光纤拉曼放大器的应用

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光纤拉曼放大器在DWDM系统中的应用 系统中的应用 光纤拉曼放大器在 光纤拉曼放大器在同步数字体系（ 光纤拉曼放大器在同步数字体系（SDH）线路中的应用 ） 光纤拉曼放大器在CATV传输中的应用 传输中的应用 光纤拉曼放大器在
FRA在CATV传输中的应用 FRA在CATV传输中的应用
1 2 3 4 5 有线电视（ 有线电视（CATV）系统的组成 ） FRA的基本原理 的基本原理 FRA的技术指标 的技术指标 有线电视传输中DFRA与EDFA的对比 与 有线电视传输中 的对比 FRA在有线电视传输中的应用 在有线电视传输中的应用
FRA在有线电视传输中的应用 FRA在有线电视传输中的应用
FRA辅助EDFA传输增大无中继传输距离
无中继传输距离主要是由光传输系统信噪比决定的，分布式拉曼 放大器与EDFA混合使用能有效地降低系统传输跨距的噪声。
表1 采用EDFA放大后的性能与采用拉曼辅助传输后的性能比较 平均光信噪比 无拉曼放大器 有拉曼放大器 12.8dB 17.5dB 平均Q值 平均 值 13.5dB 16.5dB 最差Q值 最差 值 12.3dB 15.2dB
NF =
SNRin SNRout
3.非线性失真
为了度量信号的非线性损伤，定义信号平均非线性相移作为度量指标。
L L
Φ nl = ∫ k ( z ) P( z )dz ≈ k ∫ P( z )dz
0 0
式中：k为非线性系数，它表征信号功率沿光纤的平均分布大小。
FRA应用中的各种影响因素 FRA应用中的各种影响因素
实用拉曼放大器的技术指标
1.开关增益
放大器的开关增益定义为有泵浦时的信号输出功率相对于无泵 浦时的信号输出功率的提高。
（ G A = exp
g R P0 Leff Aeff
g R 是拉曼增益系数
）
P0 是抽运光输出功率
Leff是光纤的有效作用长度
Aeff 是光纤的有效截面积
2.等效噪声系数
噪声系数定义为器件(含无源器件)对输入信噪比的恶化程度。 器件(含无源器件)对输入信噪比的恶化程度。
信噪比 低噪声
提升光纤复用程度和光网络的传输能量 拓展频谱利用率和提高传输系统速率
普通光纤的低损耗区间是1270~1670nm EDFA只能工作在1525~1625nm范围内 FRA可以全波长放大
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传输中各种非线 性引起的信道间 交调噪声。 交调噪声。
CNR大小的综合表示如下： CNR大小的综合表示如下： 大小的综合表示如下
1 1 1 1 1 1 = + + + + CNR CNR SH CNRRIN CNRTH CNROA CNRMPI
CNR SH：为光电转换散弹噪声所决定的载噪比； CNR RIN：为激光器本身产生的相对强度噪声（RIN）所决定的载噪比； CNR TH：为接收端光探测器后放大器的热噪声所决定的载噪比； CNR OA：为链路中有源光放大器（OA）引入的噪声所决定的载噪比； CNR MPI：为非线性引起的信道间交调信号所决定的载噪比。
FRA的基本原理 FRA的基本原理
光纤中拉曼声子频率为：
∆ν =13.2 ×1012 Hz
斯托克斯拉曼光子：
hν S = hν P − h∆ν
反斯托克斯拉曼光子：
图1 光纤分子拉曼能级
hν AS = hν P + h∆ν
图2 光纤拉曼放大器原理图
I S ( L) GR = = exp( g R P0 Leff Aeff ) I S (0) exp(−α S L)
采用FRA可以大大减小光纤 中的信号光功率, 由此减少各 种非线性如自相位调制、 受 激布里渊散射等影响。 后向抽运拉曼放大时的光纤 中信号光功率密度最小,因此 非线性影响最小, 但由于后向 抽运将导致载噪比指标的严重 劣化,而前向抽运拉曼放大则 对载噪比不会产生影响,因此 残留边带调幅调制的有线电视 系统中不宜采用后向抽运拉曼 放大。
