（光学工程专业论文）受激喇曼散射及其在光纤通信中的应用研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 近年由于新业务的不断出现，通信业务量的显著增长、科技的 快速进步，促进了通信网络的快速发展。发展最为显著的全光通信 网、无线网、数据分组网虽然其在传输原理、承担业务、传输数据 量上各不一样，但都离不开光纤骨干网。 光通信技术研究主要集中在光波复用和全光网络，而光放大技 术、光交换器件、新型激光器等新技术为其快速发展提供了基础。 但要使光纤传输系统的的速率不断提高，光纤传输器件的结构更加 合理，功能更加完善和强大，就必须注意光纤传输系统中的几个丰 要因素：光纤损耗、光纤色散、光纤非线性效应。 基于光纤非线性效应的受激喇曼散射在光通信系统中发挥着重 要的作用，合理利用能够制作出满意的光器件，不注意对它控制义 会对光通信系统产生不利影响。 本文将主要探讨受激喇曼散射对光通信系统的影响。 第一章绪论中首先引出了受激喇曼散射效应，然后介绍了受馓 喇曼散射在光纤通信中的应用：光纤喇曼激光器、光纤喇曼放火器、 波长转换器。接着介绍了受激喇曼散射效应导致的系统串扰。最后 介绍了光子自动化设计软件p t d s 。 第二章对受激喇曼散射原理进行了详细分析，仔细讨论了两个 重要指标：喇曼增益谱和喇曼闽值，并得到了相关公式。 第三章对喇曼放大器进行研究。建立了喇曼放大器的功率和模 场理论模型，探讨了其主要特性，包护增益、带宽、噪声以及大功 率泵浦特性。最后对光纤喇曼放大器在s 波段的应用进行了研究， 得出一些结果。 第四章内容主要集中在w d m 系统中的喇曼串扰。首先对w d m 系统中每个信道的功率理论模型进行了探讨，得到了w d m 系统中拙 述喇曼串扰的公式，并使用最大受激喇曼散射串扰( m r c ) 和平均 最大受激喇曼散射串扰( a m r c ) 对其进行量化，然后通过p t d s 仿 真软件搭建实验平台，对w d m 系统中信道频率、入纤功率、光纤长 度，光纤有效模场面积、光纤非线性系数、信逆数、信道比特率， 以及信道不同波段组合的变化对喇曼串扰的影响进行了研究，得到 些有益结果并进行了分析。 第五章对全文进行了总结。 电予科技火学坝| 学位论文 关键词：受激喇曼散射，光纤喇曼放大器，喇曼串扰，波分复用 电子科技大学硕一卜学位论文 a b s t r a c t t h er a p l d d e v e l o p m e n to fc o m m u n l c a t i o nn e t w o r k si s o w et ot h e c o n t i n u o u s a p p e a r a n c e o fn e ws e r v i c e ，t h e h u g ei n c r e a s eq u a n t i t y o f s e r v i c ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y n o wt h eh o tiss u e sa r ea 1 1 o p t i c a ln e t w o r k s ，w i r e l e s sn e t w o r k sa n dp a c k e t s w i t c h d a t an e t w or ks t h e r ew e r en o ts u c h h i g hs p e e de x p a n d o ft h e mw i t h o u tt h e d e v e l o p m e n t o fb a c k b o n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，i n s p i t e o ft h e d i f f e r e n c eo ft h e i r t r a n s p o r t t h e o r i e s ，t h e s e r v i c e t h e y t o o ka n dt h e c a p a c i t yo ft h e m t h et e c h n o l o g yo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n c e n t r a t e do nw d m ， a l l o p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a la m p l i f yt e c h n o l o g y ，o p t i c a ls w i t c hd e v i c e ， n e w t y p el a s e rp r o m o t e dt h e i rd e v e l o p m e n t t h ef i b e ra t t e n u a t i o n ，f i b e r d i s p e r s i o n ，f i b e r n o n l i n e a re f f e c t