二阶DRA泵浦方式对噪声性能的影响

黄金飞，付成鹏，余春平

（1.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205； 2.武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉 430074）

二阶DRA泵浦方式对噪声性能的影响

黄金飞1，2，付成鹏1，2，余春平1，2

（1.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205； 2.武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉 430074）

介绍了二阶DRA（分布式拉曼放大器）的结构原理和等效噪声指数，在此基础上，通过实验和理论分析研究了二阶DRA的噪声特性与一阶二阶泵浦注入比例的关系。结果表明，放大器增益基本不变时，二阶泵浦光注入比例越大，等效噪声指数越小；通过适当地调整一阶二阶泵浦功率，可使放大器工作在更小噪声条件下，使整个系统的噪声性能得以提升。

二阶分布式拉曼放大器；增益；等效噪声指数

0 引 言

DRA（分布式拉曼放大器）不仅可放大传统EDFA（掺铒光纤放大器）不能放大的波段，还具有很宽的拉曼增益谱及更小的噪声指数，能实现光信号的在线分布式放大。正是因为信号光沿光纤逐渐被放大，而不是集中于一点，所以减弱了传输中非线性效应的影响。基于上述优点，DRA有非常广阔的应用领域，非常适用于超长跨距无中继DWDM（密集波分复用）系统，可避免中间放大器节点的搭建，有效降低了投资和维护成本［1］。但传统一阶RFA（拉曼光纤放大器）在FOPA（光纤参量放大器）、HFA（混合光纤放大器）等的竞争下，优势相对弱化。为满足更高通信质量对放大器的要求，基于高阶拉曼效应的高阶DRA成为研究热点，高阶DRA不仅可以实现更高的增益，还能显著优化系统的信噪比［2］。本文研究了二阶DRA泵浦方式对其噪声特性的影响，实验研究和理论模拟分析表明，二阶DRA在保证相同增益的条件下，二阶泵浦在一阶二阶总泵浦中所占比重越大，即二阶泵浦光注入的越多，系统的噪声性能表现越好，这一结论对充分发挥二阶DFA的低噪声优势具有重要指导意义。

图1 二阶DRA结构示意图

1 二阶DRA放大原理及等效噪声指数

二阶DRA的结构有多种，放大原理基本一致，图1所示为一种后向二阶共泵的结构方案。传统的一阶RFA是直接将1 455 nm的泵浦光注入传输光纤对1 550 nm的信号光进行放大，两者之间频率差满足Stokes频移关系。而二阶的RFA是在高于一阶泵浦频率一个Stokes频移的位置上加上一个二阶泵浦，即1 356 nm的泵浦光，这样1 455 nm的泵浦光也充当了种子光，二阶泵浦先对一阶泵浦进行放大，而后一阶泵浦再对信号光进行放大［3］。引入了二阶泵浦后，允许一阶泵浦功率很低，而高功率短波长的泵很容易用拉曼光纤激光器实现，也可以通过复用多个半导体激光器来达到所需功率值［4］。这样高功率二阶泵浦成为主要能量来源，易实现高增益。

对于高阶RFA，考虑光纤损耗、瑞利散射、泵浦和泵浦、泵浦和信号及信号和信号之间的互作用，噪声自发辐射和受激拉曼散射效应，RFA功率传输方程可表示为

式中，h为普朗克常量；Keff、Aeff分别为偏振因子和光纤有效面积；g（υ-δ）为频率υ和δ之间的拉曼增益系数；α、γ分别表示衰减系数和瑞利散射系数；正、负号分别表示前向和后向光波。等式右侧第1项表示高频δ对低频υ的拉曼增益；第2项为低频υ对高频δ的功率损耗；第3项表示受温度影响的频率υ处的放大自发射辐射；第4项和第5项分别为光纤损耗和瑞利散射对光功率的影响。

对于DRA，因为有传输光纤的原因，我们用ENF（等效噪声指数）来衡量其噪声特性，ENF和放大器ASE（放大的自发辐射）功率的关系为

式中，GR为放大器的开关比增益；B为探测器带宽。

2 实验研究及理论分析

实验采用多波光源，波长范围为1 528.705～1 567.348 nm，共24波，结构方案与图1类似，采用后向泵浦方式，两个1 340、两个1 360 nm的泵组成二阶泵浦源，两个1 425、两个1 455 nm的泵组成一阶泵浦源，传输光纤长度约100 km，传输后进入放大器模块的输入信号光功率为-28.025 dBm。使用光谱仪扫描输入，保存输入数据并保持输入不变，开始时只打开一阶泵浦，以后逐步降低一阶泵功率，增加二阶泵功率，过程中单波增益均维持在21 dB（不含光纤损耗）左右，一阶二阶泵浦功率设置如表1所示。

表1 一阶二阶泵浦功率设置表

为方便表达一阶泵功率在减小，同时二阶泵功率在增大这一渐变过程，用每次实验的二阶泵功率之和与该次一阶二阶泵浦总功率的比值来衡量二阶泵浦所占比重，则实验1～4分别为0、33.46%、70.58%和88.51%，每次输出依然用光谱仪进行扫描，计算得到相应的ENF，图2所示为不同二阶泵浦占比时ENF的变化图。

