拉曼光纤放大器
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 Cabie2005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）05-0008-04Principles and Applications of Fiber Raman AmplifierCAO 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，1000840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。
拉曼光纤放大器原理
拉曼光纤放大器原理拉曼光纤放大器（Raman Fiber Amplifier）是一种基于拉曼散射效应的光纤放大器。
它利用拉曼散射的原理，在光纤中实现光信号的增强。
拉曼散射是一种非线性光学现象，其基本原理是光与光子之间的相互作用。
当光传播在光纤中时，光子与介质中的分子或晶格振动发生耦合，从而使光子的能量转移到介质中的振动模式上。
如果光子能量与介质振动模式的能量相匹配，就会发生拉曼散射。
拉曼散射分为受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）和自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering, SBS）。
受激拉曼散射是指激发光和散射光的频率差等于介质的拉曼频移，而自发拉曼散射是指光子与介质中分子或振动模式发生相互作用，从而形成散射光。
拉曼光纤放大器的工作原理是利用拉曼散射中的受激拉曼散射效应。
当信号光（输入光）和泵浦光同时注入光纤中时，泵浦光的能量被转移到信号光上，从而使信号光的功率增大。
具体而言，当泵浦光与信号光频率差等于光纤中介质的拉曼频移时，就会发生受激拉曼散射。
泵浦光的能量转移到信号光上，使其增强。
拉曼光纤放大器的放大过程可以通过几个关键参数进行描述。
首先是增益带宽，它表示在特定的频率范围内，信号光能够得到明显的增益。
增益带宽取决于光纤的材料和波长。
其次是增益平坦度，它衡量信号光在增益带宽内的增益是否均匀。
增益平坦度对于传输多个波长的光信号非常重要。
最后是增益峰值，它表示在增益带宽内，信号光获得的最大增益。
增益峰值取决于泵浦光的功率和波长。
与其他光纤放大器相比，拉曼光纤放大器具有几个优点。
首先，它可以实现宽增益带宽和高增益峰值，适用于传输多个波长的光信号。
其次，它具有很高的稳定性和可靠性。
由于拉曼增益是通过光与介质相互作用实现的，不需要激光器或半导体放大器，因此拉曼光纤放大器具有长寿命和低功率损耗。
然而，拉曼光纤放大器也存在一些限制。
拉曼光纤放大器及其增益控制方法与流程
拉曼光纤放大器及其增益控制方法与流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copyexcerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!拉曼光纤放大器及其增益控制方法与流程一、准备工作阶段在开展拉曼光纤放大器的相关工作之前，需要做好充分的准备。
光纤拉曼放大技术
在这方面应用高功率光纤激光器作为抽
运源显示出了明显的优势。虽然用波长 合适的半导体激光器可以直接抽运光纤 拉曼放大器，但能发射光纤拉曼放大所 需关键抽运波长的半导体激光器种类非 常有限，目前主要是~1.4μ ｍ的LD，而 且LD通常受到其固有特性的限制，输出 功率也较低，无法满足远距离大容量通 讯，特别是跨洋通讯光缆等拉曼放大的 要求。
我国在“十五”863计划中明确提出研制
宽带光纤拉曼放大器，要求在2003年11 月底前掌握波分服用（WDM）超长距离 光传输的系统技术，研制出宽带拉曼光 纤放大器。
宽带拉曼光纤放大器对抽运源 的要求主要有以下几点：
（1）要有较高的输出功率，对于分立式放大
