基金项目：南京信息工程大学大学生实践创新训练计划（No. 201810300207）
摘要：拉曼光纤放大器是一种利用受激拉曼散射效应来实现光放大的光纤器件。拉曼增益谱比较宽，在普通光纤上单波长可实现约40nm范围内的有效增益，若采用多个泵浦，可以较容易实现宽带放大，并且直接可通过选择泵浦波长和强度调整其增益谱的方式。人们关注到其增益介质、宽增益带宽（最高可达120nm）、低噪声等特点,解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制。本文介绍了拉曼光纤放大器的原理及特点,并根据光纤通信的现状现状和热点,分析了光纤拉曼放大器应用和最新进展,论证了光纤拉曼放大器用于现代通信的重要性。
关键词：光纤放大器；受激拉曼散射；光纤通信
1、引言
光纤拉曼放大器（Raman Fiber Amplifier, FRA）来源于Stolen[1]等在实验室首次观察到单模光纤中的受激拉曼散射现象，但是因为拉曼散射是一种非线性效应,一般需要大于500mW的抽运功率，而且实现拉曼放大又需要合适的汞浦波长，在当时的技术条件下，用于通信领域的泵浦光源无法得到满足，所以人们又发明了掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA),因EDFA所需的抽运功率比较低,在1550nm传输窗口中若要获得和FRA相似的增益只需要100mW,所以EDFA很快速发展至成熟并得到了广泛应用，相反，FRA的研究逐渐淡出视线。
随着通信网络的高速发展,对传输速率和带宽的要求越来越高,现有的1530nm～1570nm可用带宽逐渐不能满足需求。为了进一步提高传输容量,开始研究可工作在光纤低损耗窗口(1.2μm～1.65μm)其它波段的光放大器。人们想起最早研究的光学放大方法[2]，即利用光纤中的拉曼增益对光信号进行放大。所以FRA重新受到了重视并迅速发展。1.3μm、1.4μm、1.5μm和1.6μm的多个波段的FRA都有被提及,增益带宽在100nm以上、峰值增益40dB以上的实验也不断实现。
2、光纤拉曼放大器的原理和特点
拉曼光纤放大器的工作原理是利用石英光纤中的受激拉曼散射效应来实现光纤放大。在形式上可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,在传输过程中利用受激拉曼散射效应可以对弱信号光进行放大。
其工作原理示意如图1所示。泵浦光子使光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级,然后在信号光的感应下处在虚能级的电子回到振动态高能级,同时发出一种和信号光同频、同相位、同方向的低频的斯托克斯光子,而剩余能量以分子振动(光学声子)的形式被介质吸收,完成振动态间的跃迁。斯托克斯频移γr=γp-γs（γp泵浦光的频率,γs信号光的频率）由分子振动能级所定,其值决定了受激拉曼散射的频率范围。拉曼散射的增益谱很宽，峰值增益位置在频移13THz左右，就非晶态石英光纤而言,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γpγs范围(40THz)内通过SRS实现信号光的放大。
图1 拉曼光纤放大器工作原理示意图
FRA具有以下几个特点：
1)其增益波长取决于抽运光波长。理论上只要有合适的抽运光源,就可以对任意波长的信号进行放大。这样FRA可以放大EDFA所不能放大的波段,而且使用多个抽运源得到的增益带宽比EDFA宽得多，如表一所示。
表1 两种光放大器的主要特征及性能指标比较
2)不需要其他的放大介质。因为增益介质为传输光纤本身，为不方便设立中继器的光纤通信系统改造提供了广阔的前景。
3)优良的噪声性能。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。在超长距离传输时，可以保证良好的OSNR,所以在千米的高数系统一般都要采用FRA。
3、研究现状及研究热点
3.1提高增益
