光纤拉曼放大器的原理和应用

光纤与电缆及其应用技术Opticai Fiber &Eiectric Cabie
2005年第5期!!!!""
""No.52005
综述
光纤拉曼放大器的原理和应用
曹培炎
（清华大学电子工程系，北京100084）
［摘
要］光通信技术的发展要求拓宽光纤的可利用带宽并提高传输速率，因此中继放大成为光通信领域的
关键技术之一。

光纤拉曼放大器（FRA ）以其优异的性能适应了当前中继放大技术的需要。

为此了解FRA 的工作原理、特点、分类以及主要应用是十分必要的。

［关键词］拉曼放大器；波分复用；掺铒光纤放大器；分布式光纤拉曼放大器［中图分类号］TN253
［文献标识码］A
［文章编号］1006-1908（2005）05-0008-04
Principles and Applications of Fiber Raman Amplifier
CAO Pei-yan
（Department of Electronic Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ）
Abstract ：The deveiopment of opticai communication technoiogy demands to widen the avaiiabie bandwidth and enhance the transmission speed of opticai fibers ，so the in-iine ampiification becomes a key technoiogy in the fieid of opticai communication.Fiber Raman ampiifier
（FRA ）can satisfy the reguirements of modern in-iine ampiification technoiogies.Therefore ，to understand the principies of FRA ，and the characteristics ，ciassification ，and major appiications of them is necessary.
Key words ：Raman ampiifier ；WDM ；EDFA ；distributed fiber Raman ampiifier
（DFRA ）［收稿日期］2005-05-10［作者简介］曹培炎（1983-），男，清华大学电子工程系信
息光电子专业学生.
［作者地址］北京市海淀区清华大学学生宿舍AAA -16103
信箱，100084
0引言
20世纪90年代以来，Internet 的普及发展和各
种信息（如语音、图像、数据等）业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。

在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。

在各种信息业务中，数据业务的爆炸式增长对传输技术提出了更高的要求，运营商迫切需要新的策略来拓宽光纤的可利用带宽并提高传输速率。

由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。

传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。

在光放大器没有出现之前，光纤传输
系统普遍采用光-电-光的混合中继器，但这种中继
方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。

随着全光中继器———掺铒光纤放大器（EDFA ）的出现，这一问题迎刃而解。

EDFA 的出现引起了光纤通信技术一次具有历史意义的实质性飞跃，它取代传统的电中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时放大，有效地降低了中继成本，提高了传输效率；同时可与传输光纤实现良好的耦合，对光信号的速率与格式保持透明，具有高增益、低噪声等优点，是较为理想的中继设备，被成功地应用于波分复用（WDM ）光通信系统。

EDFA +WDM （DWDM ）的光通信系统极大地增加了光纤通信传输容量和传输距离，成为光通信发展的主流。

无电中继传输的实现还使得基于光分插复用（OADM ）和光交叉连接（OXC ）的全光通信成为可能。

然而，普通EDFA 的增益带宽仅仅覆盖了石英
单模光纤低损耗窗口的一小部分，约35nm （1530~1565nm ）
，可供利用的波长资源十分有限。

基于EDFA 的WDM 传输系统即使利用了整个EDFA 的增
益带宽，采用色散管理孤子技术提高谱效率，也不能###############################################################满足超长距离和大容量传输系统的需要。

因此，拓
展放大器的增益带宽成为进一步提高光纤通信系统传输容量和距离的研究方向。

为了提高放大器的增益带宽，人们研制出了多种EDFA放大器，如碲化物EDFA，带宽可达76nm；掺铒氟化物光纤放大器（EDFFA），带宽可达75nm；增益位移掺铒光纤放大器（GS-EDFA），控制掺铒光纤的粒子数反转程度，可放大1570~1600nm波段。

然而，改进的EDFA还是存在带宽窄等缺点，为了进一步扩展带宽，人们研制了光纤拉曼放大器（FRA），FRA成为继EDFA之后又一类备受重视并获得实际应用的光放大器。

FRA按照其工作方式可分为两类：集中式拉曼放大器（Lumped Raman Amplifier）和分布式光纤拉曼放大器（Distributed Fiber Raman Amplifier，DFRA）。

FRA具有很多优点，如有很宽的增益谱，工作波长取决于泵浦波长，而不像掺杂光纤放大器那样放大波长受掺杂离子的发射波长的限制；而且FRA的增益介质为传输光纤本身，可以采用分布放大的形式。

DFRA具有低噪声特性，有助于增加传输跨距，延长链路的传输长度和降低成本。

DFRA的分布式结构还可以使原有系统能更方便地向高速率系统升级，DFRA的泵浦模块只需安装在已有的中继站内而无需改变系统链路的原有结构。

有实验表明，利用多泵浦的FRA能实现大于100nm的增益带宽，并且0.1dB平坦度的带宽可达80nm以上［1］。

对于现有的2.5Gb/s的WDM系统，仅仅利用FRA，就能升级到10Gb/s系统［2］，并且实现了7200km的长距离传输［3］。

FRA（DFRA）的这些特性与当代光通信的发展对传输容量的要求相符，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合，因此受到了普遍重视。

