主要分析了泵浦光之间的受激拉曼散射，信号光之间的受激拉曼散射，泵浦光的个数，泵浦光功率以及泵浦光波长对拉曼增益曲线平坦度的影响。
一、受激拉曼散射对拉曼增益的影响
当泵浦光在光纤内传输时，不同的泵浦光之间会产生受激拉曼散射效应，即短波长泵浦光会对长波长泵浦光产生拉曼放大。因此，长波长泵浦光会从短波长泵浦光处获取能童，使得长波长信号光的拉曼增益明显增大。同样，在信号光之间也存在着受激拉曼散射作用，长波长信号光会吸收短波长信号光的能量而被放大。
建立如下图1所示的仿真模型，仿真分析了5路后向泵浦功率沿光纤的传输演化。在光纤的末端，每路泵浦光的入纤功率都是100mw，但是经过50km光纤传输后，各自功率的演化呈现不同的趋势。波长最长的泵浦(1495nm)得到了拉曼增益，而波长最短的泵浦(1420nm)衰减的最快。产生这一现象的原因就是受激拉曼散射导致能量由短波长泵浦向长波长泵浦发生传递。
在相同的泵浦参数下，考虑泵浦与泵浦之间和信号与信号之间的受激拉受散射效应后，拉曼增益曲线也会受到一定的影响。图2所示为5路泵浦光作用下对1556.78nm-1591.98nm波长范围内44路信号光进行放大时，泵浦间、信号间受激拉受散射对拉曼增益曲线的影响。
图1 仿真模型
（a）输入光纤前的泵浦光
（b）输入的44路信号光
（c）放大后的44路信号光
图2 输入的信号光、泵浦光和放大后的信号光波形图
二、泵浦源功率对拉曼增益的影响
对于给定的拉曼增益值，所需的泵浦功率与诸多因素有关，如拉曼增益系数、光纤的类型和长度、偏振的影响等。为了合理的比较功率分布对拉曼增益的影响，应该保证泵浦源的个数、波长、输入总功率以及其它参数均相同。我们选用波长分别为1420nm、1435mn、1450nm、1465nm和1495nm的5路后向泵浦光，总的泵浦输入功率为340mw，对不同泵浦输入功率的情况进行了模拟，如图3所示。合理配置泵浦功率后得到的增益曲线如图4所示，功率分别为60w、80w、
45mw、50mw和105mw。
图3 泵浦功率相等的情况下放大后的信号波形
图4 泵浦功率配置后的情况下得到的放大后的信号波形我们从图中可以看出，相同泵浦功率激励下，在短波长区的增益低于较长波长区。这是由于泵浦间的受激拉曼散射，长波长泵浦吸收短波长泵浦的能量，并且信号光与信号光之间也会由于受激拉受散射产生能量传递。
除此之外，由于单个泵浦的拉曼增益曲线在到达峰值之前上升比较缓慢，而在峰值后下降非常迅速，所以短波长泵浦增益曲线的峰值位于长波长泵浦增益值较高的地方，而长波长泵浦增益曲线的峰值位于短波长泵浦增益值的较低处。由此，尽管最长波长泵浦能从短波长泵浦中吸取能量，但是由于它的增益曲线峰值位于其它短波长泵浦增益值较低的地方。在实际设计多波长泵浦拉曼放大器时，应将最短波长泵浦和最长波长泵浦的功率值提高，其它波长的功率值应随波长增大呈逐渐减小的趋势。图4所示的是按照此原则配置后的泵浦功率，得到了更为平坦的增益曲线。
三、泵浦源波长对拉曼增益的影晌
对于一个多泵浦拉曼放大器来说，每个泵浦光都对信号光的增益有所贡献，但不同波长的泵浦贡献不同，从而产生增益的起伏。不同的泵浦光对信号光波长的放大区域不同，每个泵浦光都对超过本身波长100nm的信号光增益贡献最大，然后在此波长两侧增益降低。因此，合理选择多个波长的泵浦光，可以改善拉曼增益的平坦度。
在泵浦光个数和输入功率相同的情况下，分析了5路泵浦光在波长不同分布时的增益情况。图5表示泵浦波长在1420nm-1520nm间以25nm等间隔分布的拉曼增益，图6表示合理调整泵浦波长不等间隔分布(分别为1420nm、1435nm、1450nm、1465nm和1520nm)时的拉曼增益。我们从图中不难看出，与等间隔分布相比，合理选择泵浦波长不等间隔分布能够有效的改善增益的平坦度。
图5 泵浦光波长在1420nm-1520nm间以25nm等间隔时的拉曼增益
图6 泵浦光波长在1420nm-1520nm间配置后的拉曼增益图
图7 泵浦波长在1420nm-1480nm内间隔为15nm时的拉曼增益曲线而泵浦波长同为等间隔分布时，不同的间隔大小对拉曼增益的影响也是不同的。图7所示为泵浦波长在1420nm-1480nm内间隔为15nm时的拉曼增益曲线，而图5所示为泵浦波长在1420nm-1520nm内间隔为25nm时的增益曲线.从图中
可以看出，泵浦波长间隔小的时候，增益峰值处的波动相对较小，但是增益带宽也比较窄。而波长间隔加大时，增益的波动加大，带宽也加大。增益的波动和相对平坦带宽两者是相互制约的，应该选取适当的参数达到两者的最优选择。
四、泵浦源个数对拉曼增益的影响
泵浦源个数对拉受放大器的性能有着直接的影响。图8中，我们分别仿真了3路、5路、12路泵浦光放大1556.78nm-1591.98nm间的44路信号光的拉曼增益。其中，图8为3路泵浦光(波长为1420nm、1450nm、1495nm)作用下的拉曼增益，图9为5路泵浦光(波长为1420nm、1435nm、1450nm、1465nm和1495nm)的作用下的拉曼增益，图10为12路泵浦光作用下的拉曼增益，其波长和功率见图11。
前言：随着通信业务需求的飞速增长，对光纤传输系统的容量和无中继传输距离的要求越来越高。密集波分复用（DWDM）通信系统的速率和带宽不断提升，以10Gbit/s甚至更高速率为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。掺铒光纤放大器（EDFA）由于其增益平坦性等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。而相对于掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器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，光纤拉曼放大器是唯一能在1292~1660nm的光谱上进行放大的器件。并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。 