[转帖]喇曼光纤放大器增益谱特性研究

duckweed · 发表于 2003-6-16 18:09:00

光迅科技有限责任公司

1  引言

光纤通信系统容量的急剧扩大，对光放大器提出了越来越高的要求。利用光纤的非线性效应——受激喇曼散射（SRS），当适当波长的抽运光注入到光纤中，喇曼频移处的光信号将得到放大，基于这种原理的放大器称之为喇曼光纤放大器（RFA）。与掺铒光纤放大器（EDFA）和半导体光放大器（SOA）相比，喇曼光纤放大器优势明显：增益波长由抽运波长决定，理论上可以实现任意波长信号的放大；可以实现分布式放大，增益介质就是传输光纤本身；信号――信号差拍噪声小，噪声指数低；可以通过多波长抽运，实现宽带放大。但是喇曼放大器的实用化强烈的依赖于以下两个因素：大功率抽运光源和足够平坦的增益谱。随着大功率半导体抽运激光器制作工艺日趋成熟，增益谱的平坦特性已成为喇曼放大器设计中考虑的首要问题。

2  喇曼放大器的增益谱

由于单一抽运光提供的增益太小，而且增益平坦度很差，现在研究的方向是采用多波长抽运的喇曼放大器。对于多波长抽运的喇曼放大器而言，增益谱特性主要取决于：喇曼增益系数gR；光纤的衰耗谱；抽运光－－抽运光相互作用；抽运光饱和；放大器自发辐射噪声（ASE，Amplifier spontaneous emission）与瑞利散射。同时，高阶非线性效应如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等也对增益谱有一定的影响。
2.1  喇曼增益系数
熔融玻璃属于非晶态材料，大部分原子具有料想不到的化合价和环的尺寸，使得O－Si键键角的θ分布范围很大，导致喇曼增益范围很宽，在喇曼频移（13.2THz）附近有一个较宽的主峰[1,2]。对于掺锗的普通单模光纤（SMF）而言，喇曼增益系数的最大值由式（1）给出：



式中：λ是抽运光的波长，单位是μm；Δ是光纤的相对折射率差；是GeO2的摩尔浓度[3]。试验中，我们采用的是Corning公司的STM－28光纤，测得单一抽运激光器的喇曼增益如图（1）：

试验中还证明了喇曼增益系数与抽运光功率无关（开关增益（dB）与抽运光功率（mW）成线形关系）。
2.2  光纤的衰耗谱
长距离传输导致光纤对不同波长衰耗差异的积累，在输出端劣化喇曼放大器的增益平坦度。在1525nm～1584nm的范围内，经过80km的光纤后，衰耗谱对增益谱平坦度的劣化超过了0.7dB。如上图（2）所示。
2.3  抽运光――抽运光相互作用
抽运光――抽运光相互作用主要是受激喇曼散射（SRS）和四波混频（FWM）。由于色散的影响，在G.652光纤中，没有明显的四波混频现象，而在非零色散位移光纤（NZDSF）中，出现了新的波长[4]，这在试验中得到了很好的验证。在G.652光纤中，抽运光与信号光之间和抽运光与抽运光之间的SRS可统一由公式（2）[5]来描述：

式中：、分别为频率为的光前向传输功率和后向传输功率；为抽运光或者是信号光的频率；为光纤衰耗；为瑞利散射系数( @1460nm， @1600nm)；为偏振相关系数（）；为光纤的有效面积；为玻尔兹曼常数；为普朗克常数；为光纤的绝对温度。在多波长抽运时，公式（2）是非线性微分方程组，无法求出解析解，只能得到数值解。
2.4 抽运衰竭、放大的自发辐射噪声与瑞利散射
抽运衰竭（Pump Depletion）是指当输入信号光功率增大或者抽运光功率增大时，抽运光转移给信号的能量损耗不可忽略，同时放大器的开关增益会偏离小信号曲线，出现增益饱和。在入射抽运光的线宽远小于自发拉曼散射线宽时，受激拉曼散射的线型和谱线宽度主要由自发拉曼散射谱线的线型决定。同时，放大的自发辐射噪声的温度依赖性在系统设计时也应考虑。瑞利散射系数在1460nm～1600nm波长范围内为7.5×10－5km－1～5.8×10－5 km－1。

