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3.2拉曼光纤放大器的基本原理、特点和应用
在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。研究发现，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。
拉曼光纤放大器有三个突出的特点：a、其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大；b、其增益介质为传输光纤本身；c、噪声系数低。特点a使拉曼光纤放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm），因此，对于开发光纤的整个低损耗区1270nm-1670nm具有无可替代的作用。特点b使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为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。特点c使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。
拉曼光纤放大器有两种类型：一种为集总式拉曼放大器。所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段。在2000年的欧洲光通信会议上，斯坦福大学的研究人员报道了他们进行的集总式拉曼放大实验的结果，用十种不同的光纤分别做增益放大介质比较得出，色散补偿型光纤是得到高质量集总式拉曼光纤放大器的最佳选择。这预示我们可以在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而且互相不影响。另一种为分步式拉曼放大器。所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在DWDM系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展。
四、拉曼光纤放大器的实现方式
拉曼光纤放大器的实现首先是由于其瓦级泵浦源－拉曼光纤激光器的实现。SDL可大量提供这种产品。在2001年OFC的展会上很多厂商都宣称能够提供此种产品。泵浦源实现的一种方案是利用廉价的多模泵浦激光器泵浦特殊的大孔径双包层掺Yb光纤可以产生1000nm的光，然后再根据Stokes效应去泵浦下一级单模光纤,单模光纤的两端刻有布拉格光栅形成谐振腔，经几级变换最终将输出波长变换到1450nm附近。输出功率可以高达1W以上。这种技术的好处首先是可以实现很大的输出功率，其次是通过改变构成单模光纤激光器谐振腔的光纤光栅输出波长可以范围很广，最终得到的拉曼光纤激光器即可放大不同波长范围的光信号。Lucent所提供的拉曼光纤放大器即是此种构造。实现泵浦激光器的第二种手段是将多个泵浦激光器的波长直接用复用器复用在一起。这种方法需要利用光纤光栅来稳定单个激光器的波长。这种技术的好处一是由于复用多个波长而提供了一个很宽的增益谱，二是可以通过调整单个激光器的功率方便调整增益斜率。在OFC2001年的展会上有厂家可提供此类激光器，输出的功率一般在几百mW左右。
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