光纖拉曼放大器

1、光纖拉曼放大器的發(fā)展在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到 另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。量子力學(xué) 描述為入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動態(tài)之間 的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光。研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖具備很寬的 受激拉曼散射（SRS）增益譜，并在13THz附近有一較寬的上峰。假如一個(gè)弱信號和一強(qiáng) 泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號光即可 得到放大，這種基于受激拉曼散射機(jī)制的光放大器即稱為拉曼光纖放大器。隨著通信業(yè)務(wù)需求的

2、飛速增長，對光纖傳輸系統(tǒng)的容量和無中繼傳輸距離的要求越 來越高。密集波分復(fù)用（DWDM）通信系統(tǒng)的速率和帶寬不斷提升，以10Gbit/s甚至更高 速率為基礎(chǔ)的密集波分復(fù)用系統(tǒng)必然成為主流的光傳輸系統(tǒng)。摻鉺光纖放大器（EDFA）由 于其增益平坦及噪聲等局限性，已經(jīng)不能完全滿足光通信系統(tǒng)發(fā)展的要求。而相對于摻鉺光 纖放大器，光纖拉曼放大器具有更大的增益帶寬、靈活的增益譜區(qū)、溫度穩(wěn)定性好以及放大 器自發(fā)輻射噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，光纖拉曼放大器是唯一能在12921660nm的光譜上進(jìn)行放大的 器件。并且，拉曼散射效應(yīng)在所有類型的光纖上都存在，與各類光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性， 包括已鋪設(shè)和新建的各種光纖鏈路。光

3、纖拉曼放大器與新型大有效面積傳輸光纖、高光譜效 率調(diào)制碼型和向前糾錯(cuò)技術(shù)被稱為現(xiàn)代大容量、長距離光纖傳輸?shù)乃拇箨P(guān)鍵技術(shù)。拉曼光纖放大器的基本原理、特點(diǎn)和類型在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到 另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。量子力學(xué) 描述為入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動態(tài)之間 的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光。研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖具備很寬的 受激拉曼散射（SRS）增益譜，并在13THz附近有一較寬的主峰。假如一個(gè)弱信號和一強(qiáng)泵 浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使

4、弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號光即可得 到放大，這種基于受激拉曼散射機(jī)制的光放大器即稱為拉曼光纖放大器。拉曼光纖放大器有三個(gè)突出的特點(diǎn):a、其增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦源的 波長適當(dāng)，理論上可得到任意波長的信號放大；b、其增益介質(zhì)為傳輸光纖本身；c、噪聲系 數(shù)低。特點(diǎn)a使拉曼光纖放大器能夠放大EDFA所不能放大的波段，使用多個(gè)泵源還可得到 比EDFA寬得多的增益帶寬（后者由于能級躍遷機(jī)制所限，增益帶寬只有80nm），因此，對 于研發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)1270nm-1670nm具備無可替代的作用。特點(diǎn)b使拉曼光纖放大器 能夠?qū)庑盘栠M(jìn)行在線放大，構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長距離的

5、無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦，尤其 適用于海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場合。而且因?yàn)榉糯笫茄毓饫w分布而不是集中作 用，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低非線性效應(yīng)尤其是四波混頻（FWM）效 應(yīng)的干擾。特點(diǎn)c使其和常規(guī)EDFA混合使用時(shí)可大大降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，增加傳輸跨距。拉曼光纖放大器有兩種類型：一種為集總式拉曼放大器。所用的光纖增益介質(zhì)比較短， 一般在幾公里，泵浦功率需要很高，一般在幾到十幾瓦特，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，象 EDFA相同用來對信號光進(jìn)行集中放大，主要作為高增益、高功率放大，可放大EDFA所無法 放大的波段。在2000年的歐洲光通信會議上，斯坦福大學(xué)的研究人員報(bào)道了他

6、們進(jìn)行的集 總式拉曼放大實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，用十種不同的光纖分別做增益放大介質(zhì)比較得出，色散補(bǔ)償型光 纖是得到高質(zhì)量集總式拉曼光纖放大器的最好選擇。這預(yù)示我們能夠在進(jìn)行系統(tǒng)色散補(bǔ)償?shù)?同時(shí)對信號進(jìn)行高增益、低噪聲的放大，而且互相不影響。另一種為分步式拉曼放大器。所 用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM 通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。在DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量，尤其復(fù) 用波長數(shù)目的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹碓酱?，引起的非線性效應(yīng)也越來越強(qiáng)，容易 產(chǎn)生信道串?dāng)_，使信號失真。采用分布式拉曼光纖放大輔助傳輸可大大降低信號的入射功率， 同時(shí)

7、保持適當(dāng)?shù)墓庑盘栃旁氡龋∣SNR）。這種分布式拉曼放大技術(shù)由于系統(tǒng)傳輸容量提升的 需要而得到快速的發(fā)展。.光纖拉曼放大器的工作原理和性能（1）受激拉曼散射（SRS）受激拉曼散射是強(qiáng)激光的光電場與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動或與晶體中的晶格相耦 合產(chǎn)生的，具有很強(qiáng)的受激特性，即與激光器中的受激光發(fā)射有類似特性：方向性強(qiáng)，散射 強(qiáng)度高。（2）光纖拉曼放大器工作原理光纖拉曼放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應(yīng)，在形式上表現(xiàn)為處于泵 浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)的弱信號與強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，從而使弱信號光即得到放 大。其工作原理示意圖如下：h（卜 v） v）V- Al? PEH臥ffl

8、 RFA工作原理本煮RFA中一個(gè)入射泵浦光子通過光纖非線性散射轉(zhuǎn)移部分能量，產(chǎn)生低頻斯托克斯光子，而 剩余能量被介質(zhì)以分子振動（光學(xué)聲子）的形式吸收，完成振動態(tài)之間的躍遷。斯托克斯 頻移Vr=Vp-Vs由分子振動能級決定，其值決定了 SRS的頻率范圍，其中Vp是泵浦光的頻 率，Vs是信號光的頻率。對非晶態(tài)石英光纖來說，其分子振動能級融合在一起，形成了一 條能帶，因而可在較寬頻差Vp-Vs范圍（40THz）內(nèi)通過SRS實(shí)現(xiàn)信號光的放大。-拉曼光纖放大器由于具有全波段放大、低噪聲、可以抑制非線性效應(yīng)和能進(jìn)行色散 補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，近年引起人們廣泛關(guān)注，現(xiàn)已逐步走向商用。拉曼光纖放大器主要用 做分布式放大器，輔助EDFA在未來進(jìn)行信號放大，也可以單獨(dú)使用，放大EDFA不 能放大的波段，同時(shí)克服了 EDFA級聯(lián)噪聲大及放大帶寬有限等缺點(diǎn)。目前拉曼放大 器在長距離骨干網(wǎng)和海底光纜中的市場地位