Raman

Raman Amplification Design in WDM SystemsThiết Kế Khuếch Đại Raman trong Các hệ thống WDM

DefinitionRaman amplification is based on stimulated Raman scattering (SRS), a nonlinear effect in fiber-optical transmission that results in signal amplification if optical pump waves with the correct wavelength and power are launched into the fiber.

Định NghĩaSự Khuếch đại Raman được căn cứ trên phân tan Rman mô phong (SRS), một hiệu ứng không thẳng trong sự truyền quang sợi Cho kết qua trong sự khuếch đại tín hiệu nếu những sóng bơm quang học với bước sóng đúng và năng lượng được sử dụng trong sợi.

OverviewThis tutorial gives an introduction into the complex design issues of wavelength division multiplexing (WDM) systems applying Raman amplification. It first presents an overview of traditional WDM systems, predicts problems that might arise for future configurations, and shows how Raman amplification could be ofhelp. Then, a behavioral description of SRS is provided, and repeater designs are discussed. Finally, several system examples are shown to demonstrate typical fields of applications of Raman amplification.

Tổng QuanHướng dẫn này đưa ra một lời giới thiệu trong cac thiết kế phức tạp của cac hệ thống bước sóng phân chia đa thành phân (WDM) ap dụng sự khuếch đại Raman. Nó được giới thiệu đâu tiên một tổng quan của cac hệ thống WDM truyền thống, dự đóan cac vấn đề mà có thể xuất hiện cho những cấu hình tương lai, và chỉ ra sự khuếch đại Raman có thể giúp như thế nào. Sau đó, một sự miêu ta chính xac của SRS được cung cấp, và cac thiết kế bộ chuyển tiếp có được tranh luận. Cuối cùng, vài ví dụ hệ thống đa năng đưa ra để chứng minh cac lĩnh vực tiêu biểu của việc ứng dụng của sự khuếch đại Raman.

Topics1. Traditional Configuration of WDM Systems2. How Can Raman Amplification Be of Help?3. Erbium-Doped Fiber versus Raman Amplification4. Raman Amplification in Wideband WDM Transmission5. Raman Amplification to Build Bidirectional WDM Systems6. Raman Amplification and Fiber Nonlinearities7. ConclusionGlossary

Cac tiêu đề1. Cấu hình truyền thống của cac hệ thống WDM2. Sự khuếch đại Raman có thể giúp như thế nào?3. Phân biệt sợi Erbium-Doped và sự khuếch đại Raman4. Sự khuếch đại Raman trong việc truyền băng thông WDM5. Sự khuếch đại Raman để xây dựng cac hệ thống WDm hai chiều6. Sự khuếch đại Raman và cac sợi không thẳng7. Kết luậnCac từ chuyên môn

1. Traditional Configuration of WDM Systems1. Cấu hình truyền thống của các hệ thống WDM

A typical configuration of a point-to-point WDM system is comprised mostly of the following:

A number of optical transmitters An optical multiplexer Spans of optical transmission fiber, such as standard single-mode fiber (SSMF) Optical amplifiers, usually erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) Dispersion compensating devices, like spans of dispersion compensating fiber (DCF) or chirped

fiber Bragg gratings (FBGs) An optical demultiplexer A number of optical receivers

Một cấu hình điển hình của một hệ thống WDM điểm đến điểm bao gồm hâu hết những thứ sau: Một số của cac may phat quang Một bộ đa hợp quang học Cac cặp của sợi truyền quang học, như là sợi chuẩn chế độ đơn (SSMF) Những bộ khuếch đại quang học, thường thường là cac bộ khuếch đại sợi erbium-doped (EDFAs)] Cac thiết bị bù đăp tan săc, giống như cac cặp của sợi bù đăp tan săc (DCF) hoặc chirped fiber

Bragg gratings (FBGs) Một bộ không đa hợp quang học. Một số cac may thu quang học

Figure 1 shows the layout of such a WDM system.Hình 1 cho thấy trình bày của một hệ thống WDM như trên.

Figure 1. Typical WDM Transmission LinkHình 1. Đường dây truyền WDM điển hình

The dramatically increasing service demand driven by the rapid growth of the Internet generates new challenges for WDM system designers. Common design approaches reach their limits, and the usage of comprehensive modeling techniques becomes more and more important. Additionally, to achieve the demanding targets created by the application-oriented business developments, future systems must comply with upgraded performance criteria, such as the following:

Transmission of higher total data capacities through increased channel bit rates and number of wavelength-multiplexed channels

Cost-reduction by allowing longer amplifier spacing and, thus, reduction of the number of EDFAs per optical link

Reduction of signal distortion to allow transmission over longer all- optical transmission links

Nhu câu dịch vụ tăng lên một cach đột ngột cùng với sự phat triển nhanh chóng của Internet phat sinh ra nhiều thử thach mới cho người thiết kế hệ thống WDM. Thiết kế thông thường đạt đến gân tâm giới hạn của chúng, và cach dùng của những ky thuật mô hình ky thuật đa ngày càng trơ nên quan trọng. Đồng thời, để đạt được những yêu câu cao được tạo ra bơi sự phat triển kinh tế theo hướng ứng dụng, cac hệ thống tương lai phai tuân theo việc nâng cấp tiêu chuẩn thực hiện, theo như những tiêu chuẩn sau đây:

Sự truyền của tổng sức chứa dữ liệu cao hơn thông qua việc tăng kênh tốc độ truyền theo bit và số của cac kênh bước sóng đa năng.

Tiết kiệm chi phí băng cach cho khoang cach của bộ khuếch đại dài hơn và, theo cach đó, tiết kiệm được một số EDFA trong từng măc xích quang học.

