拉曼光纤放大器

拉曼光纤放大器

         摘要:拉曼光纤放大器因其特有的在线、宽带、低噪声等特点而越来越被人们关注,是一种非常适合下一代超大容量、超长距离密集波分复用系统(DWDM)的光纤放大器。介绍拉曼光纤放大器的原理,分析拉曼光纤放大器应用和最新进展,并探讨拉曼光纤放大器研究两个方面。 关键词:光纤放大器;受激拉曼散射;研究进展。

           引言  随着通信业务需求的飞速增长，对光纤传输系统的容量和无中继传输距 离的要求越来越高。密集波分复用（DWDM）通信系统的速率和带宽不断提升，以10Gbit/s甚至更高速率为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。掺铒光纤放大器（EDFA）由于其增益平坦性等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。而相对于掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器具有更大的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放大器自发辐射噪声低等优点，光纤拉曼放大器是唯一能在1292~1660nm的光谱上进行放大的器件。并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。  拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman所发现，在此之后就有人提出了利用这种效应来实现光的放大。但在很长时间内拉曼光纤放大器未能获得广泛应用，甚至在EDFA出现后一度销声匿迹，关键原因在于缺乏合适的大功率泵浦激光器。由于EDFA的广泛应用，它所用的1480nm大功率泵浦激光器得到了深入的研究和开发，这就使拉曼放大器成为可能。

拉曼光纤放大器原理

拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输,从而使弱信号光即得到放大。其工作原理示意如图1所示。  泵浦光子入射到光纤,光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级,然后处在虚能级的电子在信号光的感应下回到振动态高能级,同时发出一种和信号光相同频率、相同相位、相同方向的低频的斯托克斯光子,  而剩余能量被介质以分子振动(光学声子)的形式吸收,完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移γr=γp-γs由分子振动能级决定,其值决定了受激拉曼散射的频率范围,其中γp是泵浦光的频率,γs是信号光的频率。对非晶态石英光纤来说,其分子振动能级融合在一起,形成了一条能带,因而可在较宽频差γpγs范围(40THz)内通过SRS实现信号光的放大。

图1 拉曼光纤放大器工作原理示意图 

受激拉曼散射原理：在一些非线性介质中，高能量（高频率）的泵浦光散射，将一部分能量转移给另一频率的光束上，频率的下移量是分子的振动模式决定的。用量子力学可以作如下解释：一个高能量的泵浦光子入射到介质中，被一个分子吸收。电子先从基态跃迁至虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定的。然后，虚能级电子在信号光的感应作用下，回到振动态的高能级，同时发出一个和信号光相同频率，相同相位，相同方向的光，我们称之为斯托克斯光子。从而进行信号光的放大。

拉曼光纤放大器主要应用

(1) 提高系统容量。传输速率不变的情况下，可通过增加信道复用数 来提高系统容量。开辟新的传输窗口是增加信道复用数的途径，拉曼光纤放大器的全波段放大恰好满足要求。分布式拉曼光纤放大器的低噪声特性可以减小信道间隔，提高光纤传输的复用程度，提高传输容量。     

(2) 拓展频谱利用率和提高传输系统速率。拉曼光纤大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纤整个低损耗区，极大地拓展了频谱利用率，提高了传输系统速率。分布式拉曼光纤放大器是将现有系统的传输速率升级到40Gbit/s的关键器件之一。拉曼光纤放大器已广泛应用于光纤传输系统中，特别是超长跨距的光纤传输系统，如跨海光缆，陆地长距离光纤干线等。    

(3) 增加无中继传输距离。无中继传输距离主要是由光传输系统信噪比决定的，分布式拉曼光纤放大器的等效噪声指数极低（-2～0dB），比EDFA的噪声指数低4.5dB，利用分布式拉曼光纤放大器作前置放大器可明显增大无中继传输距离。     

(4) 补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗。DCF的损耗系数远比单模光纤和非零色散位移光纤要大，比拉曼增益系数也要大。采用DCF与拉曼光纤放大器相结合的方式，既可以进行色散和损耗的补偿，同时还可以提高信噪比。     

(5) 通信系统升级。在接收机性能不变的前提下，如果增加系统的传输速率，要保证接收端的误码率不变，就必须增加接收端的信噪比。采用与前置放大器相配合的拉曼光纤放大器来提高信噪比，是实现系统升级的方法之一。       

