非线性光学放大器

本页面主要介绍非线性光学放大器 SRA 、SBA 的原理和特性

SRA

SRA 放大器可以提供整个光纤波长的波段放大，通过适当改变泵浦激光波长，可以达到任意波段进行光放大的宽带放大器，甚至可以在 1270-1670 纳米整个光纤波段内提供光放大。

原理

SRS的原理为受激拉曼散射，拉曼散射是指入射泵浦光子通过光纤的非线性散射，转移部分能量产生低频斯托克斯光子，而剩余的能量被介质以分子振动、光学声子的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移由分子振动能级决定，其值决定了受激拉曼散射的频率范围。

对于非晶态石英光纤，其分子振动能级集合在一起，形成了一条能带，因而可以在较宽的频差范围内通过SRS实现信号光的放大。这种基于光纤受激拉曼散射机制的光放大器称为拉曼光纤放大器。

特点

SRA 的特点是放大线路与光传输线路同为光纤，是分布参数式的光放大器。最显著的优点是能够提供整个波段的光放大。通过适当改变泵浦激光器的光波波长，可以得到任意波段的宽带放大器，可以在 1270-1670 纳米整个波段内提供放大。它主要有两个类型的应用，一种称为集中式 SRA，另一种称为分布式 SRA。

集中式SRA的光纤介质比较短，大多数在十千米之内。它像EDFA一样对光信号进行集中放大，主要用于EDFA无法放大的波段，不但可以放大EDFA的C波段，而且还能在较短的S波段和较长的L波段工作。集中式SRA能用在靠近光纤零色散点，扩大了光纤的可用窗口，但要求泵浦光功率很高，一般在几瓦到几十瓦，可得到四十dB以上的增益。但是在波分复用系统中，随着系统传输容量的提高和复用波长数目的增加，光纤中光功率越来越高，结果非线性越来越强，容易产生信道串扰使信号失真。

分布式 SRA 的设计降低了光纤的光功率，控制了光纤非线性效应。分布式 SRA 是利用传输光纤本身作为增益介质，在信号传输过程中分布式的对信号进行放大。分布式 SRA 要求光纤比较长，一般在一百千米左右，泵浦光功率可降低至几百毫瓦。它主要辅助 EDFE 用于波分复用系统中进行中继放大。此外分布式 SRA 可分为前向泵浦和后向泵浦。由于后向泵浦可以减少泵浦光和信号光相互作用长度，从而减少泵浦光噪声对信号光的影响，还可以避免拉曼放大剂引发的光纤非线性效应，所以通常采用后向泵浦。

SRA的优点如下：

SRA利用石英光纤的固有属性 SRS 来获得信号放大，传输光纤可以用来放大媒介，构成分布式放大器 DRA，即光信号在传输的同时被放大。
工作波长取决于泵浦波长，SRA可以工作在不同的波段，增益带宽的位置可以通过调谐泵浦波长来调整，增益范围灵活可调整。
在不同波长泵浦下的拉曼增益谱形状几乎不变，而且之间可以相互重叠，这样可以利用多个泵浦提供平带宽平坦的增益谱，并且可根据需要调整增益谱的范围，即通过多波长泵浦实现带宽放大。
采用多波长泵浦时，对每一个波长的泵浦可采用偏振复用，这样不仅可以降低对每一波长的泵浦激光器的功率要求，而且可以消除偏振敏感性。
SRA具有优良的噪声性能，在超长距离传输时可以保持好的 OSNR。目前数千千米的高速系统一般要采用 SRA。
SRA 最显著的优点是能够提供整个波段的光放大，通过适当改变泵浦激光器的光波波长，可以得到任意波段的宽带放大器，可在整个波段范围内提供放大。

SRA的不足之处为：

石英光纤的拉曼增益系数小，泵浦效率低，想要获得足够的增益需要较大的泵浦功率和较长的光纤长度。
拉曼增益系数具有偏振依赖性，对偏振较为敏感。
快速的响应时间使得泵浦功率的变化和波动能很快的转移到对信号增益的变化上，所以泵浦的强度噪声会借助此影响信号，降低信噪比。

性能

增益特性

当泵浦功率增加时，拉曼增益也上升。当增益上升到一定程度后，由于泵浦功率的消耗导致增益的下降，产生饱和增益。拉曼放大器中一般当信号功率达到十几或几十毫瓦时，才会出现较明显的饱和现象，因其受增益饱和的影响较小，这也是拉曼放大器的优点之一。

另外，拉曼增益与光纤类型也密切相关，相比普通光纤，掺有二氧化锗的光纤可获得很高的拉曼增益。一般应用中将信号光与泵浦光的频率差定在拉曼增益峰值处，以获得最大拉曼增益。但拉曼增益并不十分平坦，一般需要增加增益均衡器来平坦增益。

带宽特性

增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长就可以得到任意波长的信号放大。DRA的增益频谱是每一个波长的泵浦光单独产生的增益谱叠加的结果，所以它由泵浦波长的数量和种类决定。与EDFA不同，EDFA由于能级跃迁的机制所限，增益带宽只有四十纳米。拉曼放大器使用多个泵浦源，可以得到宽得多的增益带宽，目前增益带宽已达一百三十二纳米。这样通过选择泵浦波长，就可以实现任意波长的光放大。