器抽运功率要达到1W左右，分布式放大器的 抽运功率也需200mW以上； （2）要有合适的输出波长，抽运波长的选取 主要依据所需拉曼增益谱的中心波长而定。对 于石英光纤，拉曼增益峰的抽运光与信号光频 移约13.2THz（110nm），同时为了得到宽带、 平坦的增益曲线，通常也需采用多波长抽运。 为了使系统更简化，也希望实现一台抽运源能 提供多波长的高功率抽运，同时要求输出波长 稳定。为了抑制受激布里渊散射，各个抽运源 的线宽要大于1nm；
这种放大器及其相关产品的研发快速发展，如
Lucent公司利用拉曼放大和EDFA混合放大器 传输1.6Tbit/s（40×40Gbit/s）信号达400km， Alcated 公 司 利 用 拉 曼 放 大 器 获 得 了 32×190Gbit/s信号传输450km无中继；Masuda 等利用多波长抽运和多级放大，在1.55μ ｍ附 近获得132nm透明增益带宽；Suzuki等利用多 波长分布式光纤拉曼放大器将信道间隔为 50GHz、32×10 Gbit/s的DWDM信号传输了 640km。
拉曼光纤放大器
拉曼光纤放⼤器⼀拉曼光纤放⼤器1．拉曼光纤放⼤器出现的背景随着光纤通信技术的进⼀步发展，通信波段由C带（1528-1562nm）向L带（1570-1610nm）和S带（1485-1520nm）扩展。
由于光纤制造技术的发展，可消除在1.37µm附近的损耗⾼峰，因此通信波段有望扩展到从1.2µm-1.7µm的宽⼴范围内。
掺铒光纤放⼤器（EDFA）⽆法满⾜这样的波长范围，⽽拉曼光纤放⼤器却正好可以在此处发挥巨⼤作⽤。
另外拉曼放⼤器因其分布式放⼤特点，不仅能够减弱光纤⾮线性的影响，还能够抑制信噪⽐的劣化，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。
随着⾼功率⼆极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，泵浦源问题也得到了较好的解决。
拉曼光纤放⼤器逐渐引起了⼈们的重视，并逐渐在光放⼤器领域占据重要地位，成为光通信领域中的新热点。
2．拉曼光纤放⼤器的⼯作原理受激拉曼散射（SRS）是电磁场与介质相互作⽤的结果。
才能过经典⼒学⾓度解释拉曼散射为：介质分⼦或原⼦在电磁场的策动下做受迫共振，由于介质分⼦具有固有的振荡频率，所以在受迫共振下界将出现频率为策动频率与固有频率的和频和差频振荡，分别对应着反斯v是电磁场的振荡频率，v 是介质分⼦固托克斯分量和斯托克斯分量，如图1所⽰，其中有的振荡频率。
图1 经典拉曼振动谱经典理论⽆法解释反斯托克斯线⽐斯托克斯线的强度弱⼏个数量级且总是先于反斯托克斯线出现的实验结果。
从量⼦⼒学的⾓度能够解释受激拉曼散射。
介质中的分⼦和原⼦在其平衡位置附近振动，将量⼦化的分⼦振动称为声⼦。
⾃发拉曼散射是⼊射光⼦与热声⼦相碰撞的结果。
受激声⼦是在⾃发拉曼散射过程中产⽣的，当⼊射光⼦与这个新添的受激声⼦再次发⽣碰撞时，则再产⽣⼀个斯托克斯光⼦的同时⼜增添⼀个受激声⼦，如此继续下去，便形成⼀个产⽣受激声⼦的雪崩过程。
产⽣受激声⼦过程的关键在于要有⾜够多的⼊射光⼦。
光纤拉曼放大器的应用
FRA的基本原理 FRA的基本原理
光纤中拉曼声子频率为：
∆ν =13.2 ×1012 Hz
斯托克斯拉曼光子：
hν S = hν P − h∆ν
反斯托克斯拉曼光子：
图1 光纤分子拉曼能级
hν AS = hν P + h∆ν
图2 光纤拉曼放大器原理图
I S ( L) GR = = exp( g R P0 Leff Aeff ) I S (0) exp(−α S L)
图3 信号光强沿光纤长度的分布
图4 初始光功率 0 dBm,满足光纤损耗的 功率预算时, 掺铒光纤放大器和前向拉曼 放大时的组合二阶失真与光纤链路长度 之间的关系曲线
由于系统链路长度越长, 满足 功率损耗预算要求的光放大增益 越高。 若采用掺铒光纤放大器, 则光 纤的入纤光功率为 16 dBm, 而采 用拉曼放大,则光入纤功率依然 为0 dBm。 图中结果表明了采用拉曼放大 将会大大改善组合二阶失真指标。 光纤长度超过60 km 的系统,采用 拉曼放大可以使组合二阶失真改 善10 dB 以上。
信噪比 低噪声
提升光纤复用程度和光网络的传输能量 拓展频谱利用率和提高传输系统速率
普通光纤的低损耗区间是1270~1670nm EDFA只能工作在1525~1625nm范围内 FRA可以全波长放大
