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! 曼剧坚旦塑! ! 丝塞 塑竺 f r a 特性的研究 摘要 最近几年来随着因特网、综合业务数字网和多媒体技术的发展，广大州j ! ，对带宽的 要求h 益迫l 刀。而现有的第一代w d m 无论其传输撵最、对带宽的利用二棼、无电中继最 大传输距离等方面都无法满足h 益增长的需求。e d f a 的增益谱r l 能覆盖c 波段 ( 1 5 2 9 - 1 5 6 1 n m ) 和l 波段( 1 5 7 0 1 6 1 0 n m ) 。耐石英单模光纤在低损耗窗口搠有几十t h z 的带宽，目前还远没有得到充分利用。如何有效提商现有光纤传输系统的传输速率和通 道数以增加总容量、延长无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域新的研究热 点。 e d f a 在光纤整个低损耗窗口内进行光放大是无能为力的，而光纤喇曼放大器只要 p u m p 波长合适，理论上可以放大任意波长的光信号，同时它具有宽带宽、高增益、分御 式放大等特性。对光纤通信系统，特别是对密集波分复用系统( d w d m ) 更具有重要的实 际意义。 本论文第一章简要介绍光纤喇曼放大器的研究背景和技术发展概况，为论文选题和 研究方向的确定奠定基础。 第二章首先从受激喇曼散射的基本理论入手，阐述f r a 的工作机理，用两种方法推 导出喇曼增益系数和非线性极化率、喇曼散射截面的关系，提出了一种借助散射界面获 墩喇曼增益系数的新方法，利用这种方法，可以从理论i ：给出各种刁i 同类型光纤的喇曼 增益系数曲线，从而为f r a 的设计与优化奠定基础。接下来讨论了受激喇曼散射过程中 的红移问题。 笫三章从光纤喇曼放大器的梢台方程出发，研究放大器的传输特性，推导三种泵湔 北京i i f i i u 、学彬li 论史 摘蔓 情况f 光纤喇曼放人器的 荚增益的理论表达式，并进一步从实验，j ：进行验弧。 第心章研究光纤喇曼放人器中的噤声问题，m 点研究自发喇曼激别噪声，给出河向 自发喇曼敞身寸噪声及后向f - i 发喇曼敝射噪声的理论表达式、实验结果和数值分析；分析 光纤喇曼放大器的噪声指数并进行实验测量。 第五章是论文总结与展望。 关键词f r a ，受激喇曼散射，散射截面，红移，增益平坦 北糸l | i i i l 也人学坝l 娩史 摘要 r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff i b e r r a m a na m p l i f i e r a b s t r a c t w i tl it h ed e v e l o p m c nl ( ii nl e tr el 1 s d na rj dm u l t j r n e d i at e c b n j q u ejr t h ef e c o n ty e a r s ，t h eu s e r sn e e dm o r ea n dm o x ee o m m u n ic a t i o nb a n d st oi it t h e i rr e q u i r e m e n t s b u tt h ef ir s t g e n e r a l ，j o n w i nt r a h s m is s i o n s y s t e m c a n ls a t is l yt h ec u s t o m e r sn e j t h e rfj 1 0 mt h ea s p e c to ft h et r a n s m i s s i o n c a p a c i ty 0 1 t h etr a r l s m js s i o nh a u l f f d i j ag a ir l s p e e t r u m0 1 3 1 y c a r lc o v c rc b a n d ( 15 2 9 1 5 6 1 1 ) 1 1 1 ) a n dlb a n d ( 1 5 7 01 6 1 0 h m ) t h es i l i c o ns m i ? ( s i n g l et i l l ) d t 、 f fb e t ) c a np o t e n t i a l vp r e y id eo v e rn u m e r ic a t e n st h zb a n dt 0t h eu s e r s i nt h e1o wa tl e n u a t i o nw i n d o w w h i1 ew eh a v eo n lyu t i 】i z e dt h es m a lp a r t e l 、t h e1 m 、g etr a l i s m i s s i o nb a n d ，f l o wt oe n l a r g et h et r a n s m i s s l o l lc a p a c i t y a n dp r o l o n gt h et r a n s m is