【文章內(nèi)容簡介】 以及泵浦光的插入損耗相對較小并且偏振相關(guān)損耗小。2)隔離器隔離器只容許輸入光束沿一個方向通過，對反射光有很強程度的阻擋作用。隔離器作用是保護光源，并且可以抑止后向瑞利散射以及泵浦源的波動的影響。3)衰減器衰減器用于調(diào)節(jié)輸入光功率，對信號光和泵浦光功率進行可調(diào)節(jié)的衰減。 4)環(huán)形器環(huán)形器的作用是將正反向光信號分開。5)偏振控制器偏振控制器的作用是調(diào)節(jié)信號光和泵浦光的偏振態(tài)，一般用于偏振相關(guān)性的測量。6)光纖跳線光纖跳線的作用是連接器件與器件 [3]。 拉曼光纖放大器的分類拉曼光纖放大器的類型有分布式 FRA 和分立式 FRA，分立式 FRA 將光纖放大器和傳輸線分開，當作獨立元件使用。分立式所用增益介質(zhì)較短，但是泵浦功率很高，獲得增益比較高，并且能放大摻鉺光纖放大器不能放大的波段。分布式 FRA 的增益介質(zhì)是傳輸光纖本身，為了提高系統(tǒng)的整體性能，分布式FRA 主要和摻鉺光纖放大器配合使用。FRA 的結(jié)構(gòu)依據(jù)泵浦方式可分為前向、后向和雙向泵浦結(jié)構(gòu) [4]。下圖是幾種泵浦拉曼光纖放大器的結(jié)構(gòu)：第 5 頁 共 27 頁光隔離器耦合器 光隔離器濾波器傳輸光纖信號光輸出泵浦激光器圖 32 前向泵浦拉曼光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)中，泵浦光與信號光同向進入傳輸光纖再經(jīng)過耦合器進行耦合，這樣就使得信號光與泵浦光之間的串擾較大，噪聲性能也比較差。光隔離器耦合器 光隔離器濾波器傳輸光纖信號光輸出泵浦激光器圖 33 后向泵浦拉曼光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)后向泵浦拉曼光纖放大器能抑制泵浦誘發(fā)的高頻偏振以及強度噪聲。對普通單模光纖和色散位移光纖來說，后向泵浦結(jié)構(gòu)要比前向泵浦結(jié)構(gòu)帶來的串擾低 4 個量級，因此在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中一般采用后向泵浦結(jié)構(gòu)。光隔離器耦合器 光隔離器濾波器傳輸光纖信號光輸出泵浦激光器泵浦激光器圖 34 雙向泵浦拉曼光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)雙向泵浦 FRA 是前向泵浦與后向泵浦的結(jié)合，光無源器件的作用在上一節(jié)介紹過；泵浦光源的作用是提供能量；濾波器的作用是消除被放大的自發(fā)輻射光使的放大器噪聲降低。第 6 頁 共 27 頁 拉曼光纖放大器的原理 受激拉曼散射受激拉曼散射效應(yīng)是 FRA 工作原理的基礎(chǔ)，受激拉曼散射是光波與二氧化硅分子的振動模之間的相互作用的結(jié)果，如果一個光子入射到一個分子上，分子能從光子中吸收一部分能量。在相互作用的過程中發(fā)生了散射，產(chǎn)生了一個頻率較低的光子，這個二次光子就是斯托克斯光子。用量子力學(xué)解釋：如圖 35，當一個泵浦光子入射進光纖中，光纖中電子受激從基態(tài)躍遷到虛能級，然后通過信號光的感應(yīng)，虛能級的電子回到振動態(tài)的高能級，并且此時發(fā)出一個斯托克斯光子。光纖中電子可以躍遷到虛能級，回到基態(tài)，發(fā)出一個反斯托克斯光子，在光纖中振動態(tài)能級有一個比較大范圍，所以如果弱信號光和強泵浦光同時注入光纖中共同傳輸，并且信號光波長在泵浦光的拉曼增益譜內(nèi)，這樣一部分能量可以從泵浦光轉(zhuǎn)移到信號光，實現(xiàn)信號光的放大 [4]。虛能級振動態(tài)基態(tài)1480nm泵浦光子1550nm斯托克斯光子光子能量圖 35 拉曼散射能級示意FRA 的受激拉曼散射不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，它的激發(fā)態(tài)只是一個虛能級，因此受激拉曼散射是一個瞬間完成的過程。