鞏稼民,張玉蓉,毛俊杰,田 寧,徐雨田,何佳蔓,尤曉磊

(西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

1 引 言

目前5G技術(shù)不斷普及,未來光纖通信系統(tǒng)對通信帶寬的要求更高,對傳輸容量的需求也急劇上升,光通信不斷朝著“三超”[1]的全光網(wǎng)絡(luò)[2]發(fā)展。拉曼光纖放大器(RFA)可放大任意波段的信號光,為實(shí)現(xiàn)寬帶放大提供了保障,具有很好的應(yīng)用前景。

同時(shí)更節(jié)約資源的微結(jié)構(gòu)光纖可滿足5G高密度組網(wǎng)的需求。1996年,英國南安普頓大學(xué)J.C.Knight首次提出了光子晶體光纖(PCF)[3],其具有單模傳輸特性、易控色散色散特性、高非線性等[3-5]特性?？赏ㄟ^調(diào)整包層中空氣孔的大小、形狀、數(shù)量及分布,改變包層折射率,設(shè)計(jì)成模場面積較小的微結(jié)構(gòu)光纖,在非線性方面,光子晶體光纖可以提供比傳統(tǒng)光纖高10～100倍的非線性增益系數(shù)。2009年,C.E.S.Castellani等人所設(shè)計(jì)的基于光子晶體光纖的多泵浦拉曼光纖放大器放大帶寬為40 nm,平均增益為0.71 dB[6]； 2018年,李思平等人利用兩泵浦和兩段光子晶體光纖級聯(lián)設(shè)計(jì)的RFA達(dá)到了61 nm的放大帶寬,22.8 dB的平均增益,0.42 dB的增益平坦度[7]?？梢娭暗难芯课丛谠鲆?、帶寬和增益平坦度三方面同時(shí)達(dá)到較高的水平。

本文采用多泵浦與光子晶體光纖級聯(lián)技術(shù)相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)出一種寬帶拉曼光纖放大器結(jié)構(gòu)。選取四段材料相同的光子晶體光纖進(jìn)行級聯(lián),實(shí)現(xiàn)兩級接力式放大,在提高輸出增益的同時(shí)降低增益平坦度,并且在第一級放大中加入多泵浦技術(shù),達(dá)到擴(kuò)大放大帶寬的目的。對拉曼增益譜進(jìn)行線性擬合,推導(dǎo)出多泵浦和光纖級聯(lián)相結(jié)合的拉曼光纖放大器增益平坦輸出的約束表達(dá)式,最后分析了泵浦光和光纖長度對拉曼光纖放大器的性能影響。

2 基本原理

2.1 拉曼基本放大原理

在忽略瑞利散射以及自發(fā)輻射的穩(wěn)態(tài)情況下,考慮了泵浦光與泵浦光之間、信號光與信號光之間、泵浦光與信號光之間由于受激拉曼散射(SRS)[8]產(chǎn)生的能量傳遞,以及傳輸過程中光纖對泵浦光和信號光能量的損耗。此時(shí),RFA的理論模型可用下面耦合微分方程表示[9]:

(1)

式中,ni(0)為各信道在z=0處入射的初始光子通量(單位時(shí)間內(nèi)垂直流過光纖有效截面的光子數(shù)),不隨時(shí)間變化的恒定值;ni(z),nj(z)表示z處i,j信道中前向傳輸?shù)墓庾油?αi是第i信道中光信號的線性衰減系數(shù);rij為i,j信道之間光子通量的拉曼增益效率其中拉曼增益效率和拉曼增益系數(shù)之間的關(guān)系是rij=gpi/Aeff;Aeff[10]是光纖的有效截面積,其中g(shù)pi是泵浦光與其他信道的信號光的拉曼增益系數(shù);M是保偏系數(shù),取值一般為1或2[11]。

在放大器情況下,泵浦光功率遠(yuǎn)大于信號光功率ppi(0)?pi(0),各路信號光功率在光纖中的變化表達(dá)式為:

(2)

2.2 寬帶拉曼光纖放大器結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)寬帶拉曼光纖放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示,信號光λi波長范圍是[1483 nm,1575 nm],第一級放大中多路信號光和兩個(gè)泵浦光λp11,λp12通過光合波器進(jìn)入第一段放大光纖,在光纖中進(jìn)行充分的SRS使各路信號光得到不同程度的放大,經(jīng)濾波器濾除掉兩路泵浦光λp11,λp12,多路信號光和兩路泵浦光λp21,λp22經(jīng)過耦合器進(jìn)入第一段補(bǔ)償光纖,各路信號光得到不同程度補(bǔ)償,最終回歸到同一放大增益,濾波器濾除兩個(gè)泵浦光λp21,λp22；多路信號光與一個(gè)泵浦光λp3耦合進(jìn)第二段放大光纖,進(jìn)入第二級放大,各路信號光再次得到不同程度放大,通過濾波器濾除泵浦光λp3,泵浦光λp4與多路信號光通過耦合器進(jìn)入第二段補(bǔ)償光纖,使各路信號光再次補(bǔ)償?shù)浇仆环糯笤鲆?最后通過光解復(fù)用器將各路信號光和泵浦光λp4濾出,并且將信號光發(fā)送到接收端。

