OptiAmplifier下的光纤拉曼放大器仿真探究

张 浩

OptiAmplifier下的光纤拉曼放大器仿真探究

张 浩

（陕西邮电职业技术学院，陕西咸阳，712000）

本文利用Optiamplifier光放大器设计软件对拉曼放大器的泵浦光源种类、泵浦光源波长、泵源数目及功率的大小，及采用何种光纤等方面进行了仿真实验，最后从成本、实用角度出发采用三泵源实现了1530～1600nm放大带宽、平坦增益等性能指标。

光纤拉曼放大器；拉曼增益；噪声系数

随着通信技术的发展，通信波段由C带（1528nm-1562nm）向L带（1570-1610nm）和S带（1485-1520nm）扩展。光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA）基于受激拉曼散射机制，是唯一能在1270nm到1670nm的全波段上进行光放大的器件。同时，FRA还具有宽带放大特性、噪声系数低以及可用普通光纤作为增益介质等内在优势。使得FRA成为近年来研究的热点，在光通信方面有广泛的、极具吸引力的应用前景。

本次研究确定实现如下的拉曼放大器指标：

1）能够实现L+C波段（1535-1605nm）的近70nm宽带Raman放大；

2）拉曼增益能够达到或超过10dB的开关增益；

3）拉曼放大的增益纹波系数不超过0.5dB，且偏振相关增益小于0.5dB；

1 泵浦波长及数目的选择

因为多泵浦Raman宽带光纤放大器的最大优点之一是通过选择合适的泵浦波长及泵浦光功率来实现宽带而平坦的增益谱宽。因此我们一方面自行建模，进行Raman泵浦光源的优化设计；同时利用Optiwave 公司的光放大器的设计软件OptiAmplifier。此设计软件提供了可视化的EDFA及Raman 光纤放大器的设计及仿真软件，并提供与MATLab的数据接口，可以在MATLab环境下，通过自行设计的器件模块以及OptiAmplifier提供的基本光器件模块，设计我们需要的Raman放大器的光路，并对器性能进行仿真在给定的带宽之内优化。在设计过程中我们可以看到，采用较多的泵浦可以得到更宽的带宽。然而从实用的角度考虑，在满足设计要求的同时，尽可能的降低成本和系统的复杂程度，以较少的泵浦数目实现设计目标。图1给出了三个泵浦（1447nm、1467nm、1497nm）和四个泵浦（1450nm、1465nm、1487nm、1502nm）的条件下拉曼增益谱的仿真结果。

理论仿真得到的三泵浦增益谱曲线和噪声系数谱如下图2（a）（b）所示。由图2（a）可以看出，在采用三个泵浦光源的条件下，我们可以得到近似1535nm到1625nm范围近80nm的带宽，且其增益平坦性能较好。

图2（b）给出的是对应的仿真噪声系数，同样可以看出，在上述的带宽条件下，其对应的噪声系数为负值，符合拉曼放大器噪声系数要求。设计得出的Raman增益与光纤有效截面积之间关系如图3所示。在相同光纤长度（40KM）下，光纤的有效截面积分别为80，72，60，50平方微米在相同的条件下，得到的拉曼增益谱曲线，从曲线中可以看出：在其他条件相同的前提下，光纤的有效截面积越小，其增益系数越大。

设计时得到的Raman增益与输入波长信道数目之间关系的设计仿真曲线如图4所示。图4是在泵浦条件不变的条件下，信道数目与拉曼增益的关系曲线。

从图中可以看出，由于Raman放大器饱和功率较高，当信道数目从4个增加到8个再到22个时，对同一个信号波长，拉曼放大器的增益有所下降，但其下降的幅度不是很大（最大约为1dB）左右）。图5是掺铒光纤放大器（EDFA）的增益随着信道数目的增加导致其增益变化的情形；当加入信道的数目从1路增加到16路时，EDFA的放大增益最大下降接近14dB。对比图4和图5可以看出拉曼放大器增益互调现象相对于掺铒光纤放大器来说具有无可比拟的优越性，这也是拉曼放大器的一个极其诱人的优点。