sw e r et h ek e yf a c t o r st o i n c r e a s i n g o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y ，o p t i m i z i n gt h eo p t i c a ld e v i c e s r si st h en o n l i n e a re f f e c t s i ti n f l u e n c e do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mg r e a t l y ，r a t i o n a la p p l i c a t i o n o fs r sc a nm a k ei ta v a i l a b l et o d e v e l o pg o o do p t i c a ld e v i c e ，o t h e r w i s es r sw o u l dd oh a r mt oo p t i c a l f i b e rc o m m u n ic a t io n ， t h ei n f l u e n c et o o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a u s e db y s r si ss t u d i e di nt h i st h e s i s i n c h a p t e ro n e ，w e d e d u c e ds r sf r o me x o r d i u mt h e nt h e a p p l i c a t i o n o fs r sw a s p r e s e n t e d ，s u c h a sf i b e rr a m a nl a s e r ，f i b e r r a m a na m p l i f i e ra n dw a v e l e n g t hc o n v e r t e ra n ds oo n t h eb a di n f l u e n c e o fs r s ，r a m a nc r o s s t a l kw a sa r g u e dt o o i n c h a p t e rt w o ，t h e s r se f f e c t s t h e o r y a n di t s k e y i n d e xw e r e a n a l y z e di nd e t a i l a sa l s of o r m u l ao fr a m a ng a i ns p e c t r u ma n dr a m a n t h r e s h o l dw e r ed e d u c e d i nc h a p t e rt h r e e ，p a r t i c u l a rs t u d yo fr a m a na m p l i f i e rw a st a k e n t h er a m a na m p l i f i e rp o w e ra n df i e l dm o d e lw e r ea r g u e d t h e nr a m a n a m p l i f i e r sp r os p e r i t y a b o u t g a i n ，b a n d w i d t h ，n o i s e a n d h i g hp o w e r p u m p c h a r a c t e r i s t i cw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l ysb a n da p l l i c a t i o n o fr a m a na m p l i f i e rw a sr e s e a r c h e da n ds o m er e s u l tw a se l i c i t e d 电j 利挫人学坝! 学位论文 l n c h a p t e rf o l i t t h e c o n i e x tc 0 n c e n t r a t e do nr a m a nc t o s s t a l ki n w d m s y s t e m a tt h e f o r m e rp a r to ft h is c h a p t e r t h ec h a n n e lp o w e r t h e o r y m o d e li nw d mw e r ep r e s e n t e da n dt h ef o m u l aw e r ed e d u c e d a ls o w eu s e dt h ei n d e xm r ca n da m r ct os c a l et h er a m a nc r o s s t a l k a n ds e tu pae x p e r i m e n tp l a t f o