拉曼光放大

拉曼光放大（精选4篇）

拉曼光放大 篇1

光纤中的受激拉曼散射作为一种非线性效应引起人们的广泛关注。利用这种非线性效应制成的拉曼光纤放大器因其对任意波长信号都能进行放大且带宽宽、噪声指数低的优点在DWDM系统中的应用研究也得到了较大的发展[1,2,3]。而利用其非线性效应还可以进行负啁啾光脉冲压缩,这是因为信号脉冲在传输过程中受到泵浦脉冲的拉曼放大,而能量高的脉冲更易于压缩。这与对源脉冲为负啁啾脉冲所通常采用的色散补偿光纤(DCF)与色散位移光纤(DSF)来进行脉冲压缩的传统方法相比[4],可改善其因能量较低,脉冲的压缩比不高,并且此种压缩方法可以实现脉冲的放大与压缩于一体。

1 理论分析

由GS-DFB半导体激光器输出的脉冲可近似描述为一具有负啁啾的高斯型分布,脉冲的复振幅A0可表示为:

其中P0为脉冲的峰值功率,C为高斯脉冲的啁啾系数,T0为脉冲的1/e半宽度。

对脉冲的拉曼放大可在光纤中进行,其增益介质为传输光纤本身。本系统采用的拉曼放大为分布式的反向泵浦,即在线路沿途加装泵浦源对信号进行分段放大,这样可大大降低泵浦功率。当拉曼放大的增益较小时,脉冲在分布式拉曼放大器中的传输方程为[5]:

式中β3为三阶色散系数,s为自陡峭系数,TR为脉冲内的拉曼延时系数,g为拉曼增益系数,α为衰减系数。

2 结果与分析

从GS-DFB输出的初始光信号脉冲选用的参数为:初始宽度为T0=18ps,C=-3,P0=40mw。DSF所选的参数为:β2=-1ps2/km,β3=0.1ps3/km,α=0.022dB/km,γ=0.33km-1W-1,TR=3fs,对g=0.3km-1.

图1信号脉冲在经过分布式拉曼放大的DSF的脉冲输入输出图。数值计算发现信号脉冲在经过13.8km的分布式拉曼放大DSF后获得了7.3的压缩比。在压缩过程中脉冲的能量同时得到了放大,峰值功率由初始的40mw放大到了2.3mw。光脉冲的压缩的原因信号在DSF中所受的自相位调制效应(SPM)和负的群速色散(GVD)效应相互作用共同实现的。在脉冲的传输过程中,SPM作用使信号脉冲中心部分产生近似线性的正啁啾,而负的GVD使脉冲产生负的线性啁啾,正啁啾与负啁啾相互补偿,从而在初始阶段信号脉冲得到压缩。随后由于SPM效应的减弱,GVD效应使信号脉冲展宽。而利用分布式拉曼放大DSF能获得压缩比很高的输出脉冲的原因在于信号脉冲在光纤中所受的拉曼放大不仅弥补了光纤损耗的影响,而且对信号脉冲进行了能量的放大,此时利用DSF的高阶压缩就能获得压缩比很高的输出脉冲。

2.1 拉曼增益系数的影响

因拉曼增益系数越大,其脉冲的能量放大越明显,压缩效果与就越好。从图2数值模拟结果中发现压缩比在拉曼增益系数为0.3时其压缩比显著增大。不过虽然增大拉曼增益可以提高脉冲的压缩比,但随着拉曼增益的提高,其它非线性效应,如四波混频、二阶斯托克斯光的产生等不能忽略,也就决定了其增益系数不能过大。

2.2 啁啾系数的影响

数值模拟还发现,输入信号脉冲的初始啁啾系数对压缩结果产生重要影响。图3表明负啁啾系数的绝对值越大,在相同光纤长度的情况下其压缩比越小。究其原因在于当脉冲存在源负啁啾越大,自相位调制在信号脉冲中心部分所产生正的线性啁啾与其抵消的结果使信号脉冲压缩所需的正频率啁啾减小,这样通过负的GVD补偿时,其压缩比降低且所需光纤长度变长。

