光纤拉曼放大器性能分析与进展

高雪松1 邹恩2
1、北京理工大学信息科学技术学院
2、深圳飞通北京分公司测试部

摘  要：本文介绍了目前在光通讯领域有很大发展前景的光纤拉曼放大器（RFA）的基本工作原理，其相对于目前主要应用的掺铒光纤放大器（EDFA）的优点，以及它的应用和所存在的一些问题，为研究光纤拉曼放大器相关课题提供一定程度的参考。
关键词：光纤通信、光纤拉曼放大器、混合式宽带放大器

1、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。

2、光纤拉曼放大器的工作原理和性能

2.1受激拉曼散射（SRS）
受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。

2.2光纤拉曼放大器工作原理
光纤拉曼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。其工作原理示意图如下：
 
RFA 中一个入射泵浦光子通过光纤非线性散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，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Vr=Vp-Vs由分子振动能级决定，其值决定了SRS 的频率范围，其中Vp是泵浦光的频率，Vs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Vp-Vs范围（40THz）内通过SRS实现信号光的放大。

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。

2.3光纤拉曼放大器性能分析
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，表1中对光纤拉曼放大器与半导体光放大器（SOA）、掺铒光纤放大器（EDFA）的主要特征和性能指标进行了比较：

3、光纤拉曼放大器的分类
3.1分布式拉曼光纤放大器（LRA）
分布式拉曼放大器基于光纤受激拉曼散射（SRS）效应，一般采用反向泵浦方式，实现方法如下：将高功率连续运转激光从光纤跨段的输出端注入传输光纤，该泵浦光的传输方向与信号光传输方向相反。泵浦激光器的波长比信号光短约100nm。高功率光场泵浦光纤中的组分物质产生虚激发态；电子从这些虚激发态向基态跃迁，从而实现光信号的增益。分布式拉曼放大器传输光纤本身就是增益介质，信号在光纤中传输的同时得到放大，使得拉曼放大器的等效噪声指数为负。低噪声系数分布式拉曼放大器可以有效克服四波混频等非线性效应的影响，并改善系统的光信噪比（OSNR）。

3.2分立式拉曼光纤放大器（DRA）
分立式拉曼放大器采用的放大介质通常是色散补偿光纤或高非线性光纤，比如DCF光纤或者碲基光纤。目前DCF光纤拉曼增益系数比SMF提高了10倍左右，作为拉曼增益介质后还可以组成色散补偿模块（DCM）。采用碲基光纤，其拉曼增益系数比石英光纤高16倍，峰值达到55W/km。

4、光纤拉曼放大器的应用与进展
目前，分布式光纤拉曼放大器进展很快，国外很多长距离、超大容量的密集波分复用光通讯系统（DWDM） 所使用的光放大器大多是分布式光纤拉曼放大器，这不仅可以充分利用光纤资源，降低成本，而且可以降低增益介质中的光密度，以便减少由于非线性效应产生的四波混频、信道间串扰所引起的系统性能劣化。但拉曼放大器的增益较低（实际线路中使用时不超过16dB），而EDFA虽然噪声指数上不如拉曼放大器，但小信号增益可以超过30dB，因此将拉曼放大器与EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。

由980nm泵浦的EDFA进行C波段的放大，由1497nm拉曼泵浦源负责L波段的放大。其增益谱线由于叠加在1535（EDFA产生）、1560（叠加产生）和1600nm（拉曼放大产生）附近出现3个增益峰值，大小为1.5~2dB而在1540和1560附近出现两个0dB左右的谷底。采用GFF后将所有信号增益控制在0dB左右，这样实现了80nm带宽、256×10Gbit/s×11000km的传输。

5、目前所面临的问题

在深入研究FRA的过程中，泵浦源的选择与配置、噪声的控制等都是急待解决的问题。其中，光纤的色散特性会引起传输中的前后码产生干扰，即码间干扰，限制了传输码速率和传输距离。针对目前传输线路上铺设的G652单模光纤所存在的色散较大的问题，可以将DCF光纤作为G652光纤的色散补偿和色散斜率补偿部分，组成补偿型FRA。

除了复杂的、高难度的工程设计以外，为了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器经常会使用超过1W（>30dBm）的放大器。因此，光传输系统对拉曼放大器附近的光纤连接头与光纤镕接点的质量有很高的要求，以尽量减少反射与损耗对拉曼增益机制的副作用。同时为了防止高能量激光对工程维护人员可能造成的伤害，自动光功率关闭（ALS）与人员特别培训都是不可或缺的。

6、总  结
本文介绍了光纤拉曼放大器的发展情况，分析了其基本工作原理和性能，并对其进行了分类比较，阐述了其应用与进展，指出了目前所面临的问题。本文为研究光纤拉曼放大器相关课题提供一定程度的参考。

参考资料：
[1]杜清水，《喇曼光纤放大器（RFA）的研究》，南昌高专学报，2004年第1期
[2]马永红、谢世钟，《宽带光纤拉曼放大器的优化设计与分析》，光学学报，2004年第1期
[3]汪兆辉，《拉曼放大器在长途DWDM系统中的应用》，电信网技术，2004年第9期
[4]迟荣华、吕可诚、运鹏、李乙钢、董孝义、陈文钊、杨光明、刘兆兵，《分布式拉曼光纤放大的实验研究》，中国激光，2004年第7期
[5]刘涛、黄德修、张在宣、李辰霞、方达伟、庄松林，《DCF光纤拉曼放大器的实验研究》，光电子技术与信息，2004年6月；17（3）