FRA在CATV传输中的应用 FRA在CATV传输中的应用
有线电视（CATV） 有线电视（CATV）系统的组成
前端 干线传输 分配网络 用户单元
卫星接收的 电视节目信号 开路电视节 目信号 自办电视节 目信号
光发射机 光放大器 光纤 光分路器 衰减器 光连接器 光接收机 干线放大器
延长放大器 楼栋放大器 分支分配器
实用拉曼放大器的技术指标
光纤拉曼放大器
现代光纤通信技术
f p 泵浦光的频率
f s 信号光的频率
拉曼放大器的特性
特性： • 在所有类型光纤中都会发生 • 峰值增益频移~13 THz (60-100nm) • 增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平
行时增益最大，垂直时增益最小为零 • 增益谱很宽(125nm)但并不平坦
Advantages: 理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦 源； 分布或分立放大均能实现； 使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少 噪声的积累。
拉曼放大器的特性
放大增益
G
gR po
e ap p
饱和增益
Gs
o
1o
G (1 o )
0：输入信号 功率对泵浦光 功率的比例
o
fp fs
Ps (0) Pp (0)
噪声指数 同EDFA
g R 拉曼增益常数 a p 有效光纤截面积 p 泵浦光的光纤衰减常数
po 输入的泵浦光功率
Ps (0) 信号光的功率
FRA是靠非线性散射实现放大功 能，不需要能级间粒子数反转
光纤拉曼放大器原理简介(2)
•频率为p和s的泵浦光和信号光 通过耦合器输入光纤，当这两束 光在光纤中一起传输时，泵浦光 的能量通过SRS效应转移给信号 光，使信号光得到放大。 •峰值增益频移：～13.2THz •反向泵浦为主，也可同向泵浦 •支撑技术: 14nm的大功率泵 浦激光器，目前以取得实用化
分布式RFA主要作为传输系统中传输光纤损耗的分布 式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输， 主要用于1.3μm和1.5μm光纤通信系统中作为多路信 号和高速超短光脉冲信号传输损耗的补偿放大，亦可 作为光接收机的前置放大器。
光纤拉曼放大器
光纤拉曼放大器的发展在许多非线性光学介质中，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另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。
量子力学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，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。
研究发现，石英光纤具备很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。
假如一个弱信号和一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。
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）由于其增益平坦及噪声等局限性，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。
光纤拉曼放大器与新型大有效面积传输光纤、高光谱效率调制码型和向前纠错技术被称为现代大容量、长距离光纤传输的四大关键技术。
拉曼光纤放大器的基本原理、特点和类型在许多非线性光学介质中，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另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。
量子力学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，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。
