0.   引言

随着信息资源数量的急剧增长，对大容量、长跨距光纤通信系统的需求也与日俱增。光信号放大技术可以实现对光信号在光纤传输过程中损耗的补偿，并保证宽带波分复用系统各波长光信号能得到较为均衡的功率放大，是长距离光通信系统中的核心技术之一。掺铒光纤放大器^[1]被广泛应用于光纤通信系统中的预放、功率放大和中继放大模板中，其增益带宽能覆盖1530 nm~1580 nm波段。半导体光放大器^[2]可覆盖更宽的增益波段，也是光通信系统中常用的放大器。光纤喇曼放大器^[3]则是利用无源单模光纤本身的受激喇曼散射效应，喇曼抽运光和信号光的频率差由单模光纤的喇曼频移决定，可实现对信号光在长距离光纤链路上的分布式放大^[3-4]，相比于集总式的掺铒光纤放大器和半导体光放大器，光纤分布式喇曼放大可以使得信号光在光纤中的功率分布更为均衡，从而降低自发辐射噪声及多类非线性效应的影响。因此，光纤分布式喇曼放大在具备高增益的同时还具有相比于掺铒光纤放大器更低的噪声指数，为实现更长距离的光传输提供了解决方案。此外，分布式喇曼放大具备可工作在任意波段、提供较宽的增益带宽等独特优势，可以为光纤通信系统在1.4 μm和1.6 μm等波段的拓展提供有效的光放大方案，助力光纤通信系统的进一步扩容^[5-6]。近年来，为进一步实现长距离低噪声喇曼放大系统，优化并预测喇曼放大系统增益带宽、平坦度等性能参数，多种新型光纤分布式喇曼放大技术得到开发并应用。本文作者对目前新型光纤分布式喇曼放大技术研究进展进行了介绍，梳理光纤分布式喇曼放大关键技术及改进方向。

1.   基于超长距离光纤激光器的高阶分布式喇曼放大技术

传统的分布式光纤喇曼放大方案通常采用低噪声1.4 μm波段的半导体激光器作为喇曼放大抽运源，从而实现对1.5 μm波段光信号在长距离传输光纤中的分布式放大。为了进一步提升光信号在光纤中的传输距离和功率平坦度，可采用高阶喇曼放大的方法^[7-9]，使C波段光信号在光纤中的功率分布进一步朝光纤尾端延伸。如采用2阶分布式喇曼放大，可同时在光纤一端注入2阶喇曼抽运源(通常为1.3 μm波段高功率光纤激光器)和1阶喇曼抽运源(通常为1.4 μm波段半导体激光器)，通过级联喇曼放大的方式实现对C波段光信号的分布式放大^[7-9]。为了避免使用多个喇曼抽运源，ANIA-CASTANÓN等人首先提出了一种基于超长距离光纤激光器的2阶分布式喇曼放大方案，其方案如图 1^[10]所示。该方案中喇曼抽运源为1366 nm高功率光纤激光器，并在长距离传输光纤两端设置两个1455 nm的光纤光栅，当1366 nm抽运功率足够高时，在长传输光纤中可实现1455 nm喇曼激光的激射，而光纤中的1455 nm激光通过喇曼放大即可实现对1550 nm信号光的分布式放大。相比于同时注入1阶及2阶喇曼抽运源的方案，基于超长距离光纤激光的2阶分布式喇曼放大方案具有结构简单、紧凑、低成本等优势^[10-12]。

图  1  基于超长距离光纤激光器的2阶分布式喇曼放大方案示意图^[10]

Figure  1.  Schematic of the second-order distributed Raman amplification based on ultralong fiber laser ^[10]

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ANIA-CASTANÓN等人进一步利用图 1所示的双向抽运超长距离光纤激光器2阶分布式喇曼放大实现了在75 km长光纤链路上对1550 nm信号光的准无损传输，实验测得的信号光沿光纤链路的功率分布图如图 2^[10]所示，信号光在75 km光纤链路上的功率波动值仅为1.35 dB。此外，研究人员还展示了该放大方案在光谱-传输距离双维度上的准无损传输能力，实验验证了该放大方案可以实现在20 km光纤长度下对1540 nm~1560 nm带宽内不同波长光信号的准无损传输^[13]，充分展示了该方案优异的放大性能。