s i o nd is t a n c eh a sb e c o m et h eh o t s p o t e d f ah a sn o tt h ec a p a b i l i t yo ft h eo p t i c a ls i g n a la m p l i f i c a t i o ni n t h ew h o l e1 0 wf i b e ra t t e n u a t i o nw i n d o w ，w h i l ef r ac a nt h e o r e t i c a l l y a m p l i f ya n yw a v e l e n g t ho p t i c a ls i g n a li fh a v i n gs u i t a b l ep u m ps o u r c e ，a t t h es a m et i m ef r a h a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r o a d b a n d ，h i g hg a i n c o e f f i c i e n ta n dd i s t r i b u t e da m p l i f i c a t i o n s of r ah a si m p o r t a n tp r a c t i c a l m e a n i n g t ot h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e me s p e c i a l l y t od w d m s y s t e m t h er e s e a r c h b a c k g r o u n d a n d t e c h n i q u ed e v e l o p m e n t o f f r aa r e i n t r o d u c e di nt h ef i r s tp a r to ft h isp a p e r b e g in n i n gw i t ht h eb a s i ct h e o r y o l 、s t m u a t e dr a m a ns c a tl e t int h e s e c o n dp a r to ft b isp a p e r ，f r aw o r k i n gp r in c i p ei sd i s c u s s e di nd e t a i l e d ， th er e a t i o n s h i pa m o n gr a m a ng a i nc o e t t l i c i e n t ，r i o 一1 in e a r i t yp e a r jz a t i ( ) n a n dr a m a ns c a t t e rs e c t i o ni sd e d u c e d ，w i t ht h eh e l po fs c a t t e rs e c l i o n ， i a m a n g a i nc o e f f i c i e n tiso h t a in e d ，u s i n gt h i s n e wm e t h o d ，r a m a ng a i n 北自：州f u 人学删! 卜玲空 摘蜜 c o ( 1 f f ic h n l ，c l l r v et ) f a 1 yt y p ef i b e r isa c h i e y e dt h e o r e tjc a l y t h e n r e ds h if 1ir 】1h e p r o c e s so f r a m a n s c a t t or is d js c u s s e d 1 nth et h 】r dp a r to ff ，h i s p a p e r ，t h r o u g ht h ef r ac e u p jin ge q u a t jo r l f r a1r a n s mjs s j o i lp r o p e r t yisd is c u s s e d f r ag a i nc o e f fjc i e l l t e x p r e s s i o t i s a r ea c h i e y e dt h e o r e t j c a l 】y u n d e r t h r e e p u m p in gt y p e s f r an ojs e p r o p e r t yi s d is c u s s e d i nt h ef o u r t h p a r to ft h i sp a p e r ， e m p h a s e sa r ep l a c e do ns e l f - r a m a ns c a t t e rn o i s e t h e o r e t i c a le x p r e s s i o n ， e x p e r i e f l c e r e s u lt