1 引言
高速數據通信和高質量視頻通信以及多媒體業務的發展使得長距離光纖傳輸系統通信業務容量成倍增長，波分復用技術(WDM)的逐漸商用和EDFA 的應用使光纖的通信速率從原來的10Gb/s達到了Tb/s。繼續增加復用波長數目(全波段波長放大)，是對光纖放大器提出的新要求。喇曼光纖放大器（FRA）因其全波段放大特性、可利用傳輸光纖在線放大特性以及優良的噪聲特性，再次成為光纖通信系統中研究的熱點。
2 EDFA與FRA性能對比
2.1 EDFA性能分析2.1.1 飽和增益性能
EDFA采用摻鉺離子單模光纖作為增益介質，在增益介質吸收波長上提供泵浦，形成激光放大的條件。利用980nm和14
80nm附近的半導體激光器可以有效泵浦EDFA，僅用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得30～40dB的高增益放大。通過改變其摻雜元素，可以進一步使增益譜的平坦度和譜寬得到改善?，F在EDFA在C波段主要是通過摻入鋁、L波段是通過摻入碲化物來拓寬和均衡其譜寬特性。
通過理論模型求出粒子數反轉差及泵浦功率，就可得到增益系數，通過在整個摻鉺光纖放大器長度上進行積分，即可求出光纖放大器的增益。由于泵浦功率沿光纖變化，所以各處的增益系數是不同的，增益必須在整個光纖上積分得到，因此通過選擇光纖長度可以得到較為平坦的增益。
圖1為EDFA小信號增益G與泵浦功率 PP及摻鉺光纖放大器長度L的關系曲線。增益系數隨著放大器的長度存在一個最佳值，超過這個值后，放大器的增益反而因為光纖的衰減損耗而減小。
在光纖長度一定時，并不是泵浦功率越大，增益系數越大，而是存在一個飽和值，超過它，增益系數將不再會增大。因此在給定摻鉺光纖的情況下，應選合適的泵浦功率和光纖長度，進行優化設計(圖2)。
2.1.2 噪聲特性
噪聲系數Fn定義為，噪聲系數用來描述放大器對信噪比的惡化程度，噪聲系數越小，輸出的信噪比越高。
EDFA的噪聲系數和粒子數反轉差DN 有關，泵浦越充分，DN越大，噪聲越小，強泵浦下的三能級系統即為EDFA的極限噪聲指數。
2.2 FRA性能分析 2.2.1 飽和增益性能
對光纖受激喇曼散射（SRS）的研究發現，石英光纖具有很寬的喇曼增益譜（達40THz）。如果頻率為 wP泵浦光和wS的信號光（信號光波長在泵浦光的喇曼增益帶寬內）通過波長選擇耦合輸入光纖，當這兩束光在光纖中一起傳輸時，泵浦光的能量通過SRS效應轉移給信號光，使光信號得到放大，泵浦光和信號光可分別在光纖的兩端輸入，在反向傳輸的過程中同樣能實現弱信號的放大。
對于FRA，當信號功率增大，而泵浦功率轉移給信號而產生的消耗不可忽略時，泵浦功率在傳輸過程不斷衰減，信號光的放大速率受到限制，放大過程就會出現飽和現象。假定衰減系數aS ＝aP，可得到飽和增益的近似表達式為
式中 ；GA為小信號增益系數。隨著r0（即P S(0)）增大，增益將呈現飽和特性。當G Ar0≈1時，增益降到原來的一半。這時信號功率已接近輸入泵浦功率，可用輸入泵浦功率代表FRA的飽和輸出功率。
2.2.2 噪聲特性
光纖喇曼放大器通常分為兩類：分立式和分布式（DRA）。由于DRA是分布式獲得增益的過程，其等效噪聲比分立式放大器的要小，集中噪聲指數可小于3dB，甚至可以是負值。當它為負值時，相當于提高輸入信號的信噪比，這樣就可以降低輸入信號的功率或者增加波分復用系統的傳輸距離。所以DRA輔助傳輸對WDM系統性能的提升具有非常重要的作用。已有系統表明，即使對于效果最差的1530nm信道，系統的信噪比也能提升4.5~6.5dB，等效噪聲指數Fn能夠到達5.9~8.9dB。
2.3 性能對比
EDFA的特點：工作波長與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應用；耦合效率高，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，熔接反射損耗也很小，不易自激；增益高，輸出功率大，增益可達40dB，輸出功率在單向泵浦時可達14dBm，雙向泵浦時可達17~20dBm，噪聲系數可
低至 3~4dB，串話也很小。EDFA也有缺陷，如波長固定只能放大1.55mm左右的光波，光纖換用不同的介質時，鉺離子能級也只能發生很小的變化，可調節的波長有限；增益帶寬不平坦，在WDM系統中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。
