FRA与EDFA的混合应用案例.docVIP

FRA与EDFA的混合应用案例FRA与EDFA的混合应用案例一、FRA与EDFA的历史背景随着现代通信业的迅速发展，需要交换的信息量成指数增长，这就要求通信系统具备更高的传输容量，即通信线路要具备更大的带宽。实现宽带放大有两种思路：一种是完全由拉曼光纤放大器( FRA) 实现，通过多泵浦的复用达到宽带放大的目的，泵浦越多则带宽越大，但泵浦数目的增多又给其实际应用带了困难，它不仅提高了系统的成本，同时使泵浦复用变得更加复杂，而且使得增益均衡的难度加大；另一种思路是利用业已成熟的掺铒光纤放大器( EDFA) 技术，将 FRA 和 EDFA 相结合构造宽带放大器，这样可大大减少所需泵浦数却能实现较大( 80 100 nm) 的带宽，且增益均衡也比较容易。FRA和EDFA混合使用是当前研究的热点。FRA和EDFA 混合使用是当前研究的热点。FRA的带宽很宽且噪声较低，但增益不及EDFA；而EDFA增益较高，但噪声系数和带宽不如FRA，将两者混合使用，可以融合两者的优点。二、FRA与EDFA混合原理1.1FRA的理论基础拉曼光线放大器的工作原理基于石英光纤中的受激拉曼散射机制(SRS)，利用硅光纤中的内在属性进行信号的放大。在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光得到放大，图1给出了FRA的工作原理。1.2EDFA的理论基础对EDFA进行分析建立在传输方程和速率方程的基础上。采用泵浦功率为100mW、泵浦波长为980nm的EDFA，粒子的跃迁过程发生在三个能级之间。又由于能量较高的两个能级之间的跃迁是一个快速的非辐射跃迁过程，最高能级的粒子数可以被忽略，三能级系统可以简化为二能级系统得到的EDFA传输方程如下：式中：G为增益，Psout为光纤末端的输出信号功率，Psin为输入信号光功率。求解以上式子，可得到EDFA的增益谱，如图4所示可以看出，EDFA的泵浦增益曲线与数目较少的FRA一样，并不具有理想的带宽。 如果分别调节FRA和EDFA(选择合适的波长和功率，控制混合放大器的噪声系数)，就可以使二者叠加后的增益谱互补，实现最大程度的带宽和平坦度。图5所示为混合光纤放大器的设计框图。共有三部分构成：FRA、增益均衡器及EDFA。 三、FRA与EDFA的混合应用1、混合光纤放大器的特点及其在DWDM系统中的应用以下通过介绍近年来各类 HFA 的实验结果和在 DWDM 系统中的应用表明了 HFA 在带宽、增益谱、信噪比和传输距离等方面的优点。表1给出第一类和第二类 HFA 的 3 个例子及其实验结果，其中拉曼放大器的增益介质均为色散位移光纤( DSF)，长度约为几十公里。由于所采用的泵浦波长和功率的不同，得到了不同的带宽、增益和噪声特性。如今， 已利用 HFA 实现了在 L 波段上传输 1.22 TbitPs 的 DWDM 系统，系统传输带宽为 38nm，传输距离可以达到7221km。其中分布式拉曼放大器的增益介质为57km 的正色散光纤和23km 的负色散光纤。L波段的 EDFA 采用0.98Lm 和1.48Lm的双波长泵浦。拉曼增益的峰值波长为1566nm 和1608nm, 增益峰值波长位于EDFA单波段的边缘。WDM 信 号 的带 宽 为38.2nm (1569.7 1607.9nm) , 获得的平均的拉曼增益和 EDFA 增益大约为7dB 和 10dB, 合成增益约为17dB。从表 1 可以看出，第一类和第二类 HFA 采用的分布式拉曼放大器的增益介质均为几十公里的DSF, 对于已经铺设的光纤线路，采用这种放大器是很不实际的。但对新铺设的光纤线路( 色散位移光纤)，采用分布式拉曼放大器则具有一定的优越性。表2给出第三类和第四类HFA的实例及其实验结果，它们均采用短距离的拉曼光纤构成分立式放大器。这两类放大器可以不用考虑采用哪种类型的传输光纤，并且可以充分利用现有资源，便于商业化的发展。从以上的实验实例可以看出, HFA可以为DWDM系统提供的带宽比单独的FRA以及EDFA所能提供的带宽要大的多。例如，1997年采用第一类HFA结构的第一个宽带混合放大器所取得的3 dB带宽为65nm而依照当时的水平，只采用一个掺饵光纤放大器，所能获得的带宽水平分别为：在1 545 nm 附近产生33 nm带宽(采用980 nm泵浦和均衡器)和35nm带宽(采用1480nm泵浦和基于氟化物光纤的EDFA) ，在1580 nm 附近产生40 nm 带宽(采用1550nm泵浦或1550nm和1480 nm双波长泵浦) ,而且 HFA的输出增益也非常高。