Page 36 - 网络电信2023年11月刊

光 通 信

基于拉曼光纤放大器通信系统仿真与性能优化

毛文杰 朱其刚 杨金梁 任丙忠 张晓娜 张黎明
山东科技大学电气信息系

摘 要：根据拉曼光纤放大器原理构建其数学模型，并据此分析其增益、噪声、非线性等基本特性。利用Optisystem对
拉曼光纤放大器(RFA)光纤链路的16QAM 40 Gbit/s相干光通信系统进行设计。仿真结果显示，系统传输存在相位失真和弥散
现象。在Matlab环境下优化了Volterra级数的最小均方(LMS)和最小二乘(RLS)补偿算法，使用该算法完成了RFA非线性效应
补偿，系统性能显著提升，输出星座图星座点非常集中，系统误码率(BER)降低，信噪比(SNR)提高，受噪声、非线性效应等
影响小。改进后的VLMS和VRLS算法具有良好的非线性补偿效果。
关键词：拉曼光纤放大器;Volterra级数;非线性补偿;星座图;

引 言 一、拉曼光纤放大器工作原理
为满足当前信息时代迅猛增长的通信速度和数据流量，光 1.1 拉曼光纤放大器原理
传输网作为通信系统的物理层，需要具备更高的传输性能。光 拉曼光纤放大器的研究是非线性光学的重点内容，简言
纤通信具有较好的宽带传输性能，成为我国97%以上的信息量 之，拉曼光纤放大器就是用强泵浦光来激励强信号光，使其能
传输的绝佳选择。从核心骨干网到城域网，再至城市光纤接入 在光纤中顺利传输，其中保证信号光波长在泵浦光拉曼增益范
网、数据中心互连，甚至光纤无线融合接入网，光纤通信网络 围内，以使得弱信号光放大。光纤拉曼放大的物理机制是受激
已经成为我国信息建设的基础设施和信息传输的交换的关键承 拉曼散射现象。受激拉曼散射(SRS)是将光纤变成宽带拉曼放大
[1]
载平台 。 器的基本非线性过程。图1所示为受激拉曼散射的能级跃迁图。
光放大器是在光纤通信系统中放大光信号的光学设备，其 图1 受激拉曼散射的能级跃迁图
中应用最广的为非线性光学放大器和掺稀土元素光纤放大器两
类。比如最常见的拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier,
RFA)和掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application
Amplifier, EDFA)。基于受激拉曼散射的拉曼光纤放大器，具
有可级联、增益谱宽以及不需要相位匹配等优点，通过使用合
适波长的抽运激光，就能产生光纤透明范围内任意波长的激
光。从发展现状看，拉曼光纤激光器是目前唯一一种可同时实
现高功率与宽波段输出的光纤激光器 [2,3,4,5] 。拉曼放大器的兼 由图可见散射光子所遵循能量守恒方程
容性极好，能适用任何种类的光纤，且其独特之处就是能够于 ω s = ω p －ωv （1）
1292～1660 nm波段实现放大作用，其增益谱区灵活，具有高 ω αs = ω p + ω v （2）
增益、宽带宽、高稳定性，已经重新得到重视，成为光纤通 式中：ω s 为斯托克斯频率；ω p 为入射光频率；ω αs 为反斯
信中必不可少的光学放大器件。拉曼光纤放大器的应用前景良 托克斯频率。对于基本的拉曼散射效应，就是入射光因拉曼介
好，广泛运用于提高系统容量。拓展频谱利用率和提高传输系 质收放光声子而发生散射现象。在此过程中，入射于拉曼介质
统速率，增加无中继传输距离，补偿色散补偿光纤(Dispersion 的光因为初始相位无规则，使得散射后光波具有不相干性。在
Compensating Fiber, DCF)的损耗以及通信系统升级等情况 受激拉曼散射中，斯托克声子和反斯托克声子是相干的，并遵
[6,7,8]
。 循一定的能量守恒和动量守恒定律 [9,10] 。
60 网络电信 二零二三年十二月