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。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。 总体上说解决RFA泵浦源共有3个解决方案：一是大功率LD及其组合，其特点是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成，是最佳的选择；二是拉曼光纤激光器；三是半导体泵浦固体激光器。但后二者都存在稳定性及与光纤耦合的问题。 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。从而进行信号光的放大。 拉曼光纤放大器相对于掺铒光纤放大器有明显不同：（1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱；（2）可以利用传输光纤本身作增益介质，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；（3）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；（4）具有较低的等效噪声指数，此特点使其与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。光纤拉曼放大器的性能决定了它在未来高速、大容量光纤通信系统中将发挥关键作用。 除了上述优点以外，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。 拉曼光纤放大器主要应用 （1）提高系统容量。传输速率不变的情况下，可通过增加信道复用数来提高系统容量。开辟新的传输窗口是增加信道复用数的途径，拉曼光纤放大器的全波段放大恰好满足要求。分布式拉曼光纤放大器的低噪声特性可以减小信道间隔，提高光纤传输的复用程度，提高传输容量。 （2）拓展频谱利用率和提高传输系统速率。拉曼光纤大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纤整个低损耗区，极大地拓展了频谱利用率，提高了传输系统速率。分布式拉曼光纤放大器是将现有系统的传输速率升级到40 Gbit/s的关键器件之一。拉曼光纤放大器已广泛应用于光纤传输系统中，特别是超长跨距的光纤传输系统，如跨海光缆，陆地长距离光纤干线等。 （3）增加无中继传输距离。无中继传输距离主要是由光传输系统信噪比决定的，分布式拉曼光纤放大器的等效噪声指数极低（-2～0dB），比EDFA的噪声指数低4.5dB，利用分布式拉曼光纤放大器作前置放大器可明显增大无中继传输距离。
历史： 1954年第一台NH3分子微波盆子放大器研制成功，人们发现，可通过原子或分子中的受激放大来获得单色的相干电磁波，称为脉塞(Maser——Microwave Amplification by Stimulated Emission of radiation)。1958年肖洛(Schawlow ) 和汤斯(Townes) 将Maser原理推广到光频波段，1960年梅曼(Mamain)利用红宝石介质的受激放大原理研制成第一台红宝石激光器，称为莱塞(Laser—Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 或称激光。不管是Maser还是Laser，其产生相干电磁波辐射的机理都是基于电滋波的受激放大。自1960年以来激光器已得到了飞跃的发展和广泛的应用，然而作为激光器先导的光放大的发展却比较缓慢，直到80年代，在光纤通信发展的推动下，才开始引起足够的重视。进人90年代后光纤放大器的问世已引起了光纤通信技术的重大变革，在60年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在77K下，首先进行了GaAs同质结行波半导体放大器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的基本理论。至1970年，双异质结结构（DH）激光器问世后，又实现了TW半导体光放大器的室温连续工作。在1973年至1975年间，开始从光纤通信应用要求出发，研究双异质结结构TW和F-P光放大器的特性并取得重要进展。80年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深人研究了AlGaAs F-P 光放大器的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注人锁定现象、机理、设计和放大特性。随着光纤通信技术的发展,80年代中期开始研究适用于1. 3μm和1. 5μm波长的InGaAsP半导体光放大器 60年代初，与半导体光放大现象研究的同时，也对掺稀土元素的光纤的光谱特性进行了研究,Koesker发现了掺钕(Nd)光纤的激光辐射现象，Snitzerr发现了掺铒光纤在1.5μm处的激光辐射特性,当时这些研究都是期望研制稀土光纤激光光源而不是光纤放大器，由于稀土光纤的热悴灭效应难以解决，而半导体激光器发展迅速并日趋成熟，因此稀土光纤放大器的研究处于停步不前状态。直至80年代初，在光纤中发现了受激喇受效应，人们又开始恢复了对光纤放大器研究的兴趣，期望能用于光纤通信系统中但这种放大方案效率低，需要高功率的泵浦光源，无法在通信系统中应用。当时光纤通信的研究重点集中在高性能再生中继器和高灵敏度相干检测技术。但是在1985~ 1986年间，英国南安普顿大学的Payne等人有效地解决了掺铒光纤(EDF)的热淬灭问题，首次用MCVD方法研制成纤芯掺杂的铒光纤，并实现了1. 55μm低损耗窗口的激光辐射,1987年他们采用650nm染料激光器作为泵浦光源，获得了28dB小信号增益。同年AT&TBell实验室的Desurvire等人，采用514nm氢离子激光器作为泵浦光源，也获得了22. 4dB的小信号增益。接着在1989年，利用1. 49μm半导体激光器作为泵浦源获得了37dBE小信号增益，Laming等利用980nm, 11mW泵浦功率也得到24dB小信号增益，同年日本NTT实验室首次利用1. 