拉曼放大器
拉曼光纤放大器（Raman）1．拉曼光放大器的工作机理所谓拉曼光纤放大器，就是巧妙地利用拉曼散射能够向较长波长的光转移能量的特点，适当选择泵浦光的发射波长与泵浦输出功率，从而实现对光功率信号的放大。
所谓拉曼散射效应，是指当输入到光纤中的光功率达到一定数值时（如500mw 即 27dBm以上），光纤结晶晶格中的原子会受到震动而相互作用，从而产生散射现象；其结果将较短波长的光能量向较长波长的光转移。
拉曼散射作为一种非线性效应本来是对系统有害的，因为它将较短波长的光能量转移到较长波长的光上，使WDM系统的各复用通道的光信号出现不平衡；但巧妙地利用它可以使泵浦光能量向在光纤中传输的光信号转移，实现对光信号的放大。
由于拉曼光放大器被放大光的波长主要取决于泵浦光的发射波长，所以适当选择泵浦光的发射波长，就可以使其放大范围落入我们所希望的光波长区域。
如选择泵浦光的发射波长为1240nm时，可对1310nm波长的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1450nm时，可对1550nm波长C波段的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1480nm时，则可对1550nm波长L波段的光信号进行放大等。
一般原则是，[url=/]魔兽sf[/url]泵浦光的发射波长低于要放大的光波长70 ~100nm。
如图3.3.6所示。
图3.3.6：泵浦光波长与拉曼放大光波长的关系2．拉曼光纤放大器的优缺点（1）．优点①．极宽的带宽拉曼光纤放大器具有极宽的增益频谱，在理论上它可以在任意波长产生增益。
当然，一者要选择适当的泵浦源；二者在如此宽的波长范围内，其增益特性可能不是非常平坦的。
实际上，我们可以使用具有不同波长的多个泵浦源，使拉曼光放大器总的平坦增益范围达到13TH z (约100nm )，从而覆盖石英光纤的1550nm 波长区的C+L 波段，如图 3.3.7所示。
这与EDFA 只能对1550nm 波长区C 波段（或L 波段）的光信号进行放大形成鲜明对比。
简述光纤喇曼放大器的基本工作原理。
简述光纤喇曼放大器的基本工作原理。
光纤拉曼放大器（Raman Amplifier）是一种利用拉曼散射效应来实现信号放大的器件。
它在光纤通信系统中起到放大信号的作用，扩大了光信号的传输距离和传输容量。
光纤拉曼放大器的基本工作原理是利用光的拉曼散射效应实现信号放大。
当光信号通过光纤传输时，会发生光的拉曼散射现象。
光的拉曼散射是指光与介质中分子或晶格的相互作用，能量转移到介质中的分子或晶格上，使其产生振动。
这种振动引起了光子的频率和波长发生变化，从而产生拉曼散射光。
在光纤拉曼放大器中，利用输入信号的光子与光纤中的分子或晶格发生相互作用，通过拉曼散射现象将能量转移到光纤中的分子或晶格上，使其产生振动。
这些振动会使得原来的光子的频率和波长发生变化，从而产生了拉曼散射光。
拉曼散射光的波长通常比输入光信号的波长长或短一些。
光纤拉曼放大器利用拉曼散射光的波长差异来实现信号的放大。
具体来说，光纤拉曼放大器中有一段特殊的光纤，称为拉曼增益介质。
当输入信号通过这段拉曼增益介质时，会与其中的分子或晶格发生拉曼散射作用，产生拉曼散射光。
这些拉曼散射光与输入信号的波长有一定的差异。
光纤拉曼放大器通过控制拉曼增益介质的长度和光纤中的功率分布，使得拉曼散射光与输入信号的波长差异最小化。
这样，拉曼散射光就能够被有效地收集和放大，从而放大了输入信号。
通过不断对拉曼增益介质进行优化设计，可以实现更高的功率增益和更低的噪声。
光纤拉曼放大器具有很多优点。
首先，它可以对多个波长的光信号进行放大，适用于多波长复用光纤通信系统。
其次，光纤拉曼放大器具有较宽的增益带宽，可以支持更高的数据传输速率和更长的传输距离。
此外，光纤拉曼放大器还具有较低的噪声和较高的鲁棒性，可以提高系统的性能和可靠性。
光纤拉曼放大器通过利用光的拉曼散射效应来实现信号的放大，扩大了光信号的传输距离和传输容量。
它在光纤通信系统中有着重要的应用价值，为光纤通信技术的发展做出了重要贡献。
光纤放大器喇曼放大器
