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。
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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。
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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)
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[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)
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