拉曼光纤放大器原理和性能分析与进展
光纤拉曼放大器的研究进展
FRA发展概述 发展概述
到1990年,伴随着EDFA技术成熟和大量商用,光纤拉曼放大器几乎被人 1990年 伴随着EDFA技术成熟和大量商用, EDFA技术成熟和大量商用 遗忘。 遗忘。 目前，对于光纤拉曼放大器的研究主要分为： 目前，对于光纤拉曼放大器的研究主要分为：
参数模拟仿真方面 和 应用设计方面的研究。 应用设计方面的研究。
国内外分布式拉曼放大器（DRA） 国内外分布式拉曼放大器（DRA）进展
国外对C波段和L波段的光纤拉曼放大器进行了大量的理论分折， 国外对C波段和L波段的光纤拉曼放大器进行了大量的理论分折，优化 设计和实验研究，取得了较大的进展， 设计和实验研究，取得了较大的进展，并开发了光纤拉曼放大器产品 一些通讯领域的大公司，朗讯实验室等， 一些通讯领域的大公司，朗讯实验室等，将多级串接分布式拉曼放大 器用于光纤DWDM传输系统． DWDM传输系统 器用于光纤DWDM传输系统．在实验室多波长抽运的拉曼光纤放大器光 谱带宽已实现100 谱带宽已实现100 nm 国内的光迅和中兴等公司也开发了C波段和L 国内的光迅和中兴等公司也开发了C波段和L波段的光纤拉曼放大器 目前光纤放大器的研究工作主要集中在C+L波段， 目前光纤放大器的研究工作主要集中在C+L波段，而S波段光纤拉曼放 主要集中在C+L波段 波段光纤拉曼放 大器更有发展前景，而且是稀土掺杂光纤放大器难以与其竞争的， 大器更有发展前景，而且是稀土掺杂光纤放大器难以与其竞争的，这 对扩展带宽很有意义． 对扩展带宽很有意义．
模型的优化和算法的改进 商用的光纤放大器的主流产品依然是EDFA， 商用的光纤放大器的主流产品依然是EDFA，拉曼光纤放大器研究很热 主流产品依然是EDFA 也有一些应用 例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 分布式拉曼光纤放大器也有采用合适的光纤用作 （DWDM）就使用的是分布式拉曼光纤放大器也有采用合适的光纤用作 分立式的拉曼光纤放大器 分立式的拉曼光纤放大器
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。
光纤拉曼放大技术解读
近年来，国际上发展的以双包层光纤为基础的
包层抽运技术，为提高光纤激光器输出功率提 供了解决途径。利用双包层抽运技术的光纤激 光器的转换功率可达80％，输出功率可提高几 个数量级，并且有着接近衍射极限的光束质量 和小巧、全固化、低域值等显著优点。利用 8W 左右双包层光纤激光器抽运的级联拉曼激 光器，已经可以实现在 1.2~1.5μ ｍ关键波长范 围内抽运光纤拉曼放大器所需关键波长 1W 左 右的激光输出。
保护层 外包层 内包层 纤芯
圆形内包层双包层光纤横剖面
为了提高对抽运光的吸收效率，人们一
直在努力优化内包层的边界条件，并作 了大量的工作。提出了D形、长方形和正 方形、梅花形等内包层形状（图4），并 拉制出这些内包层形状的双包层光纤， 实验表明这些内包层形状的光纤相对于 圆形内包层形状对抽运光的吸收效率大 大提高。
1．基本原理
Snitzer等人巧妙的提出设计了双包层光
纤，其结构如图3所示。
内包层 光纤芯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
保护层
激光输出
泵浦光
外包层
双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它比
常规光纤增加了一个内包层（最早的内包层形 状为圆形），内包层的横向尺寸和数值孔径均 大于纤芯。纤芯中掺杂稀土元素（Yb，Nd， Er等）。由于内包层绕在单模纤芯的外围，抽 运光在内包层中内反射并多次穿越纤芯被掺杂 离子吸收，从而大大提高了抽运效率。内包层 的作用体现在两方面：一方面，内包层的折射 率大于纤芯折射率，可保证振荡激光在单模纤 芯中传播，使输出激光的模式好、光束质量高； 另一方面内包层的折射率又小于外包层的折射 率，即内包层构成抽运光的传播通道，通过合 理设计内包层形状和选择内包层材料，耦合进 内包层的抽运光可以高效地被掺杂纤芯吸收， 转化为激光。
拉曼光纤放大器的发展现状
拉曼光纤放大器的发展现状拉曼光纤放大器是密集波分复用（DWDM）通信系统的重要组成部分，因此研究如何提升FRA的各项性能成为DWDM通信系统中的一项重要内容。
综述了拉曼光纤放大器国内外的研究和发展现状，介绍了国内外多款光纤拉曼放大器的产品性能特点。
最后，展望了光纤拉曼放大器的发展趋势。
标签：光纤拉曼放大器；密集波分复用；增益平坦；偏振相关增益；带宽Abstract：Raman fiber amplifier is an important part of dense wavelength division multiplexing （DWDM）communication system，so how to improve the performance of FRA becomes an important part of DWDM communication system. The research and development of Raman fiber amplifiers at home and abroad are reviewed，and the performance characteristics of many kinds of optical Raman fiber amplifiers at home and abroad are introduced. Finally，the development trend of Raman fiber amplifier is prospected.Keywords：Raman fiber amplifier；dense wavelength division multiplexing；gain flatness；polarization dependent gain；bandwidth引言隨着全球网络化、社会信息化的快速发展，人们对光纤通信系统的传输速率和容量的需求越来越高，而密集波分复用（DWDM）技术以其能够更加充分地利用光纤的巨大资源的优势，从而得以快速发展。
拉曼放大器基本原理及其优点
拉曼放大器基本原理及其优点
拉曼放大器是一种基于拉曼散射效应的光纤放大器，它可以在光纤通信系统中实现信号的放大和增强。
拉曼放大器的基本原理是利用光纤中的拉曼散射效应，将输入信号的能量转移到另一个频率上，从而实现信号的放大。
拉曼散射是一种光学现象，当光线通过介质时，会与介质中的分子或原子发生相互作用，从而产生散射。
在拉曼散射中，光子与介质中的分子或原子发生相互作用，从而改变了光子的能量和频率。
当光线通过光纤时，也会发生拉曼散射，从而产生信号的能量转移和频率变化。
拉曼放大器利用光纤中的拉曼散射效应，将输入信号的能量转移到另一个频率上，从而实现信号的放大。
