拉曼光纖放大器

拉曼光纖放大器?

? ? ? ? ?摘要:拉曼光纖放大器因其特有的在線、寬帶、低噪聲等特點而越來越被人們關注,是一種非常適合下一代超大容量、超長距離密集波分復用系統(DWDM)的光纖放大器。介紹拉曼光纖放大器的原理,分析拉曼光纖放大器應用和最新進展,并探討拉曼光纖放大器研究兩個方面。 關鍵詞:光纖放大器;受激拉曼散射;研究進展?。

? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ?引言? 隨著通信業務需求的飛速增長，對光纖傳輸系統的容量和無中繼傳輸距 離的要求越來越高。密集波分復用（DWDM）通信系統的速率和帶寬不斷提升，以10Gbit/s甚至更高速率為基礎的密集波分復用系統必然成為主流的光傳輸系統。摻鉺光纖放大器（EDFA）由于其增益平坦性等局限性，已經不能完全滿足光通信系統發展的要求。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、溫度穩定性好以及放大器自發輻射噪聲低等優點，光纖拉曼放大器是唯一能在1292~1660nm的光譜上進行放大的器件。并且，拉曼散射效應在所有類型的光纖上都存在，與各類光纖系統具有良好的兼容性，包括已鋪設和新建的各種光纖鏈路。? 拉曼現象早在1928年就被Chandrasekhara Raman所發現，在此之后就有人提出了利用這種效應來實現光的放大。但在很長時間內拉曼光纖放大器未能獲得廣泛應用，甚至在EDFA出現后一度銷聲匿跡，關鍵原因在于缺乏合適的大功率泵浦激光器。由于EDFA的廣泛應用，它所用的1480nm大功率泵浦激光器得到了深入的研究和開發，這就使拉曼放大器成為可能。

拉曼光纖放大器原理

拉曼光纖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，在形式上表現為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸,從而使弱信號光即得到放大。其工作原理示意如圖1所示。? 泵浦光子入射到光纖,光纖中電子受激并從基態躍遷到虛能級,然后處在虛能級的電子在信號光的感應下回到振動態高能級,同時發出一種和信號光相同頻率、相同相位、相同方向的低頻的斯托克斯光子,? 而剩余能量被介質以分子振動(光學聲子)的形式吸收,完成振動態之間的躍遷。斯托克斯頻移γr=γp-γs由分子振動能級決定,其值決定了受激拉曼散射的頻率范圍,其中γp是泵浦光的頻率,γs是信號光的頻率。對非晶態石英光纖來說,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γpγs范圍(40THz)內通過SRS實現信號光的放大。

?

圖1 拉曼光纖放大器工作原理示意圖?

受激拉曼散射原理：在一些非線性介質中，高能量（高頻率）的泵浦光散射，將一部分能量轉移給另一頻率的光束上，頻率的下移量是分子的振動模式決定的。用量子力學可以作如下解釋：一個高能量的泵浦光子入射到介質中，被一個分子吸收。電子先從基態躍遷至虛能級，虛能級的大小是由泵浦光的能量決定的。然后，虛能級電子在信號光的感應作用下，回到振動態的高能級，同時發出一個和信號光相同頻率，相同相位，相同方向的光，我們稱之為斯托克斯光子。從而進行信號光的放大。

拉曼光纖放大器主要應用

(1) 提高系統容量。傳輸速率不變的情況下，可通過增加信道復用數 來提高系統容量。開辟新的傳輸窗口是增加信道復用數的途徑，拉曼光纖放大器的全波段放大恰好滿足要求。分布式拉曼光纖放大器的低噪聲特性可以減小信道間隔，提高光纖傳輸的復用程度，提高傳輸容量。?????

(2) 拓展頻譜利用率和提高傳輸系統速率。拉曼光纖大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纖整個低損耗區，極大地拓展了頻譜利用率，提高了傳輸系統速率。分布式拉曼光纖放大器是將現有系統的傳輸速率升級到40Gbit/s的關鍵器件之一。拉曼光纖放大器已廣泛應用于光纖傳輸系統中，特別是超長跨距的光纖傳輸系統，如跨海光纜，陸地長距離光纖干線等。????

(3) 增加無中繼傳輸距離。無中繼傳輸距離主要是由光傳輸系統信噪比決定的，分布式拉曼光纖放大器的等效噪聲指數極低（-2～0dB），比EDFA的噪聲指數低4.5dB，利用分布式拉曼光纖放大器作前置放大器可明顯增大無中繼傳輸距離。?????

(4) 補償色散補償光纖（DCF）的損耗。DCF的損耗系數遠比單模光纖和非零色散位移光纖要大，比拉曼增益系數也要大。采用DCF與拉曼光纖放大器相結合的方式，既可以進行色散和損耗的補償，同時還可以提高信噪比。?????

(5) 通信系統升級。在接收機性能不變的前提下，如果增加系統的傳輸速率，要保證接收端的誤碼率不變，就必須增加接收端的信噪比。采用與前置放大器相配合的拉曼光纖放大器來提高信噪比，是實現系統升級的方法之一。 ? ? ??