sa n di l u i l l e r i c a l a n a l y s i s o ff o r w a r da n db a c k w a r d s e lf - r a m a ns c a t t e rn o is ea r eo b t a i n e d i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r ，as u m m a r i z a t i o i lo ft h i sp a p e ri sg i v e i l ， a tt h es a l i l et i m e ，t h em i s s i o no ff r ai sd e s c r i b e di i lt h i sp a r t k e yw o r d ：f r a s t im ula t e dr a m a n s c a t t e r ，s c a t t e r s e c tio n r e d s h i t ：t g a i n f i a t t e n d 独创性( 或创新性) 声明 本人卢明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以杯注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 私杠 嗍专每毕车卫 j 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 绺 r - lj 妇, 迦垡，幺1 里 三生垦! ! ! ! ! 些型! 竺兰 堡：兰堑! ：! 第一章绪言 1 1 光放大器的发展概况 1 1 1 光放大器的主要类型 通讯中光放大器的出现是光纤通信技术发展过程中的一个具有单程碑意义的事件。 在光放大器出现之前，光纤通信采用光一电一光的中继方式，使通信系统复杂化，进而 导致系统的效率降低、造价提高及其他一些问题。它的研制成功解决了长期困扰光纤通 信中光信号衰减的难题，长期以来人们一直致力于研制性能更加优越的光放大器，这是 光通信技术与器件领域普遍关注的热点之一。 光放大器一般由增益介质、能源和祸合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要 有三类光放大器：一类是用半导体介质作为增益介质的光放大器，如半导体光放大器 ( s o a ) ；一类是利用掺杂光纤作为增益介质实现光放大的，如掺铒光纤放大器( e d f a ) ， 这两类放大器都是利用受激辐射机制实现的；另一类是利用光纤的非线性效应实现光放 大的放大器，其增益介质就是传输光纤本身，如光纤喇曼放大器( f r a ) 。表卜l 列出了 这三类放大器的基本性能。 表卜1 三类光放大器的特性比较 放火器类型： s 0 a 稀十掺杂光放人器光纤喇曼放人器 ：作机制：粒子数反转粒子数反转受激喇曼散射 激励方式：电光 光 激励功率：数百毫瓦约数十毫瓦约卣毫瓦 ：1 ：作介质长度：约数百“十数米约数百公里 输出光功率：o d b m i o d b m2 0 d b m 噪声特性：筹好 好 光纤的耦合难易：较难较容易 较容易 偏振相关性：大无有关，但已有解决技术 稳定性：差甜好 由表卜1 可以看出，第二类和第三类放大器在性能上优于s o a ，目前技术上较为成 熟的是e d f a ”i 。e d f a 的出现给光纤通信带来了一场革命。这项技术的迅速成熟，带 动了多种新型的光纤放大器走向市场化，刺激了多种光纤和非光纤型光放大器的研制开 发。 1 1 2e d f a 的技术发展概况与应用骞奇局限性 e d f a 主要工作在1 5 5 0 n m 波段，这与光纤的低损耗区一致，其主要优点是：e d f a 的信号增益谱较宽，达到3 0 n m 或者更宽，可用于宽带信号的放大，尤其适用于密集波分 复用( d w d m ) 光纤通信系统；e d f a 具有较高的饱和输出功率( 】o 2 0 d b m ) ，可用于光 发射机后的功率放大，提高线路传输的无中继距离或减少分配的光节点数；e d f a 与光 纤线路的耦台损耗小( i d b ) ：e d f a 具有较低的噪声指数( 4 8 d b ) ：e d f a 的增益与光 的偏振状态无关，稳定性好：e d f a 的驰豫i f , j 问人( 约l o r e s ) ，一：多路系统u 以忽略信 通蹙义| ：扰：泵浦功率低( 数十m 。 光纤通信系统最近的发展主要集中在以下四个方面：系统的更长距离、更宽带宽、 更高比特率和智能化。自1 9 8 9 年以来，人们开展了有关光纤放大器( 包括新波段的e d f a 及与光纤喇曼放大器组成的混台放大器) 的研究。表1 2 和表l 一3 分别给出了1 4 5 0 n m 北柬l i j i u 人倒 i 。论义 饥帝绪南 1 6 5 0 r i m 波民区宽带光放大乳型实验结果年【l 国外儿种光放火： 的研制情况。 