DWDM系统拉曼放大器的原理及应用

DWDM系统拉曼放大器的原理及应用

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目录

1前言 (5)

2拉曼放大器原理 (5)

2.1受激拉曼散射概念 (5)

2.2受激拉曼散射的应用 (5)

2.3拉曼放大器的分类 (6)

2.4拉曼放大器的特点 (7)

3拉曼放大器的应用 (8)

3.1拉曼放大器的特性 (8)

3.1.1 2.2 拉曼放大器在DWDM中的应用 (9)

4工程中应用注意事项 (10)

4.1端面要保持清洁 (10)

4.2光缆性能保证 (11)

4.3其他注意事项 (11)

关键词：

拉曼放大器

摘要：

本资料详细描述了拉曼放大器基本理论及在DWDM系统中的应用。缩略语清单：

无。

参考资料清单：

无。

DWDM系统拉曼放大器的原理及应用

1 前言

近年来，随着数据通信和INTERNET的发展，密集波分复用通信系统的带宽

需求不断提高，拉曼放大器作为DWDM系统中的关键技术，已经成为光纤通

信领域研究的热点。由于其具有极宽的增益带宽，极低的噪声系数，拉曼放

大器在超大容量高速长距离DWDM系统中得到广泛的应用，可以大幅度提升

现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的传输距离，降低系统的成本。EDFA

和拉曼放大器的有机结合，是目前的通信系统中比较成熟的一种方式。

2 拉曼放大器原理

2.1 受激拉曼散射概念

在常规光纤传输系统中，由于光功率并不大，因此光纤主要呈现线性传输特

性。然而随着光纤放大器的应用，光纤在一定条件下开始呈现出非线性特性，

并最终成为限制系统性能的因素之一。受激拉曼散射就是非线性效应中的一

种。

当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射

光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称斯托克斯线，高频

边带称反斯托克斯线，前者强度较高。这样，当两个恰好频率间隔为斯托克

斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益；高频波将衰减，其

能量转移到低频段上，这就是受激拉曼散射（SRS）。

由于受激拉曼散射SRS激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量一般在

100GHz~200GHz，且门限值较大，在1550nm处约为27dBm，一般情况下

不会发生。但对于WDM系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加，

EDFA放大输出的光信号功率会接近27dBm，SRS产生的机率会增加。

2.2 受激拉曼散射的应用

高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。受

激拉曼散射（SRS）是光纤中一个很重要的三阶非线性过程。它可以看作是

介质中分子振动对入射光（泵浦光）的调制，从而对入射光产生散射作用。

假设入射光的频率为ωl，介质的分子振动频率为ωv，则散射光的频率为：

ωs＝ωl－ωv

ωas＝ωl＋ωv

这种现象叫SRS。在此过程中产生的频率为ωs的散射光叫斯托克斯光

（Stokes），频率为ωas的散射光叫反斯托克斯光。对斯托克斯光可以用物理

现象描述如下：一个入射的光子消失，产生一个频率下移（约13THz）的光

子（即stokes波），剩余能量则被介质以分子振动的形式吸收，完成振动态

之间的跃迁，使能量和动量守恒。

普通的拉曼散射需要很强的激光功率。但是在光纤波导中，光纤作为非线形

介质，可将高强度的激光场与介质的相互作用限制在非常小的截面内，大大

提高了入射光场的光功率密度，在低损耗光纤中，光场与介质的作用可以维

持很长的距离，其间的能量耦合进行的很充分，使得在光纤中利用受激拉曼

散射成为可能。

光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增

益谱，且在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波

在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱范围内，弱

信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器。

如图1所示即是拉曼放大器的增益谱示意图。某一波长的泵浦光，在其频率

下移约为13THz（在1550nm波段，波长上移约为100nm）的位置可以产生

一个增益很宽的增益谱。

图1. 拉曼放大器增益谱示意图

2.3 拉曼放大器的分类

光纤拉曼放大器可分为两类：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。

前者结构中用专门的增益放大光纤进行增益放大，泵浦功率要求很高，一般

在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光

进行集中放大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。

对于后者，传输光纤即为增益介质，一般几十公里，泵源功率可降低到几百

毫瓦，主要与EDFA混合使用，另外与光信号的传输速度相比，拉曼放大器

的放大过程是非常缓慢的，用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效

应，提高信噪比。这种分布式拉曼放大技术由于其一系列优点得到了广泛关

注，并已经在通信系统中得到了应用。我们的拉曼放大器就是分布式的,需要

和EDFA配合使用。

2.4 拉曼放大器的特点

光纤拉曼放大器有三个突出的特点：

第一，利用受激拉曼散射可制作超宽带光纤放大器，由于拉曼放大器的增益

波长由其泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长

的信号放大；实际上，拉曼放大器可以适用从1300nm到1700nm的整个频

段。若拉曼放大器用不同的多个波长同时泵浦，还可以获得带宽达几十到

100nm左右的超宽带放大波段。如图2所示即为三波长泵浦组成的宽带光纤

拉曼放大器的增益谱示意图。另外，在波长较短的波段，拉曼放大器的增益

有随着波长增加而增大的现象。相反对于EDFA则从1560nm波长起，增益

有随波长增加而减少的趋势。于是，采用分布式拉曼光纤放大与掺铒光纤放

大相结合可得到超宽带平坦的增益曲线。例如将拉曼放大器与氟化物玻璃

EDFFA两种光纤放大器的增益特性互补，可获得1530～1600nm的超宽带平

坦增益特性。

图2. 多波长泵浦组成的宽带FRA增益谱示意图