48μm半导体激光泵浦的掺饵光纤放大器作为全光中继器放大5Gb/s孤子脉冲，实现了100km的无误码传输。980nm和1 480nm 半导体激光泵浦的掺铒光纤放大器具有增益高、频带宽、噪声低、效率高，连接损耗低，偏振不灵敏等特点，在90年代初得到了飞速发展，成为当时光放大器研究发展的主要方向，极大地推动了光纤通信技术的发展。自此以后，掺饵光纤放大器的研究在多方面开展，建立了多种理论分析模型，提出了增益均衡和扩大增益带宽的方案和方法，进行了多种系统应用研究，同时进行了氟化玻璃饵光纤放大、分布式光纤放大器和双向放大器的研究，使掺饵光纤放大器及其应用得到了飞速发展。此外又开展了掺镨(Pr),掺镱(Yb) ,掺钬(Ho},掺铥(Tm)等光纤放大器的研究。使光纤放大器的研究全面发展。 60年代初，在激光技术发展起来后，以高强度单色光照射光学介质，开辟了非线性光学的研究领域，揭示了受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频和参量过程的物理机制。1972年Stolen等首先在光纤喇曼激光器的实验中发现了喇曼增益，初期的研究主要侧重于制成光
几种常见的光放大器的比较
————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:
对几类放大器的认识 在DWＤM系统中,特别是超远距离的传输中,由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。现在常用的放大器有掺铒光纤放大器(EＤFＡ）,拉曼放大器（ＦRA),半导体激光放大器(SOＡ),光纤参量放大器(ＯPA)。现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。 1)掺铒光纤放大器(EDＦA） EDFA（Erbiur Ｄｏpeｄ Fｉber Amplifeｒ)是光纤放大器中具有代表性的一种。由于EDFA工作波长为１５5０nm,与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。掺铒光纤是EDFＡ的核心原件，它以石英光纤作基质材料,并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Eｒ３+)。当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时,Ｅr3+从低能级被激发到高能级,由于Eｒ3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。由于这两个能级之间的能量差正好等于1550ｎm 光子的能量，所以只能发生１550ｎm光的受激辐射，也只能放大1５50nm的光信号。 EＤFA的组成: 工作原理图:
那么，ＥDFA的输出公路车是如何控制的呢？ 一般来说,EＤFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。 在EＤＦA使用的过程中,一般要控制好EＤFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益有什么区别呢？ 平坦的输出增益会使ＥDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。 如何控制增益?增益的控制室有2种选择的,一种是掺金属元素,另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。
主要分析了泵浦光之间的受激拉曼散射，信号光之间的受激拉曼散射，泵浦光的个数，泵浦光功率以及泵浦光波长对拉曼增益曲线平坦度的影响。 一、受激拉曼散射对拉曼增益的影响 当泵浦光在光纤内传输时，不同的泵浦光之间会产生受激拉曼散射效应，即短波长泵浦光会对长波长泵浦光产生拉曼放大。因此，长波长泵浦光会从短波长泵浦光处获取能童，使得长波长信号光的拉曼增益明显增大。同样，在信号光之间也存在着受激拉曼散射作用，长波长信号光会吸收短波长信号光的能量而被放大。 建立如下图1所示的仿真模型，仿真分析了5路后向泵浦功率沿光纤的传输演化。在光纤的末端，每路泵浦光的入纤功率都是100mw，但是经过50km光纤传输后，各自功率的演化呈现不同的趋势。波长最长的泵浦(1495nm)得到了拉曼增益，而波长最短的泵浦(1420nm)衰减的最快。产生这一现象的原因就是受激拉曼散射导致能量由短波长泵浦向长波长泵浦发生传递。 在相同的泵浦参数下，考虑泵浦与泵浦之间和信号与信号之间的受激拉受散射效应后，拉曼增益曲线也会受到一定的影响。图2所示为5路泵浦光作用下对1556.78nm-1591.98nm波长范围内44路信号光进行放大时，泵浦间、信号间受激拉受散射对拉曼增益曲线的影响。 图1 仿真模型
（a）输入光纤前的泵浦光 （b）输入的44路信号光
（c）放大后的44路信号光 图2 输入的信号光、泵浦光和放大后的信号光波形图 二、泵浦源功率对拉曼增益的影响 对于给定的拉曼增益值，所需的泵浦功率与诸多因素有关，如拉曼增益系数、光纤的类型和长度、偏振的影响等。为了合理的比较功率分布对拉曼增益的影响，应该保证泵浦源的个数、波长、输入总功率以及其它参数均相同。我们选用波长分别为1420nm、1435mn、1450nm、1465nm和1495nm的5路后向泵浦光，总的泵浦输入功率为340mw，对不同泵浦输入功率的情况进行了模拟，如图3所示。合理配置泵浦功率后得到的增益曲线如图4所示，功率分别为60w、80w、 45mw、50mw和105mw。
