光纤拉曼放大器技术的进展.pdf

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1、第3期(第12卷) 2001年12月 中国计量学院学报 JOURNAL OF CH I NA I NST ITU TE OF M ETROLOGY . 3(Vol . 12) Dec .2001 【文章编号】 100421540(2001)0320051206 【收稿日期】 2001204229 【作者简介】 刘红林(1972- ),男,安徽金寨人,中国计量学院光电子技术研究所在读研究生L 光纤拉曼放大器技术的进展 刘红林,张在宣,金尚忠,沈为民,徐江峰,王剑锋 (中国计量学院 光电子技术研究所,浙江 杭州310034) 【摘要】 本文对拉曼光纤放大器的原理、 历史、 现状和前景进行了讨论L

2、【关键词】 拉曼光纤放大器;拉曼散射;受激拉曼散射 【中图分类号】 TN 722. 3 【文献标识码】 A 1引言 上个世纪末,光纤通信以超乎常人想象的速度发展L光纤已经成为通信网的重要传输媒介LIn2 ternet应用的飞速增长对光纤通信网络的带宽提出了越来越高的需求L 在光纤的传输过程中对信 号进行光学放大对大容量密集波分复用(DWDM)的长距离骨干通信系统至关重要L如果没有光放 大,由于光纤的损耗,所有的光学信号在传输一定距离以后,就需要转换成电信号,再进行再生,这 需要大量昂贵的设备L 光学放大器每隔一段距离(一般是100km)就周期性地对光信号进行放大, 因此,需要再生的距离就至少增

3、加了一个数量级L 利用光纤中的拉曼增益对光信号进行放大,是人们最早研究的光学放大方法1L 从1972年首 次在光纤中发现受激拉曼散射现象开始2,人们对其进行了大量的研究,并对其可能的应用进行了 探索L 其应用主要有两个方面:光纤拉曼激光器和光纤拉曼放大器L 到了20世纪80年代,因为其 在光纤通信中的应用潜力,光纤拉曼放大器获得了广泛的重视3 9L 但是, 因为拉曼散射是一种非 线性效应,所以需要的抽运功率比较高,一般需要大于500mWL在90年代初期,人们又发明了ED2 FA , EDFA需要的抽运功率比较低,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100mW ,光纤

4、拉曼放大器的研究就陷于停顿L 而EDFA很快就发展成熟并得到了广泛 应用L 然而,随着光纤通信技术的进一步发展,通信波段由C带(1528- 1562nm)向L带(1570- 1610nm)和S带(1485- 1520nm)扩展L由于光纤制造技术的发展,现在已经可以消除在 1. 37Lm附 近的损耗高峰,这样在将来,通信波段可望扩展到从1. 2Lm到1. 7Lm的宽广范围内L 在这样的波 长范围内, EDFA是无能为力的L而光纤拉曼放大器却正好可以在此处发挥巨大的作用L同时随着 高功率二极管抽运激光器和光纤光栅技术的发展,光源问题也得到了较好的解决L光纤拉曼放大器 (FRA)又有其自身固有的优点

5、,如放大波长只和抽运波长有关,可利用传输光纤做在线放大等优 点L 这样光纤拉曼放大器再度受到了广泛的关注L 在目前的大容量长距离DWDM系统的传输实验中,都能见到拉曼放大的身影L 如2001年3 月,A lcatel采用双向拉曼放大技术实现了10. 2Tbs100km和3Tbs3000km的DWDM系统 传输实验L 同时,N EC利用拉曼放大技术也实现10. 92Tbits115km的DWDM系统传输实验L 拉曼放大器成为继EDFA之后的又一颗璀璨明珠,在技术上和商业上的发展前景都前途无量L 2光纤拉曼放大器基本原理10 光纤拉曼放大器利用了光纤中的受激拉曼散射现象L 拉曼散射可以看做介质中的

6、分子振动对 入射光的调制,即分子内部粒子之间的相对运动导致分子感应电偶极矩随时间的周期性调制,从而 对入射光产生散射作用L设入射光的频率为Xp,介质分子的振动频率为 XT,则散射光的频率为 Xs= Xp-XT和 Xas=Xp+XTZ 其中频率为 Xs的散射叫做斯托克斯散射,频率为 Xas的光为反斯托克斯散 射Z 图1光纤分子拉 曼能级图 从量子力学的观点,又可以将拉曼散射看成在入射光和介质分子相互作用 时,光子吸收或发射一个声子Z 光纤分子拉曼能级图如图1所示Z 光纤的拉曼声 子频率为 $M= 1. 3210 13HzL 可分为斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子: 斯托克斯拉曼光子: hTs=h(T

7、p-$T)(1) 反斯托克斯拉曼光子: hTa=h(Tp+$T)(2) 式中 Tp,Ts,Ta分别为抽运光(入射光)、 斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼光的频 率Z 1962年,人们又发现如果光强超过一定的阈值,斯托克斯波会在介质内快速增加,大部分的抽 运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Z拉曼散射的初始增长可以用下式 描述: d Is dz =gRIpIs(3) 其中Is是斯托克斯光强,Ip是抽运光强,gR是拉曼增益常数Z 在连续波的情况下,考虑到光纤损耗,抽运光和斯托克斯光的相互作用符合下列耦合波方程: d Is dz =gRIpIs-AsIs(4) d Ip dz = -