在如何提高增益方面，有研究基于不同的前提条件定义分别推导出了同向与反向的抽运FRA的最大拉曼增益[3]公式。研究推导出最大增益只与三个参量有关，如图2所示，并通过计算得到同向抽运FRA中信号被放大主要发生在光纤长度0-zmax内在zmax处有最大拉曼增益;而反向抽运FRA中位于zmin-L内，且在这段光纤上达到最大拉曼增益。若将这两者分别或者联合运用于光纤通信系统中，并设计同向抽运FRA放大信号的跨距为zmax，反向为L-zmin，那么FRA都会有在最大拉曼增益工作的情况并且器件的抽运效率将达到最大，光纤通信系统的无中继传输距离也最大。此时，有最低的光纤通信系统的成本，更加经济。
图2 同向抽运FRA 中Zmax、Gmax与 Ps(0)、Pp(0)的关系图
另一个研究中，Shi等人[4]提出使用Er3+/Yb3+共掺杂芯-包异质型磷酸盐玻璃光纤的单模PM来设计在C波段工作的单片全光纤脉冲MOPA激光器的末级功率放大器。2010年，有研究利用15cm多光纤长度的一个新型的单模光纤芯的功率放大器在1530nm处证明了1.2kW 105ns脉冲峰值功率，其相当于0.126mJ的脉冲能量,线宽与有限衍射光束质量[5]。2012年，在利用0.38mJ的脉冲能量和128kw峰值功率的实验中演示了使用多个层次的Yb/Er掺杂磷酸光纤、短脉冲宽度来进一步提高SBS阈值[6]。因为SBS是一种声光非线性效应，是由光纤中的光子和声子相互作用而产生的。因此在允许的情况下，使用比声子寿命短的脉冲是增加SBS阈值的另一种方法。在2014年，功率放大器性能又进一步得到提高[7]。在1.5μm区高频率和高峰值功率全光纤放大器归纳如表2所示。
表2 基于Yb3+/Er3+磷酸掺杂的1.5μm区高频率、高峰值功率全光纤放大器
3.2 增益平坦
目前，在不同方向上对于FRA的增益平坦的研究已取得了一定进展。改善FRA增益平坦的方法多是采用空间多波长抽运(类似于WDM)和增益均衡器两类[8]，但仍存在系统结构复杂、成本高和效率低等问题。对此，Winzer等人提出了利用C波段调谐光纤激光器实现时分复用(TDM)抽运的光纤拉曼放大器的实验方案[9]。
就现有的FRA增益谱平坦化技术的不足,还提出了一种新型的FRA的设计,即双向泵浦受激拉曼散射增益谱平坦光纤放大器[10]。其设计需要利用受激拉曼散射增益谱在450cm-1波数处形成的对称结构、前向泵浦与信号光产生的频移对信号光进行放大作用还有后向泵浦与信号光产生的频移对信号光进行补偿性的放大作用。
3.3增益均衡问题
因为光纤种类、光纤长度、信号波长和功率、调制速率会受环境以及系统升级和波长的影响,不再是常数,设计时就需要采取措施即动态增益均衡,以调整放大器适应各种变化。目前动态增益均衡采用的方法有：可调滤波均衡；可变光衰减器阵列均衡；拉曼泵浦功率调整均衡。
对于拉曼放大器而言,采用拉曼泵浦功率调整均衡方法[11]是最经济和有效的,只是设计拉曼泵浦功率自动调整的算法比较困难。人们在其方向进行了研究。在2017年，有研究得出了一种拉曼光纤放大器自动增益控制方法[16]即提取带内或者带外的放大自发辐射ASE功率，调整泵浦激光器的功率，让RFA的输出功率与RFA产生的ASE功率趋向于满足公式(1)；
PaseT＝10*log(KG*10(Pout/10)+CG) (1)；
其中，PaseT、Pout分别为RFA产生的ASE功率理论值及拉曼输出功率，单位dBm；G为拉曼增益，单位dB；KG、CG分别为该增益下的斜率、截距值。本方法既可应用于输入光功率变化范围很大的拉曼放大器增益控制，也可用于输入光功率变化较小的拉曼放大器增益控制。
3.4优化设计
为获得一种高效高性能的FRA设计，提出了一种改进的人工蜂群算法[14]并将其引入到FRA优化设计中。人工蜂群算法是一种模仿蜂群行为的群体启发式搜索算法,适合解决多变量函数的优化问题,有较快的算法收敛速度。通过此算法设计的FRA的平坦度性能能够得到最大限度的优化，同时，其设计结果很好地满足了目标净增益的要求。
最后，具体优化措施主要还可以从以下几个方面开展：泵浦方式的选取；选择信号光功率；优化设计放大器结构；改善分布放大特性；拉曼光纤的选取。
参考文献
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论文作者:陈晓丹 匡文剑（通讯作者）
论文发表刊物:《信息技术时代》2018年5期
论文发表时间:2019/3/5
标签：增益论文; 光纤论文; 放大器论文; 功率论文; 信号论文; 平坦论文; 能级论文; 《信息技术时代》2018年5期论文;