RFA（Raman Fiber Amplifier）：拉曼光纖放大器介紹
使用多泵浦波長獲得平坦的寬頻增益譜
分散式/集總式光放大器的比較套用
摻鉺光纖放大器是一種成熟、可靠、經濟有效的技術，在光網路中的廣泛套用已經超過10年。雖然分散式拉曼放大器在很多套用方面可以彌補EDFA的不足，但是也要考慮DRA套用中的各種挑戰。
 簡化的後向泵浦的拉曼放大器套用框圖 |  某個拉曼泵浦模組在G.652光纖中的測試結果 |
（1）雷射安全。由於向傳輸光纖引入了高的泵浦功率，需要關注雷射功率安全問題。
（2）端面清潔。為了防止光連線器的損傷、燒毀，影響系統性能，端面的清潔非常重要。
（3）拉曼增益對傳輸光纖的特性敏感，例如光纖類型、光纖衰耗係數等。
（4）投入成本與運營成本的考慮。
因此，在討論DRA的套用時，應主要考慮體現其重要價值和優越性的套用，而不是使用傳統EDFA產品技術也可以滿足的套用。廣泛地說，DRA的套用可以分為無法線上路中間放大的長距離光纖通信線路的連線和LH，ULH高容量、長距離傳輸系統中的套用。
採用分散式拉曼放大器進行的傳輸實驗單跨段長距離的通信線路對於2個相距遙遠的無法線上路中間使用EDFA等中繼設備的通信站點而言，選擇使用分散式拉曼放大器產品是必須的，如海纜通信鏈路，偏遠無人區站點間的通信鏈路，不便設立中繼站點或中級放大器的通信鏈路。一般來說，如果光纖線路距離小於160km，線上路兩端使用傳統的EDFA即可，對於更長距離的線路，需要考慮使用分散式拉曼放大器（DRA）。在不同的拉曼增益下OSNR與鏈路損耗的關係。假定每個通道的傳送光功率為8dBm，前置EDFA的噪聲指數為5dB；同時假定系統容量較低，通道數較少，不考慮色散及非線性效應引起的通道代價，使用10dB增益的DRA，可以容許線路損耗增加5dB，使用14dB增益的DRA，可以容許線路損耗增加到6.3dB。對於10Gbit/s的通道，如果使用FEC(前向糾錯)，在無誤碼的條件下，容許的傳輸光纖線路損耗達到52dB，相應的光纖線路長度約為250km。
多級跨距中的長跨距連線，DRA的另一個重要套用是多跨距線路，其中一個或多個跨距的長度或損耗高於其他跨距。估計有20%的區域、長距或超長距離傳輸線路可以藉助於DRA。跨距末端的OSN隨其中的較長跨距損耗變化的曲線。曲線表明，對其中損耗為40dB的2個跨距線路，使用DRA可以使系統的OSNR改善2dB。除了改善OSNR，DRA還允許使用原先標準的EDFA線路放大器（EDFA-LA）。使用之前的假定為，一個典型的增益可調EDFA具有一定的動態增益調節範圍，例如14～26dB。因此，使用14dB的DRA，並使EDFA工作在26dB增益處，可以為線路信號提供40dB的增益。高容量長距離ULH系統ULH傳輸需求的主要背後驅動因素是光網路向動態可配置全光網路的發展。在這種光網路中，會用到可充配置分插/復用模組（ROADM）和交叉連線器（OCX），表明所有的光通道應該能夠穿越傳輸距離很長的光網路。
 不同DRA增益下的OSNR//鏈路損耗關係曲線 |  用和不用DRA條件下OSNR與長跨距損耗的關係曲線 |
 用和不用DRA的條件下OSNR與跨距數目的關係曲線 |  用和用DRA的條件下OSNR與距離的關係曲線 |
套用注意事項
雷射安全是光傳輸系統的一個關鍵問題，當由於意外原因使得光連線器開路或光纖線路故障時，要求與傳輸相關的所有雷射器和發射機的功率應降低到安全水平值以下。使用DRA的傳輸系統與傳統的採用EDFA的系統在兩方面有主要區別：
（1）拉曼泵浦模組的輸出功率比EDFA系統的典型功率水平高很多，高於指定的雷射輻射安全水平。
