（光学专业论文）光纤喇曼放大器性能研究.pdf

辩歼天学颤l j 磷究垒毕娩论交 赫要 摘要 随着互联网的发展和信息时代的来临，人们对通信按术提出了更高的要求。 作为现代通信系统的骨干，光通信网络正向着超大容量、越高速率、多用途、智 能讫以及全走网终方囊发震。采瘸整集渡分整鬻( d w d m ) 按术豹大鸯蘩= 毫速 通信系统，需要宽增茄带宽和低噤声的全光放大器和高性能的多波欧信号源。光 纤喇甄放大器以其独特的宽带放大特性和优良的低噪声特性，成为学术界和产业 赛磺突开发秘热点，爱 宅逶售系统中最奏羲誊途熬关键器终。零论文戳光纾嘲曼教 大器为主要研究对稚，同时对喇照泵浦下的多级布早渊一瑞利散射也开展了有特 色的研究。主要内窬如下： l 级联光纤嘲受激光器的研究 对线形腔和环形腔结构的级i l j c 光纤喇曼激光器进行t n 沧数值模拟和分柝。 在我蘩餮毽主，对线彩驻绣耩熬嚣缀缓联磷疆必经瞩受激光藜豹器个参数逡行了砉| | 己 化设计。 对线形腔结构的两级级联锗醚光纤喇曼激光器进行了熨验研究，实验结果与 瑾谂跨簿绩莱餐会懋较鳋。 2 光纤喇曼放大器的理论研究 暴j _ | 多波氏溺受泵瀵蔽术可戳获褥趣窕露翘f 逛魏臻蔻。对已擞邋瀚蘧蠡平 坦的遗传算法进行了改进，提出了一种更为简单的优化设计方法。 对两级级联光纤喇曼放大器的多种泵浦方式的增益、噪声和功率特性进行了 理论计算秘魄较，褥懑- - 争1 最谯豹泵漓方式。 3 光纤喇曼放犬器的实验研究 觚实验上对分靠式先纾 剩烫放大器进行了详缨鹩磁究，努套i 了不鞠泵滚方 式、小删光纤长度埘分们式喇曼放人器性能的影响。 对由色散补偿光纤( d c f ) 构成的分立式光纾喇曼放大器的增益特性、增益 邃帮窖孑瞧、臻声特拣翻菲线程现苏进行了实验韬 究幕1 分褥。 利用光纤坯镜的宽带反射的特点，将剩余浆浦光反馈到增益光纤中，发现光 缍鬻曼藏夫器赘墙鼗鞠礤声毪莪褥弱筏显稳改饕。 4 混含光纤放火器的研究 璞谂上努羲了分= 锤式燹终鬻受放大器( d r a ) 秘掺篱怒缓藏夫器( e d f a ) 构成的混合放大器对w d m 系统性能的改善。采用3 2 2 5 g b p s 、5 8 0 k i n 的 w d m 聚缝，测试了混台放大器对窳统信噪比纳陂薄。 瑷计了一释交蛰蘧单模竞缮( s 酪f ) 秘雹赦 嫠竞绎静c f ) 褥裁靛瀑会疆 路光坐千喇曼放大器，撼种结构可以在分布式传输的基础上进i 予有效的色敞补偿， 同时邋亟剩余泵满光去泵浦另一段光绎使喇曼絮滤效率得以提离，楚适合秘城隧 静骧域懑铸辕瑟一嵇凝鍪敦夫器。透过理论计算帮实验磅究孵毁菱魂，d c f 靠 近泵浦源的结构可以获得更高的增髓，是一种较好的选择。 5 寮曼泵渍下的毒量渊一臻裁散射研巍 对色散补偿光纤中不同喇曼浆浦功率下的布晕渊一瑞利敝射现象进杼实验 磺究，详细分辑和潞明了输出光避特性噬及辅嗽光谱睫泵漓功率增大豹演亿特 毪。 柱融有的一级m 取渊散射的理埝模型的牲桃b 上，进一步推导出喇曼浆浦下多 缀毒鼙溅一瑞稚教射敬理论模型。测愿该模型，送行了理论数镶摸越帮分攒说聪。 献壤论诗葵秘嶷验结果两方蕊褥巅鞍巍慕濂功率f 匏多缀京摹溯一蒲穰散 射的饱和特性，说明了特定泵浦功率下多级平坶输出光谱的成因。 建颁礤窕独其特瞧，在国蠹赡尚未冕要掇邋。 关键词；受激喇曼澈射、级联光纤喇曼激光器、线形腔、环形腔、分布战光纤 鬻曼藏 丈器、分立式沌野凑曼敖大嚣、壤蘸、嗓声系数、混合链路瓷 纤喇曼放大器、喇曼聚浦、多级布嘏渊一瑞利敞甜 l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n e ta n d c o m i n g o f t h ei n f o r m a t i o na g e ，d e m a n df o r h i g h e rc a p a c i t yt r a n s m i s s i o ns y s t e m si si n c r e a s i n g d u et ot h eg o o dp e r f o r m a n c e so f l o wn o i s ea n db r o a d b a n da m p l i f i c a t i o n ，f i b e rr a m a n a m p l i f i e r s ( f r a s ) b e c o m et h e h o t s p o to f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a n dt h e ya r ep r o m i s i n ga n d i m p o r t a n td e v i c e si n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nf i b e rr a m a na m p l i f i e r s m u l t i - - o r d e rb r i l l o u i n - - r a y l e i g hs c a t t e r i n gu n d e rr a m a np u m ph a