3  喇曼增益谱型的设计

由于上述诸多因素的制约，在喇曼增益谱设计的时候，不能将抽运光各自的增益谱简单的线性叠加后作为放大器的增益谱，而必须考虑到各抽运激光器之间的相互作用（在G.652光纤中主要是SRS）。图（3）是四个抽运激光器等功率分配时，不同总功率水平下的增益曲线：



在图（3）中，增益抖动大于1.8dB，这在通信系统中是无法忍受的。要解决增益平坦问题最直观的方法是和EDFA一样，加上一个增益平坦滤波器（GFF，Gain flattened filter）。图（4）是我们设计的滤波器的衰耗谱。加入滤波器后，喇曼放大器的增益谱变为如图（5）所示：



图（5）显示：加入滤波器后，不同抽运功率水平下，喇曼放大器的增益不平坦度最大为0.82dB。增益越大，增益不平坦度越大。尽管采用增益平坦滤波器能够解决增益谱平坦的问题，但是在实际设计中，固定滤波器的使用不仅会增加一个器件，而且对于不同类型的光纤，灵活性很差；而动态增益均衡器的价格非常昂贵，参入损耗也很大，因此有必要采用新的方法来实现拉曼放大器的增益谱平坦。
在抽运波长固定的情况下，影响增益谱平坦主要是各抽运激光器的功率。当四个抽运激光器功率相同时，得到增益谱如图（6）。可以看到：尽管峰值增益很高，但是增益谱平坦性非常差，在1530-1565的波长范围内，增益不平坦度达到了3.42dB。改变各个抽运激光器的注入电流，将单一抽运激光器的输出功率与四个抽运激光器同时打开时各抽运激光器的输出功率相比较，得到四个抽运激光器同时打开时抽运光之间的开关增益如图（7），其中：λ(pump2)λ(pump3)λ(pump1)λ(pump4)。由图（7）可见，两个短波长的抽运光得到很大的附加衰减，波长越短，衰减越厉害；长波长的两个抽运光则得到了不同程度的增益，波长最长的抽运光得到的增益最大，而次最长的抽运光由于从短波长的抽运光处获得增益，同时又将能量转移给波长最长的抽运光，因此在整个注入电流范围内，增益变化很小。总体来看，注入电流越大，也就是各抽运激光器的功率越大，抽运光间的能量转移越厉害。



利用公式（2），经过数值计算，得到的四个抽运激光器同时打开时在80km G.652光纤里的能量演化曲线和单一抽运激光器的能量演化曲线，如图（8）：抽运激光器4和抽运激光器1的能量演化曲线在单一抽运激光器的能量演化曲线之上，而抽运激光器3和抽运激光器2的能量演化曲线在单一抽运激光器的能量演化曲线之下；抽运激光器3与单一抽运激光器的能量演化曲线非常接近，这也与图（7）吻合的非常好；其他各抽运激光器的能量曲线与单一抽运激光器能量曲线的差异也与图（7）吻合。可见，我们可以通过对公式（2）数值计算来获得满足给定增益谱平坦要求时各抽运激光器的功率水平。
经过计算机模拟计算，在采用图（9）所示的功率分配时，获得了很好增益平坦特性（图（10），增益大于10dB，增益抖动小于1dB）：



与加滤波器的方法相比，采用功率分配的方法实现增益谱平坦具有明显的优势：不需要增加光学元件，不会增加成本；可以通过软件设置功率的途径来适应不同类型的光纤,更据灵活性。

4  结论

本文在分析了影响喇曼放大器增益谱平坦度的几个主要因素的基础上，实际测量了多波长后向抽运时的增益谱；采用加滤波器和功率分配的方法来平坦喇曼增益谱，取得了较好的效果；对比分析了这两种方法，指出了功率分配方法的优越性。

shootingstar · 发表于 2003-6-16 21:19:00

可惜啊，公式全都看不见！

chenlu · 发表于 2003-6-17 02:46:00

你好，我毕业设计是搞光纤拉曼光谱仪的开发的（单光子计数器），希望我能得到这文章的具体部分，也许我可以为光谱仪的流程作出修改。如果有人对这个感兴趣，我可以提供一部分的资料。E－

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