表1 2 目前已经报道的宽带放大系统试验 光放人器波段带宽( ，劫波段( 月砌 特祉 社光纤e d f a 1 71 5 2 9 】5 7 3 d b j j ；j _ 平旦带宽 列j 光纤- e d f a 5 21 5 5 1 3 1 6 0 5 3 拈增茄平坦带宽 x d f a 氟化物e d f a 6 21 5 4 2 1 6 0 4 3 d b 增益平坦带宽 硫化物e o f a 7 61 5 3 3 1 6 0 9 3 d b 增筛平坦带宽 3 71 4 4 5 】4 8 23 拈增益平坦带宽 t d f a 3 51 4 7 5 1 5 1 0 2 0 招隔增益带宽 碲化物e d f a 8 4 31 5 2 5 1 5 6 9 3 d b 增益平坦带宽 1 5 7 0 1 6 1 0 多波段 t d f a 碲化物e d f a 1 1 31 4 4 5 1 4 8 5 3 d b 增益平坦带宽 x d f a 1 5 3 2 1 6 0 9 t d f a 1 0 01 4 4 5 1 4 8 3高增益3 d b 增茄平坦带宽 1 5 2 8 1 5 6 2 1 5 7 5 1 6 0 3 集总r a m a n + 氟化物e d f a 8 01 5 3 0 1 6 1 03 d 砰坦带宽 混台放分布喇曼+ 氟化物e d f a 8 2 81 5 2 8 1 5 l o 83 棚平坦带宽 大器分布喇曼+ 氟化物e d f a 1 0 81 5 3 7 1 6 4 5 光纤透明带宽 集中r a m a n + 氟化物e d f a 5 31 5 4 8 1 6 1 13 d 砰坦带宽 表卜3 国外研制的几种光放大器 名称增蒲带宽( ，m )增益( d 口) 噪声指数( d b ) 输出功率 研制时间 e r y b 共掺光放火器 1 5 7 5 1 6 0 5 2 3 d b m 1 9 9 9 f r a 1 4 6 0 1 5 6 0 3 0 3 0 平坦增益的f r a1 4 0 5 1 5 1 02 ( s m f ) 2 2 矿 _ e d f a 尚存在诸多不足之处。首先。对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而 言，它明显存在着工作波段和带宽的局限。其次，e d f a 的自发辐射噪声的影响比较大， 尤其是当系统级联时，自发辐射噪声会大大降低系统接收机端的信噪比；而且随着光纤 通信系统逐渐由点到点发展到环形网、网状网，e d f a 在网络系统中的应用也更加广泛 智能、灵活、波长级的网络配置使得e d f a 的级联和动态问题显得日益突出。 1 1 3 f r a 有望成为宽光谱波段的基础与核心器件 因特网的迅速发展，以及音频、视频、数据业务和多媒体应用的增长，对大容量光 纤通信系统和网络提出了更为迫切的需求。波分复用( w d m ) 技术应运而生，这种技术可 以更充分地利用光纤1 2 5 脚1 6 5 f m 的低损耗区近4 0 0 n m 的带宽。这样，传统的e d f a 在1 5 5 t - t m 附近的约3 0 n m 的带宽就远远不够用了。 解决这个问题有三种方法：( 】) 增加每个信道的传输速率；( 2 ) 进一步减少信道问跑： ( 3 ) 增加总的传输带宽。 第一种办法例如：将传输速率从2 5 g b z ，提升到1 0 g b s ，将带来很大的色散问题。 这里既有普通色散，又有如偏振模色散( p m d ) 等新问题。另外如果没有类似超导这样的技 术突破，电子系统的速率上限被公认为4 0 g b a 。 第二种办法，例如：将信道问距从1 0 0 g h z 降到5 0 g h z 或更小，将要求系统采取措 北京邮i u 人学坝j ，鲶史 第一帝绒者 施控制信号波长的稳定性，信道n j 的干扰是个问题。 第一i 种办法离1 i 对新通信波段的$ l j j i 。近年来已经丌始了对i 。波段的研究，l 波 段e d f a 应运而k 它州背通e d f a 的结构魁类似的，都会利用到掺铒光f ： f 和泵浦激光 器，但有些不同的地方。第 ，l 波段掺铒光纤放火器是利用饵增益谱的尾部实现的， 所以发射和吸收效果低于c 波段3 - 4 倍：第二，为了得到较为平坦的增益谱，l 波段e d f a 需要更低的平均反转因子工作。这两个因素使l 波段掺铒光纤比c 波段( 假定铒浓度为 典型值) 的掺铒光纤长4 5 倍以上。但是掺铒光纤过长会带来以下不利因素：一方面， 由于总的无源光纤损耗较高，泵浦和信号功率都有很大的衰减，降低了泵浦转换效率； 另一方面，在掺铒光纤术端输出前，泵浦功率常常被全部吸收，在这种情况下，信号在 光纤末端泵浦区有个净吸收损耗，这也降低了泵浦转换的效率。虽然利用e d f a 的成 熟的技术，通过研究新的基质( 如镨、氟或铥玻璃) ，研制成功了掺镨光纤放大器、掺铥 光纤放大器、碲化物e d f a 等可以用于l 波段的新型掺稀土元素放大器。但是f r a 依然 以其全波段宽带放大、分布式放大以及良好的噪声特性而倍受青睐。同时，高功率半导 体激光器和光纤喇曼激光器的出现对光纤喇曼放大器的研制起了极大的促进作用。 1 1 4f r a 的研究概况”| 近年来，随着喇曼介质的不断更新，泵浦源问题在一定程度上得到解决，国际上掀 起了一股光纤喇曼放大器的研究热潮。