r mb yp t d s t h r o u g ht h ep l a t f o r mw e r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c et ot h ec r o s s t a l ko fc h a n n e lp o w e r ，f i b e rl e n g t h c h a n n e l f r e q u e n c y ，f i b e rc o r e a r e a ，q u a n t i t y o f c h a n n e l ，n o n l i n e a r c h a n n e lb i t r a t e ，a n dt h es c h e m eo ft h eb a n da n dg a i n e ds o m eu s e f u l r e s u l t 。 i nt h el a s tc h a p t e r ，as u m m a r i z a t i o no ft h ew h o l ep a p e rw e r et o o k k e y w o r d ：s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，f i b e rr a m a na m p l i f i e r r a m a nc r o s s t a l k ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 年月日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：埏 日期：年月日 里兰型丝查竺堡! ：兰垡堡苎 a m r c a s e c a d e d a e d f a f r a f w m m r c o c d m a p d a s d h s i r s o a s o n e t s p m s r s w d m x p m 简略字表 a v e r a g eo f m a x i m u nr a m a nc r o s s t a l k a m p l i f i e ds t i m u l a t e de m i s s i o n c o m p u t e ra i d e dd e s i g n e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r f i b e rr a m a n a m p l i f i e r f o u rw a v em i x i n g 平均最大喇曼串扰 m a x l m u mr a m a nc r o s s t a l k o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s p h o t o n i cd e s i g na u t o m a t i o n s y n c h r o n o u sd i g i t a lh ie r a r c h y s i g n a li n t e r f e r er a t e s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k s e l f - p h a s em o d u l a t i o n s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g c r o s s p h a s em o d u 】a t i o n 放大的自发辐射 计算机辅助设计 电子设计自动化 掺铒光纤放大器 光纤喇曼放大器 四波混频 最大喇曼串扰 光码分多址 光子设计自动化 同步数字系列 信号干扰比 半导体光放大器 光同步网 自相位调制 受激喇曼散射 波分复用 交叉相位调制 电子科技大学碗士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 由于新业务的不断出现，通信业务量的显著增长、科技的快速 进步，促进了通信网络的快速发展。发展最为显著的全光通信网、 无线网、数据分组网虽然其在传输原理、承担业务、传输数据量上 各不一样，但都离不开光纤骨干网。 光通信技术研究主要集中在光波复用和全光网络，而光放大技 术、光交换器件、新型激光器等新技术为其快速发展提供了基础。 但要使光纤传输系统的的速率不断提高，光纤传输器件的结构更加 合理，功能更加完善和强大，就必须注意光纤传输系统中的几个主 要因素：光纤损耗、光纤色散、光纤非线性效应。 在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光 纤也不铡外。从其基能级看，介质非线性响应的起因与施加到它k - 面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关，结果导致电偶极子的 极化强度对于电场呈现非线性i li ，使光纤的折射率、损耗，光纤中 传输的光的功率、频率受到影响。