sa l s ob e e ns t u d i e d c h a r a c t e r i s t i c a l l y t h em a i n c o n t e n t sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1l k s e a r c ho nc a s c a d e df i b e rr a m a nl a s e r s t h et h e o r e t i c a lm o d e l st od e s c r i b ef i b e rr a n l a nl a s e rf o rl i n e a rc a v i t ya n dr i n g c a v i t yh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e np r o c e s s e d b a s e do n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m u md e s i g nf o rap - s it w o o r d e rc a s c a d e df i b e rr a m a n l a s e rw i t hl i n e a rc a v i t yi sm a d e s o m ec o m m o nd e s i g np r i n c i p l e so nf i b e rr a m a n l a s e ra r ep r o p o s e d at w o o r d e rg e - s ic a s c a d e df i b e rr a m a nl a s e rw i t hl i n e a rc a v i t y h a sb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r ya g r e e w e l 】 2t h e o r yr e s e a r c ho i lf i b e rr a m a n a m p l i f i e r s s u p e rb r o a da n dg a i n f l a t t e ds p e c t r u mc a nb eo b t a i n e db ym u l t i p l ew a v e l e n g t h p u m p i n g t h eg e n e t i ca l g o r i t h mo nb r o a d b a n df r a sh a sb e e ns i m p l i f i e d ，s o t h e c a l c u l a t i o nc a nb ef i n i s h e dm o r e r a p i d l y m u l t i - o r d e rc a s c a d e df i b e rr a m a n a m p l i f i e r sc a nm a k e t h es i g n a l st r a n s m i tm o r e e v e n l y s e v e r a lk i n d so ft w o o r d e ra n ds i n g l e o r d e rp u m pc o n f i g u r a t i o n sh a v eb e e n n u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，a n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c so fg a i n ，n o i s ea n dp o w e rh a v eb e e n a n a l y z e d b yc o n t r a s t ，t h eb e s tp u m pc o n f i g u r a t i o n i ss e l e c t e d 3e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf i b e rr a m a n a m p l i f i e r s d i s t r i b u t e df i b e rr a n l a na m p l i f i e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l i n f l u e n c e so f t h ef a c t o r ss u c ha sp u m p i n gs c h e m e ，l e n g t ho f g a i nm e d i u mt ot h ep e r f o r m a n c eo f d i s t r i b u t e df r a sh a v eb e e nd i s c u s s e d d i s c r e t ef i b e rr a m