非线性光纤放大器

一种固体激光放大器

非线性光纤放大器是一种固体激光放大器。其工作原理是利用光纤的非线性效应，对光纤注入泵浦光，使声子数目增加，当有信号激光通过此光纤时, 其中的声子与光子相互作用，使得光子数量增大——放大了信号激光。

基本介绍

非线性光纤放大器是利用光纤的三阶非线性光学效应———受激喇曼散射( SRS)和受激布里渊散射(SBS)等产生的增益机制而对光信号进行放大的。把基于SRS机制的光放大器称为光纤喇曼放大器( FRA—Fiber Raman Amplifier)；基于 SBS 机制的光放大器则称为光纤布里渊放大器(FBA)。它们都是借助泵浦光子与光纤中的分子体系互相作用吸收泵浦光子能量后的分子处于某一高振动能级，该能级不稳定，当它向比原来振动能级能量高的某个振动能级跃迁时便将散射出一个比泵浦光子能量低的斯托克斯光子。当入射信号光子与斯托克斯光子的频率相同时将使处于高振动能级上的分子受激辐射出同相位的斯托克斯光子实现光放大。

光纤拉曼放大器（FRA）

光纤拉曼放大器的工作原理

在某些非线性光学介质中，大能量、高频率的泵浦光将产生拉曼散射，并将部分能量转移到较低频率的光束中，其频率下移量由介质的振动模式决定。这一过程称为拉曼效应，量子力学将其描述为入射光波的光子被一个分子散射成为另一个低频光子，即较短波长的泵浦光通过散射频移将其能量转移到较长波长的信号上去，从而实现信号光的放大。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，在光纤中传输的弱信号若加入大功率、短波长的泵浦光源，送入光纤后产生受激拉曼散射效应，即可使弱信号得以放大。基于此原理制作的光放大器谓之光纤拉曼放大器。

图1为光纤拉曼放大器及其能级图，频率为ωp和ωs的泵浦光和信号光通过波长选择耦合器输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。泵浦光和信号光亦可分别在光纤的两端输入，在反向传输过程中同样能实现弱信号的放大。

光纤拉曼放大器的特点

1、增益波长由泵浦光波长决定。只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大，因此，带宽设计灵活。

2、其增益介质为传输光纤本身，故而结构较简单，避免或减少了有关耦合和连接。

3、噪声系数低。

光纤拉曼放大器的类型

1、分立式拉曼放大器

此种放大器所用光纤较短，泵浦功率要求较高，一般要达到数瓦，它像EDFA一样用来对光信号进行集中放大，主要用于EDFA无法放大的波段。色散补偿光纤（DCF）用于分立式拉曼放大器的传输介质效果较好，这预示在对系统进行色散补偿的同时还可对信号进行高增益、低噪声的放大并互不影响。

2、分布式光纤拉曼放大器

分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在DWDM系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式光纤拉曼放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。

光纤布里渊放大器（FBA）

受激布里渊散射（SBS）是光纤内产生的另一种非线性现象，与SRS类似。但其光增益是由泵浦光的受激布里渊散射而不是由受激拉曼散射产生的，它将一部分泵浦光功率通过 SBS过程转移给信号光，使信号光得到放大，由此构成的放大器称为光纤布里渊放大器（FBA）。

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的以声速传播的声波引起的。泵浦光通过电栅伸缩产生声波，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，受激布里渊散射过程可看做一个泵浦光子的湮灭，同时产生了一个斯托克斯光子和一个声学声子。在此过程中严格遵循能量和动量保持守恒定律。

由此可见，光纤布里渊放大器的工作原理与光纤拉曼放大器的相同，只是光增益由SBS提供，而不是由SRS 提供，因此，光纤布里渊放大器也是用光泵浦，泵浦功率的一部分通过SBS转变成信号。从物理本质上看，SBS 是每个能量为 hωp的信号光子，使用它的大部分能量产生一个能量为hωs的信号光子，余下的能量被用来激发一个声子。从经典理论看，SBS可被看做是声波以声的速度通过媒质传输时引起泵浦光束的散射。

SBS及其增益特性与SRS在形式上相似，但又存在重要特点，因而决定了FBA的性能与FRA有很大不同：

（1）仅当信号光传播方向与泵浦光相反时才能产生放大，即只能采用反向泵浦结构；

（2）SBS的斯托克斯频移比SRS小3个数量级；

（3）SBS产生的增益谱相当窄，带宽<100MHz。

光纤布里渊放大器的带宽如此窄，使得它们不适宜做光波系统中的功率放大器、前置放大器以及在线应用放大器。然而，这种特性在相干通信和多信道通信系统中有其特殊的用途。例如，在相干通信系统中，因为其带宽小于100MHz，接收机的本振不需要相位锁定，就可以实现零差检测。基本思路是：选择性地放大光载波，而不放大已调制边带信号；已放大的载波起着相位自动被锁定到发射载波相位上的本地振荡器的作用。这种方式在比特率大于100Mb/s 时应该工作得很好，因为此时调制边带落在放大器带宽之外，只有光载波被选择放大。

窄带宽布里渊放大器的另一种应用是作为多信道通信系统的信道选择器。信道选择器是这样实现的：在接收端发射泵浦光束到光纤，显然泵浦光束的传播方向与发送来的多信道信号相反，调整泵浦光频率比待选择的光信道正好高出布里渊频移。借助泵浦激光器的调谐，就可以有选择地放大不同的信道。

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