针对WDM系统,参数可变的光纤放大器的传输可行性分析.doc

针对WDM系统，参数可变的光纤放大器的传输可行性分析1.简介近几年，可变参数的光纤放大器（FOPAs）吸引了众多光纤领域的研究者的兴趣，这是因为，它具有高效率，高带宽的放大能力，并且波长可变。它们也是全光学网络系统的很好的选择。FOPAs正被作为补偿光纤损耗和增加无中继传输距离的放大器研究着。研究者论证了几千公里长无中继距离下，成百上千个信道传输的WDM系统，并且还论证了无衰减，对相位不敏感的FOPA的很多理论，包括造成拉曼损耗和增益的光纤介质的响应时间。低噪声指数在这些放大器中是最重要的焦点，这是因为，沿着放大器的噪声的累积必须减小到最低。报道指出，相位不敏感的参数可变的放大器的噪声指数，超过了理想的相位不敏感的普通放大器3dB。另一个运行可放大的WDM传输系统的难题是增益的均匀性。由于FOPA的增益谱线是不统一，并且增益谱线依赖于波长，所以WDM系统中的每个信道都会得到不同的光学增益，这会导致在长距离传输系统的某个确定信道中，产生不可接受的BER。因此，我们做了很多努力，来制作可以使所有信道中的输出功率相等的元件。我们提出了很多方案，包括增益平坦过滤器，例如法布里波罗或者可调谐的马赫泽德干涉仪。为了保证长距离传输系统的性能，我们在系统中必须应用一种可行且有效的增益平坦技术。这篇文章中，我们对有拉曼效应的单泵浦的FOPA模型做了数值分析。这之后，我们设计，分析并优化了一个基于FOPA的WDM传输系统。2.分析有拉曼效应的单泵浦的FOPA的数学模型在2.1中给出了，2.2设计并计算了一个使用FOPA的长距离WDM传输系统，它使用端到端的等值化，并且基于不同长度的光纤。2.3对于这些结果做了比较并提出了关于这些结果的分析。2.1 FOPA的数学模型FOPA的单泵浦形式也被叫做衰减形式，双泵浦形式就叫做不衰减形式，这两种形式都在【5】中描述出了。单泵浦的FOPA的可变增益可以被表达如下：当FOPA相位不敏感时，我们在Stokes（反Stokes）频率上输入一个不变的信号，这时反stokes（stokes）频率上的输入信号保持在空白状态。我们将NF（噪声系数）定义为，j=s(a)，信号频率要在Stokes（反stokes）频率上，并且SNR必须是信号和噪声的比率。由于拉曼效应，噪声系数受限的FOPA增益超过了正常光纤放大器3dB。当入射信号光子数量比放大器增大的多很多时，我们用下式计算NF：式中，它T温度下的光子数。是普朗克常量除以2，k是波尔兹曼常数，Wa，Wp，Ws分别是泵浦频率，stokes频率和反stokes频率。的假设在标准光纤中是有效的。这表示频率域中的非线性响应的实数部分是关于泵浦频率对称的，而虚数部分则是和泵浦频率反对称的，Uj，Vj可以被简化为：这里是泵浦功率，单位为W，复合增益系数g被定义为：是由色散产生的相位延迟，是群速度色散系数。是频域拉曼响应函数。我们为拉曼效应下的单泵浦FOPA创建了一个数学模型，这将在以后被应用于WDM传输系统中。图1显示了它的增益和NF光谱。图1：泵浦波长1537.6nm，功率1.5w，用1km的DSF制作的FOPA的增益（实线）和NF（虚线）。零色散波长为1537nm，色散斜率为0.034ps/(nm2*km).非线性系数为1.8/(w*km).DSF的拉曼增益系数的最大值为0.8/(w*km)，温度为300k。2.2 由FOPA放大的长距离WDM传输系统的设计图2.使用FOPA的长距离WDM传输系统的结构图。通过常规光纤传输着8个信道（总功率为-3dBm）。损耗由FOPAs来补偿。在多路选择器之前使用了一个前置放大器。2.2.1 系统结构我们的主要任务是设计和数值分析一个使用了FOPA的长距离WDM光学传输系统。系统的结构图在图2中给出了。系统包含了8条2.5Gb/s外部可调，相隔0.4THz的信道。每个发射机包含一个随机比特序列发生器，一个NRZ脉冲发生器，一个连续激光器，一个马赫泽德调制器。多路复合器之前的信号总功率为-3dB，所以每个信道功率为-12dB。然后8个信道复合了，信号由衰减系数为0.2dB/km的常规光纤传输着。系统中的光纤损耗和额外损耗都有FOPA来补偿。FOPA由波长为1537.6nn，功率1.5w的泵浦光泵浦。多路接收器之前有一个前置放大器。误码率（BER）把内部干扰，自发辐射噪声和探测器高斯噪声考虑在内了。