中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 色散补偿光纤的拉曼放大研究 张为峰 北京邮电大学电子工程学院，北京 (100876) E-mail：wfzhang66@gmail.com 摘 要：色散补偿光纤具有较大的非线性效应，因此考虑利用其实现拉曼放大。采用 optisystem3.0 研究了在特定系统中注入泵浦功率及色散补偿光纤有效面积的大小对拉曼效 应增益及系统误码率的影响。结果表明在系统中当泵浦的注入功率为 450mw，色散补偿光 纤有效面积为 45 关键词：色散补偿光纤；拉曼放大；注入泵浦功率；有效面积 中图分类号：TN929.11 1 引言 u m 时，系统性能最佳。 2 目前光通信技术在迅速向着大容量、高速率的方向发展，而随着掺铒光纤放大器和各种 色散补偿技术的成熟，目前基于 G.652 光纤的传输系统也大多已顺利升级到了单信道波长达 10Gb/s。在系统的升级过程中，商用系统大多采用了色散补偿光纤技术来进行色散补偿，即 每隔一段距离（80~100km）就加入一段色散补偿光纤。实际上这段光纤仅仅实现了色散补 偿功能，这就大大增加了系统的传输长度。更为重要的是，色散补偿光纤为了实现较大的负 色散而通常使用较小的有效面积，这就使得信号光在这段光纤中传输时会产生很大的损耗及 非线性效应。为了补偿信号光能量的损耗，通常在色散补偿光纤前端引入 EDFA，这样会大 大增加系统的改造成本[1,2,3]。 为了减小成本，考虑利用这段非线性较强的色散补偿光纤来进行拉曼放大，这样就可以 减少 EDFA 的使用个数。同时由于这段光纤在系统中并不像普通光纤那样进行长距离传输， 而只是放在某一处，因而对于其拉曼放大的控制也相对比较容易。 2 拉曼放大器原理 在某些非线性光学介质中，大能量、高频率的泵浦光会产生拉曼散射，并将部分能 量传递到较低频率的光束中，其频率下移量由介质的振动模式决定。这一过程被称为拉曼效 应。拉曼放大器的工作原理就是基于光纤的受激拉曼散射效应。量子力学的观点可解释为： 一个泵浦光子入射到光纤，光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级，然后处在虚能级的电子 在信号光的感应下回到振动态的高能级，同时发出一个低频斯托克斯光子。光纤中电子也可 以从振动态的高能级跃迁到虚能级，然后回到基态，发出反斯托克斯光子。在光纤中位于基 态之上的振动态能级有一个较大范围，如果弱信号光与强泵浦光同时在光纤中传输，且信号 光波长在泵浦光的拉曼增益谱内，那么一部分能量就从泵浦光转移到信号光，实现信号光的 放大[3,4]。 = − p 斯托克斯频移 γγγ r s 是泵浦光频率， sγ 是信号光频率）由分子振动能级决定， 其值决定了受激拉曼散射的频率范围。硅玻璃光纤的斯托克斯频移近似为 13THz，与通信窗 口的 100nm 相应。 （ pγ 拉曼光纤放大器可分为分立式和分布式两类。分立式所用增益光纤相对较短，泵浦功率 很高，可产生 40dB 以上的高增益，主要用在要求高增益、高功率、放大 EDFA 不能放大的 波段；分布式所用增益光纤很长，一般是几十千米；泵浦功率可以降低到几百毫瓦，主要和 EDFA 配合使用，提高系统的整体性能。在本文中主要对基于色散补偿光纤的分布式拉曼放 -1- 

中国科技论文在线 大进行研究。 3 系统仿真及讨论 http://www.paper.edu.cn 对于光纤传输系统，在色散完全补偿的情况下，系统误码率与色散率之间存在一定关系， 根据文献[1]，当系统配置如表一所示时，即色散补偿光纤的色散值为-95 可以使系统达到最佳。 ps nm km⋅ /( ) 时， 表 1 系统中采用 SMF 和 DCF 的参数 色散 ps nm km⋅ /( ) 色散斜率 2 /( ps nm km⋅ 长度 km SMF 18 0.06 74 ) DCF -95 -0.3 14 因此系统的仿真图如图 1 所示。10Gb/s 的信号光首先在 SMF 中传输 74km，然后再经 过 14km 的 DCF 光纤进行色散补偿。同时信号光注入到在 DCF 同时耦合进一束频率为 206.1THZ 的高能量的泵浦光。泵浦光和信号光同时再 DCF 中传输，发生拉曼效应，实现对 信号光的放大。在接收端首先经过光纤光栅滤波，然后进行光电探测并测量系统的传输误码 率。 利用上述仿真系统，我们考察了泵浦功率和色散补偿光纤的有效面积对拉曼增益和系统 误码率的影响。 图 1 考察色散补偿光纤拉曼放大效果的系统仿真图 首先来研究泵浦光源对系统的影响。图 2 为不同的泵浦功率下系统的拉曼增益曲线。从 功率-增益曲线中可以明显看出拉曼增益和泵浦功率基本上呈线性关系。在拉曼增益中，光 增益主要靠入射泵浦光子通过非弹性碰撞转移其部分能量，从而产生低能和低频光子，因而 低频光得到放大。随着注入泵浦光功率增大，入射的泵浦光子数也再增加，因此输出光增益 -2- 