3 结论

通过对基于分布式拉曼放大的色散位移光纤对源负啁啾光脉冲压缩研究发现利用分布式拉曼放大能对源负啁啾的光脉冲进行放大的同时进行压缩,且能获得较高的压缩比。拉曼增益系数越大,初始负啁啾越小,其压缩比效果越好。

参考文献

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拉曼光放大 篇2

近年来,光纤拉曼放大器以其增益频段可调、宽带平坦的增益谱、突出的噪声和非线性特性以及灵活的应用方式等优势得到日益广泛的应用。但到目前为止,实际应用的光纤拉曼放大器仍存在着能量转换效率较低、增益系数相对较小、成本较高等问题,在技术性能和经济性两方面难以完全满足光纤通信系统快速发展的需要[1,2,3]。为提高拉曼放大器的增益,可以采用大功率泵浦激光器和高非线性光纤的方法,但一方面采用大功率激光器将大大提高放大器成本,另一方面大的泵浦功率将导致布里渊散射和四波混频等非线性效应,导致系统噪声性能和OSNR性能恶化。近年来另外一种提高拉曼增益的方法是对信号回路同时进行双向泵浦和高阶泵浦[4],但这一方法的代价是增加了泵浦激光器或加大了泵浦成本,因此并未实现效率的真正提高。

2004年,M.Tang等人[5]首次提出了采用高非线性色散补偿光纤(DCF)为增益介质,引入反射器件(反射镜或光纤布拉格光栅(FBG))对信号光和泵浦光进行反射实现回溯式双程放大的新型分立式光纤拉曼放大器的设计构想。此后,对这一新型拉曼放大器的研究不断深入[6,7,8]。理论分析表明:这种新型拉曼放大器在非饱和放大的情况下,对同样泵浦功率,增益可提高50%~100%(或对实现同样放大参数的系统来说,泵浦功率可降低50%左右)。同时,这种新型拉曼放大器在动态特性和噪声特性等方面有很大的优化余地,其所用光纤介质的高色散补偿特性一方面对系统的色散管理非常有利,另一方面对四波混频、XPM等信道间窜扰效应具有良好的抑制作用,使其综合性能极具竞争力。目前,国际上对这种新型拉曼放大器的研究在理论处理和实验上仍处于探索阶段,国内尚未见到这方面研究的报道。本文通过光纤端面反射实现泵浦光的双程抽运,对这种新型拉曼放大器从理论模拟和实验测量两方面作了研究。

1 理论分析和计算

分立式DCF双程放大色散补偿拉曼放大器的基本原理参见图1(以后向泵浦为例):信号光从环路器的一个端子引入,在前向传播过程中经泵浦放大后,至Mirror1处反射,在后向传播过程中再经泵浦放大,再到环路器的另一个端子引出;泵浦光先是后向传播,在Mirror2反射后转为前向传播,在前后两个方向的传播过程中均对信号光抽运放大。与常规光纤拉曼放大器相比,双程放大器中泵浦光和信号光可以两次乃至多次经过增益光纤,因而显著提高信号放大率和功率转换效率。

在稳态条件下,由拉曼散射耦合方程考虑双向传输后可推得前向和背向传输的拉曼开关增益为[5]

式中L为光纤总长度。输出信号总的开关增益Gon-off可表为前后向各自开关增益的乘积,即

噪声指数可表为[5]

式中:PRb(0)为输出端总的MPI噪声,NSbASE(0)为输出端的自发辐射噪声谱密度。Be和Bs分别为电滤波和光信号的等效平方带宽。

目前一般光纤通信系统中采用的主要为SMF光纤或NZDF光纤,在1 550 nm通信波段SMF光纤的色散为+19 ps/(km⋅nm)左右,NZDF光纤的色散为+4.4 ps/(km⋅nm)左右,DCF光纤的色散为-100 ps/(km⋅nm)左右。目前,大多数NZDF光纤系统传输跨距一般在100 km以内,对应色散补偿的DCF光纤长度在5 km以内。

模拟计算对应的双程放大方案如图1所示。为简化考虑,反射镜1和2对应于相应信号光和泵浦光的反射系数均取为1。其它各项参数设定如下:DCF光纤在1 520 nm的色散为135.8 ps/(km⋅nm),传输损耗为0.49 dB/km,有效拉曼增益系数gR/Aeff为3.43/(W⋅km),背向瑞利散射系数为7×10-4 km-1。泵浦波长为1 427.2 nm,在DCF光纤中的传输损耗αP为0.642 dB/km。信号光波长为1 520 nm,功率为1 d Bm。WDM引入的损耗设为0.2 dB。