在BER分析器之前，在每个信道，我们使用了光探测器PIN，低通滤波器，和3R发生器。2.2.2 WDM传输系统中的FOPA的特征我们测试了传输系统中的FOPA模块的性能。8个信道中我们都使用-12dB的输入信号。图3显示出了经过1km长FOPA之后的信号功率。由连接到FOPA输出端的WDM分析仪，我们获得了一系列数据，它们显示出了输出性质。显示出图像和FOPA数学模型中的谱线图吻合得很好。通过这些特性的判断，我们觉得FOPA性能很好。2.2.3 端到端等值化我们描述出了一个端到端等值化方法，来使输出功率或者SNR在EDFA放大器系统中的WDM各个信道中相等。我们不需要新的光学元件。可以通过基于输出端获得的信号，使用不同的衰减器调整发射功率（负反馈）来实现等值化。为了使输出功率相等，我们只需要使用衰减器来调整个别输入信号，此时保证总的输入功率为常数。第i个通道的新的输入信号功率被调整为：Ptotal是多路复合器之前的总的信号功率（-3dBm），Gi是第i个通道的增益。还需要一个类似的校正法则来使SNR相等。第i个通道的发射功率需要调整为：我们提出了一个分析，来预测使用了功率和SNR端到端等值化的WDM光波系统的性能。和功率等值化相比，SNR等值化的性能随着信道数，比特速率和接收机动态范围的增加而有提高的趋势。在我们设计来做数值分析的长距离传输系统中，尽管输出功率可以很简单的由功率等值化来实现相等，但这可能会在有些信道中由于低信噪比，而使BER不可接受。因此，我们不仅在模拟中使用了等值化技术，还选择了对于每种情况均能获得更好系统性能的系统。2.2.4 长距离传输我们使用光谱分析仪（OSA）来显示频域中的可调的光信号，WDM分析仪来对每个光信号通道中的信号和噪声功率的数值结果进行监测。在可放大的WDM系统中，SNR和BER作为一个系统的性能参数而被监测着。在大多数情况下，低于10-12 的BER是认为可接受的，输出功率范围也不能超过接收器允许的动态范围（这种情况下位-30dBm到10dBm）。因此，我们调整光纤的长度，并渐渐增加的数量来平衡传输距离。功率或者端到端的等值化被使用来使系统性能更好。对于光纤长度的每个值（从到，每次增加），我们寻找传输系统中可以使用的放大器的最大数目。通过比较不同长度下的结果，我们最后得到了最佳的长度，来在上面提到的系统中，在理想的性能下，获得最大传输距离。光纤长度我们将光纤长度首先设置为。然后我们渐渐增加放大器来寻找系统中放大器的最大数目，此时和输出功率特性在可接受水平内。图显示了输出信号（红色）和噪声（绿色）功率。图传输系统中的的输出特性。信号输入功率均为。旁边的表显示了信号频率，输出信号功率，和。图：使用长光纤传输了之后的输出信号（红色）和噪声（绿色）。没有使用等值化方法。旁边的表显示出了信号频率，输出信号功率，SNR和BER。我们发现虽然在所有信道中BER都很好，但是一些信号功率太高了（失调到了47dB）。我们选择使用功率端到端等值化。图5显示出当输入功率按照（6）调整时的输出功率。输出功率很好的被等值化了。在这种情况下，SNR等值化没有功率等值化做的好，虽然在所有8个信道中SNR已经很好了。在使用了三个SNR等值化法则后，输出性质已经和我们获得的结果很接近了，在这种情况下，大多数信道中的噪声没有积累到一个可测量的水平，使SNR相等最后变成了使信号功率相等。当光纤长度设置为30km长时，我们发现放大器的最大数目为3.当我们继续增加到4时，虽然SNR和BER仍然在每个信道中都很好，但是信号功率在端到端的等值化之后保持在了18dBm。我们将光纤长度由30km开始每次递增5km到65km，然后重复上面的操作。某些典型长度的结果被选择出来了，显示如下：40km光纤长度。当光纤长度设置为40km时，最大的放大器数目为6.在使用端到端等值化之后，系统在各个信道内斗获得了相等的输出功率和好的BER。（见图6）。当我们增加到7时，功率等值化已经不再可用了，因为它使传输功率太低。图5：和图4类似，除了输入功率按照等值化调整了图6：使用40km光纤传输240km之后的输出功率（红色）和噪声功率（绿色）。旁边的表显示了信号频率，输出信号功率，和。L=50km。当光纤长度50km长时，我们渐渐增加放大器数目到6.这种情况下，信道4中的BER被发现不再很好了（只有1.62*10-2），这是因为这个波长下的放大器增益不够大来补偿长光纤中的信号衰减。我们然后使用了端到端的等值化。图7显示出了所有信道中均可接受的BER的优化后的系统。