海底光缆通信中拉曼放大器和掺铒光纤放大器的研究

摘要：拉曼放大器和掺铒光纤放大器（EDFA）是光纤通信系统中两种重要的光信号放大设备，它们的工作基本原理、特点都有相似的地方，也有不同之处。本文从拉曼放大器和掺铒光纤放大器的理论模型出发，数值研究两种放大器对输入光信号放大过程，研究两种光放大器在海底光缆通信场景的适用性，为未来网络建设规划提供理论依据。

关键词：拉曼放大器；掺铒光纤放大器；海底光缆通信

一、引言

光纤通信系统中传输媒介光纤对光学信号具有吸收的作用，光信号在光纤中传输一段距离后其功率会减弱，因此需要对光信号的功率进行放大才可以长距离传输。在光通信发展初期，对光信号的放大需要进行光-电-光转换，即将光信号转换为电信号，然后电信号重新整形、再生和定时（3R），再将电信号转换为光信号发送出去。掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼放大器直接在光域内对信号光进行放大，不需要将光信号进行光-电-光转换，简化光信号放大的过程，促进光通信快速的发展。EDFA和拉曼放大器的工作原理和过程具有相同之处，例如两种光放大器都是光泵浦放大、泵浦光均可以采用多种方向泵浦工作方式。两种放大器也存在不同之处，比如泵浦波长的选择。本文从两种放大器的数值模型出发，通过建立两种光放大器的数值模型，并对两种放大器的工作过程进行数值研究，进一步分析两种放大器在海缆光通信系统中的适用性。

二、理论模型

拉曼放大器和EFDA放大器工作示意如图1所示。

光隔离器保证光单向传输，避免反射光的影响；合波模块根据输入泵浦光的个数决定是否需要，如单个泵浦光输入则不需要合波模块。两种放大器的工作原理均可以使用图1进行说明。拉曼放大器是分布式放大器，可以使用多种波长的泵浦光；EFDA放大器是分放大器，一般使用1480nm、980nm波长的泵浦光。

（一）拉曼放大器模型

拉曼放大器是一种分布式放大器，在长距离传输的过程中能量转移过程比较复杂，包括短波长光的能量转移到长波长光上、短波长信号光的能量转移到长波长的泵浦光上、瑞利散射和自发辐射噪声等。不考虑信号光动态变化情况，即不考虑时间维度，频率为的光分量在光纤中传输，其功率演变可以使用下面的公式表示[1]。

（1）

（1）式中，P±表示（+）或者（-）后向传输的光功率；（1）式右侧的第一项表示光在光纤中传输的损耗，第二项表示瑞利散射，第三项表示频率比v大的光将转移到v频率分量的光，第四项表示频率的光将能量转移到频率分量比其小的光，后面两项表示的是与温度相关的自发辐射噪声（ASE）项。gR （v-ξ）是光纤的拉曼增益系数。

（二）EDFA模型

EDFA是在光纤中掺入铒离子，在泵浦光的作用下实现高能级上的铒离子粒子数反转，此时如有信号光输入，输入信号光使高能级上的铒离子发生受激辐射，实现对输入信号光放大。严格的EDFA模型求解相当复杂，需要一定的简化才可以对EDFA模型进行求解。目前有Giles和Saleh两个常用的简化模型，与Saleh模型相比，Giles可以计算沿着传输方向的光纤中铒离子反转分布、信号光功率、ASE功率分布等，因此Giles模型描述的物理过程更加完备。EDFA的Giles模型中载流子方程、传输方程分别使用下面两个公式描述[2]：

（2）

（3）

（2）式表示掺铒光纤中铒离子的反转度，式中ξ表示掺铒光纤的饱和参数，表示铒离子掺杂浓度，表示高能级上铒离子的浓度。（3）式中、分别表示掺铒光纤的吸收、发射系数，m表示自发辐射噪声的偏振态系数（m=2表示两个偏振态），表示掺铒光纤的背景损耗系数。

三、理论结果

基于上文所述的拉曼放大器、EDFA的模型，对拉曼放大器和EDFA进行数值模拟，研究信号光在拉曼光放大器和EDFA中放大过程，并根据模拟结果讨论两种放大器在海底光缆通信场景的适用性。

（一）拉曼放大器

拉曼放大器仿真参数设置如下：信号波长为1528～1620nm，等间距分为121个信道，输入信号光功率均设置为3dBm；ASE噪声频谱范围设置为1480～1630nm，取151个频点；光纤长度设置为10km。前向泵浦光波长为：1422.33nm、1430.93nm、1439.02nm、1450.17nm、1459.05nm、1467.74nm、1478.45nm和1502.71nm，对应的光功率为：189.05 mW、171.94 mW、193.34 mW、188.93 mW、125.78 mW、152.5 mW、118.81 mW和180.84mW；后向泵浦光波长为：1422.71nm、1431.59nm、1439.32nm、1451.05nm、1461.12nm、1468.9nm、1478.9nm和1504.3nm，对应的光功率为：96.14mW、69.45mW、90.75mW、50.75mW、28.15mW、47.71mW、18.92mW和76.75mW。

