混合(FRA-EDFA)光纤放大器的设计研究

摘要：基于拉曼光纤放大器(FRA)与掺饵光纤放大器(EDFA)的原理、模型，分析了由分布式拉曼光纤放大器和掺饵光纤放大器组成的混合光纤放大器，提出了设计因素的考虑和优化。
关键词：拉曼光纤放大器：掺饵光纤放大器；混合放大器；设计

0 引言
随着通信业务需求的飞速增长，光纤通信朝着大容量、长距离、高速率的方向飞速发展，因此，对现有光纤通信网络的扩容以及超长距离传输的实现已经刻不容缓。人们需要更宽增益带宽的光纤放大器，而传统的EDFA由于其本身的局限性已很难满足这种要求。光纤拉曼放大器由于其可对任意波长的信号进行放大、可传输光纤做在线放大以及优良的噪声特性等诸多优点，在近几年得以飞速发展，受到越来越广泛的重视和研究。
在实际应用中，光纤放大器的增益平坦度使长距离传输系统设计中的一个重要参数，所以需要对普通FRA进行优化设计，使其平坦增益带宽较宽。一般有两种方法：一种方法是采用多波长泵浦的FRA这种方法虽然效果好，但泵浦数目的增多既加大了系统设计、实现的复杂度又提高了成本，故使用得较少。另一种方法是用EDFA与FRA相结合的方法。FRA-EDFA混合光纤放大器兼顾了EDFA的高增益和FRA的在线放大，能较好的改善平坦增益带宽。本文研究了FRA和EDFA相结合的混合光纤放大器的设计因素与优化。

1 混合光纤放大器的工作原理
1．1 FRA的理论基础
拉曼光线放大器的工作原理基于石英光纤中的受激拉曼散射机制(SRS)，利用硅光纤中的内在属性进行信号的放大。在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光得到放大，图1给出了FRA的工作原理。

1．2 FRA的理论模型
拉曼光纤放大器由光泵浦提供增益，不需要粒子数反转。一个完整的多泵浦FRA的传输方程为：


式中，下标μ，v表示光频率，上标“+”与“-”分别表示前向与后向传输波，Pv是在频率v附近极小的带宽内的光功率，av是光纤的衰减系数，εv是瑞利散射系数，Aeff是光纤的有效面积，Keff偏振系数，gvμ是频率为v的光波在频率为μ的光波的泵浦下的拉曼增益，h、k、T别为普朗克常数、玻耳兹曼常量及光纤的绝对温度。
利用打靶法求解反向双泵的FRA传输方程，可得到对于泵浦数目较少的FRA，其带宽并不大宽。实际测得的增益谱带宽亦是如此，如图2所示。图3为双泵浦FRA的增益曲线。