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反向泵浦光纤拉曼放大器的实现与传输实验

2024-08-08 来源:爱问旅游网
反向泵浦光纤拉曼放大器的实现与传输实验

张继来

【摘 要】文章设计并实现了C+L波段4泵浦光纤拉曼放大器(FRA),讨论了泵浦驱动电路的设计及掺铒光纤放大器(EDFA)与FRA 150 km混合传输的传输性能.实验结果表明,驱动电路可以稳定可靠地工作,当拉曼放大器的增益<5 dB时,信号的误码性能不会得到显著提高.实验结果可为EDFA与FRA混合传输系统中增益的配置提供参考.

【期刊名称】《光通信研究》 【年(卷),期】2008(000)002 【总页数】3页(P68-70)

【关键词】光纤拉曼放大器;掺铒光纤放大器;功率代价 【作 者】张继来

【作者单位】北京交通大学,全光网络与现代通信网教育部重点实验室,北京,100044 【正文语种】中 文 【中图分类】TN72

随着光纤通信系统传输距离和系统容量的不断扩展,光纤拉曼放大器(FRA)诱人的潜力及前景引起了业界普遍的重视。FRA与新型大有效面积传输光纤、高光谱效率调制码型和前向纠错技术一起成为现代大容量、长距离光纤传输的几项使能技术。

目前,其在新部署的80波和160波密集波分复用(DWDM)系统中得到了广泛的应用。FRA因其增益可调、增益谱可调等特点而特别适合与线路衰减补偿器(LAC)、掺铒光纤放大器(EDFA)等配套使用,以实现智能化的复用段层和通道层的光功率自动均衡,即功率自动管理功能。同时,FRA还具有便于现有系统升级、可对任意信号波段进行放大、可获得较大放大间隔从而降低成本、使用灵活多样等优点。当然FRA也存在缺点,如增益效率低、大功率泵浦容易造成光纤端面损坏等,需要进一步解决。本文旨在设计实现一种实用的多泵浦FRA,讨论FRA设计实现中的一些理论和实际问题,并设计相关实验测试放大器的性能。 1 FRA的理论模型

1997年,H.Kidorf 等人首次给出了完整的模拟FRA的功率耦合方程,其中考虑了泵浦对泵浦、泵浦对信号以及信号对信号的复杂的拉曼相互作用,与温度相关的自发辐射噪声以及瑞利散射导致的多径干扰等作用,所得结果与试验结果很吻合,已经被广泛地应用于FRA的稳态模拟和设计[1]。后来,人们又完善了计算FRA瞬态特性的动态模型,完善了FRA的模拟[2]。功率耦合方程的求解可以考虑使用平均功率算法[3]。

在实际的含有FRA的DWDM传输系统中,一般采用多波长拉曼泵浦源进行反向泵浦以获得宽带增益谱,同时抑制泵浦对信号的串扰以及偏振相关影响。可以采用改进的遗传算法和粒子群优化算法对宽带FRA的泵浦波长和功率进行优化,同时获得均匀的增益谱输出。通常选用4~6个泵浦源就可以获得60 nm乃至80 nm的超宽带增益带宽。在实际应用中,由于泵浦波分复用(WDM)的限制,一般采用相同间隔的泵浦波长配置[4]。本文作者实现的FRA选用1 434、1 454、1 474和1 494 nm 4个等间隔波长泵浦,单个波长最大输出功率为200 mW时,可以实现大约60 nm平坦增益谱。

FRA应具有动态增益调节功能(DGSA),其可以通过调泵迭代算法实现。图1是4

泵浦、100 km单模光纤、75波系统中经过若干次迭代后增益谱(净增益)从0 dB调到-4 dB的仿真结果。可见此系统可以实现60 nm平坦增益。 图1 增益谱自动调节过程 2 FRA的实现

FRA的框图如图2所示,光纤的熔接损耗<0.2 dB。电路设计应该实现自动温度控制、电源缓启动和无光告警等功能。在实际传输线路中,还要增加自动增益控制、自动关断和各种监控功能。由于FRA需要较高的泵浦光功率,因此泵浦源驱动电路必须能够提供较大且稳定的驱动电流。同时,驱动电路还应该有足够快的响应速度,以便在传输线路变化时能保证传输信号性能的稳定。本文采用的驱动电路如图3所示。 图2 FRA的框图 图3 泵浦驱动电路