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。 关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器 0、综述 20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑（1）。又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。 1、光放大器分类及原理 光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。光放大器主要分为光纤型放大器（FA）和半导体放大器（SOA）两大类，其中光纤型放大器（FA）还可再分为掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器，具体分类详见图1（2）.本文中，仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)作以介绍和分析。
对几类放大器的认识 在DWDM系统中，特别是超远距离的传输中，由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。现在常用的放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）,拉曼放大器（FRA），半导体激光放大器（SOA），光纤参量放大器（OPA）。现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。 1）掺铒光纤放大器（EDFA） EDFA（Erbiur Doped Fiber Amplifer）是光纤放大器中具有代表性的一种。由于EDFA 工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。掺铒光纤是EDFA的核心原件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Er3+）。当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于Er3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。由于这两个能级之间的能量差正好等于1550nm光子的能量，所以只能发生1550nm光的受激辐射，也只能放大1550nm的光信号。 EDFA的组成： 工作原理图： 那么，EDFA的输出公路车是如何控制的呢？ 一般来说,EDFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。 在EDFA使用的过程中，一般要控制好EDFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益
有什么区别呢？ 平坦的输出增益会使EDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。 如何控制增益？增益的控制室有2种选择的，一种是掺金属元素，另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。 有上图可以知道，掺铝的金属元素的EDFA在增益的控制上明显要比不掺铝的EDFA平坦的多。 需要注意的是：EDFA在放大信号的同时也放大了噪声，而噪声主要来自EDFA的自身受激辐射，是主要的噪声源，也是系统OSNR劣化的主要原因。 放大器产生的自发辐射噪声功率为：PASE = -58 + NF + G （dBm） 其中NF为光放大器噪声系数（dB）、G为光放大器的增益（dB）
DWDM系统拉曼放大器的原理及应用 华为技术有限公司 版权所有侵权必究
修订记录
目录 1前言 (5) 2拉曼放大器原理 (5) 2.1受激拉曼散射概念 (5) 2.2受激拉曼散射的应用 (5) 2.3拉曼放大器的分类 (6) 2.4拉曼放大器的特点 (7) 3拉曼放大器的应用 (8) 3.1拉曼放大器的特性 (8) 3.1.1 2.2 拉曼放大器在DWDM中的应用 (9) 4工程中应用注意事项 (10) 4.1端面要保持清洁 (10) 4.2光缆性能保证 (11) 4.3其他注意事项 (11)
关键词： 拉曼放大器 摘要： 本资料详细描述了拉曼放大器基本理论及在DWDM系统中的应用。缩略语清单： 无。 参考资料清单： 无。
DWDM系统拉曼放大器的原理及应用 1 前言 近年来，随着数据通信和INTERNET的发展，密集波分复用通信系统的带宽 需求不断提高，拉曼放大器作为DWDM系统中的关键技术，已经成为光纤通 信领域研究的热点。由于其具有极宽的增益带宽，极低的噪声系数，拉曼放 大器在超大容量高速长距离DWDM系统中得到广泛的应用，可以大幅度提升 现有光纤系统的容量，增加无电再生中继的传输距离，降低系统的成本。EDFA 和拉曼放大器的有机结合，是目前的通信系统中比较成熟的一种方式。 2 拉曼放大器原理 2.1 受激拉曼散射概念 在常规光纤传输系统中，由于光功率并不大，因此光纤主要呈现线性传输特 性。然而随着光纤放大器的应用，光纤在一定条件下开始呈现出非线性特性， 并最终成为限制系统性能的因素之一。受激拉曼散射就是非线性效应中的一 种。 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）。 由于受激拉曼散射SRS激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量一般在 100GHz~200GHz，且门限值较大，在1550nm处约为27dBm，一般情况下 不会发生。但对于WDM系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加， EDFA放大输出的光信号功率会接近27dBm，SRS产生的机率会增加。 2.2 受激拉曼散射的应用 高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。受 激拉曼散射（SRS）是光纤中一个很重要的三阶非线性过程。它可以看作是 介质中分子振动对入射光（泵浦光）的调制，从而对入射光产生散射作用。 假设入射光的频率为ωl，介质的分子振动频率为ωv，则散射光的频率为：