光通信系统中的非线性效应对通 信质量的传输有着两个方面的影响，一方面一些固有的非线性效应 将会影响光信号的传输质量，例如自相位调制导致光脉冲频谱的展 宽i2 i ；而另一方面，如果利用得当能改善光信号的通信质量并应用 于新型光器件的制作还能做出非常有用的光器件，例如利用受激喇 曼散射效应和四波混频效应结合的波长转换器l 3 l 。 作为非线性效应之一的受激喇曼散射效应在光纤传输中也有 着两方面的影响。 1 2 受激喇曼散射 受激喇曼散射( s r s ) 是光纤非线性光学中很重要的非线性过 程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调协喇曼激光器，也可使 b 于科技大学硕l 学位论文 某信道中的能量转移到相邻信道中，从而严重地限制多信道光通信 系统的性能。 在分子介质中，自发喇曼散射将一小部分( 一般约为1 0 “) 入射 功率由一光束转移到另频率下移的光束中，频率下移量由介质的 振动模式决定，此过程称为喇曼效应i “，是由印度人喇曼于l9 2 8 年提出的。量子力学描述为：入射光波的一个光子被一个分子散射 成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动态之间的跃迁。入 射光作为泵浦产生成为斯托克斯波的频移光。1 9 6 2 年，观察到用 很强的泵浦光产生的受激喇曼散射。 1 3 受激喇曼散射效应在光纤通信系统中的有益应用 目前，受激喇曼散射在光纤通信系统中的主要应用有光纤喇曼 激光器、光纤喇曼放大器，新的应用中还有波长转换器等。 1 3 1 光纤喇曼激光器 光纤中受激喇曼散射现象的一个重要应用就是光纤喇曼激光 器。这样的激光器可在很宽的频率范围内( 约1 0 t h z ) 调谐。图1 - 1 是一个光纤喇曼激光器的示意图 4 1 ，一段单模光纤放在由部分反射 的肼。和m ：镜构成的法布里一珀罗( f p ) 腔内，此腔对光纤内受激喇 曼散射产生的斯托克斯光提供波长选择反馈。腔内的棱镜使激光器 蒹浦 斯托克斯 图1 ，1 可调协光纤喇曼激光器示意图 波长可调谐，因为它使不同斯托克斯波长空间色散，通过调节镜m ： 则可选择波长。激光器的阈值对应于往返一周喇曼放大足以平衡腔 电子科技大学硕士学位论立 内损耗时的泵浦功率腔内损耗主要是镜子的传输损耗和光纤两端 的耦合损耗。 2 0 世纪9 0 年代，喇曼激光器的研究取得显著进展。一个新特 点是将腔镜集成到光纤中。目的是为了形成一个紧凑的器件。早期 的方法采用用一个环形腔结构，即用光纤耦台器和光纤环构成一个 低闽值、全光纤喇曼激光器。随着光纤布拉格光栅的进展，利用这 种光纤光栅代替腔镜已成为可能。 文献l 4 i 提到利用双通方案和多模光纤，已制造出工作在可见一 紫外区且宽带可调的喇曼激光器。用q 开关n d ：y a g 激光器发出 的峰值功率超过4 0 0 k w 的5 3 2 n m 二次谐波作为泵浦光，泵浦5 0 n - i 长多模光纤( 纤芯直径2 0 0 t m ) ，实现了5 4 0 n m 9 7 0r l r o _ 波长范围内 宽带可调，峰值功率超过1 2 k w 喇曼激光器。若利用q 开关脉冲的 三次谐波( 3 3 5 n m ) 做泵源，采用同样技术可以得到3 6 0 n m 5 2 7 n m 的调协范围。由于受激喇曼散射产生的宽带光仅两次通过光纤，按 传统观点，这种无腔激光器并不是真正的激光器。尽管如此，它们 作为种可调谐光源还是很有用的。 1 3 2 光纤喇曼放大器 如果信号与一个强泵浦波同时传输并且其频率差位于泵浦波 的喇曼增盏谱带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。由于这种放 大的物理机制是受激喇曼散射，所以称之为光纤喇曼放大器。早在 19 7 6 年，就开始研制光纤喇曼放大器，因为它在光纤通信中具有 很大的应用潜力，在2 0 世纪8 0 年代得到进一步发展。实验装黄除 了不用腔镜以外，与图1 1 类似。光纤喇曼放大器是本文的一个主 要讨论对象，因此其主要内容将放在后面章节介绍。 l 乜了科技( 学坝卜学位论文 1 3 3 受激喇曼散射在波长转换器中的应用 理想的波长转换器应该对比特率和信号格式透明同时提供高 消光比、没有啁啾的输出信号。但是目前还没有波长转换器件能够 完全满足这些要求。半导体放大器( s o a ) 中的交叉相位调制效应 ( x p m ) 、四波混频效应( f w m ) ，光纤中四波混频效应和不同类型激 光器的光调制等效应都被提出用于波长转换。而喇曼波长转换器可 以提供宽范围的，高速可调波长转换。但由于输入信号强度高导致 的非线性相位扭曲要求高效率的转换，因此受激喇曼散射不能直接 应用于携带信息的波长转换。 为了解决这个问题，文献 j 提到采用双波长泵浦喇曼共f w m 波长 转换的方案，阁1 2 是其转换能级图。在这个方案中一个强的外部 泵浦p 2 和由p 2 产生的一级斯托克斯波s 1 ( p 2 ) 帮助弱的泵浦光p 1 和与p 1 相关的一级斯托克 斯波s 1 ( p 1 ) 之f n j 实现喇曼 转移。