近期大功率泵浦源的发展更有力地推动了FRA的研究。

1FRA的原理及特性
1.1工作原理
FRA的工作原理为受激拉曼散射（SRS），即某一波长的光在光纤中传输时，由于入射光场与分子介质的非线性参量相互作用，该光场能量会被部分转化为频率较低的散射光场能量和分子振动能。

量子力学把这一过程描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，作为泵浦光的入射光产生斯托克斯（Stokes）波的频移光，频率下移量由介质的振动模式决定。

如果一个弱信号光与一强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号光的波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到频率下移的信号光。

这样，弱信号光就得到了放大。

图1直观地描述了石英光纤SRS的原理和过程［1］。

图1SRS中的能级分布和跃迁示意图
与其它类型的光放大器相比，FRA的工作原理有所不同。

它不需要能级间的粒子数反转，而是利用非线性介质对泵浦光的受激散射作用，完成分子振动态之间跃迁，实现泵浦能量的转移（从高频泵浦光转移到低频斯托克斯光）。

图1所示的泵浦能级都是虚能级，即介质对泵浦光频率没有限制，FRA能够采用多波长泵浦进行宽带放大和增益谱设计。

拉曼增益谱用!
R
（!"）表示，其中!"为泵浦光
与信号光频率之差，即拉曼频移。

!
R
一般与光纤纤
芯有关，对不同的掺杂物，!
R
有很大的变化。

对于
泵浦波长!
p
=1"m，图2给出了石英中!R与频移
的变化关系。

显然!
R
具有很宽的增益谱（40THZ），并在13THZ附近有一个相对平坦的主峰，带宽约为3THZ。

在泵浦光与信号光的波长相差小于100nm 时，拉曼增益系数与该差值基本呈线性关系，随后随该差值减小，增益系数快速减小。

拉曼放大可用的增益带宽约为48nm。

图2石英中的拉曼增益谱
1.2集中式和分布式FRA
集中式FRA所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里以内，泵浦功率要求很高，一般需几到十几瓦，像EDFA一样对信号光进行集中放大，可产生40 dB以上的高增益，其主要应用在EDFA无法放大的波段。

在ECOCC2000会议上，斯坦福大学的研究人员报道了他们进行的集中式FRA实验的结果，在选
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曹培炎：光纤拉曼放大器的原理和应用
用十种不同的光纤分别做为增益放大介质的比较试验中，色散补偿型光纤（DCF）是高质量集中式FRA的最佳选择。

这预示可以在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而且互相不影响。

DFRA所用的光纤较长，一般为几十公里，泵浦源功率可降低至几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。

在DWDM系统中，传输容量，尤其是复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。

采用DFRA可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号的信噪比（SNR），延长链路跨距。

DFRA技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展。

当然，在保证放大性能的前提下缩短所用光纤长度是一个主要问题。

DFRA 辅助传输系统的典型结构如图3所示［4］，在WDM系统的每个传输跨距末端将拉曼泵浦光反向注入光纤，以光纤为增益介质，对信号进行分布式放大；传输跨距之间利用EDFA对信号进行集中放大。

值得注意的是，由于传输单元末端的光信号功率较弱，这种反向泵浦方式所引起的附加光纤非线性效应可以忽略。

图4为传输单元内信号光功率和拉曼泵浦光功率沿传输光纤的分布曲线。

图3采用DFRA辅助传输的WDM系统
图4信号光和泵浦光功率沿传输光纤的分布曲线
2FRA对系统性能的影响
FRA辅助传输对DWDM系统的性能具有非常重要的意义，这从系统的噪声特性和系统品质因数等参数均可以看出。

2.1对系统SNR的影响
如果光纤中信号功率过高，在传输过程中会出现严重的非线性效应；如果信号输出功率过低，它在下一级放大器中产生的噪声会很大。

分布式放大器能够降低光功率在传输过程中的波动，有效地抑制非线性效应和SNR恶化，使得传输系统具有更好的传输性能（如图5所示）［5］。

图5分布式放大系统和集中式放大系统的功率传输特性
由于DFRA可以对信号进行在线实时放大，因此在传输过程中，各处的信号功率能够维持相对稳定，从而大大改善SNR。

这一点NTT的网络实验室已经做过较为深入的研究［6］，研究结果表明，在相同的非线性环境下，FRA的噪声特性要比EDFA好0.5 dB。

研究人员在OFC'2000会议上全面报道了FRA 对系统SNR影响的理论分析及系统建模的结果［4］。

他们采用25dB损耗间距，五级放大传输系统，将几种不同的传输光纤作为研究对象，输入常规EDFA 增益波段（l525~l565nm）的40个波长的信号光，信道间距和输入功率分别为l00GHZ和5dBm。