中国科技论文在线 也随之增加。 http://www.paper.edu.cn 图 2 泵浦功率对拉曼放大增益 图 3 泵浦功率对系统误码率影响 图 3 所示为功率-BER 曲线,从图中可以发现，系统的误码率与泵浦功率的变化方向并不 一致，开始系统的误码率随泵浦功率的增大而减小，在泵浦功率为 450mw 时，系统的误码 率达到最小为 1.58 10−× 53 ；如果泵浦功率继续增大，系统的误码率又逐渐开始增大。这一 过程也比较易于理解，一开始由于拉曼放大器的放大作用，使得光信号能量逐渐增强，从而 克服在光纤中传输所引起的损耗，使得接收端所接收的信号噪声很小，而泵浦光信号继续增 加，那么在放大过程中所引入的噪声也迅速增加，使得接收端的信号误码率急剧升高。 综合泵浦功率-拉曼放大增益曲线和泵浦功率-BER 曲线，在系统中应该将泵浦光功率取 -3- 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 为 450mw，此时整个系统才能达到最佳的工作状态。 图 4 色散补偿光纤有效面积对拉曼放大增益的影响 图 4 和图 5 所表示的在系统中采用的色散补偿光纤有效面积对拉曼放大增益和系统误码 率的影响。图 4 为有效面积与拉曼放大增益之间的关系曲线，图 5 为有效面积与系统误码率 之间的关系曲线。我们知道对于色散补偿光纤，为了得到较大的负色散值，需要将光纤的有 效面积减小，因此研究色散光纤的有效面积对系统的影响是有意义的。普通光纤的有效面积 2um ，各类参数的色散补偿色有效面积均小于此值，因此在仿真过程中色散补偿 一般为 80 光纤的最大有效面积也就取为 80 2um 。 图 5 色散补偿光纤有效面积对系统误码率的影响 对于有效面积与拉曼增益之间的关系。随着有效面积的减小，拉曼放大的增益随之增大。 -4- 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 光纤有效面积的减小，就意味着这段光纤非线性效应增加，拉曼放大就是利用了这类非线性 效应，因此由仿真结果所得到的变化曲线与理论值是相吻合的。 而对于有效面积对系统误码率的影响，与增益-误码率曲线类似，也存在一个最佳的有 效面积的大小，使得整个系统的误码率最小。在本系统中，这个最佳有效面积的大小为 2um 。 45 4 结论 在本文中，主要对色散补偿光纤的拉曼放大的效果进行了初步探讨，在本文中利用仿真 系统模拟了泵浦功率大小和色散补偿光纤有效面积大小对系统增益效果及误码率的影响，确 2um 时系统性能最佳。 定了在系统中最佳泵浦光源为 450mw 及色散补偿光纤有效面积为 45 参考文献 [1] 王琛 扰敏 唐勇 等，色散补偿光纤传输系统补偿方案的研究与讨论，应用科学学报，2003：P21-25 [2] 周小燕 光纤光栅在高速光通信系统色散补偿中的应用. 武汉,武汉理工大学硕士学位论文.2006 [3] 王秉均 王少勇，光纤通信系统，北京：电子工业出版社，2004 [4] Govind P.Agrawal Fiber-optic communication systems. 北京：清华大学出版社.2004 [5] 戴军尧 ，色散补偿光纤传统设计方案及相关算法的改进，电信快报，2001-2 The performance of the Raman amplification based on DCF School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Zhang Wei-feng Beijing (100876) Abstract The nonlinear effect of DCF is very notable, so we consider make use of it for Raman amplification in the system. In this paper we study how the power of the pump and the effective area of the DCF affect the BER and the Gain of the system by the optisystem3.0. We find that when the power of the pump is 2um , the system has the best performance. 450mw and the effective area is 45 Keywords: DCF; Raman amplification; the power of the pump; effective area -5-