FRA放大器技术

拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，产生自发拉 曼散射；泵浦光超过某个阈值，产生受激拉曼散射。自发拉曼 散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万分之一。 大量试验得到石英光纤的斯托克斯频移Ω(拉曼增益带宽) 为13.2THZ。
1450nm 1450nm 1550nm
如果光纤中同时存在两个光束， 会发生受激拉曼散射。图中一 个弱信号和一个强泵浦光同时 在光纤中传输，高频、高能量 （波长较短）为泵浦光；低频、 被放大（波长较长）为信号光。


7 光纤拉曼放大器的发展现状与前景

(1) 新型泵浦结构的分布式光纤拉曼放大器。传统的分布式 拉曼光纤放大器大都采用后向泵浦方式，与前向以及双向泵 浦方式相比，这种泵浦方式存在等效噪声指数大的缺点。如 果同时采用单一方向的泵浦结构就不能同时实现增益与噪声 指数的优化。而通过双向泵浦结构及合理的泵浦波长的选择， 在1528~1605nm范围内可以同时实现增益与噪声指数的平坦 化。 (2) 用于光纤拉曼放大器的材料和器件方面。最近出现了一 种采用光子晶体光纤技术研制的高非线性光纤，它弥补了通 常色散补偿光纤拉曼增益系数小的问题。 (3) 在功能完善、控制灵活的光纤拉曼放大器方面取得进展。 国内一些科研院所和企业单位相继开展了拉曼放大器的研究 开发工作。
分立式拉曼放大器的应用
2.2 分布式拉曼放大器（DRA）的应用 在WDM系统的每个传输单元中，在输入端 注入反向拉 曼泵浦，信号将沿光纤实现分布式拉曼放大，可以降低入 射功率并保持一定的信噪比。 DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关特点。 EDFA具有高增益、低成本的特点。
采用DRA+EDFA的典型WDM系统
3 光纤拉曼放大器的特性

拉曼放大是一个非谐振过程，其增益响应仅依赖于泵浦光波 长及其带宽，选择合适的泵浦源在理论上就可得到任意波长 的信号放大 。 增益介质为传输光纤本身，拉曼散射效应在所有类型的光纤 上都存在，与光纤系统具有良好的兼容性。适用于不方便设 立中继器的场合。 串扰小、温度稳定性好、噪声指数低。


5 提高光纤拉曼放大器性能的主要技术

(1) 泵浦源的选择。由于受激拉曼散射需要泵浦光功率比较 大，所以泵浦源就成了拉曼光纤放大器首先要解决的问题。 目前主要有3种解决方法，一是大功率LD及其组合，特点是 工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成，这是最佳 的选择；二是拉曼光纤激光器；三是半导体泵浦固体激光器。 (2) 实现增益平坦。目前拉曼光纤放大器增益平坦的方法主 要采用多波长泵浦和增益均衡器两类。采用多波长可得到宽 带、平坦的增益曲线，而且所需总泵浦功率相对较小，泵浦 效率较高，但此时需精密设计波长间隔及分配不同波长的泵 浦功率。 (3) 如何抑制光纤拉曼放大器噪声。
按放大方式拉曼光纤放大器可分为分布式和分立式两类。 分布式：沿光纤分布的光信号进行在线放大。
主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，传输的普通光纤作增益介 质，传输距离比较长，可达100km左右；泵浦源功率几百毫瓦；所以 光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应 的干扰。
分立式(集总式)：集中对光信号进行放大。

拉曼光纤放大器是利用受激拉曼散射效应，以 光纤作为增益介质而实现的全光放大器。它的增益 带宽很宽，可达40THz，可用平坦增益范围有20～ 30nm。从理论上讲，只要有合适功率的高功率泵 浦源，它就可以放大任意波长的信号。另外，它具 有低噪声、可利用传输光纤作在线放大等优点，成 为光放大器家族中重要一员。尤其是分布式拉曼光 纤放大技术，以成为下一代光纤DWDM传输系统的 关键技术之一。
主要作为高增益、高功率放大，介质通常是色散补偿光纤或高非线 性光纤 ，比较短，一般10km以内；泵浦源功率几瓦到几十瓦。EDFA 也属于分立式。
2.1 分立式拉曼放大器的应用
与EDFA一样集中放大，通常用于EDFA无法放大的波段 DCF-色散补偿型光纤； 拉曼泵浦(50W) C-EDFA-C波段EDFA


(3) 增加无中继传输距离。分布式光纤拉曼放大器的等效噪 声指数极低，它主要用于长跨距传输。 (4) 和色散补偿光纤一起使用，既可以进行色散和损耗的补 偿，同时还可以提高信噪比。 (5)通信系统的升级。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。
光纤拉曼放大器的饱合功率高，增益谱调整的方式直接而且 多样，放大作用的时间短，可实现对超短脉冲的放大。



4 光纤拉曼放大器缺点

需要特大功率的泵浦源，这是一个比较苛刻的要求；
对光的偏振态较敏感，可以通过增加偏振光耦合器来解决； 拉曼增益被放大自发辐射的瑞利后向散射和信号的双重瑞利 后向散射所限制，会引起多点反射和多路径干涉，产生码间 干扰，降低信噪比。
2 FRA的分类
依据泵浦方式不同，拉曼光纤放大器可分为前向泵浦、 后向泵浦和双向泵浦3种结构。其中泵浦光与信号光同方向 传输称为前向泵浦，反之称为后向泵浦，两个方向同时泵浦 则称为双向泵浦。与前向泵浦相比较，采用后向泵浦可以避 免泵浦噪声串扰到信号中，从而使放大器的噪声较低，同时 后向泵浦的偏振依赖性也较小。当拉曼增益较大时，在入纤 处（前向泵浦）或出纤处（后向泵浦）信号光功率较大，非 线性效应严重，因此采用双向泵浦方式的拉曼光纤放大器性 能优于仅仅采用前向或者后向泵浦的拉曼光纤放大器。
1 工作原理
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。泵浦光子入射到光纤,光纤中电子受激并从 基态跃迁到高能态,然后处在高能态的电子在信号光的感应 下回到振动态,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。

Hale Waihona Puke Baidu
总 结

光纤拉曼放大器具有全波段放大、低噪声、可抑制非线 性效应和能进行色散补偿等优点，近年来引起人们广泛关注， 现已逐步走向商用。通信波段的扩展和DWDM 技术的应用 为光纤拉曼放大器带来了广阔的应用前景。尽管它还有一些 问题需要研究解决，但光纤拉曼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。


6 光纤拉曼放大器的主要应用

(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的速率。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40 Gbit/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。
光放大器家族
半导体光放大器(SOA) 掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm 掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm 拉曼光纤放大器(FRA) 非线性 光纤放 大器
掺稀土元素 光纤放大器 光放大器分类
布里渊光纤放大器(FBA)
拉曼光纤放大器

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l370nm附近的损耗高峰，因此，通信波段可 望扩展到从l200nm～l700nm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(RFA)却正好可在此发挥巨大作用。
1550nm
光纤
波长
(b)有泵激光的1550nm传输
并使弱信号波长置于泵浦光的 拉曼增益带宽内，当泵浦功率 增加到一定值时，光纤呈现非 线性，出现受激发拉曼散射， 弱信号即可被放大。
这种基于SRS机制的光放大器 称为光纤拉曼放大器FRA。
光功率(dB)
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