Page 11 - 网络电信2023年3月刊

运营商专栏

2.1拉曼放大器模型 图2 拉曼放大器信号光演变情况
拉曼放大器是一种分布式放大器，在长距离传输的过程中
能量转移过程比较复杂，包括短波长光的能量转移到长波长光
上、短波长信号光的能量转移到长波长的泵浦光上、瑞利散射
和自发辐射噪声等。不考虑信号光动态变化情况，即不考虑时
间维度，频率为的光分量在光纤中传输，其功率演变可以使用
[1]
下面的公式表示 。

（1）

1式中，P±表示（+）或者（-）后向传输的光功率；（1）
式右侧的第一项表示光在光纤中传输的损耗，第二项表示瑞利
散射，第三项表示频率比v大的光将转移到v频率分量的光，第
四项表示频率的光将能量转移到频率分量比其小的光，后面两
设置为10km。前向泵浦光波长为：1422.33nm、1430.93nm、
项表示的是与温度相关的自发辐射噪声（ASE）项。g R (v-ξ)是
1439.02nm、1450.17nm、1459.05nm、1467.74nm、1478.45nm
光纤的拉曼增益系数。
和1502.71nm，对应的光功率为：189.05mW、171.94mW、
2.2 EDFA 模型
193.34mW、188.93mW、125.78mW、152.5mW、118.81mW和
EDFA是在光纤中掺入铒离子，在泵浦光的作用下实现高能
180.84mW；后向泵浦光波长为：1422.71nm、1431.59nm、
级上的铒离子粒子数反转，此时如有信号光输入，输入信号光
1439.32nm、1451.05nm、1461.12nm、1468.9nm、1478.9nm和
使高能级上的铒离子发生受激辐射，实现对输入信号光放大。
1504.3nm，对应的光功率为：96.14mW、69.45mW、90.75mW、
严格的EDFA模型求解相当复杂，需要一定的简化才可以对EDFA
50.75mW、28.15mW、47.71mW、18.92mW和76.75mW。
模型进行求解。目前有Giles和Saleh两个常用的简化模型，与
图2是信号光沿着光纤演变情况，其左上角是光信号的演变
Saleh模型相比，Giles可以计算沿着传输方向的光纤中铒离子
情况，右上角是信号光的增益，从这两个图可以看出信号光的
反转分布、信号光功率、ASE功率分布等，因此Giles模型描述
增益谱覆盖C+L波段，但增益总体不大且增益谱并不是很平坦。
的物理过程更加完备。EDFA的Giles模型中载流子方程、传输方
[2]
程分别使用下面两个公式描述 ： 其左下角是信号光的背向瑞利散射，即一重瑞利散射光；一重
瑞利散射光对输出信号不影响。其右下角是一重瑞利散射光的

背向瑞利散射，即二重瑞利散射光，二重瑞利散射光与输出信
号光同向，对输出信号光是产生影响。从图2的右下上角图可
（2）
以看出二重瑞利散射光的功率量级-40~-35dBm，与输出信号光
4~8.5dBm相比，二重瑞利散射光功率比较弱。
图3 EDFA 信号光、ASE 光演变过程
（3）
（2）式表示掺铒光纤中铒离子的反转度，式中ξ表示掺铒
光纤的饱和参数， 表示铒离子掺杂浓度， 表示高能级上铒
离子的浓度。（3）式中 、 分别表示掺铒光纤的吸收、发
射系数，m表示自发辐射噪声的偏振态系数（m=2表示两个偏振
态），1 k 表示掺铒光纤的背景损耗系数。

三、理论结果
基于上文所述的拉曼放大器、EDFA的模型，对拉曼放大器
和EDFA进行数值模拟，研究信号光在拉曼光放大器和EDFA中放
大过程，并根据模拟结果讨论两种放大器在海底光缆通信场景
的适用性。
3.1拉曼放大器
拉曼放大器仿真参数设置如下：信号波长为1528~1620nm，
等间距分为121个信道，输入信号光功率均设置为3dBm；ASE
噪声频谱范围设置为1480~1630nm，取151个频点；光纤长度

16 网络电信 二零二三年四月