a n a m p l i f i e r sm a d eb yd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ( d c f ) h a sb e e ns t u d i e di ne x p e r i m e n t ，a n dt h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，n o i s ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t h en o n l i n e a rp h e n o m e n ah a v eb e e n a n a l y z e d b ym e a n so ft h ew i d er e f l e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i b e rl o o pm i r r o r , t h e r e s i d u a l p u m pp o w e ro fd i s t r i b u t e da n dd i s c r e t e f i b e rr a m a na m p l i f i e r sh a sb e e n u t i l i z e da n dh i g h e rg a i na n dl o w e rn o i s ef i g u r ec a nb eo b t a i n e d 4r e s e a r c ho nh y b r i df i b e ra m p l i f i e r s t h e i m p r o v e m e n t i n o p t i c a ls i g n a l t o n o i s er a t i o ( o s n r ) o f a h y b r i d d i s t r i b u t e df r a e d f a c o m p a r e d w i t has o l ee d f ah a sb e e ns t u d i e di nt h e o r y i nt h e e x p e r i m e n t w em a k e3 2 2 5 g b sw d ms y s t e m t r a v e l5 8 0d i s t a n c ea n dt h e o s n r i m p r o v e m e n t o fd i s t r i b u t e df r a s y s t e m t oe d f a s y s t e mi so b t a i n e d h y b r i dc i r c u i tf i b e rr a n l a na m p l i f i e r sw i t hs m f a n dd c fh a sb e e np r o p o s e d t h eg a i na n dn o i s ef i g u r eo ft w oh y b r i ds t r u c t u r e sh a v eb e e nc o m p a r e dt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tp u m p i n gf r o mt h ee n dn e a rd c fi st h e b e t t e rc h o j c e 5r e s e a r c ho n b r i l l o u i n r a y l e i g hs c a t t e r i n gu n d e r r a m a n p u m p m u l t i o r d e rb r i l l o u i n - r a y l e i g hs c a t t e r i n gi nd c fu n d e rr a m a n p u m ph a sb e e n s t u d i e d ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h eo u t u ts p e c t r u ma n dt h ee v o l v e m e n to f s p e c t r aw i t h p u m pp o w e ri n c r e a s i n gh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e l f o rt h ef i r s to r d e rs t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ( s b s ) i nr a m a np u m p e df i b e r s ， m o d e lf o rt h em u l t i o r d e rb r i l l o u i n - r a y l e i g hs c a t t e r i n gh