拉曼光纤放大器 学号：11007990831 姓名：杨帆 摘要:拉曼光纤放大器因其特有的在线、宽带、低噪声等特点而越来越被人们关注,是一种非常适合下一代超大容量、超长距离密集波分复用系统(DWDM)的光纤放大器。介绍拉曼光纤放大器的原理,分析拉曼光纤放大器应用和最新进展,并探讨拉曼光纤放大器研究两个方面。 关键词:光纤放大器;受激拉曼散射;研究进展 引言 随着通信业务需求的飞速增长，对光纤传输系统的容量和无中继传输距离的要求越来越高。密集波分复用（DWDM）通信系统的速率和带宽不断提升，以10Gbit/s甚至更高速率为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。掺铒光纤放大器（EDFA）由于其增益平坦性等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。而相对于掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器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，光纤拉曼放大器是唯一能在1292~1660nm的光谱上进行放大的器件。并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。 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。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。 拉曼光纤放大器原理 拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应，在形式上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,从而使弱信号光即得到放大。其工作原理示意如图1所示。 泵浦光子入射到光纤,光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级,然后
分类号：O437 U D C：D10621-408-(2015)0922-0 密级：公开编号：2011031034 成都信息工程大学 学位论文 拉曼光纤放大器的优化设计 论文作者姓名：唐洪 申请学位专业：电子科学与技术 申请学位类别：工学学士 指导教师姓名(职称)：何修军（副教授） 论文提交日期：2015年05月26日
拉曼光纤放大器的优化设计 摘要 拉曼光纤放大器(FRA)的工作原理是基于受激拉曼散射，是迄今为止唯一能在1270 nm到1670 nm的全波段上进行光放大的器件。本文主要介绍了FRA的发展历史和现状，受激拉曼散射效应基本原理，以及拉曼光纤放大器的工作原理。介绍了其系统构成，包括增益介质，泵浦源，无源器件，并且在其工作原理的基础上，对特性进行分析，包括增益，噪声，偏振相关性，温度等。根据对基本理论的的理解，运用optisystem软件优化仿真，对于优化仿真，本论文中做到的是通过对拉曼光纤放大器的阵列泵浦波长，泵浦功率，光纤有效作用面积，光纤长度的优化，达到增益的最大值。 关键词：拉曼光纤放大器；受激拉曼散射效应；优化仿真；阵列泵浦
Optimal Design of Raman Fiber Amplifier Abstract The Raman fiber amplifier's working principle is based on the stimulated Raman scattering, which is the only device that can be optically amplified in the full band of 1670 nm to 1270 nm. This paper introduced the history and current situation of the FRA, the basic principle of Raman scattering, and the working principle of Raman fiber amplifier. And its system structure, including the gain medium, pump source and passive components are introduced.On the basis of the working principle, the paper analyses its characteristics, including the gain, noise, polarization dependence, temperature, etc.According to the basic theory of the understanding,it is used optisystem software to optimize simulation. For optimize simulation, the paper is done by array pump's wavelength, power, the fiber area, fiber length optimized in order to achieve maximum gain. Key words: Raman fiber amplifier; stimulated Raman scattering; optimization simulation; array pump
