非線性光纖放大器

非線性光纖放大器是一種固體雷射放大器。其工作原理是利用光纖的非線性效應，對光纖注入泵浦光，使聲子數目增加，當有信號雷射通過此光纖時, 其中的聲子與光子相互作用，使得光子數量增大——放大了信號雷射。

基本介紹

• 中文名：非線性光纖放大器
• 外文名：Nonlinear fibre amplifier
• 屬性：固體雷射放大器
• 分類：FRA、FBA
• 理論基礎：利用光纖的三階非線性光學效應
• 所屬學科：電子工程

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效應———受激喇曼散射( SRS)和受激布里淵散射(SBS)等產生的增益機制而對光信號進行放大的。把基於SRS機制的光放大器稱為光纖喇曼放大器( FRA—Fiber Raman Amplifier)；基於 SBS 機制的光放大器則稱為光纖布里淵放大器(FBA)。它們都是藉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後的分子處於某一高振動能級，該能級不穩定， 當它向比原來振動能級能量高的某個振動能級躍遷時便將散射出一個比泵浦光子能量低的斯托克斯光子。當入射信號光子與斯托克斯光子的頻率相同時將使處於高振動能級上的分子受激輻射出同相位的斯托克斯光子實現光放大。

光纖拉曼放大器（FRA）

光纖拉曼放大器的工作原理

在某些非線性光學介質中，大能量、高頻率的泵浦光將產生拉曼散射，並將部分能量轉移到較低頻率的光束中，其頻率下移量由介質的振動模式決定。這一過程稱為拉曼效應，量子力學將其描述為入射光波的光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，即較短波長的泵浦光通過散射頻移將其能量轉移到較長波長的信號上去，從而實現信號光的放大。石英光纖具有很寬的受激拉曼散射增益譜，在光纖中傳輸的弱信號若加入大功率、短波長的泵浦光源，送入光纖後產生受激拉曼散射效應，即可使弱信號得以放大。基於此原理製作的光放大器謂之光纖拉曼放大器。

右圖是FRA的原理性結構示意圖，頻率為ω_p和ω_s的泵浦光和信號光通過波長選擇耦合器輸入至光纖，當這兩束光在光纖中一起傳輸時，泵浦光的能量通過SRS效應轉移給信號光，使信號光得到放大。泵浦光和信號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現弱信號的放大。

光纖拉曼放大器及其能級圖

光纖拉曼放大器的特點

1、增益波長由泵浦光波長決定。只要泵浦源的波長適當，理論上可得到任意波長的信號放大，因此，頻寬設計靈活。

2、其增益介質為傳輸光纖本身，故而結構較簡單，避免或減少了有關耦合和連線。

3、噪聲係數低。

光纖拉曼放大器的類型

1、分立式拉曼放大器

此种放大器所用光纖較短，泵浦功率要求較高，一般要達到數瓦，它像EDFA一樣用來對光信號進行集中放大，主要用於EDFA無法放大的波段。色散補償光纖（DCF）用於分立式拉曼放大器的傳輸介質效果較好，這預示在對系統進行色散補償的同時還可對信號進行高增益、低噪聲的放大並互不影響。

2、分散式光纖拉曼放大器

分散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用於DWDM通信系統性能的提高，抑制非線性效應，提高信噪比。在DWDM系統中，傳輸容量，尤其復用波長數目的增加，使光纖中傳輸的光功率越來越大，引起的非線性效應也越來越強，容易產生信道串擾，使信號失真。採用分散式光纖拉曼放大輔助傳輸可大大降低信號的入射功率，同時保持適當的光信號信噪比（OSNR）。

光纖布里淵放大器（FBA）

受激布里淵散射（SBS）是光纖內產生的另一種非線性現象，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生的，它將一部分泵浦光功率通過 SBS過程轉移給信號光，使信號光得到放大，由此構成的放大器稱為光纖布里淵放大器（FBA）。

經典理論認為，泵浦光束散射產生的斯托克斯光是由介質中產生的以聲速傳播的聲波引起的。泵浦光通過電柵伸縮產生聲波，引起折射率周期性調製，形成一種折射率光柵。泵浦光又通過光柵散射產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，產生光增益。從量子物理觀點看，受激布里淵散射過程可看做一個泵浦光子的湮滅，同時產生了一個斯托克斯光子和一個聲學聲子。在此過程中嚴格遵循能量和動量保持守恆定律。

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轉變成信號。從物理本質上看，SBS 是每個能量為 hω_p的信號光子，使用它的大部分能量產生一個能量為hω_s的信號光子，餘下的能量被用來激發一個聲子。從經典理論看，SBS可被看做是聲波以聲的速度通過媒質傳輸時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，因而決定了FBA的性能與FRA有很大不同：

（1）僅當信號光傳播方向與泵浦光相反時才能產生放大，即只能採用反向泵浦結構；

（2）SBS的斯托克斯頻移比SRS小3個數量級；

（3）SBS產生的增益譜相當窄，頻寬<100MHz。

光纖布里淵放大器的頻寬如此窄，使得它們不適宜做光波系統中的功率放大器、前置放大器以及線上套用放大器。然而，這種特性在相干通信和多信道通信系統中有其特殊的用途。例如，在相干通信系統中，因為其頻寬小於100MHz，接收機的本振不需要相位鎖定，就可以實現零差檢測。基本思路是：選擇性地放大光載波，而不放大已調製邊帶信號；已放大的載波起著相位自動被鎖定到發射載波相位上的本地振盪器的作用。這種方式在比特率大於100Mb/s 時應該工作得很好，因為此時調製邊帶落在放大器頻寬之外，只有光載波被選擇放大。

窄頻寬布里淵放大器的另一種套用是作為多信道通信系統的信道選擇器。信道選擇器是這樣實現的：在接收端發射泵浦光束到光纖，顯然泵浦光束的傳播方向與傳送來的多信道信號相反，調整泵浦光頻率比待選擇的光信道正好高出布里淵頻移。藉助泵浦雷射器的調諧，就可以有選擇地放大不同的信道。