图  2  基于双向抽运超长距离光纤激光器2阶分布式喇曼放大的75 km准无损传输实验结果图^[10]

Figure  2.  Experimental result of 75 km quasi-lossless transmission with bidirectionally pumped the second-order distributed Raman amplification based on ultralong fiber laser^[10]

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在此基础上，JIA等人理论研究了双向抽运超长距离光纤激光3阶喇曼放大方案在准无损光信号传输中的应用，表明采用更高阶的双向喇曼放大可以进一步提升无损传输的光纤链路距离^[14]。2018年, WU等人展示了基于双向抽运超长距离光纤激光3阶喇曼放大的准无损传输系统，其实验装置图如图 3^[15]所示。

图  3  基于超长距离光纤激光器的3阶分布式喇曼放大方案示意图^[15]

Figure  3.  Schematic of the third-order distributed Raman amplification based on ultralong fiber laser^[15]

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为了实现3阶喇曼放大，实验中采用了高功率1280 nm光纤激光器作为抽运源，在长距离传输光纤两端设置两个1365 nm及1461 nm的光纤光栅，待传输的信号光波长为1550 nm。因采用了更高阶的喇曼放大方案，在100 km光纤链路上，1550 nm信号光的功率分布极为平坦，其功率波动值为1 dB，如图 4^[15]所示，这也是目前实验报道的最长准无损光传输距离。同时，也展示了75 km链路下的准无损传输实验结果，其功率波动值为0.5 dB。通过与图 2结果的直接对比，证明了更高阶喇曼放大对信号光功率分布平坦度的提升效果。基于超长距离光纤激光器的分布式喇曼放大方案也在保密通信领域得以应用，2014年，EL-TAHER等人提出并实现了基于超长距离光纤激光器喇曼放大的500 km长链路的安全密钥分发^[16]。

图  4  基于双向抽运超长距离光纤激光器3阶分布式喇曼放大的100 km及75 km准无损传输实验结果图^[15]

Figure  4.  Experimental result of 75 km and 100 km quasi-lossless transmission with bidirectionally pumped third-order distributed Raman amplification based on ultralong fiber laser ^[15]

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相对强度噪声(relative intensity noise，RIN)转移是高速光通信系统中光放大器性能参数中的重要指标。ALCÓN-CAMAS等人利用数值仿真理论研究了基于超长距离光纤激光器的双向抽运2阶分布式喇曼放大方案的RIN转移问题^[17]，研究结果表明，光纤链路长度、前后向抽运分配比例及光纤光栅反射率等因素都会显著影响抽运光至信号光的RIN转移强度。2016年，RIZZELLI等人实验研究了基于超长距离光纤激光器的双向抽运2阶分布式喇曼放大RIN转移及其参数优化，并采用光纤循环回路实现了2159 km、10路波分复用30 Gbaud (10× 30 Gbaud)双极化四相相移键控(dual polarization quadrature phase shift keying，DP-QPSK)光信号传输，研究了品质因子Q随喇曼放大系统中前后向喇曼抽运分配比例和光栅反射率的影响，可知在较少的前向抽运比例及较小的前端光纤光栅反射率下系统具有更好的光信号传输质量^[18]。2017年, GALLAZZI等人实验演示了采用基于超长距离光纤激光器的双向抽运2阶分布式喇曼放大，光纤循环回路可实现6479 km的10×30 Gbaud DP-QPSK光信号传输，前向抽运比例和前端光纤光栅反射率分别优化为20%和10%^[19]。