8、 Xp Xsg RIpIs-ApIp (5) 上式中的 As、 Ap分别是在斯托克斯频率和抽运光频率处的光纤损耗系数L 图2光纤拉曼放大器原理图 光纤拉曼放大器就是利用受激拉曼散射而制造的,其原理 图如图2所示L 信号光在光纤内正向传输,抽运光通过WDM耦合进传输 光纤,抽运光可以正向输入也可以反向输入,为了减少抽运光 噪音对信号的影响,一般采用反向输入L 在信号光强总是远小于抽运光强,忽略抽运损耗的条件下,由(4)和(5)可以解出 Is(L )= Is(0)exp(gRI0Lef f-AsL) (6) 式中I0是在z= 0处的抽运光强, Lef f= 1 Ap 1- exp (- ApL )

9、 (7) 25中国计量学院学报2001年 因为没有抽运光时Is(L )= Is(0)exp (- AsL ), 所以放大器的增益 GA= Is(L) Is(0)exp (-AsL) = exp(gRP0Lef fAef f) (8) 其中P0=I0Aef f是放大器的抽运光输入功率,Aef f是光纤的有效截面L 3光纤拉曼放大器的特点 光纤拉曼放大器有三个突出的特点: 1.其增益波长由抽运光波长决定,只要抽运源的波长适当,理论上可以对任意波长的信号进 行放大L 这样光纤拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段,而且使用多个抽运源还可得到 比EDFA宽得多的增益带宽L 2.其增益介质为传输光纤

10、本身,不需要特殊的放大介质,这样就为已有光纤通信系统的改造 提供了广阔的前景,尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合L 3.噪声指数低L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L 这样与常规EDFA混合使用时可大大降 低系统的噪声指数,增加传输跨距L 但是,拉曼放大也有一些缺点:不光是抽运光,还有一些DWDM信道会对其它信道产生放大 作用,这会导致信道之间的能量交换,引起串音L同时,因为抽运光的功率比较大,在某些情况下,可 能会导致光纤烧毁L 表1光纤拉曼放大器和掺杂光纤放大器之间的特点比较 特点掺杂光纤放

11、大器光纤拉曼放大器 增益波长取决于掺杂物取决于抽运波长 增益带宽20nm ,多种掺杂48nm48nm ,多个抽运波长会更宽 增益 20dB或更高,取决于掺杂离子粒度、 光纤长度 和抽运配置 4- 11dB,和抽运强度以及有效光纤长度成 正比L 饱和功率取决于增益和材料常数大约等于抽运波长功率 抽运波长980nm或1480nm(EDFA)比最大增益信号的频率高13. 2THz 偏振灵敏性否否 连接损耗(dB) 1 1 拉曼放大器对DWDM系统性能的提升具有非常重要的作用,系统性能参数如光信噪比(OS2 NR)、 噪声指数(N F)和性能质量Q因子都能够得到大量的提高L 4光纤拉曼放大器的关键技术

12、 从结构上来说,拉曼放大器的设计要比掺杂光纤放大器要简单,这是因为只要选择了合适的抽 运源,就可以利用现存的传输光纤作为介质,但是如何选择抽运功率以及波长,还有抽运波长的数 量和波长的间隔等都会影响拉曼放大器的放大效果和噪音L 因为受激拉曼散射需要的抽运光功率比较大,所以光源就是光纤拉曼放大器首先要解决的一 个问题L 目前,有两种解决办法,一种是偏振耦合的激光二极管,另外一种是拉曼光纤激光器L 市场上第一个商品化的光纤拉曼放大器,美国康宁公司的Corning PureGain 5000R拉曼放大 器采用的就是第一种方案,其光源采用的是四个激光二极管,每个波长有两个激光二极管,这两个 35第3期

13、刘红林,等:光纤拉曼放大器技术的进展 图3偏振耦合激光二极管 激光二极管的偏振方向互相垂直,通过偏 振多路复用器耦合在一起然后再耦合进光 纤中L 第二个方案是采用拉曼光纤激光器L SDL目前大量提供这种产品L 利用廉价的 多模抽运激光器抽运特殊的大孔径双包层 光纤激光器,然后再去抽运级联的拉曼谐 振腔,将最终输出波长移到1450nm附近L 拉曼谐振腔可以利用低损耗布拉格光纤光 栅制作,最终的转换效率可以很高,输出功 率可以高达1. 7 WL 图4拉曼光纤激光器 在设计分布式光纤拉曼放大器时,抽运波是和信号光 同向传输还是反向传输,也是必需要考虑的问题L 目前为 止,一般选择反向传输,因为这样有

