“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：中间链路光学相位共轭系统中用于光纤非线性补偿的分布式拉曼放大器

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引言✦

中链路光相位共轭 (OPC) 技术已被用于补偿光纤的线性 (如色散) 和非线性 (如克尔非线性) 损伤，可以显著提高相对长距离链路通信系统的最大传输距离或数据容量。对于在链路中使用掺铒光纤放大器 (EDFA) 的中链路OPC系统，由于前后缺乏对称的信号功率分布，即使采用了色散管理，其最大覆盖范围也不会显著延长，或者性能增益也不高。拉曼放大器目前被广泛应用于无中继的海底系统和地面传输系统，显著提高了信噪比。分布式拉曼放大器 (DRA) 的泵浦波长能够通过光纤布拉格光栅来选择和调整，有目的地构建DRA还可以改善光纤链路的功率对称性，从而提高非线性补偿的效率，进而提高整体传输性能。

因此，在OPC系统里使用DRA来补偿传输系统中的非线性效应时，传输性能方面也能够有很大的改进。本篇发表在Sensors 期刊上的研究文章，综述了各种分布式拉曼放大方案的设计，旨在改善中链路光学相位共轭器传输系统的链路对称性。文中展示了单光纤跨度和多光纤跨度 (两个) 情况下，不同的拉曼放大方案的优化，它们都可以展示出93%以上的功率对称水平。此外，文章还证明了在相对较短的传输系统 (100—200 km) 中，当使用OPC时，信号功率分布对称性越高，非线性阈值越高 (高达9 dB)。

 研究内容 

文章首先介绍了三种反向泵浦的DRA设计方案。在50.4 km标准单模光纤 (SSMF) 单跨链路里，传统一阶反向泵浦DRA设计方案仅需将泵浦功率设置为0 dB的净增益，可以实现89%对称的功率分布。当采用包括1365 nm拉曼光纤激光器和1455 nm泵浦种子的双阶反向泵浦DRA方案时，将一阶和二阶泵浦功率分别设置为100 mW和330 mW，可以实现97%对称的功率分布。当二阶泵浦功率超过此最佳值时，信号功率对称性下降至92%。这是因为较高的二阶泵浦功率会将信号增益推到光纤跨度的中间，导致信号功率在输出端增加。若将1455 nm处的泵浦种子用高反射光纤布拉格光栅 (FBG) 代替，就可以实现1455 nm的随机分布反馈 (DFB) 光纤激光器，这能够降低方案成本。但由于受到光栅反射率和受激布里渊散射 (SBS) 系数的制约，随机DFB光纤激光器不如独立的独立泵浦灵活。在50.4 km的SSMF跨度上，光栅反射率为99%时，功率对称性仅为75%。

本文从理论上模拟了在有和没有中链路OPC的情况下，两个共偏振连续波激光器 (每个3 dBm) 沿着50.4 km的反向泵浦DRA系统产生的非线性产物功率。图1展示了使用上述三种不同的拉曼方案的非线性产物功率与激光器频差的关系。可以看到，在应用OPC的情况下，上述三种方案对峰值非线性产物功率的抑制分别能达到27、39、20 dB。用256 Gb/s DP-16QAM (32 GBaud) 信号 (中心位置为194.8 THz) 代替两个连续激光器进行了在线相干传输实验。结果表明，在双阶反向泵浦DRA提供的近乎完美 (97%) 的信号功率对称性情况下，系统的非线性阈值提高了5 dB，固定Q2因子下的信号发射功率提高了7 dB。

图1. 在50 km SSMF范围内，非线性产物功率关于激光器频差的函数模拟。(a) 一阶拉曼放大；(b) 优化泵浦功率和未优化泵浦功率的双阶拉曼放大；(c) 随机拉曼光纤激光放大。

文章对三种双向泵浦的分布式拉曼放大方案也进行了模拟。第一种情况对应于传统的双向泵浦一阶DRA，由1455 nm的泵浦激光通过第一斯托克斯位移放大信号。第二种情况对应于超长拉曼光纤激光器 (URFL) 放大器，它提供单波长泵浦的双阶泵浦，初始的拉曼光纤激光器泵浦工作在1366 nm。第三种方案使用随机分布反馈拉曼激光放大器，该方案本质上是双向拉曼泵浦，采用半开腔设计，仅包含1个FBG。

文中通过模拟1545 nm下固定发射功率为0 dBm的单通道功率分布比较了三种方案之间的信号功率不对称性，结果如图2所示。可以看到，随机DFB拉曼激光放大方案 (红色) 在跨度超过58公里时达到了最低的不对称水平。在40—58 km范围内，URFL放大方案显示出更好的对称性。图2的底部为最优OPC后的潜在累计剩余相移，定义为在给定距离处的最优不对称与相应的非线性相移的乘积。这个综合结果表明，具有单光栅的双向泵浦随机DFB激光器似乎是长距离OPC系统性能方面的最佳选择。图3展示了使用几乎对称的信号功率分布 (随机分布反馈光纤激光器的双向泵浦) 时非线性产物功率与激光器频差的关系。结果显示，在62 km SSMF范围内，97%对称的信号功率谱产生了37.6 dB的非线性产物抑制，与优化后的50 km SSMF范围内的双阶后向泵浦拉曼放大相当。

图2. 三种方案下，泵浦功率为零净增益时，给定长度的最低信号功率不对称 (上) 和累计剩余相移 (下)。

图3. 利用rDFB双向泵浦拉曼放大方案，在62 km SSMF范围内，非线性产物功率关于激光器频差的函数。

文中还以两段50.4 km的光纤跨度为例研究了多跨度双阶双向泵浦DRA方案对非线性补偿的影响。为了补偿无源器件的损耗而不牺牲两跨链路的对称性，在第一跨和第一跨末端的WDM耦合器之间使用了一段25 cm的掺铒光纤，最终在2×50.4 km的跨度上实现了93.4%的信号功率对称水平。

 研究总结 

文章综述了不同设计的分布式拉曼放大器在中链路OPC系统非线性补偿中的应用。为了获得最佳的对称性和更高的抗光纤非线性效率，不同跨度长度的光纤系统需要考虑不同的拉曼方案。对于约50 km的跨度长度，优化的双阶反向泵浦拉曼放大器能够达到97%的跨度对称性，对非线性产物功率的抑制可达39 dB。对于更长一些的跨度，使用双向拉曼泵浦可实现相似的对称水平。对于多跨系统，利用25 cm掺铒光纤改善了信号功率分布的对称性，补偿了跨间无源元件的损耗，从而在实际的多光纤跨链路中以经济有效的方式使整体信号功率对称性达到93%。研究者证明，对于近乎对称的信号功率分布，在使用中链路OPC的200 Gb/s DP-16QAM传输系统中，单跨和双跨系统中的拉曼方案使非线性阈值提高了9 dB。

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阅读英文原文

原文出自Sensors 期刊：

Tan, M.; Rosa, P.; Nguyen, T.T.; Al-Khateeb, M.A.Z.; Iqbal, M.A.; Xu, T.; Wen, F.; Ania-Castañón, J.D.; Ellis, A.D. Distributed Raman Amplification for Fiber Nonlinearity Compensation in a Mid-Link Optical Phase Conjugation System. Sensors 2022, 22, 758.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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版权声明：

*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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