a sb e e nd e d u c e df o rt h ef i r s t t i m e w i t ht h em u l t i - o r d e rm o d e ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nm a d e a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h e o r ya n de x p e r i m e n ta r ec o n s i s t e n ta tl o w e rp u m p p o w e r ，b u th a v eg r e a t d i f f e r e n c ea t h i g h e rp u m pp o w e r c a u s e s o ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e o r ya n d e x p e r i m e n th a v ea l s ob e e na n a l y z e d f r o mt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，s a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i l l o u i n * r a y l e i g hs c a t t e r i n ga th i g h e rp u m p 1 v p o w e rh a v eb e e no b t a i n e d ，s ot h ef i a t m u l t i - o r d e rb r i l l o u i n r a y l e i g h s c a t t e r i n ga t c e r t a i np u m p p o w e r c a l lb e e a s i l ye x p l a i n e d 。 k e y w o r d s ：s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g ，c a s c a d e df i b e rr a m a nl a s e r , l i n e a rc a v i t y r i n gc a v i t y ，d i s t r i b u t e df i b e rr a m a na m p l i f i e r , d i s c r e t ef i b e rr e a n a na m p l i f i e r , g a i n ， n o i s e f i g u r e ，h y b r i d c i r c u i tf i b e rr a m a na m p l i f i e r , r a m a np u m p ，m u l t i o r d e r b r i l l o u i n r a y l e i g hs c a t t e r i n g 第一章绪论 1 1 光通信技术发展概况 半个i i | = 纪以米，翻鼢：通信技术蠢；糕发展：载波 乜辑、舶 奉管、辣秘调制、攫 控交换、臻成f e 路、跨算移b 、数据通信、攫缩编弼、税频传输、毙纤毙缆、死线 峰窝嘲、i 艉通信等等，新j 异，艨m i 穷。其h 2 0i i j = 纪7 0 年代出现的光 通信具有频带宽、传输容鬣大，损耗低、无中继距璃长，体积小、重量轻、馒予 铺设，撬? f 抗、傈密健好、材瓣资源丰鬻等诸多优点，在现代通债，特剐是丈容 量、长距离的通信中，占有非常重臻的地位。 近年，光通信技术嶷以i n t e r n e t 为标恚的网络僚怠她浪潮的撼动下得到了藏 速发展，黧现出鞋下主瑟特点i ，2 l ： 一、通信容量迅猛增长 龚闫壤3 0 多霉窳，党终逶售已逐激残为理伐转臻网熬主体。在莹惠社会， 骨h 专输州的容量儿乎每9 个h 溅蟹翻一番，全球数拂澍k 务量j b 弘i q i t 爿就翻 一番，未束的光通信技术难向着大容搬、宽带化办阳发腱。从近儿年i i f = 界光纤j j 豇 穗大会( o f c ) 豹掇道可以著壅：蕊狳容量在l 下b 趣馥土熬系绞已经疲为一个疆 究热点。为了进一步键黼通信系统窬嫩，i j 以从以卜二二个乃i ：c l i 考虑： ( 1 ) 增加每个通信信道的数据传输速率，采用电对分复用( e t d m ) 技术 列 毪慧号滋霖瓣阏努隔笈援。蠢纾遴获发震蕊2 多年霹，采搦懑辩分复臻技零 的光纤通信系统的传输速率几乎以缚1 0 年1 0 0 倍的速度稳定增长。1 9 9 5 年 i n t e r n e t 骨于网的带宽为1 5 5 m b s ，1 9 9 7 年为6 2 2 m b s ，而到1 9 9 8 年达到2 5 g b s ， 翻t 9 9 9 年粼突酸t 0 g b s ，强蠢零壤邋熬最毫速率约为4 0 g b s ，0 乎达努l 基予耩 件速率的极限。 ( 2 ) 减少信道川瓣，存有限的带宽范| ；1 i i 内增加倍道数i 二i i 。