光纖拉曼放大器,什么是光纖拉曼放大器

隨著通信業(yè)務(wù)需求的飛速增長(zhǎng)，對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的容量和無(wú)中繼傳輸距離的要求越來(lái)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(mǎn)足光通信系統(tǒng)發(fā)展的要求。而相對(duì)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1292~1660nm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(lèi)型的光纖上都存在，與各類(lèi)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(chēng)為現(xiàn)代大容量、長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)乃拇箨P(guān)鍵技術(shù)。

1.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(chǎng)與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動(dòng)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(lèi)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(hào)與強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，從而使弱信號(hào)光即得到放大。其工作原理示意圖如下：

RFA 中一個(gè)入射泵浦光子通過(guò)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(dòng)（光學(xué)聲子） 的形式吸收，完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。斯托克斯頻移Vr=Vp-Vs由分子振動(dòng)能級(jí)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(hào)光的頻率。對(duì)非晶態(tài)石英光纖來(lái)說(shuō)，其分子振動(dòng)能級(jí)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(guò)SRS實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。

拉曼光纖放大器相對(duì)于摻鉺光纖放大器有明顯不同：

（1）理論上只要有合適的拉曼泵浦源，就可以對(duì)光纖窗口內(nèi)任一波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行放大，因此它具有很寬的增益譜；

（2）可以利用傳輸光纖本身作增益介質(zhì)，此特點(diǎn)使光纖拉曼放大器可以對(duì)光信號(hào)的放大構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無(wú)中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦，尤其適用于海底光纜通訊等不方便建立中繼站的場(chǎng)合；

（3）可以通過(guò)調(diào)整各個(gè)泵浦的功率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)增益平坦度；

（4）具有較低的等效噪聲指數(shù)，此特點(diǎn)使其與常規(guī)的摻鉺光纖放大器混合使用時(shí)可大大降低系統(tǒng)噪聲指數(shù)。

（3）光纖拉曼放大器性能分析

光纖拉曼放大器的性能決定了它在未來(lái)高速、大容量光纖通信系統(tǒng)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，表1中對(duì)光纖拉曼放大器與半導(dǎo)體光放大器（SOA）、摻鉺光纖放大器（EDFA）的主要特征和性能指標(biāo)進(jìn)行了比較：

2.光纖拉曼放大器的分類(lèi)

（1）分布式拉曼光纖放大器（LRA）

分布式拉曼放大器基于光纖受激拉曼散射（SRS）效應(yīng)，一般采用反向泵浦方式，實(shí)現(xiàn)方法如下：將高功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光從光纖跨段的輸出端注入傳輸光纖，該泵浦光的傳輸方向與信號(hào)光傳輸方向相反。泵浦激光器的波長(zhǎng)比信號(hào)光短約100nm。高功率光場(chǎng)泵浦光纖中的組分物質(zhì)產(chǎn)生虛激發(fā)態(tài)；電子從這些虛激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的增益。分布式拉曼放大器傳輸光纖本身就是增益介質(zhì)，信號(hào)在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)得到放大，使得拉曼放大器的等效噪聲指數(shù)為負(fù)。低噪聲系數(shù)分布式拉曼放大器可以有效克服四波混頻等非線性效應(yīng)的影響，并改善系統(tǒng)的光信噪比（OSNR）。

（2）分立式拉曼光纖放大器（DRA）

分立式拉曼放大器采用的放大介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性光纖，比如DCF光纖或者碲基光纖。目前DCF光纖拉曼增益系數(shù)比SMF提高了10倍左右，作為拉曼增益介質(zhì)后還可以組成色散補(bǔ)償模塊（DCM）。采用碲基光纖，其拉曼增益系數(shù)比石英光纖高16倍，峰值達(dá)到55W/km。

3.光纖拉曼放大器的應(yīng)用與進(jìn)展

目前，分布式光纖拉曼放大器進(jìn)展很快，國(guó)外很多長(zhǎng)距離、超大容量的密集波分復(fù)用光通訊系統(tǒng)（DWDM） 所使用的光放大器大多是分布式光纖拉曼放大器，這不僅可以充分利用光纖資源，降低成本，而且可以降低增益介質(zhì)中的光密度，以便減少由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的四波混頻、信道間串?dāng)_所引起的系統(tǒng)性能劣化。但拉曼放大器的增益較低（實(shí)際線路中使用時(shí)不超過(guò)16dB），而EDFA雖然噪聲指數(shù)上不如拉曼放大器，但小信號(hào)增益可以超過(guò)30dB，因此將拉曼放大器與EDFA結(jié)合起來(lái)的混合放大器是一種理想的應(yīng)用形式。

由980nm泵浦的EDFA進(jìn)行C波段的放大，由1497nm拉曼泵浦源負(fù)責(zé)L波段的放大。其增益譜線由于疊加在1535（EDFA產(chǎn)生）、1560（疊加產(chǎn)生）和1600nm（拉曼放大產(chǎn)生）附近出現(xiàn)3個(gè)增益峰值，大小為1.5~2dB而在1540和1560附近出現(xiàn)兩個(gè)0dB左右的谷底。采用GFF后將所有信號(hào)增益控制在0dB左右，這樣實(shí)現(xiàn)了80nm帶寬、256×10Gbit/s×11000km的傳輸。

4．目前所面臨的問(wèn)題

在深入研究FRA的過(guò)程中，泵浦源的選擇與配置、噪聲的控制等都是急待解決的問(wèn)題。其中，光纖的色散特性會(huì)引起傳輸中的前后碼產(chǎn)生干擾，即碼間干擾，限制了傳輸碼速率和傳輸距離。針對(duì)目前傳輸線路上鋪設(shè)的G652單模光纖所存在的色散較大的問(wèn)題，可以將DCF光纖作為G652光纖的色散補(bǔ)償和色散斜率補(bǔ)償部分，組成補(bǔ)償型FRA。

除了復(fù)雜的、高難度的工程設(shè)計(jì)以外，為了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器經(jīng)常會(huì)使用超過(guò)1W（>30dBm）的放大器。因此，光傳輸系統(tǒng)對(duì)拉曼放大器附近的光纖連接頭與光纖镕接點(diǎn)的質(zhì)量有很高的要求，以盡量減少反射與損耗對(duì)拉曼增益機(jī)制的副作用。同時(shí)為了防止高能量激光對(duì)工程維護(hù)人員可能造成的傷害，自動(dòng)光功率關(guān)閉（ALS）與人員特別培訓(xùn)都是不可或缺的。