基于光子晶体光纤的拉曼放大器特性研究.doc

第8期尚韬等：基于光子晶体光纤的拉曼放大器特性研究69基于光子晶体光纤的拉曼放大器特性研究尚韬，李锋，刘增基（西安电子科技大学 综合业务网理论与关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071）摘 要：研究了基于光子晶体光纤拉曼放大器的特性。在后向多抽运的情况下，利用不同的几何尺寸与掺锗浓度，全面研究了拉曼净增益、信号双重瑞利后向散射光信噪比及放大自发辐射光信噪比，并进行了模拟分析。计算、比较了该类放大器与基于单模光纤的拉曼放大器的性能。结果表明，在合理选择光纤几何尺寸与掺锗浓度的基础上，光子晶体光纤拉曼放大器具有更好的放大特性。关键词：光纤拉曼放大器；光子晶体光纤；掺锗浓度；拉曼增益；光信噪比中图分类号：TN913.7 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)08-0063-06Numerical analysis of Raman amplifier based on triangular photonic crystal fiberSHANG Tao, LI Feng, LIU Zeng-ji(State Key Laboratory of Integrated Service Network, Xidian University, Xian 710071, China)Abstract: A numerical design on the triangular PCF-based backward multi-pump Raman amplifier was presented. It is demonstrated that high flat Raman gain can be reached based on PCF. Influences of different geometric parameters and germanium concentrations on the Raman net gain, amplified spontaneous emission (ASE) noise and double Rayleigh backscattering (DRBS) of the signal have been analyzed. Meantime, comparison with multi-pump gain-flat Raman amplifiers based on standard single mode fiber was also carried out. The results showed that PCF is an appropriate candidate for high gains Raman amplifiers. The results also indicate that for optimizing crystal fiber Raman amplifier, there is tradeoff between the geometric parameter and germanium-doped concentration of triangular PCF. Key words: fiber Raman amplifier; photonic crystal fiber; germanium-doped concentration; Raman gain; optical signal-noise ratio1 引言收稿日期：2007-12-03；修回日期：2008-07-11随着大功率抽运激光器技术的日益成熟1,2，光纤拉曼放大器(FRA) 由于具有噪声低、全波段可放大和利用传输光纤作介质在线放大等优点，是实现高速率、大容量、长距离光纤传输的关键器件之一3,4。