Hạn chế sự bóp me tín hiệu cho phep truyền dài hơn trong tất ca cac măt xích truyền quang học

There are several new design approaches to meet these criteria, including thefollowing:

New transmission windows in wavelength domain New types of optical amplifiers covering a very high signal bandwidth to increase data capacity

Bidirectional WDM transmission allowing suppression of nonlinear fiber interactions

Cac thiết kế mới khac nhau gân như đa đạt được những tiêu chuẩn trên, bao gồm những điều sau: Những cửa sổ truyền mới trong miền bước sóng Những bộ khuếch đại quang học kiểu mới bao gồm một băng thông tín hiệu rất cao để tăng thêm

sức chứa dữ liệu Việc truyền WDM trực tiếp hai chiều cho phep xay ra triệt tiêu những sự anh hương của cap không

thẳng.

All of these techniques require a thorough understanding of the underlying physical effects and the interplay between diverse optical devices to judge their impact on system performance measures, using numerical simulation tools.

Tất ca cac ky thuật này yêu câu một sự hiểu biết một cach ky lương về cac hiệu ứng vật ly cơ ban và sự tac động lẫn nhau giữa cac thiết bị quang học đa dạng để xet đoan tac động của chúng trên hệ thống chỉ tiêu về đo lường, sử dụng những công cụ mô phong số.

2. How Can Raman Amplification Be of Help?2. Sự khuếch đại Raman có thể giúp như thế nào?

One of the most recent and interesting developments includes the constructive usage of the so-called Raman effect in optical fibers. A Raman amplifier uses intrinsic properties of silica fibers to obtain signal amplification. This means that transmission fibers can be used as a medium for amplification, and hence that the intrinsic attenuation of data signals transmitted over the fiber can be combated within the fiber. An amplifier working on the basis of this principle is commonly known as a distributed Raman amplifier (DRA).

Một trong những sự phat triển phổ biến và tuyệt vời bao gồm cach sử dụng công trình của cach gọi là hiệu ứng Raman trong cac cap quang học. Một bộ khuếch đại Raman sử dụng đặc tính nội lai của cac cap silica để thu được những tín hiệu khuếch đại. Chính y nghĩa này mà cac cap truyền có thể được sử dụng giống như là một môi trường của sự khuếch đại, và từ đây sự suy giam nội lai của cac tín hiệu dữ liệu truyền thông qua cac có thể xay ra bên trong cap. Một bộ khuếch đại làm việc trên cơ sơ của nguyên ly này thông thường được biết giống như là một bộ khuếch đại Raman phân tan (DRA).

The physical property behind DRAs is called SRS. This occurs when a sufficiently large pump wave is co-launched at a lower wavelength than the signal to be amplified. The Raman gain depends strongly on the pump power and the frequency offset between pump and signal. Amplification occurs when the pump photon gives up its energy to create a new photon at the signal wavelength, plus some residual energy, which is absorbed as photons (vibrational energy) as shown in Figure 2.

Tính chất vật ly đăng sau những DRA được gọi là SRS. Điều này xay ra khi một sóng bơm lớn đủ được chạy cùng nhau ơ một bước sóng thấp hơn tín hiệu đa được khuếch đại. Độ lợi của Raman phụ thuộc mạnh me vào năng lượng bơm và khuyu ống tân số giữa kích thích và tín hiệu. Sự khuếch đại xay ra khi photon kích thích bo đi năng lượng của chính nó để tạo ra một photon ơ bước sóng tín hiệu, cộng thêm một số năng lượng dư thừa, năng lượng này thu hút như cac photon (năng lượng có dao động) giống như ơ hình 2.

Figure 2. Energy States during SRSHình 2. Nhưng trạng tháo năng lương trong SRS

As there is a wide range of vibrational states above the ground state, a broad range of possible transitions are providing gain. This is shown in Figure 2 by means of the shaded region. Generally, Raman gain increases

almost linearly with wavelength offset between signal and pump peaking at about 100 nm and then dropping rapidly with increased offset. Figure 3 shows a typically measured Raman gain curve. The usable gain bandwidth is about 48 nm.

Như có một phạm vi rộng của những trạng thai có dao động trên trạng thai nền, một phạm vi ro ràng của những sự chuyển tiếp hợp ly đang cung cấp độ lợi. Điều đó được biểu diên trong Hình 2 bơi những phương phap miền bóng. Nói chung, độ lợi Raman tăng gân như là tuyến tính với khuyu ống bước sóng giữa tín hiệu và đỉnh bơm ơ khoang 100 nm và sau đó rơi xuống nhanh chóng với khuyu ống tăng lên. Hình 3 biểu diên một đường cong độ lợi của Raman đo lường điển hình. Băng thông độ lợi hữu dụng là khoang 48 nm.

Figure 3. Typical Raman Gain Curve versus Wavelength OffsetHình 3. So sánh đường cong độ lơi điển hình vơi khuyu ống bươc sóng

The position of the gain bandwidth within the wavelength domain can be adjusted simply by tuning the pump wavelength. Thus, Raman amplification potentially can be achieved in every region of the transmission window of the optical transmission fiber. It only depends on the availability of powerful pump sources at the required wavelengths. The disadvantage of Raman amplification is the need for high pump powers to provide a reasonable gain.

Vị trí của băng thông độ lợi bên trong miền bước sóng có thể được điều chỉnh đơn gian băng cach điều hoa bước sóng bơm. Như vậy, sự khuếch đại Raman tiềm tàng có thể đạt được trong môi vùng của cửa sổ truyền của cap truyền quang học. Nó chỉ dựa vào tính săn có của nguồn bơm mạnh ơ những bước sóng yêu câu. Bất lợi của sự khuếch đại Raman là nhu câu năng lượng bơm cao để cung cấp một độ lợi hợp ly.

This opens a new range of possible applications. It is possible, for instance, to partially compensate fiber attenuation using the Raman effect and, thus, to increase the EDFA spacing. The Raman pump wave can be conveniently placed at the EDFA locations. This saves costs as less EDFAs are needed on the link, and the number of sites to be maintained is reduced.

Điều này mơ ra một phạm vi mới cho việc ứng dụng hiệu qua. Nó hiệu qua, ví dụ, để bù đăp sự suy giam trong cap khi sử dụng hiệu ứng Raman và, như vậy, để tăng khoang cach EDFA. Sóng bơm Raman có được đặt thuận lợi ơ những vị trí EDFA. Điều này tiết kiệm chi phí khi ít những EDFA cân trên măt xích, và số lượng những vị trí để bao trì se được giam bớt.

