拉曼光纤放大器的发展现状

摘 要：拉曼光纤放大器是密集波分复用（DWDM）通信系统的重要组成部分，因此研究如何提升FRA的各项性能成为DWDM通信系统中的一项重要内容。综述了拉曼光纤放大器国内外的研究和发展现状，介绍了国内外多款光纤拉曼放大器的产品性能特点。最后，展望了光纤拉曼放大器的发展趋势。

关键词：光纤拉曼放大器；密集波分复用；增益平坦；偏振相关增益；带宽

中图分类号：TN722 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）19-0076-02

Abstract： Raman fiber amplifier is an important part of dense wavelength division multiplexing （DWDM） communication system， so how to improve the performance of FRA becomes an important part of DWDM communication system. The research and development of Raman fiber amplifiers at home and abroad are reviewed， and the performance characteristics of many kinds of optical Raman fiber amplifiers at home and abroad are introduced. Finally， the development trend of Raman fiber amplifier is prospected.

Keywords： Raman fiber amplifier； dense wavelength division multiplexing； gain flatness； polarization dependent gain； bandwidth

引言

隨着全球网络化、社会信息化的快速发展，人们对光纤通信系统的传输速率和容量的需求越来越高，而密集波分复用（DWDM）技术以其能够更加充分地利用光纤的巨大资源的优势，从而得以快速发展。拉曼光纤放大器（Raman Fiber Amplifier， RFA）由于其具有任意工作波长、宽带增益、分布式放大等优良特性，已经成为了DWDM通信系统的关键技术和重要器件之一。为了保证WDM系统的传输质量，波分复用系统中使用的光纤放大器应具备有足够的带宽、低噪声系数和高输出功率、低偏振相关以及能够控制放大器的增益平坦度等相关特性。因此，针对RFA的相关特性的研究也成为了近年来研究光纤拉曼放大器的热点和方向。基于上述技术背景，本文总结了近年来国内外光纤拉曼放大器的研究和发展，并介绍了国内外光纤拉曼放大器的产品以及其相关特性参数。

1 光纤拉曼放大器的发展和研究现状

拉曼光纤放大器的基本原理是利用光纤中的非线性效应（Raman散射效应）实现光信号的放大。与其他不同类型的光放大器相比，拉曼光纤放大器具有诸多优点：（1）和EDFA有很大不同，RFA不需要特殊的增益介质，只要普通的传输光纤即可实现光信号放大，这样便可以很好地实现分布式放大、对光纤放大系统进行直接扩容升级、合理地利用光纤的低损耗窗口等相关改善。（2）拉曼放大器的增益光波长取决于泵浦光的波长，理论上只要选择合适的泵浦光的波长，就可以放大任意光信号波段，进而实现全波段的拉曼放大。（3）光纤的拉曼增益具有比较宽的频带，如果采用多波长泵浦方式的光纤拉曼放大器，就可以获得大于100nm的增益谱。（4）低噪声系数，EDFA配合RFA的混合型放大器能够极大地提升传输系统的性能。（5）拉曼光纤放大器的增益谱具有叠加效应，采用多泵浦的方式可以在获得较宽的拉曼增益谱的同时，单个波长的拉曼增益谱会相互补偿，从而达到增益平坦的效果，保证了信号传输的稳定性。（6）饱和功率很高，当放大的信号功率开始接近泵浦功率的大小时，光增益的下降仅仅是3dB的大小。以上诸多的优点也决定了拉曼光纤放大器能在WDM光纤通信系统中能得到广泛的应用。

国外方面，1999年，日本的科学家Y. Emori和S. Namiki等人克服了掺铒光纤放大器的在带宽上的限制，发挥拉曼放大器在带宽方面的独特优势，采用多泵浦的方式，以12个波长信道的WDM激光二极管单元作为拉曼放大器的泵浦光源，实验结果得到了接近100nm的带宽，而且增益平坦度小于±0.5dB（没有使用增益均衡滤波器）。2003年，A.Mori和H. Masuda等人从增益介质方面入手，采用高Raman增益系数的碲基光纤，使用双向泵浦的方式，同时将4个波长信道的激光二极管作为泵浦光源，实验中使用长度为250m的碲基光纤，最后获得了160nm增益带宽，且拉曼增益超过10dB。2009年，C. E. S. Castellani等人通过相关研究，设计了一个低平坦度、高增益、低损耗的光子晶体光纤拉曼放大器。在该设计的放大器装置中，只使用了两个低功率的泵浦源就实现了在C波段的放大，平均拉曼增益为8.5dB，且只有0.71dB的拉曼增益平坦度。2013年，K. Singh等人通过使用4阶龙格-库塔法的方法，很好地解决了多泵浦拉曼放大器的传输方程，并且在遗传算法的基础上，利用启发式搜索的方法优化了泵浦功率沿光纤的分布。实验验证了对5个使用正向泵浦方式的光源波长和功率的优化配置，并通过不同的光纤长度，不同功率的输入光信号进行模拟和优化，实验结果显示当光纤长度为50km，输入1mW的信号光时，其拉曼增益为28.15dB，且增益平坦度为0.26dB。在该文献中，实验通过80km的光纤，获得的最大拉曼增益为46.66dB。2014年，S. Singh等人对一个带宽为64nm、320个光通信信道、且信道间隔为25GHz的DWDM系统进行了一系列的研究。采用遗传算法优化了拉曼放大器反向泵浦的泵浦源的功率，并使用增益均衡滤波器（gain flattening filter，GFF），优化得到了18dB左右的平均增益，且增益平坦度低于0.5dB的。通过不断地研究和探索，有学者将目标转向了另一个方面，即针对光纤固有的增益效率系数平坦度，研究和设计特殊结构的光纤，从而使这种特殊光纤的有效模场面积在信号光波段内有较大的变化，这样就能得到平坦的拉曼增益效率系数的谱形，因此，最终的拉曼放大器增益谱将有由拉曼增益效率系数来决定，这样在拉曼放大器系统中只需使用单个泵浦源就能实现其平坦化放大。类似的研究有，2005年，S. K.Varshney等人利用多包层的光子晶体光纤（PCF），光纤长度为5.2km，采用波长为1450nm的单个泵浦源就获得了19dB的平均净增益，且拉曼增益平坦度较小，仅为±1.2dB。该文献所设计的色散补偿光子晶体光纤有诸多优点，不仅会使拉曼增益谱变的相对平坦，还会补偿常规单模光纤的色散积累。