圖1 寬帶拉曼光纖放大器結(jié)構(gòu)圖

由于各路信號光經(jīng)過第一次放大,被放大程度不同,波長較短的信號光被放大的程度不及波長較長的信號光,直接對放大程度不同的信號光進(jìn)行二次放大,波長較短的信號光和波長較長的信號光被放大的程度更加拉大,則第二次補(bǔ)償很難在使用較短長度的補(bǔ)償光纖下,將各路信號光的輸出功率補(bǔ)償?shù)酵恢?故進(jìn)行兩次放大補(bǔ)償。在第一級放大中加入多泵浦技術(shù),使得放大帶寬得到提升,同時(shí)兩級放大使得輸出增益得到提高并且得到較低的增益平坦度。

2.3 增益平坦化原理

這里選用光子晶體光纖,圖2是當(dāng)泵浦波長為1450nm時(shí)對應(yīng)的光子晶體光纖拉曼增益系數(shù)譜[10]。光子晶體光纖的增益范圍很寬,當(dāng)頻移范圍在[0,13]THz之間,其拉曼增益系數(shù)與頻移呈正相關(guān)；當(dāng)頻移范圍在[13,30]THz之間,其拉曼增益系數(shù)與頻移呈負(fù)相關(guān),在13 THz時(shí)增益譜達(dá)到譜峰。

為了實(shí)現(xiàn)輸出增益平坦化,利用光子晶體光纖增益譜上升沿和下降沿增益互補(bǔ)的特性,用泵浦光對應(yīng)光纖增益譜的上升沿作為放大部分,用增益譜的下降沿作為補(bǔ)償部分,從而實(shí)現(xiàn)增益的互補(bǔ)。

圖2 光子晶體光纖拉曼增益譜

(3)

(4)

表1 拉曼增益譜線性擬合

根據(jù)圖1設(shè)計(jì)拉曼光纖放大器結(jié)構(gòu),假設(shè)第一級放大的放光纖長度為L1、補(bǔ)償光纖長度為L2,第二級放大的放大光纖長度為L3、補(bǔ)償光纖長度為L4,結(jié)合式(2),在光纖長度L1+L2+L3+L4處各信道的輸出功率表達(dá)式如下:

(5)

拉曼增益表達(dá)式如下:

(6)

令式(6)中:

(7)

將光纖增益譜擬合結(jié)果代入式(7),整理可得:

由式(8)可見輸出增益G中信號光初始頻率vi是變化值,故當(dāng)輸出增益G與信號光初始頻率vi無關(guān)時(shí),實(shí)現(xiàn)輸出增益平坦。為使G與信號光頻率無關(guān),則使含有信號光初始頻率vi的項(xiàng)系數(shù)等于零,整理得式(9)是實(shí)現(xiàn)增益平坦的約束條件,如下:

(9)

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

所設(shè)計(jì)的拉曼放大器模型分為四個(gè)部分。第一部分為第一級放大,設(shè)定泵浦波長分別為λp11=1475 nm,λp12=1440 nm,設(shè)定泵浦光輸入功率為pp11=1 W,pp12=1 W,兩個(gè)泵浦光和全部信號光的頻移范圍滿足[8,12.6] THz。根據(jù)頻移公式計(jì)算出被放大的信號光波長范圍為λi∈[1483,1575]nm,信道間隔為1 nm,則信號光共92路,設(shè)定信號光的初始功率均為0.01 nm,L1=0.1 km。第二部分為第一級補(bǔ)償,兩個(gè)泵浦光和全部信號光的頻移范圍為[14,16] THz,在第一部分中已經(jīng)確定信號光放大帶寬,根據(jù)選取的第二段光纖頻移范圍確定泵浦波長分別為λp21=1420 nm,λp22=1400 nm,設(shè)定對應(yīng)的泵浦光輸入功率為pp21=0.5 W,pp22=0.5 W,L2=0.08 km。第三部分為第二級放大,第四部分為第二級補(bǔ)償,原理與第二部分相同,得到泵浦波長分別為λp3=1450 nm,λp4=1410 nm,設(shè)定對應(yīng)的泵浦光輸入功率為pp3=0.4 W,pp4=0.6 W,光纖長度分別L3=0.2 km,L4=0.12 km,光纖有效截面積Aeff=3 μm2,保偏系數(shù)M=2。在以上參數(shù)的設(shè)定下,仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 單級級聯(lián)各路信號光輸出增益