Another application of the Raman effect is given with hybrid EDFA/Raman amplifiers characterized by a flat gain over especially large bandwidths. Repeaters can be built that compensate the nonflatness of the EDFA gain with a more flexible Raman gain. Multiwavelength pumping could be used to shape the Raman gain such that it equalizes for the EDFA gain shaping.

Ưng dụng khac của hiệu ứng Raman là cho ra được bộ lai cac đặc điểm giữa EDFA/bộ khuếch đại Raman bơi một mặt phẳng tranh thủ thông qua cac băng thông lớn đặc biệt. Những bộ chuyển tiếp có thể được xây dựng băng cach bù đăp độ không phẳng của độ lợi EDFA với một độ lợi Raman linh hoạt hơn. Sự kích thích bước sóng đa năng có thể được sử dụng để định hướng độ lợi Raman sao cho nó băng với khuôn mẫu độ lợi EDFA.

Also, the Raman effect on its own might be used for signal amplification in transmission windows that cannot be covered properly by EDFAs. Some frequency regions of a wideband WDM signal could be amplified by common EDFA structures, while others are amplified using the Raman effect and proper pumping. The upgrade of already existing systems by opening another transmission window where Raman amplification is applied could be an attractive application.

Đồng thời, hiệu ứng Raman tự nó có thể sử dụng để khuếch đại tín hiệu trong cac cửa sổ truyền mà không anh hương đến cac EDFA. Một số vùng tân số của một tín hiệu WDM dai băng rộng có được khuếch đại băng cac cấu trúc EDFA thông thường, trong lúc một số khac được khuếch đại băng cach sử dụng hiệu ứng Raman và kích thích hợp ly (đúng đăn). Việc nâng cấp của những hệ thống này đa được hiện thực băng việc mơ cửa sổ truyền khac nơi mà sự khuếch đại Raman được ap dụng đa có thể là một ứng dụng hấp dẫn.

3. Erbium-Doped Fiber versus Raman Amplification3. Phân biệt sơi Erbium-Doped và sự khuếch đại Raman

Raman amplifiers offer several advantages compared to EDFAs, including the following: Low noise buildup Simple design, as direct signal amplification is achieved in the optical fiber, and no special

transmission medium is needed. Flexible assignment of signal frequencies, as Raman gain depends on the pump wavelength and not

on a wavelength-sensitive material parameter of the medium, such as the emission cross-section of dopant in the erbium-doped fiber (EDF).

Broad gain bandwidth is achievable by combining the Raman amplification effect of several pump waves that are placed carefully in the wavelength domain.

Cac bộ khuếch đại Raman thường có nhiều ưu điểm so với những EDFA, bao gồm những đặc điểm sau: Lăp kín độ nhuyên thấp Thiết kế đơn gian, như sự khuếch đại tín hiệu trực tiếp đa thành công trong cap quang học, và môi

trường truyền không đặc biệt là cân thiết. Sự phân chia linh hoạt của cac tân số tín hiệu, như độ lợi Raman dựa vào bước sóng kích thích và

không phai trên bước sóng tham số vật chất nhạy cam của môi trường, như là mặt căt ngang phat xạ của chất kích tạp trong cap erbium-doped (EDF).

Băng thông độ lợi rộng đa được thực hiện băng cach kết hợp hiệu ứng khuếch đại Raman của cac sóng bơm đa năng mà được đặt cẩn thận trong miền bước sóng.

However, despite the many advantages of Raman amplification, there can be some degradation effects. For example, not only the specially launched pump waves but also some of the WDM channels may provide power to amplify the other channels. This would result in power exchange between WDM channels and thus cross-talk leading to signal degradation.

Mặc dù, bất chấp nhiều ưu điểm của sự khuếch đại Raman, chính điều đó có thể là một số những hiệu ứng suy giam. Ví dụ, không chỉ đặc biệt chạy cac sóng bơm nhưng cung một số trong cac kênh WDM có thể cung cấp năng lượng để khuếch đại cac kênh khac. Điều đó dẫn đến sự trao đổi năng lượng giữa cac kênh WDM và chính sự trao đổi cheo nhau như vậy dẫn tới sự suy giam tín hiệu.

These negative effects occur in unidirectional and bidirectional WDM transmission. So for accurate analysis of advanced WDM systems, it is crucial to model all Raman interactions. Additionally, degrading effects like spontaneous Raman scattering and backward Rayleigh scattering have to be considered.

Cac hiệu ứng tiêu cực này xay ra sự truyền WDM không trực tiếp và trực tiếp 2 chiều. Vì thế sự phân tích chính xac của cac hệ thống WDM hiện đại, nó là chủ yếu để đối chiếu tất ca sự anh hương của Raman. Đồng thời, cac hiệu ứng suy giam như sự tan xạ Raman tự phat và sự phat tan Rayleigh ngược phai được xem xet.

Table 1 gives an overview of important characteristics of Raman and EDF amplifiers. Note that hybrid amplification schemes, using Raman and EDF amplification in concatenation, can be designed to take advantage of both types.

Bang 1 đưa ra một miêu ta chung về những đặc điểm quan trọng của cac bộ khuếch đại Raman và EDF. Chú y cac lược đồ sự khuếch đại kết hợp, sử dụng sự khuếch đại Raman và EDF trong xích chuôi, có thể được thiết kế để mang lại ưu điểm của ca 2 kiểu.