光源稳捌、阵列 波导竞疆滤波、渡长交镑嚣( i n t e r l e a v e r ) 等技术搜褥系统中的傣遂闻隔簌i t u t 规定的1 0 0 g h z 变得更低。1 9 9 7 年，在c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 0 n m ) 通常1 6 路簸朋 信道，间隔2 0 0 g h z 。2 0 0 0 年，商用系统c 波段复用信道数已达4 0 信道，削隔 5 0 g h z ，毙游效率太大疆舞。然焉，躐小藩遘蠲隔努矮关注皴瞧效应霹逶麓系 南开人学坝l j 训f 究生毕业论义 第一章绪论 统的影响。例如信道自j 隔小于5 0 g h z ，四波混频( f w m ) 效应的影响将会引起 信号在信道间的串扰，必须采取相应的抑制措施；另外，小的信道问隔还要求系 统元件具有严格的波长稳定性，这带来系统成本的上升。 ( 3 ) 增加传输带宽。通过丌发新型超宽带器件，拓宽利 j 光纤丰富的通信 带宽资源，将是提高光通信容量最有效的方法。近年来，s 波段( 1 4 8 0 1 5 3 0 n m ) 和l 波段( 1 5 7 0 - 1 6 2 0 1 m o ，特别是l 波段光器件的训制引起了广泛的关注，j f ： 已经取得了很大的进展。2 0 0 0 年f 1 本的f u j i s u 公司报道了一种l 波段w d m 系 统】。系统单路传输速率为l o g b i t s ，共有6 4 个波长，全部位于1 5 7 0 n m 一1 6 0 5 n m 的l 波段。系统所用放大器为l 波段e d f a 。经过1 0 1 2 7 k m 的长距离传输后， 系统仍保持了1 0 9 的误码率。c + l 波段的系统，1 9 9 8 年日本n t t 的报道比特速 率达到l t b s ( 5 0 x 2 0 g b ，s ) ，其中3 0 个波长信道在l 一波段，传输距离为6 0 0 k m l 4 l ： 2 0 0 0 年，贝尔实验室在世界光通信会议( o f c ) 上的报道比特速率达到3 2 8 t b s f 8 2 x 4 0 g b s ) ，其中的4 2 个波长信道在l 波段，传输距离为3 0 0 k m i s l o2 0 0 1 年， 同本n e c 的k f u k u c h i 等【6 峙艮道了在同一根光纤上利用s 、c 、l 三个波段的宽 度，共裟置2 7 3 蹄的超密集波分多路( u d w d m ) 系统，各路波长间隔5 0 g h z ，即 o 4 n m 。每路载荷数字信号4 0g b s ，形成2 7 3 4 0 g b s = 1 0 9 2t b s 的大容量系统。 在三个波段巾s 波段为1 4 7 6 1 5 0 8 n m ，宽度3 1 2 n m ，容纳8 5 路；c 波段为 1 5 2 6 1 5 6 3 n m ，宽度3 6 2n l n ，容纳9 2 路；l 波段为1 5 7 0 1 6 1 0n m ，宽度4 0n m ， 容纳9 6 路。这个实验的光纤传输线路总长度1 1 7 k m ，分成两段，每段光纤线 路各有4 0k m 长的纯硅芯光纤和1 8 1 9 k m 长的反色散光纤，而且利用了喇曼分 布放大，使接收端有较高的信噪比。此外，全波光纤( a l l w a v e t mf i b e r ) 的出现， 消除了常规光纤在1 3 8 5 n m 附近山于o h 一离子吸收造成的损耗峰，光纤损耗在 1 3 l o 1 6 0 0 r i m 都趋于平坦，更是大大增加了可 l 带宽范围。 二、适应不同传输距离和信号类型 ( 1 ) 适应不同的传输距离 从宏观来说，对光纤传输的要求必然是传输距离越远越好，所有研究光纤通 信技术的机构，都在这方面进行了不懈的努力。特别是在光纤放大器出现以后， 这方面的记录不断刷新。不仅每个跨距的汝度不断增加，例如，山当初的2 0 k m 、 4 0 k m ，最多为8 0 k m ，增加到1 2 0 k m 、1 6 0 k m 。而且，总的无电再生中继距离也 2 两扦大学倾 带i 究生毕业论文 笫一带堂扦论 在不断增加，如从6 0 0k m 左右增加到3 0 0 0 k r n 、4 0 0 0 k m ，撼至超过1 0 0 0 0 k m 。 簸鬟零豹角度来卷，这主要是在转送网络发袋戮一定阶段，为了逶路鳃织燹方硬， 除了淞途分插业务的形式外，对于特大枢纽节点之m 往往需要大容量的直达通 路。这样可以减少辫生中继器的数量，降低建设和运行维护成本，提商可靠性。 获技零翡角度看，出予竞绎藏夫瓣的逡现，茏獒是毙缓粥爨放大器实鬻之螽，为 增大无再生中继距离创造了条中卜。同时，采川有利= ：r 长距离传送的线路编码，如 r z ( 烟零码) 或c s 。r z ( 载频抑制归零码) 码溅；采j | jf e c ( 稚向纠错) 、e f e c ( 蹭焱整蘸淘绸镑) 袋s f e c ( 怒强蓊囱绸镶) 等技术提巅接收灵敏菠；翔色教 补偿和偏振模色散( p m d ) 补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器 牛等攒施，已经可以实现基于1 0 g b s 的d w d m 系统，数千公里无电辫生中继 器酌怒长距离橹输。 