Raman增益与输入信号之间的关系如下图6所示。图6给出了在光纤的长度和截面积保持不变的条件下，改变信号光的输入功率时，其对应的拉曼变化情况。从图中可以看出，在其它条件不变的情况下，输入信号了功率从0dB减小到－20dB时，各个信号功率对应的拉曼增益是逐渐增大的，信号功率最小时其对应的拉曼增益为最大。但当信号减小到一定程度，如图3.6所示，当信号功率为－10dB和－20dB时，其对应的拉曼增益数值变化就非常小了，接近一个恒定的数值，这也说明了在计算拉曼增益时，一定要注意在小信号输入功率这个条件是非常合理的，否则可能会出现较大的偏差。

2 光纤拉曼放大器中拉曼光纤的选择

对于光纤放大器的设计和实现，增益介质的选择是一个关键问题。现有石英光纤的拉曼增益效率极低，故要求的泵浦光功率较高。为了获得较高的增益，人们尝试各种不同类型的光纤作为增益介质，表 1给出了 5种典型光纤用于拉曼增益介质时的参数。

从表1分析，可发现在选择拉曼光纤时，应考虑以下因素的影响：

1)纤芯掺杂浓度。在一定范围内增加纤芯掺杂浓度可以增加拉曼效应；

2)有效纤芯截面积。小的有效纤芯截面积将可以增大泵浦光的功率密度，从而增加光纤的拉曼效应；

3)光纤长度。图7给出了三种不同光纤的拉曼净增益随光纤长度变化的曲线。可以看出，随着光纤长度的增大增益曲线趋向饱和，同时较长的光纤导致噪声指数亦变大，如图8所示。因此，在获得一定增益的同时，应选择最短的饱和长度。

4）纤衰减系数。高衰减系数使光纤有效长度减小，从而拉曼净增益减小；同时高α值导致噪声指数亦变大。因此从这两方面讲，光纤衰减系数越小越好。

可以看出，用标准单模光纤和标准色散位移光纤作为拉曼增益介质，很难获得较大增益；L＜10km的色散平坦光纤增益约10dB，增大光纤长度可使增益提高，但实用化比较困难；高非线性光纤的增益最大，但考虑到在相同长度下其增益和色散补偿光纤相差不大，而噪声指数约是色散补偿光纤的2倍，因此从整体上考虑，色散补偿光纤 (DCF)是光纤拉曼放大器的最佳增益介质。

3 实验所用的一些主要仪器和设备：

1）6波长WDM标准波长激光器一台，武汉邮科院

2）可调DFB激光器一台，Narno Photonics

3)DFB激光器一台，AnritusMG9638A

4)光谱分析仪1台，AnritusMS9720A

5)光隔离器；

6)光功率计1台，ExFo；

7)8波长可调WDM光源 santec（ExternalcavityTunable LD Module）

4 结论

本此研究是通过Optiwave 仿真设计软件和Matlab工具对光纤拉曼放大器进行了仿真设计。在仿真设计的基础上对拉曼放大器样机进行了研制和测试工作，并对样机进行了性能测试（包括增益特性，噪声特性及偏振相关特性等）的测量工作。测量结果表明，此光纤拉曼放大器样机性能优良，达到或超过目前的商用目标，主要指标结果为：增益带宽70nm，平均工作增益10.36dB，增益平坦度0.48dB，有效噪声系数-2.52dB，偏振相关增益0.3dB。

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[2] 何敬锁，顾畹仪，徐大雄，“WDM传输系统中光纤拉曼放大器的设计要素”现代有线传输，2002年9月第3期

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Simulation study of OptiAmplifier fiber Raman amplifier

Zhang Hao
(Xianyang City,Shaanxi Province,Shaanxi Post and Telecommunication College,712000)

In this paper,by using Optiamplifier optical amplifier design software pumping light source, the Raman amplifier pump wavelength, pump power source number and size,and the optical fiber was used to simulate the experiment,finally from the practical point of view,the cost of three pump source to achieve 1530 ~ 1600nm amplification bandwidth, flat gain and other performance indicators.

Raman fiber amplifier; Raman gain coefficient;noise

表1 不同类型光纤的一些拉曼特性