例如，斯坦福大学、英国皇家大学等大学，朗迅、 s d l 、北电、阿尔卡特、n t t 等公司都积极开展了对f r a 的研究。1 9 8 1 年，t k e d a 用1 - 3 k m 单模光纤放大1 0 6 4 z m 的光信号获得了3 0 d b 的小信号增益。1 9 8 3 年，d e s u r v i r e 等人用 2 4 k m 单模光纤放大1 2 4 g z 的光信号获得了4 5 d b 的小信号增益。1 9 8 6 年，0 1 s s o n 用光 纤喇曼放大器作为光纤通信系统中光接收机的前置放大器。1 9 8 7 年，e d a g a w a 研究了光 纤喇曼放大器的宽带多信道放大特性。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，以 波长为l _ 4 6 z 日的色心激光器做喇曼泵浦源，利用喇曼增益放大脉宽5 5 p s 、波长1 5 6 g n 的孤子脉冲，稳定传输了6 0 0 0 k m o1 9 9 5 年，g r u b b 等实现了4 1 0 6 b s 的w d m 多信道放 大。1 9 9 6 年，s t e n t z 等研制成功了用于1 3 z z 波段的光纤喇曼放大器。1 9 9 7 年，n t t 公 司实现了f r a + e d f a 混合放大器，平坦增益达到了6 7 r i m ( 1 5 3 4 册一1 6 0 l n m ) ，增益波动小 于1 5 d b o 同年，又实现了2 0 d g 增益，8 0 h m 平坦增益，而透明传输带宽更是达到了1 0 8 r i m 的f r a - t - e d f a 混合放大器。2 0 0 0 年中，光纤喇曼放大器的研究进展尤为迅速。在日本， 光纤喇曼放大器的研究大多是基于色散位移光纤( d s f ) 的分布式放大，这与日本本土的情 况有关( r 本敷设了多条d s f 光缆) 。古河公司采用2 5 k md s f 光纤，使用1 2 个泵浦源， 泵浦功率从3 2 r o w 到9 1 m w , 实现了约8 0 册( 1 5 2 7n m - 1 6 0 7 ，砌的平坦增益，平均增益为 1 0 5 d b , 增益波动小于o 1 d b o 西门子公司采用7 个泵浦源实现了增益为l o d b , 带宽从 1 3 5 0 r i m 到1 6 0 5 r i m , 增益波动小于0 5 d b 的平坦放大。朗讯公司和康宁公司在这方面的研 究也毫不逊色。2 0 0 1 年至2 0 0 2 年，光纤喇曼放大器的研究有了进一步发展。朗讯公司采 用反射率可控的输出耦合器实现了稳定且输出功率可控的光纤喇曼激光器。只本n e c 公 司提出了自动控制泵浦功率以达到增益平坦的方案。住友公司提出了利用d c f 光纤设训 的新型光纤喇曼放大器方案。n t t 公司利用亚碲酸栽硅光纡实现了带宽为】3 5 r i m 的宽带 放火。斯坦福大学提出了固定增益的s 波段分立式喇曼放大器。a n d r e wr g r a n t 提出并 验证了把泵浦激光器时分复用达到增益平坦，同时可以消除泵浦间相互作用的思想a 现 在，光纤喇曼放大器依然是一个研究和讨论的热点。 我国有一些科研单位和高等院校也已经展丌光纤喇曼放大器和激光器的研究工作， 并且取得了一些研究成果。有些公司已经丌发出了相应的产品，如武汉邮电科学研究院光 迅公司研制的f r a 已经在黑龙江省试运行。但是总体来说我国对光纤喇曼放大器的理 论和技术研究还处在初级阶段。 北京l j | j f f u 人学 峨f 。论史 笫一串绪击 钳加拿人c i b c 公司估计，喇曼放大器的市场在2 0 0 5 年将会增加到4 8 亿美会，发 展阿景不可限蹙。h 丽喇曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中的市场地位已经得到了 广+ 泛的公认，即使在城域网- h 喇曼放大器也有其广泛的应用价值。只要光信号通过一- 些路出装置，不管是交换机还足上下路复用器( o a d m ) ，都会引起信号的衰减因此就 可以采用喇曼放火器来补偿衰减。喇曼放大器研究的理论价值和应用前景都非常巨大， 而且越来越多的光纤通信系统传输实验均采用了喇曼放大技术，这对其真f 走向实用化 具有重要意义。 尽管光纤喇曼放大器的研究成绩不斐，但仍存在一些理论和实验上的问题需要进一 步分析和解决。在理论研究方面，目前尚无套比较完善的、综合考虑各种因素影响的 数学分析模型，且无法根据不同种类光纤给出计算相应光纤喇曼增益系数的方法，只能 通过实验测量或凭借经验估算取值。另外还存在诸如自发喇曼散射、增益平坦、多波长 泵浦时泵浦源与泵浦源之间的功率转移以及信号与信号之间的串扰等问题。 1 2 f r a 的特色与工作机理 1 2 1f i l a 的原理及特点 f r a 是利用光纤中的受激喇曼散射( s r s ) 的频率转换与放大效应来实现能量从高频 泵浦光到低频信号光的转移，从而达到光放大的目的。