图2是信号光沿着光纤演变情况，其左上角是光信号的演变情况，右上角是信号光的增益，从这两个图可以看出信号光的增益谱覆盖C+L波段，但增益总体不大且增益谱并不是很平坦。其左下角是信号光的背向瑞利散射，即一重瑞利散射光；一重瑞利散射光对输出信号不影响。其右下角是一重瑞利散射光的背向瑞利散射，即二重瑞利散射光，二重瑞利散射光与输出信号光同向，对输出信号光是产生影响。从图2的右下上角图可以看出二重瑞利散射光的功率量级-40～-35dBm，与输出信号光4～8.5dBm相比，二重瑞利散射光功率比較弱。

（二） EDFA

EDFA设置前、后向泵浦光波长分别设置为980nm、1480nm，泵浦光功率均设置为150mW。ASE谱频率范围设置为1520～1570nm，间隔为125GHz。信号光1530～1580nm，等间距分为40个信道，功率均设置为0dBm；铒纤的长度设置为10m。

图3是EDFA信号光、ASE光演变过程。从图3的左上角、右上角图可以看出EDFA的增益谱是不平坦，这是由EDFA的吸收系数和增益系数曲线决定的，而吸收系数和增益系数曲线是由掺杂特性决定。因此EDFA的增益谱和拉曼放大器增益不平坦的原因是不相同的。此外，从图3的右上角图可以看出，EDFA的增益谱宽度比拉曼放大器窄得多，大约为30nm，只能够覆盖C或者L波段。

（三）适用性讨论

通过上述的分析可以看出，拉曼放大器和EDFA各有优缺点。拉曼放大器具有较宽的增益谱，可以覆盖C+L波段，拉曼放大器的放大特性与泵浦光的波长、功率有关，拉曼放大器的增益谱是所有单个泵浦光的增益谱的叠加。信号光之间、信号光与泵浦光之间通过受激拉曼散射相互作用。拉曼放大器可以使用多个泵浦光，拉曼放大器的放大效率比较低，需要的泵浦光功率比较高，并且增益平坦度优化比较复杂。

EDFA放大器是由掺杂特性决定的，与拉曼放大器相比EDFA增益谱较窄，约为30nm，一般覆盖C波段，即C波段型的EDFA。为了使EDFA能够对C+L波段进行放大，实际做法是通过改变掺杂浓度，使得EDFA的增益窗口处于L波段，即制作L波段型的EDFA，将C波段型、L波段型的EDFA通过串联、并联方式组合在一起构成C+L波段放大器，放大过程先将输入信号光的C、L波段信号分量分开分别放大，放大后再合在一起传输，这种方法会引入额外的插损。EDFA的增益谱形状与铒纤的掺杂特性、输入信号光谱相关，信号光之间通过载流子竞争相互影响。EDFA具有较高的放大效率，因此，需要的泵浦功率要小很多。

因此，拉曼放大器适用于C+L、全波段通信系统，并且对功耗不限制的场景，例如仅适用无中继的海缆光通信。而EDFA适用于C或者L波段通信系统、对功耗有限制的场景，例如用作海底光缆通信中继器。

四、结束语

本文从拉曼放大器、EDFA的数值模型出发，分别介绍两种放大器的数值理论模型、数值模型建立和方程求解方法，以EDFA为实例阐述两种放大器的求解過程，并在此基础上对两种放大器的模型进行求解，对两种放大器对信号光的放大过程进行分析，阐述两种放大器对信号光放大的物理过程。根据两种放大器的模拟结果，从两种放大器的放大谱宽、泵浦光功率两种因素出发，讨论两种放大器的应用场景，得出拉曼放大器适用于C+L甚至全波段的通信系统，但不能适用于对功耗限制高的场景；EFDA更适用于C或者L波段的通信系统，适用于对功耗要求限制比较高的系统。

作者单位：陈巨强 中国移动通信集团海南有限公司

参  考  文  献

[1] J. Bromage. Raman amplification for fiber communications systems [J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 2004， 22（1）： 79–93.

[2] C. Randy Giles， E. Desurvire. Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 1991， 9（2）：271-282.

[3]张徐亮. 分布式光纤拉曼放大器的理论和实验研究[D]. 浙江：浙江大学，2006.

陈巨强（1978.11-），男，汉族，海南海口，本科，传输与接入中级职称，研究方向：传输网智能规划和业务批量自动配置研究。