例如表2中列出的第四类HFA，加增益均衡器后的净增益的峰值为28.1dB, 如果不采用增益均衡器获得峰值增益可以达到30.6dB。从噪声特性方面来看,HFA也可以获得较为理想的噪声特性。以1999年NTT实验室推出的HFA为例，所获得的光信噪比如图3所示。图中示出了在0.2nm光带宽内的混合放大器的光信噪比,还和在相同条件下测量的离散EDFA的光信噪比曲线作为比较。从图中可以看出, 在整个1.5dB带宽67 nm范围内，混合放大器的OSNR比具有3dB 噪声系数的离散EDFA的OSNR要高出0.534.7dB。除了上述优点外, HFA还能增加系统的中继放大器距离。2、FRA和 EDFA的结合及增益谱均衡直接将FRA 和EDFA 的增益谱进行迭加其效果显然不能令人满意(图4) ，为了能获得大的带宽和足够平坦的增益谱，需对EDFA 的增益谱整形使之与FRA 的增益谱/ 相配合0， 采用高斯形状的光滤波器来对EDFA 的增益谱进行处理。滤波器函数为：决定这样一个光滤波器的衰减形状需3 个参数：最大衰减参数 A、中心波长参数K ce n和带宽参数 R。2.1用遗传算法均衡增益谱在决定所要采用的滤波器数目以及各滤波器参数时采用了遗传算法。遗传算法是一种仿效生物的进化与遗传， 根据/ 生存竞争0和/ 优胜劣汰0的原则，借助复制、交换、突变等操作，使所要解决的问题逼近最优解的算法。应用此算法对EDFA 和FRA 结合所得的增益谱进行了增益均衡优化。根据图4可以确定滤波器的目标曲线(图 5) ，据此选取了4 个高斯型光滤波器级联来实现这一均衡。 图4 图5 ( 1)编码和染色体初始化4个滤波器共12个滤波器参数(基因)需要优化，染色体形式为 A 1，K 1， R1，A 2， K 2， R2， A 3， K 3， R3，A 4，K 4，R4 。根据目标曲线形状作如下的限制： 0 A 1； 1 nm R 25 nm；1 530 nm K 1 1 540 nm ( K 2、K 3) 1 580 nm K 4 1 610 nm。 随机初始化产生一组染色体，尽量覆盖整个搜索区域。( 2)计算适应度一条染色体中参数所得的衰减曲线与目标曲线越接近则适应度越高。 适应度函数用下式来表示：式中j 表示第j 条染色体，n 表示衰减曲线(目标曲线)上所取点数，而i 表示曲线上第i 点， F 为上面提到的滤波器函数，J 代表染色体条数,它依据经验确定，越大则覆盖面越大，但运算量相应增大。( 3)复制、配对、交换和突变在父代染色体中选取适应度高的一群复制到下一代， 再利用配对和交换来一起产生子代染色体。加上突变产生的染色体，保持了群染色体的数目不变。本文选取了父代染色体中适应度高的38%复制到下一代。由于光滤波器的各个参数是可以连续变化的，按照如下方法由两个染色体配对再产生3 个新的染色体： ( A+ B) / 2， min( A， B) + | A- B| / 4,，max ( A，B) - |A- B| / 4. 5%的染色体由突变产生。突变发生时，由随机挑选的基因值乘以0. 8 1. 2 之间的一个随机数来产生新的基因。( 4)迭代重复以上的步骤,直到得到要求的结果， 或者预先设定遗传的迭代次数完成。最终得到的均衡结果在80 nm的带宽区域里，增益21 dB 附近波动小于1 dB(增益最高点与最低点之差值) 。所得到的4 个光滤波器的参数分别为：A 1= 0. 775 54, K 1= 1 532. 96, R1= 3. 65; A 2= 0. 805 27, K 2= 1 560. 06, R2= 8. 94；A 3= 0. 573 38, K 3= 1 547. 83, R3= 7. 68; A 4= 0. 782 09, K 4= 1 603. 66, R4= 12. 5。经光滤波器整形后的EDFA 增益谱见图6，整形后的EDFA 增益谱与FRA 增益谱叠加得到的总的增益谱见图7。图6图72.2系统噪声分析光放大器件的噪声特性一般用噪声系数( NF)来衡量。声系数定义为放大器件输入端的信噪比和输出端的信噪比的比值，NF = SNR in/ SN R out 。EDFA 的噪声系数可用下式计算：其中，G 是信号的增益，s是信号的频率，h 是普朗克常量，S +ASE( v s，L )是在 L 处、率为 v s的ASE 光的功率谱密度值。