由于石英光纤中具有很宽的受激 喇曼散射增益谱( 达到4 0 卯拓) ，而且在频移1 3 2 t h z 附近有一个较宽( 6 z 胁左右) 的主峰， 因此不需要特殊的光纤，光纤喇曼放大器就可以实现宽带放大。如果一个弱信号光与一 个强泵浦光同时在光纤中传输，且信号光的波长位于光纤中泵浦光的喇曼增益带宽范围 内，则弱信号光可得到放大。光纤喇曼放大器有五个突出的特点是：增益带宽范围由泵 浦源波长决定。只要泵浦源的波长适当，理论上可以放大任意波长的信号因此光纤喇 曼放大器可以放大e d f a 所不能放大的波段。通过使用多个泵浦源可以得到比e d f a 宽得 多的增益带宽( 后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽最多只有8 0 n m ) ，这对于开发光纤 的整个低损耗区具有无可替代的作用；其增益介质为传输光纤本身，这使光纤喇曼放大 器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦， 尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合，而且由于放大是沿光纤分布而不 是集中作用，光纤上各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应，尤其是四波 混频( f w m ) 效应的干扰；噪声指数低，将光纤喇曼放大器与e d f a 混合使用时可以大大降 低系统的噪声指数，增加传输跨距；光纤喇曼放大器的增益平坦性可以通过合理配置泵 浦源得以解决，无需使用增益平坦滤波器( g f f ) 等附加器件。现在，实验室里已经实现了 带宽大于1 0 0 n m ，增益波动小于1 d b 的喇曼放大器，这是e d f a 无能为力的：光纤喇曼放 大器的跨度合理值为8 0 - - 1 0 0 k m ，明显优于e d f a 的5 0 - - 8 0 k m ，光纤喇曼放大器同e d f a 组成的混和放大器，可以实现1 0 0 k m 1 0 的传输而无需电信号的再生，而e d f a 最长只能 实现8 0 k m x 6 的传输。最近有人用s s m f 光纤实现4 0 0 b s 、跨度2 5 0 k m 的传输实验。跨度 的延长意味着经济效益的提高，也意味着f r a 本身生命力的旺盛。 1 2 2f r a 的泵浦 目莳f r a 的常用泵浦源主要有三利z ：多波长泵浦、半导体固体激光器和光纤喇曼激 光器( 17 r i ) 。多波长泵浦是把多个小功率的激光器通过合波器耦合在一起作为i 刺曼放大 器的泵浦源，其主要特点是工作稳定、总的泵浦功率较小、体积小、易集成，是目f j i 比 较常用的泵浦源，图卜1 就是采用1 2 个不同波长的l d 耦合组成的泵浦模块，而图卜2 给出其输出光谱分稚。就波长而言，对各个泵浦源的波长进行优化设计，可以实现宽带、 平坦的增益曲线。现在用于泵浦f r a 的泵浦源的波长主要集中在 4 2 0 n m 、1 4 5 0 u r n 、1 4 8 0 r i m 坐型丛塑丝生一一堑童堑 墨其嘤誓：。，般来说，波长越多，e 可以达剑【； c j 、i ，坦皮越好；但是另 山，泵_ f l i 波长越 堑，合波耦合器的制造难度越大。、f 导体心体激光器存在稳定性和j 常舰光纤耦合的面 2 惴| 叭曲曲_ ，吣悃 w m l i p | _ 图1 11 2 个波长l d 耦合组成的泵浦模块”9 十 ：二 。“1 、 j ，、 _ _ h _ _ * - 一 一 一 ，_ _ h - 二 6一】_ 1 r _ _ _ _ r_ 1 1jlu。jijlli 图1 21 2 个不同波长l d 输出功率的光谱分布。 还有一种泵浦是级联泵浦，采用级联泵浦可以改善f r a 的性能。级联泵浦是利用泵 浦源产生一阶斯托克斯光，再由一阶斯托克斯光作为信号光的后向喇曼泵浦源。这样一阶 斯托克斯光在光纤中的损耗由泵浦源的增益来补偿，所以一阶斯托克斯光在光纤中的功 率分布近似于恒定值，消除了泵浦消耗( 指泵浦由于放大信号受到的损耗，与光纤传输损 耗不同) 对喇曼增益的影响，使信号光德到近似于恒定的增益，亦即达到分布式的放大效 果，降低了噪声指数。 按照信号光和泵浦光的相对传输方向，f r a 有三种泵浦方式：i j i 向泵浦( 同向泵浦) 、 后向泵浦( 反向泵浦) 和双向泵浦。所谓前向泵浦方式指的是泵浦光和信号光传输方向相 同。ij i 偏振模色散( p m d ) 侄信号j 匕和泵浦，匕的偏振态发，j q q - f 刈变化，所以引厅向泵油方 式州比，n w u 裂浦方式在同样的采i i j i 条什卜i 闷觚虹人，获僻的增觞电小m j 。另外前向泵浦 方式对泵浦源的波动比较敏感。后向泵浦方式就是泵浦光与信号光的传输方向相反，大 多数喇曼放大系统使用宽带环行器进行后向泵浦，这种泵浦方式很容易将信号光与泵漓 光分离，且i 噪声指数低、偏振依赖性小。双向泵浦方式是同时采用两个泵浦光， 一个与 信号传输方向相同，另一个相反，它可以看作是上述两种方式的组台。 1 2 3f r a 的增益介质 f r a 与e d f a 不同，只需要普通光纤就可以实现对信号光的放大。