第一部分：光纤通信的历史光通信的历史可以追溯到我国3000 多年前的烽火台，但是它并不是真正意义上的光通信。
应用同轴电缆和微波的电通信系统在20 世纪70 年代前得到了较大的发展，然而电通信系统有着容量上限的缺点，到1970 年之后容量基本就没有了提升。
在1966 年，“光通信之父”K. C. Kao 提出了光纤通信这一概念。
之后，1976年美国亚特兰大成功地进行的44.736Mb/s 传输10km 的光纤通信系统现场试验，为光纤通信的实用化奠定了基础。
随后石英制光纤材料被研制出了。
到了1980年，多模光纤开始投入商用，单模光纤通信也开始进入现场试验。
1991 年，第一个DWDM 系统诞生，此后波分复用器、光放大器和光纤激光器等技术都日趋成熟。
到目前为止，已经有五代光通信系统相继投入使用。
随着光纤材料从多模发展到单模，光纤损耗的进一步降低，传输速率的增加，传输容量的加大，中继距离的增长，光纤通信系统发展到了从1996 年至今的第五代。
其主要特征是光纤激光器和光纤放大器的大量使用，以及DWDM 系统的迅速发展。
光纤通信的优势目前广泛使用的光通信方式是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
这种通信方式称为光纤通信。
光纤通信工作在近红外区，其波长是0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。
光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。
光纤通信的载波是光信号，其传输介质为光纤，这是与其他通信方式最大的不同。
其优点如下：（1）容量大用于通信的光信号的频率非常高，而带宽正是由光信号的频率所决定的。
因此光纤可以提供比任何已有的传输介质都宽的传输带宽。
而且由于其横截面积窄，因此信息密度非常高。
（2）损耗低用于光纤通信的石英单模光纤在1360nm 处的损耗仅0.35dB/km，1550nm 处的损耗仅0.2dB/km。
低的损耗可以减少中继，提升信噪比，对于简化系统、降低成本和提升性能有着重要的意义。
华为光传输技术-拉曼放大器
背景信息
综上所述，前向拉曼放大器的调测主要是调节前向拉曼放大器的泵浦功 率和进入前向拉曼放大器各信道之间的信号功率分配，而这种调节需要 根据具体跨段的系统设计而定。前向拉曼放大器调节需要在收端配置光 谱分析仪或者光谱分析类单板，实时观察调节过
程中的 OSNR平坦度和功率平坦度是否满足要求。 O就可以了。
光纤拉曼放大器<a href="/">魔兽私服</a>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。如图 19-1所示，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。在常规单模光纤中功率为 500mw泵浦光可以产生约 30nm的增益带宽。
19.1 拉曼放大器简
介
随着光纤通信带宽需求的不断提高，拉曼放大器已成为该领域的研究热点，并得到广泛
地应用。本节简要介绍拉曼放大器的功能，分类以及应用。
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。
在 100GHz 信号间隔的系统里，通常只使用偶数波。因此在下图 dummy light单元中只有偶数波从 ITL单板的 TE光口输出到光放大板进行放大， 从 TO光口输出的奇数波没有使用。
图 19-7 Dummy Light配置（100GHz）
拉曼光纤放大器的低成本的非相干泵浦方法
拉曼光纤放大器的低成本的非相干泵浦方法这篇文章，我们论证了一个对于拉曼应用的低成本，宽带宽的泵浦源的应用方法。
我们通过对比论证了这个非相干泵浦方法的优点。
我们在最后的解决方法中，观测到了拉曼增益不平坦下降了1.4db，带宽增加了16%。
关键词：拉曼光纤放大器，非相干泵浦1.简介设计拉曼光纤放大器（RFA）的一个最重大的挑战就是在一个宽波长带宽上获得一个平坦的增益，并且花费不要太高。
典型的，我们使用不同波长多重泵浦来在一个较宽的带宽上获得一个平坦的增益。
在这种类型的放大器中，考虑到泵浦信号频率，所期望的增益峰值移动了13.2THz。
