光纤放大器,增益平坦化

1、光纤拉曼放大器及其增益平坦化 的研究 李坤 20083942 2011年11月 1.光纤通信技术与光纤拉曼放大器 v随着互联网技术和通信技术的快速发展，网络电视、 网络电话、视频点播、视频电话、视频会议、远程 教育、远程医疗、远程信息监控、电子商务、电子 图书馆以及电子办公系统等一些在过去似乎遥不可 及的梦想和技术，都已经逐渐进入人们的日常生活 和工作当中，这一切很大程度上要归功于光纤通信 技术的高速发展，如果没有光纤通信所提供的巨大 带宽以及在此基础上所实现的巨大信息传输能力， 上述的一切几乎根本无法实现，因为当今整个世界 的信息量有80%以上是通过光纤通信系统来进行传 输的。 v因为上述原

2、因，以高速光传输技术、宽带光接入技术、 节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互 联网应用的光波技术已构成了今天光纤通信研究的热点。 为了实现上述各种技术目标，国家863计划在通信技术 主题设立了光纤通信专题研究计划，我们称之为O- TIME计划(Optical Technology for Internet with Multi- wavelength Environment)，即“光时代”计划，旨在研 究并掌握支撑互联网多波长传送环境的光波技术。其中 高速长距离光传输是光通信的一项核心技术，意义重大。 通过研究高速长距离光传输技术，可以解决未来互联网 高速和宽带传输问题。这其中，

3、光纤拉曼放大器的研究 无疑会在将来的研究领域占据举足轻重的地位！ 2.光纤拉曼放大器的发展历程 v1928年，印度加尔各答大学的物理学家Raman(拉曼) 发现了拉曼散射光谱，当他用汞灯的435.8nm线照射 四氯化碳时，在液体的散射光中发现了新的光谱(新光 谱位于入射光频率谱的两侧)。Raman的发现，证实 了1923年G. G. S.斯梅卡尔的理论预言。为此， Raman获得了1930年诺贝尔物理学奖，成为亚洲第一 位获此荣誉的亚洲科学家。同年，苏联物理学家兰茨 贝格(也有翻译成兰德斯别尔格)等人也发表了在石英 晶体中观察到的并合散射效应，称为联合散射光谱。 1962年，人们发现如果照射光

4、强超过一定的阈值，会 产生受激拉曼散射(SRS)效应。随着对拉曼散射的深 入研究，1972年首次在光纤中发现受激拉曼散射现象， 1973年人们从实验上证实了光纤中的受激拉曼放大， 该实验在一根长590cm的光纤中成功的将光信号放大 了2.2倍。 v从那时候起，人们对其进行了大量的研究，并探索了可能的 应用。目前有关光纤拉曼散射效应的应用主要有三个方面: 光纤拉曼激光器，光纤拉曼放大器以及分布式光纤拉曼温度 传感器。到了20世纪80年代，因为光纤拉曼放大器在光纤通 信中的应用潜力，获得了广泛的重视。但拉曼散射是一种非 线性效应，需要的泵浦功率比较高，一般需要大于500mW,当 时在技术上难以实现

5、并应用。在90年代初期，人们发明了 EDFA, EDFA需要泵浦的功率比较低，在1550nm传输窗口中要 获得和光纤拉曼放大器相似的增益只需要1OOmW左右，EDFA 很快就发展成熟并广泛运用于传输系统，从而使超高速、超 大容量、超长距离的波分复用(WDM),密集波分复用(DWDM)、 全光网络传输等成为现实。与此同时需要大功率泵浦源的光 纤拉曼放大器研究陷入停顿状态 。 v到了上个世纪90年代中期，随着大功率长波段半导体激光器 的出现以及人们对通信带宽的无限追求，再加上前面已经讨 论过的光纤拉曼放大器的诸多优点，使人们又重新开始对光 纤拉曼放大器进行研究，而且研究兴趣逐年递增，到了本世 纪初

6、，光纤拉曼放大器已经成为光通信领域的研究热点。 v目前光放大器主要有三类:半导体光放大器(SOA)、掺稀土类 光纤放大器(如EDFA, PDFA, TDFA等)、非线性效应光放大器 (如光纤拉曼放大器、布里渊光纤放大器、参量放大器等)。 vSOA的优点:具有很大的增益带宽(1300-1600nm ),覆盖 1310nm与1550nm两处窗口，增益平坦性较好;能够动态转换 波长、体积小、泵浦简单、可批量生产、成本低而且极易和 其它通信器件相集成。 vSOA的缺点:对信号光偏振方向特别敏感;并且对信号光增益 存在饱和特性;SOA如果工作在非线性区，快速的增益动态变 化会引起多信道之间的串扰;噪声系

7、数较大，一般在6-9dB; 与光纤耦合时损耗很大，一般大于5dB，因此，SOA应用在高 速率、大容量、长距离传输中尚有困难。 v掺稀土类光纤放大器在长途骨干网、城域网和CATV网络中发 挥着关键性作用，但EDFA也存在着级联噪声过大和增益带宽 受限等弱点。 v与EDFA相比，FRA具有增益带宽、能在全波范围内进行光放 大以及有效噪声低等优点，特别适合超长距离传输和海底光 缆通信，FRA对泵浦源功率要求高，但随着大功率长波段半 导体激光器以及瓦级光纤激光器的出现，FRA趋于实用。 3.光纤拉曼放大器的基本原理 v光波通过介质时发生散射，可以分为弹性散射和非弹性散射，其 中弹性散射指的是散射光的频