然而在实际应闩j 中，不仅有l 董= 距离传送的霈求，还有缀距离或甚短距离传送 的需求。例如机房之闽和枫架之间可能传1 0 g b s 或4 0 g b s ，对于d w d m 系统 可麓怒数百g b s 或数t b s 静速率。在竣釜内部由于慧速率的提高，锖号总线的 速率也越来越高例如4 0 g b s 设衍内部就要用列2 5 g b s 以。卜速率的总线，用电 缆连接融经一i 能适墩如此离的速率，因此采矧毙总线的露求| l 趋迫切。爨瓣，跨 算撬巾c p u 鹣速度已超过3 g h z ，所以计算枫内部盘希望溺光互连。这整壳的连 接方式与k 途光传输有很大的不嗣，甚至不一定采用串行传送而该用并行传送的 方式，以降低每根光纾巳鲍传邀速率，降低对必器髂的要求，减少连接戏本。 ( 2 ) 适应不同静信号类型 光通信从一开始就是为传邀基于电路交换的信息，所以客户信号一般是 t d m ( 时分复用) 的连续妈漉，如p d h ( 准弼步数字体系) 、s d h ( 感步数字体 系) 等。随着计箨辊网络，特崩题越特网的笈屣，数据倍息的传送量越来越大， 客户倍号中基1 二包交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与连续码流的特点 完全磋i 同，它具秀随祝一陡、突发瞧，强藏女秘 送这一类傣譬，裁成为必逐信技 术要解决的重点。传送数据信号的光收发模块及设备系统，与传统的传送连续码 流的光收发模块及设备系统是有很大区别的。在接入网中，所实现的系统即为 p i m p o n ( 舅步健稔模式无源党嘲终) 、e p o n ( 鞋太无滚毙网终) 或g p o n ( 吉 比特光源光网络) 等。在核心网采用i po v e r o p t i c a l 的技术。可以实现i p ( 互 獭开大学碳卜研究擞毕业论史 辩一帮绪论 联网叭议) 等数据傣号在光屡l i ( 包括在波分复用系统) = 直接承载。 国于s d h 系统豹良婷特毪粳已有匏大羹凌源，有辩毽剿用疆有的s d h 系统 来传送数据信号。随着对信息需求的快速增长，通过s d h 网络承载的数据信号 的类型越柬越多。于是，人们提出了许多将i p 等信号映射进s d h 的方法，起初 跫党终l p 或e t h e r - n e t 装遗k f m ，然螽孬l 交瓣滋s d h 辏辍，簿i p e t h e m e to v e r a t m ，褥o v e r s d h 。后来，又把r 1 1 问过程省去，赢接将i p 或e t h e m e t 映射谶s d h ， 即i po v e rs d h 、p o s ( p p p o v e rs d h ) 或e o s ( e t h e r n e to v e rs d h ) 。 三、囱全党瓣络方向发展 在光传输的基础上，人们又提出了光交换，这样就可以构筑集接入、交换、 传输予一体的全光阏终。全光网络的概念是撮用户与用户之蚓豹售号传竣与交换 全部采用光波技术，即数掘扶源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。全 光网绦主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的旗本结构相擞似，由 d w d m 系统、光敖丈器、o a d m ( 兜分捶复瘸器) 稆o x c ( 搬交叉连接没蠢) 等设 备组成。全光网络商娶形网、总线网和树形测3 种基本类溅。 全光网络具有以f 特点： ( 1 ) 垒光网络能够提供基天匏豢宽。阂为全光弱趱镶号瞧交换帮露光域内 进行，呵最大限度地利用光纤的传输容曩。 ( 2 ) 全光网络具有传输遴明性。因为采用光路交换，以波k 来选择路由， 因l 慰赞竣妈率、数掇揍式以及调割方式具有透爨夔，甏黠蕊号形式无瓣到，允 许采用不同的速率和协议。 ( 3 ) 全光网络比电信号网络具有更高的处理速度和臌低的误码率。全光网 其鸯蘸好戆装銮瞧，它不仅潋与瑷毒豹逶蕊薅终兼容，繇盈还霹隧支镑未来豹 宽带综合、韭务数据网以及网络冉勺卅级。 ( 4 ) 全光网络具备可扩展性，新节点的加入并不会影响原来网络缩构和原 毒各节点没鍪。 ( 5 ) 全光网络具备可重构性，可以根獬通信容量的浠求，动态地改变网络 结构，可对光波 乏的连接进行恢复、建赢、拆除等。 ( 6 ) 金走藏终中采矮了较多无源巍嚣磐，省去了凌大静竞一邀一炎转抉夔 设备驶工作，可大幅提升网络熬体的交换速度，提高可靠性。 _ ii 簟嗣 t 雨开人学i l ! j li 。研咒生毕业论艾 第一帝绪论 综上所述，光通信正在向着高速率、大容量、多用途和全光网络方向发展。 1 2 光放大器的研究与发展 为了克服光纤传输中的损耗对传输距离的限制和适应光纤通信系统向高速 率、人容量、长距离力向发展的要求，2 0l i j 纪8 0 匀：代1 15 现的光放人器技术足光 纤通信领域的一次革命。