（2）分散式拉曼放大器DRA沿傳輸光纖產生自發輻射噪聲（ASE），即使中間光纖發生斷裂故障，ASE功率仍沿著系統方向傳輸，這使得EDFA系統經常使用的輸入無光關斷的控制方式在此不太適用。為了解決這個問題，需要準確判斷線路情況及線路有效信號功率，方法包括泵浦反射監測，OSC信道功率監測，帶外ASE功率監測等方式。通過這些機制，可以提供拉曼放大器放大效率及其他重要的診斷信息，實現拉曼泵浦模組的自動關泵功能。
拉曼增益與傳輸光纖特性的相關性
拉曼放大器的增益介質即是傳輸光纜，因此傳輸光纜的種類及質量對拉曼放大器的性能有很大影響。在給定的泵浦條件下，獲得的拉曼增益及拉曼增益譜的形狀與傳輸光纖的類型密切相關。現在中國境內鋪設的光纜主要是G.652和G.655，也有少數地方存在G.653光纖。由於各種傳輸光纖的數值孔徑不同，製造工藝不同，其作為增益光纖的增益特性、噪聲特性也不一樣。在G.652和G.655光纖中，G.655光纖的增益較大，色散受限小，而G.652光纖則增益較小，但是噪聲特性相對較好，適於長距離無電中繼傳輸。而G.653光纖由於其較小的模場直徑及色散係數，導致其非線性係數較高，因此光纜中存在強烈的四波混頻，交叉相位調製及受激拉曼散射等非線性效應。引入拉曼放大器，能夠有效減小G.653光纖的入纖功率，最佳化系統性能。
發展歷史
受激拉曼散射（SRS）拉曼光纖放大器在觀察到SRS效應後不久就有所考慮，在80年代末至90年代直至現在逐漸引起人們的廣泛關注。1972年Stolen等首先在拉曼光纖放大器的實驗中發現了拉曼增益，初期的研究主要側重於研製拉曼光纖雷射器。80年代在光纖通信套用的推動下開始研究拉曼光纖放大器。1981年Tkeda採用1.017μm的泵浦光放大1.064μm的信號光，經1.3km單模光纖放大獲得了30dB小信號增益。1983年Desurvire等用2.4km的單模光纖放大1.24μm的光信號，獲得45dB的小信號增益。1986年Olsson用拉曼光纖放大器作為光纖通信系統接收機的前置放大器。1987年Edagawa研究了拉曼光纖放大器的寬頻多信道放大特性。1989年Mollenauer採用41.7km的光纖環和1.46μm的色心雷射器泵源，利用拉曼增益放大脈寬55ps、波長1.56μm的孤子脈衝穩定傳輸了6000km。1995年Grubb等實現了4×10G/s WDM多通道放大。1996年Stentz等研製成1.3μm拉曼光纖放大器。1997年Masuda等研製成EDFA與拉曼光纖放大器混和結構的寬頻放大器。1999年拉曼光纖放大器成功的套用於DWDM系統，Bell實驗室演示了拉曼放大結合EDFA的1.6Tbit/s 400km的傳輸系統。拉曼光纖放大器其固有的全波段可放大特性和可利用傳輸光纖做線上放大的優點使其進一步收到廣泛關注，今後會逐漸在光放大器家族占據重要地位！
新進展
隨著10Gb/s DWDM長距離傳輸系統的大量套用和40Gb/s技術的日趨成熟，喇曼光纖放大器的重要性日漸顯露，並逐步進入商用。光器件製造商競相研製出了性能優良的喇曼光纖放大器，主要是希望利用喇曼光纖放大器特有的分散式放大、可降低非線性影響、噪聲特性好等特點，進一步推動高速、大容量、長距離光纖傳輸系統的發展。 2 新型泵浦結構的分散式喇曼光纖放大器 傳統的分散式喇曼光纖放大器大都採用後向泵浦的方式，與前向以及雙向泵浦的方式相比，這種泵浦方式存在等效噪聲指數大的缺點，如果同時採用單一方向的泵浦結構就不能同時實現增益與噪聲指數的最佳化。而通過雙向泵浦結構及合理的泵浦波長的選擇，在1528〜1605nm範圍內可以同時實現增益與噪聲指數的平坦化。該泵浦結構如圖1所示,得到的實驗結果如圖2所示。