为了获得大的驱动电流,此负反馈电路的U1和T分别选用了轨对轨运算放大器和高功率达灵顿管。R7为驱动电流采样电阻,其值较小,故一般在其后级经过特定系数的放大后再反馈到U1的负端,以保证足够的反馈量,但较大的反馈会导致电压波动,因此需要选择合适的放大倍数,在速度和稳定性之间权衡。积分电路C1值的选取也是同样的道理。

对于驱动电流采集部分,由于需要几十mA到1.5 A的电流来实现精确控制和性能参量采集,所以对运放的失调电流、失调电压有一定的要求。对于单电源供电的运放,即使是rail to rail型的运算放大器,输出电压仍然有一定的范围限制,所以只能采用双电源供电的运放。

三极管T应该工作在放大状态,此时Vbe>Von, Vbe实验(高温65 ℃,低温-15 ℃)表明电路可以可靠工作。

微控板主要用来采集泵浦背光功率、泵浦温度和从PD转换来的增益信息,完成自动调泵算法,输出泵浦驱动电压和LED告警信号,同时还可以通过RS232串口与计算机通信。 3 传输实验与性能分析

为了测试FRA在传输系统中的性能,我们设计了如图4所示的EDFA+FRA混合传输实验。实验测得FRA的插入损耗为0.5 dB,光纤为普通单模光纤。设定FRA接入传输系统且工作的情况下增益都为5 dB,入纤功率为0 dBm。 图4 EDFA+FRA混合传输实验

分别测试了单纯EDFA、反向泵浦A.150 km处接入、反向泵浦B.75 km处接入、B点接入后又关掉FRA和前向泵浦从C端接入等5种情况下的误码率曲线,并且分别与背靠背(B2B)方式进行比较。测试结果如图5~图9所示。在误码率BER=1.0E-9时,分别计算了这5种情况与B2B方式相比的功率代价,计算结果见表1。由表1可以看到,反向泵浦A.150 km处的功率代价最低,且与纯EDFA方式差不多,但并不比单纯EDFA方式更好,这说明FRA与EDFA的增益相比太小,不能体现出FRA对系统性能的改善。 图5 单纯EDFA方式与B2B方式比较

图6 反向泵浦A.150 km处接入与B2B方式比较 图7 反向泵浦B.75 km处接入与B2B方式比较 图8 B点接入后又关掉FRA方式与B2B方式比较

图9 前向泵浦从C端接入与B2B方式比较表1 在BER=1.0E-9时,FRA不同接入方式与B2B相比的功率代价

接入方式功率代价/dBm单纯EDFA1.08 反向泵浦A.150 km处1.14反向泵浦B.75 km处3.49B点接入后关FRA2.24前向泵浦从C端接入2.21

4 结 论

FRA的设计涉及理论、器件和系统等诸多问题。本文作者从FRA的实际应用考虑,设计了一个4泵浦的实验样机。从驱动电路设计、传输实验方面得出了一些结论。设计和实验表明,泵浦驱动电路必须从驱动能力、可稳定范围和响应速度等方面进行设计,以实现功率大且稳定的光输出。系统传输必须优化EDFA和FRA的作用,否则并不会体现出FRA对传输性能的改善。本文并没有对FRA增益>5 dB时的情况和自动增益谱调节的效果进行讨论,这需要通过对软硬件的进一步改进和调试来实现。 参考文献:

[1] Kidorf H, Rottwitt K, Nissov M,et al. Pump interactions in a 100 nm bandwidth Raman amplifier [J]. IEEE Photon Tech.Lett.,1999,11(5):530-532. [2] Chen C J, Wong W S. Transient effects in saturated Raman amplifiers [J]. Electron Lett.,2001, 37(3):371-373.

[3] Wang S, Fan C. Generalised attenuation coefficients and a novel simulation model for Raman fiber amplifiers [J]. IEE Proc. Optoelectron,2001,148:156-195.

[4] Tong Zhi, Wei Hui,Jian Shuisheng. An efficient method to optimize broadband fiber Raman amplifiers pumped by multiple laser diodes [J]. Microwave and Optical Technology Letters,2002,35(5):381-383.

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