光放大器 我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。于是，人们希望有一种不使用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。 4.3.1 光放大器概述 光放大器简单地增强光信号，如图4-5。 图4-5 光放大器 光放大器的工作不需要转换光信号到电信号，然后再转回光信号。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。第一，光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的；第二，光放大器不仅支持单个信号波长放大－像再生器，而且支持一定波长范围的光信号放大。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用和波分复用网络。实际上，只有光放大器特别是EDFA的出现， WDM 技术才真正在光纤通信中扮演重要角色。EDFA 是现在最流行的光放大器，它的出现把波分复用和全光网络的理论变成现实。 现在有两种主要类型的光放大器在使用：半导体光放大器（SOA）和光纤光放大器（FOA）。半导体光放大器实质上是半导体激光器的活性介质。换句话说，一个半导体放大器是一个没有或有很少光反馈的激光二极管。 光纤放大器与半导体放大器不同，光纤放大器的活性介质（或称增益介质）是一段特殊的光纤或传输光纤，并且和泵浦激光器相连；当信号光通过这一段光纤时，信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器（Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier）和非线性光纤放大器。像半导体放大器一样，掺稀土离子光纤放大器的工作原理也是受激辐射；而非线性光纤放大器是利用光纤的非线性效应放大光信号。实用化的光纤放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤拉曼放大器（Raman Fiber Amplifier）。 EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。 根据EDFA在DWDM光传输网络中的位置，可以分功率放大器（Booster Amplfier)，简称BA；线路放大器（Line Amplifier)，简称LA；前置放大器（preamplifier)，简称PA。 光纤拉曼放大器的增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大，其增益介质为传输光纤本身、噪声指数低。当与常规EDFA混合使用时可大
半导体光放大器(SOA) SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。 早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案，还可促成l310nm窗口WDM系统的实现。SOA的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖l.3～1．6／μm波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。SOA除了可用于光放大外，还可以作为光开关和波长变换器。 2．拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRS)这种非线性效应来进行放大的。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。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拉曼光纤放大器。 (1)拉曼光纤放大器的类型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；另一种是分布式拉曼放大器。集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高，一般为几W左右，可产生40dB以上的高增益，可作为功率放大器，放大EDFA所无法放大的波段。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为几十km，泵源功率可降低到几百mW，主要辅助EDFA用于WDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在WDM系统中，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）。(2)拉曼光纤放大器的优点 拉曼光纤放大器的增益高、串扰小、噪声系数低、频谱范围宽、温度稳定性好，将拉曼光纤放大器与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。①增益介质为传输光纤本身，与光纤系统有良好的兼容性这使得拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大，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信等不方便设立中继器的场合。而且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。②增益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光。所以拉曼光纤放大器可以放大：EDFA所不能放大的波段，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽，对于开发光纤的整个低损耗区1260～1675nm具有无可替代的作用。 总之，拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案。 3．掺铒光纤放大器(EDFA) (1)掺杂光纤放大器简介 在介绍EDFA之前，首先来了解以下掺杂光纤放大器的基本概念。掺杂光纤放大器又称为掺稀土离子光纤放大器，是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。掺杂光纤放
论文 拉曼光纤激光器的应用与发展 班级： 姓名： 学号：