自1996年英国南安普顿大学的J. C. Knight等人研制出世界上第1根光子晶体光纤（PCF）以来5，PCF的发展无疑成为近年来这个领域最引人注目的热点之一。与传统光纤结构的不同，光子晶体光纤特殊的包层微结构使其导光机制也完全不同，决定了它具有一系列传统光纤无可比拟的特性，如无限的单模传输、低的光纤损耗、灵活可控的色散、高双折射、更显著的非线性等特性68。全内反射型光子晶体光纤（TIR-PCF）是拉曼增益介质的新成员。通过调整几何尺寸（空气孔直径和孔间距）和掺锗浓度，PCF较常规光纤具有更高的拉曼增益系数9,10。目前，光子晶体光纤拉曼放大器还处在研发的初级阶段，全面的分析研究正在逐步展开1117。随着PCF衰减系数和瑞利后向散射系数的不断降低以及与传统光纤的耦合效率的进一步提高13，光子晶体光纤拉曼放大器必将在未来的高速DWDM光通信系统中发挥重要的作用。本文主要针对光子晶体光纤在拉曼放大器运用方面展开研究。在综合考虑光纤几何尺寸以及掺锗浓度的基础上，利用后向多抽运条件，进行了建模和数值仿真，并分析了光纤拉曼放大器增益、信号双重瑞利后向散射信噪比(OSNADRBS)、放大自发辐射信噪比(OSNRASE)等特性。同时，与基于单模光纤的拉曼放大器进行了全面的分析与比较，以说明PCF拉曼放大器优良的运用前景。2 理论分析由于光子晶体光纤具有较大的衰减系数和瑞利后向散射系数，正确评估放大自发辐射（ASE）噪声和信号双重瑞利后向散射（DRBS of signal）噪声显得十分重要。为此，在不考虑相位调制引起的信号扭曲及色散（包括多色色散和偏振模色散）的影响下，本文在文献4所描述的基本拉曼耦合方程的基础上，推导并采用以下方程组，以便描述抽运、信号、以及上述2种噪声之间的受激拉曼散射作用：(1) (2)(3)其中，上标+和-分别表示光波的正向和反向传输，表示在光纤z处波长为的信号或泵浦功率，表示信号的瑞利后向散射功率以及放大自发辐射功率，表示信号的瑞利后向散射功率，和分别表示在光纤z处波长为的光纤衰减系数和瑞利后向散射系数，表示波长为的抽运作用于波长处的拉曼增益参量，其具体表达如下(4)其中，表示拉曼增益系数()18，是计算所用拉曼增益系数谱线的泵浦参考波长19，是偏振因子，通常等于2。温度依赖的拉曼自发散射（RSS， Raman spontaneous scattering）表示为19(5)其中，h是普朗克常数，k是波耳兹曼常数，c是真空中的光速，T是温度。在基本拉曼耦合方程中4，描述了信号、抽运以及噪声之间的拉曼效应，突出了信号和总噪声（包括信号的瑞利后向散射噪声和放大自发辐射噪声）的传输规律，但未描述信号的双重瑞利后向散射噪声的传输特性。本文在文献4的基础上，将信号的双重瑞利后向散射噪声从总噪声中分离出来，将其单独描述，以便分析其对信号本身的影响。式(1)右边第一项描述了抽运和信号在光纤中的衰减传输，第二项描述了信号、抽运以及总噪声之间的拉曼效应，第三项是温度依赖的拉曼自发散射；式(2)右边第一项描述了总噪声在光纤中的衰减传输，第二项描述了总噪声、抽运以及信号之间的拉曼放大效应，第三项和第四项描述了总噪声、抽运以及信号由于温度依赖而产生的拉曼自发散射，第五项为总噪声的瑞利后向散射效应；式(3)右边第一项描述了信号瑞利后向散射噪声在光纤中的衰减传输，第二项描述了信号瑞利后向散射噪声分别与总噪声、抽运以及信号之间的拉曼放大效应，第三项描述了信号瑞利后向散射噪声由于温度依赖而产生的拉曼自发散射，第四项为信号及其双重瑞利后向散射噪声效应。信号的双重瑞利后向散射噪声与信号占用相同的波长带宽，因此在接收端这种噪声会与信号发生多径干涉（multiple-path interference），增加了信号的误码率20。在上述方程组中，信号的瑞利后向散射噪声被单独表示，便于评估光纤拉曼放大器2种不同干扰机制的光信噪比，即放大自发辐射光信噪比（OSNRASE）和信号双重瑞利后向散射光信噪比（OSNRDRBS）。