另外一个增大拉曼放大器带宽的选择就是利用非相干泵浦。
这个方法在近期被提出来了，第一个实验结果显示出一个7db的开关增益和增益峰值超过了所有c光谱带宽0.8db。
之后数值研究结果确认了上面的实验结论。
它们也显示出使用非相干泵浦，可以减少获得相同增益平坦度时所用到的泵浦的数量。
另外，非相干泵浦也有减小非线性效应的优点，例如受激布里渊散射和由泵浦和泵浦之间，泵浦和信号之间，泵浦和噪声之间相互作用产生的四波混频。
上一篇关于拉曼非相干放大器的研究集中于数值分析，并且它们主要关注于最有利的泵浦光谱的设计，目的在于将增益不平坦减小到最低。
早些的结果表明非相干泵浦减小了拉曼增益中的光谱不平坦度。
这篇文章中，我们报道了一个适用于非相干发射的基于商业可用的泵浦源的拉曼光纤放大器的应用。
另外，我们也应用了一个计算模型来估计这个放大技术的性能。
泵浦的增益和噪声图像被我们用实验和数值分析了。
2.拉曼放大器模型描述应用的实验系统的理论模型是基于下面的方程组，它们描述了一个多重泵浦的拉曼放大器，考虑了泵浦和泵浦，泵浦和信号，信号和信号之间的相互作用以及自发辐射光放大。
P k，P ASE，k是在Z方向上的频率为V k的第k个泵浦或信号和ASE噪声的功率。
h是普朗克常量，α是光纤损耗，A efc是光纤的有效面积，k p是考虑了信号极化影响后的一个常数，是声子占有率因子。
简述光纤拉曼放大器的工作原理。
简述光纤拉曼放大器的工作原理。
光纤拉曼放大器是一种利用拉曼效应实现光信号放大的器件。
拉曼效应是指光与物质相互作用时，光的能量发生变化，并在光波中产生新的频率成分的现象。
在光纤中，拉曼效应可分为两种：一是受激拉曼散射效应，即光与分子发生相互作用后，能量转移到分子的振动和转动运动上，使得光的频率发生变化；二是自发拉曼散射效应，指光与分子相互作用后，光发生散射而同时发生拉曼效应。
光纤拉曼放大器利用这种自发拉曼散射效应，实现光信号的放大。
其工作原理如下：光纤拉曼放大器的光源（信号光）通过光纤到达光纤拉曼放大器内部。
同时，放大器内部还有一个泵浦光源，会向光纤中注入高功率激光。
因为激光的频率比信号光高，所以当激光与分子相互作用时，会产生一些振动能量，产生拉曼光子。
这些新产生的拉曼光子频率会比信号光低，因此它们会在光纤中和信号光发生受激拉曼散射。
在受激拉曼散射的过程中，信号光与新产生的拉曼光子发生相互作用，使得信号光的能量被转移到了拉曼光子上，从而使得信号光的强度被放大。
受激拉曼散射所产生的拉曼光子在光纤中可以自发传播，因此它们会与光纤中的信号光重叠，继续对信号光进行放大。
值得注意的是，光纤拉曼放大器只能放大拉曼光子频率与信号光相差几百兆赫兹的信号光。
因此需要在光纤拉曼放大器输入端加入一些光的滤波器来滤除不需要进行放大的光信号。
总的来说，光纤拉曼放大器的工作原理是光纤与光与分子发生相互作用时的拉曼效应相结合，实现对光信号的逐级放大。
光纤拉曼放大器具有光学放大无失真、波长自适应、带宽大、可用于波分复用、信号清晰等优点，因此在光通信和光传感等领域得到了广泛应用。
拉曼光放大器
优点
(1) 拉曼放大是一个非谐振过程，增益谱响应仅依赖于泵浦波长和 泵浦功率，只要有合适的泵浦光源，就可得到任意波长(1260-1675nm) 的拉曼放大。 (2)和大多数介质中在特定频率上产生拉曼增益情况相反，石英光 纤中的拉曼增益可在很宽的范围内连续地产生，因此可用作宽带放大器。 (3)通过合理选择泵浦波长，可以精确地确定拉曼增益谱形状和增 益带宽，在补充和拓展掺饵光纤放大器的增益带宽方面表现出极其诱人 的前景。 (4)光纤拉曼放大器可与其它如掺铁光纤放大器(TDFA)、掺谱光纤放 大器(PDFA)等级联，产生宽带、平坦的增益，可用于超宽带波分复用系 统
1
2 3
拉曼光纤放大器
石英光纤具有很宽的受激拉曼散射(SRS)增 益谱，并在频移量13THz附近有一个较宽的 主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时
在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦波
的拉曼增益带宽内，弱信号即可得到放大， 这种基于SRS机制的光放大器即称为光纤拉 曼放大器。