图2给出了归一化的泵浦光功率在DCF光纤中随距离的变化。由图可见,对10 km长度以内的DCF光纤,泵浦光残余的比例相当可观。对应于NZDF光纤75~100 km的传输跨距(也即对应的DCF补偿光纤5 km左右)时,有接近30%左右的泵浦光功率未得到利用,因此双程放大除了信号光的增益路径增加外,更可充分地利用泵浦光能量,从而大大提高放大效率。

图3给出了同样的信号光和泵浦光强度下常规单程放大的分立式拉曼放大器与双程放大分立式拉曼放大器的增益对比,由图可以清楚地看出信号光的双程放大及泵浦光的双程放大对总拉曼增益增大的贡献。在泵浦功率从100 mW左右增加到800 mW左右时,双程放大相对于常规单程放大增益可增加15~25 d B,增加率接近~50%,其中,单独对泵浦光进行双程反射获得的增益增加为4 dB左右。对实际运行的放大器,因各种损耗和饱和等因素的影响,其增益和效率的增加将小于模拟结果,但上图的结果对分立式双程放大的性能设计给出了可资参考的理论预期,特别对高泵浦能量区域的放大器性能设计具有参考意义。

2 实验装置

实验采用与图1类似的后向泵浦结构,放大器所用的DCF光纤长为5 km。信号源采用可调谐的外腔式半导体激光器(ECL),中心波长1 520 nm,光谱带宽小于100 MHz。泵浦源采用LPG公司生产的单波长光纤拉曼激光器,波长为1 427.2 nm,线宽0.67 nm,输出功率调谐范围0~1 200 mW。光谱测量采用Advantest Q8384光纤光谱分析仪,分辨率为10 pm。基于设备条件,实验中只在Mirror2处对泵浦光进行二次反射以提高放大效率。泵浦光反射的实现采取在光纤端面化学镀银的方法[9],采用Y探针型测量法对1 427 nm波长光实测的反射率约为83%。为避免反射光对泵浦源和光谱仪的影响,在信号输入端和光谱分析仪信号引入端均放置光隔离器。

3 实验结果及分析

图4给出了在泵浦功率为600 mW时对泵浦光进行反射和不反射两种情况下DCF分立式放大器拉曼增益的测量结果,信号功率为-5 dB m。从图中可以看出,在同样的泵浦和信号功率条件下,加入泵浦反射后,拉曼增益得到显著的提高,在1 520 nm附近的增加量接近2 dB。对照图3中曲线(b)所预期的结果,当泵浦功率为600 mW时,在1 520 nm处的增益增加大于3 d B,实验结果比理论预期值略小。分析原因主要是因为泵浦光的反射损失较大,一方面泵浦光在端面的反射率只有80%左右,衰减约为-0.8 d B;另一方面引入了耦合器和连接线的组合,往返反射其衰减约为0.45 dB,计入这些因素,实验结果与理论结果符合较好。由图可见加反射镜后的增益曲线总体轮廓与不加反射镜差别较小,3 dB带宽均为30 nm左右,表明采用泵浦光反射的方法在提高增益的同时,对放大器总的增益带宽特性影响不大。

由图4还可看出,泵浦光反射后噪声指数NF略有增加,但NF仍为负值。图5中给出了信号功率分别为-6 d Bm、-3 d Bm、0 d Bm和3 d Bm四种情况下泵浦功率从0增加到1 200 mW时测得的增益和噪声指数。由图可见,对于较小的-6 d Bm、-3 dB m信号,直到泵浦功率增加到1 200 mW,增益仍然基本上呈线性增加,对于0 d Bm信号,当泵浦功率增加到1 050 mW左右时,开始出现增益饱和,而对于3 d Bm信号,当泵浦功率增加到870 mW左右时,开始出现增益饱和。在这几种情况下,当增益饱和出现之前,噪声指数基本上都在零值或以下,表明系统在双程泵浦提升了增益的同时,仍保持了较好的噪声特性。而从对应于饱和增益的泵浦功率开始,噪声指数则开始急遽上升。