目录 一引言 (3) 二光纤的基础理论 (4) 2.1光纤基本概念： (4) 2.2 光纤组成结构 (4) 2.3光纤器件的分类 (4) 2.4 光纤材料组成及分类以及性能 (5) 2.5纤传输系统的组成及光纤的传输过程 (5) 2.6 光纤传输原理及分类 (6) 2.7光纤的制备方法与工艺流程 (6) 三拉曼光纤激光器简介 (7) 3.1 拉曼光纤激光器的概念和组成 (7) 3.2 拉曼光纤激光器分类 (8) 3.3拉曼光纤激光器工作原理 (8) 五拉曼光纤激光器的发展与应用 (10) 六小结 (11) 七参考文献: (12)
拉曼光纤激光器的应用与发展 杜春雪 摘要：近年来, 光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。本文讨论了光纤激光器的基本概念，组成结构，器件的分类，以及其光纤材料组成及其性能，光纤传输系统组成及光纤的传输过程。光纤是一种采用玻璃作为波导,以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。光纤传输原理及分类：光纤传输原理：光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。光纤的制备方法与工艺流程：（1）预制棒和尾管的入库（2）抛光流程（3）拉丝过程 本文我将重点讲解拉曼光纤激光器的应用与发展，拉曼光纤激光器是一种新型的激光器件，结构简洁，输出光束质量好，波长转换能力强，常温下比较稳定，是拉曼光纤放大器和掺饵光纤放大器的理想泵浦源和信号源，随着DWDM系统的广泛商用，将会得到更加广泛的研究和重视。简略了解拉曼光纤激光器的概念，组成及其分类，拉曼光纤激光器工作原理，重点讨论拉曼光纤激光器的发展与应用，以及发表个人一些观点。 关键字：光纤；拉曼激光器；自发拉曼散射；受激拉曼效应； 一引言 近年来，随着社会信息传输量的急剧增加，人们对拉曼光纤放大器的研究越来越重视，因为它可放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段。由于拉曼光纤放大器基于受激拉曼散射效应，一般具有较高的泵浦阈值，需要较大功率的泵浦源。目前较为适用的泵浦方法有两种¨]：采用多个半导体耦合复用和利用级联拉曼光纤激光器作为泵浦源。与前者相比，后者具有能量利用率高、结构简单、成本低等优点。以1060nm激光作为泵浦源，级联拉曼激光器可以在光通信所需的1．31 m 和1．55 m甚至任意波长实现激光输出。因此，级联拉曼激光器引起了各国研究者的极大兴趣，在最近几年内取得了很大的进展。目前国内对拉曼光纤激光器的研究并不多，见诸报端的只有南开大学一家 J。主要是因为实现级联输出所需的光纤布拉格光栅其工作波长比较特殊而难于加工，国内目前还未有相应的光栅
Raman Amplification Design in WDM Systems Definition Raman amplification is based on stimulated Raman scattering (SRS), a nonlinear effect in fiber-optical transmission that results in signal amplification if optical pump waves with the correct wavelength and power are launched into the fiber. Overview This tutorial gives an introduction into the complex design issues of wavelength division multiplexing (WDM) systems applying Raman amplification. It first presents an overview of traditional WDM systems, predicts problems that might arise for future configurations, and shows how Raman amplification could be of help. Then, a behavioral description of SRS is provided, and repeater designs are discussed. Finally, several system examples are shown to demonstrate typical fields of applications of Raman amplification. Topics 1. Traditional Configuration of WDM Systems 2. How Can Raman Amplification Be of Help? 3. Erbium-Doped Fiber versus Raman Amplification 4. Raman Amplification in Wideband WDM Transmission 5. Raman Amplification to Build Bidirectional WDM Systems 6. Raman Amplification and Fiber Nonlinearities 7. Conclusion Self-Test Correct Answers Glossary
