专注SIP通讯产品与方案

光纤拉曼放大器

        目前广泛使用的EDFA只能工作在1530~1564nm之间的C波段,为了满足全波光纤工作窗口的需要,科学家们已找到一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器,那就是光纤拉曼放大器(FRA)。光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。

一、光纤拉曼放大器的工作原理——拉曼散射光频等于信号光频

      与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同,分布式光纤拉曼放大器(DRA)利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。研究发现,石英光纤具有很宽的受激拉曼散射(SRS)增益谱。光纤拉曼放大器基于非线性光学效应的原理,利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射,使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用,产生比泵浦光波长还长的散射光(斯托克斯光),即频率差为(ωp-ΩR)的散射光。拉曼散射光非常弱,1928年才被印度物理学家拉曼等人发现。该散射光与波长相同的信号光ωs重叠,从而使弱信号光放大,获得拉曼增益。就石英玻璃而言,泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13THz,在1.5μm波段,它相当于约100nm的波长差,即有100nm的增益带宽。
       采用拉曼放大时,放大波段只依赖于泵浦光的波长,没有像EDFA那样的放大波段的限制。从原理上讲,只要采用合适的泵浦光波长,就完全可以对任意输入光进行放大。
       分布式光纤拉曼放大器采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦,可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦,因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度,从而也就减小了泵浦噪声对信号光的影响,所以通常采用后向泵浦。图8.2.1表示采用前向泵浦的分布式光纤拉曼放大器的构成和工作原理示意图。
分布式光纤拉曼放大器
图8.2.1分布式光纤拉曼放大器
a)构成图b)工作原理图解
印度科学家拉曼
图8.2.2拉曼色散发现者——印度科学家拉曼(C.V.Raman,1888—1970年)
印度科学家拉曼发现拉曼散射效应
       拉曼天资出众,16岁大学毕业,19岁又以优异成绩获硕士学位。1906年,年仅18岁的拉曼就在英国著名科学杂志《自然》上发表了关于光的衍射效应论文。1917年加尔各答大学破例聘请他担任物理学教授。
       1921年夏天,33岁的拉曼从印度乘坐客轮去英国参加会议,并准备去英国皇家学会发表演讲。在这之前,拉曼对海水的蓝色已思考了许久,他并不认同著名物理学家瑞利对深海的蓝色只不过是天空蓝色被海水反射所致的解释。所以,他决心借助这次出行,进行实地考察。为此,他行装里准备了一套实验装置:几个尼科尔棱镜、小望远镜、狭缝,甚至还有一片光栅。望远镜两头装上尼科尔棱镜当起偏器和检偏器,随时都可以进行实验。实验证实,海水的颜色并非由天空颜色引起,而是海水本身的一种性质。拉曼认为这一定是起因于水分子对光的散射。他在回程的轮船上写了两篇论文,讨论这一现象,论文在中途停靠时先后寄往英国,发表在伦敦的两家杂志上。
1923年,他的学生第一次观察到了光在纯水或纯酒精中散射时水颜色改变的现象。1928年2月28日下午,拉曼决定采用单色光作光源,他从目测分光镜观看液体散射光,看到在蓝光和绿光的区域里,有两根以上的尖锐亮线,每一条入射谱线都有相应的散射光线。一般情况,散射光线的频率比入射光线的低,偶尔也观察到比入射光线频率高的散射光线,但强度更弱些。不久,人们开始把拉曼的这种新发现称为拉曼效应。1930年,美国光谱学家武德(R.W.Wood)把频率变低的散射光线称为斯托克斯线;把频率变高的光线称为反斯托克斯线。
1928年,印度物理学家拉曼发现了拉曼效应,即拉曼散射(Raman Scatter-ing),在拉曼宣布发现这一效应之后几个月,苏联的兰兹伯格(G.Landsberg)和曼德尔斯坦(L.Mandelstam)也独立地发现了这一效应。所谓拉曼散射是指光波被介质散射后其光波频率发生变化的现象。为此,拉曼(C.V.Raman,1888—1970年)于1930年获得了诺贝尔物理学奖。

二、光纤拉曼增益和带宽——信号光与泵浦光频差不同增益也不同

        图8.2.3为测量到的硅光纤拉曼增益系数gR(ΩR)频谱曲线,拉曼增益系数表示,当用光泵浦光纤时,单位距离单位功率获得的拉曼增益。由图可见,信号光频率ωs与泵浦光的频率ωp(波长)差ΩR不同,获得的增益也不同。当ΩR=ωp-ωs=13.2THz时,gR(ΩR)达到最大,增益带宽(FWHM)Δνg可以达到约8THz。光纤拉曼放大器相当大的带宽使其在光纤通信应用中具有极大的吸引力。
测量到的拉曼增益系数频谱
图8.2.3测量到的拉曼增益系数频谱
       光信号的拉曼增益与信号光和泵浦光的频率(波长)差有密切的关系,图8.2.4为小信号光在长光纤内获得的拉曼增益。由图可见,信号光和泵浦光的频率差为13.2THz时,拉曼增益达到最大,该频率差对应于信号光波长比泵浦光波长要长约100nm。此外,光信号的拉曼增益还与泵浦光的功率有关,由图8.2.4可知,同一泵浦光源,不同泵浦功率,信号光波长不同,在光纤中所获得的拉曼增益也不同,比如泵浦功率为200mW时,信号光最大增益值为7.78dB;泵浦功率为100mW时,最大增益值为3.6dB,但具有相同的增益波动曲线,在增益峰值附近的增益带宽为7~8THz。
小信号光在长光纤内的拉曼增益
图8.2.4小信号光在长光纤内的拉曼增益
       为了使增益曲线平坦,可以改变泵浦光的波长,或者采用多个不同波长的泵浦光。图8.2.5b为5个波长的光泵浦的增益曲线,由图可见,其合成的增益曲线要平坦得多。
为获得平坦的光增益采用多个波长光泵浦
图8.2.5为获得平坦的光增益采用多个波长光泵浦
a)后向泵浦分布式拉曼放大器b)拉曼总增益是各泵浦波长光产生的增益之和

