[工学]光纤通信刘增基版第七章.ppt

7.1 光放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术 第 7 章 光纤通信新技术 返回主目录 第 7 章 光纤通信新技术 光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价 格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为一 个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。 本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技 术，如光放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通 信，相干光通信，光时分复用技术，波长变换技术和无源光网 络（PON）技术（第8章）等等。 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA 7.1.1 光放大器概述 7.1.1 光放大器概述 7.1.1 光放大器概述 n光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要 里程碑。 n光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电 光(O-E-O)变换方式。 n装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在 WDM系统中复杂性和成本倍增。 n可实现3R中继。 n3R regenerator：Reamplifier、Reshaping、 Retiming。 n光放大器（O-O） n多波长同时放大、低成本，只能实现1R中继。 光放大器的重要性 影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化 历史：以1985年英国南安普顿大学首先研制 成功的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命 动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 David Payne 光放大器的重要性 TDM系统 RX EDFA TX TX TX TX TX TX TX TX RX RX RX RX RX RX RX 120 km120 km120 km DWDM系统 EDFA TX RX RegReg 120 km120 km120 km TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg TX RX RegReg EDFA在DWDM系统中的应用 光放大器的原理 n光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光 信号的传输衰减，增大系统的无中继传输距离 。 n在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数 反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受 激辐射实现对入射光的放大。 n光放大器是基于受激辐射（或受激散射）原理 实现对入射光信号放大的一种器件。其机制与 激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上 是一个没有反馈或反馈较小的激光器。 光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制 光放大器的类型 n利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 PDFA） n利用半导体制作的半导体光放大器（SOA ） n利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器（FRA、FBA） EDFAEDFASOASOA ( FBA: Fiber Brillouin Amplifier) 几种光放大器的比较 放大器 类型 原理激励 方式 工作长 度 噪声 特性 与光 纤耦 合 与光 偏振 关系 稳 定 性 掺稀土光 纤放大器 粒子数反 转 光数米到 数十米 好容易无好 半导体光 放大器 粒子数反 转 电100m 1mm 差很难大差 光纤(喇 曼)放大 器 光学非 线性(喇 曼)效应 光数千米好容易大好 光放大器的应用 线路放大线路放大(In-line)(In-line)：周周 期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗 功率放大功率放大(Boost)(Boost)：增加增加 入纤功率入纤功率, ,延长传输距离延长传输距离 前置预放大前置预放大(Pre-Amplify):(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度提高接收灵敏度 局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿 分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数 研究新热点 n展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm ； n均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全 光网的功率均衡； n监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； n动态响应特性； n其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。 光纤的波段 n当前使用的单模石英光纤，如G.652C，G.652D，已经基本 消除氢氧根吸收峰，它们的传输带宽，可以从1260nm到 1675nm，共有415nm宽度。一般把这415nm宽度划分成 O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如下； n初始(O)波段 1260nm-1360nm n扩展(E)波段 1360nm-1460nm n短(S)波段 1460nm-1530nm n常规(C)波段 1530nm-1565nm n长(L)波段 1565nm-1625nm n超长(U)波段 1625nm-1675nm n当前各国光纤通信大都运用在C与L波段，而且仅使用其中的 一小部分，还有大部分频率未曾使用。 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA n掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为 增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大， 放大器的特性主要由掺杂元素决定。 n工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) n工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) n工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器 (TDFA) n目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件 。 掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 nEDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损 耗 n补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 n大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新 型光器件成为可能 n支持了最有效的增加光通信容量的方式WDM n推动了全光网络的研究开发热潮 为什么要用掺铒光纤放大器 n工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； n频带宽，可以对多路信号同时放大支持波分复用； n对数据率/格式透明，系统升级成本低； n增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低 (45dB)； n全光纤结构，与光纤系统兼容； n增益与信号偏振态无关，故稳定性好； n所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。 