拉曼光放大器

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。
光纤拉曼放大器(FRA)的偏振相关性
偏振相关性是FRA的一大特性。这主要源于光纤中的偏振模色散(PMD ,Polarization Mode Dispersion。 拉曼增益与泵浦光和信号光的偏振态相对方向有关，即拉曼增益也是偏振相关的。当泵浦光与信号光的 偏振态一致时，有最大增益;而当两者偏振态正交时，几乎没有拉曼增益。为减小偏振相关性，采用尽量 使泵浦源混偏的方法，但是这样增加了泵浦的成本并且不太方便控制。一般实验中采用两个偏振方向正 交的泵浦光即可。
自发拉曼散射和受激拉曼散射
拉曼散射分为两类:自发拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS。自发拉曼散射是热振动声子对入射光的散射，而SRS是强激光与物质相互 作用所产生的受激声子对入射光的散射。如果泵浦光的功率超过某一个闭值时，斯托克斯光会在 介质内近似指数增长，大部分的泵浦功率都可以转成斯托克斯光，其频率由拉曼增益峰决定，这 种现象就叫做受激拉曼散射，这个闭值称为拉曼闭值。下图是自发拉曼散射与受激拉曼散射的能 量转移对比图:
与自发拉曼散射相比，受激拉曼散射表现出以下几个方面的不同 , (1) SRS具有明显的阈值特性; (2) SRS光的方向性极好，拉曼散射光的发射角一般可以小到与入射光的发散角相近，常常发生在前向 和后向; (3) SRS光的强度极高，可以达到与中心的瑞利散射强度相比拟的程度。 (4) SRS的光脉冲有可能变窄，其脉冲宽度有可能比入射光的脉冲宽度还要窄，尤其是后向拉曼散射光 具有脉冲压缩的性质。
(3)增益均衡 由于熔融硅光纤属于非晶玻璃，其分子振动能级融合在一起形成能带，因而 可以在较宽频差范围内，通过受激拉曼散射实现信号光的放大。拉曼增益参数峰 值带宽在350- 500 cm-‘之间，折算成频率约有5THz宽。更为关键的是只要能 找到合适的与信号光具有stokes频差的泵浦光就能对信号光进行放大;采用多个 波长的泵浦组合就可以构成带宽近100nm的宽带放大器。所以对放大器的宽带增 益均衡提出了更高要求。采用多泵浦时对泵浦之间的相互作用也必须进行考虑， 适当安排泵浦功率和波长间隔是宽带拉曼光纤放大器的重要技术要求之一。 (4)放大器结构 拉曼光纤放大器分为主要分为分立式拉曼光纤放大器和分布式拉曼光纤放大 器，各有其特点，适用于不同的需求。分立式拉曼光纤放大器所用光纤增益介质 短，常用拉曼增益系数高的特种光纤(如掺锗光纤)，其长度一般在10 km以内，对 泵浦功率要求高，常用几到十几瓦的泵浦功率，可产生40 dB以上的高增益，常用于 EDFA无法放大的波段的信号光的放大。分布式拉曼光纤放大器所用增益光纤较长， 一般为几十公里，泵浦功率可降低至几百毫瓦。在分布式拉曼光纤放大器中，传输光 纤本身就是增益介质，信号光在光纤中传输的同时得到了放大。分布式拉曼光纤 放大器在实际应用中增益较低，因此将分布式拉曼光纤放大器与EDFA结合起来 的混合放大器是一种理想的应用形式。
光纤拉曼放大器(FRA)的温度稳定性
温度对FRA的影响主要体现在增益和噪声方面。根据己有的试验，改变拉曼光纤所处的环境温度，增 益和噪声指数随温度变化均不大于O. 5dB。下图中在0 C时的减小可能是泵浦的微弯损耗造成的，说明 FRA的温度稳定性很不错。
光纤拉曼放大器(FRA)的关键技术
(1)高功率泵浦源 拉曼放大器的突出特点就是需要高功率的泵浦源，这也是拉曼放大器走向实 用的关键。拉曼泵浦源要求具有很高的输出功率(200mW以上)，稳定的输出波长， 可靠的工作特性以及对于偏振依赖增益的抑制。最重要的是要有合适的波长输出。 如放大1300nm窗口信号需要1240nm的泵浦波长，放大C波段，L波段分别 需要1450nm, 1480nm的泵浦波长。 (2)拉曼光纤 为了提高拉曼光纤放大器的效率，充分利用有限的泵浦功率，在拉曼放大器， 尤其是在集中式拉曼光纤放大器和拉曼激光器中需要使用特种光纤。在泵浦功率 一定的情况下，减小放大器光纤的损耗和有效面积，提高拉曼增益参数，有助于 提高拉曼光纤放大器的增益。
缺点
(1)泵浦效率较低:光纤的拉曼增益系数很小，在泵浦光将能量转移到 信号光的同时，在几十公里这样长的传输光纤上也有很大一部分能量同 时损耗掉了。另外，较高的转化效率将会使得泵浦介入噪声变大，也限 制了效率的提高; (2)需要高泵浦功率; (3)具有很强的偏振依赖性（PDL），需要偏振态正交的两个LD泵浦源 合波，这就增加了成本和系统实现的复杂度;
Part 02 拉曼放大器原理
拉曼效应在1928年由Chandrasekhera Venkata Raman发现， 它是由物质分子引起的光白弹性散时。 当一个光子与原子 系统(如分子)相互作用，它的散射将是下面三种情况之一
(1) 弹性散射， 保持其光子能量(瑞利散射); (2)由原子系统的准粒子激发(例如，分子振动引起的非弹性散射，因而传给 介质能量(斯托克斯散射):或者(3)由介质移除能量引起散射 (反斯托克斯散射)。所以拉曼效应包括入射光子和准粒子激 发例如声子(晶格振动) 的相互作用。就能级图而言，拉曼效应可以用上图。
