拉曼放大器.doc
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。
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。
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。
拉曼光放大器(Raman-Amplifier)
SEN XINE胜赛通信上海胜赛通信技术有限公司产品资料拉曼光放大器（Raman-Amplifier）
胜赛通信推出的拉曼光放大器，利用光纤分布式反馈技术，具有工作波长范围
宽，增益平坦，噪声小，改善光信噪比（OSNR），性能稳定，结构紧凑等的特点，
满足长距离传输工程以及系统升级的应用需求。
特征应用
输出功率高长距离传输工程
工作波长范围宽系统升级的应用
噪声低
参数最小值典型值最大值备注工作波长(nm) C波段，C+L波段
输入功率(dBm) -48
泵浦光功率(mW) 750
信号功率增益(dB) 10 18
增益平坦度(dB) 2.0
偏振相关增益(dB) 0.3
偏振模色散（ps）0.2
功耗（W）30
工作温度（℃）-5 55
储存温度（℃）-20 85
尺寸（mm）19寸1U机架式，模块式
产品订购信息
SXRAMAN ----- X --- - X ---- X ---- X ---- X ---- X
机箱结构：1-1U机架2-模块式工作波长：
1-1550.12nm
2-1550.92nm
功率增益：
1- 10dB;
2- 14dB;
3- 18dB
输出接口：
FC/PC;
SC/PC;
LC/PC;
……
电源类型：
A- 48V单电源
B- 220V单电源
AB- 双电源
输入接口：
FC/PC;
SC/PC;
LC/PC;
……。
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。
拉曼放大器.doc汇总
主要分析了泵浦光之间的受激拉曼散射，信号光之间的受激拉曼散射，泵浦光的个数，泵浦光功率以及泵浦光波长对拉曼增益曲线平坦度的影响。
一、受激拉曼散射对拉曼增益的影响当泵浦光在光纤内传输时，不同的泵浦光之间会产生受激拉曼散射效应，即短波长泵浦光会对长波长泵浦光产生拉曼放大。
因此，长波长泵浦光会从短波长泵浦光处获取能童，使得长波长信号光的拉曼增益明显增大。
同样，在信号光之间也存在着受激拉曼散射作用，长波长信号光会吸收短波长信号光的能量而被放大。
建立如下图1所示的仿真模型，仿真分析了5路后向泵浦功率沿光纤的传输演化。
在光纤的末端，每路泵浦光的入纤功率都是100mw，但是经过50km光纤传输后，各自功率的演化呈现不同的趋势。
波长最长的泵浦(1495nm)得到了拉曼增益，而波长最短的泵浦(1420nm)衰减的最快。
产生这一现象的原因就是受激拉曼散射导致能量由短波长泵浦向长波长泵浦发生传递。
在相同的泵浦参数下，考虑泵浦与泵浦之间和信号与信号之间的受激拉受散射效应后，拉曼增益曲线也会受到一定的影响。
图2所示为5路泵浦光作用下对1556.78nm-1591.98nm波长范围内44路信号光进行放大时，泵浦间、信号间受激拉受散射对拉曼增益曲线的影响。
图1 仿真模型（a）输入光纤前的泵浦光（b）输入的44路信号光（c）放大后的44路信号光图2 输入的信号光、泵浦光和放大后的信号光波形图二、泵浦源功率对拉曼增益的影响对于给定的拉曼增益值，所需的泵浦功率与诸多因素有关，如拉曼增益系数、光纤的类型和长度、偏振的影响等。
为了合理的比较功率分布对拉曼增益的影响，应该保证泵浦源的个数、波长、输入总功率以及其它参数均相同。
我们选用波长分别为1420nm、1435mn、1450nm、1465nm和1495nm的5路后向泵浦光，总的泵浦输入功率为340mw，对不同泵浦输入功率的情况进行了模拟，如图3所示。
合理配置泵浦功率后得到的增益曲线如图4所示，功率分别为60w、80w、45mw、50mw和105mw。
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
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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
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
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主要分析了泵浦光之间的受激拉曼散射，信号光之间的受激拉曼散射，泵浦光的个数，泵浦光功率以及泵浦光波长对拉曼增益曲线平坦度的影响。
一、受激拉曼散射对拉曼增益的影响