图6给出了在这几个特定的饱和泵浦功率处测得的后向布里渊效应图,图中,(a)、(b)、(c)为泵浦光反射条件下的测量结果,由图可以清楚地看出这种增益饱和及相应的噪声剧增起因于受激布里渊散射效应。结合图4、图5和图6的情况可以得出:双程泵浦引起的自发辐射噪声增加对放大器性能的制约影响相对较小,而制约其增益特性主要是受激布里渊散射效应,增益的提升上限取决于受激布里渊散射的阈值。图6(d)提供了泵浦光未反射条件下布里渊效应的测量结果,其受激布里渊散射的阈值大于1 100 mW,与图6(a)的情况相比较而言,约高250 mW。

对照图4可见,采用双程泵浦后中心波长处增益约提高近2 d B,而1 100 mW相比于870 mW增加比率约为1.1 dB,因此双程泵浦下功率870 mW时的增益大于非双程泵浦1 100 mW时的增益,表明加入泵浦光反射后,对应于受激布里渊散射阈值的信号强度得到提高,这一点对大功率泵浦下的放大特性相当有利。对此现象的详细分析将另文给出。

摘要：采用后向泵浦的方案,对新型双程放大分立式光纤拉曼放大器(D-DFRA)的增益特性进行了理论计算,并在双程泵浦放大条件下对增益和噪声特性及受激布里渊散射(SBS)效应进行了实验测量,计算与测量结果较好符合。本文的研究表明:对分立式拉曼放大器通过反射机制实现泵浦光的双程泵浦,可在泵浦功率不变和保持较好噪声特性的同时,大大提升放大器的增益和功率转换效率。增益的提升上限取决于系统受激布里渊散射的阈值,在双程泵浦下增益的上限可得到提高。

关键词：光纤拉曼放大器(FRA),双程泵浦放大,拉曼增益,噪声特性

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拉曼光放大 篇3

EDFA是线路上使用最广泛的光放大器,但它的工作带宽较窄,增益带宽不够平坦,噪声系数较大。拉曼光纤放大器是一种基于受激拉曼散射(SRS)机制的光放大器,如果将一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦波的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大。它的出现弥补了EDFA的不足,有望在宽带长距离传输系统上广泛地使用。本文主要介绍了拉曼光纤放大器的基本原理及其增益饱和特性,研究泵浦光功率和输入信号功率对增益饱和特性的影响。

1 拉曼光纤放大器(RFA)系统的搭建

拉曼光纤放大器与EDFA一样有三种泵浦方式:正向、反向和双向泵浦。在实际系统中,反向泵浦的噪声特性比其他两种结构较好,如果采用正向泵浦,由于拉曼过程是瞬时发生,泵浦噪声将严重对信道产生影响。当拉曼泵浦波有轻微功率波动,个别数据位放大将出现异常,导致放大过程的波动。如果采用反向放大,由于每个数据位会与几毫秒的泵浦光作用,拉曼泵浦功率的波动会被平均。在反向泵浦方式下,由于传输单元末端的光信号功率微弱,不会因为拉曼光纤放大而引起附加的光纤非线性效应。

搭建分布式反向泵浦拉曼光纤放大器的系统模型,参数设置为:连续激光器阵列的参数为f=1 520 nm,△f=-0.955 nm,P=-8d Bm;泵浦激光器,拉曼光纤的参数为L=25 km;双端波分复用器的参数f为1518~1625 nm之间。采用多波长泵浦方式。

2 RFA的增益特性与光纤长度的关系

设定系统中拉曼光纤的长度为1~60 km之间连续变化,测得RFA的增益随光纤长度的变化曲线,如图1所示。

由仿真结果可以看出,光纤长度在1~60 km之间变化时,RFA增益可达到一个峰值6.3 d B。初始时增益随光纤长度的增加而增加,但当光纤超过长度14 km后,增益反而逐渐下降,光纤长度存在一个最佳增益的最佳长度。

考虑光纤长度时,要获得较大增益,应选择长14 km的RFA,可获得的增益为6.3 d B。但应注意,这一长度只能是最大增益长度,而不是光纤的最佳长度,因其还涉及其他特性,如噪声特性等。