近年来，研究人员发现，当光纤长度较长时，在图 1所示的超长距离光纤激光器示意图中，即使去掉光纤一端的光纤光栅并采用单端抽运结构，在足够高的1366 nm喇曼抽运源功率下，光纤链路中仍能产生1455 nm的喇曼光纤激光激射，并放大光纤链路中的1550 nm信号光。这是因为长光纤中的后向随机瑞利散射可以起到随机反馈的作用，结合光纤一端的光纤光栅，即可实现喇曼光纤随机激光激射^[20]，而光纤中的随机激光也可以通过喇曼增益实现对1550 nm信号光的分布式喇曼放大，这种新型的放大技术又称为光纤随机激光喇曼放大技术^[20-21]。JIA等人首次研究了光纤随机激光喇曼放大的增益和噪声特性，结果表明，在提供相同的增益下，基于光纤随机激光的喇曼放大方式相比于常规使用的1阶双向喇曼放大方案具备更低的等效噪声指数，证明了光纤随机激光喇曼放大的低噪声特性^[21]。在光纤随机激光喇曼放大概念被提出后，英国阿斯顿大学研究团队开展了多类基于光纤随机激光喇曼放大的长距离高速光通信系统研究。2016年，阿斯顿大学研究团队采用如图 5^[22]所示的双向抽运光纤随机激光喇曼放大方案，并通过优化前后向抽运功率，实现了光纤循环回路7915 km长的10×116 Gbit/s DP-QPSK的光信号传输。

图  5  基于双向抽运光纤随机激光2阶喇曼放大方案的实验装置图^[22]

Figure  5.  Schematic of the second-order Raman amplification based on bidirectional pumped random fiber laser^[22]

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传输后的波分复用光信号Q因子及光信噪比(optical signal-to-noise ratio，OSNR)如图 6^[22]所示，表明了超长距离光纤随机激光喇曼放大方案具备优异的放大性能。此外，ROSA等人还实现了基于双向抽运光纤随机激光喇曼放大在352.8 km长标准单模光纤SMF28链路上的14×100 Gbit/s高速光信号无中继放大传输，这也是在352.8 km光纤链路上不采用特殊光纤及掺铒光纤遥泵放大情况下的最大容量信号传输^[23]。

图  6  10×116 Gbit/s DP-QPSK的光信号光纤循环回路传输7915 km后的OSNR和Q因子结果图^[22]

Figure  6.  OSNR and Q factor for 7915 km recirculating loop experiment of 10×116 Gbit/s DP-QPSK signal^[22]

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除了在光纤通信系统中的应用，基于超长距离光纤激光器的高阶分布式喇曼放大技术也在长距离光纤分布式传感系统中发挥了重要作用。MARTINS等人利用双向抽运超长距离光纤激光2阶喇曼放大方案，实现了125 km长的相位敏感光时域反射仪^[24]。2019年，FU等人利用光纤随机激光3阶+2阶双向喇曼放大方案实现了布里渊光时域反射仪的传感距离(175 km)突破^[25]。2023年，HAN等人利用光纤随机激光6阶喇曼放大方案实现了152 km长、6 cm空间分辨率的高精度混沌光时域反射仪^[26]，并能实现对远端光纤光栅传感元件的温度传感。

2.   基于宽带非相干抽运源的低噪声喇曼放大技术

由于在喇曼放大过程中存在的RIN转移会将抽运的强度噪声转移至信号光上，因此如何实现低噪声喇曼放大技术也是该领域的研究重点之一。在1阶喇曼放大中，对抽运功率的要求在百毫瓦量级，因此可采用低噪声的半导体激光器作为1阶喇曼放大的抽运源。而在2阶喇曼放大系统中，对2阶喇曼抽运的功率要求在数瓦量级，超出了目前低噪声半导体激光器的输出功率水平，因此，目前常用1.3 μm波段高功率光纤激光器作为2阶喇曼放大的抽运源。然而，由于高功率光纤激光器往往具有较高的时域强度噪声水平，导致2阶喇曼放大后的信号光噪声水平也较高。

