混合(FRA-EDFA)光纖放大器的設計研究

摘要：基于拉曼光纖放大器(FRA)與摻餌光纖放大器(EDFA)的原理、模型，分析了由分布式拉曼光纖放大器和摻餌光纖放大器組成的混合光纖放大器，提出了設計因素的考慮和優化。
關鍵詞：拉曼光纖放大器：摻餌光纖放大器；混合放大器；設計

0 引言
隨著通信業務需求的飛速增長，光纖通信朝著大容量、長距離、高速率的方向飛速發展，因此，對現有光纖通信網絡的擴容以及超長距離傳輸的實現已經刻不容緩。人們需要更寬增益帶寬的光纖放大器，而傳統的EDFA由于其本身的局限性已很難滿足這種要求。光纖拉曼放大器由于其可對任意波長的信號進行放大、可傳輸光纖做在線放大以及優良的噪聲特性等諸多優點，在近幾年得以飛速發展，受到越來越廣泛的重視和研究。
在實際應用中，光纖放大器的增益平坦度使長距離傳輸系統設計中的一個重要參數，所以需要對普通FRA進行優化設計，使其平坦增益帶寬較寬。一般有兩種方法：一種方法是采用多波長泵浦的FRA這種方法雖然效果好，但泵浦數目的增多既加大了系統設計、實現的復雜度又提高了成本，故使用得較少。另一種方法是用EDFA與FRA相結合的方法。FRA-EDFA混合光纖放大器兼顧了EDFA的高增益和FRA的在線放大，能較好的改善平坦增益帶寬。本文研究了FRA和EDFA相結合的混合光纖放大器的設計因素與優化。

1 混合光纖放大器的工作原理
1．1 FRA的理論基礎
拉曼光線放大器的工作原理基于石英光纖中的受激拉曼散射機制(SRS)，利用硅光纖中的內在屬性進行信號的放大。在形式上表現為處于泵浦光的拉曼增益帶寬的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光得到放大，圖1給出了FRA的工作原理。

1．2 FRA的理論模型
拉曼光纖放大器由光泵浦提供增益，不需要粒子數反轉。一個完整的多泵浦FRA的傳輸方程為：


式中，下標μ，v表示光頻率，上標“+”與“-”分別表示前向與后向傳輸波，Pv是在頻率v附近極小的帶寬內的光功率，av是光纖的衰減系數，εv是瑞利散射系數，Aeff是光纖的有效面積，Keff偏振系數，gvμ是頻率為v的光波在頻率為μ的光波的泵浦下的拉曼增益，h、k、T別為普朗克常數、玻耳茲曼常量及光纖的絕對溫度。
利用打靶法求解反向雙泵的FRA傳輸方程，可得到對于泵浦數目較少的FRA，其帶寬并不大寬。實際測得的增益譜帶寬亦是如此，如圖2所示。圖3為雙泵浦FRA的增益曲線。