各类光纤放大器对应不同波段的放大，如图所示。从图中可以看出，FRA 具有明显的宽带宽特性。FRA是目前唯一能在1260-1675nm的光谱上进行放大 的光放大器，目前己成为研究热点，其发展前景看好。
右图显示了归一化饱 和增益GS l GA随。、(即 P (0))增大时呈现的饱和 特性。当仇民}1时，增 益降为原来的二分之一 (3dB），此时的信号功 率己接近泵浦功率，相 应的泵浦输入功率界(0) 实际可以代表饱和输出 功率。
光纤拉曼放大器(FRA)的噪声特性
(1)自发辐射噪声(ASE) ASE噪声是由于自发拉曼散射经泵浦光的放大而产生的覆盖整个拉曼增益谱的背景噪声。显然， 泵浦光越大，ASE噪声越大。并且接收端的光滤波器带宽越窄，ASE噪声功率越小。当光纤中有 信号输入时，自发辐射噪声与信号相互作用，产生信号一ASE拍频噪声和ASE拍频噪声。对于一 个设计较好增益较大的拉曼放大器系统，影响性能的主要是信号一ASE拍频噪声。要降低拍频噪 声最好的方法是采用窄带光滤波器。一般分立式FRA的ASE噪声特性小于4. 5dB，优于EDFA(典型 值5dB (2)串话噪声 串话噪声分为两种。一种是由于泵浦光源的波动而造成的泵浦一信号间串话。另一种是由于泵 浦源同时对多个信道放大而导致的泵浦介入一信号间串话。第一种串话是由于泵浦波动造成增益 波动从而导致信号的噪声，因此必须通过反馈等技术来稳定泵浦，另外采用后向泵浦也可以稳定 增益。第二种串话主要是由于泵浦光对放大单一信道与放大多个信道的增益不同而造成。具体表 现为当两个相邻的信道，一个信道传号而另一个信道空号时，传号的增益小，从总体上看就表现 为一个信道信号对另一个信道的调制作用。根据文献[y6」的结论，信号功率越大，串话越严重; 泵浦功率越大，串话越严重;泵浦光到信号光的转换效率越高，串话越严重。当采用后向泵浦时， 由于泵浦功率的平均作用，串话性能明显优于前向泵浦的情况。因此在用拉曼放大器放大DWDM 系统时，应尽量采用后向泵浦，且泵浦功率不能过高。
光纤通信原理-光放大器
8.3.3 EDFA模块产品
8.3.1 EDFA的原理
1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。
1970年，光纤出现后，进行在光纤中掺杂激光器件的 研究。
1985年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成了掺铒 光纤激光器。
在短短的几年时间里，EDFA的研究工作硕果累累， 并迅速实用化。
光放大器不需要把光信号转换为电信号，可以直接
放大光信号。
输入光信号
光放大器
被放大的光信号
光放大器的优点：
(1)支持任何比特率和信号调制格式，因为光放大器 只是简单地放大输入的光信号功率。这种属性通常 被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透 明的。
(2)多波长，光放大器不仅支持单个信号波长放大， 而且支持一定波长范围的光信号放大。
Gs =2
反射率R=0.32，可得GFPA=7.1，即增益为8.5dB；
Gs =3
反射率R=0.32，可得GFPA=867，即增益为29.4dB。 说明： 能够通过改变单程功率放大因子，可增加FPA放大 器的增益
➢ 随着反射系数的降低，增益振荡幅度逐渐减小， 法布里-珀罗放大器（FPA）变成了行波放大器 （TWA）
渊散射
光通过介质时，由于入射光与分子运动相互作用而
引起的频率发生变化的散射叫拉曼散射，又称拉曼
效应。 光强
瑞利散射
拉曼散射 反斯 托克
斯光
布里 渊散射
布里 渊散射
拉曼散射 斯托 克斯
8.2 半导体光放大器
8.2.1 半导体光放大器的原理
8.2.2 半导体光放大器的特性
8.2.1 半导体光放大器的原理
半导体光放大器（SOA，Semiconductor Optical Amplifier）是通过受激辐射放大入射光信号，本质 上，SOA是一个没有反馈的激光器，其核心是当放 大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。
分布式拉曼光纤放大器的应用