OSNRDRBS表示为光纤接收端信号双重瑞利后向散射与信号的分贝比值(6)3 模拟计算和分析在数值仿真中，本文运用五阶龙格库塔（Runge-Kutta）法对式(1)式(3)进行数值计算，并结合加权增益对数求和法4获得一定带宽内的平坦拉曼增益。光纤步长定为50cm，最大光纤长度小于10km，噪声带宽设为1nm ，温度T=300.15K。20路L波段（1 5701 610 nm）信道被平均放置，每个信道的初始功率为10dBm。1 457nm、1 484nm和1 494.5nm，总功率为780mW。为了说明PCF几何尺寸与掺锗浓度对放大器性能的影响，选取两组不同参数的低衰减、单模光子晶体光纤作为拉曼增益介质9,21。其中，19.3%为目前PCF的拉曼相关参数齐备的最高掺锗浓度，d和分别表示空气孔的直径和间距。1) d/=0.44，=4.2m，GeO2为0%或GeO2为19.3%；2) d/=0.44，=3.2m，GeO2为0%或GeO2为 19.3%。两组PCF的主要参数指标见表1，其中抽运参考波长等于1 455nm，表示拉曼增益系数，表示有效面积，L是光纤长度。图1和图2分别显示了两组光子晶体光纤的衰减系数a(dB/km)和瑞利后向散射系数r(m-1)9,20,21。表1 2种掺锗浓度下，2种不同集合尺寸PCF的拉曼参数值/mGeO2/%gR/(Wkm)-1Aeff/m2L/km3.202.215.56.53.219.354.201.33254.219.33.28图1 两组光子晶体光纤的衰减系数曲线图2 2种掺锗浓度下两组光子晶体光纤的瑞利后向散射系数曲线从表1和图1、图2可以看出，对于空气孔间距为3.2m的光子晶体光纤，其拉曼增益系数较大。但是孔间距的缩小导致了拉曼有效面积的减少，使得其光纤衰减系数和瑞利后向散射系数较大。掺锗浓度的提高在增大了拉曼增益系数的同时，也同样导致了光纤衰减系数和瑞利后向散射系数的增大。由于掺锗浓度对瑞利后向散射系数的影响是主要的，而对光纤衰减系数的影响很小21，故假设光纤损耗系数在不同的掺锗浓度下保持不变。之所以选择PCF长度为6km，是因为通过仿真发现，PCF在该长度时，信号被拉曼放大最充分。图3是2种掺锗浓度下，两组光子晶体光纤的拉曼净增益曲线。当光纤几何尺寸保持不变时，拉曼净增益由掺锗浓度决定。以空气孔间距为4.2m为例，19.3%掺锗浓度的提高带来了约9.35dB的拉曼净增益。当掺锗浓度和空气比例d/不变时，尽管孔间距的变小增加了拉曼增益系数，拉曼净增益却降低了。即孔间距从4.2m减小至3.2m时，对于19.3%和0.0%的掺锗浓度，拉曼净增益分别降低了2.26dB和 2.47dB。这主要是由于空气孔间距的减少更大程度上增加了光纤的衰减系数。图3 2种掺锗浓度下两组光子晶体光纤的拉曼净增益曲线图4分别显示了2种掺锗浓度下两组PCF的信号双重瑞利后向散射光信噪比（OSNRDRBS）曲线以及放大自发辐射光信噪比（OSNRASE）曲线。从图中可以看出，当光纤几何尺寸不变而提高掺锗浓度时，2种光信噪比呈下降趋势。以孔间距为4.2m 的光纤为例，对于1 580nm波长处的信号，当掺锗浓度为零时，OSNRDRBS和OSNRASE分别为57.48dB 和32.41dB。当掺锗浓度提高为19.3%时，上述2种光信噪比分别下降了16.87dB 和16.55dB。这说明掺锗浓度对瑞利后向散射系数的影响很大。从图5中也可以看到，虽然孔间距的减小使拉曼图4 2种掺锗浓度下两组光子晶体光纤的信号双重瑞利后向散射光信噪比及放大自发辐射光信噪比曲线增益系数增大，但同时也导致了光纤衰减系数和瑞利后向散射系数更大程度的增大，从而降低了上述2种光信噪比。从上面对不同几何尺寸和掺锗浓度的光子晶体光纤拉曼放大器的分析和讨论中可以看到，几何尺寸和掺锗浓度对拉曼增益系数、光纤衰减系数和瑞利后向散射系数的影响是复杂的。在设计和优化光子晶体光纤拉曼放大器时，应综合和折中考虑光纤的几何尺寸和掺锗浓度，以获得最佳的拉曼净增益、信号双重瑞利后向散射光光信噪比及放大自发辐射光信噪比。下面，将光子晶体光纤拉曼放大器与常规拉曼放大器做全面地比较，来进一步说明光子晶体光纤在拉曼放大器中的应用前景。