拉曼光纤放大器的应用和设计

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1、拉曼光纤放大器的应用和设计～教育资源库　　摘要：本文主要介绍了拉曼光纤放大器的原理，以及在实际工程中的应用和设计时应该考虑的问题。　　拉曼现象早在1928年就被ChandrasekharaRaman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。光纤中的受激拉曼散射效应也在1972年就发现了，而且在1985年、1986年就用实验证明了光纤拉曼放大技术可以用于数字信号和光孤子系统，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

2、就使拉曼放大器成为可能。　　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。拉曼散射原理的示意图如下：　　　　图1、拉曼散射原理示意图　　可以看出：hvs=hvp-Ek或者Es=Ep-hvs，Es表示发出的信号光能量，hvp，Ep

3、表示泵浦光的能量，Ek表示分子振动高能级能量。斯托克斯光子的频率是由分子的振动能级决定的。　　　　图2、光纤的典型拉曼增益谱　　光纤的典型拉曼增益谱如上图所示。用光纤作为放大介质，拉曼增益具有很宽的频谱，在13.2THz附近有一个主峰。如果一个弱信号和强泵浦光同时传输，并且，弱信号在放大频谱内，那么泵浦光转移一部分能量到信号光，从而实现信号放大。基于这种原理的放大器就是拉曼光纤放大器。　　一：拉曼光纤放大器的特点：　　1：可以实现全波放大。从上面的分析可以知道，拉曼散射增益谱主要是由泵浦光的波长决定，故选择适当波长的泵浦，理论上可以实现整个光纤低损耗区的放大。　　2：放大介质是传输光纤本身

4、。光纤拉曼放大器不像EDFA那样需要用特殊掺杂光纤作为放大介质，它的放大介质就是传输光纤本身。毫无疑问，这样很大程度上降低了成本。　　3：拉曼放大器的噪声系数（NF）比EDFA要低。二者配合使用，可以降低系统噪声系数，这样可以增加无中继距离。　　4：可以实现分布式放大，实现长距离传输和远程泵谱，特别适合海底，沙漠光缆通信等不方便设立中继器的场合。另外，因为放大器是沿光纤分布而不是集中作用，所以光纤各处的信号功率都比较小，可以降低非线性效应尤其是四波混频效应。　　5：增益频谱宽。可以利用多个泵浦，适当的选择泵浦的波长和功率可以实现较宽的平坦增益谱。　　二：拉曼光纤放大器的分类　　拉曼光纤放大

5、器有两种类型：一种是集总式拉曼光纤放大器。所用的增益光纤相对比较短，一般是几公里。由于分布放大效率较低的原因，要产生很高的增益，就要求泵浦的功率比较高，成本相应增加，故笔者认为在相当长一段时间内，集总式拉曼放大器不会被应用。另一种是分布式拉曼光纤放大器，所用的增益光纤很长，一般是几十公里，泵浦的功率可以降低到几百毫瓦，主要是和EDFA配合使用，提高系统的性能。　　三：市场的需求是研究拉曼光纤放大器根本动力　　电信运营商要想在激烈的市场竞争中取得有利的地位，技术手段之一就是降低传输成本。而降低成本的有效途径就是提高单根光纤的容量和延长无中继传输距离。　　要提高（MⅹNGbit/s）D系统中单

6、根光纤的容量C,有两种办法：　　A：增加信道复用数M　　B：提高信息传输率N　　对于增加信道复用数M有三种方法：　　1：信道间隔不变，开辟新的传输窗口。普通光纤的低损耗区间是1270nm到1670nm，而普通的EDFA只能工作在1525nm到1625nm范围内。所以目前光纤频带利用率是很低的，要开辟新的传输窗口，就必须有新的宽带光放大器出现，而拉曼放大器的全波放大特性决定了它可以满足这一要求。　　2：减小信道间隔。在同样带宽的情况下，减小信道间隔，可以增加复用数目，同时引入了另外的问题：比如每信道的发送功率减少,四波混频，交叉相位调制的作用比较明显，可以引起信道间串绕，因此不能无限制的减小

7、间隔。拉曼光纤放大器的低噪声系数特性可以在一定程度上减小信道间隔。　　3：上面两种措施同时进行时是最为有效、实用的方法　　无中继传输距离主要是由光信噪比决定的。纯粹基于EDFA的长距离D系统，放大的自发辐射噪声累积导致光信噪比严重降低是限制无电中继传输距离（600-800km）的主要因素。要维持足够的光信噪比，必须提高输入信号功率，缩小放大器间隔，或者提高接收机的灵敏度。提高输入信号功率会导致更强的光纤非线性效应（四波混