KEITA等人首先通过理论分析和数值仿真，计算了在同向喇曼放大(信号光和喇曼抽运光同向传输)中采用窄带相干抽运源和宽带非相干抽运源时的RIN转移，结果表明, 在相同的喇曼增益(40 dB)下，采用宽带非相干抽运源的喇曼放大RIN转移值相比于采用窄带相干抽运源降低了13 dB ^[27]。近年来，研究人员实验展示了多种基于宽带非相干抽运源喇曼放大方案的高速大容量光信号传输系统。2017年，MORIMOTO等人提出了结合基于高功率相干光源的2阶喇曼抽运和基于宽带非相干光源的1阶喇曼抽运的新型同向2阶喇曼放大方案^[28], 实验结果表明，通过引入宽带1阶喇曼抽运，可以有效抑制2阶喇曼抽运时域强度噪声转移至信号光上，从而实现了2720 km光纤循环回路22.5 Gbaud、16位正交振幅调制光信号的高质量传输。2018年，IQBAL等人对比了在反向2阶喇曼放大方案中分别采用1.45 μm波段宽带非相干光源和1454 nm窄带半导体激光器作为1阶喇曼抽运源时的光信号传输效果，2阶喇曼抽运源均为高功率1366 nm光纤激光器^[29], 其中，基于1.45 μm波段宽带非相干光源作为1阶喇曼抽运的反向2阶喇曼放大实验装置图如图 7^[29]所示。同时，该团队也将基于光纤随机激光的反向2阶喇曼放大纳入对比中，基于1454 nm窄带半导体激光器作为1阶喇曼抽运的反向2阶喇曼放大实验装置图(见图 8a)及基于光纤随机激光反向2阶喇曼放大的实验装置图(见图 8b)如图 8^[29]所示。

图  7  基于1.45 μm波段宽带非相干光源作为1阶喇曼抽运的反向2阶喇曼放大实验装置图^[29]

Figure  7.  Schematic of the second-order Raman amplification experimental setup based on the 1.45 μm band broadband incoherent light source as the first-order Raman pump^[29]

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图  8  反向2阶喇曼放大实验装置图^[29]

Figure  8.  Schematic of the second-order Raman amplification experimental setup^[29]

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图 9a^[29]为实验中采用1.45 μm波段宽带非相干光源、1454 nm窄带半导体激光器及光纤随机激光的光谱图; 图 9b^[29]为基于这3种光源的反向2阶喇曼放大方案下的光传输信号Q因子随传输距离的变化图。可以看出，由于有效地抑制了RIN转移，采用1.45 μm波段宽带非相干光源的反向2阶喇曼放大方案可以实现最长距离的光信号传输，对10×120 Gbit/s DP-QPSK信号的光纤循环回路传输距离达到7915 km，比采用窄带半导体激光器作为1阶喇曼抽运源时传输距离延伸了12% (833 km)。2023年，TAENGNOI等人利用1.5 μm波段掺铒光纤宽带自发辐射放大光源作为喇曼抽运源，实现了对U波段1650 nm信号光的低噪声长距离分布式喇曼放大，完成了9.2 Gbit/s二进制相移键控信号285 km的无中继放大，是U波段报道的最长的无中继单跨距高速光传输距离^[30]。

图  9  a—1.45 μm宽带非相干光源、1454 nm窄带半导体激光器及光纤随机激光的光谱图^[29]   b—光传输信号Q因子随传输距离的变化图^[29]

Figure  9.  a—spectra of 1.45 μm broadband incoherent pump, 1454 nm narrowband semiconductor laser and random fiber laser^[29]   b—Q factor versus signal transmission distance^[29]

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宽带非相干喇曼抽运源也可以应用于双向喇曼放大系统中。2017年，TAN等人提出了结合1阶宽带喇曼抽运源同向放大和光纤随机激光反向2阶喇曼放大的双向喇曼放大方案^[31]，有效降低了放大过程的RIN转移和自发辐射噪声，在注入100 mW 1阶宽带光纤激光喇曼抽运的条件下，对10×120 Gbit/s DP-QPSK信号的光纤循环回路传输距离达到7499 km。2018年，该团队又采用1.45 μm喇曼自发放大辐射光源作为1阶宽带非相干喇曼抽运源，基于该1阶宽带喇曼抽运源同向放大和光纤随机激光反向2阶喇曼放大的双向喇曼放大方案实验装置图如图 10^[32]所示。其中1阶宽带非相干喇曼抽运源为1.45 μm喇曼自发放大辐射光源。