? ? ? ? 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和能進行色散補償等優點，近年引起人們廣泛關注，現已逐步走向商用。拉曼光纖放大器主要用做分布式放大器，輔助EDFA進行信號放大，也可以單獨使用，放大EDFA不能放大的波段，同時克服了EDFA級 聯噪聲大及放大帶寬有限等缺點。目前拉曼放大器在長距離骨干網和海底光纜中傳輸的地位已得到承認；在城域網中，拉曼光纖放大器也有其利用價值。通信波段擴展和密集波分復用技術的運用，給拉曼光纖放大器帶來了廣闊的應用前景。拉曼光纖放大器的一系列優點，使它有可能成為下一代光放大器的主流。

拉曼光纖放大器研究進展?????

目前,對于拉曼光纖放大器的研究大致可以分為2個方面:?????

(1)拉曼光纖放大器參數模擬仿真方面的研究由于非線性的復雜性所以對于影響拉曼效益的各種參數,還無法用很精確的解析表達式來表示,在很大程度上依靠試驗測量數據,因此一個重要的研究方向就是依靠量子力學理論，研究拉曼效應的底層機制,改進目前的數值模擬方式的局限性。通過對拉曼光纖放大器光纖特性、增益特性(增益數、增益飽和、增益平坦)、噪聲特性,色散補償等參數的模擬仿真。通過對模型的優化法的改進,使模擬更加接近真實。數學模型的完善,算法的加強,使得做模擬的時候有好的數學工具和計算仿真工具。?

(2)拉曼光纖放大器的應用和設計方面的研究? 目前,商用的光纖放大器的主流鏟平依然是EDFA,雖然拉曼光纖放大器的研究也很熟,也有一些應用,列如國外很多長距離的、超大容量的波分復用光通訊中(DWDM)就使用的是分布式拉曼光纖放大器。也有采用合的光纖,用作分立式的拉曼光纖放大器。但是功率、效率方面的原因,他的應用現在還沒有達到取代市場上的EDFA,只是起到協助EDFA的工作。拉曼光纖放大器的設計研究主要集中其結構的實驗設計,實驗結構設計包括光纖的研制、泵浦源的選擇和泵浦方式的選擇。拉曼光纖放大器需要的是特種光纖,通過對光纖的加工,使得光纖具有高的拉曼增益系數較低的損耗的性能,有利于提高泵浦功率閾值,提高效率。??????

? ? ? ? ?拉曼光纖放大器在實際應用中最關鍵的是獲得高功率、合適波長、壽命較長的高功率泵浦源。事實上這正是以往限制拉曼放大器邁向實用化的原因。目前可實用的拉曼泵浦源主要有兩種:一種是復用半導體泵浦激光器;另一種是級聯式拉曼激光器。對于不同的泵浦方式,對拉曼光纖放大器的影響也很大。從單波長泵浦光源、單級放大發展到多波長泵浦光源、多級放大。Einor和Lewis分別用12個波長信道的波分復用激光二極管單元和三波長級聯光纖拉曼激光器作泵浦光源分別得到100nm和114nm的增益帶寬。目前對于RFA實驗結構設計主要有以下4種:多波長泵浦的寬帶拉曼光纖放大器;寬帶高增益色散補償拉曼光纖放大器;單激光器多波長泵浦拉曼光纖放大器;混和拉曼光纖放大器。其中光纖拉曼放大器與摻稀土光纖放大器結合構成的混合型放大器成為熱點。在拉曼放大器產品的研究開發方面,在國外,有一些公司推出其光纖拉曼放大器產品。2001年,XteraCommunication公司推出其S波段的集中式光纖拉曼放大器。

? ? ? ? 2002年,IPGPhotonics公司推出增益超過20dB的窄帶和寬帶的集中式光纖拉曼放大器系列。這一系列的產品工作波長覆蓋1260～1700nm,放大器的帶寬能夠達到100nm。國內的一些單位相繼開展拉曼光纖放大器的研究開發,武漢光迅公司在2002年率先在國內推出拉曼光纖大器的第一代產品,目前推出了第二代系列拉曼光纖放大器產品。此外,無錫中興電子公司也推出其分布式拉曼放大器,在性能和參數方面具有領先的優勢。

? ? ? ?

結論?

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和能進行色散補償等優點，近年引起人們廣泛關注，現已逐步走向商用。拉曼光纖放大器主要用做分布式放大器，輔助EDFA進行信號放大，也可以單獨使用，放大EDFA不能放大的波段，同時克服了EDFA級 聯噪聲大及放大帶寬有限等缺點。目前拉曼放大器在長距離骨干網和海底光纜中傳輸的地位已得到承認；在城域網中，拉曼光纖放大器也有其利用價值。通信波段擴展和密集波分復用技術的運用，給拉曼光纖放大器帶來了廣闊的應用前景。拉曼光纖放大器的一系列優點，使它有可能成為下一代光放大器的主流。