它具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪 声、低损耗，以及波长速率和调制方式透明的直接放人功能，是新一代光纤通信 系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又 使1 5 5 0 n m 波段的d w d m 、全光传输、光孤予传输等技术成为现实，足光纤通 信发展史上的一个划时代的晕程碑。 一一般来说，光放大器都由增益介质、泵浦源、输入输出耦合结构。组成目前 光放大器形式主要有三种：1 ) 利用激光二极管制作的半导体光放大器s o a ；2 ) 利用稀土掺杂( n d 、s m 、h o 、e r 、p r 、t m 和y b ) 光纤制作的光纤放大器，其 中以掺铒( e r ) 光纤放大器( e d f a ) 为主：3 ) 綦于光纤f r ：j t l - ：线性效应，利用受 激散射机制实现光的直接放大，如光纤喇曼放大器( f r a ) 和光纤布罩渊放大器 ( f b a ) 。 1 2 1 半导体光放大器 半导体光放大器( s o a ) 利用半导体利料固有的受激辐射放人机制，实现相 干光放大，其原理和结构与半导体激光器类似。当偏置电流低于振荡阈值时，激 光二极管x , j 输入的相二i 二光具有线性放大作用【7 ；| ：当偏胃电流高于振荡阙值时，通 过注入锁定，激光二极管可以作为非线性放大器。线性半导体光放大器可分为两 类：法椎里珀罗( f p ) ，光放大器和行波( t w ) 光放大器，两者的区别在于两 个端面的反射率不同：f - p 腔光放大器端面反射率高，光在两端面问来回反射产 生共振放大；t w 光放大器端面反射率很低，光在沿介质行进过程中被放大，然 后由输出端面输出，而不产生反射。s o a 具有体积小、结构简单、易于同其它 光器件和电路集成、适合批量生产、成本低等优点，并且能对1 3 1 0 n m 窗口的光 信号进行放火。但足这种器件与光纤耦合时损耗很大，一般大于5 d b ，器件的增 益受光的偏振状态、工作温度因素影响严重，因此工作稳定性差，器件的噪声较 大，功率较小，增益恢复时问为p s 量级，这对高速传输的光信号将产生不利影 _ i _ s 南甜人学坝1 。酬宄生毕业论文 ；i ；帝绪论 响。 s o a 主要用于全光波长变换、光交换、谱反转、刚钟提取、解复用等，该 放大器覆盖了1 3 0 0 1 6 0 0n m 波段，既可用于1 3 1 0n n l 窗口的光放大，又可用于 1 5 5 0n m 窗l ：二| 的光放大。 目前，人们主要关注的是应变补偿的无偏振、堆片集成、光横向连接的s o a 以及自应变量子阱材料的s o a 和小型化、集成化的s o a 的研发。 1 2 2 掺铒光纤放大器( e d 枣 a ) 6 0 年代初，在对半导体光放大现象研究的同时，也对掺稀十元素的光纤的 光谱特性进行了研究。但是出于稀土掺杂光纤的热淬灭效应难以解决，因此光纤 放大器的研究处于停步不前的状态。在1 9 8 5 1 9 8 6 年间，英国南安普顿大学的 p a y n e r 等人有效地解决了掺铒光纤的热淬灭问题，首次利用化学气相沉积法 ( m c v d ) 研制成芯掺杂的铒光纤，并实现了1 5 5 9 m 低损耗窗口的激光辐射 8 , 9 1 。 1 9 8 7 年，他们采用6 5 0 n m 的染料激光器作为泵浦光源，获得了2 8 d b 小信号增 益。掺铒光纤放大器具有增益高、频带宽、噪声低、效率高、连接损耗低、偏振 小敏感等特点，在9 0 年代初得到了高速发展，成为当时光放大器研究发展的主 要方向，极大地推动了光纤技术的发展。自此以后，掺铒光纤放火器的研究在多 方而丌展，建市了多种理论模型，提 n 了增茄均衡和扩大增益带宽的方案和方法， 进行了多种系统应用研究，同时进行了氟化玻璃铒光纤放大、分稚式光纤放大器 和双向放大器的研究，使掺铒光纤放大器的研究及应用得到了飞速发展。此外， 又进行了掺镨( p r ) 、掺镱( y b ) 、掺铥( t m ) 等光纤放大器的研究，使光纤放 大器的研究全面展丌。 e d f a 的优点是：1 ) 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光纤损耗最低的窗i - i ：2 ) 增益高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是w d m 理想的光纤放大器；3 ) 噪 声系数低，接近量予极限，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；4 ) 放 大频带宽，可同时放大多路波长信号；5 ) 放大特性与系统比特率和数据格式无 关：6 ) 输出功率大对偏振不敏感；7 ) 结构简单与传输光纤易耦合。 e d f a 的缺点是：1 ) 在第三窗口以， ：的波长，光纤的弯曲损耗较大，而常 规的e d f a 不能提供足够的增益，增益带宽只有3 5 n m ，仅覆盖石英单模光纤低 损耗窗口的一部分，制约了光纤能够容纳的波长信道数：2 ) 不便于查找故障， 崭搿人学蟛 l j f 宄宅毕业论文 第带绪论 兰曼皇邕鼎鲁曼曼皇鼻曼舅囊嘲篁基曼苎舅曼岛i l l l , l , , , i i tl 曼兰曼寰鼎麓舅舅寰! ! ! ! 