光纖拉曼放大器性能分析與進展

高雪松1 鄒恩2
1、北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院
2、深圳飛通北京分公司測試部

摘  要：本文介紹了目前在光通訊領(lǐng)域有很大發(fā)展前景的光纖拉曼放大器（RFA）的基本工作原理，其相對于目前主要應(yīng)用的摻鉺光纖放大器（EDFA）的優(yōu)點，以及它的應(yīng)用和所存在的一些問題，為研究光纖拉曼放大器相關(guān)課題提供一定程度的參考。
關(guān)鍵詞：光纖通信、光纖拉曼放大器、混合式寬帶放大器

1、前  言
隨著通信業(yè)務(wù)需求的飛速增長，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，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(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)。

2、光纖拉曼放大器的工作原理和性能

2.1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(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，散射強度高。

2.2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(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實現(xiàn)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(nèi)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(zhì)，此特點使光纖拉曼放大器可以對光信號的放大構(gòu)成分布式放大，實現(xiàn)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(diào)整各個泵浦的功率來動態(tài)調(diào)整信號增益平坦度；（4）具有較低的等效噪聲指數(shù)，此特點使其與常規(guī)的摻鉺光纖放大器混合使用時可大大降低系統(tǒng)噪聲指數(shù)。

2.3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(tǒng)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，表1中對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進行了比較：

3、光纖拉曼放大器的分類
3.1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，實現(xiàn)方法如下：將高功率連續(xù)運轉(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(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，從而實現(xiàn)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(zhì)，信號在光纖中傳輸?shù)耐瑫r得到放大，使得拉曼放大器的等效噪聲指數(shù)為負。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）。

3.2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，峰值達到55W/km。

4、光纖拉曼放大器的應(yīng)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(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、信道間串擾所引起的系統(tǒng)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(shù)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(jié)合起來的混合放大器是一種理想的應(yīng)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(chǎn)生）、1560（疊加產(chǎn)生）和1600nm（拉曼放大產(chǎn)生）附近出現(xiàn)3個增益峰值，大小為1.5~2dB而在1540和1560附近出現(xiàn)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(xiàn)了80nm帶寬、256×10Gbit/s×11000km的傳輸。

5、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(chǎn)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(shè)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(fù)雜的、高難度的工程設(shè)計以外，為了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器經(jīng)常會使用超過1W（>30dBm）的放大器。因此，光傳輸系統(tǒng)對拉曼放大器附近的光纖連接頭與光纖镕接點的質(zhì)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(guān)閉（ALS）與人員特別培訓(xùn)都是不可或缺的。

6、總  結(jié)
本文介紹了光纖拉曼放大器的發(fā)展情況，分析了其基本工作原理和性能，并對其進行了分類比較，闡述了其應(yīng)用與進展，指出了目前所面臨的問題。本文為研究光纖拉曼放大器相關(guān)課題提供一定程度的參考。

參考資料：
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[4]遲榮華、呂可誠、運鵬、李乙鋼、董孝義、陳文釗、楊光明、劉兆兵，《分布式拉曼光纖放大的實驗研究》，中國激光，2004年第7期
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