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1、第3期(第12卷)中国计量学院学报№.3(Vol.12)2001年12月JOURNALOFCHINAINSTITUTEOFMETROLOGYDec.2001【文章编号】100421540(2001)0320051206光纤拉曼放大器技术的进展刘红林,张在宣,金尚忠,沈为民,徐江峰,王剑锋(中国计量学院光电子技术研究所,浙江杭州310034)【摘要】本文对拉曼光纤放大器的原理、历史、现状和前景进行了讨论L【关键词】拉曼光纤放大器;拉曼散射;受激拉曼散射【中图分类号】TN722.3【文献标识码】A1引言上个世纪末,光纤通信以超乎常人想象的速度发展L光纤已经成为通信网的重要传输媒介LIn2tern
2、et应用的飞速增长对光纤通信网络的带宽提出了越来越高的需求L在光纤的传输过程中对信号进行光学放大对大容量密集波分复用(DWDM)的长距离骨干通信系统至关重要L如果没有光放大,由于光纤的损耗,所有的光学信号在传输一定距离以后,就需要转换成电信号,再进行再生,这需要大量昂贵的设备L光学放大器每隔一段距离(一般是100km)就周期性地对光信号进行放大,因此,需要再生的距离就至少增加了一个数量级L[1]利用光纤中的拉曼增益对光信号进行放大,是人们最早研究的光学放大方法L从1972年首[2]次在光纤中发现受激拉曼散射现象开始,人们对其进行了大量的研究,并对其可能的应用进行了探索L其应用主要有两个方面:
3、光纤拉曼激光器和光纤拉曼放大器L到了20世纪80年代,因为其[3～9]在光纤通信中的应用潜力,光纤拉曼放大器获得了广泛的重视L但是,因为拉曼散射是一种非线性效应,所以需要的抽运功率比较高,一般需要大于500mWL在90年代初期,人们又发明了ED2FA,EDFA需要的抽运功率比较低,在1550nm传输窗口中要获得和光纤拉曼放大器相似的增益只需要100mW,光纤拉曼放大器的研究就陷于停顿L而EDFA很快就发展成熟并得到了广泛应用L然而,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L由于光纤制造技术的发展
4、,现在已经可以消除在1.37Lm附近的损耗高峰,这样在将来,通信波段可望扩展到从1.2Lm到1.7Lm的宽广范围内L在这样的波长范围内,EDFA是无能为力的L而光纤拉曼放大器却正好可以在此处发挥巨大的作用L同时随着高功率二极管抽运激光器和光纤光栅技术的发展,光源问题也得到了较好的解决L光纤拉曼放大器(FRA)又有其自身固有的优点,如放大波长只和抽运波长有关,可利用传输光纤做在线放大等优点L这样光纤拉曼放大器再度受到了广泛的关注L在目前的大容量长距离DWDM系统的传输实验中,都能见到拉曼放大的身影L如2001年3月,Alcatel采用双向拉曼放大技术实现了10.2Tbös×100km和3Tbö
5、s×3000km的DWDM系统【收稿日期】2001204229【作者简介】刘红林(1972-),男,安徽金寨人,中国计量学院光电子技术研究所在读研究生L52中国计量学院学报2001年传输实验L同时,NEC利用拉曼放大技术也实现10.92Tbitös×115km的DWDM系统传输实验L拉曼放大器成为继EDFA之后的又一颗璀璨明珠,在技术上和商业上的发展前景都前途无量L[10]2光纤拉曼放大器基本原理光纤拉曼放大器利用了光纤中的受激拉曼散射现象L拉曼散射可以看做介质中的分子振动对入射光的调制,即分子内部粒子之间的相对运动导致分子感应电偶极矩随时间的周期性调制,从而对入射光产生散射作用L设入射光的
6、频率为Xp,介质分子的振动频率为XT,则散射光的频率为Xs=Xp-XT和Xas=Xp+XTZ其中频率为Xs的散射叫做斯托克斯散射,频率为Xas的光为反斯托克斯散射Z从量子力学的观点,又可以将拉曼散射看成在入射光和介质分子相互作用时,光子吸收或发射一个声子Z光纤分子拉曼能级图如图1所示Z光纤的拉曼声13子频率为$M=1.32×10HzL可分为斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子:斯托克斯拉曼光子:hTs=h(Tp-$T)(1)反斯托克斯拉曼光子:hTa=h(Tp+$T)(2)图1光纤分子拉式中Tp,Ts,Ta分别为抽运光(入射光)、斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼光的频曼能级图率Z1962年,人们又发现如
7、果光强超过一定的阈值,斯托克斯波会在介质内快速增加,大部分的抽运功率都可以转换成斯托克斯光,这种现象就叫做受激拉曼散射Z拉曼散射的初始增长可以用下式描述:dIs=gRIpIs(3)dz其中Is是斯托克斯光强,Ip是抽运光强,gR是拉曼增益常数Z在连续波的情况下,考虑到光纤损耗,抽运光和斯托克斯光的相互作用符合下列耦合波方程:dIs=gRIpIs-AsIs(4)dzdIpXp=-gRIpIs-ApIp(5)dz