图  10  基于1阶宽带喇曼抽运源同向放大和2阶光纤随机激光喇曼反向放大的双向喇曼放大方案实验装置图^[32]

Figure  10.  Diagram of bidirectional Raman amplification scheme based on the first-order Raman co-directional amplification with broadband Raman pump source and the second-order Raman counter-directional amplification with fiber random laser^[32]

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图 11^[32]为不同1阶宽带喇曼抽运源功率下信号传输后的Q因子随入纤功率及传输距离的变化图。从实验结果可以看出，在注入50 mW 1阶宽带非相干喇曼抽运的条件下，10×120 Gbit/s DP-QPSK信号的光纤循环回路传输距离最长，达到8332 km。

图  11  不同宽带喇曼抽运源功率下信号传输后的Q因子随入纤功率及传输距离的变化图^[32]

Figure  11.  Q factors & input power and transmission distance with different broadband Raman pump powers^[32]

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2024年，DUTTA等人理论及实验分析了同向2阶喇曼放大中的噪声特性，结果表明，采用1阶宽带非相干喇曼抽运源能一定程度上降低RIN转移，但要实现高性能低噪声的同向2阶喇曼放大仍需要低噪声宽带2阶喇曼抽运源^[33]。因此，开发1.3 μm波段数瓦级高功率的宽带非相干光源是后续实现低噪声同向2阶喇曼放大的重点研究方向之一。

3.   基于机器学习的智能分布式喇曼放大技术

光纤分布式喇曼放大的一个重要优势在于: 可以为任意波段的光信号提供较宽的增益带宽，从而为光纤通信系统在O、E、S、U波段等波段的拓展提供有效的光放大方案。此外，通过采用多波长喇曼抽运源的方式可实现超宽带且增益谱形状可控的光放大。在放大系统中，可通过设计多波长喇曼抽运源的波长值和每个波长喇曼抽运源的功率值来实现喇曼增益谱的形状调控，而这需要复杂的数值仿真计算。在实际实验中，由于光纤实际参数与仿真参数的区别以及光纤参数在链路中分布的不均匀性，利用数值仿真得到的喇曼抽运源参数在实际系统中得到的喇曼增益谱可能与目标值存在差别，且难以灵活调控。近年来，随着机器学习在光子学中的应用研究日益成熟，基于机器学习算法的智能化分布式喇曼放大系统也得到了深入研究，利用机器学习算法，可快速实现对喇曼放大系统放大性能的灵活调控和准确预测，为实现高性能的光纤分布式喇曼放大系统提供了全新的平台。

2020年，ZIBAR等人提出了利用机器学习算法计算多波长抽运喇曼放大器中各抽运波长值及功率值，以实现预设的喇曼增益谱形状^[34]。通过如图 12^[34]所示的多层神经网络算法, 可计算出实现目标喇曼增益谱形状的4个喇曼抽运的波长值及各个波长的功率值。

图  12  用于计算多波长抽运喇曼放大器中各抽运波长值及功率值的多层神经网络算法架构图^[34]

Figure  12.  Illustration of the multi-layer neural network for calculating pump powers and wavelengths in multiwavelength pumped Raman amplifier^[34]

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图 13^[34]展示了利用机器学习计算的多波长抽运参数实验得到的喇曼增益谱和目标喇曼增益谱对比图。结果表明，利用机器学习算法计算的多波长抽运参数在C波段实验及数值仿真得到的喇曼增益谱和目标喇曼增益谱最大误差的标准差分别为0.17 dB和0.2 dB，证明了机器学习算法在优化多波长喇曼抽运参数方面的优异能力^[34]。2021年，de MOURA等人通过在包括标准单模光纤、超低损耗光纤、色散补偿光纤、高非线性光纤等多种常用光纤中的喇曼放大实验，实验验证了机器学习算法得到的多波长喇曼抽运参数在不同光纤中均能很好地得到目标喇曼增益谱，最大误差小于0.5 dB，充分展示了机器学习算法在抽运参数设计中的普适性^[35-36]。

图  13  利用机器学习计算的多波长抽运参数实验得到的喇曼增益谱和目标喇曼增益谱对比图^[34]