当泵浦光在光纤内传输时，不同的泵浦光之间会产生受激拉曼散射效应，即短波长泵浦光会对长波长泵浦光产生拉曼放大。
因此，长波长泵浦光会从短波长泵浦光处获取能童，使得长波长信号光的拉曼增益明显增大。
同样，在信号光之间也存在着受激拉曼散射作用，长波长信号光会吸收短波长信号光的能量而被放大。
建立如下图1所示的仿真模型，仿真分析了5路后向泵浦功率沿光纤的传输演化。
在光纤的末端，每路泵浦光的入纤功率都是100mw，但是经过50km光纤传输后，各自功率的演化呈现不同的趋势。
波长最长的泵浦(1495nm)得到了拉曼增益，而波长最短的泵浦(1420nm)衰减的最快。
产生这一现象的原因就是受激拉曼散射导致能量由短波长泵浦向长波长泵浦发生传递。
在相同的泵浦参数下，考虑泵浦与泵浦之间和信号与信号之间的受激拉受散射效应后，拉曼增益曲线也会受到一定的影响。
图2所示为5路泵浦光作用下对1556.78nm-1591.98nm波长范围内44路信号光进行放大时，泵浦间、信号间受激拉受散射对拉曼增益曲线的影响。
图1 仿真模型
（a）输入光纤前的泵浦光（b）输入的44路信号光
（c）放大后的44路信号光
图2 输入的信号光、泵浦光和放大后的信号光波形图
二、泵浦源功率对拉曼增益的影响
对于给定的拉曼增益值，所需的泵浦功率与诸多因素有关，如拉曼增益系数、光纤的类型和长度、偏振的影响等。
为了合理的比较功率分布对拉曼增益的影响，应该保证泵浦源的个数、波长、输入总功率以及其它参数均相同。
我们选用波长分别为1420nm、1435mn、1450nm、1465nm和1495nm的5路后向泵浦光，总的泵浦输入功率为340mw，对不同泵浦输入功率的情况进行了模拟，如图3所示。
合理配置泵浦功率后得到的增益曲线如图4所示，功率分别为60w、80w、45mw、50mw和105mw。
图3 泵浦功率相等的情况下放大后的信号波形
图4 泵浦功率配置后的情况下得到的放大后的信号波形我们从图中可以看出，相同泵浦功率激励下，在短波长区的增益低于较长波长区。
这是由于泵浦间的受激拉曼散射，长波长泵浦吸收短波长泵浦的能量，并且信号光与信号光之间也会由于受激拉受散射产生能量传递。
除此之外，由于单个泵浦的拉曼增益曲线在到达峰值之前上升比较缓慢，而在峰值后下降非常迅速，所以短波长泵浦增益曲线的峰值位于长波长泵浦增益值较高的地方，而长波长泵浦增益曲线的峰值位于短波长泵浦增益值的较低处。
由此，尽管最长波长泵浦能从短波长泵浦中吸取能量，但是由于它的增益曲线峰值位于其它短波长泵浦增益值较低的地方。
在实际设计多波长泵浦拉曼放大器时，应将最短波长泵浦和最长波长泵浦的功率值提高，其它波长的功率值应随波长增大呈逐渐减小的趋势。
图4所示的是按照此原则配置后的泵浦功率，得到了更为平坦的增益曲线。
三、泵浦源波长对拉曼增益的影晌
对于一个多泵浦拉曼放大器来说，每个泵浦光都对信号光的增益有所贡献，但不同波长的泵浦贡献不同，从而产生增益的起伏。
不同的泵浦光对信号光波长的放大区域不同，每个泵浦光都对超过本身波长100nm的信号光增益贡献最大，然后在此波长两侧增益降低。
因此，合理选择多个波长的泵浦光，可以改善拉曼增益的平坦度。
在泵浦光个数和输入功率相同的情况下，分析了5路泵浦光在波长不同分布时的增益情况。
图5表示泵浦波长在1420nm-1520nm间以25nm等间隔分布的拉曼增益，图6表示合理调整泵浦波长不等间隔分布(分别为1420nm、1435nm、1450nm、1465nm和1520nm)时的拉曼增益。
我们从图中不难看出，与等间隔分布相比，合理选择泵浦波长不等间隔分布能够有效的改善增益的平坦度。
图5 泵浦光波长在1420nm-1520nm间以25nm等间隔时的拉曼增益
图6 泵浦光波长在1420nm-1520nm间配置后的拉曼增益图
图7 泵浦波长在1420nm-1480nm内间隔为15nm时的拉曼增益曲线而泵浦波长同为等间隔分布时，不同的间隔大小对拉曼增益的影响也是不同的。
图7所示为泵浦波长在1420nm-1480nm内间隔为15nm时的拉曼增益曲线，而图5所示为泵浦波长在1420nm-1520nm内间隔为25nm时的增益曲线.从图中
可以看出，泵浦波长间隔小的时候，增益峰值处的波动相对较小，但是增益带宽也比较窄。
而波长间隔加大时，增益的波动加大，带宽也加大。
增益的波动和相对平坦带宽两者是相互制约的，应该选取适当的参数达到两者的最优选择。
四、泵浦源个数对拉曼增益的影响
泵浦源个数对拉受放大器的性能有着直接的影响。
图8中，我们分别仿真了3路、5路、12路泵浦光放大1556.78nm-1591.98nm间的44路信号光的拉曼增益。
其中，图8为3路泵浦光(波长为1420nm、1450nm、1495nm)作用下的拉曼增益，图9为5路泵浦光(波长为1420nm、1435nm、1450nm、1465nm和1495nm)的作用下的拉曼增益，图10为12路泵浦光作用下的拉曼增益，其波长和功率见图11。