这实际上是用p 2 、 s 1 ( p 2 ) 和p 1 来加强光纤介 质的极化。加强极化的结果 是使p 1 以比传统的单泵浦 过程更快速度建立斯托克 斯场实现向s 1 ( p 1 ) 的喇曼 转移。 图】2双波长泵浦喇曼共四 波混频波长转换能级幽 图1 3 是利用双波长泵浦喇曼共f w m 制作的一种波长转换器 的结构图。携带信号的光p 1 入射进光纤波长转换器的一端， p 2 和s l f p 2 ) 通过耦合器从另一端入射进波长转换器，这样由于喇曼极 化作用将导致四波混频的发生从而产生携带信息的光波s l ( p 1 ) ，并 且s 1 f p l l 的波氏可以通过控制s 2 ( p 2 ) 来调节。 目前应用受激喇曼散射效应研制波长转换器的方法有很多， 包括文献io i 提到的通过喇曼增益和光参数放大器获得了2 0 n m 带宽 4 电子利技大学砸l ：学位论文 的s 波段波长换器，以及文献i7 i 提到的通过喇曼效应和交叉相位凋 制研制的波长转换器等。 2 。l “i 2 i n 1 4 喇曼串扰 巴，s l i p 2 j ，p 【h ”i 图1 3取波长泵浦光纤喇曼波氏 转换器结构剀 光通信系统中波分复用技术的发展，带来了传输容量的巨大增长。然 而光纤非线性效应的受激喇曼散射效应会限制波分复用宽带通信系统的能 力 “。 在波分复用系统的各信道之间，受激喇曼散射效应将导致短波 长信道的功率向长波长信道转移，因此分布在波分复用系统的宽带 范围内的各信道的波形会由于这种功率的损失和放大而受到剧烈 的影响。 1 5 仿真平台一一光子设计自动化软件 为了优化光链路的传输性能，设备制造商和系统集成商都需要 对系统设计中的因数，如功率范围，光纤非线性效应，温度稳定性， 增益谱形和色散管理等进行折衷考虑。同时器件制造商也希望在器 件平均价格下降的条件下开发出e l 趋复杂的多端口的，各种波长范 电了科技人学颤l 学位论文 圃的多功能器件。这些问题大多可以通过自动化设计软件来解决。 正如在电子设计中用到的电子设计自动化( e d a ) 软件一样，在光 纤通信中同样需要开发光子设计自动化( p d a ) 软件。p d a 软件降 低了器件和系统开发的成本，同时缩短了开发周期，是具有重大意 义的一个发展领域。可以预见，p d a 对光纤通信的影响会像今天的 电路仿真软件对半导体和电子工业的发展一样重要和深远。 作为光子设计自动化软件的杰出代表，v p i t r a n s m i s s i o i l l l 1 a k e r 是在世界上第一代系统级光予设计自动化软件br o a d n e d ，p o a l s ， g o l d 和p t d s 光系统设计软件的基础上经过1 0 余年的研发而出 现的。该软件采用了灵活多样的信号表达方式，包括单频带信号， 多频带信号，参数化信号和噪声信号，并采用了不同的仿真模式( 块 模式和采样模式) ，从而可以对光器件、光纤通信系统进行精确有 效的仿真。其应用领域包括光发射机的设计，色散管理系统设计， 光分插复用器设计，s o n e t i s d h 环网设计，掺杂光纤放大器设计， 宽带光纤喇曼放大器设计，光交叉连接设计，超长距离光纤传输系 统设计，接收机设计，光码分多址( o c d m a ) 系统设计以及模拟 光纤通信系统设计等等。同时v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 提供了与 m a t j a b ，c ，c + + p y t h o n 等的接口以便进行联合仿真，还允许用 户自定义模块实现用户自己的功能并融入系统进行仿真。 本文刘光纤喇曼放大器，及喇曼串扰的仿真研究主要是基于 v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 仿真平台的。 1 6 本文的主要研究内容 本文在对受激喇曼散射效应进行理论分析的基础上，将其运用 于光纤喇曼放大器和喇曼串扰理论模型的建立，并对s 波段喇曼放 大器和w d m 系统中喇曼串扰进行了详细研究，得出了相关结论。 电子科技火学硕士学位论文 第二章受激喇曼散射增益谱与增益阈值 本章介绍受激喇曼散射效应中两个重要的概念：增益谱与增益 阈值。 2 1 喇曼增益谱 在连续或准连续条件满足的情况下，斯托克斯波的初始增长可 描述为f ： ， - - 5 2 。- = g 月，。 ( 2 - 1 ) “ 式中，。是斯托克斯光强，是泵浦光强，g 。是喇曼增益系数，它 与自发喇曼辐射的截面积有关。更准确地说，g 。与三阶非线性极化 率的虚部有芙。 喇曼增益谱用孙( q ) 表示，其中q 表示泵浦波和斯托克斯波的 频率差。g 。( q ) 是描述受激喇曼散射的最重要的量。早期，在用石 英光纤的受激喇曼散射试验中，s 1 0 l e n 等人测得了石英光纤中的喇 曼增益系数g 。，后来将结果不断改进”。g 。般与光纤纤芯的成 分有关，对不同的掺杂物g 。有很大的变化。在泵浦波长0 = l 缈下， 圈2 1 给出了熔石英中的g 。与频移的变化关系。对于不同的泵浦波 长，g 。与a ，成反比。 石英光纤中喇曼增益的最显著特征是，g 。