Table 1. Comparison of Raman and Doped-Fiber Amplifier CharacteristicsBang 1. So sánh của các đăc điểm của bộ khuếch đại Raman và Doped-Fiber

Characteristic Doped-Fiber Amplifier Raman AmplifierAmplification Band depends on dopant depends on availability of pump

wavelengthsAmplification Bandwidth 20 nm, more for multiple dopants/fibers48

nm, more for multiple pump waves48 nm, more for multiple pump waves

Gain 20 dB or more, depending on ion concentration, fiber length, and pump configuration

4–11 dB, proportional to pump intensity and effective fiber length

Saturation Power depends on gain and material constants equals about power of pump wavesPump Wavelength 980 nm or 1480 nm for EDFAs 100 nm lower then signal

wavelength at peak gain

Đăc điểm Bộ khuếch đại Doped-Fiber Bộ khuếch đại RamanDai khuếch đại Dựa vào dopant Dự vào tính săn có của cac bước

sóng bơmBăng thông khuếch đại 20 nm, nhiều hơn đối với cac dopant/cap

48nm, nhiều hơn cho cac sóng bơm đa năng

48 nm, nhiều hơn cho cac sóng bơm đa năng

Độ lợi 20 dB hoặc hơn, phụ thuộc vào sự tập trung ion, độ dài của cap, và cấu hình kích thích

4 – 11 dB, cân xứng bơm cường độ và chiều dài cap có hiệu qua

Tập trung năng lượng Dựa vào độ lợi và những hăng số vật chất Băng nhau về năng lượng của cac sóng bơm

Bước sóng bơm 980 nm hoặc 1480 nm đối với những EDFA

100 nm thấp hơn bước sóng tín hiệu ơ đỉnh độ lợi

Raman amplifiers are topologically simpler to design than doped-fiber amplifiers, as the existing transmission fiber can be used as a medium if properly pumped. However, the selection of pump powers and wavelengths, as well as the number and separation of pumps, strongly determines the wavelength behavior of Raman gain and noise.

Cac bộ khuếch đại Raman là mô hình topo đơn gian để thiết kế hơn cac bộ khuếch đại doped-fiber, trong cac cap truyền hiện nay có thể sử dụng giống như là một môi trường nếu bơm một cach đúng đăn. Mặc dù, việc chọn lựa năng lượng bơm và cac bước sóng, cung như số và việc tach ra của cac bơm, mạnh me xac định đường đi bước sóng của độ lợi Raman và độ nhuyên.

When building distributed Raman amplifiers, designers face the question of using forward or backward pumping (or even both) with respect to signal propagation. The backward pumping scheme is most commonly used as it offers several advantages. Pump noise strongly affects the WDM signals to be amplified if forward pumping is applied, as the Raman process is nearly instantaneous. When the Raman pump wave has slight random power fluctuations in time, which is almost always the case, individual bits might be amplified differentially, which leads to amplitude fluctuations or jitter. If backward pumping is applied, power fluctuations of the Raman pump will be averaged out, as each individual bit will see several milliseconds of the

Raman pump wave. Figure 4 shows the general setup of a backward pumped DRA and the counter-propagation of signal and pump.

Khi toa cao ốc phân bổ cac bộ khuếch đại Raman, những người thiết kế phai đối mặt với câu hoi về việc sử dụng bơm tới hay bơm ngược (hoặc là ca hai) với chi tiết cụ thể về sự lan truyền tín hiệu. Sơ đồ bơm ngược thường sử dụng nhiều nhất bơi vì nó đưa ra những đặc điểm đa năng. Nhuyên bơm anh hương mạnh me cac tín hiệu WDM được khuếch đại nếu bơm trước đa được ứng dụng, trong khi xử ly Raman gân như là tức thời. Khi sóng bơm Raman có những dao động năng lượng ngẫu nhiên yếu ớt trong đúng lúc đó, nó hâu như luôn luôn là trường hợp, cac bit riêng lẻ có thể được khuếch đại chênh lệch, nó dẫn tới những dao động biên độ hay biến động phức tạp. Nếu bơm ngược đựơc ap dụng, những dao động năng lượng của bơm Raman se được tính trung bình ơ ngoai, trong khi từng bít riêng lẻ se nhìn thấy vài mili giâycủa sóng bơm Raman. Hình 4 cho thấy cach cài đặt chung của một DRA bơm ngược và sự đếm lan truyền của tín hiệu và bơm.

Figure 4. Backward-Pumped Raman Amplifier Showing Counter-Propagation of Pump Wave and SignalHình 4. Bộ khuếch đại Raman bơm ngươc biểu diễn sự đếm lan truyền của sóng bơm và tín hiệu

Hybrid (EDF and Raman) amplification has been used successfully in recent designs to obtain the necessary optical signal-to-noise ratio (OSNR) for high-capacity dense wavelength division multiplexing systems (DWDM) or to achieve very large amplifier spacing in, for example, festoon applications. Figure 5 shows a possible design of a hybrid EDF/Raman amplifier. The doped fiber is pumped remotely via the transmission fiber where Raman amplification occurs.

Sự khuếch đại lai (EDF và Raman) đa được sử dụng thành công trong những thiết kế gân đây để thu được ty lệ nhuyên tới tín hiệu quang học cân thiết (OSNR) cho những hệ thống bộ đa hợp đa lộ hóa dồn kênh bộ phận bước sóng dày đặc có kha năng cao (DWDM) hoặc để đạt được không gian bộ khuếch đại rất lớn, chẳng hạn, cac ứng dụng tràng hoa. Hình 5 cho thấy một thiết kế kha thi của một bộ khuếch đại lai EDF/Raman. Cap Doped đa được bơm từ xa qua cap truyền dẫn nơi mà ứng dụng Raman xay ra.

Figure 5. Hybrid EDF/Raman AmplifierHình 5. Bộ khuếch đại lai EDF/Raman

The transversal power distribution of the signal over an amplified fiber span is strongly dependent on the applied amplification scheme and can be controlled by the Raman pump power and pump direction. Figure 6 shows the transversal span power profile employing different hybrid EDF/Raman amplification schemes.

Sự phân phối năng lượng ngang của tín hiệu qua một khoang cap khuếch đại là mạnh me tùy thuộc vào sơ đồ khuếch đại ứng dụng và có thể đựơc điều khiển bơi năng lượng bơm Raman và bơm trực tiếp. Hình 6 cho thấy vết căt khoang phân phối năng lượng thông qua cac sơ đồ sự khuếch đại lai EDF/Raman khac nhau.