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3 用於喇曼光纖放大器的材料和器件進展 目前，輸出功率在350mW的14xxnm泵浦雷射器已經商用，此類器件同時帶有布拉格光纖光柵穩頻器；泵浦偏振合波器件及WDM合波器件正日趨完善，特別是制約分離式喇曼光纖放大器研究進展的增益介質也取得了可喜的突破。現在出現了一種採用光子晶體光纖技術研製的高非線性光纖，它彌補了通常色散補償光纖的喇曼增益係數小的問題。這種模場直徑更小、喇曼增益係數更大的光子晶體光纖一經開發成功便受到廣泛關注，其截面結構如圖3所示。這種光子晶體光纖的特點是：光纖纖芯由固體的SiO2組成，模場直徑非常小(≤1μm)、非線性係數高；包層中有許多空氣孔，這些空氣孔主要是用來有效地降低包層的折射率。 4 功能完善、控制靈活的喇曼光纖放大器 國內在喇曼放大器產品的研究開發方面也一直十分火熱，一些科研院所和企業單位相繼開展了喇曼放大器的研究開發。其中，武漢光迅科技有限責任公司尤為突出：公司在湖北省科技廳、國家“863”計畫的支持下，經過一年多的重點攻關，成功開發出系列喇曼光纖放大器用無源光器件(申請了9項專利)，並在2002年率先在國內推出喇曼光纖放大器的第一代產品。目前，經過科研人員的共同努力，又順利完成了對第一代喇曼光纖放大器的產品升級改進，推出了第二代系列喇曼光纖放大器產品。
1) 多波長喇曼光纖放大器主要特點 泵浦波長的選擇更加靈活、方便 每個模組內可以裝6隻泵浦雷射器，因此可供選擇的泵浦波長數可以分別是3、4、5、6；能夠根據客戶的不同要求給出最佳的泵浦組合方案，從而使泵浦之間的四波混頻效應對系統性能的影響降到最低，同時更容易實現喇曼放大器的增益斜率的控制。由於採用的是偏振合波加消偏的合波方式，因此可以方便地實現任意的波長組合，同時也消除了分散式喇曼放大器對偏振敏感的缺陷。 結構設計更加合理 採用光電分離的設計結構，此結構設計為產品的維護提供了便利。 功能更加完善 採用創新的光路設計與軟體控制，在高背景噪聲功率的情況下(ASE噪聲功率>-20dBm)能準確檢測出信號光的功率，檢測範圍寬：－40〜10dBm。產品還實現了無光告警、泵浦雷射器的自動關斷功能。 產品更加安全、可靠 喇曼放大器的泵浦輸出功率非常高，但在光纖線路斷開時，喇曼光纖放大器就會自動把泵浦雷射器關斷，從而保護線路維護人員的安全。產品採用硬體控制的方式，消除了軟體控制存在的缺陷，性能更加穩定，回響速度更快。
2) SDH用單波長喇曼光纖放大器 對於單波長的喇曼光纖放大器，即SDH用喇曼光纖放大器的研究，主要是利用了它能夠延長傳輸距離的特點。我們的SDH用喇曼光纖放大器採用全新的光路設計，實現了喇曼放大器的無光告警以及自動關斷功能，同時採用最佳化的泵浦波長大大提高了喇曼轉換效率，在總泵浦功率相同的條件下，單波長喇曼光纖放大器的增益比多波長情況下提高了3〜5dB。我們的SDH用喇曼光纖放大器已成功套用於線路損耗大於54dB的超長跨距的2.5Gb/s SDH通信系統中。
3) 混合光纖放大器(Raman+EDFA)繼成功套用於2.5Gb/s的SDH超長距離的通信系統之後，我們的喇曼光纖放大器又成功套用於10Gb/s的SDH系統中。分散式喇曼放大器有兩個突出的優點：一是理論上可以放大任意的波長，二是傳輸光纖本身就是增益介質，信號在光纖中傳輸的同時得到放大，使得喇曼放大器的等效噪聲指數為負。但是，喇曼放大器的增益較低（實際線路中使用時不超過16dB），而EDFA雖然噪聲指數上不如喇曼放大器，但是小信號增益可 以超過30dB，因此將喇曼放大器和EDFA結合起來的混合放大器是一種理想的套用形式。實驗中我們採用外調製光發射模組，碼型為非歸零碼(NRZ)，沒有加前向糾錯(FEC)。發射模組的出光功率為0.3dBm，色散容限(2dB)1600ps/km，中心波長為1550.1nm。接收模組（PIN）的靈敏度為-18dBm，過載點為0dBm，傳輸光纖為160km G.652光纖。實驗裝置如圖4所示：
RFA-實驗圖4