拉曼光纤激光放大器简介

拉曼光纤激光放大器简介拉曼光纤激光放大器简介 一 引言 光纤激光放大器根据增益介质的不同可分为两类 一类采用活性介质 如半导体材料和掺 稀土元素 Nd Sm Ho Er Pr Tm 和 Yb 等 的光纤 利用受激辐射机制实现光的直 接放大 如半导体激光放大器 SOA 和掺杂光纤放大器 另一类基于光纤的非线性效应 实现光的放大 典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器 目前技术上较为成熟的掺铒光纤放大器 EDFA 取代传统的光 电 光中继方式 实现了一 根光纤中多路光信号的同时放大 大大降低了光中继的成本 同时可与传输光纤实现良好 的耦合 具有高增益低噪声等优点 因此成功地应用于波分复用 WDM 光通信系统 极大 地增加了光纤中可传输的信息的容量和传输距离 然而 EDFA 尚存在诸多不足制处 首 先是对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言 明显存在着工作波段和带宽的 局限性 其次是自发辐射噪声的影响 尤其是当系统级联时 自发辐射噪声的影响会大大 降低系统接收机端的信噪比 另外是 EDFA 的带宽总是有限的 全波段的 EDFA 带宽最多 也就在 80 100nm 并且 EDFA 作为一种有源器件对于光网络和系统的建设和维护来说其 费用都会非常高 随着计算机网络及其它新的数据传输业务的迅猛发展 长距离光纤传输 系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀 如何提高光纤传输系统容量 增加无电再生 中继的传输距离 已经成为光纤通信领域研究的热点 因此 拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视 在 2001 年的 OFC 上不乏有关拉曼光纤放大 器的报导 展会上推出关于拉曼光纤放大器的厂商也逐渐多了起来 拉曼光纤激光器也逐 渐成为光通信领域中的新的热点 虽然拉曼光纤激光器距离真正商用化还有一段距离 尤 其是在国内 但适时推出拉曼光纤放大器不乏成为公司技术实力的一个象征 二 发展历史 拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应 受激拉曼散射 SRS 拉曼现象早在 1928 年就被 Chandrasekhara Raman 爵士所发现 目前对 SRS 效应的研究已形成一套比较 完整的理论体系 在早期单模光纤中首先测得了石英光纤中的拉曼增益系数 其增益谱的 典型特征是具有较宽的带宽 可在很宽的范围内获的拉曼增益 对于一定的拉曼增益 输 出端的拉曼散射光强与泵浦光功率和光纤长度成正比 与光纤芯径成反比 对于光纤中的 拉曼效应进一步研究发现 泵浦光与斯托克斯色散光的偏振方向对拉曼过程影响很大 当 使用长光纤时 由于泵浦光与斯托克斯光无法实现同方向偏振方向传输 将使拉曼阈值成 倍地上升 拉曼光纤放大器在观察到 SRS 效应后不久就有所考虑 在 80 年代末至 90 年代直至现在逐 渐引起人们的广泛关注 1972 年 Stolen 等首先在拉曼光纤放大器的实验中发现了拉曼增益 初期的研究主要侧重于研制拉曼光纤激光器 80 年代在光纤通信应用的推动下开始研究拉 曼光纤放大器 1981 年 Tkeda 采用 1 017 m 的泵浦光放大 1 064 m 的信号光 经 1 3km 单模光纤放大获得了 30dB 小信号增益 1983 年 Desurvire 等用 2 4km 的单模光纤放大 1 24 m 的光信号 获得 45dB 的小信号增益 1986 年 Olsson 用拉曼光纤放大器作为光纤 通信系统接收机的前置放大器 1987 年 Edagawa 研究了拉曼光纤放大器的宽带多信道放大 特性 1989 年 Mollenauer 采用 41 7km 的光纤环和 1 46 m 的色心激光器泵源 利用拉曼 增益放大脉宽 55ps 波长 1 56 m 的孤子脉冲稳定传输了 6000km 1995 年 Grubb 等实现 了 4 10G s WDM 多通道放大 1996 年 Stentz 等研制成 1 3 m 拉曼光纤放大器 1997 年 Masuda 等研制成 EDFA 与拉曼光纤放大器混和结构的宽带放大器 1999 年拉曼光纤放大 器成功的应用于 DWDM 系统 Bell 实验室演示了拉曼放大结合 EDFA 的 1 6Tbit s 400km 的传输系统 拉曼光纤放大器其固有的全波段可放大特性和可利用传输光纤做在线放大的 优点使其进一步收到广泛关注 今后会逐渐在光放大器家族占据重要地位 三 拉曼光纤放大器的基本原理 特点和应用 在许多非线性光学介质中 高能量 波长较短 的泵浦光散射 将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 量子 力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子 同时分子完成振动 态之间的跃迁 入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光 研究发现 石英光纤具 有很宽的受激拉曼散射 SRS 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 拉曼光纤放大器有三个突出的特点 a 其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 b 其增益介质为传输光纤本身 c 噪声系数 低 特点 a 使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 后者由于能级跃迁机制所限 增益带宽只有 80nm 因此 对于开发光纤的整个低损耗区 1270nm 1670nm 具有无可替代的作用 特点 b 使拉曼光纤放 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 特点 c 使其与常规 EDFA 混合使用时可大大降低系统的噪声指数 增加传输跨距 拉曼光纤放大器有两种类型 一种为集总式拉曼放大器 所用的光纤增益介质比较短 一 般在几公里 泵浦功率要求很高 一般在几到十几瓦特 可产生 40dB 以上的高增益 象 EDFA 一样用来对信号光进行集中放大 主要作为高增益 高功率放大 可放大 EDFA 所 无法放大的波段 在 2000 年的欧洲光通信会议上 斯坦福大学的研究人员报道了他们进行 的集总式拉曼放大实验的结果 用十种不同的光纤分别做增益放大介质比较得出 色散补 偿型光纤是得到高质量集总式拉曼光纤放大器的最佳选择 这预示我们可以在进行系统色 散补偿的同时对信号进行高增益 低噪声的放大 而且互相不影响 另一种为分步式拉曼 放大器 所用的光纤比较长 一般为几十公里 泵源功率可降低到几百毫瓦 主要辅助 EDFA 用于 DWDM 通信系统性能的提高 抑制非线性效应 提高信噪比 在 DWDM 系统 中 传输容量 尤其复用波长数目的增加 使光纤中传输的光功率越来越大 引起的非线 性效应也越来越强 容易产生信道串扰 使信号失真 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 这种分布式拉曼放 大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展 四 拉曼光纤放大器的实现方式 拉曼光纤放大器的实现首先是由于其瓦级泵浦源 拉曼光纤激光器的实现 SDL 可大量提 供这种产品 在 2001 年 OFC 的展会上很多厂商都宣称能够提供此种产品 泵浦源实现的 一种方案是利用廉价的多模泵浦激光器泵浦特殊的大孔径双包层掺 Yb 光纤可以产生 1000nm 的光 然后再根据 Stokes 效应去泵浦下一级单模光纤 单模光纤的两端刻有布拉格 光栅形成谐振腔 经几级变换最终将输出波长变换到 1450nm 附近 输出功率可以高达 1W 以上 这种技术的好处首先是可以实现很大的输出功率 其次是通过改变构成单模光纤激 光器谐振腔的光纤光栅输出波长可以范围很广 最终得到的拉曼光纤激光器即可放大不同 波长范围的光信号 Lucent 所提供的拉曼光纤放大器即是此种构造 实现泵浦激光器的第 二种手段是将多个泵浦激光器的波长直接用复用器复用在一起 这种方法需要利