EDFA的优点 EDFA的工作原理 nEDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用 下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。 Input signalInput signal 1530nm-1570nm1530nm-1570nm Amplified Amplified output signaloutput signal Power laser Power laser (Pump)(Pump) 980nm or 980nm or 1480nm1480nm Fiber containing Fiber containing erbium erbium dopantdopant 信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波( (泵浦光泵浦光) )同沿光纤传输，泵浦光同沿光纤传输，泵浦光 的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级 ，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光 沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。 EDFA中的Er3+能级结构 n泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm n波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和 1480nm泵浦。 铒铒离子简化离子简化 能级示意图能级示意图 吸收泵浦光吸收泵浦光 快速非辐快速非辐 射跃迁射跃迁 受激辐射受激辐射 光放大光放大 自发辐射自发辐射 产生噪声产生噪声 受激吸收受激吸收 基态基态 能带能带 泵浦泵浦 能带能带 980nm980nm1480nm1480nm 亚稳态能带亚稳态能带 15201520 1570nm1570nm 掺铒光纤放大器 (EDFA) 原理：把泵浦光能量转化为信号光能量 工作范围：1300 1560 nm 铒离子的三能带结构 hv hv hv hv hv hv hv hv 980 nm 亚稳态能带 泵浦能带 快速非辐射跃迁 掺铒光纤放大器的基本结构 掺铒光纤：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，ErEr3+ 3+从低 从低能级被激发到能级被激发到 高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能 级（亚稳态能级）上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级（亚稳态能级）上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转 。 波分复用耦合器：波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作 。 三种泵浦方式的EDFA LD2LD2 WDM2WDM2 EDFEDF APCAPC APCAPC inin outout LD1LD1 WDM1WDM1 LDLD WDMWDM EDFEDF APCAPCAPCAPC in in outout LDLD WDMWDM EDFEDF APCAPCAPCAPC in in outout 同向泵浦同向泵浦( (前向泵浦前向泵浦) ) 型：好的噪声性能型：好的噪声性能 反向泵浦反向泵浦( (后向泵浦后向泵浦) )型型 ：输出信号功率高：输出信号功率高 双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信 号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高 3dB3dB，且放大特性与且放大特性与 信号传输方向无关信号传输方向无关 MultistagMultistag e EDFAe EDFA 由于光纤对由于光纤对1480nm1480nm的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以 1480nm1480nm泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式。 Remote Remote PumpinPumpin g g 监视和 告警电路 泵浦监视 和控制电路 泵浦 LD PD探测器 泵浦 LD 输入隔离器输入 WDM 输出耦合器 输出隔离器 输出 WDM 掺铒 光纤 热 沉 光输入 5 V 0 V 5 V 电源 监视 激光器驱动输入 光输出 图7.3(b) 实用光纤放大器构成方框图 EDFA的工作特性 n光放大器的增益 n光放大器的噪声 nEDFA的多信道放大特性 nEDFA的大功率化 一、光放大器的增益 n增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： nG与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号 有很复杂的关系。 输出信号光功率输出信号光功率 输入信号光功率输入信号光功率 增益增益G G与输入光信号功率的关系与输入光信号功率的关系 输入光功率较小时，输入光功率较小时，GG是一常数是一常数(30dB)(30dB)，即输出光功率，即输出光功率P PS,OUT S,OUT与输入光功 与输入光功 率率P PS,IN S,IN成正比例。 成正比例。GG 0 0 为光放大器的小信号增益。为光放大器的小信号增益。 G G0 0 饱和输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小放大器增益降至小 信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。 3dB3dB P P out,satout,sat 当当P PS,IN S,IN增大到一定值后 增大到一定值后 ，光放大器的增益，光放大器的增益GG开开 始快速下降。增益饱和始快速下降。增益饱和 现象。现象。 饱和区域饱和区域 增益增益GG与输入光波长的关系与输入光波长的关系 增益谱增益谱G(G( ) )：增益增益GG与信号光波长与信号光波长 的关系。光放大的关系。光放大 器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。 对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随长度），增益随 泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超 过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值 。 小信号增益随泵浦功率而变的曲线 小信号增益小信号增益 随放大器长随放大器长 度而变的曲度而变的曲 线线 当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果 放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能 受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降 。 因此，在因此，在EDFAEDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上， 选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。 