似的，FRA 的噪声系数也可用EDFA 噪声系数公式计算，同的是 FRA 中的噪声主要来自于自发拉曼散射，以用自发拉曼散射的功率谱密度值代替上面的 S +ASE( v s，L)即可。于整个系统，可以将之分为EDFA均衡器和 FRA 共三级。则整个系统的噪声系数NF 1、NF 2、NF 3分别是三级的噪声系数，G 1、G 2 是前两级的增益。式中均衡器的噪声系数NF2可以忽略。计算，得的噪声系数谱如图8 所示。整个增益平坦区内 NF 6 dB。 中可以看到，只用了3 个泵浦( EDFA 用到1 个FRA 用到 2 个) 就能获得80 nm 的带宽,增益达到20 dB 以上，带内增益波动小于1 dB(增益最高点与最低点之差值) ，噪声系数小于6 dB。这比起完全由多泵浦复用的FRA 实现宽带放大而言，本和复用难度的降低是极其显著的。值得一提的是，利用以上方法来实现宽带放大，波器的选取是关键。图83、混合放大器的泵浦、结构和优缺点（1）泵浦设计1998年曾经报道了第一次用HFA来增加长距离传输系统中的中继间隔的实验。实验采用8 2.5GbitPs的WDM传输系统，测试波长范围为1554.51561.5nm，信道间隔为1.0nm，传输距离为5280 km，能够达到的中继放大器间隔为240km。图4是一段中继间隔的简略图。每段间隔由4放大器组成，实验中每240km采用了一个分布式拉曼放大器和三段掺饵光纤，三段掺饵光纤之间的距离间隔为80km，传输光纤为色散位移光纤，每240 km插入2个泵浦源，每个泵浦源的输出波长均为1480nm，输出功率为1.2W。第一个放大器是由泵浦源通过一段低损耗的石英光纤远程泵浦EDF1形成的，其余3个放大器是由第二个泵浦源后向泵浦形成的，其中拉曼放大器在80km的DSF上获得的净增益约为14dB。每段间隔有3个隔离器来减少由瑞利反射引起的多径干扰。实验获得的一段间隔内的信号功率如图5所示，其 EDF1、EDF2、EDF3和拉曼放大器的总增益大约为50dB，恰好可以足够补偿传输光纤的损耗，所有信道的接收的光信噪比大约可以达到13.5dB。如果在相同的实验环境下,不用拉曼放大器而只用 EDFA，最大中继放大器间隔只能为80km。增大中继放大器间距对于超长距离光纤通信，例如海底光缆通信是非常有价值的。（2）结构FRA的带宽很宽且噪声较低, 但增益不及EDFA; 而EDFA增益较高, 但噪声系数和带宽不如FRA, 将两者混合使用, 可以融合两者的优点。混合掺饵/拉曼光纤放大器的基本思想就是将掺饵光纤放大器和拉曼光纤放大器级联，组成混合放大器，获得的总增益为两个放大器增益的叠加。图2.1 EDFA/FRA混合放大器的结构如图2.2给出了EDFA/FRA宽带混合放大器的结构图，图中为减小噪声，拉曼光纤放大器采用反向泵浦的方式，它与EDFA 级联形成两级放大，EDFA 也采用反向泵浦以提高激光效率。为减小放大器的增益起伏，两者之间插入增益均衡器。四、光纤放大器的前景和市场光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据光纤放大器在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大三种。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器(EDFA)、半导体光放大器(SOA)和光纤拉曼放大器(FRA)等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统(雷达多路数据复接、数据传输、制导等)等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。密集波分复用系统在光纤传输系统中已成为技术主流，作为DWDM系统核心器件之一的光纤放大器在其应用中将得到迅速发展，这主要是由于光纤放大器有足够的增益带宽，它与WDM技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量，延长中继距离。在光纤接入网中，尽管用户系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光纤放大器来提高光信号的功率以补偿光分配器造成的光损耗和提高用户的数量，降低用户网的建设成本。在光纤CATV系统中，随着其规模的不断扩大，其链路的传输距离不断增长，光路的传输损耗也不断增加，将光纤放