但是，山于不同 种类光纤的组成成分不同导致光纤的各项参数不同，所以不同光纤的放大能力是有差异 北京邮l 乜人学倾i j 论殳 第一市绪南 的。实际应川【1 in q 心考虑以i 、指标：纤芯掺铺浓度、订效纤芯面积、光纤k 度、光纤衰 减系数。掺锗浓度越商，喇曼增益系数越大，但浓度过高会引起刚加损耗和降低信噪比。 相同条件i - ，光纤有效嘶移 越小，可扶衔的喇曼上i = 【 益越大。光纤k 度应适当：光纤太短， 泵浦功率1 ；能得到午i 效利j lj ；光纤过长，增益趋0 i 饱和，删时会增加噪声。商的衰减系 数会使光纤有效l 炙度减小，从而使喇曼净增益减小，因此衰减系数越小越好”“【。综合考 虑各种因素，色散补偿光纤( d c f ) 是目前的最佳喇曼增茄介质，其性能明显好于g 6 5 2 光 纤和g 6 5 5 光纤。 1 2 4 论文的工作内容与行文安排 本论文将对f r a 展丌研究。全文共分为五章： 第一章简要介绍光纤喇曼放大器的研究背景和技术发展概况，为论文选题和研究方向的 确定奠定基础。 第二章首先从受激喇曼散射的基本理论入手，阐述f k a 的工作机理，用两种方法推导 出喇曼增益系数和非线性极化率、喇曼散射截面的关系，提出了一种借助散射界 面获取喇曼增益系数的新方法，利用这种方法，可以从理论上给出各种不同类型 光纤的喇曼增益系数曲线，从而为f r a 的设计与优化奠定基础。接下来讨论了 受激喇曼散射过程中的红移问题。 第三章从光纤喇曼放大器的耦合方程出发，研究放大器的传输特性，推导三种泵浦情况 下光纤喇曼放大器的开关增益的理论表达式，并进一步从实验上进行验证。 第四章研究光纤喇曼放大器中的噪声问题，重点研究自发喇曼散射噪声，给出前向自发 喇曼散射噪声及后向自发喇曼散射噪声的理论表达式、实验结果和数值分析；分 析光纤喇曼放大器的噪声指数并进行实验测量。 第五章论文总结与展望。 ! 生型坐旦! ：! 塑j ：堡兰 笙= ：翌! 坠塑些堡苎塑 第二章f r a 的理论基础 这章首先从受激喇曼散射的基本理论入手，阐述f r a 的j ：作机理，用两 种方法推导出喇曼增益系数和非线性极化率、喇曼散射截面的关系，提出了一种 借助散射界面获取喇曼增益系数的新方法，利用这种方法，可以从理论上给出各 种不同类型光纤的喇曼增益系数曲线，从而为f r a 的设计与优化奠定基础。最 后讨论受激喇曼散射过程中的红移问题。 2 1 喇曼散射的理论基础 1 9 2 8 年印度物理学家喇曼( c v r a m a n ) 在研究液体苯的散射时，发现在散 射光谱中在激发线的两侧各存在一条谱线，激发线处的谱线则称为瑞利线，在激 发线低频侧的谱线称为斯托克斯线或红伴线；在激发线高频一侧的谱线称为反 斯托克颠线，又叫紫伴线。种物质的喇曼线可以有若干对，每对线对应于物 质的某两个能级间的差值( 振动、转动或电子能级之间的差值) 。从那时起，喇 曼效应就作为一个分析物质结构的有力工具。 激光出现以后为物质结构的研究提供了理想的激发光源和新的技术手段。 1 9 6 1 年e 。j w o o d b u r y 和w k n g 在红宝石激光器的谐振振腔内的克尔盒中放入 硝基苯进行调q 实验时，首先发现了受激喇曼效应，1 9 6 2 年r w t e r h u n e 观察 到了相干反斯托克斯喇曼效应，后来又相继发现高阶的s t o k e s 和反s t o k e s 谱线。 从1 9 7 2 年首次在光纤中发现受激喇曼散射现象开始，r j s t o e n 等人首先在实 验上研究了石英光纤增益系数的光谱分布，提出了一种近似和受激喇曼散射闽值 定义，在理论上得到了阈值公式。后来又采用了量子手段建立了新的理论分析方 法。同时，对其可能的应用进行了广泛地探索。因为受激喇曼散射需要较高的抽 运功率，般需要大于5 0 0 m w 。在光纤中要达到如此地功率是十分困难的，以致 于f r a 的研究曾一度陷于停顿。2 0 世纪术和2 1 世初，由于通信业务量的猛增和 w 咪技术广泛应用，要求最大限度地开发和合理利用光纤带宽资源的呼声r 益高 涨，由于f r a 固有的宽频带适应性，使人们再次看到其在光纤通信中的应用潜力， 研发f r a 已成大势所趋。目前，理论研究主要集中于喇曼介质增益特性和放大器 传输特性的研究方面，因此，下面我们先给出研究喇曼增益系数的基础理论，而 后再研究f r a 的传输特性。 2 1 1 受激喇曼散射效应 量子理论的基本观点是把喇曼散射看作光子与分予相碰撞时产生的非弹性 碰撞过程。当入射的光子和分子相碰撞时可以是弹性碰撞的散射，也可以是非 9 单性碰撞的散射。在弹性碰撞的散射中，光子和分子之间没有能量的交换，1 二是 它们的频率保持恒定，这就是瑞利散射如图2 1 ( a ) 。在非弹性碰撞过程中t 光 北京i | i | j u 人学坝i 论史 第一帝f r a 的理论拱础 于利分二有能昂交换，光予转移+ 部分能量给散射分子或者从散身j 分子中吸收一 部分能”i j ：1 ，从而使其频率发尘改变，它取自或者给于散射分子的能昂只能是分子 两定念之州的筹值，即a e = e ；一e ，。当光子把一部分能量交给分予时，光了则 以较小的频率散剁出去。