光纤信号放大器

摘要 随着社会的发展，人们对信息的依赖越来越严重，信息传输的需求急剧膨胀，大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的简单传输距离，已经成为光纤通信领域的热点。在这种背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪声和几乎无限的带宽特性而得到广泛关注摘要　随着社会的发展，人们对信息的依赖越来越严重，信息传输的需求急剧膨胀，大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的简单传输距离，已经成为光纤通信领域的热点。在这种背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪声和几乎无限的带宽特性而得到广泛关注。本文介绍了拉曼光纤放大器的基本概念，重点分析了拉曼光纤放大器的应用前景和存在的问题。1 拉曼放大器介绍1.1 拉曼放大当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度较高。这样，当两个恰好频率间隔为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，其能量转移到低频段上，这就是受激拉曼散射（SRS）。光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱，且在13THz附近有一个较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱（见图1）范围内，则弱信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/01/201101181034_274815_1759541_3.gif1.2 拉曼放大器的类型（1）集总式拉曼放大器，即放大过程发生在含有掺铒光纤的封闭模块中。主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段（图2中的绿色曲线）。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/01/201101181034_274817_1759541_3.jpg（2）分步式拉曼放大器。拉曼泵浦位于每级跨距的末端，泵浦方向与信号的传输方向相反（图2中的蓝色曲线）。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速发展。1.3 拉曼放大（DRA）增益谱的调整拉曼增益谱的形状依赖于泵浦波长，最大增益波长比泵浦波长高100nm左右。这种特性使得在具有可用泵浦波长的条件下，放大任何波长区间的光信号成为可能。通过使用不同的泵浦波长组合可以在一个很宽的波长区间获得平坦的增益谱型（见图3）。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/01/201101181035_274818_1759541_3.jpg1.4 拉曼泵浦模块图4中的绿色框图部分是一个为后向泵浦配置应用的拉曼泵浦激光器模块示意图。在这种配置中，DRA一般和系统的EDFA联合使用，用作EDFA的前级放大器（Pre-amplifier）。这就是大家熟知的RAMAN/EDFA混合放大器。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/01/201101181035_274819_1759541_3.jpg摘要　随着社会的发展，人们对信息的依赖越来越严重，信息传输的需求急剧膨胀，大幅度提升现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的简单传输距离，已经成为光纤通信领域的热点。在这种背景下，拉曼放大器由于其固有的低噪声和几乎无限的带宽特性而得到广泛关注。本文介绍了拉曼光纤放大器的基本概念，重点分析了拉曼光纤放大器的应用前景和存在的问题。1 拉曼放大器介绍1.1 拉曼放大当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，进而调制入射光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度较高。这样，当两个恰好频率间隔为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，其能量转移到低频段上，这就是受激拉曼散射（SRS）。光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱，且在13THz附近有一个较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱（见图1）范围内，则弱信号光即可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。http://www.gtxren.com/uploads/allimg/100722/0042092A8-0.gif图1 光纤中的受激拉曼增益谱1.2 拉曼放大器的类型（1）集总式拉曼放大器，即放大过程发生在含有掺铒光纤的封闭模块中。主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段（图2中的绿色曲线）。http://www.gtxren.com/uploads/allimg/100722/0042092b8-1.gif图2 分布式/集总式光放大器的比较（2）分步式拉曼放大器。拉曼泵浦位于每级跨距的末端，泵浦方向与信号的传输方向相反（图2中的蓝色曲线）。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速发展。1.3 拉曼放大（DRA）增益谱的调整拉曼增益谱的形状依赖于泵浦波长，最大增益波长比泵浦波长高100nm左右。这种特性使得在具有可用泵浦波长的条件下，放大任何波长区间的光信号成为可能。通过使用不同的泵浦波长组合可以在一个很宽的波长区间获得平坦的增益谱型（见图3）。 http://www.gtxren.com/uploads/allimg/100722/0042093501-2.gif图3 使用多泵浦波长获得平坦的宽带增益谱1.4 拉曼泵浦模块图4中的绿色框图部分是一个为后向泵浦配置应用的拉曼泵浦激光器模块示意图。在这种配置中，DRA一般和系统的EDFA联合使用，用作EDFA的前级放大器（Pre-amplifier）。这就是大家熟知的RAMAN/EDFA混合放大器。http://www.gtxren.com/uploads/allimg/100722/00420943T-3.gif图4 简化的后向泵浦的拉曼放大器应用框图图5表示的是采用某个拉曼泵浦模块在G.652光纤中的测试结果，包括增益谱及噪声指数（NF）随泵浦功率变化的情况。从图5中可以看出，在C-BAND范围，增益可以达到14dB以上，增益平坦度可以控制在1dB以内。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/01/201101181036_274820_1759541_3.jpg2 分布式拉曼放大器（DRA）的应用掺铒光纤放大器是一种成熟、可靠、经济有效的技术，在光网络中的广泛应用已经超过10年。虽然分布式拉曼放大器在很多应用方面可以弥补EDFA的不足，但是也要考虑DRA应用中的各种挑战。（1）激光安全。由于向传输光纤引入了高的泵浦功率，需要关注激光功率安全问题。（2）端面清洁。为了防止光连接器的损伤、烧毁，影响系统性能，端面的清洁非常重要。（3）拉曼增益对传输光纤的特性敏感，例如光纤类型、光纤衰耗系数等。（4）投入成本与运营成本的考虑。因此，在讨论DRA的应用时，应主要考虑体现其重要价值和优越性的应用，而不是使用传统EDFA产品技术也可以满足的应用。广泛地说，DRA的应用可以分为无法在线路中间放大的长距离光纤通信线路的连接和LH，ULH高容量、长距离传输系统中的应用。2.1 单跨段长距离的通信线路对于2个相距遥远的无法在线路中间使用EDFA等中继设备的通信站点而言，选择使用分布式拉曼放大器产品是必须的，如海缆通信链路，偏远无人区站点间的通信链路，不便设立中继站点或中级放大器的通信链路。一般来说，如果光纤线路距离小于160km，在线路两端使用传统的EDFA即可，对于更长距离的线路，需要考虑使用分布式拉曼放大器（DRA）。图6进一步说明了这个问题。从图6可以看出，在不同的拉曼增益下OSNR与链路损耗的关系。假定每个通道的发送光功率为8dBm，前置EDFA的噪声指数为5dB；同时假定系统容量较低，通道数较少，不考虑色散及非线性效应引起的通道