分布式拉曼光纤放大器的应用摘要随着社会的发展，人们对信息的依赖越来越严重，信息传输的需求急剧膨胀，大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的简单传输距离，已经成为光纤通信领域的热点。
在这种背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪声和几乎无限的带宽特性而得到广泛关注。
本文介绍了拉曼光纤放大器的基本概念，重点分析了拉曼光纤放大器的应用前景和存在的问题。
1 拉曼放大器介绍1.1 拉曼放大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）。
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附近有一个较宽的主峰。
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（见图1）范围内，则弱信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。
图1 光纤中的受激拉曼增益谱1.2 拉曼放大器的类型（1）集总式拉曼放大器，即放大过程发生在含有掺铒光纤的封闭模块中。
主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段（图2中的绿色曲线）。
图2 分布式/集总式光放大器的比较（2）分步式拉曼放大器。
拉曼泵浦位于每级跨距的末端，泵浦方向与信号的传输方向相反（图2中的蓝色曲线）。
采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。
这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速发展。
1.3 拉曼放大（DRA）增益谱的调整拉曼增益谱的形状依赖于泵浦波长，最大增益波长比泵浦波长高100nm左右。
这种特性使得在具有可用泵浦波长的条件下，放大任何波长区间的光信号成为可能。
光纤拉曼放大器
用来补偿OSNR
拉曼放大器的缺点
❖ 增益不高 一般拉曼放大器的增益都小于15dB
❖ 增益具有偏正相关性 拉曼放大器的增益与光的偏振态有密切的关
系 ❖ 泵浦效率较低
一般只有10％－20％左右
SDH拉曼主要参数
参
数
Min
Typ
Max
Unit
工作波长
1550
nm
输入信号功率（Pump-off） -44
0
dBm
开关增益(Corning SMF 28
14
dB
fiber)
有效噪声指数
-2
0
dB
偏振相关损耗
0.5
dB
偏振模式色散
0.2
ps
输人/输出隔离度
30
dB
输入/输出回波损耗
45
dB
工作温度范围
-5
50
℃
湿度
5
95
%
DWDM拉曼主要参数
工作波长范围
工作温度范围 相对湿度 存储/运输温度范围 最大开关增益Gon/off 开关增益范围 增益平坦度 有效噪声指数(NFeff) 偏振相关损耗(PDL) 偏振模色散(PMD) 输入隔离度 输出隔离度 输出泵浦泄漏 输入回波损耗 输出回波损耗
❖ 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。
❖ 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。
图1 光纤分子拉曼能级
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
拉曼光纤放大器
学号：11007990831 姓名：杨帆
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。
参考文献
[1]王传林,阮双琛,余重秀,等.拉曼光纤放大器原理及其应用[J]..深圳大学学报:理工版,2004,21(1)
[2]李春生.光纤拉曼放大器.光通讯[J].].光通讯,2004(9)
[3]龙青云,吴庭万,邓华秋.光纤拉曼放大器中拉曼阈值的理论分析.华南理工大学学报,2006,34(1)
[4]周俊鹤,陈建平.多波长小功率泵浦拉曼光纤放大器的优化设计[J].光电子・激光,2005,16(3)。