二、放大器的噪声 n所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或 散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪 比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn 来表示，其定义为： n主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它 源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。 n自发复合导致宽谱背景噪声。 ASEASE ：Amplified Spontaneous EmissionAmplified Spontaneous Emission EDFAEDFA放大放大1540nm1540nm波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响 ASEASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降噪声叠加在信号上，导致信噪比下降 。 宽谱光源宽谱光源 ASE噪声 信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行检测，各种频率 分量相互拍频： 因此，在PD之后，ASE 带来的噪声包括： - ASE噪声项 - ASE与信号的拍频项 它们落在检测器带宽内降低接收机的信噪比 解决办法：通过一个带通滤波器 抑制ASE噪声功率 三、 EDFA的多信道放大特性 nEDFA的增益恢复时间g10ms (SOA的 g=0.11ns), 其增益不能响应调制信号的快速变化 ，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入 信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大 的关键所在。 nEDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的 输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态 特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。 多信道放大中存在的其它问题 ： n增益平坦 n增益钳制 n高的输出功率 EDFAEDFA的级联特性的级联特性 信道间增益竞争，信道间增益竞争， 多级级连使用导致多级级连使用导致“ “ 尖峰效应尖峰效应” ” 15441569 典型的EDFA增益谱 固有的增益不平坦，增益 差随级联放大而积累增大 各信道的信噪比差别增大 各信道的接收灵敏度不同 增益平坦增益平坦 增益谱的形状随信号功率而变，在有信道插入、 分出的动态情况下，失衡情况更加严重 BERBER 接收光功率接收光功率 光功率光功率 波长波长 光功率光功率 波长波长 光发射机光发射机 光发射机光发射机 光发射机光发射机 光发射机光发射机 N N 1 1 2 2 3 3 光接收机光接收机 光接收机光接收机 光接收机光接收机 光接收机光接收机 EDFAEDFA 1 1 N N 3 3 2 2 1.1. 滤波器均衡：滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使 增益平坦增益平坦, , 如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅 、周期调制的双芯光纤等。、周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的只能实现静态增益谱的 平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。 EDFA + EDFA + 均衡器均衡器 合成增益合成增益 增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术(1)(1) 2.2. 新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm30nm平坦带宽）、平坦带宽）、 铒铒/ /铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（20nm20nm平坦带宽平坦带宽）等，）等， 静态静态 增益谱平坦增益谱平坦，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。 3. 3. 声光滤波调节：声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的 多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使 之均衡，之均衡，动态均衡动态均衡需要解复用、光电转换、结构需要解复用、光电转换、结构 复杂，实用性受限。复杂，实用性受限。 增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术(2)(2) 4. 4. 预失真技术预失真技术 不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整 增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术(3)(3) EDFAEDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起 的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应- -瞬态瞬态 特性特性 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大 的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化- - 需进行自动增益控制需进行自动增益控制 增益钳制增益钳制 增益钳制技术(1) n电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整 泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的 方法。 LDLD PumpPump InIn OutOut 泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控） EDFAEDFA 增益钳制技术(2) n在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率， 改变附加波长的功率，而实现增益钳制。 注入激光注入激光 WDMWDM系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证具有足够高的输出功率，以保证 各信道获得足够的光功率。各信道获得足够的光功率。 方法：方法：多级泵浦多级泵浦 2222 1919 1616 输出功率（输出功率（dBmdBm） 1540154015701570 四、四、EDFAEDFA的大功率化的大功率化(1)(1) EDFA的大功率化(2) =0.7%=0.7% =1.3%=1.3% 纤芯纤芯 内包层内包层 外包外包层层 用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA 的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图 芯层：芯层：5 5 mm 内包层：内包层： 5050 mm 芯层芯层( (掺铒掺铒) )，传播信号层，传播信号层(SM)(SM) 内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光(MM)(MM) 双双包层光纤包层光纤是实现高功率是实现高功率 EDFAEDFA的重要技术，信号光的重要技术，信号光 在中心的纤芯里以单模传播在中心的纤芯里以单模传播 ，而泵浦光则在内包层中以，而泵浦光则在内包层中以 多模传输。多模传输。 EDFAEDFA的宽带化的宽带化 长波段（长波段（L-bandL-band）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 L L波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺低反转水平，需长掺 铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高 。 