选取空气比例d/=0.44、孔间距=4.2m、掺锗浓度为19.3%的低损耗、单模光子晶体光纤作为拉曼增益介质。它与Corning公司生产的标准单模光纤（SMF）的主要参数指标见表2，其中抽运参考波长=1455nm。SMF长度取为25km，这是由于通过仿真发现，25km的光纤长度能最大限度地发挥拉曼放大器的性能。PCF的衰减系数和瑞利后向散射系数见图1与图2。SMF的衰减系数在抽运波长和信号波长处分别为0.25dB/km和 0.22dB/km，它的瑞利后向散射系数可看作常数，等于4。表2 光子晶体光纤（PCF）和标准单模光纤（SMF）的拉曼参数值光纤SMF-28PCFgR/(Wkm)-10.3493.28Aeff/m272.825L/km506.5在数值计算中，同样运用五阶龙格库塔（Runge-Kutta）法并结合加权增益对数求和法获得一定带宽内的平坦拉曼增益。光纤步长定为50cm，最大光纤长度小于50km，噪声带宽设为1nm ，温度T=300.15K。20路L波段（1 5701 610 nm）信道被平均放置，每个信道的初始功率为10dBm。在保证带宽内的增益平坦度不大于0.5dB的情况下， 图5显示了不同抽运能量下，计算所得的2种光纤放大器在1 590nm波长处的拉曼净增益曲线。对于同样的抽运能量，光子晶体光纤拉曼放大器具有较高的净增益。为了验证本节的理论，对与SMF相关的数值计算结果与文献4进行了比较。文献4在泵浦功率为160mW时，25km的SMF在相同带宽范围内获得了3dB的拉曼开关增益（见文献4之图29）；在本文中，上述相同条件下SMF获得了-2.6dB的拉曼净增益，即2.9dB的拉曼开关增益，说明上述理论模型的有效性。图5 25km SMF-28和6.5km PCF下的拉曼净增益与泵浦能量的关系曲线图6显示了计算所得的2种光纤放大器的放大自发辐射光信噪比（OSNRASE）和信号双重瑞利后向散射光信噪比（OSNRDRBS）与拉曼净增益的关系曲线，参考信号波长为1 590nm。对于一定的信号输入功率，随着抽运能量的增加，拉曼净增益进一步升高，而这2种光信噪比却进一步下降。OSNRDRBS不断下降的原因如前所述，在此不做赘述。对于OSNRASE而言，正向传输的放大自发辐图6 25km SMF-28和6.5km PCF下的放大自发辐射光信噪比和信号双重瑞利后向散射光信噪比与拉曼净增益的关系曲线射噪声、经历一次瑞利后向散射的反向传输的放大自发辐射噪声以及经历两次瑞利后向散射的正向传输的放大自发辐射噪声混合在一起，在接收端导致了OSNRASE的下降（三重以上的瑞利后向散射由于功率很小，基本可以忽略不计）。并且拉曼增益越高，混合的自发辐射噪声越大，从而造成放大自发辐射光信噪比的不断下降。由此可见，瑞利后向散射系数在拉曼放大器中起着关键的作用。由于较低的瑞利后向散射系数和衰减系数，标准单模光纤拉曼放大器具有较高的两种光信噪比。以拉曼净增益为10dB为例，标准单模光纤拉曼放大器的OSNRASE和OSNRDRBS分别提高了6.46dB 和6.99dB。4 结束语本文分析了基于光子晶体光纤的拉曼放大器的性能。在后向多泵浦的情况下，利用2种几何尺寸的光子晶体光纤，在2种掺锗浓度的条件下，研究了拉曼净增益、放大自发辐射光信噪比以及信号双重瑞利后向散射光信噪比的变化情况。同时，将其与单模光纤拉曼放大器进行了全面的分析比较。从分析和比较的结果可以看出，由于PCF拥有较高的拉曼增益系数较差的光纤衰减系数和瑞利后向散射系数，使得光子晶体光纤拉曼放大器在具有较高的拉曼净增益的同时，上述2种光信噪比却较低。这就要求在设计和制作PCF中，在合理选择光纤的几何尺寸和掺锗浓度的基础上，应进一步降低光纤衰减系数和瑞利后向散射系数，使光子晶体光纤拉曼放大器在实际的DWDM光通信系统中发挥其巨大的潜力。参考文献：1NAMILI S, IKEGAMI Y, SHIRASAKA Y, et al. 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