国内方面，2004年，刘涛，黄德修等人采用长为5km、色散补偿的特殊光纤，使用波长为1427.2nm的单泵浦源，采用后向泵浦的方式，在800mW的泵浦功率下，达到了14.77dB的拉曼增益，并且带宽为35nm（增益为3dB时）。2006年，颜玢玢等人使用单一的遗传算法，优化了后向泵浦方式下泵浦光源的波长和功率，实验使5个泵浦的波长和功率得到了优化。最终实现了在带宽为1520-1610nm时，平均拉曼增益达到了15.55dB，且拉曼增益平坦度低于0.87dB。2014年，巩稼民等人设计使用了两段特殊光纤（As-S高非线性光纤），并通过线性拟合的方式，分析处理光纤的拉曼增益谱前后沿，采用多泵浦的方式，实现了前放大后补偿的效果，实验获得了20.45dB的平均拉曼增益，且拉曼增益平坦度为0.15dB。为克服传统光纤拉曼放大器的增益系数低和增益不平坦的难题，2017年，巩稼民等人通过级联光子晶体光纤的设计方案，设计了一种增益平坦的拉曼光纤放大器，实验结果显示在带宽范围为1508～1544nm内，实现了21dB的拉曼增益，且拉曼增益平坦度仅为0.14dB。北京邮电大学的李明杰等人，通过仿真的方式，建立多泵浦拉曼-掺铒光纤混合放大和二阶泵浦拉曼-掺饵光纤混合放大模型，在差分进化算法的基础上，优化了它们的增益谱平坦度，实验结果得到93nm的增益带宽和1.2dB的增益平坦度。哈尔滨工业大学的张洪月等人使用了一种新型光纤，通过优化新型PCF的结构，成功实现只需要单一泵浦源，就能使拉曼增益平坦度小于1dB。

2 拉曼光纤放大器的国内外产品

在产品方面：国外主流的拉曼光纤放大器生产厂家相对较多，并且在质量和功能上相对比较领先，主要的有美国的Finisar公司、IPG 公司和日本的古河电工等。而国内的自主生产厂家相对较少，主要有无锡中兴、武汉光迅科技、天津峻烽科技和香港的Amonics 等，他们虽然都有相对成熟的商业化产品，但是，以上各家公司生产的拉曼放大器产品的价格昂贵，而且在性能方面和国外相比尚有欠缺，尤其是其拉曼增益与光信号平坦度对光纤类型、长度，信号光波长、功率等的依赖程度较高，因此适用性会由于这些因素而受到限制。

武汉光迅科技是中国领先的光器件产品开发、制造和供应商，其提供的掺铒光纤放大器和拉曼光放大器及模块，能够实现光信号在光网络传输线路中发射，中继，接收等不同階段的放大。拉曼放大器可直接用于放大C-band，L-band以及C&L-band的光信号，用以改善光信号传输线路中的光信噪比，从而提高系统的传输性能。其生产的光纤拉曼放大器产品在500mW的抽运功率下，最大增益可达10dB，抽运功率1200mW时，最大增益可达22dB，C&L-band平均增益可达17dB。其次光迅的拉曼放大器产品具有良好的增益平坦度（C-band增益平坦度小于1dB，C+L-band段小于1.5dB）和较低的噪声特性，并且其偏振相关增益较低，最大不超过0.3dB。

对于现有国内外市场的成熟的拉曼光纤放大器产品，国内产品的性能相比于国外还有一定的差距，而且价格相对比较高昂，因此，设计一款性能比较完备且成本较低的拉曼放大器产品具有很大的意义。

3 结束语

以上我们综述了国内外光纤拉曼放大器的发展现状，由此可知，光纤拉曼放大器正朝着宽带放大、高增益、高稳定性、低噪声、低偏振相关性、模块化及小型化的方向发展。但是，国内厂家所研制的光纤拉曼放大器的性能与国外厂家的同类产品相比尚有较大差距，主要体现在平均拉曼增益、增益平坦度以及偏振相关增益等方面。因此，研制拉曼增益高、增益平坦度好以及偏振相关增益小的光纤拉曼放大器，具有较高的经济效益，并且对国内光纤拉曼放大以及通信技术的发展有着重要意义。

参考文献：

[1]张瑞君.国际光放大器新进展[J].中国电子商情·基础电子，2008（3）：24-26.

[2]巩稼民，郭翠，沈一楠，等.一种增益平坦的光子晶体拉曼光纤放大器[J].光子学报，2017（7）：99-104.

[3]李明杰.多波长混合光放大器增益谱平坦化的研究[D].北京邮电大学，2015.

[4]张洪月.拉曼光纤放大器的增益均衡研究[D].哈尔滨工业大学，2015.