD以及增益均衡器（EQ）等組成,。
圖7顯示了該實(shí)驗(yàn)的喇曼增益與EDFA增益,。喇曼增益是采用雙向泵浦進(jìn)行的，后向泵浦高于前向泵浦以抑制光纖非線性效應(yīng),，前向泵浦用來提高喇曼增益的平坦度,。EDFA的增益可壓制自激輻射噪聲。實(shí)驗(yàn)表明,，經(jīng)過8段80km的傳輸,，所有信道誤碼率均達(dá)到10 -9。
（2）DRA用于1.6Tb/s DWDM系統(tǒng)
Lucent與Bell Labs聯(lián)合采用40Gb/s OTDM以及喇曼放大技術(shù)進(jìn)行了40×40Gb/s（1.6Tb/s）數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn),。該實(shí)驗(yàn)的傳輸距離是400km,，分成4 段100km的光纖，高于其他商用長(zhǎng)距離系統(tǒng)所采用的80km的放大距離,，可兼容目前的商用網(wǎng)絡(luò),。
該系統(tǒng)運(yùn)行在C波段，如在L波段運(yùn)行還可提高傳輸容量,。該系統(tǒng)使用的OTDM系統(tǒng)是世界上第一種可在一條信道中傳輸40Gb/s的傳輸產(chǎn)品,。
4 結(jié)束語(yǔ)
近幾年來，EDFA取代傳統(tǒng)的光-電-光中繼方式，成功推動(dòng)了WDM系統(tǒng)的發(fā)展,，EDFA實(shí)現(xiàn)了在一根光纖中多路光信號(hào)同時(shí)放大,，同時(shí)可與光纖實(shí)現(xiàn)良好的耦合，具有高增益低噪聲等優(yōu)點(diǎn),。光纖喇曼放大器由于自身低噪聲,、全波段放大和可利用傳輸光纖作在線放大等優(yōu)點(diǎn)，與EDFA結(jié)合使用能夠繼續(xù)推動(dòng)WDM系統(tǒng)的發(fā)展,，因此在最近幾年受到廣泛關(guān)注,。尤其是DRA技術(shù)，已成為下一代光纖WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),。
DRA具有明顯的“跨距延伸”作用，可使光再生段傳輸更趨向透明,?？祵幑就ㄟ^實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)2.5倍的跨距是可能的,。DRA技術(shù)還可提高 WDM系統(tǒng)的譜利用率,，這是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)到40Gb/s所必需的技術(shù)。它還允許系統(tǒng)通過加密信道間隔,，提高光纖傳輸?shù)膹?fù)用程度和傳輸容量,，可做到信道間隔由100GHz升級(jí)到50GHz而無任何附加代價(jià)。如采用雙向喇曼泵浦,，還可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸跨距,。在下一代光纖WDM系統(tǒng)中，光纖喇曼放大技術(shù)必將發(fā)揮出更大的作用,。