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA 7.1.3 半导体光放大器SOA RR 1 1 RR 2 2 I I 半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图 SOASOA也是一种也是一种 重要的光放大重要的光放大 器，其结构类器，其结构类 似于普通的半似于普通的半 导体激光器。导体激光器。 半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与 有源层的介质特性。有源层的介质特性。 根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大 器分为：器分为：-法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器(FP(FPSOA)SOA) - -行波放大器行波放大器(TW(TWSOA)SOA) 多峰值、带多峰值、带 宽窄，不适宽窄，不适 合通信系统合通信系统 应用，只可应用，只可 用于一些信用于一些信 号处理。号处理。 F-PF-P半导体光放大器半导体光放大器 入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面 后，部分从右端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部后，部分从右端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部 分光从右端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源分光从右端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源 层，如此反复，使入射光得到放大。层，如此反复，使入射光得到放大。 行波半导体光放大器 nTWSOA与FPSOA的区别在于端面的反射率 大小， TWSOA具有极低的端面反射率，通常 在0.1%以下。 nTWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以 满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它 在光纤通信中的实际应用： n对光信号偏振态的敏感性； n对光信号增益的饱和性。 行波半导体光放大器 SOA增益偏振相关性 SOA增益偏振相关性 SOA增益偏振相关性 相同结构相同结构SOASOA互相垂直互相垂直 并接，在输入端采用偏并接，在输入端采用偏 振分束器将信号分成振分束器将信号分成TETE 和和TMTM偏振信号偏振信号, ,分别输分别输 入至相互垂直的入至相互垂直的SOASOA， 然后将两只然后将两只SOASOA放大的放大的 TETE和和TMTM偏振信号合成偏振信号合成 ，得到与输入光同偏振，得到与输入光同偏振 态的放大信号。态的放大信号。 输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一SOASOA，但反向但反向 通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转9090 0 0 相同结构相同结构SOASOA 互相垂直串接互相垂直串接 ，所得增益将，所得增益将 与偏振无关与偏振无关 降低SOA偏振灵敏性的方法 SOA的应用 n多信道放大中存在问题 噪声大 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) 增益饱和引起信号畸变 n其他应用： n光波长转换（XGM, XPM, FWM） n光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的 通断。特点：高速、无损 n光信号处理器件。 SOA ProductSOA Product 7.1 光放大器 7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA n拉曼现象在1928年被发现。 n90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。 n随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求， 传统的EDFA已很难满足，FRA再次成为研究的热点。 n特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRA 的实现奠定了坚实的基础。 n人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波段 的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任 意波段进行宽带光放大，甚至可在12701670nm整 个波段内提供放大。 光纤拉曼放大器 光纤光纤 (a)(a)无泵无泵激光的激光的1550nm1550nm传输传输 光功率光功率(dB)(dB) 波长波长 1550nm1550nm 波长波长 光功率光功率(dB)(dB) 1550nm1550nm 1450nm1450nm 光纤光纤 (b)(b)有泵激光的有泵激光的1550nm1550nm传输传输 1550nm1550nm经经光纤传输光纤传输 衰减的光衰减的光 1450nm1450nm 1550nm1550nm 如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦 光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱 信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增 益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放 大。这种基于大。这种基于SRS(SRS(受激拉曼散受激拉曼散 射射) )机制的光放大器称为光纤拉机制的光放大器称为光纤拉 曼放大器曼放大器FRAFRA。 FRAFRA原理简介：原理简介： 物理机制：物理机制： A.A.光纤拉曼散射效应（光纤拉曼散射效应（ SRS)SRS) 一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的湮的湮 灭，产生一个下移灭，产生一个下移stokesstokes 频率的光子和另一个具有相频率的光子和另一个具有相 当能量和动量的光学声子当能量和动量的光学声子 B.B.与与pumppump光子相差光子相差 stokesstokes频率的信号光子，频率的信号光子， 经受激散射过程被放大经受激散射过程被放大 FRAFRA是靠非线性散射实现放大功是靠非线性散射实现放大功 能，不需要能级间粒子数反转能，不需要能级间粒子数反转 光纤拉曼放大器原理简介光纤拉曼放大器原理简介(1)(1) 频率为频率为 p p 和和 s s 的泵浦光和信号光的泵浦光和信号光 通过耦合器输入光纤，当这两束通过耦合器输入光纤，当这两束 光在光纤中一起传输时，泵浦光光在光纤中一起传输时，泵浦光 的能量通过的能量通过SRSSRS效应转移给信号效应转移给信号 光，使信号光得到放大。光，使信号光得到放大。 峰值增益频移：峰值增益频移：13.2THz13.2THz 反向泵浦为主，也可同向泵浦反向泵浦为主，也可同向泵浦 支撑技术支撑技术: 14: 14nmnm的大功率泵的大功率泵 浦激光器，目前已取得实用化浦激光器，目前已取得实用化 光纤拉曼放大器原理简介光纤拉曼放大器原理简介(2)(2) Properties of Raman Scattering in Fibers 特性：特性： 在所有类型光纤中都会发生在所有类型光纤中都会发生 峰值增益频移峰值增益频移13 THz (60-100nm)13 THz (60-100nm) 增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时 增益最大，垂直时增益最小为零增益最大，垂直时增益最小为零 增益谱很宽增益谱很宽(125nm)(125nm)但并不平坦但并不平坦 FRAFRA以传输光纤作为放大介质以传输光纤