基于OPTISYSTEM的拉曼光纤放大器特性仿真分析

孙晓芸+陈建飞

[摘 要]拉曼光纤放大器工作原理是基于光纤的拉曼效应，通过适当地改变泵浦激光光波的波长可以提供整个波长波段的放大，它是非线性光纤光学的重要应用。本文主要通过Optisystem仿真分析其增益饱和特性，研究光纤长度，泵浦光功率和输入信号功率对增益饱和特性的影响。

[关键词]拉曼放光纤放大器；增益；泵浦；光功率

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.24.094

[中图分类号]TN722 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2016）24-0-02

0 引 言

EDFA是线路上使用最广泛的光放大器，但它的工作带宽较窄，增益带宽不够平坦，噪声系数较大。拉曼光纤放大器是一种基于受激拉曼散射（SRS）机制的光放大器，如果将一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦波的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大。它的出现弥补了EDFA的不足，有望在宽带长距离传输系统上广泛地使用。本文主要介绍了拉曼光纤放大器的基本原理及其增益饱和特性，研究泵浦光功率和输入信号功率对增益饱和特性的影响。

1 拉曼光纤放大器（RFA）系统的搭建

拉曼光纤放大器与EDFA一样有三种泵浦方式：正向、反向和双向泵浦。在实际系统中，反向泵浦的噪声特性比其他两种结构较好，如果采用正向泵浦，由于拉曼过程是瞬时发生，泵浦噪声将严重对信道产生影响。当拉曼泵浦波有轻微功率波动，个别数据位放大将出现异常，导致放大过程的波动。如果采用反向放大，由于每个数据位会与几毫秒的泵浦光作用，拉曼泵浦功率的波动会被平均。在反向泵浦方式下，由于传输单元末端的光信号功率微弱，不会因为拉曼光纤放大而引起附加的光纤非线性效应。

搭建分布式反向泵浦拉曼光纤放大器的系统模型 ，参数设置为：连续激光器阵列的参数为f=1 520 nm，△f=-0.955 nm，P=-8 dBm；泵浦激光器，拉曼光纤的参数为L=25 km；双端波分复用器的参数f为1518～1625 nm之间。采用多波长泵浦方式。

2 RFA的增益特性与光纤长度的关系

设定系统中拉曼光纤的长度为1～60 km之间连续变化，测得RFA的增益随光纤长度的变化曲线，如图1所示。

由仿真结果可以看出，光纤长度在1～60 km之间变化时，RFA增益可达到一个峰值6.3 dB。初始时增益随光纤长度的增加而增加，但当光纤超过长度14 km后，增益反而逐渐下降，光纤长度存在一个最佳增益的最佳长度。

考虑光纤长度时，要获得较大增益，应选择长14 km的RFA，可获得的增益为6.3 dB。但应注意，这一长度只能是最大增益长度，而不是光纤的最佳长度，因其还涉及其他特性，如噪声特性等。

3 RFA的增益特性与输入信号功率的关系

设定仿真系统中连续激光器阵列的输入信号功率为-20～10 dBm之间，测得RFA的增益随输入信号功率的变化曲线，如图2所示。

由仿真结果可以看出，输入信号功率在-20～10 dBm之间变化时，RFA增益存在一个最大值6.8 dB和最小值3.8 dB。初始时，输入信号功率在-20～-10 dBm范围内变化时增益平坦，越过一定功率后，增益反而随着输入信号光功率的提高而下降。

考虑输入信号功率时，要获得较大增益，应选择输入信号功率为-20～-10 dBm之间的RFA，可获得的增益为6.8dB。改变输入信号功率将导致增益轮廓的变化，究其原因，是信号之间的拉曼光纤互作用所致。分布式拉曼光纤放大不仅发生在泵浦与信号之间，也发生在信号与信号之间 ，信号功率越大，这种作用就越强，增益轮廓变化也就越明显，因此，改变输入信号功率将导致增益轮廓的变化。

4 RFA的增益特性与泵浦光功率的关系

设定仿真系统中泵浦激光器阵列的泵浦光功率在1～3000 mW之间变化，测出RFA的增益随泵浦光功率的变化曲线，如图3所示。

由仿真结果可以看出，泵浦光功率在1～3 000 mW之间变化时，RFA增益可达到一个峰值10.5 dB。初始时增益随泵浦光功率的增加而上升，但当泵浦光功率增加到一定值2 350 mW后，增益开始下降。泵浦光功率在2 000～2 680 mW范围内增益基本平坦。

考虑泵浦光功率时，要获得较大增益，应选择泵浦光功率为 2 000～2 680 mW的RFA，可获得的增益为10.5 dB。

5 拉曼光纤放大器（RFA）的优化设计

WDM系统对光放大器都有一个要求——增益平坦，目前RFA增益平坦的方法主要采用多波长泵浦和增益均衡器两类。采用多波长可以得到宽带、平坦的增益曲线，且所需的总泵浦功率相对较小，泵浦效率较高。此时就要考虑波长间隔及泵浦功率的波长分配。一般短波长区波长间隔比长波长区要小，波长间隔大引起的增益抖动也大。此外，由于泵浦间的拉曼作用，短波长区功率分配所占比重应大一些。但要获到一个比较好的泵浦功率与波长的配置，必须深入研究泵浦与泵浦之间、泵浦与信号之间、信号与信号之间的相互作用。

采用增益均衡器件实现RFA的增益平坦，与EDFA的增益平坦化方法相同。RFA的增益平坦化也可以使用滤波性元件，如闪耀光栅、长周期光纤光栅、声光调谐滤波器、干涉滤光片与光纤环镜等来实现。利用这些器件损耗特性和放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，其关键在于精心设计增益均衡器，使放大器的增益曲线与均衡器的损耗特性准确吻合，增益峰值处的损耗也大，最终达到增益平坦的目的。

主要参考文献

[1]杨祥林.光放大器及其应用[M].北京：电子工业出版社，2000.

[2]常建华，陶在红，孙小菡，等.光纤拉曼放大器[J].真空电子技术，2003（3）.