具体来说，拉曼放大器将输入信号和激光光源混合，通过光纤传输，当光线通过光纤时，会发生拉曼散射，从而产生信号的能量转移和频率变化。
这些转移后的信号会被收集并放大，从而实现信号的放大和增强。
拉曼放大器的优点在于它可以实现宽带放大，可以放大多个波长的信号，从而提高了光纤通信系统的传输能力。
此外，拉曼放大器还具有高增益、低噪声、低失真等优点，可以提高光纤通信系统的传输质量和可靠性。
拉曼放大器是一种基于拉曼散射效应的光纤放大器，它可以实现信
号的放大和增强，具有宽带放大、高增益、低噪声、低失真等优点，可以提高光纤通信系统的传输能力和质量。
拉曼光纤激光放大器简介
拉曼光纤激光放大器简介一、引言光纤激光放大器根据增益介质的不同可分为两类：一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb等）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器（SOA）和掺杂光纤放大器；另一类基于光纤的非线性效应实现光的放大，典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器。
目前技术上较为成熟的掺铒光纤放大器（EDFA）取代传统的光-电-光中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时放大，大大降低了光中继的成本；同时可与传输光纤实现良好的耦合，具有高增益低噪声等优点。
因此成功地应用于波分复用(WDM)光通信系统，极大地增加了光纤中可传输的信息的容量和传输距离。
然而，EDFA尚存在诸多不足制处：首先是对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着工作波段和带宽的局限性。
其次是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收机端的信噪比。
另外是EDFA的带宽总是有限的，全波段的EDFA带宽最多也就在80~100nm。
并且EDFA作为一种有源器件对于光网络和系统的建设和维护来说其费用都会非常高。
随着计算机网络及其它新的数据传输业务的迅猛发展，长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀。
如何提高光纤传输系统容量、增加无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域研究的热点。
因此，拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，在2001年的OFC上不乏有关拉曼光纤放大器的报导。
展会上推出关于拉曼光纤放大器的厂商也逐渐多了起来，拉曼光纤激光器也逐渐成为光通信领域中的新的热点。
虽然拉曼光纤激光器距离真正商用化还有一段距离，尤其是在国内，但适时推出拉曼光纤放大器不乏成为公司技术实力的一个象征。
二、发展历史拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（SRS）。
拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman爵士所发现。
拉曼光纤放大器原理和性能分析与进展
前言：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。
总体上说解决RFA泵浦源共有3个解决方案：一是大功率LD及其组合，其特点是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成，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。
但后二者都存在稳定性及与光纤耦合的问题。
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。
拉曼光纤放大器相对于掺铒光纤放大器有明显不同：（1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱；（2）可以利用传输光纤本身作增益介质，此特点使光纤拉曼放大器可以对光信号的放大构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通讯等不方便建立中继站的场合；（3）可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度；（4）具有较低的等效噪声指数，此特点使其与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。
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前言：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。
总体上说解决RFA泵浦源共有3个解决方案：一是大功率LD及其组合，其特点是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成，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。
但后二者都存在稳定性及与光纤耦合的问题。
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。
拉曼光纤放大器相对于掺铒光纤放大器有明显不同：（1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱；（2）可以利用传输光纤本身作增益介质，此特点使光纤拉曼放大器可以对光信号的放大构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通讯等不方便建立中继站的场合；（3）可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度；（4）具有较低的等效噪声指数，此特点使其与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。
光纤拉曼放大器的性能决定了它在未来高速、大容量光纤通信系统中将发挥关键作用。
除了上述优点以外，拉曼光纤放大器也存在一些缺点，比如：所需的泵浦光功率高，分立式要几瓦到几十瓦，分布式要几百毫瓦；作用距离长，分布式作用距离要几十至上百千米，只适合于长途干线网的低噪声放大；泵浦效率低，一般为（10～20）%；增益不高，一般低于15dB；高功率泵浦输出很难精确控制；增益具有偏振相关特性；信道之间发生能量交换,引起串音。
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。
（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。