3 RFA的增益特性与输入信号功率的关系

设定仿真系统中连续激光器阵列的输入信号功率为-20~10dB m之间,测得RFA的增益随输入信号功率的变化曲线,如图2所示。

由仿真结果可以看出,输入信号功率在-20~10 d Bm之间变化时,RFA增益存在一个最大值6.8 d B和最小值3.8 d B。初始时,输入信号功率在-20~-10 d Bm范围内变化时增益平坦,越过一定功率后,增益反而随着输入信号光功率的提高而下降。

考虑输入信号功率时,要获得较大增益,应选择输入信号功率为-20~-10 d Bm之间的RFA,可获得的增益为6.8d B。改变输入信号功率将导致增益轮廓的变化,究其原因,是信号之间的拉曼光纤互作用所致。分布式拉曼光纤放大不仅发生在泵浦与信号之间,也发生在信号与信号之间,信号功率越大,这种作用就越强,增益轮廓变化也就越明显,因此,改变输入信号功率将导致增益轮廓的变化。

4 RFA的增益特性与泵浦光功率的关系

设定仿真系统中泵浦激光器阵列的泵浦光功率在1~3000 m W之间变化,测出RFA的增益随泵浦光功率的变化曲线,如图3所示。

由仿真结果可以看出,泵浦光功率在1~3 000 m W之间变化时,RFA增益可达到一个峰值10.5 d B。初始时增益随泵浦光功率的增加而上升,但当泵浦光功率增加到一定值2 350 m W后,增益开始下降。泵浦光功率在2 000~2 680 m W范围内增益基本平坦。

考虑泵浦光功率时,要获得较大增益,应选择泵浦光功率为2 000~2 680 m W的RFA,可获得的增益为10.5 d B。

5 拉曼光纤放大器(RFA)的优化设计

WDM系统对光放大器都有一个要求——增益平坦,目前RFA增益平坦的方法主要采用多波长泵浦和增益均衡器两类。采用多波长可以得到宽带、平坦的增益曲线,且所需的总泵浦功率相对较小,泵浦效率较高。此时就要考虑波长间隔及泵浦功率的波长分配。一般短波长区波长间隔比长波长区要小,波长间隔大引起的增益抖动也大。此外,由于泵浦间的拉曼作用,短波长区功率分配所占比重应大一些。但要获到一个比较好的泵浦功率与波长的配置,必须深入研究泵浦与泵浦之间、泵浦与信号之间、信号与信号之间的相互作用。

采用增益均衡器件实现RFA的增益平坦,与EDFA的增益平坦化方法相同。RFA的增益平坦化也可以使用滤波性元件,如闪耀光栅、长周期光纤光栅、声光调谐滤波器、干涉滤光片与光纤环镜等来实现。利用这些器件损耗特性和放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性,其关键在于精心设计增益均衡器,使放大器的增益曲线与均衡器的损耗特性准确吻合,增益峰值处的损耗也大,最终达到增益平坦的目的。

摘要：拉曼光纤放大器工作原理是基于光纤的拉曼效应,通过适当地改变泵浦激光光波的波长可以提供整个波长波段的放大,它是非线性光纤光学的重要应用。本文主要通过Optisystem仿真分析其增益饱和特性,研究光纤长度,泵浦光功率和输入信号功率对增益饱和特性的影响。

关键词：拉曼放光纤放大器,增益,泵浦,光功率

参考文献

[1]杨祥林.光放大器及其应用[M].北京:电子工业出版社,2000.

