多泵浦与光纤级联结合的宽带拉曼光纤放大器

巩稼民,张玉蓉,毛俊杰,田 宁,徐雨田,何佳蔓,尤晓磊

(西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西 西安 710121)

1 引 言

目前5G技术不断普及,未来光纤通信系统对通信带宽的要求更高,对传输容量的需求也急剧上升,光通信不断朝着“三超”[1]的全光网络[2]发展。拉曼光纤放大器(RFA)可放大任意波段的信号光,为实现宽带放大提供了保障,具有很好的应用前景。

同时更节约资源的微结构光纤可满足5G高密度组网的需求。1996年,英国南安普顿大学J.C.Knight首次提出了光子晶体光纤(PCF)[3],其具有单模传输特性、易控色散色散特性、高非线性等[3-5]特性。可通过调整包层中空气孔的大小、形状、数量及分布,改变包层折射率,设计成模场面积较小的微结构光纤,在非线性方面,光子晶体光纤可以提供比传统光纤高10～100倍的非线性增益系数。2009年,C.E.S.Castellani等人所设计的基于光子晶体光纤的多泵浦拉曼光纤放大器放大带宽为40 nm,平均增益为0.71 dB[6]； 2018年,李思平等人利用两泵浦和两段光子晶体光纤级联设计的RFA达到了61 nm的放大带宽,22.8 dB的平均增益,0.42 dB的增益平坦度[7]。可见之前的研究未在增益、带宽和增益平坦度三方面同时达到较高的水平。

本文采用多泵浦与光子晶体光纤级联技术相结合的方法,设计出一种宽带拉曼光纤放大器结构。选取四段材料相同的光子晶体光纤进行级联,实现两级接力式放大,在提高输出增益的同时降低增益平坦度,并且在第一级放大中加入多泵浦技术,达到扩大放大带宽的目的。对拉曼增益谱进行线性拟合,推导出多泵浦和光纤级联相结合的拉曼光纤放大器增益平坦输出的约束表达式,最后分析了泵浦光和光纤长度对拉曼光纤放大器的性能影响。

2 基本原理

2.1 拉曼基本放大原理

在忽略瑞利散射以及自发辐射的稳态情况下,考虑了泵浦光与泵浦光之间、信号光与信号光之间、泵浦光与信号光之间由于受激拉曼散射(SRS)[8]产生的能量传递,以及传输过程中光纤对泵浦光和信号光能量的损耗。此时,RFA的理论模型可用下面耦合微分方程表示[9]:

(1)

式中,ni(0)为各信道在z=0处入射的初始光子通量(单位时间内垂直流过光纤有效截面的光子数),不随时间变化的恒定值;ni(z),nj(z)表示z处i,j信道中前向传输的光子通量;αi是第i信道中光信号的线性衰减系数;rij为i,j信道之间光子通量的拉曼增益效率其中拉曼增益效率和拉曼增益系数之间的关系是rij=gpi/Aeff;Aeff[10]是光纤的有效截面积,其中gpi是泵浦光与其他信道的信号光的拉曼增益系数;M是保偏系数,取值一般为1或2[11]。

在放大器情况下,泵浦光功率远大于信号光功率ppi(0)≫pi(0),各路信号光功率在光纤中的变化表达式为:

(2)

2.2 宽带拉曼光纤放大器结构

所设计宽带拉曼光纤放大器结构如图1所示,信号光λi波长范围是[1483 nm,1575 nm],第一级放大中多路信号光和两个泵浦光λp11,λp12通过光合波器进入第一段放大光纤,在光纤中进行充分的SRS使各路信号光得到不同程度的放大,经滤波器滤除掉两路泵浦光λp11,λp12,多路信号光和两路泵浦光λp21,λp22经过耦合器进入第一段补偿光纤,各路信号光得到不同程度补偿,最终回归到同一放大增益,滤波器滤除两个泵浦光λp21,λp22；多路信号光与一个泵浦光λp3耦合进第二段放大光纤,进入第二级放大,各路信号光再次得到不同程度放大,通过滤波器滤除泵浦光λp3,泵浦光λp4与多路信号光通过耦合器进入第二段补偿光纤,使各路信号光再次补偿到近似同一放大增益,最后通过光解复用器将各路信号光和泵浦光λp4滤出,并且将信号光发送到接收端。

