候夢(mèng)軍,付成鵬,卜勤練,余春平,樂孟輝

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引 言

光纖通信因大容量、低損耗和抗干擾性好的傳輸特性，在現(xiàn)代信息通信系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。傳輸光纖中的信號(hào)光衰減和散射限制了其在光纖中的長(zhǎng)距離傳輸。目前，光纖通信系統(tǒng)中針對(duì)信號(hào)光衰減最常采用的措施是，每隔一定的距離就建設(shè)電/光轉(zhuǎn)換中繼放大站，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大和修復(fù)。我國(guó)地域廣袤，邊界線和海岸線較長(zhǎng)，且許多邊界線處于沙漠、雪山和海洋等地區(qū)，光纖通信傳輸系統(tǒng)的中繼站建設(shè)難度及維護(hù)成本較大，通信監(jiān)控能力不夠，使不法分子有機(jī)可乘，損害了國(guó)家的利益[1]?；诖祟惽闆r，光纖通信系統(tǒng)能有效的將信號(hào)光無(wú)中繼放大和遠(yuǎn)距離傳輸至關(guān)重要。增大信號(hào)光的入纖功率可有效延長(zhǎng)傳輸距離，同時(shí)傳輸光纖中的非線性效應(yīng)也會(huì)增強(qiáng)，比如受激布里淵散射效應(yīng)和自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及四波混頻效應(yīng)等。高功率信號(hào)光的非線性效應(yīng)不僅會(huì)使信號(hào)光利用率低，而且會(huì)增加系統(tǒng)噪聲，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，因此，對(duì)無(wú)中繼遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)的改進(jìn)，不能只停留于增大信號(hào)光在光纖中的傳輸功率。目前，無(wú)中繼遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)程泵浦光放大技術(shù)。遠(yuǎn)程泵浦光放大技術(shù)的基本原理與摻鉺光纖放大器類似，其將信號(hào)光和泵浦光傳輸?shù)揭欢ㄎ恢脮r(shí)，耦合進(jìn)摻鉺光纖中對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，延長(zhǎng)了信號(hào)光的傳輸距離。無(wú)中繼遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)的發(fā)展不僅可以解決西部偏遠(yuǎn)地區(qū)通信困難的問題，還可以大大加強(qiáng)我國(guó)海岸線和邊界線的監(jiān)控能力，對(duì)我國(guó)國(guó)防力量的進(jìn)一步增強(qiáng)起著至關(guān)重要的作用。

1 高功率遠(yuǎn)程泵浦傳輸

遠(yuǎn)距離無(wú)中繼傳輸系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程泵浦光放大器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)了無(wú)中繼傳輸。遠(yuǎn)程泵浦光放大器主要由遠(yuǎn)程泵浦單元(Remote Pump Unit，RPU)和遠(yuǎn)程增益單元(Remote Gain Unit，RGU)兩部分組成[2]。RPU輸出高功率泵浦光，通過(guò)傳輸光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離的RGU，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大。RPU傳輸光功率的大小決定了RPU的有效傳輸距離，而RPU的有效傳輸距離決定了遠(yuǎn)距離無(wú)中繼傳輸系統(tǒng)的傳輸距離[3]。

泵浦光入纖光功率的增大，可以延長(zhǎng)傳輸距離和優(yōu)化傳輸系統(tǒng)的信噪比。但當(dāng)RPU輸出泵浦光功率增大到特定值后，輸出的光譜會(huì)發(fā)生激射頻移，如圖1所示。

圖1 高功率泵浦光的激射光功率譜

高功率泵浦光在傳輸光纖中發(fā)生受激拉曼激射時(shí)會(huì)消耗大量的泵浦光功率。拉曼散射的斯托克斯波在傳輸光纖中會(huì)發(fā)生多重瑞利散射效應(yīng)，形成某種特定的“諧振腔”。高功率的泵浦光充當(dāng)“激勵(lì)源”，拉曼散射產(chǎn)生的斯托克斯波充當(dāng)“信號(hào)光”，在傳輸光纖中，形成一個(gè)隨機(jī)分布反饋光纖激光器，當(dāng)泵浦光功率大于激射閾值時(shí)，高功率傳輸?shù)谋闷止夤β蕰?huì)發(fā)生受激拉曼激射，大量消耗泵浦光，導(dǎo)致泵浦光傳輸效率低，限制了泵浦單元傳輸泵浦光的功率。傳統(tǒng)遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)需要避免泵浦光的受激拉曼效應(yīng)，本文從完全相反的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)新型傳輸結(jié)構(gòu)，充分利用泵浦光的受激拉曼效應(yīng)，有效延長(zhǎng)了遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)的傳輸距離。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2所示為實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)，其主要由1 365和1 385 nm中心波長(zhǎng)的泵浦、傳輸光纖、光纖光柵和波分復(fù)用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)組成。左側(cè)光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)對(duì)1 480 nm泵浦光的反射率為0.99，整體插損為0.50 dB；右側(cè)FBG對(duì)1 480 nm泵浦光的反射率為0.03，整體插損為0.44 dB[4-5]。

