光纖拉曼放大器,什么是光纖拉曼放大器

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）由于其增益平坦及噪聲等局限性，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。光纖拉曼放大器與新型大有效面積傳輸光纖、高光譜效率調制碼型和向前糾錯技術被稱為現代大容量、長距離光纖傳輸的四大關鍵技術。

1.光纖拉曼放大器的工作原理和性能

（1）受激拉曼散射（SRS）

受激拉曼散射是強激光的光電場與原子中的電子激發、分子中的振動或與晶體中的晶格相耦合產生的，具有很強的受激特性，即與激光器中的受激光發射有類似特性：方向性強，散射強度高。

（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，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。其工作原理示意圖如下：

RFA 中一個入射泵浦光子通過光纖非線性散射轉移部分能量，產生低頻斯托克斯光子，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）內通過SRS實現信號光的放大。

拉曼光纖放大器相對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，就可以對光纖窗口內任一波長的信號進行放大，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，此特點使光纖拉曼放大器可以對光信號的放大構成分布式放大，實現長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，尤其適用于海底光纜通訊等不方便建立中繼站的場合；

（3）可以通過調整各個泵浦的功率來動態調整信號增益平坦度；

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

（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高速、大容量光纖通信系統中將發揮關鍵作用，表1中對光纖拉曼放大器與半導體光放大器（SOA）、摻鉺光纖放大器（EDFA）的主要特征和性能指標進行了比較：

2.光纖拉曼放大器的分類

（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，一般采用反向泵浦方式，實現方法如下：將高功率連續運轉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光傳輸方向相反。泵浦激光器的波長比信號光短約100nm。高功率光場泵浦光纖中的組分物質產生虛激發態；電子從這些虛激發態向基態躍遷，從而實現光信號的增益。分布式拉曼放大器傳輸光纖本身就是增益介質，信號在光纖中傳輸的同時得到放大，使得拉曼放大器的等效噪聲指數為負。低噪聲系數分布式拉曼放大器可以有效克服四波混頻等非線性效應的影響，并改善系統的光信噪比（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通常是色散補償光纖或高非線性光纖，比如DCF光纖或者碲基光纖。目前DCF光纖拉曼增益系數比SMF提高了10倍左右，作為拉曼增益介質后還可以組成色散補償模塊（DCM）。采用碲基光纖，其拉曼增益系數比石英光纖高16倍，峰值達到55W/km。

3.光纖拉曼放大器的應用與進展

目前，分布式光纖拉曼放大器進展很快，國外很多長距離、超大容量的密集波分復用光通訊系統（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中的光密度，以便減少由于非線性效應產生的四波混頻、信道間串擾所引起的系統性能劣化。但拉曼放大器的增益較低（實際線路中使用時不超過16dB），而EDFA雖然噪聲指數上不如拉曼放大器，但小信號增益可以超過30dB，因此將拉曼放大器與EDFA結合起來的混合放大器是一種理想的應用形式。

由980nm泵浦的EDFA進行C波段的放大，由1497nm拉曼泵浦源負責L波段的放大。其增益譜線由于疊加在1535（EDFA產生）、1560（疊加產生）和1600nm（拉曼放大產生）附近出現3個增益峰值，大小為1.5~2dB而在1540和1560附近出現兩個0dB左右的谷底。采用GFF后將所有信號增益控制在0dB左右，這樣實現了80nm帶寬、256×10Gbit/s×11000km的傳輸。

4．目前所面臨的問題

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

除了復雜的、高難度的工程設計以外，為了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器經常會使用超過1W（>30dBm）的放大器。因此，光傳輸系統對拉曼放大器附近的光纖連接頭與光纖镕接點的質量有很高的要求，以盡量減少反射與損耗對拉曼增益機制的副作用。同時為了防止高能量激光對工程維護人員可能造成的傷害，自動光功率關閉（ALS）與人員特別培訓都是不可或缺的。