有一个很宽的频率范 围( 达4 0 t h z ) ，并且在1 3 t h z 附近有一个较宽的峰，这些性质是由 于石英玻璃的非晶特性所致。在诸如熔石英等非晶材料中分子的振 动频率展宽成频带，这些频带交叠并产生连续态。结果，与大多数 介质中在特定频率上产生喇曼增益的情况相反，石英光纤中的喇曼 增益可在一很宽的范围内连续地产生。因为这一特性，可用于宽带 放大器。 ，u 子科技大学顿p 学位论文 臣 a “ o “ 铡 豁 群 替 颓臻( t h z 、 图2 1 熔石英喇曼增益谱 考虑一束频率为甜，的连续光波在光纤内的传输。如果一束频 率为彩的探测波在光纤的输入端与泵浦波同时人射，只要频差 q = j ) ( t o 。位于阁2 1 喇曼增益谱的带宽内，探测波就会由于喇曼 增益而被放大。如果光纤输入端仅有泵浦波入射，自发喇曼散射产 生的信号将起到探测波的作用，并且在传输过程中被放大。因为自 发喇曼散射在整个喇曼增益谱宽内产生光子，所以所有频率分量都 被放大，但对应g 。最大的频率分量建立最快。对于纯石英光纤，g 。 的最大值所对应的频率是由泵浦频率下移l3 2 t h z ( 4 4 0 c m “) 。已证 明当泵浦功率超过某一阈值时，此频率分量近似指数增长。这样， 受激喇曼散射将导致托克斯波的产生，其频率由喇曼增益峰决定， 对应的频移有时被称为喇曼频移或斯托克频移。 2 2 喇曼阈值 为了得到喇曼阈值，应该考虑泵浦波和斯托克斯波之i 目- j 的非线 性互作用。对连续波情况，此互作用遵循下列两个耦合方程1 ： 警。飞。( 2 - 2 ) 电子科技夫学硕士学位论文 华= 一生。一c i p p(39月lpl2 )产。一- l。一p( - ) “z r i d 式中，吸收系数a ，和d ，分别为斯托克斯频率和泵浦频率处的光纤损 耗，蛾和国，分别为斯托克斯光和泵浦光频率。此方程组可由麦克斯 韦方程组严格推出，也可以通过每个光束中光子的产生和消失过程 写出。 忽略泵浦损耗，解方程( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可得 ( l ) = 。( o ) e x p ( g 。厶丘一口，l ) ( 2 - 4 ) 式中厶是z = o 处的入射泵浦光强 三酊= 1 一e x p ( 一口，l ) d ， ( 2 5 ) 表明由于光纤对泵清的吸收损耗，有效光纤长度由l 减至丘护 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 等时的人射泵浦，或 只( 三) = 耳( 三) sp oe x p ( 一c 0 三)( 2 - 6 ) 式中，r = 厶一酣是入射泵浦功率，如是有效纤芯面积。由方程f ：- 4 ) 和方程f ! 6 ) ，并假设口。= 口，阈值条件变为： 搿e x p ( g 月p o l e # 岛) = b ( 2 - 7 ) 式中瑶是z = o 时的有效入射功率与b 有关。方程( 2 7 ) 的解给出达 到喇曼阈值所需的临界泵浦功率。假设喇曼增益谱为洛伦兹形，临 界泵浦功率一个较好的近似为1 ： 鱼p ：e r 生。1 6f 2 8 1 a 蚶 对后向受激喇曼散射可按相似的方法分析，这种情况下的闽值 条件仍由方程( ! 一8 ) 决定，但是数值因子16 应换为2 0 。由于对定 的泵浦功率首先达到前向受激喇曼散射的阈值，所以在光纤中般 观察不到后向受激喇曼散射。当然，喇曼增益可以用来放大后向传 输的信号。注意：方程( 2 - 8 ) 的导出是假设泵浦和斯托克斯波的偏振 方向在光纤中保持不变；如果偏振方向发生变化，喇曼闽值将增大 】至2 倍，特别是当偏振完全混乱时将增大2 倍。 虽然在推导方程( 2 - 8 ) 时做了各种近似，但其仍能相当精确地估 电子科技 ，学硕“卜学位论文 算喇曼阈值。对较长的光纤，口f ，l 1 ，则l , t r * 1 a ”当五，= 1 5 5 p r o 时， 此波长接近于光纤损耗最小值( 约0 2 d b k m ) ，有三。* 2 0 k i n 。如果用 典型的a e 。= 5 0 p r 0 2 ，则喇曼阈值预计为昂* 6 0 0 r o w 。由于在单信道 光通信系统中，入射到光纤中的功率典型值低于1 0 m w ，所以一般 不产生受激喇曼散射。尽管随着光放大器的进展，在一些应用中输 入功率能接近10 0 m w ，但仍远低于临界值。实际上，利用高功率 激光器可以观察到受激喇曼散射。在可见光区，单模光纤典型的a 。 为1 0 p r 0 2 ，对于1 0 m 长的光纤，由方程( 2 8 ) 所得到的昂* 1 0 w ，由 于这样的功率已经能够达到( 例如n d ：y a g 激光器) ，所以仅仅用 几米长光纤就可以观察到受激喇曼散射。 由于上述理论忽略了泵浦消耗，所以不能解释超过喇曼阈值时 斯托克斯波的增长。解方程( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 应包括泵浦消耗效应。在 口。= 口的特殊情况下，此方程可解析求解 l4 i 。结果表明，阈值条件 ( 2 8 ) 仍然相当精确。一旦达到喇曼阈值，功率迅速由泵浦波转移到 斯托克斯波。