Figure 6. Span Power Profile for EDFA–Based Systems (1), System Using Hybrid Schemes with Backward Raman Amplification Only (2), and Bidirectional Raman Amplification (3)

Hình 6. Mô ta sơ lươc căp năng lương cho các hệ thống EDFA cơ ban (1), hệ thống sử dụng sơ đồ lai vơi chỉ sự khuếch đại ngươc Raman (2), và sự khuếch đại Raman trực tiếp hai chiều (3).

By properly selecting pump laser wavelengths, transmission fiber lengths, and types, many optimization targets can be reached—flattening of the EDFA gain through an optimized design of the frequency-dependent Raman gain, for example. Optimization can be achieved using numerical simulation.

Băng cach lựa chọn đúng đăn cac bước sóng lazer bơm, cac độ dài cap truyền dẫn, và cac kiểu, nhiều chỉ tiêu tối ưu hóa có thể đạt được độ phẳng của độ lợi EDFA thông qua một thiết kế tối ưu hóa của độ lợi Raman phụ thuộc vào tân số, chẳng hạn. Tối ưu hóa có thể đạt được băng cach sử dụng sự mô phong số.

4. Raman Amplification in Wideband WDM Transmission4. Sự khuếch đại Raman trong việc truyền băng rộng WDM

This example demonstrates the design of a distributed Raman amplifier for ultra-wideband WDM transmission, using multiple pumps to achieve a gain flatness over an 80-nm signal bandwidth as designed after the work of Kidorf et al. As mentioned earlier, a very wideband flat amplification can be achieved by selecting launched powers and emission wavelengths of the Raman pumps properly. Figure 7 shows the general design setup.

Ví dụ này giai thích thiết kế của một bộ khuếch đại Raman phân tan cho việc truyền băng rộng WDM lớn, sử dụng cac bơm đa năng để đạt được một độ lợi phẳng qua một băng thông tín hiệu 80 nm giống như thiết kế sau công việc của Kidorf et al. Như được đề cập trước đó, một sự khuếch đại phẳng rất băng rộng có thể đạt được băng cach chọn ra cac năng lượng chạy và cac bước sóng phat xạ của cac bơm Raman đúng mức. Hình 7 cho thấy cach cài đặt thiết kế cài đặt chung.

Figure 7. Design Setup for Wideband Raman Amplifier EvaluationHình 7. Thiết kế cài đăt cho sự ươc lương bộ khuếch đại băng rộng Raman

One hundred test carriers are used to sample the Raman gain response over a bandwidth of approximately 82 nm. Each launched with an average power of –3 dBm into 60 km SSMF. The accumulated fiber attenuation is completely compensated using the SRS effect of eight counter-propagating Raman pumps.

Một triệu phân tử mang kiểm tra được sử dụng để lấy mẫu phan ứng lại độ lợi Raman qua một băng thông của xấp xỉ 82 nm. Từ phân tử phóng ra với một năng lượng của -3 dBm trong 60 km SSMF. Sự suy giam cap tích luy là hoan thành đền bù việc sử dụng hiệu ứng SRS của 8 bơm Raman đếm lan truyền.

At the receiver, 100 power detectors are used to evaluate the Raman gain response at the output of the fiber. Figure 8 shows the optical spectrum at the receiver. The gain ripple is less than 2 dB over 81 nm. Note that there is still enough power margin to introduce a gain-flattening filter at the output of the fiber span to achieve a total gain ripple of less than 0.5 dB.

Ở thiết bị thu, 100 bộ do năng lượng đa được sử dụng để ứơc lượng sự phan ứng lại của độ lợi Raman ơ ngoai cap. Hình 8 cho thấy quang phổ quang học ơ thiết bị thu. Sự gợn sóng độ lợi ít hơn 2 dB qua 81 nm. Chú y răng vẫn con có đủ năng lượng dự trữ để băt đâu một bộ lọc độ phẳng của độ lợi ơ ngoai khoang cach cap để đạt được một tổng độ gợn sóng độ lợi ít hơn 0.5 dB.

Figure 8. Optical Output Spectrum after Propagation over 60 km SSMF Applying Backward Raman Amplification Using Eight Raman Pumps

Hình 8. Quang phổ quang học ngọai sau sự lan truyền qua 60 km SSMF áp dụng sự khuếch đại Raman ngươc sử dụng tám bơm Raman

The average launch powers of the eight Raman pumps vary only between 19.5 and 21.5 dBm. The flat gain response of the amplifier is achieved by selecting the emission frequencies of the pumps carefully. The eight Raman pumps are spaced unequally over about 86 nm, with an offset to the WDM signal band of 77 nm to 163 nm, as depicted in Figure 9. Note that the four pumps emitted at the smallest wavelengths are about equally spaced and that the other four are spaced much wider.

Năng lượng chạy trung bình của 8 bơm Raman chỉ thay đổi trong khoang 19.5 và 21.5 dBm. Sự phan ứng lại của độ lợi phẳng của bộ khuếch đại đạt được băng cach chọn cẩn thận những tân số phat xạ của cac bơm. 8 bơm Raman có khoang cach không băng nhau khoang 86 nm, với một khủyu ống đến dai tín hiệu WDM của 77 nm đến 163 nm, như đa miêu ta trong Hình 9. Chú y răng 4 bơm phat xạ ơ những sóng nho nhất là được cach khoang băng nhau và điều đó 4 bơm khac được cach khoang nhiều hơn.

Intuitively, there are two reasons for this spacing arrangement. First, the Raman gain response is strongly asymmetrical. It has an almost linear increase for wavelength offsets between signal and pump of less than 100 nm and then a sudden decrease after the gain peak (see Figure 3).

Băng trực giac, hai ly do cho việc săp xếp khoang cach này. Đâu tiên, sự phan ứng lại của độ lợi Raman là tính không đối xứng mạnh me. Nó có một sự tăng gân như tuyến tính cho cac khuyu ống bước sóng giữa tín hiệu và bơm của ít hơn 100 nm và sau đó một sự giam sút đột ngột sau khi ơ đỉnh độ lợi (xem Hình 3).