拉曼光放大 篇4

1 拉曼放大的基本理论

从解N信道受激拉曼散射(SRS)耦合波方程出发,基于光纤中N信道单向SRS效应的稳态分析理论,N信道单向稳态SRS耦合波方程[3]为

式中,ni(0)为各信道在z=0处入射的初始光子通量(单位时间内垂直流过光纤有效截面的光子数),它是不随时间变化的恒定值;ni(z)、nj(z)分别表示z处i、j信道中前向传输的光子通量;αi为第i信道中光信号的线性衰减系数;rij为i、j信道之间光子通量的拉曼增益系数。

(1) 石英光纤的增益谱模型

石英光纤中各信道光的光功率[3]为

undefined

式中,pi(0)为第i个信道信号光的初始光功率;pi为第i个信道信号光传输到z处时的信号光功率;p∑(0)为所有信道信号光初始功率的和;νi为第i个信道信号光的频率;νj为第j个信道信号光的频率;undefined为所有信道信号光的平均频率;undefinedj为第j个信道信号光的波数;undefinedi为第i个信道信号光的波数;M为保偏系数;Ae为光纤的有效截面积;undefined为有效作用距离。

(2) 掺磷石英光纤的增益谱模型

图1所示为不同材料制造的光纤的自发拉曼谱。我们可以在频移[0,500 cm-1]范围内对拉曼增益系数g0(Δundefined)进行直线拟合,拟合直线为

undefined

式中,k=-2.66×10-16(m·cm/W)、b=1.64×10-13 (m/W)分别为最小二乘拟合直线的斜率和截距。在放大器条件下,由式(1)、(2)、(3)推导变形后可以得出各信道光的光功率为

undefined

2 宽带拉曼光纤增益平坦放大器的设 计原理

由石英光纤和掺磷石英光纤的拉曼增益谱可知,频移在[0,500 cm-1]范围内时,石英光纤和掺磷石英光纤对长波长和短波长的放大能力相反,因此可以通过选择合适的泵浦光功率、泵浦光波长以及两段光纤的长度等来实现两段光纤的增益互相补偿,即实现输出信号光的增益倍数相同。

整个放大器可以看作是由石英光纤和掺磷石英光纤两种不同光纤介质组成。泵浦光和各信道的等输入功率信号光首先经过第1段石英光纤,得到拉曼放大后输出,这时不同波长的信号光被不同程度地放大,功率不再相等;接着该信号光和泵浦光再输入到第2段掺磷石英光纤中,由于掺磷石英光纤对长波长和短波长的放大能力刚好相反,因此最后在掺磷石英光纤的输出端获得各波长基本相同的功率输出,实现了增益平坦。

3 计算结果与讨论

首先给出具体参数,对于第1段光纤即石英光纤,Ae=5.5×10-11 m2,衰减系数α=0.2 dB/km,保偏系数M=2,光纤长度为z1=12 500 m;对于第2段光纤,即掺磷石英光纤,Ae=5.5×10-11 m2,衰减系数α=0.4 dB/km,保偏系数M=2,光纤长度为z1=11 606 m。泵浦光波长λ=1 450 nm,功率p=750 mW。设复用64信道的信号光,相邻信道间的间隔为0.8 nm,被放大的信号的区间为[1 512,1 562.4](单位:nm),设信号的初始输入功率均为0.01 mW。

经过第1段石英光纤的信号光的功率随距离的变化如图2所示。由石英光纤拉曼增益谱和图2可看出,64信道的信号光经过石英光纤后由于拉曼放大输出了各波长功率不再相等的信号光,在第1段石英光纤中泵浦光对长波长信号光的放大能力较强,即在输出端长波长信号的光功率强,短波长信号的光功率弱。

泵浦光和64信道的信号光从第1段石英光纤输出后,进入掺磷石英光纤。信号光在掺磷石英光纤中光功率随距离的变化如图3所示。由图3可知,在掺磷石英光纤中,泵浦光对不同波长信号光的放大能力与第1段石英光纤中的相反,所以在经过一段距离后,64信道的信号光基本上具有各信道相同的光功率。信号光功率随FRA长度的变化情况如图4所示。

最后我们给出基于两段光纤的FRA的增益如图5所示。本文所采用的方法使得64信道的信号光都得到了接近14 dB的增益,其增益平坦度为0.000 158 dB。本文所得到的增益较高[4],且较之多波长泵浦的方法有更好的增益平坦性[4,5]。

4 结束语

本文提出了用两段具有不同拉曼增益谱的光纤来实现FRA,并对64信道的WDM系统进行了仿真,得到的增益为14 dB,增益平坦度仅为0.000 158 dB。该FRA的优点为增益频谱宽、具有非常好的增益平坦性、适用于WDM系统。且相比多波长泵浦的方法而言,可以节省多个激光源,从而降低成本。

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