拉曼光纖放大器

1999年，日本的科學家Y. Emori和S.Namiki等人克服了摻鉺光纖放大器的在帶寬上的限制，發揮拉曼放大器在帶寬方面的獨特優勢，採用多泵浦的方式，以12個波長信道的WDM激光二極管單元作為拉曼放大器的泵浦光源，實驗結果得到了接近100nm的帶寬，而且增益平坦度小於±0.5d B（沒有使用增益均衡濾波器）。2003年，A.Mori和H. Masuda等人從增益介質方面入手，採用高Raman增益係數的碲基光纖，使用雙向泵浦的方式，同時將4個波長信道的激光二極管作為泵浦光源，實驗中使用長度為250m的碲基光纖，最後獲得了160nm增益帶寬，且拉曼增益超過10d B。2009年，C. E. S. Castel－lani等人通過相關研究，設計了一個低平坦度、高增益、低損耗的光子晶體光纖拉曼放大器。在該設計的放大器裝置中，只使用了兩個低功率的泵浦源就實現了在C波段的放大，平均拉曼增益為8.5d B，且只有0.71d B的拉曼增益平坦度。2013年，K. Singh等人通過使用4階龍格-庫塔法的方法，很好地解決了多泵浦拉曼放大器的傳輸方程，並且在遺傳算法的基礎上，利用啓發式搜索的方法優化了泵浦功率沿光纖的分佈。實驗驗證了對5個使用正向泵浦方式的光源波長和功率的優化配置，並通過不同的光纖長度，不同功率的輸入光信號進行模擬和優化，實驗結果顯示當光纖長度為50km，輸入1m W的信號光時，其拉曼增益為28.15d B，且增益平坦度為0.26d B。在該文獻中，實驗通過80km的光纖，獲得的最大拉曼增益為46.66d B。 ^[1] 

2004年，劉濤，黃德修等人採用長為5km、色散補償的特殊光纖，使用波長為1427.2nm的單泵浦源，採用後向泵浦的方式，在800m W的泵浦功率下，達到了14.77d B的拉曼增益，並且帶寬為35nm（增益為3dB時）。2006年，顏玢玢等人使用單一的遺傳算法，優化了後向泵浦方式下泵浦光源的波長和功率，實驗使5個泵浦的波長和功率得到了優化。最終實現了在帶寬為1520-1610nm時，平均拉曼增益達到了15.55d B，且拉曼增益平坦度低於0.87d B。2014年，鞏稼民等人設計使用了兩段特殊光纖（As-S高非線性光纖），並通過線性擬合的方式，分析處理光纖的拉曼增益譜前後沿，採用多泵浦的方式，實現了前放大後補償的效果，實驗獲得了20.45d B的平均拉曼增益，且拉曼增益平坦度為0.15d B。為克服傳統光纖拉曼放大器的增益係數低和增益不平坦的難題，2017年，鞏稼民等人通過級聯光子晶體光纖的設計方案，設計了一種增益平坦的拉曼光纖放大器，實驗結果顯示在帶寬範圍為1508~1544nm內，實現了21d B的拉曼增益，且拉曼增益平坦度僅為0.14d B。北京郵電大學的李明傑等人，通過仿真的方式，建立多泵浦拉曼-摻鉺光纖混合放大和二階泵浦拉曼-摻餌光纖混合放大模型，在差分進化算法的基礎上，優化了它們的增益譜平坦度，實驗結果得到93nm的增益帶寬和1.2d B的增益平坦度。哈爾濱工業大學的張洪月等人使用了一種新型光纖，通過優化新型PCF的結構，成功實現只需要單一泵浦源，就能使拉曼增益平坦度小於1d B。 ^[1] 

RFA主要分為兩大類：分立式RFA和分佈式RFA。 ^[2] 

（1）分立式RFA，分立式RFA採用拉曼增益係數較高的特種光纖(如高摻鍺光纖等)，這種光纖長度一般為幾km.泵浦功率要求很高。一般為數W.分立式RFA可產生40 dB以上的高增益，像EDFA一樣用來對信號光進行集總式放大，因此主要用於實現EDFA無法放大的波段。 ^[2] 

（2）分佈式RFA，分佈式RFA可以使光傳輸系統的性能得到極大的改善，從技術原理來看只有拉曼放大技術才能實現在光傳輸過程中的分佈式放大，因此分佈式RFA在系統中的應用前景，正日益重要起來。 ^[2] 

與其他不同類型的光放大器相比，拉曼光纖放大器具有諸多優點： ^[1] 

（1）和EDFA有很大不同，RFA不需要特殊的增益介質，只要普通的傳輸光纖即可實現光信號放大，這樣便可以很好地實現分佈式放大、對光纖放大系統進行直接擴容升級、合理地利用光纖的低損耗窗口等相關改善。 ^[1] 

（2）拉曼放大器的增益光波長取決於泵浦光的波長，理論上只要選擇合適的泵浦光的波長，就可以放大任意光信號波段，進而實現全波段的拉曼放大。 ^[1] 

（3）光纖的拉曼增益具有比較寬的頻帶，如果採用多波長泵浦方式的光纖拉曼放大器，就可以獲得大於

100nm的增益譜。 ^[1] 

（4）低噪聲係數，EDFA配合RFA的混合型放大器能夠極大地提升傳輸系統的性能。 ^[1] 

（5）拉曼光纖放大器的增益譜具有疊加效應，採用多泵浦的方式可以在獲得較寬的拉曼增益譜的同時，單個波長的拉曼增益譜會相互補償，從而達到增益平坦的效果，保證了信號傳輸的穩定性。 ^[1] 

（6）飽和功率很高，當放大的信號功率開始接近泵浦功率的大小時，光增益的下降僅僅是3d B的大小。 ^[1] 

以上諸多的優點也決定了拉曼光纖放大器能在WDM光纖通信系統中能得到廣泛的應用。 ^[1] 

（1）增益帶寬不足； ^[3] 

（2）輸出增益低； ^[3] 

（3）輸出增益不平坦。 ^[3] 

國外主流的拉曼光纖放大器生產廠家相對較多，並且在質量和功能上相對比較領先，主要的有美國的Finisar公司、IPG公司和日本的古河電工等。 ^[1] 

而國內的自主生產廠家相對較少，主要有無錫中興、武漢光迅科技、天津峻烽科技和香港的Amonics等，武漢光迅科技是中國領先的光器件產品開發、製造和供應商，其提供的摻鉺光纖放大器和拉曼光放大器及模塊，能夠實現光信號在光網絡傳輸線路中發射，中繼，接收等不同階段的放大。 ^[1] 

在論證增益平坦原理時，發現影響RFA的兩個重要因素包括泵浦光功率和光纖長度，任意一個因素改都會影響到最終的輸出增益和增益平坦度。 ^[3] 

為了便於觀察,在光子晶體光纖中僅同時傳輸一路泵浦光和一路信號光,同時保證光纖傳輸長度等其他參數不變,通過改變泵浦光的功率,來觀察信號光輸出增益隨泵浦光功率的變化。 ^[3] 

為了觀察光纖長度對RFA的影響,將一路泵浦光和三路不同波長的信號光耦合進光子晶體光纖中傳輸,在傳輸過程中由於受激拉曼散射效應,可以觀察信號光增益隨光纖長度的變化。 ^[3]