泵浦源寿命刁；长；3 ) 存在基于泵浦源调制秘光时域反射计( o t d r ) 的雌测与 控镄按零目题，拣铡内容毯括输瓣凌事静控铡秘不弱波长遴邋豹增益鹭衡，e d f a 的增髓对1 0 0 k h z 以上的高频调制不敏感，对低于l k h z 的调制，e d f a 的输出 信号会产生失真。 e d f a 圭要翻：d w d m 系绞接入溺、毙纾c a t v 嗣、军羽系统( 鬻达多爨 数据复接数掘传输制导等) 、光孤子通信系统游领域；也可作为功率放大器，以 提高发射机的功率 在光纤传输线路中用作全光中继放大器，以 b 偿光终传输损 耗，惩长传浚距蔫；在竞接浚飘褥溺终翁餮放大器，敬掇离兜接浚毒死瓣灵敏度； 住光纤c a t v 和光纤用户接入网中用作光功率补偿器，以补偿光分配器和传输 链路嫩成的光损耗，以提高用户的数量，降低用户网年1 ic a t v 系统的建没成本。 l 。2 3 光纤寮曼放大器 历史上，伴随潜低损耗光纤的诞生，光纤喇曼放大器( f r a ) 的应用就成为 种可能。7 0 年代，毙放大器濒未成为光邋馕中鲍螫震，骞关毙纾褒萋放大器 的研究主要集中予光纤中喇曼散刺和大功率喇曼泵浦激光器的研制：r g s m i t h 研究了低损耗光纤中喇曼散射引起的光功率演变过程【1 0 1 ，j a u y e u n g 和a y a r i v 磺究t 妖距离 曩损糕悲终r p 甄鑫发帮受激喇曼数嗣l ”l 。送入8 0 年代，隧整党逶 信的发展，人们对光放大器投入了巨大的研究精力，f r a 避其中的重鼗组成部 分，在龠适波氏的火功率泵浦激光器车l if r a 的特性方i 斫嫩得了一定的成果f 1 2 - 1 5 1 ， f r a 度或为最鸯希望实用l 乏的巍放大器。铡黧：1 9 8 1 每，t k e d a 采用1 0 1 7 p m 晌泵潲光放夫1 0 6 4 1 t i n 韵信号光，经过1 3 k i n 荦模光纤放大获得3 0 d b 小信号 增益。1 9 8 3 年，d e s u r v i r e 等用2 4 k m 单模光纤放大1 2 4 i _ t m 的光信号，弑得4 5 d b 的小绥号壤蔻。1 9 8 7 霉，e d a g a w a 疆究了光终嘲曼攘大嚣豹宽黎多信邋敖大骜 性。1 9 8 9 年，m o l l e n a u e r 采用4 1 7 k m 的光纤环和1 4 6 t a m 的色心激光器采浦源， 利用喇曼放大器放大脉宽5 5 p s 、波长1 5 6 i _ t m 的孤子脉冲，稳定传输6 0 0 0 k m 。 瞧是8 每找寒期，e d f a 豹爨瑷绘f r a 的磁究浇上了一熬冷承。毫无疑目，9 0 年代初期，e d f a 程1 5 m 波段光通信系统中处于完全统治地位，而f r a 泵浦激 光器方嘶的研究停滞刁；1 f 。使其仍难以实用化。然而，随着d w d m + e d f a 技术 夔逐穗发震，e d f a 豹骞隈豢宽鞠分立式放大跨致熬裹噪声鼹鞠了系统攀鬟蠹| 终 输距离的进一步发展，f r a 以其低噪声和仪幽泵浦波长决定增益波段的特性再 礴搿大学颂1 硐究擞毕业论文第一带结论 皇量董皇筹繁嘲挂葺皇皇麓舞爱舅| 量量量_ ii 髓| 皇量曼篁基舅| 蔓兰鼍墨| 皇 次引越了人们的注意，这两点也是近年来f r a 的研究热点；同时大功率半导体 激光耩翻巍纾喇鬟激光器熬翻造工艺氇嚣憝袋熬，蠢嚣或本大攘痰一f 辩，使褥 f r a 谯系统中的成用成为可能。 光纤喇曼放大器中，采用不同泵浦波长的埽；同增益峰明以构成非常宽的带宽 特瞧，袋它寿魄嚣狰融燹宽静璞豢逶。r o t t i w i t t 秘k i d o r f 鼹魏徽匿了重餮豹燹献， 他们襁1 9 9 7 年提出了一种多波长泵浦、具有9 2 n m 带宽的f r a t 。6 1 ，紧接着，又 首次绘出了完整的搦述f r a 的微分方程t ”1 。y e m o r i i 嘲等人刹用1 2 个半导体激 光器凝瀵褥到了溪益带宽超逶1 0 0 n m 静宽繁巍缓璃萋放大器，h 。m a s u d a 等入窭 现了1 3 2 n m 带宽的光纤喇曼放大器【l 9 1 。 襁f r a 的噪声特性方面，m o c h i z u k i 小组1 1 3 l 及a o k i l l 4 1 分别在8 0 年代进行了 裙多豹綦霁究。珏繇s o n 翟壤g | 入了二次爰囱璜利敬羹重噪声( d r s ) ，捂整d r s 豹存在 使得分布式f r a 的等效噪声系数并不能随喇照增益的增加而不断改善，而是存 在一个最佳值。f l u d g e r 等人指漤多波长反向泵浦的宽带f r a 中长波妖处的噪 声褥襁优予短滚长，箕琢函在予：t ) 由予泵溱闫豹褒受敬鸯雩 乍爱，长波长泵清 可以嬲深入地进入光纤，使得长波长功率在光纤中的最小慎高于短波长功率2 2 】： 2 ) 裂浦光与信号光波跃越近，融发辐射噪声裁会越大1 2 1 , 2 3 。这是限制f r a 豢宽 静一个霪要因素，妊灏在设计辩给予充分注意。 f r a 的基本浆浦方式主要宵三种：前向浆浦、后向裂浦和双向泵浦。它们 都是