理论预测，泵浦波功率可完全转移给斯托克斯波( 不 计光纤损耗1 。可实际上，如果斯托克斯波的功率变得很大并满足 方程( 2 8j ，则它可作为泵浦产生的第二级斯托克斯波。此级连受激 喇曼散劓过程可产生多个斯托克斯波，其个数取决于入射泵浦功 率。 电子科披火学坝十学位论文 第三章光纤喇曼放大器研究 3 1 光放大器简介 厂。1 厂 燃l 雠卜雠热ll 删l r l 一r l 1 r o 1r r 。 吲3 1 光放大器分类闰 3 1 1掺铒光纤放大器 掺饵光纤放大器( e d f a ) ，以掺饵光纤为增益介质，利用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 泵浦作为泵浦光源，使饵离子e r ”粒子数反转，信号光 入射使亚稳态e r “粒子受激辐射，产生信号放大。 u 了：科投大学坝i 学位论艾 e d f a 的结构有很多类型，主要根据性能指标设计。现在通用 的结构有单级、双级和多级结构。单级结构较为简单，多级结构主 要应用于中继接入以实现监控、光分差复用等功能。 e d f a 的优点是低插损，高增益，低噪声，高输出功率，偏振 无关，信道串扰小，对传输码率与格式及系统升级透明等。缺点是 带宽还不够大，只利用了光纤低损耗窗口的一部分，高性能产品基 本为客户定做，属非标准产品，_ 丌发周期长。 3 1 2 半导体放大器 半导体光放大器( s o a ) 的工作原理和e d f a 很相象，都由激活 介质组成，该介质的载流子反转到激发态，对外输入光场产生受激 辐射而产生相干增益。离子数的反转是从泵浦源吸收能量而实现 的。所不同的是，e d f a 由光能进行泵浦( 光激励) ，而半导体光放 大器则由电能进行泵浦( 电激励) 。在半导体光放大器中，注入电流 使介质产生载流子数反转。将电子从价带激发到导带。这样，当外 光场( 信号光) 出现时，则有可能发生受激辐射，从而产生光增益。 半导体光放大器的最大优点在于：由于采用的制造工艺为微电 子工艺。因此，特别适合未来进行光电子的集成。另外，还具有放 大波长域较宽、可使用与半导体激光器相同的材料、通过改变材料 的组分即可容易地设定放大区域、体积小、功耗低等特点。但也有 一些不足之处，主要表现为：与光纤结合时的耦合损耗大、增益与 偏振态有关以及噪声较大。这些不足虽然限制了半导体光放大器在 系统中作为放大器的广泛应用。但是，由于s o a 自身具有体积小。 低成本以及可集成性，使其在其它诸如光波长变换器、光电子集成 电路、光子交换门、调制器以及滤波器等方面，有其独特的应用价 值。 2 电子科技大学硕士学位论文 3 1 3 光纤喇曼放大器 喇曼光纤放大器( f r a ) 的研究历史可以说比e d f a 要长。只是 由于e d f a 在实用化方面的突出表现以及技术方面的原因，使得喇 曼光纤放大器的研究有一段时间处于相对低谷。但近几年来，随羞 光通信整体技术水平的提高以及大功率半导体激光器的出现，喇曼 光纤放大器的研究有了很大的进展。其自身特有的优良特性，引起 了人们极大的兴趣。 喇曼光纤放大器的放大机制和e d f a 及半导体光放大器不同， 喇曼光纤放大器利用光纤的非线性散射效应获取增益。 当激光通过光纤时，将产生受激喇曼散射。喇曼光纤放大器就 是利用强泵浦激光通过光纤传输所产生的受激喇曼散射来获得增 益。受激喇曼散射在本质上与受激发射不同。受激发射时，一个 入射光子激发另完全相同的光子( 全同光子) 发射，而没有损失其 自己的能量；但受激喇曼散射时，入射泵浦光子损失其自己的能量， 产生另一个能量鞍小，频率较低的光子。而剩下的能量以分子振荡 的形式( 光声子1 被介质吸收。喇曼光纤放大器和e d f a 以及s o a 的 最大区别还在于，喇曼光纤放大器不需要离子数的反转。 从图2 一t 可知，受激喇曼散射效应的喇曼增益谱达到了4 0 t h z ， 也就是说只要泵浦光和信号光的频差在4 0 t h z 之内，信号光就有 增益，而且频差在约为l3 2 t h z 时，这种增益最大，因此只要通过 合理的选择泵浦频率，理论上可以放大任何波段的光波长。 和e d f a 及s o a 相比喇曼光纤放大器具有其独特的优越性。 首先，增益带宽很宽( 约4 8 n m ，多个泵浦光输入时，带宽可达 10 0 n m i ”忆其次，可由泵浦波长决定所需放大的光波长，我们可 以用几个波长不同的激光器作泵浦，则可以放大整个信号频段而且 噪声系数小。在超长距离传输时，自发受激辐射噪声积累小，从而 变相提高了光的信噪比约5 10 d b 。喇曼光纤放大器和e d f a 的混 合使用，可以大大降低系统的噪声系数，从而大大增加传输跨距。 电子科技人学硕十学位论文 在实际当中，喇曼光纤放大器主要有两种类型和应用：一种为 集总式f r a ，主要是用作高增益、高功率放大；另一种为分布式 f r a ，主要作为光纤传输系统中补偿传输光纤损耗的分布式放大。 当然，喇曼光纤放大器也存在其不足，主要是它需要大功率的 泵浦源，这也是限制喇曼光纤放大器广泛应用的主要原因。但由于 光纤喇曼放大器所拥有的许多独特优点，国外许多大公司近几年来 对其进行了广泛而深入地研究和开发，并取得了令人激动的结果。 