大增益，而当两者偏振态正交时几乎没有拉曼增益。
3.泵浦相对强度噪声(RIN)
作为连续光(cw)输出的泵浦光功率并不是恒定不变的，其强 度存在随机起伏，形成了强度噪声。拉曼散射具有快速的响应时 间，所以泵浦的强度噪声会影响到信号。
有线电视传输中DFRA与EDFA的对比 有线电视传输中DFRA与EDFA的对比 DFRA
表1是1Tbit/s WDM的光信号，波长1542.7nm至1562.5nm，经过25km 单模光纤的（SMF）+175km的色散位移单模光纤（DSF）和常规EDFA放 大后的性能与采用拉曼辅助传输的性能的比较。显然，采用拉曼辅助传输 后，平均光信噪比（SNR）提高了4.7dB。
现系统从2.5G到10G的升级
图中虚线为对应频道 的二阶互调项产物数分 布曲线。 可见,相比采用掺铒光 纤放大器的系统, 采用前 向抽运拉曼放大的系统 中所有频道中自相位调 制导致的组合二阶失真 都会得到约14 dB 的改 善。
图5 59 频道逐行倒相 D 制式系统中, 分别 采用掺铒光纤放大器或前向抽运拉曼放 大器时各信道由自相位调制导致的组合 二阶失真曲线
载噪比（CNR） 载噪比（CNR）
中国有线电视行业对载噪比的定义是：图像载波电平的有效值与等 效噪声带宽内系统噪声电平的均方根值之比，用dB表示：
CNR=20 lg
图象载波电平有效值 噪声电平均方根值（等效带宽内）
载噪比也是一个频道中载波功率与噪声功率之比，它的数学表达式 是：
载波功率 CNR=10 lg 噪声功率
就必须提高接收端的光功率。为此，引入了光放大器(如 EDFA，FRA FRA等)来保证长距离传输系统的CNR指标。 FRA
虽然这些噪声与白噪声相比有不同的产生机理因而具 有不同的特性。不过，它们对图像质量的影响都是导致背 景雪花，使图像结构粗糙，清晰度下降，对比度变差和层 次减少。当然，为了获得足够高的CNR，保证传输质量，
如果载噪比达不到收视标准时就会出现雪花噪声。
在CATV系统中CNR主要来源于以下几个方面： CATV系统中CNR主要来源IN噪声 噪声， 源RIN噪声，光 电探测器的量子 噪声及接收机前 置放大噪声。 置放大噪声。
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光纤链路中的光 纤放大器等有源 传输设备。 传输设备。
图3 信号光强沿光纤长度的分布
图4 初始光功率 0 dBm,满足光纤损耗的 功率预算时, 掺铒光纤放大器和前向拉曼 放大时的组合二阶失真与光纤链路长度 之间的关系曲线
由于系统链路长度越长, 满足 功率损耗预算要求的光放大增益 越高。 若采用掺铒光纤放大器, 则光 纤的入纤光功率为 16 dBm, 而采 用拉曼放大,则光入纤功率依然 为0 dBm。 图中结果表明了采用拉曼放大 将会大大改善组合二阶失真指标。 光纤长度超过60 km 的系统,采用 拉曼放大可以使组合二阶失真改 善10 dB 以上。
FRA在CATV传输中的应用 FRA在CATV传输中的应用
有线电视（CATV） 有线电视（CATV）系统的组成
前端 干线传输 分配网络 用户单元
卫星接收的 电视节目信号 开路电视节 目信号 自办电视节 目信号
光发射机 光放大器 光纤 光分路器 衰减器 光连接器 光接收机 干线放大器
延长放大器 楼栋放大器 分支分配器
RF用户终端 RF用户终端 电缆 调制解调器 机顶盒
外调制CATV系统的三个主要指标 外调制CATV系统的三个主要指标 CATV
载噪比(CNR): 载噪比(CNR): >43dB 组合二阶失真（CSO):>54dB 组合二阶失真（CSO):>54dB 三阶组合差拍失真(CTB):>54dB 三阶组合差拍失真(CTB):>54dB (CTB):
1.自发辐射(ASE)噪声
ASE噪声是自发拉曼散射经泵浦光的拉曼放大而产生的覆 盖整个拉曼增益谱的背景噪声。
2.偏振相关增益(PDG)
偏振相关性是DFRA的一大特性，这主要源于光纤中的偏振 模色散(PMD)。拉曼增益与泵浦光和信号光的偏振态有关，即拉 曼增益也是偏振相关的。当泵浦光与信号光的偏振态一致时有最