14、其优点L 如果采用正向 传输,因为抽运光和信号光基本上同步传输,所以抽运噪音 会严重影响放大信号的噪音L当抽运光在时域上有轻微的能量波动时,信号光的不同字节得到的放 大就会不一样,引起振幅波动L而采用反向传输时,信号光的每一位会受到不同抽运光的放大,这样 拉曼抽运的功率不同产生的放大就可以得到平均L 抽运波长和数量的选择也是设计光纤拉曼放大器的一个重要因素,可以采用多个抽运波长,通 过仔细选择其抽运波长和功率来获得最佳效果L 图5采用8个抽运光源时的信号增益和抽运源的配置 图5是采用多个抽运光源的一个例子L该系统中采用了8个背向抽运光源,光源的功率大致相 同,为19. 5到21. 5dBmL

15、通过仔细选择抽运源的频率,在81nm范围内获得了平滑的增益,其增益 波纹小于2dBL 如果再采用增益平滑滤波器,还可以将增益波纹降低到0. 5dBL 光纤拉曼放大器的关键技术还包括:光谱滤波技术,噪音控制技术等L 光谱滤波是为了使得拉 曼放大器在其放大带宽内不同波长都获得相同的增益L 噪音控制技术主要考虑如何进行系统的优 化设计,减少自发拉曼辐射和光纤非线性效应等的影响,尽量降低系统的噪音L 5光纤拉曼放大器的应用 目前,光纤拉曼放大器主要和EDFA一起使用,提高系统的信噪比L 图68是corning公司的研究结果,实验中采用的光纤是L eaf色散位移光纤,长度是120kmL 45中国计量学院

16、学报2001年 图6光纤拉曼放大器和 EDFA配合使用 信号光有32个信道L 图7是抽运光和信号光功率随距离变化的曲线L从图中 可以看出,信号光在尾部 “翘起” L 这样要在尾端获得相同的 信号,输入的信号功率可以大大减小,这样就可以减少光纤 非线性效应的影响L 图8是分别采用传统的EDFA和EDFA + FRA放大后 的32个信道的频谱图,从图中可以看到,峰值功率相同,但 图7信号光和抽运光功率 随距离的变化曲线 采用FRA后噪音降低了4. 2dBL 目前,在长距离DWDM系统的实验中,大多采用拉曼放大器+ EDFA进行放大L图8是一个混合采用分布式拉曼放大与常规EDFA 的双向DWDM系统

17、的例子L拉曼放大器还可以用于放大EDFA不能 放大的场合L 由于对带宽的要求越来越高,原有的C带已经不能满足 要求,通信波段向S带和L带扩展L,而S带和L带正是拉曼放大器 可以大显身手的地方L 6光纤拉曼放大器的发展前景 图8采用FRA后系统信噪比的改变 目前,在一些实验中,拉曼放大器已经成功地 被应用11 15L 美国的康宁公司也已经成功开发出 了世界上第一个商品化的拉曼放大器PureGain 5000R,并已经投入使用L 除了康宁公司以外,北 电、 朗讯等大的电讯公司都积极地开展对拉曼放 大的研究L 拉曼放大器主要用做分布式放大器,辅 助EDFA在未来进行信号放大L 但光纤拉曼放大 器也可

18、以单独使用,放大EDFA不能放大的波段L 采用合适的光纤,也可以用作分离式放大器L 目 前人们已经开始探索用色散补偿光纤、 重掺锗光纤等制作分离式光纤拉曼放大器L随着聚合物光纤 的进一步发展,由于聚合物有拉曼增益大,频谱丰富等特色,也有希望成为分离式拉曼放大器的增 益介质L 据C I BC公司的估计,拉曼放大器的市场在2005年会增加到48亿美金L 其发展前景不可限 量L 目前拉曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中的市场地位已经得到了毫无疑问的承认L 即使 在城域网中,拉曼放大器也会有其利用价值L 只要光通过一些路由装置,不管是交换机还是上下路 复用器(ADM ) , 都会引起信号衰减,因此就可

19、以采用拉曼放大器来补偿衰减L. 拉曼放大这项曾经休眠的技术终于得到了再生,而且其发展势头超乎寻常地猛烈L拉曼放大器 研究的理论价值和应用前景都非常巨大L 【参考文献】 1Chinlon L in, Rogers H. Stolen. Backward Raman amplification and pulse steepening in silica fibersJ . Ap2 pl . Phys. L ett.1976, 29(7): 428- 431L 2R. H. Stolen, E. P. Ippen. Raman gain in glass opticalwaveguideJ . A

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28、man amplif ier L I U Hong2lin, ZHAN G Zai2xuan, J I N Shang2zhong, SHEN W ei2m in, XU Jiang2feng, WAN G Jian2Feng (Optoelectronics Technology Institute, China Institute ofM etrology, Hangzhou 310034, China) Abstract: The principle, history, current status and prospect of fiber Raman amplifier are dis2 cussed in this paper. Key words: Raman fiber amplifier; Raman Scattering ; stimulated Raman Scattering 65中国计量学院学报2001年