毫无疑问，喇曼光纤放大器将成为光放大器领域又一新的研究和丌 发重点。 3 1 4 几种l 光放大器的性能比较 表3 - 1 说明了几种常见的光放大器的主要特点，在实际应用中， 往往是结合使用爿+ 能更充分地发挥各种放大器的特点。如掺饵光纤 放大器作后置放大，喇曼光纤放大器作前景光纤放大器的结构常在 大容量远距离高比特率的密集波分复用中使用。 表3 1 几种光放大器的比较 光放。掺稀寸光纤放喇曼放大器半导体光放人 比较泌 大器器 原理粒子数反转受激喇曼散射粒子数反转 激励方式光光电 激励功率数十毫瓦刎数数百毫瓦数百毫瓦 百好瓦 ：l ：作k 度数米到数十米数千米1 0 0 u m l m m 输出光功率 1o d b l t 310 d b m0 d b m 噪声特性好好差 与常规光纤的耦合容易容易很难 与光偏振关系无关 人大 稳定性好 好差 i 乜子科挫大学坝一学位论文 3 2 光纤喇曼放大器理论模型 光纤喇曼放大器是非线性光纤光学的重要应用。其简单原理已 在前面的部分提过，下面将主要研究其仿真理论模型。 为了对光纤喇曼放大器及其系统进行理论仿真研究，根据光纤 喇曼放大器原理结合光信号在放大器中的传输特性，建立了如图 3 2 所示的理论模型| lo l 。该理论模型模拟了信号光和泵浦光在反向 泵浦的f r a 中的传输过程，其中考虑了后向瑞利散射( b r s ) ，受 激喇曼散射( s r s ) 和自发喇曼散射( s t r s ) ，k e r r 非线性效应， 自相位调制( s p m ) ，交叉相位调制( x p m ) 和色散效应。在这样 一个复杂的传输过程中，信号光和泵浦光受到以上各种效应的影 响：后向瑞利散射将导致部分信号光和泵浦光在光纤中的多次反 射：受激喇曼散射将导致能量在泵浦光功率和信号光功率之间转 换：放大后的自发喇曼散射光也将发生后向瑞利散射。数字解法对 于这样的两点边界条件很困难，因为通常分布傅立叶方法可以解决 光信号从左至右的传输过程，但是必须知道向后传输的光信号在输 入端的信息，然而这些信息通常在这种情况下是未知的。因而通常 p + ( z = 0 ) 前向输入信 号 后 p + ( z = l ) 前向输出信 、f or w a r dw a v e ：s p m ，x p m ，s r s ， 。笸b r s b s p r s b s t 矗s 溉山信曳1 ( 未知) p 一0 = 0 ) 幽3 2f r a 理论模型 入信 p 一( z = 上) 电子科技大学硕k 学位论文 用迭代的方法来解决这类问题。首先可以假定一个合理的p 仨) 值， 然后利用边界条件和假设条件可以解出p ，由于p 吲不是精确 值，因此解出的矿( z ) 只是个近似值。通过矿又可以计算出p - ( z ) 的值，此时完成一个迭代过程。每次迭代时检查是否收敛，一旦达 到迭代精度或是完成最大迭代次数，迭代结束。在以上的数字计算 分析中，将应用到功率分析和场分析。 1 )功率分析： 在第二章中讨论过受激喇曼散射喇曼闽值时，使用的泵浦波和 斯托克斯波遵循的两个耦合方程f ：一：) 和( 2 - 3 ) ，是光纤喇曼放大器中 光信号满足的方程，考虑光纤喇曼放大器信号光不同的传输方向和 噪声信号方程( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 可推导为l ： 望兰笋= 改f 彤乜，) + 砌辉慨) + ，：棚暇慨五) + 耳亿z ) + g ( z f a + 导伍石职( 弓肋 ( 3 1 ) 旦兰笋= 改f 坶伍册一嗄f 珲( 互石) 一 ，加盱伍五) + f f ( z , f d + f f ( z , f o + 巧伍工) 慨加 ( 3 2 ) 生塑d 塑z= 训) 芹慨d + 似) 石也如+ 善姒，加畔伍正) + 芹伍铂+ # 亿z ) + 巧亿五舭肋 + g ，) 畔( = ，矗) + 嚣o ，工) + f ( z ，工) + 耳( 弓五) 】u ，z ) ( 3 - 3 t ， 皇墨笋= f 坶也刀一姒珲慨力一i 册呼幢z ) + 芹慨五) + p 伍加+ 阜伍正煅如加 一g 瓴，z ) 畔( 乙五) + 芹o ，五) + 巧也六) + 巧o ，工) u ，z ) ( 3 _ 4 t 自 电子科技大学硕士学位论文 式中掣( 六f ) 表示频率为，：的信号在z 处的光功率大小，“+ ” 代表前向，“一”代表后向i 彤( z ，：) 表示频率为f 的噪声在z 处的 光功率大小，“+ ”代表前向，“一”代表后向；口( f ) 为损耗系数， 它同时包括了由于自发喇曼散射和瑞利散射引起的光功率损耗。 叩( ，) 为瑞利散射系数，g ( l ，) 为喇曼增益系数，) 为噪声因子， 它考虑了自发喇曼散射谱特性及其与温度的关系，其表达式如下： n ( f + ，厂) = h f ，8 f 1 + 1 7 = = 丁一 ( 3 5 ) p f 一1 式中占，为频率间隔，h 为普朗克常量，k 为波尔兹曼常数，t 为光纤的温度。公式3 1 至公式3 4 的右侧前两项分别代表损耗和 后向瑞利散射，第三项代表前后向传输信号和噪声间的喇曼散射。 这组方程可以通过迭代