FRA的特點：增益波長由泵浦光波長決定，理論上能得到任意波長的信號放大，應用當中，它不僅能工作在EDFA常使用的C波段，而且也能工作在較短的S波段（1350~1450nm）和較長的L波段（1564~1620nm），完全滿足全波光纖對工作窗口的要求；增益介質可以為傳輸光纖本身如DRA，沿傳輸光纖分布式放大，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應的影響，這一點與EDFA相比優點相當明顯；噪聲指數低，提升原系統的信噪比，DRA與EDFA組合使用可明顯提高長距離光通信系統的總增益，降低系統總噪聲指數，提高系統Q值，從而提高系統可傳輸的最大距離；增益譜比較寬，在普通DSF上單波長泵浦可實現40nm范圍的有效增益，如果采用多個泵浦源，則易于實現寬帶放大。FRA的主要缺陷為：喇曼所需要的泵浦光功率高，分立式要用幾瓦到幾十瓦，分布式要用到幾百毫瓦；作用距離太長，分布式作用距離為幾十到上百公里，增益只有幾到十幾個dB，這就決定了它只能適合于長途干線網的低噪聲放大。
3 EDFA與FRA在DWDM系統中的
應用
3.1 EDFA在DWDM系統中的應用
EDFA在光纖通信系統中的主要作用是延長中繼距離，當它與波分復用技術結合使用時(主要應用于C，L波段)，可實現超大容量、超長距離的傳輸。目前，EDFA在DWDM系統中的應用已比較成熟，在C波段可實現16，32或更多波長系統的放大。EDFA的應用形式主要有前置放大器、發射機功率放大器和光中繼器。圖3給出了EDFA在 DWDM系統中的使用形式。 將EDFA接在光發射機的輸出端（功率放大），提高輸出功率，增加入纖功率，由于EDFA 低噪聲的特性，將它用作接收機前置放大器，可大大提高接收機靈敏度。
3.2 FRA在DWDM系統中的應用
3.2.1 分立式喇曼放大器
分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質比較短，泵浦功率要求幾瓦到幾十瓦，可產生40dB以上的高增益，像EDFA一樣可用來對光信號進行集中放大，因此主要用于EDFA無法放大的波段。1999年，歐洲光通信會議上，斯坦福大學的研究人員公布了他們進行分立式喇曼放大的實驗，結果得出，色散補償型光纖（DSF）是得到高質量分立式喇曼放大的最佳選擇。如圖4的配置（DCF與普通光纖1∶7，泵浦功率500mW），可實現在進行系統色散補償的同時對信號進行高增益、低噪聲的放大。
3.2.2 分布式喇曼放大器
DWDM系統的傳輸性能受光纖的非線性影響， DRA采用傳輸光纖作為光放大媒介，能降低光纖的輸入功率，隨之降低FWM、交叉相位調制等非線性效應，避免四波混頻效應，DRA允許使用靠近光纖的零色散點窗口，即擴大了光纖的可用窗口。
采用DRA技術的傳輸系統典型結構如圖5所示，在WDM系統的每個再生段內，在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵浦，信號將會沿光纖實現分布式喇曼放大，從目前的技術看來也只有喇曼放大技術才能實現光傳輸過程中的分布式放大。
（1）DRA在DSF DWDM系統中的應用
圖6為NTT 的DRA DWDM傳輸實驗系統。實驗距離為80×8km，傳輸容量為32×10Gb/s，信道間隔為50GHz。波長范圍從1545.3~1557.8nm，采用陣列波導型光柵（AWG）匯集比特流，采用色散補償光纖糾正比特流波形。系統由一條80km長的環形DSF，EDFA，DRA式泵浦源LD以及增益均衡器（EQ）等組成。
圖7顯示了該實驗的喇曼增益與EDFA增益。喇曼增益是采用雙向泵浦進行的，后向泵浦高于前向泵浦以抑制光纖非線性效應，前向泵浦用來提高喇曼增益的平坦度。EDFA的增益可壓制自激輻射噪聲。實驗表明，經過8段80km的傳輸，所有信道誤碼率均達到10 -9。
（2）DRA用于1.6Tb/s DWDM系統
Lucent與Bell Labs聯合采用40Gb/s OTDM以及喇曼放大技術進行了40×40Gb/s（1.6Tb/s）數據傳輸實驗。該實驗的傳輸距離是400km，分成4 段100km的光纖，高于其他商用長距離系統所采用的80km的放大距離，可兼容目前的商用網絡。
該系統運行在C波段，如在L波段運行還可提高傳輸容量。該系統使用的OTDM系統是世界上第一種可在一條信道中傳輸40Gb/s的傳輸產品。
4 結束語
近幾年來，EDFA取代傳統的光-電-光中繼方式，成功推動了WDM系統的發展，EDFA實現了在一根光纖中多路光信號同時放大，同時可與光纖實現良好的耦合，具有高增益低噪聲等優點。光纖喇曼放大器由于自身低噪聲、全波段放大和可利用傳輸光纖作在線放大等優點，與EDFA結合使用能夠繼續推動WDM系統的發展，因此在最近幾年受到廣泛關注。尤其是DRA技術，已成為下一代光纖WDM系統的關鍵技術。
DRA具有明顯的“跨距延伸”作用，可使光再生段傳輸更趨向透明。康寧公司通過實驗發現，實現2.5倍的跨距是可能的。DRA技術還可提高 WDM系統的譜利用率，這是實現現有系統升級到40Gb/s所必需的技術。它還允許系統通過加密信道間隔，提高光纖傳輸的復用程度和傳輸容量，可做到信道間隔由100GHz升級到50GHz而無任何附加代價。如采用雙向喇曼泵浦，還可進一步提高系統的傳輸跨距。在下一代光纖WDM系統中，光纖喇曼放大技術必將發揮出更大的作用。