圖4 兩級級聯(lián)各路信號光輸出增益

圖3、圖4增益帶寬均為92 nm,與前人的研究結(jié)果相比,可見加入多泵浦技術(shù)帶寬明顯得到提高。圖3是經(jīng)過第一級放大后各路信號光的輸出增益均值為20.7 dB,增益平坦度為0.17 dB,圖4是經(jīng)過兩級級聯(lián)放大后各路信號光輸出增益均值為39.95 dB,增益平坦度0.1447 dB,可見經(jīng)過兩級級聯(lián)放大,各路信號光的輸出增益明顯得到了提高,同時(shí)增益平坦度沒有劣化。

圖5所示是經(jīng)過第一級放大,各路信號被泵浦光放大后輸出功率沿著光纖的變化,最終輸出功率為0.001W,圖6是經(jīng)過兩級放大,各路信號光的輸出功率沿著光纖的變化,最終輸出功率達(dá)到0.035W,對比發(fā)現(xiàn)兩級級聯(lián)的輸出功率比普通級聯(lián)的輸出功率明顯提高。

圖5 單級級聯(lián)各路信號光功率隨光纖長度的變化

圖6 兩級級聯(lián)各路信號光功率隨光纖長度的變化

3.2 影響因素分析

3.2.1 泵浦光功率對放大器的影響

在論證增益平坦原理時(shí),發(fā)現(xiàn)影響RFA的兩個(gè)重要因包括泵浦光功率和光纖長度,任意一個(gè)因素改都會(huì)影響到最終的輸出增益和增益平坦度。

由于所設(shè)計(jì)的寬帶拉曼放大器有多個(gè)泵浦光和多個(gè)信號光,為了便于觀察,在光子晶體光纖中僅同時(shí)傳輸一路泵浦光和一路信號光,同時(shí)保證光纖傳輸長度等其他參數(shù)不變,通過改變泵浦光的功率,來觀察信號光輸出增益隨泵浦光功率的變化。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

通過仿真可以得到以下結(jié)果,如圖7所示。

圖7 信號光增益隨泵浦光功率的變化

圖7中,隨著泵浦光功率的不斷增加,信號光的輸出增益隨泵浦光功率的變化式一條具有一定斜率的直線,在泵浦光功率不斷增長的過程中,信號光增益呈線性增長。這是因?yàn)楸闷止夤β试酱?泵浦光與信號光之間的受激拉曼作用越劇烈,信號光會(huì)得到更多來自泵浦光的能量,使信號光被放大,從而輸出增益也越大。

3.2.2 光纖長度對放大器的影響

為了觀察光纖長度對RFA的影響,將一路泵浦光和三路不同波長的信號光耦合進(jìn)光子晶體光纖中傳輸,在傳輸過程中由于受激拉曼散射效應(yīng),可以觀察信號光增益隨光纖長度的變化。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 系統(tǒng)參數(shù)

圖8為通過仿真得到的信號光增益隨光纖長度變化的曲線,通過比較圖8中不同信號光波長的增益曲線,可以看到隨著光纖長度的變化三路信號光增益均增大,但是波長較短的信號光增益增大到一定程度會(huì)減小。這是由于隨著光纖長度的增加,光纖中泵浦光和信號光之間的SRS更加充分,同時(shí)信號光的損耗也隨著光纖長度的增長而增加,當(dāng)信號光損耗的能量大于或等于可獲得的放大能量時(shí),增益會(huì)下降或達(dá)到飽和狀態(tài),并且泵浦光對短波長信號光的放大小于對長波長的放大,長波長的信號光則需要更長的距離使得其增益達(dá)到飽和?？梢?設(shè)計(jì)RFA時(shí)可通過選擇恰當(dāng)?shù)墓饫w長度得到理想的輸出增益,合適的光纖長度不僅可以提高平均增益和降低增益平坦度,而且節(jié)約光纖資源。

圖8 信號光增益隨光纖長度的變化

4 結(jié) 論

采用四段同種材料光子晶體光纖,其中兩段作為放大光纖段,另外兩段作為補(bǔ)償光纖段,對信號光進(jìn)行兩級放大,使得輸出增益提高、增益平坦度較小,并且在第一級放大中加入了多泵浦技術(shù),使得所設(shè)計(jì)的拉曼光纖放大器得到了更高的增益帶寬,通過Matlab數(shù)值仿真,所設(shè)計(jì)的拉曼光纖放大器放大帶寬92nm,平均增益39.95dB,增益平坦度0.1447 dB。同時(shí),論證了基于增益譜線性擬合的多泵浦與光纖級聯(lián)相結(jié)合的寬帶拉曼放大器的可行性,充分結(jié)合了多泵浦與光纖級聯(lián)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的拉曼放大器不僅所使用光纖長度較短,同時(shí)所使用的多個(gè)泵浦光功率也較小。與普通的硅基光纖級聯(lián)放大器和普通的多泵浦拉曼光纖放大器相比,所設(shè)計(jì)的拉曼光纖放大器更具有增益上的優(yōu)勢。因此,所設(shè)計(jì)的寬帶拉曼放大器在未來的全光網(wǎng)絡(luò)中作為一種分立式拉曼放大器,對提高通信距離有很好的效果。