一 拉曼光纤放大器
1．拉曼光纤放大器出现的背景
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。由于光纤制造技术的发展，可消除在1.37μm附近的损耗高峰，因此通信波段有望扩展到从1.2μm-1.7μm的宽广范围内。掺铒光纤放大器（EDFA）无法满足这样的波长范围，而拉曼光纤放大器却正好可以在此处发挥巨大作用。另外拉曼放大器因其分布式放大特点，不仅能够减弱光纤非线性的影响，还能够抑制信噪比的劣化，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。随着高功率二极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，泵浦源问题也得到了较好的解决。拉曼光纤放大器逐渐引起了人们的重视，并逐渐在光放大器领域占据重要地位，成为光通信领域中的新热点。
2．拉曼光纤放大器的工作原理
受激拉曼散射（SRS）是电磁场与介质相互作用的结果。才能过经典力学角度解释拉曼散射为：介质分子或原子在电磁场的策动下做受迫共振，由于介质分子具有固有的振荡频率，所以在受迫共振下界将出现频率为策动频率与固有频率的和频和差频振荡，分别对应着反斯托克斯分量和斯托克斯分量，如图1所示，其中v0是电磁场的振荡频率，?v是介质分子固有的振荡频率。
图1 经典拉曼振动谱
经典理论无法解释反斯托克斯线比斯托克斯线的强度弱几个数量级且总是先于反斯托克斯线出现的实验结果。
从量子力学的角度能够解释受激拉曼散射。介质中的分子和原子在其平衡位置附近振动，将量子化的分子振动称为声子。自发拉曼散射是入射光子与热声子相碰撞的结果。受激声子是在自发拉曼散射过程中产生的，当入射光子与这个新添的受激声子再次发生碰撞时，则再产生一个斯托克斯光子的同时又增添一个受激声子，如此继续下去，便形成一个产生受激声子的雪崩过程。产生受激声子过程的关键在于要有足够多的入射光子。由于受激声子所
形成的声波是相干的，而其入射光也是相干的，所以受激散射产生的斯托克斯光也是相干的。若果产生斯托克斯光与信号光状态相同，便实现了对信号光的放大。如图2所示为量子理论解释拉曼散射的过程。
图2 拉曼散射能级图
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。
如果弱信号光与强泵浦光同时在光纤中传输，且信号光波长在泵浦光的拉曼增益谱内，那么一部分能量就从泵浦光转移到信号光，实现信号光的放大。这种介于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。
拉曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。拉曼增益与泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值成线性关系。如图3所示，在差值为100nm时，这种增长达到极点，即1450nm泵浦源在1550nm产生的RAMAN增益最高，因此要放大C+L波段1530~1605nm的工作波长，最佳泵浦源波长在1420~1500nm波段，从理论上讲，采用RAMAN放大器可以放大任何波长的工作信号。通常情况下，在泵浦光和信号光的波长相差100nm以内，拉曼增益与该差值基本呈线性关系。随后随该差值快速减小，可用的增益带宽为48nm。
图3 拉曼增益与波长差值的关系
拉曼光纤放大器分类
拉曼光纤放大器可分为分立式和分布式两类。
分立式所用增益光纤相对较短，泵浦功率很高，可产生40dB以上的高增益，主要用在要求高增益、高功率、放大EDFA不能放大的波段。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。
分布式所用增益光纤很长，一般是几十千米（一般不超过40km）；泵浦功率可以降低到几百毫瓦，主要和EDFA配合使用，提高系统的整体性能。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）。
依据泵浦方式不同，拉曼光纤放大器可分为前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦3种结构。其中泵浦光与信号光同方向传输称为前向泵浦，反之称为后向泵浦，两个方向同时泵浦则称为双向泵浦。与前向泵浦相比较，采用后向泵浦可以避免泵浦噪声串扰到信号中，从而使放大器的噪声较低，同时后向泵浦的偏振依赖性也较小。当拉曼增益较大时，在入纤处（前向泵浦）或出纤处（后向泵浦）信号光功率较大，非线性效应严重，因此采用双向泵浦方式的拉曼光纤放大器性能优于仅仅采用前向或者后向泵浦的拉曼光纤放大器。
3．拉曼光纤放大器的特点
（1）增益波长由泵浦光波长决定。理论上可对光纤窗口内任一波长的信号光进行放大。这使得光纤拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用过个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm），因此，对于开发光纤的整个低损耗区1270~1670具有无可替代的作用。
（2）增益频谱较宽。单波长泵浦可实现40nm范围的有效增益，如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。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。
（3）增益介质为传输光纤本身，因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频（FWM）效应的干扰，与EDFA相比优势相当明显，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。
（4）拉曼光纤放大器的噪声指数（NF）比EDFA要低。二者配合使用，可以有效降低系统总噪声，提高系统信噪比，从而延长无中继传输距离及总传输距离。
（5）拉曼光纤放大器也存在一些缺点，比如：所需的泵浦光功率高，分立式要几瓦到几十瓦，分布式要几百毫瓦；作用距离长，分布式作用距离要几十至上百千米，只适合于长途干线网的低噪声放大；泵浦效率低，一般为（10～20）%；增益不高，一般低于15dB；高功率泵浦输出很难精确控制；增益具有偏振相关特性；信道之间发生能量交换,引起串音。
4．实用拉曼放大器需要考虑的因素
（1）ASE噪声
和其他方式一样，通过自发拉曼散射产生并经过放大的噪声，是放大器中最基本的噪声。它与温度和泵浦信号波长间隔都有关，随温度的升高而增大，随泵浦信号波长间隔的减小而增加据报道在80nm宽的频带范围内，短波长信道的ASE功率水平比长波长要高出2dB。
拉曼光纤放大器