散射分予接受能量转变为分予的振动或者转动能量，从 而处于激发态e 。这时光子的频率为v = 一, s v ，其中h a y = a e 。当分子预先 已经处于振动或者转动的激发态e 时，光子则从散射分子中取得能量e 以更大 的频率v 1 = v 。+ v 散射。以上就是瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯谱线的产生 机理，如图2 1 ( b ) 所示。 寻蜘一l v u 十d v 图2 1 ( a ) 瑞利散射图2 1 ( b ) 喇曼散射 在r f a 中，当频率为珊，的信号光和频率为0 9 ，。的泵浦光相遇时，泵浦光 将s i 0 2 分子激发到高能态。处于高能态的分子遇到作为“种子”源的信号光释 放一个和信号光同频同偏振态的光子和一个频率为g o 。的声子。因为这种过程是 以指数级增长的，属于雪崩过程，这样就对信号光起到了放大作用如图2 2 所 示。 - l t r o l l t 丑 - - i ：- i t f i t e 图2 2r f a 中信号的受激放人过程 2 1 2r f a 中的受激喇曼散射及闽值 r f a 中一个入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移部分能量，产生低频 斯托克斯光子，而剩余的能量被介质以分子振动( 光学声子) 的形式吸收，完成 振动念之间的跃迁。斯托克斯频移v 。= r 。一v 。由分子振动能绂决定，其值决定 北京邮i 乜人学坝i 论文 第一带f r a 的理论捧础 了s r s 的频率范围对非晶态石英光纤，其分于振动能级融合神：一起，形成r 一条能带，因而可在较宽的频筹v 。一v 。范嗣( 4 0 t h z ) 内通过s r s _ 爻现信号光 的放大。在f r a 放大过程中，信号光通过s r s 增益从采浦光得纠能擞丽被放火， 同时又被光纤吸收而衰减；而泵浦光通过s r s 过程将能量转移给信弓光而衰减， 同时办被光纤吸收而衰减，这两种过程同时存在。存连续波情况卜，泉浦波和斯 托克斯波的相互作用过程，可用下列耦合方程来分析： 冬：9 0 。：一 d z ( 2 1 1 ) 誓一v p 。，( 2 1 - 2 ) 式中， 口。和a 。分别为泵浦波长和信号波长处的光纤损耗，v ，和分别为泵浦 光和信号光频率，p 。和只分别为泵浦光和信号光功率。( 2 i 一1 ) 右端的第一项表 示光纤的s r s 过程对信号光的增益使其功率增加，第二项为信号光在光纤衰减 作用下的损耗；( 2 1 2 ) 右端第一项表示泵浦光通过s r s 过程将能量转移给信号 光而形成衰减，这种衰减与泵浦光相对信号光的频率比成正比，第二项是泵浦光 的光纤衰减。 假定信号对泵浦功率的消耗速率相对泵浦功率而言很小，即属于小信号情 况，忽略方程( 2 1 2 ) 右边泵浦光的第一项损耗，求解后代入方程( 2 1 1 ) 得 警= g a l o e x p ( a p z ) 卜叫，( 2 1 - 3 ) 式中，。是z = 0 处入射泵浦光强。方程( 2 1 - 3 ) 的解为 ，。( 三) = ，( 0 ) e x p g ，o k 一口。】 ( 2 1 - 4 ) “o ) 是z = 。处入射信号光强ab 2 去。一p ( 鸣) 】为考虑光纾对泵浦吸收 损耗时的有效长度。 北京1 1 1 j i u 人学埘! 1 1 论义 第一市f r a 的理论璀础 _ 考虑椎个喇醴f 1 刚讲范嘲内各频率分最对斯托克斯光频率的贡献时，r u 得光纤内信号光分巾为 p 。( l ) = f h a ) e x p g ，( 甜) ，。彬一a , l d c o ( 2 1 - 5 ) 经最速下降法求解上述积分，可以得到 一( 上) = 哪e x p g 。( ) ，。三州一口。 ( 2 1 6 ) 式中z = o 处的有效输入功率为 p 慧= h c o 。b , g b 栅 南r 咖俐 b e f f 为中心位于珊= 。峰值增益处的斯托克斯辐射的有效带宽。 ( 2 1 - 7 ) ( 2 1 - 8 ) 喇曼阈值定义为在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵 浦功率，即 p , ( l ) - - 匕( ) = p p ( o ) e x p ( - a p j ( 2 1 _ 9 ) 假设a 、= “。，山方程( 21 5 ) 和( 2 1 - 9 ) ，阈值条件变为 p 岩e x p ( gh 民l 。a 1 = ( 2 1 1 0 ) 北康邮4 也人学坝i ! 论文 锖一章f r a 的理论雉础 劁力删( 2 i - 1 0 ) l i f j i 叮得出喇曼嘲值所需要的i 临界泵浦功率。假没喇曼增益谱为洛 仑兹型，f 临界泵浦功率的个较好的近似为 飘琢1l 州a 。q 1 6 f 2 1 - 1 1 ) 例如，当五，= 1 5 5 u r n 时，“p z o 2 d b k m ，则有l e 2 0 k m ，若取n p = 5 0 u m 2 则有p ( o ) z 6 0 0 m w 。 2 2