受激拉曼散射對于任何相反方向的泵浦與信號光，都可以很容易的得到相位匹配。 拉曼光纖放大器的拉曼增益增益是表示信號放大最直接的參數(shù)，和摻鉺光纖放大器有一定的區(qū)別，F(xiàn)RA 的增益一般情況下有兩個:凈增益 G和開關(guān)增益 G。開關(guān)增益是打開和關(guān)閉的時候信號光輸出功率的比值，一般的，用來表示分布式 FRA。凈增益是信號輸出光功率與輸入光功率的比值 [5]: ????????inASEout P10lg （31）上式中 ASEP是信號放大自發(fā)輻射功率， out 和 i分別為信號的輸出光功率以及輸入光功率。在信號放大時，忽略泵浦光功率的消耗:第 7 頁 共 27 頁 ???????efRALPgG0xp （32）因此: ??s?? （33）式（32 ）中 0P是泵浦光功率。由（32）和（33）可以得出拉曼增益效率 Rg, efA,光纖長度 L 以及光纖損耗系數(shù) s能影響得到的凈增益，所以對增益介質(zhì)的選擇對于設(shè)計 FRA 非常重要。 拉曼光纖放大器的拉曼閾值在連續(xù)或準連續(xù)條件下，斯托克斯波的初始增長描述為 spRsIgdzI? （34）式中 sI表示斯托克斯光強， p表示泵浦光光強， R表示拉曼增益系數(shù)。假設(shè)一種最簡單情形，一束連續(xù)波入射進光纖，但是即便在這種情形下，也應(yīng)該將上面方程做修正，應(yīng)該將光纖損耗考慮在內(nèi)。并且泵浦功率沿光纖并不能保持為一個常數(shù)，應(yīng)考慮泵浦光與斯托克斯光之間的非線性相互作用。當這些效應(yīng)均包括在內(nèi)之后，拉曼散射過程可以表示為： sSpRsIIgdzI??? (35)pspRspIIwI (36)上面兩式中， p?， s分別是為泵浦頻率與斯托克斯頻率處的光纖損耗。如果在沒有損耗的情況下，可以容易證明 0????????dzwIps (37)這個式子說明，拉曼散射效應(yīng)過程中，泵浦光和斯托克斯光束的光子總數(shù)是不變的。如果去掉（36）方程中右邊方程的第一項，求解方程就比較容易，帶入方程（35 ） ，可以得到： ??sspRs IzIgdz???ex0 (38)第 8 頁 共 27 頁上式中 0I是表示處 0?z的入射泵浦的光強。方程（38）可以求解得到：????LIgILsefRss ??0xp (39)??pef?1 (310)方程（39 ）可以得出由于光纖消耗，有效光纖長度從 L減少到 ef。利用方程(39)，需要知道 0?z處的入射光的光強 ??0sI。事實上，拉曼散射效應(yīng)是在整個光纖上產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射的基礎(chǔ)上建立的。斯托克斯功率按照方程（39 ） ，考慮到每個能量為 hw 的頻率分量的放大，在拉曼增益普范圍內(nèi)積分計算，即 ??????dwLIghLPsefpRs???? ???0ex (311)上面式中如果光纖只容納一個模式。即使不知道 ??Rg的函數(shù)，也能用最速下降法近似的計算式中的積分，由于積分中的增益峰值為 sw?，周圍有一個很窄的區(qū)域，所以 ??????LIgPLsefRefss ???0xp0 (312)上式中， 0?z處的有效入射光功率是 efsefsBhw0 (313)2102swRefef gLI?????????? (314)從物理意義上來講，是 中心位于 p??附近的斯托克斯輻射的有效帶efB寬。對于拉曼閾值，它是當光纖的輸出端斯托克斯功率和泵浦光功率相等時的入射泵浦光功率，或 ????LPLsps ???ex0 （315)上式中， efAIP0?表示泵浦光入射功率， fA表示有效模場面積，將（312）帶入（313 ）中，并且假設(shè) ps?， ，那么條件變化為??00ex0LgefRfS? （316）式中，efS0通過（313） （314）還和 P有關(guān)。如果拉曼增益譜為洛侖茲形，那么臨界泵浦功率近似第 9 頁 共 27 頁160?efcrRALPg