通过系统分析模拟得出，在拉曼泵浦功率为500mW 时，即使对于效果最差的l530nm信道，系统的SNR 相对于EDFA也能提高4.5~6.5dB，其结果如图6所示。

图6五级放大传输系统的信噪比随拉曼
泵浦功率变化的模拟曲线
2.2对系统噪声指数的影响
DFRA与常规EDFA混合使用能有效降低系统
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的传输单元噪声，而不必缩短单元长度。

将DFRA 等效成增益与其开关增益（G
R
）相同和具有有效噪
声（NF
e
）的分立式放大器，可以方便地分析这种混合放大器的相关特性。

对于100km有效面积约为55 !m2的Turewave（真波）光纤的40X40Gb/s的WDM 系统，等效噪声指数最小为-2.9dB时对应的拉曼泵浦功率为590mW。

这说明相对于EDFA而言，DFRA使单元噪声指数至少降低了5.9dB（EDFA的理论最低噪声指数为3dB）［7］。

2.3对系统!因子的影响
当放大自发辐射（ASE）为信号主要噪声来源时，系统的O因子可用以下方程表示：
O amp=（P
NhlGFB e
）1/2（1）式中P为信号入射功率，N是放大器数目，h为普朗克常数，l为频率，G为放大器的增益（以线性单位表示），F为放大器噪声指数（以线性单位表示），B e为电域带宽。

由于FRA可等效为一集中式放大器，因此在光纤传输系统中引入FRA相当于在每个传输单元中添加了一个放大器。

可做如下定性分析，由于放大器加倍，每个放大器的增益可减为原来的1/2（这里增益是以dB表示），转换成线性单位后，根据O因子方程容易得出，即为2X放大器数的增量，O值的提升也达到2dB以上（较高的O值意味着较低的误码率）。

由O因子方程还可以看出，降低噪声指数F可以直接提高O值。

然而，光纤传输系统设计中通常要考虑ASE噪声和光纤非线性之间的均衡。

当入射信号光功率过低时，ASE噪声使得O值降低，当功率太高时，光纤非线性使得O值降低（如图7所示）。

由图7可见，相对于EDFA，DFRA不但使系统的O值增高了，还使得最佳入射信号光功率降低了许多，这对降低光纤非线性造成的信号串扰具有非常积极的作用。

图7DFRA对系统!值-信号入射功率关系曲线的影响
3存在的问题
FRA在近几年内得到了广泛的研究和应用，并取得了骄人的成绩。

DFRA可以大大提高系统性能，使其具有所谓的“跨距延伸效益”，跨距延伸使得长距离传输干线可以节省昂贵的3R（Retiming，Reshape，Regeneration）中继器，光信号传输趋向“透明”，具有直接的商业需求。

国内非常有必要开展对FRA的理论研究，研制和开发核心单元、关键技术及相关器件等，为我国WDM系统和网络的发展提供可靠的支持。

FRA实用化和商业化的关键是泵浦技术的发展和完善。

泵浦源的设计目标是：大功率、宽带输出、动态可调谐、频率稳定性好、低成本。

当前的研究热点是动态可调谐的多波长泵浦源。

但提高泵浦功率后，光功率密度增大了，对于光纤是否会造成损害，系统的长期稳定性能是否得到有效保证，均需进行研究。

虽然FRA有种种优点，但是至今全拉曼放大大多只停留在实验和演示的水平。

从最近的设计来看，混合放大更为成功地用于大容量、高速率（10Gb/s）和高SNR的DWDM系统中，以及长跨距应用（如架设光缆）。

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曹培炎：
光纤拉曼放大器的原理和应用
光纤拉曼放大器的原理和应用
作者：曹培炎， CAO Pei-yan
作者单位：清华大学,电子工程系,北京,100084
刊名：
光纤与电缆及其应用技术
英文刊名：OPTICAL FIBER & ELECTRIC CABLE AND THEIR APPLICATIONS
年，卷(期)：2005(5)
1.NISSOV M;DAVIDSON C R;ROTTWITT K100 Gb/s (10 × 10 Gb/s) WDM transmission over 7 200 km using distributed Raman amplification 1997
2.HANSEN P B Capacity upgrades of transmission systems by Raman amplification[外文期刊] 1997(02)
3.NAMIKI S;EMORI Y Ultrabroad-band Raman amplifier pumped and gain-equalized by wavelength-divisionmultiplexed high-power laser diodes 2001(01)
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5.MATSUDA T;MURAKAMI M Experiments on long-haul broadband WDM transmission with Raman amplification [外文期刊] 2001(04)
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7.FLUDGER C;MARONEY A An analysis of the improvements in OSNR from distributed Raman amplifiers using modern transmission fibres[外文会议] 2000
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