Figure 9. Spectral Distribution of the Eight Raman Pumps at the Backward Input of the Fiber (Red) and the Forward Output of the Fiber (Blue)

Hình 9. Sự phân bố quang phổ của 8 bơm Raman ơ đâu vào ngươc lại của cáp (Đo) và đâu ra tơi của cáp (Xanh)

Second, there are strong pump-to-pump interactions, as the Raman pumps are spaced over 86 nm for which the Raman efficiency is already very large. Pumps emitted at the very low wavelengths amplify the WDM signal band as well as the pumps at the higher wavelengths.

Thứ 2, đó là cac sự tương tac bơm tới bơm mạnh me, trong khi cac bơm Raman được cach khoang qua 86 nm cho ra hiệu ứng Raman thật sự là rất lớn. Cac bơm đa phat ra ơ cac bước sóng rất thấp khuếch đại dai tín hiệu WDM tốt giống như là cac bơm ơ cac bước sóng cao hơn.

Figure 10. Propagation of the Eight Raman Pumps over the FiberHình 10. Sự lan truyền của 8 bơm Raman qua cáp

Figure 10 shows the pumps' power profile along the fiber. Starting with almost equal pump powers at the far end of the fiber, the pumps at the higher wavelengths are first amplified by the pumps at the lower wavelengths. Further down the fiber, when the power of the low-wavelength pumps is reduced due to energy transfer to high wavelengths and fiber attenuation, the effect of pump-to-pump amplification is reduced. As can be concluded from Figure 10, interaction of the different pump waves is nonnegligible.

Hình 10 cho thấy mặt nghiêng năng lượng của bơm theo cap. Băt đâu với cac năng lượng bơm gân như băng nhau ơ điểm kết thúc xa của cap, cac bơm ơ cac bước sóng cao hơn được khuếch đại đâu tiên bơi cac bơm ơ cac bước sóng thấp hơn. Xa hơn nữa xuống cap, khi năng lượng của cac bơm bước sóng thấp đa được giam bớt vì năng lượng truyền đến cac bước sóng cao và sự suy giam cap, hiệu ứng của sự khuếch đại bơm tới bơm bị giam sút. Như đa được kết luận ơ Hình 10, sự anh hương của cac sóng bơm khac là không đang kể.

5. Raman Amplification to Build Bidirectional WDM Systems5. Sự khuếch đại Raman để xây dựng các hệ thống WDM trực tiếp hai chiều

This example demonstrates the bidirectional WDM signal transmission and Raman pumping to compensate attenuation in the transmission fiber. Figure 11 shows the design.

Ví dụ này giai thích sự truyền dẫn tín hiệu WDM trực tiếp 2 chiều và việc bơm Raman bù đăp lại sự suy giam trong sự truyền dẫn cap. Hình 1 chỉ ra một thiết kế.

Figure 11. Bidirectional DWDM System Exploiting C and L Bands Using Hybrid EDF/Raman Amplification

Hình 11. Hệ thống DWDM trực tiếp 2 chiều khai thác các tâng C và L sử dụng sự khuếch đại lai EDF/Raman

In this system configuration, the C band is employed for signal transmission in one direction and the L band to propagate signals in the opposite direction. The fiber attenuation is partly compensated by the distributed Raman amplifier. Accordingly, applying the backward pumping scheme for each band requires the L-band pump to be placed at the same fiber end as the C-band transmitter and vice versa. Obviously, this configuration implies the bidirectional pumping.

Trong cấu hình hệ thống này, tâng C được mượn như sự tuyền dẫn tín hiệu trong một phương hướng và tâng L để truyền cac tín hiệu trong phương đối diện. Sự suy giam cap một phân được bù bơi bộ khuếch đại Raman phân tan. Tương ứng, ap dụng cho sơ đồ bơm ngược cho môi tâng yêu câu bơm tâng L phai được đặt ơ cùng cap cuối với bộ phat tâng C và ngược lại. Ro ràng, cấu hình này ngụ y chỉ bơm trực tiếp 2 chiều.

When modeling such systems, it is crucial that the power exchange between the co- and counter-propagating signals and pumps (pump-to-pump, pump-to-signal, and signal-to-signal) is accurately considered. Therefore, simplified approaches neglecting, for example, pump depletion are not suitable. Accurate modeling is only possible if all bidirectional interactions are modeled.

Khi làm mô hình cac hệ thống như vậy, nó quan trọng cho việc trao đội năng lượng giữa cac tín hiệu truyền đồng bộ và cac tín hiệu truyền đếm và cac bơm (bơm tới bơm, bơm tới tín hiệu, và tín hiệu tới tín hiệu) phai được xem xet một cach đúng đăn. Bơi vậy, những cach tiếp cận được đơn gian hóa không cân chú y, ví dụ, làm rông bơm là không phù hợp. Làm mô hình chỉ kha thi nếu tất ca cac sự anh hương trực tiếp 2 chiều là đúng khuôn mẫu.

Typical signal and pump spectra are shown in Figure 12. The nonflatness of the signal spectrum is due to the Raman gain shape. It can be overcome with gain flattening filters placed right after the EDFAs.

Tín hiệu đơn gian và quang phổ bơm được chỉ trong Hình 12. Độ không phẳng của cac quang phổ tín hiệu có được là nhờ có hình dạng độ lợi Raman. Nó có thể bị vượt qua với cac bộ lọc làm phẳng độ lợi được đặt sau cac EDFA.

Figure 12. Spectrum at Output of Transmission Fiber (Both Directions)Hình 12. Các quang phổ ơ đâu ra của cáp truyền dân (ca hai phương)

It is quite interesting to look at Figure 13, which shows the signal and pump propagation in both directions. The L-band signal launched in the backward direction at the far fiber end (z = 100 km) experiences a significant Raman amplification of the backward-propagating C-band pump wave, which is also launched at the far end. On the other hand, the C-band signal, which is launched in the forward direction at the near fiber end (z = 0 km) experiences Raman amplification of the forward-propagating L-band pump. Such signal amplification by foreign pump waves is possible because of the large bandwidth of Raman gain. Thus, the signal is amplified two times, one time by the foreign pump in the vicinity of the launch point and the second time by its own pump at the fiber output.

