【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以及泵浦光的插入損耗相對(duì)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(gè)方向通過，對(duì)反射光有很強(qiáng)程度的阻擋作用。隔離器作用是保護(hù)光源，并且可以抑止后向瑞利散射以及泵浦源的波動(dòng)的影響。3)衰減器衰減器用于調(diào)節(jié)輸入光功率，對(duì)信號(hào)光和泵浦光功率進(jìn)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(hào)分開。5)偏振控制器偏振控制器的作用是調(diào)節(jié)信號(hào)光和泵浦光的偏振態(tài)，一般用于偏振相關(guān)性的測(cè)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(dāng)作獨(dú)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(yè) 共 27 頁(yè)光隔離器耦合器 光隔離器濾波器傳輸光纖信號(hào)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(hào)光同向進(jìn)入傳輸光纖再經(jīng)過耦合器進(jìn)行耦合，這樣就使得信號(hào)光與泵浦光之間的串?dāng)_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(hào)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(qiáng)度噪聲。對(duì)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?dāng)_低 4 個(gè)量級(jí)，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(hào)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(yè) 共 27 頁(yè) 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(dòng)模之間的相互作用的結(jié)果，如果一個(gè)光子入射到一個(gè)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(gè)頻率較低的光子，這個(gè)二次光子就是斯托克斯光子。用量子力學(xué)解釋：如圖 35，當(dāng)一個(gè)泵浦光子入射進(jìn)光纖中，光纖中電子受激從基態(tài)躍遷到虛能級(jí)，然后通過信號(hào)光的感應(yīng)，虛能級(jí)的電子回到振動(dòng)態(tài)的高能級(jí)，并且此時(shí)發(fā)出一個(gè)斯托克斯光子。光纖中電子可以躍遷到虛能級(jí)，回到基態(tài)，發(fā)出一個(gè)反斯托克斯光子，在光纖中振動(dòng)態(tài)能級(jí)有一個(gè)比較大范圍，所以如果弱信號(hào)光和強(qiáng)泵浦光同時(shí)注入光纖中共同傳輸，并且信號(hào)光波長(zhǎng)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(hào)光，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大 [4]。虛能級(jí)振動(dòng)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(jí)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(gè)虛能級(jí)，因此受激拉曼散射是一個(gè)瞬間完成的過程。受激拉曼散射對(duì)于任何相反方向的泵浦與信號(hào)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(hào)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(gè):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(shí)候信號(hào)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(hào)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(hào)放大自發(fā)輻射功率， out 和 i分別為信號(hào)的輸出光功率以及輸入光功率。在信號(hào)放大時(shí)，忽略泵浦光功率的消耗:第 7 頁(yè) 共 27 頁(yè) ???????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(zhǎng)度 L 以及光纖損耗系數(shù) s能影響得到的凈增益，所以對(duì)增益介質(zhì)的選擇對(duì)于設(shè)計(jì) FRA 非常重要。 拉曼光纖放大器的拉曼閾值在連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)條件下，斯托克斯波的初始增長(zhǎng)描述為 spRsIgdzI? （34）式中 sI表示斯托克斯光強(qiáng)， p表示泵浦光光強(qiáng)， R表示拉曼增益系數(shù)。假設(shè)一種最簡(jiǎn)單情形，一束連續(xù)波入射進(jìn)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(gè)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(dāng)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(gè)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(xiàng)，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(yè) 共 27 頁(yè)上式中 0I是表示處 0?z的入射泵浦的光強(qiáng)。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(zhǎng)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(qiáng) ??0sI。事實(shí)上，拉曼散射效應(yīng)是在整個(gè)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(gè)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(jì)算，即 ??????dwLIghLPsefpRs???? ???0ex (311)上面式中如果光纖只容納一個(gè)模式。即使不知道 ??Rg的函數(shù)，也能用最速下降法近似的計(jì)算式中的積分，由于積分中的增益峰值為 sw?，周圍有一個(gè)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(duì)于拉曼閾值，它是當(dāng)光纖的輸出端斯托克斯功率和泵浦光功率相等時(shí)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(chǎng)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(yè) 共 27 頁(yè)160?efcrRALPg