当我们增加到7时，功率等值化又不能使用了，由于不可接受的低传输功率。SNR等值化产生了好的BER特性，但是最后2个信道中信号功率比允许值稍微高了点，见图8.L=55km。光纤长度为55km时，我们可以增加放大器数目到7，这是我们使用不同长度的光纤所得到的最大的数目。当光纤长度变长时，接近泵浦频率的信号有更大的功率损耗，这产生了不可接受的BER。图9显示了SNR等值化之后的输出性质。增加放大器到8时，功率等值化和SNR等值化都不能优化来使系统达到一个好的水平。即使接近泵浦频率出信道中的SNR和BER均很好，但是由于信号功率太低，它们仍然不好。2.3 结果比较。这部分，没我们总结了结果，并且基于以下的图表做了一个比较。图10显示出了我们在长距离WDM传输系统中可以获得的最大的传输距离。最大传输距离由光纤长度和系统中可支持的放大器的数目所决定。我们使用了端到端的等值化来优化系统，来获得更多的放大器，但同时必须保证在所有8个信道中BER低于10-12 ，并且信号功率必须限制在-30dBm和10dBm之间。我们发现在这个系统中，放大器最大数目和最长传输距离都在光纤长度设置到55km时获得了，最长传输距离是385km。图7：使用50km光纤传输300km之后的输出功率（红色）和噪声功率（绿色）。旁边的表显示了信号频率，输出信号功率，和。图8：使用50km光纤传输350km之后的输出功率（红色）和噪声功率（绿色）。旁边的表显示了信号频率，输出信号功率，和。图9：使用55km光纤传输385km之后的输出功率（红色）和噪声功率（绿色）。旁边的表显示了信号频率，输出信号功率，和。图11显示了当将FOPA的数目加到最大时，在八个信道中得到的平均BER和SNR。我们发现，平均SNR随着光纤长度而单调减小。这可以理解为在通过更长距离光纤之后信号功率衰减得更多，但是噪声占据经过放大之后的信号的比率却持续增长了。并且从图5到图9中的噪声图形可以看出，随着光纤长度的增加，在经过最大传输距离之后，噪声功率开始淹没信号，降低了SNR并使BER变坏。对于长度为30到45km的光纤，所有信道中的BER都是0，这是由于高的SNR和信号功率。我们在图12中将经过不同长度光纤传输，在经过了可获得的最大传输距离之后，个别信道中的SNR和BER的特性更进一步的展现出来了。我们发现每个信道中的SNR都随着光纤长度的增长单调减小。了解经过不同长度光纤传输的八个信道中的SNR的分布是一件很有趣的事情。对于长度为30km到50km的光纤，我们选择功率等值化来优化系统性能，这是由于这些情形下，SNR和BER特性甚至在等值化以前就已经很好了。因此，对于35到50km的光纤，SNR分布形状都很像，近似关于中心频率对称。中心处SNR更高，这是由于在这个频率域中的增益要小些，这使得在信号功率等值化为同一值时，可以得到更小的累积噪声。对于长度为55到60km的光纤，我们选择等值化来优化系统，这是因为在这些情形下SNR可以被接受，但是由于信号功率太小，BER很差。尽管信号功率可以被等值化到更高的功率，某些信道中的BER仍然不可接受。但是，随着SNR的等值化，所有信道中的BER变得可令人满意，并且信号功率仍然保持在了限制范围内。因此，对于55到65km长的光纤，SNR分布近似统一。但是我们必须指出当SNR等值化过后，相邻信道中功率会不相同。但是，如果信道空间减小或者信道不被设置到一个增益差别很大的频域，这些困难就可以避免。更进一步的，这篇文章中使用的FOPA模型由单泵浦来供能，它的增益谱线在放大器带宽内不平坦，很明显的在接近于泵浦频率的时候会凹下。这个大的增益凹陷在经过几个放大器之后就更加严重了，这时，泵浦功率处的信号功率远小于失调区的功率。我们在以后的研究中可能会用到双泵浦的FOPA结构，这可以更加自由的优化增益平坦度。最后，对于30km长的光纤，SNR的分布也不均匀，对于这种情况，大多数信道中的噪声还没有累加到可测量的水平，功率等值化就等同于SNR的等值化。最后，我们对应用了FOPA的光学传输系统和应用了EDFA或FRA的做下比较。传输系统结构必须确保相同，而不是使用不同的放大器。传输距离设置到385km，使用七条55km的光纤。我们渐渐调整八个信道中的传输功率来得到相应的BER特性。为了优化增益和SNR的不平衡性，我们在三个使用了FOPA，EDFA或的长距离系统中使用了端到端的等值化，这样使得所有信道中的几乎在相同的水平。图