Kha thú vị khi nhìn vào Hình 13, nó cho thấy sự lan truyền tín hiệu và bơm trong ca hai phương. Tín hiệu tâng L chạy trong phương ngược ơ điểm cap kết thúc xa (z = 100 km) trai qua một sự khuếch đại Raman đây đủ tính chất của sóng bơm tâng C truyền ngược, nó chỉ chạy ơ điểm kết thúc xa. Mặt khac, tín hiệu tâng C, nó được chạy theo hướng tới ơ gân điểm cap kết thúc xa (z = 0 km) trai qua sự khuếch đại Raman của bơm tâng L truyền xuôi. Như vậy sự khuếch đại tín hiệu băng cac sóng bơm ngoại hợp ly bơi vì băng thông lớn của độ lợi Raman. Như vậy, tín hiệu được khuếch đại 2 lân, một lân bơi bơm ngoại trong vùng lân cận của điểm chạy và lân thứ hai là chính nó bơm cho nó ơ đâu ra cap.

This example also shows that careful modeling of pump-to-pump interactions is of importance. At the far fiber end, the C-band pump significantly amplifies the L-band pump. Pump depletion of the C-band pump occurs at the near fiber end.

Ví dụ này cung cho thấy cach làm mô hình cẩn thận của những sự anh hương của bơm tới bơm là quan trọng. Ở điểm kết thúc xa, bơm tâng C khuếch đại đang kể bơm tâng L. Sự suy giam bơm của bơm tâng C xay ra ơ điểm gân cuối cap.

Figure 13. Propagation of C-Band and L-Band Signals and PumpsHình 13. Sự lan truyền của các tin hiệu tâng C và tâng L và các bơm

6. Raman Amplification and Fiber Nonlinearities6. Sự khuếch đại Raman và các sơi không thẳng

This example presents results of a case study investigating the importance of nonlinear propagation effects when deciding on optimum signal power conditions. The considered DWDM system is shown in Figure 14.

Ví dụ này giới thiệu những kết qua của một cach nghiên cứu nghiên cứu về sự quan trọng của cac hiệu ứng lan truyền không thăng khi chọn những điều kiện năng lượng tín hiệu quang học. Hệ thống DWDM quyết định được đưa vào Hình 14.

Figure 14. DWDM System for Investigation of Optimized Span Input Power Using Different Types of Hybrid EDF/Raman Amplification

Hình 14. Hệ thống DWDM cho việc nghiên cứu về năng lương căp đâu vào quang học sử dụng nhiều kiểu khác nhau của sự khuếch đại lai EDF/Raman

Advantages of hybrid amplification were investigated for a 40-channel DWDM system. Channels transmit at 10 Gbps and are placed equidistantly 50 GHz apart. The dispersion map consists of a span of 100 km dispersion shifted fiber (DSF) or SSMF. The accumulated fiber attenuation is 20 dB. Ideal precompensation of chromatic dispersion is assumed for both cases.

Cac ưu điểm của sự khuếch đại lai đa được nghiên cứu cho một hệ thống DWDM 40 kênh. Cac kênh truyền ơ 10 Gbps và đựơc đặt cach đều 50 GHz riêng ra. Ban đồ tan săc bao gồm một cặp 100 km cap luân phiên tan săc (DSF) hoặc SSMF. Sự suy giam cap tích luy là 20 dB. Sự bù đăp ly tương của sự tan săc nửa cung được gia thiết cho ca 2 trường hợp.

Three different amplification scenarios are compared—first, backward Raman amplification, second, bidirectional Raman amplification, and third, pure EDF amplification (with noise figure of 4 dB). The span power profile for the three scenarios was shown in Figure 6. To investigate impact of fiber nonlinearities on one hand and amplifier noise on the other hand, channel launch powers are varied between -5 dBm and 20 dBm.

The eye-closure of the central channel (1550 nm) is measured after a receiver unit consisting of optical drop filter, photodiode, and post-detection filter before and after fiber propagation.

3 viên canh sự khuếch đại khac nhau được so sanh----Thứ nhất, sự khuếch đại Raman ngược, thứ hai, sự khuếch đại Raman trực tiếp 2 chiều, và thứ ba, sự khuếch đại EDF sạch (với hỉnh nhuyên của 4 dB). Mô ta sơ lược cặp năng lượng cho 3 viển canh được chỉ ra trong Hình 6. Nghiên cứu sự anh hương của cap không thẳng trên một mặt và nhuyên bộ khuyếch đại ơ trong mặt khac, năng lượng chạy kênh thay đổi giữa -5 dBM và 20 dBm. Măt đóng kín của kênh trung tâm (1550 nm) là chính xac sau khi một bộ đơn vị thu bao gồm bộ lọc giọt quang học, điốt quang, và bộ lọc tham do trước và sau sự lan truyền cap.

Figure 15 shows the eye-closure penalty versus channel power for the three investigated amplification schemes after propagation over the DSF.

Hình 15 cho thấy so sanh sự bất lợi măt đóng kín và năng lượng kênh cho 3 sơ đồ nghiên cứu sự khuếch đại sau sự lan truyền qua DSF.

Figure 15. Eye-Closure Penalty versus Channel Power for Different Amplification Schemes after Propagation over DSF

Hình 15. So sánh sự bất lơi mắt đóng kín và năng lương kênh cho các lươc đồ sự khuếch đại khác nhau sau khi lan truyền qua DSF

Figure 15 clearly indicates optimum values for the channel powers with respect to eye-closure penalty. At low channel powers, performance is limited by amplifier noise, while for high channel powers, it is limited by fiber nonlinearities, namely cross-phase modulation (XPM) and four wave mixing (FWM). Regardless of the applied amplification scheme, all three penalty curves rise with almost equal gradient.

