2.4.2 拉曼光纤放大器
FRA 和EDFA 的技术原理存在着本质差异。在前面光纤技术章节中我们提到，强激光在光纤中传输时存在SRS 效应，FRA 的技术原理正是利用光纤的SRS 效应完成光信号放大过程的。
SRS 是由光纤物质中原子振动参与的光散射现象，是入射光子和声子相互作用的结果。高强度激光频率为ν 0 的入射光子与光纤介质的分子相互作用时，可能出现斯托克斯现象或
反斯托克斯现象。在日常温度下，分子更多地分布在基态，因此主要表现出斯托克斯过程：当入射光子与光纤介质的分子相互作用后，可能发射一个频率为νs 斯托克斯光子和频率为Δν 的光学声子。根据能量守恒原理，hν 0=hνs+hΔν（h 为普朗克常量），因此斯托克斯光子频率νs 会低于入射光子的频率，这种现象称为SRS 光波下移。
根据波长和频率对应的关系，对于波长为1450nm 的泵浦，频率位移峰宽相当于100nm ；在波长为1550nm 下给出的增益谱带宽大约为48nm，并且还可以使用掺杂剂（如硼或磷）使增益谱向其他频率移动，如图2-18 所示。
图2-18 泵浦光和增益光的波长关系
因此通过变化泵浦波长（频率）就可以简单地调整增益谱的位置，只要在所需放大波长上有可选用的高功率泵浦激光器，FRA 就可以在光纤工作窗口的任意波段实现光放大。一般在实际应用中，还会使用多个不同波长的泵浦光源，这样可以获得更宽、更平坦的增益谱，如图2-19 所示。在光放大新技术及发展趋势章节中，我们也将介绍FRA 在C+L 波段宽谱放大的优势，一个FRA 可以同时放大多个波段的光信号。
图2-19 多泵浦光拉曼放大
需要注意的是，拉曼效应在不同偏振方向上的放大效果有较大区别。如图2-20 所示，在拉曼效应曲线峰值附近，同偏振方向（共极化）的增益几乎比正交极化增益大一个数量级。
因此一般的FRA 会部署两个偏振正交邻近波长的泵浦，以同时在信号光的两个偏振方向上都产生拉曼效应。
图2-20 不同偏振方向上的拉曼效应曲线
在长距离波分传输系统中，FRA 是直接利用光路系统中业务传输的光纤作为放大介质，即FRA 泵浦光源的高功率激光在光纤传输过程中，通过非线性效应对几十千米光纤中的光信号进行持续放大，也就是常说的FRA 分布式放大的技术特性。FRA 的这种放大特性和EDFA 有两点不同。
（1）EDFA 是在端站提前进行放大，业务的信号光在进入长距离光纤传输之前就已经被抬高到一定的功率，并在传输过程中慢慢被衰耗。
（2）FRA 是在长距离光纤传输过程中沿途放大，因此业务信号光并不需要过高的入纤光功率。
FRA 的结构组成也正是充分利用以上这些技术特性，如图2-21 所示，FRA 系统会使用若干个不同波长的泵浦，这些泵浦光合波之后输入到波分系统，进入线路光纤，通过SRS 效应在光纤沿路完成放大功能。
图2-21 FRA 的结构组成
FRA 泵浦光进入光系统的方向，可以和业务光前向（同向）、后向（反向）或者双向。在同等的泵浦功率下，后向泵浦方式比前向泵浦方式可实现的增益更大，且偏振影响较前向模式更小，因此后向泵浦拉曼是目前最广泛的商用模式。
FRA 在实际应用时有一些限制，最主要的是泵浦功率高，一般达到几百毫瓦，对安全性造成挑战。但其技术优点很多，包括如下几点。
（1）拉曼增益谱比较宽，全波段光放大FRA 的增益波长由泵浦光的波长决定。只要泵浦源的波长适当，理论上可以对任意波长进行放大。FRA 的平坦增益范围可达到13THz（约100nm），覆盖了石英光纤1550nm 波长区的C+L 波段，远大于EDFA 的放大带宽。
（2） FRA 的噪声系数极低，由于放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可以降低非线性效应。
（3）分布式FRA 的增益介质为传输光纤本身，不需要特殊的放大介质。由于光纤本身就是放大器的一部分，可以降低成本，尤其适合于海底等不方便设立中继器的场景。
（4） FRA 的饱和功率高，增益谱的调整方式直接而且多样，拉曼放大的作用时间是飞秒级，可实现对超短脉冲的放大。