        拉曼光纤放大器由于具有全波段放大、低噪声、可以抑制非线性效应和能进行色散补偿等优点，近年引起人们广泛关注，现已逐步走向商用。拉曼光纤放大器主要用做分布式放大器，辅助EDFA进行信号放大，也可以单独使用，放大EDFA不能放大的波段，同时克服了EDFA级 联噪声大及放大带宽有限等缺点。目前拉曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中传输的地位已得到承认；在城域网中，拉曼光纤放大器也有其利用价值。通信波段扩展和密集波分复用技术的运用，给拉曼光纤放大器带来了广阔的应用前景。拉曼光纤放大器的一系列优点，使它有可能成为下一代光放大器的主流。

拉曼光纤放大器研究进展     

目前,对于拉曼光纤放大器的研究大致可以分为2个方面:     

(1)拉曼光纤放大器参数模拟仿真方面的研究由于非线性的复杂性所以对于影响拉曼效益的各种参数,还无法用很精确的解析表达式来表示,在很大程度上依靠试验测量数据,因此一个重要的研究方向就是依靠量子力学理论，研究拉曼效应的底层机制,改进目前的数值模拟方式的局限性。通过对拉曼光纤放大器光纤特性、增益特性(增益数、增益饱和、增益平坦)、噪声特性,色散补偿等参数的模拟仿真。通过对模型的优化法的改进,使模拟更加接近真实。数学模型的完善,算法的加强,使得做模拟的时候有好的数学工具和计算仿真工具。 

(2)拉曼光纤放大器的应用和设计方面的研究  目前,商用的光纤放大器的主流铲平依然是EDFA,虽然拉曼光纤放大器的研究也很熟,也有一些应用,列如国外很多长距离的、超大容量的波分复用光通讯中(DWDM)就使用的是分布式拉曼光纤放大器。也有采用合的光纤,用作分立式的拉曼光纤放大器。但是功率、效率方面的原因,他的应用现在还没有达到取代市场上的EDFA,只是起到协助EDFA的工作。拉曼光纤放大器的设计研究主要集中其结构的实验设计,实验结构设计包括光纤的研制、泵浦源的选择和泵浦方式的选择。拉曼光纤放大器需要的是特种光纤,通过对光纤的加工,使得光纤具有高的拉曼增益系数较低的损耗的性能,有利于提高泵浦功率阈值,提高效率。      

         拉曼光纤放大器在实际应用中最关键的是获得高功率、合适波长、寿命较长的高功率泵浦源。事实上这正是以往限制拉曼放大器迈向实用化的原因。目前可实用的拉曼泵浦源主要有两种:一种是复用半导体泵浦激光器;另一种是级联式拉曼激光器。对于不同的泵浦方式,对拉曼光纤放大器的影响也很大。从单波长泵浦光源、单级放大发展到多波长泵浦光源、多级放大。Einor和Lewis分别用12个波长信道的波分复用激光二极管单元和三波长级联光纤拉曼激光器作泵浦光源分别得到100nm和114nm的增益带宽。目前对于RFA实验结构设计主要有以下4种:多波长泵浦的宽带拉曼光纤放大器;宽带高增益色散补偿拉曼光纤放大器;单激光器多波长泵浦拉曼光纤放大器;混和拉曼光纤放大器。其中光纤拉曼放大器与掺稀土光纤放大器结合构成的混合型放大器成为热点。在拉曼放大器产品的研究开发方面,在国外,有一些公司推出其光纤拉曼放大器产品。2001年,XteraCommunication公司推出其S波段的集中式光纤拉曼放大器。

        2002年,IPGPhotonics公司推出增益超过20dB的窄带和宽带的集中式光纤拉曼放大器系列。这一系列的产品工作波长覆盖1260～1700nm,放大器的带宽能够达到100nm。国内的一些单位相继开展拉曼光纤放大器的研究开发,武汉光迅公司在2002年率先在国内推出拉曼光纤大器的第一代产品,目前推出了第二代系列拉曼光纤放大器产品。此外,无锡中兴电子公司也推出其分布式拉曼放大器,在性能和参数方面具有领先的优势。

结论 

拉曼光纤放大器由于具有全波段放大、低噪声、可以抑制非线性效应和能进行色散补偿等优点，近年引起人们广泛关注，现已逐步走向商用。拉曼光纤放大器主要用做分布式放大器，辅助EDFA进行信号放大，也可以单独使用，放大EDFA不能放大的波段，同时克服了EDFA级 联噪声大及放大带宽有限等缺点。目前拉曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中传输的地位已得到承认；在城域网中，拉曼光纤放大器也有其利用价值。通信波段扩展和密集波分复用技术的运用，给拉曼光纤放大器带来了广阔的应用前景。拉曼光纤放大器的一系列优点，使它有可能成为下一代光放大器的主流。