[科普中国]-拉曼光纤放大器

拉曼光纤放大器（RFA）是密集波分复用（DWDM）通信系统的重要组成部分。1

在许多非线性光学介质中，对波长较短的泵浦光的散射使得一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。2

如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为RFA。2

国外研究现状1999年，日本的科学家Y. Emori和S.Namiki等人克服了掺铒光纤放大器的在带宽上的限制，发挥拉曼放大器在带宽方面的独特优势，采用多泵浦的方式，以12个波长信道的WDM激光二极管单元作为拉曼放大器的泵浦光源，实验结果得到了接近100nm的带宽，而且增益平坦度小于±0.5d B（没有使用增益均衡滤波器）。2003年，A.Mori和H. Masuda等人从增益介质方面入手，采用高Raman增益系数的碲基光纤，使用双向泵浦的方式，同时将4个波长信道的激光二极管作为泵浦光源，实验中使用长度为250m的碲基光纤，最后获得了160nm增益带宽，且拉曼增益超过10d B。2009年，C. E. S. Castel－lani等人通过相关研究，设计了一个低平坦度、高增益、低损耗的光子晶体光纤拉曼放大器。在该设计的放大器装置中，只使用了两个低功率的泵浦源就实现了在C波段的放大，平均拉曼增益为8.5d B，且只有0.71d B的拉曼增益平坦度。2013年，K. Singh等人通过使用4阶龙格-库塔法的方法，很好地解决了多泵浦拉曼放大器的传输方程，并且在遗传算法的基础上，利用启发式搜索的方法优化了泵浦功率沿光纤的分布。实验验证了对5个使用正向泵浦方式的光源波长和功率的优化配置，并通过不同的光纤长度，不同功率的输入光信号进行模拟和优化，实验结果显示当光纤长度为50km，输入1m W的信号光时，其拉曼增益为28.15d B，且增益平坦度为0.26d B。在该文献中，实验通过80km的光纤，获得的最大拉曼增益为46.66d B。1

国内研究现状2004年，刘涛，黄德修等人采用长为5km、色散补偿的特殊光纤，使用波长为1427.2nm的单泵浦源，采用后向泵浦的方式，在800m W的泵浦功率下，达到了14.77d B的拉曼增益，并且带宽为35nm（增益为3dB时）。2006年，颜玢玢等人使用单一的遗传算法，优化了后向泵浦方式下泵浦光源的波长和功率，实验使5个泵浦的波长和功率得到了优化。最终实现了在带宽为1520-1610nm时，平均拉曼增益达到了15.55d B，且拉曼增益平坦度低于0.87d B。2014年，巩稼民等人设计使用了两段特殊光纤（As-S高非线性光纤），并通过线性拟合的方式，分析处理光纤的拉曼增益谱前后沿，采用多泵浦的方式，实现了前放大后补偿的效果，实验获得了20.45d B的平均拉曼增益，且拉曼增益平坦度为0.15d B。为克服传统光纤拉曼放大器的增益系数低和增益不平坦的难题，2017年，巩稼民等人通过级联光子晶体光纤的设计方案，设计了一种增益平坦的拉曼光纤放大器，实验结果显示在带宽范围为1508~1544nm内，实现了21d B的拉曼增益，且拉曼增益平坦度仅为0.14d B。北京邮电大学的李明杰等人，通过仿真的方式，建立多泵浦拉曼-掺铒光纤混合放大和二阶泵浦拉曼-掺饵光纤混合放大模型，在差分进化算法的基础上，优化了它们的增益谱平坦度，实验结果得到93nm的增益带宽和1.2d B的增益平坦度。哈尔滨工业大学的张洪月等人使用了一种新型光纤，通过优化新型PCF的结构，成功实现只需要单一泵浦源，就能使拉曼增益平坦度小于1d B。1

分类RFA主要分为两大类：分立式RFA和分布式RFA。2

（1）分立式RFA，分立式RFA采用拉曼增益系数较高的特种光纤(如高掺锗光纤等)，这种光纤长度一般为几km.泵浦功率要求很高。一般为数W.分立式RFA可产生40 dB以上的高增益，像EDFA一样用来对信号光进行集总式放大，因此主要用于实现EDFA无法放大的波段。2

（2）分布式RFA，分布式RFA可以使光传输系统的性能得到极大的改善，从技术原理来看只有拉曼放大技术才能实现在光传输过程中的分布式放大，因此分布式RFA在系统中的应用前景，正日益重要起来。2

优缺点优点与其他不同类型的光放大器相比，拉曼光纤放大器具有诸多优点：1

（1）和EDFA有很大不同，RFA不需要特殊的增益介质，只要普通的传输光纤即可实现光信号放大，这样便可以很好地实现分布式放大、对光纤放大系统进行直接扩容升级、合理地利用光纤的低损耗窗口等相关改善。1

（2）拉曼放大器的增益光波长取决于泵浦光的波长，理论上只要选择合适的泵浦光的波长，就可以放大任意光信号波段，进而实现全波段的拉曼放大。1

（3）光纤的拉曼增益具有比较宽的频带，如果采用多波长泵浦方式的光纤拉曼放大器，就可以获得大于

100nm的增益谱。1

（4）低噪声系数，EDFA配合RFA的混合型放大器能够极大地提升传输系统的性能。1

（5）拉曼光纤放大器的增益谱具有叠加效应，采用多泵浦的方式可以在获得较宽的拉曼增益谱的同时，单个波长的拉曼增益谱会相互补偿，从而达到增益平坦的效果，保证了信号传输的稳定性。1

（6）饱和功率很高，当放大的信号功率开始接近泵浦功率的大小时，光增益的下降仅仅是3d B的大小。1

以上诸多的优点也决定了拉曼光纤放大器能在WDM光纤通信系统中能得到广泛的应用。1

缺点（1）增益带宽不足；3

（2）输出增益低；3

（3）输出增益不平坦。3

产品国外产品国外主流的拉曼光纤放大器生产厂家相对较多，并且在质量和功能上相对比较领先，主要的有美国的Finisar公司、IPG公司和日本的古河电工等。1

国内产品而国内的自主生产厂家相对较少，主要有无锡中兴、武汉光迅科技、天津峻烽科技和香港的Amonics等，武汉光迅科技是中国领先的光器件产品开发、制造和供应商，其提供的掺铒光纤放大器和拉曼光放大器及模块，能够实现光信号在光网络传输线路中发射，中继，接收等不同阶段的放大。1

影响因素在论证增益平坦原理时，发现影响RFA的两个重要因素包括泵浦光功率和光纤长度，任意一个因素改都会影响到最终的输出增益和增益平坦度。3

为了便于观察,在光子晶体光纤中仅同时传输一路泵浦光和一路信号光,同时保证光纤传输长度等其他参数不变,通过改变泵浦光的功率,来观察信号光输出增益随泵浦光功率的变化。3

为了观察光纤长度对RFA的影响,将一路泵浦光和三路不同波长的信号光耦合进光子晶体光纤中传输,在传输过程中由于受激拉曼散射效应,可以观察信号光增益随光纤长度的变化。3

本词条内容贡献者为:

尚轶伦 - 副教授 - 同济大学数学科学学院