Hình 15 chỉ ro ràng gia trị tối ưu cho cac năng lượng kênh đối với sự bất lợi măt đóng kín. Ở cac năng lượng kênh thấp, sự thực thi bị hạn chế bơi nhuyên bộ khuếch đại, trong khi những năng lượng kênh cao, nó giới hạn bơi cac cap không thẳng, ấy là sự điều biến pha ngang (XPM) và sự trộn lẫn 4 sóng (FWM). Bất chấp về lược đồ sự khuếch đại được ứng dụng, tất ca 3 đường cong bất lợi tăng lên với gân như đường dốc băng nhau.

The systems using Raman amplification outperform the one using an EDFA by the optimum achievable eye-closure penalty and the tolerance to power fluctuations. For the given set of parameters, widest tolerance with respect to the launch power is found for the case of bidirectional Raman amplification.

Cac hệ thống sử dụng sự khuếch đại Raman làm tốt hơn sự khuếch đại Raman sử dụng một EDFA bơi sự tốt ưu bất lợi của măt đóng kín thực thi và dung sai tới những dao động năng lượng. Bơi vì cài đặt cho trước của cac thông số, dung sai rộng nhất đối với năng lượng chạy được tìm cho trường hợp trong sự khuếch đại Raman.

For comparison, Figure 16 shows the eye-closure penalty versus channel power for the three investigated amplification schemes after propagation over standard SMF.

Để so sanh, Hình 16 chỉ sự so sanh sự bất lợi của măt đóng kín với năng lượng kênh cho 3 lược đồ nghiên cứu sự khuếch đại sau khi lan truyền thông qua tiêu chuẩn SMF.

Figure 16. Eye-Closure Penalty versus Channel Power for Different Amplification Schemes after Propagation over Standard SMF

Hình 16. So sánh sự bất lơi mắt đóng kín vơi năng lương kênh cho các lươc đồ sự khuếch đại khác nhau sau khi lan truyền thông qua chuẩn SMF.

Again, Figure 16 indicates optimum channel powers with respect to eye-closure penalty. However, there is now a clear difference visible with respect to tolerance of fiber nonlinearities.

Xin nhăc lại, Hình 16 chỉ bao cac năng lượng kênh tối ưu đối với sự bất lợi măt đóng kín. Tuy nhiên, bây giờ có một sự chênh lệnh ro ràng có thể thấy đối với sự lan truyền của cap không thăng.

For both considered propagation fibers, the optimum launch powers differ by up to 7 dBm, depending on the applied amplification scenario. This has an impact on WDM systems using a high number of channels, as more channels can be amplified with the same amount of pump power. Also, the minimum values of eye-closure penalty differ, which indicates that different total transmission distances are possible.

Đối với ca hai cap lan truyền quan trọng, năng lượng chạy tối ưu băng cach tăng đến 7 dBm, dựa trên viển canh sự khuếch đại đa ứng dụng. Điều này có một anh hương đối với cac hệ thống sử dụng một số cao của cac kênh, như nhiều kênh có thể được khuếch đại với cùng số lượng của năng lượng bơm. Đồng thời, gia trị nho nhất của sự bất lợi măt đóng kín khac, nó chỉ ra những tổng độ dài truyền dẫn là kha thi.

The results of this example case study show the importance of including nonlinear propagation effects in the system design process when deciding on optimum signal and pump powers.

Những kết qua của nghiên cứu tình huống ví dụ này chi ra sự quan trọng của tất ca cac hiệu ứng truyền không thẳng trong xử ly thiết kế hệ thống khi quyết định tối ưu hóa tín hiệu và cac năng lượng bơm.

7. Conclusions7. Kết luận

First, this tutorial described how Raman amplification could be helpful when designing future fiber-optical communication systems requiring throughput of large capacity. Then, a general introduction of the Raman effect was presented, and advantages of certain amplifier topologies were discussed. With the help of three

application examples, general problems arising from the design of systems considering Raman amplification were presented. It was shown that careful modeling of all relevant physical propagation effects is crucial for system design.

Thứ nhất, hướng dẫn này miêu ta sự khuếch đại Raman có thể giúp ích khi thiết kế cac hệ thống viên thông cap quang tương lai yêu câu thông lượng của điện dung lớn. Sau đó, một giới thịêu chung về hiệu ứng Raman đựơc giới thiệu, và cac ưu điểm của cac mô hình topo bộ khuếch đại nào đó đa được tranh luận. Với sự giúp ích của 3 ví dụ sự khuệch đại Raman, cac vấn đề chung xuất hiện từ thiết kế của cac hệ thống quyết định sự khuếch đại Raman đa đựơc giới thiệu. Nó đa chỉ ra cach làm mô hình cẩn thẩn của tất ca cac hiệu ứng lan truyền vật ly có liên quan quyết định cho thiết kế hệ thống.

GlossaryCác từ chuyên môn

DCF: dispersion compensating fiber (cap bù đăp tan săc)DRA: distributed Raman amplifier (bộ khuếch đại Raman đựơc phân bổ)DSF: dispersion shifted fiber (cap di chuyển tan săc)DWDM: dense wavelength division multiplexing (bộ chia đa thành phân bước sóng dày đặc)EDF: erbium-doped fiber (cap erbium-doped)EDFA: erbium-doped fiber amplifier (bộ khuếch đại cap erbium-doped)FBG: fiber Bragg gratingFWM: four wave mixing (4 sóng hoa hợp)OSNR: optical signal-to-noise ratio (số truyền quang học tín hiệu tới nhuyên)SRS: stimulated Raman scattering (việc mô phong Raman phân tan)SSMF: standard single mode fiber (cap chuẩn chế độ đơn)WDM: wavelength division multiplexing (bước sóng chia đa thành phân)XPM: cross-phase modulation (sự mô phong pha cheo)

TPHCM, ngày 14 thang 11 năm 2007Người biên dịch tài liệu

Phạm Lê Hai băng

ANH VIỆT THIẾU EM 2 CHẦU TRƯỚC + 2 CHẦU DỊCH TÀI LIỆU NÀY = 4 CHẦU (KHÀ KHÀ LẦN

NÀY LỜI TO) (CẤM XÙ À)