光纤激光器及技术进展 伍浩成 中国电子科技集团公司第三十四研究所 摘要：光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。本文讨论了光纤激光器的特性及基本原理，概述了光纤激光器的新近进展。 一、引言 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。早在1961年，美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的S.B.Poole等用MCVD 法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。 近期，随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中，以光纤作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。本文就近年来国外几种新型的光纤激光器技术加以阐述。 二、光纤激光器原理 利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器，因此光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽的荧光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于WDM系统应用。 和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点：（1）阈值应越低越好；（2）输出功率与抽运光功率的线性要好；（3）输出偏振态；（4）模式结构；（5）能量转换效率；（6）激光器工作波长等。 三、包层泵浦光纤激光器技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。图1(a)示出一种双包层光纤的截面结构。不难看出，包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂光纤。一个纤芯和传统的单模光纤纤芯相似，专用于传输信号光，并实现对信号光的单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光(如图1(b)所示)。这样，使用多个多模激光二极管同时耦合至包层光纤上，当泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过
拉曼光纤放大器（Raman） 1．拉曼光放大器的工作机理 所谓拉曼光纤放大器，就是巧妙地利用拉曼散射能够向较长波长的光转移能量的特点，适当选择泵浦光的发射波长与泵浦输出功率，从而实现对光功率信号的放大。 所谓拉曼散射效应，是指当输入到光纤中的光功率达到一定数值时（如500mw 即 27dBm以上），光纤结晶晶格中的原子会受到震动而相互作用，从而产生散射现象；其结果将较短波长的光能量向较长波长的光转移。 拉曼散射作为一种非线性效应本来是对系统有害的，因为它将较短波长的光能量转移到较长波长的光上，使WDM系统的各复用通道的光信号出现不平衡；但巧妙地利用它可以使泵浦光能量向在光纤中传输的光信号转移，实现对光信号的放大。 由于拉曼光放大器被放大光的波长主要取决于泵浦光的发射波长，所以适当选择泵浦光的发射波长，就可以使其放大范围落入我们所希望的光波长区域。如选择泵浦光的发射波长为1240nm时，可对1310nm波长的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1450nm时，可对1550nm波长C波段的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1480nm时，则可对1550nm波长L波段的光信号进行放大等。 一般原则是，[url=https://www.doczj.com/doc/c94970830.html,/]魔兽sf[/url]泵浦光的发射波长低于要放大的光波长70 ~100nm。如图3.3.6所示。 图3.3.6：泵浦光波长与拉曼放大光波长的关系 2．拉曼光纤放大器的优缺点 （1）．优点 ①．极宽的带宽 拉曼光纤放大器具有极宽的增益频谱，在理论上它可以在任意波长产生增益。 当然，一者要选择适当的泵浦源；二者在如此宽的波长范围内，其增益特性可能不是非常平坦的。
光放大器可以解决WDM系统衰耗受限的难题，并可以节省大量的电再生设备，可以毫不夸张地说，掺铒光纤放大器EDFA是光传送技术的最伟大成果之一，没有EDFA就没有WDM系统的的实用化。本章将重点介绍已经广泛应用的EDFA的工作原理、结构与性能参数；并对拉曼光放大器进行了简要介绍。 §3.1 光放大器的作用与要求 1．光放大器的作用 光放大器的作用是对复用后的光信号进行放大，以解决WDM系统的超长距离传输和系统中波分复用器件的插损问题。 WDM系统一般都需要配置光放大器，因为合、分波器的插损较大，它会使WDM 系统的传输距离大大减小，以至于不能满足实际需求。以2.5Gb/s系统为例，其收、发之间的允许衰耗一般为26dB左右，扣除光连接器衰耗、光缆富余度与光通道代价等，所以可传输80km左右。但对于WDM系统而言，还要再考虑合、分波器的插损（如8dB），因此若不使用光放大器，其传输距离仅为20~30km左右，根本无法满足实际需求。 可以说，没有光放大器，也就没有WDM技术的实用化。 2．对光放大器的要求 （1）．高增益 所谓增益就是光放大器对光信号的放大倍数。从衰耗的角度出发，其值越大，越有可能传输更长的距离。一个良好的光放大器的增益可达33dB以上。 （2）．宽带宽 要想用一个光放大器对WDM系统的全部光复用通道信号进行放大，光放大器必须具有足够宽的带宽；而且其放大特性必须非常平坦。只有足够的带宽，才可能实现用一个光放大器对系统所有复用光通道信号的同时放大；只有具有平坦的放大特性，才能达到光放大器对所有复用光通道信号进行均匀放大的目的，以便于系统的设计与实施。 （3）．低噪声系数 光放大器是一种有源器件，除了具有光放大作用之外，它本身还可能会产生噪声，如目前应用最广泛的EDFA就会产生自发辐射噪声ASE。噪声会劣化系统的性能，降低接收端的光信噪比。因此要求光放大器应该具有很低的噪声系数， [url=https://www.doczj.com/doc/c94970830.html,/]魔兽sf[/url]使其对系统的性能劣化减少到最低限度。 §3.2 光放大器的种类 1．从结构上划分