图1 宽带拉曼光纤放大器结构图

由于各路信号光经过第一次放大,被放大程度不同,波长较短的信号光被放大的程度不及波长较长的信号光,直接对放大程度不同的信号光进行二次放大,波长较短的信号光和波长较长的信号光被放大的程度更加拉大,则第二次补偿很难在使用较短长度的补偿光纤下,将各路信号光的输出功率补偿到同一值,故进行两次放大补偿。在第一级放大中加入多泵浦技术,使得放大带宽得到提升,同时两级放大使得输出增益得到提高并且得到较低的增益平坦度。

2.3 增益平坦化原理

这里选用光子晶体光纤,图2是当泵浦波长为1450nm时对应的光子晶体光纤拉曼增益系数谱[10]。光子晶体光纤的增益范围很宽,当频移范围在[0,13]THz之间,其拉曼增益系数与频移呈正相关；当频移范围在[13,30]THz之间,其拉曼增益系数与频移呈负相关,在13 THz时增益谱达到谱峰。

为了实现输出增益平坦化,利用光子晶体光纤增益谱上升沿和下降沿增益互补的特性,用泵浦光对应光纤增益谱的上升沿作为放大部分,用增益谱的下降沿作为补偿部分,从而实现增益的互补。

图2 光子晶体光纤拉曼增益谱

(3)

(4)

表1 拉曼增益谱线性拟合

根据图1设计拉曼光纤放大器结构,假设第一级放大的放光纤长度为L1、补偿光纤长度为L2,第二级放大的放大光纤长度为L3、补偿光纤长度为L4,结合式(2),在光纤长度L1+L2+L3+L4处各信道的输出功率表达式如下:

(5)

拉曼增益表达式如下:

(6)

令式(6)中:

(7)

将光纤增益谱拟合结果代入式(7),整理可得:

由式(8)可见输出增益G中信号光初始频率vi是变化值,故当输出增益G与信号光初始频率vi无关时,实现输出增益平坦。为使G与信号光频率无关,则使含有信号光初始频率vi的项系数等于零,整理得式(9)是实现增益平坦的约束条件,如下:

(9)

3 仿真结果与分析

3.1 仿真结果

所设计的拉曼放大器模型分为四个部分。第一部分为第一级放大,设定泵浦波长分别为λp11=1475 nm,λp12=1440 nm,设定泵浦光输入功率为pp11=1 W,pp12=1 W,两个泵浦光和全部信号光的频移范围满足[8,12.6] THz。根据频移公式计算出被放大的信号光波长范围为λi∈[1483,1575]nm,信道间隔为1 nm,则信号光共92路,设定信号光的初始功率均为0.01 nm,L1=0.1 km。第二部分为第一级补偿,两个泵浦光和全部信号光的频移范围为[14,16] THz,在第一部分中已经确定信号光放大带宽,根据选取的第二段光纤频移范围确定泵浦波长分别为λp21=1420 nm,λp22=1400 nm,设定对应的泵浦光输入功率为pp21=0.5 W,pp22=0.5 W,L2=0.08 km。第三部分为第二级放大,第四部分为第二级补偿,原理与第二部分相同,得到泵浦波长分别为λp3=1450 nm,λp4=1410 nm,设定对应的泵浦光输入功率为pp3=0.4 W,pp4=0.6 W,光纤长度分别L3=0.2 km,L4=0.12 km,光纤有效截面积Aeff=3 μm2,保偏系数M=2。在以上参数的设定下,仿真结果如图3、图4所示。

图3 单级级联各路信号光输出增益

图4 两级级联各路信号光输出增益

图3、图4增益带宽均为92 nm,与前人的研究结果相比,可见加入多泵浦技术带宽明显得到提高。图3是经过第一级放大后各路信号光的输出增益均值为20.7 dB,增益平坦度为0.17 dB,图4是经过两级级联放大后各路信号光输出增益均值为39.95 dB,增益平坦度0.1447 dB,可见经过两级级联放大,各路信号光的输出增益明显得到了提高,同时增益平坦度没有劣化。

