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Chandrasekhara Raman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： hv s = hvp-Ek 或者Es=Ep-hv s ，Es表示发出的信号光能量，hvp，Ep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。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（MⅹN G bit/s）DWDM系统中单根光纤的容量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DWDM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（四波混频、自相位调制等），缩小放大器间隔提高了系统成本。提高接收机的灵敏度可以采用相干接收技术，目前还不是很成熟。而分布式拉曼放大则可以同时解决上述问题，特别有利于高速信号超长距离传输。可以说，光纤拉曼放大器是超大容量，超长距离密集波分复用系统的关键技术之一。
    
     另外拉曼光纤放大器还有如下3种用途
    
     1：补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗
     色散补偿光纤的损耗系数远比G.652和G.655光纤大，如果只用EDFA补偿，要求它的增益提高。EDFA引入的放大的自发辐射噪声功率（Pase）与增益成指数关系，这会降低信噪比，因此可以在色散补偿模块里加一个后向泵浦拉曼光纤放大器，补偿损耗，同时还可以提高信噪比。
    
     2：实现系统从2.5G到10G的升级
     在接收机性能不变的情况下，如果信号传输率增加，要保证接收端误码率不变，就必须增加接收端的信噪比。可以设计与前置放大器相配合的拉曼光纤放大器提高信噪比，实现系统升级。
    
     3：实现超长段传输： 中国西部以及西北地区的城市分布比较稀疏，特别是山区，很多城市之间的距离超过150公里。如果只用EDFA 做线路放大器，要保证MPI-R和R’处信噪比符合标准，就要求EDFA的增益足够高。那么这个EDFA的入纤功率会很高，这会带来2个问题：
    
     a: 降低信噪比： 因为EDFA引入的放大的自发辐射噪声功率（Pase）与增益成指数关系，所以噪声会急剧增加。
    
     b: 入纤功率过大会导致更强的光纤非线性效应（四波混频、自相位调制，交叉相位调制等），引入额外噪声，降低信噪比。我们可以用后向泵浦拉曼光纤放大器辅助EDFA解决这个问题。拉曼光纤放大器不但可以承担一部分超长段光纤的损耗，而且还可以提高线路放大器LA2输入端的信噪比，解决了上面所有的问题，从而解决实际工程中超长段问题。
    
    
    
     　　　　　　　　　图3、超长段传输中的应用
    
     四：拉曼光纤放大器设计中应该考虑的问题
    
     1：增益的平坦性：由于单位长度光纤的拉曼增益系数很小，并且受限于约13.2THz的斯托克斯频移，单泵浦产生的拉曼增益带宽只有约30nm,而且不平坦，往往要求泵浦的功率达到瓦量级，还要利用平坦滤波器进行增益谱的平坦。利用多波长泵浦，一方面可以实现比较宽的增益,另一方面对泵浦的功率要求降低了。采用多波长泵浦的关键问题是：怎么才能获得比较宽，比较平坦的增益。要考虑的问题是：要用多少泵浦源，各个泵浦源的功率怎么分配，波长怎么设置。要考虑到信号和信号，信号和泵浦，泵浦和泵浦之间的相互作用。
    
     2： 增益的偏振相关问题：拉曼放大增益和偏振有关，如果信号光和泵浦光的偏振是正交的，则不能产生增益。但是，在使用中的传输光纤是不保偏的。现在的解决方法是每一个波长用２个相互正交的泵浦源来退偏，能在一定程度上降低这种影响。
    
     3：信道增加或者减少对增益的影响：信道增加或者减少时，增益发生变化，这就要求增益具有动态自动调整功能。笔者在用软件仿真的过程中，
    
     发现当信号功率比较小的时候，增益变化小于0.3dB，此时可以忽略增益的变化。
    
     五：应用前景展望：
    
     正如前面所说，拉曼光纤放大器在超长距离超大容量通信系统中
     扮演着举足轻重的角色，因此笔者认为在未来1-2年会在实际工程中
     应用。另外一方面，由于它的成本较高，并且C Band EDFA比较成熟，L Band EDFA也在研发之中，因此我认为拉曼光纤放大器不可能取代EDFA,只能是EDFA的必要的和有益的补充。
    
    
    
    
     参考文献：
     1：拉曼光纤激光放大器简介 opticalfibernews.com
     2: 董新永 光纤放大器家族的新贵——拉曼放大器 c-fol.net 2001.1
     3：印新达 何万晖等 分布式拉曼光纤放大器的分析和实验
     4：Raman Amplification Design in Wdm Systems iec.org

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