三、 波长泵浦拉曼放大器——获得平坦光增益带宽

       增益波长由泵浦光波长决定,选择适当的泵浦光波长,可得到任意波长的光信号放大。分布式光纤拉曼放大器的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果,所以它是由泵浦光波长的数量和种类决定的。图8.2.5a表示后向泵浦分布式拉曼放大器的构成,多个波长互不相同的泵浦光经复用后对传输光纤进行后向拉曼泵浦,以对信号光进行放大。图8.2.5b为5个泵浦波长单独泵浦时产生的增益频谱和总的增益频谱曲线,当泵浦光波长逐渐向长波长方向移动时,增益曲线峰值也逐渐向长波长方向移动,比如1402nm泵浦光的增益曲线峰值在1500nm附近,而1495nm泵浦光的增益曲线峰值就移到了1610nm附近。EDFA的增益频谱是由铒能级电平决定的,它与泵浦光波长无关,是固定不变的。EDFA由于能级跃迁机制所限,增益带宽只有80nm。光纤拉曼放大器使用多个泵源,可以得到比EDFA宽得多的增益带宽。目前增益带宽已达132nm。这样通过选择泵浦光波长,就可实现任意波长的光放大,所以光纤拉曼放大器是目前唯一能实现1290~1660nm光谱放大的器件,光纤拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。

四、光纤拉曼放大器等效开关增益和有效噪声指数

       分布式光纤拉曼放大器主要参数有拉曼开关增益(Gon-off)、有效噪声指数(Feff)。
定义拉曼开关增益为
光纤拉曼放大器(图6)
式中,Pon和Poff分别是拉曼泵浦光源接通和断开时,在增益测量点(GMP)测量到的信号光功率,如图8.2.6所示。
光纤分布式拉曼放大器开关增益测量
图8.2.6光纤分布式拉曼放大器开关增益测量
a)正向泵浦b)反向泵浦c)双向泵浦物理模型和等效模型
       假如有一套传输光纤参数,如受激拉曼色散增益频谱、非线性系数和损耗系数,通过模拟就可以完成对分布式拉曼放大器或混合使用拉曼放大/EDFA放大器的性能分析。这些参数在研究环境中已获得,但在实际环境中,却很少使用。
       为了简化系统性能评估,假如在传输光纤末端,可以测量到放大器参数,可考虑把分布式拉曼放大器等效为离散拉曼放大器,如图8.2.5c所示。所谓离散拉曼放大器,就是所有拉曼放大的物理要素,即光信号在光纤中传输时因传输光纤受激拉曼色散(SRS)效应获得放大的所有要素,都包括在该离散放大器中。
       当拉曼放大器与常规EDFA线路比较时,这种考虑同样有用。

五、光纤拉曼放大技术的应用

        合理设计分布式光纤拉曼放大器系统,可使光纤线路实现无损耗传输,减小入射信号的光功率,降低光纤非线性的影响,从而避免四波混频效应的影响,可使DWDM系统的信道间距减小,相当于扩大了系统的带宽容量。另外,由于四波混频效应影响的减小,允许使用靠近光纤零色散窗口,光纤的可用窗口也扩大了。
       由于分布式光纤拉曼放大器可利用传输光纤在线放大,它与EDFA的组合使用,可提高长距离光纤通信系统的总增益,降低系统的总噪声,提高系统的Q值,扩大系统的传输距离,减少3R中继器的使用数量,降低系统成本。所谓3R中继器,是指能够完成均衡、再生和定时功能的中继器。
       分布式光纤拉曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的C波段(1530~1565nm),而且也能工作在比C波段短的S波段(1460~1530nm)和较长的L波段(1565~1625nm),完全满足全波光纤对工作窗口的要求。
        所以,分布式光纤拉曼放大器具有广阔的应用前景,得到了人们的极大重视。

六、 混合使用拉曼放大和EDFA——获得平坦的总增益频谱曲线

        混合使用分布式拉曼放大和常规EDFA可获得平坦的总增益频谱曲线,如图8.2.7所示。实验中使用色散为正、有效面积为134μm2的光纤,采用1484nm单波长泵浦,所有信道均工作在非线性代价相似的状态(接近峰值性能)。
混合使用分布式拉曼放大和常规EDFA的总增益频谱曲线
图8.2.7混合使用分布式拉曼放大和常规EDFA的总增益频谱曲线