8、率(或光子能量)保持不变，如瑞利 散射。而非弹性散射指的是散射光的频率(或光子能量)要发生改 变(可能升高，也可能降低)，光波与介质相互作用时要交换能量， 如受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)，但是二者有所不 同，SRS与介质光学性质有关，是频率较高的“光学支”声子参 与散射，而SBS是和介质宏观弹性性质有关，频率较低的“声学 支”声子参与散射。散射频率较低的称为斯托克斯光，散射频率 较高的称为反斯托克斯光。1962年，人们发现如果光强超过一定 的阈值，斯托克斯波在介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都 可以转换成斯托克斯光，这种现象就叫做受激拉曼散射。 4.光纤拉曼放大器的增益平

9、坦化的实 现方法 v鉴于光纤拉曼放大器的上述优点，光纤拉曼放大器也就有了其研 究的意义。光纤拉曼放大器的增益平坦的实现主要有两种方法。 v一种是采用多个不同波长的泵浦源进行泵浦，通过优化各个泵浦 源的波长间隔及功率分配来达到增益平坦，这也是目前光纤拉曼 放大器国内外研究的热点，其优点是通过多个泵浦源组合可得到 高平坦、宽带宽的增益谱图，可以不使用增益平坦滤波器。但是 这种泵浦方式也存在缺点，其不足主要体现在为了实现平坦的宽 带增益谱，往往需要较多波长泵浦源，这无疑将增大成本，而且 现在所使用的多个泵浦源，一般采用的是大功率的半导体激光器， 由于半导体激光器固有的偏振特性，某个波长的泵浦源往往需

10、要 两个激光器合波后输入光纤，这个过程还需要使用具有消偏功能 的合波器进行消偏(因为拉曼放大器对泵浦光的偏振特性很敏感， 当信号光和泵浦光的偏振方向平行时，拉曼增益系数最大，反之， 如果信号光和泵浦光的偏振方向垂直时，拉曼增益系数最小)。 v第二种方法则是使用单个高功率的泵浦源进行泵浦，然后用增益 平坦滤波器进行增益平坦。由于使用的是大功率激光器(如高功 率的光纤激光器)作为泵浦源，因此单个泵浦源便可以使光纤拉 曼放大器产生较大的增益，另外由于光纤拉曼放大器固有的宽增 益谱性质，我们就可以通过增加适当的增益平坦滤波器(像EDFA 一样)来实现宽带增益平坦。 v近年来大功率的光纤激光器得到了很快

11、的发展，输出功率可以高 达数瓦。而且，单个光纤拉曼激光器还可以输出多个波长的激光， 它对拉曼放大器的泵浦效率高，泵浦源引起的噪声可以忽略，但 对于一个激光器，它的波长组合是固定的。目前国际上光纤拉曼 激光器的发展已相当成熟，价格己降到可以接收的程度，这种方 案的应用将越来越广泛。对于这种利用光纤激光器作为泵浦源的 方案，其最大优点是可以减少使用多个泵浦源以及消偏合波器， 结构和第一种方案相比也大为简单，性能相比也更加稳定。但是 由于增益谱本身的不平坦特性，因此这种方案需要增加增益平坦 滤波器的成本，并且可能还存在泵浦效率较低的缺点。 5.光纤拉曼放大器增益平坦化实验研 究的图例展示 v鉴于个人

12、能力和时间有限，所以没能为大家 介绍关于实现增益平坦化的理论研究。下面 为大家展示一下别人关于此项研究的实验图 例，让大家了解一下实验结果是与理论相符 合的。 v第二种方法便是使用增益平坦滤波器。 v增益平坦滤波器有两种，一种是利用长周期 光纤光栅，一种是利用啁啾布拉格光栅来进 行滤波。 v通过上面的图例我们了解到了两种方法的实 际效果，还是非常明显的。 v但尽管如此，光纤拉曼放大器或多或少存在 一定的问题，例如其中发生的受激布里渊散 射等，都会对结果产生一定的影响，尤其是 当信号光功率和泵浦光功率大到一定数值时， 这里就留给大家下去自己研究吧。大家可以 参考中国知网的一篇文章光纤拉曼放大器

13、的增益平坦化研究及应用。 结束语 v科技发展日新月异，一日千里，正如文章前面所讲述的一样，一 些过去似乎遥不可及的梦想和技术(网络电视、视频电话、远程 教育、远程医疗、电子图书馆以及电子办公系统等)正逐渐走进 我们的生活，而在这个发展过程中，人们对于通信带宽的需求是 巨大的，也是永无止境的，因此我们有理由相信，光纤通系统将 进一步朝着更大容量，更远距离的方向发展，光纤到户、三网合 一(数据网、电话网、有线电视网)的到来也仅仅只是时间的问题。 因此光纤拉曼放大器以其独有优势必然会在未来的长途骨干网和 城域网上，甚至ROF通信系统中发挥重要作用，但是对于如何提 高光纤拉曼放大器的性价比，真正使其能

14、够大规模的产业化和广 泛应用，则将还有很长的路要走。但是无论怎么样，我们有理由 相信，随着光纤通信技术的进一步发展，这些问题终将有一天会 被全部解决，到那时光纤拉曼放大器这颗光纤通信设备当中的璀 璨明珠将更加熠熠生辉，光彩耀人！ ROF通信系统 v光载无线通信radio-over-fiber（ROF）技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来 的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。ROF系统中运用光纤作为基站(BS)与 中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用， 交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵 的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。 光纤传 输的射频（或毫米波）信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以 要求蜂窝结构向微微小区转变，而基站结构的简化有利于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面 积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多径衰落也会降低；另外，利用光纤作为传 输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。正是这些优点，使得ROF技术在未 来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统 等领域有着广阔的应用前景。ROF（Radio over Fiber）技术是一种光和微波相结合的通信技术，希望利用光纤的低