光纤-受激拉曼散射原理

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光纤-受激拉曼散射原理

光纤-受激拉曼散射技术是一种非常重要的光谱分析技术，它通过光纤传输激光光源，利用样品分子的振动和旋转引起的拉曼散射来获取。

概述

光纤拉曼放大器的工作基于石英光纤中的受激拉曼散射。当向光纤中射入强功率的光信号时，输入光的一部分变换为比输入光波长更长的光波信号输出，这种现象就是拉曼散射。光纤拉曼放大器就是利用拉曼散射原理，将低波长（泵）能量转移到高波 长信号上。拉曼光纤放大利用了光纤中的非线性受激拉曼散射效应，这是一种三阶非线性过程，是光子与声子（分子振动模）之间的非弹性散射，把短波长泵浦光的能量转化为长波长信号光的能量，实现对信号光的放大。通过适当改变泵浦激光光波的波长，FRA可以在任意波段进行光放大的宽带放大，甚至可在1 270～1 670nm整个波段内提供 放大。但是，如果泵浦光源的带宽过宽时，会出现泵浦光源间的感应拉曼散射效应，从而达不到预期的宽带平坦性。如果对F RA和EDFA的泵浦波长加以优选，在进行串联时就可以获得互补，从而达到满意的增益平坦性，实现宽带化。FRA的拉曼增益 与泵浦光功率有关。由于在光的行进方向和逆行方向均能产生拉曼散射光。因而，拉曼放大的泵浦光方向既可前向泵浦也可后向泵浦。另外，泵浦光的波长对FRA的增益最大点至关重要。FRA可分为分布式FRA、分立式FRA和集中式FRA。分布式FRA主要作为光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大，实 现光纤通信系统光信号的透明传输，增益与损耗相等，输出功率与输入功率相等，主要用于光纤通信系统中作为多路信号和高速超短光脉冲信号损耗的补偿放大，也可作为光接收机的前置放大器，作为损耗补偿放大应用时，光纤既是增益媒质，又是传 输媒质，光纤既存在损耗，又产生增益，增益补偿损耗实现净增益为零的无损透明传输，因而可辅助EDFA改善DWDM系统 的性能。而分立式FRA或者集中式FRA是利用特殊的增益光纤作为增益介质，主要作为高增益、高功率放大，放大EDFA不能 放大的波段或与EDFA一起构成超宽带放大器。

拉曼放大器的基本原理

当光辐射通过介质时，大部分入射光直接透射过去，一部分光则偏离原来的传播方向而向空间散射开来，形成散射光。散射光与入射光在强度、方向、偏振态及频率方面均可能有所不同。在许多非线性光学介质中，对波长较短的泵浦光的散射使得一小 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。由于材料中的分子处于一系列不同的能级上，因而各自引起的散射光的频移也不相同，使散射光谱表现为一定的连续性，但是其拉曼散射几率不同。散射概率不同在现象上表现为不同信号波长上的拉曼增益不同。研究发现，石英光纤具有很宽 的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。因为这一特性，光纤可用做宽带放大器的放大介质。如果一个弱 信号与一强泵浦光波同时在光纤中传播，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。拉曼效应在光纤中具有建设性的应用刚刚兴起。拉曼放大器利用硅光纤中的内在属性来进行信号的放大，信号在传输过程中的 固有损耗可以在光纤内部进行补偿，这就意味着光纤本身将成为放大器的一部分，因而在光纤内部将同时进行着光信号的放大和衰减。以此原理工作的拉曼放大器通常称为分布式拉曼放大器（Distributed Raman Amplifier，DRA）。DRA工作的基本原理是受激拉曼散射效应，在足够强的短波长泵浦光以一定强度与信号光同时进入光纤后，信号在光纤中被放大，即将一小部分入射功率由一光束转移到另外一个频率下移的光束。频率下移量由非线性介质的振动模式决定，当波长较

受激拉曼散射原理

受激拉曼效应：在强光入射的作用下产生的散射，将一部分入射光能量转移到另一频率的光束，频率转移量由介质的震动模式决定。

拉曼放大器的优缺点

拉曼放大器的优点：

①可在任意波长处获得增益、更高的功率和更宽的带宽。

②可使用传输光纤作为增益介质，可以弥补EDFA的不足，有利于改进整个系统的性能。这是因为FRA是分布式放大，放大器增益介质就是传输光纤的一部分。这种分布式放大光传输系统的噪声性能要优于集中式（如EDFA）放大。而且，分布的泵浦降低了本地的信号功率电平，从而降低了信道间的非线性互作用影响。放大器的失真

总之，FRA可改进系统的信噪比，有利于提高码速，有利于延长中继距离。FRA的主要缺点：

①泵浦效率低，因而要求很高的泵浦功率。

②拉曼增益与偏振状态有关。

拉曼放大器的分类和应用方式

拉曼放大器可以分布式、集中式、分立式或混合式。

因此拉曼放大器既可以充当稀土掺杂的放大器用于低噪声的前置放大，也 具备全拉曼系统中所有放大器所需的功能而应用在全拉曼系统中。此外在拉曼放大器中，放大和色散补偿可以由同一段光纤来实现。拉曼放大器能够提供一个单一、简化的放大平台从而来满足长途和超长传输的需要。拉曼放大器主要分为两大类：分立 式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。

分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器是指用一个集中的单元来提供增益，这一点与分布式拉曼放大完全不同，在分立式拉曼放大器中，所有的泵 浦功率都被限制在一个由隔离器作为边界的集中单元中。

FRA类型

分布式FRA：采用增益系数较高的光纤。对信号光进行集总放大；

分立式FRA：主要用于1.3μm和1.5μm信号光的传输损耗进行补偿放大。

FRA特点

带宽较宽；

可在原有光纤基础上直接扩容；

低噪声；

可以通过灵活排列泵浦光的频率来对信号进行放大。

FRA噪声特性

光纤拉曼放大器中主要有三种噪声：

①放大器自发辐射（ASE）噪声；

②串话噪声；

③瑞利散射噪声。

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