[科普中國]-非線性光纖放大器

非線性光纖放大器是一種固體激光放大器。其工作原理是利用光纖的非線性效應(yīng)，對(duì)光纖注入泵浦光，使聲子數(shù)目增加，當(dāng)有信號(hào)激光通過此光纖時(shí), 其中的聲子與光子相互作用，使得光子數(shù)量增大——放大了信號(hào)激光。

基本介紹非線性光纖放大器是利用光纖的三階非線性光學(xué)效應(yīng)———受激喇曼散射( SRS)和受激布里淵散射(SBS)等產(chǎn)生的增益機(jī)制而對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的。把基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖喇曼放大器( FRA—Fiber Raman Amplifier)；基于 SBS 機(jī)制的光放大器則稱為光纖布里淵放大器(FBA)。它們都是借助泵浦光子與光纖中的分子體系互相作用吸收泵浦光子能量后的分子處于某一高振動(dòng)能級(jí)，該能級(jí)不穩(wěn)定， 當(dāng)它向比原來振動(dòng)能級(jí)能量高的某個(gè)振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)便將散射出一個(gè)比泵浦光子能量低的斯托克斯光子。當(dāng)入射信號(hào)光子與斯托克斯光子的頻率相同時(shí)將使處于高振動(dòng)能級(jí)上的分子受激輻射出同相位的斯托克斯光子實(shí)現(xiàn)光放大。1

光纖拉曼放大器（FRA）光纖拉曼放大器的工作原理在某些非線性光學(xué)介質(zhì)中，大能量、高頻率的泵浦光將產(chǎn)生拉曼散射，并將部分能量轉(zhuǎn)移到較低頻率的光束中，其頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定。這一過程稱為拉曼效應(yīng)，量子力學(xué)將其描述為入射光波的光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，即較短波長的泵浦光通過散射頻移將其能量轉(zhuǎn)移到較長波長的信號(hào)上去，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。石英光纖具有很寬的受激拉曼散射增益譜，在光纖中傳輸?shù)娜跣盘?hào)若加入大功率、短波長的泵浦光源，送入光纖后產(chǎn)生受激拉曼散射效應(yīng)，即可使弱信號(hào)得以放大。基于此原理制作的光放大器謂之光纖拉曼放大器。

右圖是FRA的原理性結(jié)構(gòu)示意圖，頻率為ωp和ωs的泵浦光和信號(hào)光通過波長選擇耦合器輸入至光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大。泵浦光和信號(hào)光亦可分別在光纖的兩端輸入，在反向傳輸過程中同樣能實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的放大。

光纖拉曼放大器的特點(diǎn)1、增益波長由泵浦光波長決定。只要泵浦源的波長適當(dāng)，理論上可得到任意波長的信號(hào)放大，因此，帶寬設(shè)計(jì)靈活。

2、其增益介質(zhì)為傳輸光纖本身，故而結(jié)構(gòu)較簡單，避免或減少了有關(guān)耦合和連接。

3、噪聲系數(shù)低。

光纖拉曼放大器的類型1、分立式拉曼放大器

此種放大器所用光纖較短，泵浦功率要求較高，一般要達(dá)到數(shù)瓦，它像EDFA一樣用來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行集中放大，主要用于EDFA無法放大的波段。色散補(bǔ)償光纖（DCF）用于分立式拉曼放大器的傳輸介質(zhì)效果較好，這預(yù)示在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還可對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益、低噪聲的放大并互不影響。

2、分布式光纖拉曼放大器

分布式拉曼放大器所用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。在DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量，尤其復(fù)用波長數(shù)目的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹碓酱?，引起的非線性效應(yīng)也越來越強(qiáng)，容易產(chǎn)生信道串?dāng)_，使信號(hào)失真。采用分布式光纖拉曼放大輔助傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)信噪比（OSNR）。

光纖布里淵放大器（FBA）受激布里淵散射（SBS）是光纖內(nèi)產(chǎn)生的另一種非線性現(xiàn)象，與SRS類似。但其光增益是由泵浦光的受激布里淵散射而不是由受激拉曼散射產(chǎn)生的，它將一部分泵浦光功率通過 SBS過程轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大，由此構(gòu)成的放大器稱為光纖布里淵放大器（FBA）。

經(jīng)典理論認(rèn)為，泵浦光束散射產(chǎn)生的斯托克斯光是由介質(zhì)中產(chǎn)生的以聲速傳播的聲波引起的。泵浦光通過電柵伸縮產(chǎn)生聲波，引起折射率周期性調(diào)制，形成一種折射率光柵。泵浦光又通過光柵散射產(chǎn)生斯托克斯光和聲波，泵浦光、斯托克斯光和聲子之間的參量相互作用，產(chǎn)生光增益。從量子物理觀點(diǎn)看，受激布里淵散射過程可看做一個(gè)泵浦光子的湮滅，同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)斯托克斯光子和一個(gè)聲學(xué)聲子。在此過程中嚴(yán)格遵循能量和動(dòng)量保持守恒定律。

由此可見，光纖布里淵放大器的工作原理與光纖拉曼放大器的相同，只是光增益由SBS提供，而不是由SRS 提供，因此，光纖布里淵放大器也是用光泵浦，泵浦功率的一部分通過SBS轉(zhuǎn)變成信號(hào)。從物理本質(zhì)上看，SBS 是每個(gè)能量為 hωp的信號(hào)光子，使用它的大部分能量產(chǎn)生一個(gè)能量為hωs的信號(hào)光子，余下的能量被用來激發(fā)一個(gè)聲子。從經(jīng)典理論看，SBS可被看做是聲波以聲的速度通過媒質(zhì)傳輸時(shí)引起泵浦光束的散射。

SBS及其增益特性與SRS在形式上相似，但又存在重要特點(diǎn)，因而決定了FBA的性能與FRA有很大不同：

（1）僅當(dāng)信號(hào)光傳播方向與泵浦光相反時(shí)才能產(chǎn)生放大，即只能采用反向泵浦結(jié)構(gòu)；

（2）SBS的斯托克斯頻移比SRS小3個(gè)數(shù)量級(jí)；

（3）SBS產(chǎn)生的增益譜相當(dāng)窄，帶寬