综上所述，可以看到SRS与激光器发出的激光辐射具有非常相似的性质，只是SRS不需要粒子数反转， 它的激发态只是一个虚的能级，所以SRS是一个瞬态的过程，同时它也是个非谐振过程，分子的振动频 率随机分布，使得Stokes光波长非均匀展宽。SRS是自相位匹配的，对于任意相对方向的泵浦与信号光， 均容易获得相位匹配。所以在光纤中，泵浦可以采用同、反向两种方式。 凡是在拉曼增益谱内的信号光都可得到不同程度的受激拉曼放大。实际上，泵浦光对光纤中的自发拉 曼散射光也有SRS放大，从而形成自发拉曼散射噪声。但是由于拉曼放大存在“感应放大”的现象，即 对于功率较大的信号光，泵浦光的能量转移较多。而功率较小的噪声的放大则被抑制。所以光纤拉曼 放大器的噪声系数可以为负。光脉冲有可能变窄主要也是因为“感应放大”的原因。 不管是自发拉曼散射，还是受激拉曼散射，在稳态和连续波情况下，小功率 Stokes波的变化可由下面的关系式描述
式中IS是Stokes光强Ip是泵浦光强，gR是拉曼增益系数，与拉曼散射的截面积有关
拉曼增益谱
拉曼增益谱用g表示，其中。表示泵浦波和斯托克斯波的频率差。g是描述受激拉曼散射级重 要的量。g一般与光纤纤芯的成分有关，对不同的掺杂，g有很大的变化。对于泵浦波长1um，下 图给出了熔石英的gR与频移的变化关系。对于不同的泵浦波长，g与波长成反比。 石英光纤中拉曼增益的最显著特性是，g有一个很宽的频率范围(达40THZ)，并且在频移波长为 13.2THZ(波长为100nm)附近对应一个较宽的增益峰。在泵浦光功率一定的情况下，增益的大小 和泵浦光与信号光的频率差有关。当频率差小于100nm时，增益与频差成正比;大于100nm以后 增益随频差快速下降。通过对泵浦光波长的调谐可以得到不同窗口的增益，这也正是光纤拉曼 放大器最突出的优点。
(3)瑞利散射噪声 瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的。根据反射次数的不同，又可以分为单瑞利散射和双瑞利散 射(DRS, Double Rayleigh Scatter)。瑞利散射的形成机理如下图所示
(4)非线性和SBS后向散射的影响 在实际应用中，由于很强的泵浦光入射到光纤中，不可避免的会产生非线性效应导致信号频谱展宽， 文献指出当泵浦功率超过2.5W后会发生严重的信号频谱展宽。另外由于在低损光纤中的SBS闭值仅为几毫 瓦，因此当信号增益较大时会发生SBS后向散射。因此输入信号功率和泵浦功率都不能太高。 总结以上情况可见，泵浦功率与噪声之间存在明显的矛盾。为了达到系统的优化，必须在保证一定的 噪声性能，达到一定的输出信噪比标准的前提下提高增益。同时输入信号功率也不能过高。并且要尽量 采用级联后向泵浦以减小串话和瑞利噪声。实际上FRA的一个优点就是由于它的分布增益特性，即利用 传输光纤作为增益介质，从而降低对输入信号功率的要求。对于分布式FRA的输入信号功率可以很低， 从而使非线性的影响几乎可以忽略不计。
Part 03 拉曼放大器特性
光纤拉曼放大器(FRA)的工作特性
这里仅讨论连续波增益 特性，右图给出放大器 增益
随泵浦功率Pp (0)增大 而饱和的测量结果
当输入信号功率增大，泵浦能量转移给信号而产生的消耗不可忽略时，泵浦 功率在传输过程中不断哀减，便限制了信号光的放大速率，放大过程出现了饱和 现象。饱和增益的近似表达式为:
光上，实现对信号光的直接放大。目前最成熟且在光网络中普遍
使用的是掺饵光纤放大器((EDFA).
半导体激光放大器
SOA利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实 现相干光放大，其原理和结构与半导体激光器相 似。半导体光放大器的功率不支持长距离传输， 但半导体光放大器自有其应用前景，因为它可以 接收输入的光信号，改变它的频率，输出新波长， 并在此过程中将信号放大，即动态波长变换。SOA 目前仅是光纤放大器的一种补充，主要用作集成 放大器以及应用在性能要求不高、成本很低的光 链路中。
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
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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
百度文库
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。
拉曼光放大器
授课人：王 珂
指导教师：张宝富
C
ONTENTS
01
拉曼放大器概况
目
02 03
拉曼放大器原理
录
拉曼放大器特性
04
发展前景
Part 01 拉曼放大器概况
光放大器分类
稀土掺杂光纤放大器
稀土掺杂光纤放大器是在光纤的纤芯中掺入饵、谱、铁等稀土元 素，通过稀土元素离子的能级跃迁，将泵浦激光能量转化到信号