偏振相关

拉曼放大是偏振相关的，当信号光与泵浦光偏振方向平行时，信号获得增益最大，而当信号光与泵浦偏振方向垂直时，信号获得的增益最小。偏振相关增益是指信号光以不同偏振方向通过放大器时所得到的最大增益与最小增益之差。由于信号的光纤传输过程中偏振态的无规律性，为了使放大器的增益尽量与信号偏振态无关，实用化的 SRA 通常采用对泵浦光消偏的方法来降低偏振相关增益。

另外已经证明，SRA 的偏振相关增益与泵浦方式有关，反向泵浦 SRA 的偏振相关增益要比同向泵浦 SRA 低得多。

噪声特性

拉曼放大器的噪声主要是被放大的自发拉曼散射噪声 ASE、串话噪声、瑞利散射噪声以及非线性受激布里渊散射造成的噪声。

ASE 噪声是由于自发拉曼散射经过泵浦光的拉曼放大而产生覆盖整个拉曼增益谱的背景噪声。显然，泵浦光越大，ASE 噪声越大，接收端的光滤波器带宽越窄，ASE 噪声功率越小。

串话噪声分为两种，一种是由于泵浦光源波动导致的泵浦信号之间的串话，另一种是由于对多信道放大的泵浦消耗而导致的泵浦信号介入的串话。第一种串话是由于泵浦波动造成的增益波动而导致信号的噪声，因此必须通过反馈等技术来稳定泵浦，另外采用后的泵浦也可以稳定增益。第二种串话主要是由于泵浦光对放大单一信道与放大多个信道的增益不同造成的。

具体表现为当两相邻信道同时传号时，信号的增益小于一个信道传号而另一个信号空号时的增益。总体上来看，表现为一个信道信号对另一个信道的调制作用。信号功率越大，串话越严重。当采用后向泵浦时，由于泵浦功率的平均作用，串话性能明显优于前向泵浦。因此在 DWDM 系统中采用拉曼放大器放大时，应尽量采用后向泵浦，而且泵浦功率不能过高。

瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的。理论和实验都表明，瑞利散射噪声与放大器的增益与传输线长度有关。放大器的增益越高，传输线越长，则瑞利散射噪声越大。避免单个放大器增益过大，传输距离过长，可有效抑制瑞利散射噪声。因此采用拉曼放大器作为线性放大器时，通常采用多段放大的方式抑制瑞利噪声。

应用

拉曼放大器有分布式和分立式两种类型。分立式放大器是将拉曼放大器与传输线路分开，做成单独元件，因此要求有较高增益，一般采用高掺锗、低损耗、小有效面积的光纤作为增益介质。由于分布式拉曼散射放大器的增益与EDFA有一定的差距，并且需要较长的光纤，需要几千米左右，因此主要用于放大一些EDFA不能放大的特殊波长。

分布式拉曼放大器是以传输光纤作为增益介质的放大器。从目前的发展趋势来看，由于分布式放大器的优良特性，其应用范围已超过了分立式放大器。目前拉曼放大器应用宽带放大的主要有三种：一是拉曼放大器独立使用，采用多波长泵浦，形成带宽放大；二是拉曼放大器和 EDFA 构成混合放大器，再加上增益均衡平坦增益，以获得高增益的带宽放大；三是利用拉曼放大器制成有源无损器件或动态均衡器件。

SBA

受激布里渊放大器 SBA 是另一种非线性光纤放大器，它不同于受激拉曼光纤放大器 SRA，是利用光纤的另一种非线性效应，称为受激布里渊散射 SBS 原理制成的。

受激布里渊散射也起源于主光纤的三阶电极化率。经典理论认为泵浦光束散射产生的斯托克斯光是由介质中产生以声速传播的声波引起的。泵浦光通过电致伸缩产生声波，引起折射率周期性调制，形成一种折射率光栅。泵浦光又通过光纤光栅散射产生斯托克斯光和声波。泵浦光、斯托克斯光和声子之间的参量相互作用产生光增益。从量子物理观点看，受激布里渊散射可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学光子。SBS 的频移量由声学声子频率决定，这一点与 SRS 不同，两者在频移量上的差别造成这两种散射过程在实际意义上的不同。受激布里渊光纤放大器与受激拉曼光纤放大器的差别表现在三个方面：

只有当信号光束与泵浦光束传播方向相反时，后向泵浦才产生光放大作用。
斯托克斯频移量 SBS 要比 SRS 小三个数量级，约为十吉赫兹，且泵浦光频率有关。
布里渊增益频谱相当窄，其带宽小于一百兆赫兹。

光纤布里渊放大器带宽很窄，不适宜作为光波系统的功率增强器、前置放大器以及在线应用放大器。然而，这种特性在多信道系统中可以做信道选择器。窄带布里渊放大器可做多信道通信系统的信道选择器。信道选择是这样实现的：泵浦光束的传播方向与传送来的多信道光信号相反，调整泵浦光频率正好比待选择的信号信道高布里渊频移。借助泵浦激光器的调谐，就可以选择性的放大不同的信道。这种信道选择方式的主要缺点是比特速率被限制到一百兆比特每秒，因为信道频谱应该落在布里渊增益频谱带宽内。展宽泵浦频谱可以增加传输的比特率，因为此时的增益带宽增加了。

综上所述，SBA的原理为受激布里渊散射，其主要特征为高增益、低噪声、窄带宽，可以应用于高增益、低噪声的光前置放大器、多通道的相关光通信、有选择性的放大光载波、抑制调制产生的边频、其他多通道光通信等。