圖2 新型高功率遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)圖2所示實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)圖搭建完善的測(cè)試平臺(tái)和組裝光路。受限于實(shí)驗(yàn)條件，1 365和1 385 nm的泵浦光入纖光功率最大可設(shè)定為800 mW。圖3所示為光功率均為800 mW的1 365和1 385 nm的泵浦光經(jīng)40 km光纖傳輸后的輸出光功率譜。

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的輸出光功率譜

泵浦光在傳輸光纖中發(fā)生受激拉曼激射的工作原理和隨機(jī)分布反饋光纖激光器的工作原理一致[6-7]。在傳輸光纖中，泵浦光和激射光的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系為

式中：Pp為泵浦光功率；p為泵浦放大的信號(hào)光；±為泵浦光或信號(hào)光的傳輸方向，+為前向傳輸，-為后向傳輸；αp為泵浦光在傳輸光纖中的損耗系數(shù)；α為泵浦放大信號(hào)光的損耗系數(shù)；gR為拉曼增益系數(shù)；vp為泵浦光頻率；v為信號(hào)光頻率；εp為泵浦光的瑞利散射系數(shù)；ε為泵浦放大信號(hào)光的瑞利散射系數(shù)。

基于圖2中實(shí)驗(yàn)裝置的高反射率FBG的整體損耗為0.5 dB，設(shè)定1 365和1 385 nm泵浦光入纖光功率均為700 mW進(jìn)行仿真計(jì)算。傳輸光纖的兩端有一組反射率為0.99和0.03的FBG，高功率泵浦光在40 km傳輸光纖中傳輸時(shí)，其功率變化如圖4所示。總功率為1 400 mW的1 365和1 385 nm的泵浦光經(jīng)40 km傳輸光纖傳輸后，最終輸出1 365和1 385 nm的光功率接近為0，輸出波長(zhǎng)為1 480 nm的光功率大小為113 mW，而反射率為0.03的FBG對(duì)1 480 nm的光衰減為0.44 dB，計(jì)算可知，仿真實(shí)際輸出波長(zhǎng)為1 480 nm的光功率為102.6 mW。由圖3可知，輸出波長(zhǎng)為1 480 nm的光功率約為100 mW。比較仿真和實(shí)測(cè)的輸出光功率可知，仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的輸出光功率大小基本一致。

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)的光功率關(guān)系圖

在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)中，1 480 nm的泵浦光入纖光功率最大可達(dá)1 W，經(jīng)40 km傳輸光纖傳輸后，輸出波長(zhǎng)為1 480 nm的泵浦光功率約為100 mW。受限于實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)實(shí)際入纖泵浦光功率有限，仿真設(shè)定1 365和1 385 nm的入纖泵浦光功率為2 W，由圖4可知，輸出波長(zhǎng)為1 480 nm的光功率為192 mW，計(jì)算可知，仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)際輸出光功率為172 mW。圖2所示的遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)輸出的泵浦光功率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)泵浦傳輸系統(tǒng)輸出的泵浦光功率。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型高功率遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)通過(guò)FBG增強(qiáng)泵浦光在傳輸光纖中的受激拉曼效應(yīng),使高功率泵浦光發(fā)生受激拉曼激射，輸出高功率的目的泵浦光，有效延長(zhǎng)了RPU的傳輸距離。新型高功率遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)不僅提高了泵浦光的入纖光功率，還延長(zhǎng)了遠(yuǎn)程泵浦傳輸系統(tǒng)的傳輸距離，對(duì)于延長(zhǎng)遠(yuǎn)程無(wú)中繼傳輸系統(tǒng)的傳輸距離有著至關(guān)重要的作用。