图5所示是经过第一级放大,各路信号被泵浦光放大后输出功率沿着光纤的变化,最终输出功率为0.001W,图6是经过两级放大,各路信号光的输出功率沿着光纤的变化,最终输出功率达到0.035W,对比发现两级级联的输出功率比普通级联的输出功率明显提高。

图5 单级级联各路信号光功率随光纤长度的变化

图6 两级级联各路信号光功率随光纤长度的变化

3.2 影响因素分析

3.2.1 泵浦光功率对放大器的影响

在论证增益平坦原理时,发现影响RFA的两个重要因包括泵浦光功率和光纤长度,任意一个因素改都会影响到最终的输出增益和增益平坦度。

由于所设计的宽带拉曼放大器有多个泵浦光和多个信号光,为了便于观察,在光子晶体光纤中仅同时传输一路泵浦光和一路信号光,同时保证光纤传输长度等其他参数不变,通过改变泵浦光的功率,来观察信号光输出增益随泵浦光功率的变化。系统参数设计如表2所示。

表2 系统参数

通过仿真可以得到以下结果,如图7所示。

图7 信号光增益随泵浦光功率的变化

图7中,随着泵浦光功率的不断增加,信号光的输出增益随泵浦光功率的变化式一条具有一定斜率的直线,在泵浦光功率不断增长的过程中,信号光增益呈线性增长。这是因为泵浦光功率越大,泵浦光与信号光之间的受激拉曼作用越剧烈,信号光会得到更多来自泵浦光的能量,使信号光被放大,从而输出增益也越大。

3.2.2 光纤长度对放大器的影响

为了观察光纤长度对RFA的影响,将一路泵浦光和三路不同波长的信号光耦合进光子晶体光纤中传输,在传输过程中由于受激拉曼散射效应,可以观察信号光增益随光纤长度的变化。系统参数设计如表3所示。

表3 系统参数

图8为通过仿真得到的信号光增益随光纤长度变化的曲线,通过比较图8中不同信号光波长的增益曲线,可以看到随着光纤长度的变化三路信号光增益均增大,但是波长较短的信号光增益增大到一定程度会减小。这是由于随着光纤长度的增加,光纤中泵浦光和信号光之间的SRS更加充分,同时信号光的损耗也随着光纤长度的增长而增加,当信号光损耗的能量大于或等于可获得的放大能量时,增益会下降或达到饱和状态,并且泵浦光对短波长信号光的放大小于对长波长的放大,长波长的信号光则需要更长的距离使得其增益达到饱和。可见,设计RFA时可通过选择恰当的光纤长度得到理想的输出增益,合适的光纤长度不仅可以提高平均增益和降低增益平坦度,而且节约光纤资源。

图8 信号光增益随光纤长度的变化

4 结 论

采用四段同种材料光子晶体光纤,其中两段作为放大光纤段,另外两段作为补偿光纤段,对信号光进行两级放大,使得输出增益提高、增益平坦度较小,并且在第一级放大中加入了多泵浦技术,使得所设计的拉曼光纤放大器得到了更高的增益带宽,通过Matlab数值仿真,所设计的拉曼光纤放大器放大带宽92nm,平均增益39.95dB,增益平坦度0.1447 dB。同时,论证了基于增益谱线性拟合的多泵浦与光纤级联相结合的宽带拉曼放大器的可行性,充分结合了多泵浦与光纤级联技术的优点。所设计的拉曼放大器不仅所使用光纤长度较短,同时所使用的多个泵浦光功率也较小。与普通的硅基光纤级联放大器和普通的多泵浦拉曼光纤放大器相比,所设计的拉曼光纤放大器更具有增益上的优势。因此,所设计的宽带拉曼放大器在未来的全光网络中作为一种分立式拉曼放大器,对提高通信距离有很好的效果。