Figure  13.  Comparison of experimental Raman gain spectra obtained by multi-wavelength pump parameters calculated by machine learning and the target Raman gain spectra^[34]

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随着机器学习算法在喇曼放大器中的应用逐步开展，研究人员采用多种机器学习算法以实现对喇曼放大器增益及噪声特性的预测和优化。BRUSIN等人提出一种负载感知神经网络算法，对喇曼放大器的增益谱形状及自发辐射噪声谱形状进行快速准确预测，基于该算法的预测值与实际值的最大误差小于0.5 dB^[37]。2021年，de MOURA等人提出基于单层神经网络算法，同时实现了对喇曼放大器的喇曼增益谱设计和等效噪声指数预测功能，最大误差约为0.3 dB^[38]。2022年，SOLTANI等人提出利用卷积神经网络算法结合差分进化算法，优化双向抽运喇曼放大器前向及后向抽运波长及对应功率值，实现了多波长光信号在空域及光谱域双维度的功率分布设计，保证了各波长信号光在光纤链路上具备较小的功率波动且多波长信号光具有较为均衡的增益值^[39]。2022年，BORRACCINI等人提出基于进化优化策略的喇曼放大器控制模板，用于现场设备校准和最佳泵功率配置设计^[40]。

除了对单模光纤喇曼放大器进行机器学习性能优化外，研究人员还开展了基于机器学习算法的少模光纤喇曼放大系统的性能优化及调控。2020年，CHEN等人利用神经网络模型优化少模光纤喇曼放大系统的抽运波长、功率和模式含量，以获得低模式相关增益的平坦喇曼增益谱，其处理架构示意图如图 14所示^[41]。

图  14  基于神经网络优化少模光纤喇曼放大系统抽运参数的示意图^[41]

Figure  14.  Schematic of pump parameters optimization of few-mode fiber Raman amplification based on neural network^[41]

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实验中采用4模光纤的反向喇曼放大系统，图 15^[41]为基于神经网络优化的抽运参数下少模光纤喇曼放大器4个模式的喇曼增益谱，实现了12 dB开关增益下4个模式间的喇曼增益差异小于0.3 dB。2021年，MARCON等人在神经网络架构中引入少模光纤喇曼放大模型，得到了针对少模光纤放大的多波长喇曼抽运源波长及功率分配优化方案，利用机器学习得到的抽运优化方案，在70 km 4模光纤中实现了50个波长信道和4个模式光信号的平坦增益喇曼放大，各波长间增益差异小于0.04 dB，各模式间增益差异小于0.02 dB ^[42]。

图  15  基于神经网络优化的抽运参数下少模光纤4个模式的喇曼增益谱^[41]

Figure  15.  Raman gain spectra of 4-mode Raman amplifier with the pump parameters optimized by neural network^[41]

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4.   结束语

光纤分布式喇曼放大技术因其高增益、低噪声、宽增益带宽等优势，在实现超长距离、超高容量光纤通信中发挥着重要的作用。本文中着重介绍了近年来兴起的几种新型光纤分布式喇曼放大技术，包括基于超长距离光纤激光器的高阶分布式喇曼放大技术、基于宽带非相干抽运源的低噪声喇曼放大技术及基于机器学习的智能分布式喇曼放大技术。

结合分布式喇曼放大技术的发展趋势和光纤通信系统的需求牵引，可推断光纤喇曼放大技术未来的研究方向包括：(a)采用更高阶的喇曼放大技术实现光信号在光纤链路中更小的功率波动和更长的传输距离，并进一步结合掺铒光纤遥泵技术实现光纤通信系统距离延伸；(b)开发低噪声宽带高阶喇曼抽运源，进一步降低高阶喇曼放大过程中的信号光噪声水平；(c)开发基于少模光纤、多芯光纤等新型传输光纤的分布式喇曼放大技术；(d)探索利用机器学习等人工智能方法实现分布式喇曼放大在功率平坦度、噪声降低等方面的性能提升；(e)将新型分布式喇曼放大技术引入各类长距离光纤传感系统中^[43]，以进一步提升传感系统性能指标。