由图2可看出，随着二阶泵功率与总功率比值的增大，ENF曲线不断下移，表明随着一阶泵浦不断减弱、二阶泵浦不断增强，ENF在不断减小。此外，从单根曲线可以看出，在泵浦情况固定时，随着波长变长，ENF有减小的趋势。这种规律是基于一阶泵浦源均可以正常充当种子光的，极端情况假设没有一阶泵浦，则系统基本没有放大功能，失去了讨论的意义。

针对上述实验结果，设计了简单的模拟条件进行理论分析。假设入射光为1 550 nm的单波信号光，一个1 455 nm的一阶泵和一个1 356 nm的二阶泵，同样采用图1方案后向泵浦，光纤长度为100 km，不考虑温度效应，根据式（1）列出传输微分方程组，通过数值分析方法求解。求得增益均约为17.8 dB（不含光纤损耗），一阶二阶泵浦功率配置情况与ENF变化关系如图3所示。

显而易见，随着二阶泵浦功率增大、一阶泵浦功率减小，ENF在不断地减小，与实验结果一致。选取图3中（583，0）、（400，270）和（240，545）这3个点，进一步得出信号功率、一阶泵浦功率和后向ASE功率沿光纤变化曲线图，如图4～6所示。

图3 ENF随一阶二阶泵浦功率变化图

图4 信号功率变化图

图5 一阶泵浦功率变化图

图6 后向ASE功率变化图

图中，点线表示不加二阶泵浦、一阶泵浦最大；点划线表示一阶、二阶泵浦均适中；实线表示一阶泵浦最小、二阶泵浦最大。由图5可以看出，由于采用后向泵浦方式，一阶泵浦功率实线在100 km处最小，点划线居中，点线最大。随着泵浦沿光纤深入，至约90 km过程中实线急剧上升，点划线上升后下降，点线一直下降，说明在二阶泵浦作用下，一阶泵浦功率在增大，二阶泵浦越强，沿光纤上升距离越远，此后实线一直居于上方，点划线居中，点线居下方，说明在此大段光纤中由于二阶泵浦的作用，一阶泵浦源发挥作用更有力，于是不难理解图4所示信号光功率变化曲线。对于图6，前面大段的光纤中，实线居于上，原因在于此时信号功率和一阶泵浦功率也相对较大，而最后实线居于下，原因在于一阶泵浦功率急剧变小。总结而言，二阶泵浦所占比重越大，会使一阶泵浦功率沿光纤分布更均匀，所以ENF更小。

3 结束语

本文在研究二阶DRA ENF与一阶二阶泵浦比重分配的关系时，将一阶泵浦功率逐渐降低，二阶泵浦功率逐渐增高，同时保证系统的增益基本维持不变，观察ENF的变化情况。实验发现，二阶泵浦比重分配越大，ENF越小。理论模拟分析表明，在保证正常工作条件下，尽可能增大二阶泵浦功率，能获得更好的噪声特性，减小光传输系统的误码率。

［1］Rosa Pawel，Mingming Tan，Son Thai Le，et al.Unrepeatered DP-QPSK transmission over 352.8 km SMF using random DFB fibre laser amplification［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2015，27（11）: 1189-1192.

［2］Stefano Faralli，Gabriele Bolognini，Maria Adelaide Andrade，et al.Unrepeated WDM Transmissio Systems Based on Advanced First-Order and Higher Order Raman-Copumping Technologies［J］.Journal of Lightwave Technology，2007，25（11）:3519-3527.

［3］臧可.高阶光纤拉曼放大器的特性研究［D］.北京:北京邮电大学信息光子与光通信研究院，2013.

［4］Mermelstein M D，Brar K，Headley C.RIN Transfer Suppression Technique for 2nd Order Raman Pumping Schemes［C］//OFC 2003.Atlanta，US:OSA，2003: Th B5.

The Effect of Second Order DRA Pumping Way on the Performance of the Noise

HUANG Jin-fei1，2，FU Cheng-peng1，2，YU Chun-ping1，2
（1.Accelink Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430205，China； 2.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks，Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

This paper introduces the structure of second-order Distributed Raman Amplifier（DRA）and the effective noise figure of DRA.Based on previous work，the relationship of the second order DRA’s noise characteristic and the injection ratio of first order and second order pump is investigated both in experiment and theory.It is found that when the amplifier gain is approximately constant，the greater the injection ratio of second order pump can be achieved with smaller effective noise figure.Therefore，through the appropriate adjustment of the first order and second order pump power，it can make the amplifier work on the smaller noise condition.The noise performance of the whole system can also be improved.

second order distributed Raman amplifier；gain；effective noise figure

TN248

A

1005-8788（2016）05-0062-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.018

2016-05-11

黄金飞（1993-），男，安徽亳州人。硕士研究生，主要研究方向为光通信技术。