（测试计量技术及仪器专业论文）分布式光纤拉曼放大器的模拟及优化.pdf

中国计量科学研究院硕士学位论文 摘要 分布式光纤拉曼放大器是一种新型的光放大器，它用同一根光纤作为信号传输 和放大的介质。与其它类型的光放大器比较，它有很多独特的优点，因此得到了广 泛的关注和研究。 作者参加了分布式光纤拉曼放大器项目的研制，该项目是浙江省重大科技项目， 本文是作者在该项目中的一个工作小结。 在第一章中，首先对光纤拉曼放大器的历史和现状作了简单的介绍，并专门讨 论了拉曼现象和光纤拉曼放大器的基本原理以及基本组成部分。 在第二章中，介绍了采用不同泵浦方式下g 6 5 2 单模光纤小信号背向和正向拉曼 开关增益谱的实验测量结果。泵浦源采用中心波长为1 4 2 7 。2 n m ，输出功率可调的拉 曼激光器，光纤长度为2 5 2 公里。对不同泵浦方式下的不同拉曼增益谱作了比较和 分析，在此基础上，确定了所设计的光纤拉曼放大器采用的泵浦方式。 增益系数和噪声指数是衡量拉曼放大器性能的两个最重要的指标，设计光纤拉 曼放大器的主要要求是增益系数大、噪声指数小，并有良好的增益平坦度和噪声平 坦度。论文在第三章中，首先介绍了加拿大o p t i w a v e 公司提供的0 p t ia i i l p l i f i e r 4 o 模拟软件依据的理论模型、设计思想和主要功能，在此基础上用该软件设计并优化 了采用不同泵浦组合的5 0 公里分布式拉曼放大器，结合项目的技术指标和性价比要 求对采用的泵浦组合作了讨论，分析了不同泵浦情况下的噪声指数以及噪声的主要 来源。 在分布式光纤拉曼放大器项目的研制过程中，作者主要做了以下几个方面的工 作： 参与了各种不同类型光纤在不同泵浦功率下的拉曼增益谱的测量和分析，独立 完成了分布式拉曼放大器的软件模拟，分析了影响放大器的增益平坦度和噪声系数 的因素，并探讨了快速优化设计放大器的方法。 经过努力，我们完成了拉曼放大器的总体方案设计，搭建了拉曼放大器的测试 平台，为分布式拉曼放大器的研制成功打下了很好的基础。 ， 关键词：分布式光纤拉曼放大器，拉曼增益谱，噪声指数谱，模拟 中国计量科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t d i s m b u t e d 舳e r 胁n 锄锄p i i f i e ri sc 眦e n t i ya n r a c t i n gc o t l s i d e r a t i o nr e a c hi n t c r c s t d u et oi t sc a p a _ b i l i t yt ot 1 1 mm e 虹a n s m i s s i o n 矗b e r m t oaw i d eb a n d ，d i s t r i b l f t e dg a i n m e d i 啪nh a sm 砒l yl l 芏l i q u ea d v a i l t a g e so v e rt f a d i t i o m la n l p l i f i e r 1 1 l ea u t h o rl l a sp 积i c i p a t e di nm er e s e a r c hw o r k so f d i 嘶b u t c dr 脚a i l 锄p l i f i e r 洲c h i sp a no fak e yp r o j e c ts u p p o r t e d b yz h e j i a i l gp r o v i n c c t h i sp a p e ri sam e fs l l r 姗a r yo f n 他a u t 王l o r sw o r k 1 l lc h 印t e r1 ，t l l eh i s t o 】ya 1 1 dp r e s e n ts t a t l l so fd i s m b u t e d 吼a n 锄p l i f i e r sa r e 细d u c e da tf i r s t t h e n 糟p r i n c i p l ea n dm a m c o m p o n e n t s a r ed i s c i l s s e ds p c c i a 【虹 i nc h a p t c r2 ，t 1 1 ee x p e 血n e n t a lr c s u l t so f b a c ka i l df o r 撇砌o fs m a l ls i g n a lp u m po 晌行 r a m 锄g a i l ls p e c t m mo ng 6 5 2f i b e ri s 胁i s h e d t h ep l l 【】叩i n gs o u r c ei sa1 4 2 7 2 n m r 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gp a t t e mi sd e s i 黟l e d 缸do p t i m i z c d 戚n g t l l i ss o r w 黜t 圮c o m b i n a t i o no f p 啪p i i l g u r c c s i sd i s c i l s s e dc o m b i n e dt h e 聆q u i 嘲n e l l _ t so f 也ep r o j e c t n en o i s ef i g u r ea i l dt h ep r i n c i p a if h c t o r sl e a d i n gt ot 1 1 en o i s e i nd i 丘b r e mp 砌p i l 唱p a t t e ma r e a 1 1 a l 弘碍d 1 ka u m o r sc o n 劬m i o 鹏i nt l l i sp f o j e c tf o rd e v e l o p i n gm er a n 】肌d i s 劬u 湖 锄1 p l i f i e ra 嬲f o i l o w i n g ： t h er a m 觚s p e c t 豫f b rs o m el 【i n d sf i b e r sa m e 船u r e da n da i l a i y z e d ，a n dt l l e d i s 缸b u t e dr a m 孤a m p l i f i 叮i sd e s i g n e da n do p t i m i z c dl l s 吨s i m l l i a t i o ns o 胁a r e n l c s i m u l a t i o no fg a i n - n a t n e s sa 1 1 d i s ef i g u f eo fm c 锄p l i f i e r i sf i 】r i l i s h e d n l em n l o do f s p e e d i l l gu p 吐l ed e s i g no p t i m i z a t i o ni se x p l o f e d b ym a k i n gm a i l ye 丘_ o r t s ，w eh a v ec o m p l e l e dt l l eo v e r a l id e s i g no ft h er 咖袖 锄p l 俯e 觚dc o n s t n 王c t e d t 1 1 et e s t i n g 嬲s e “l b l eo f 讥a nt l l i sw o r kh a sl a i dag o o d f o u n 捌o n t 0 也es u c c e s so f d e v e l o p i n gm er 甜啪锄p l i 丘 中国计量科学研究院硕上学位论文 k e yw o r d s ：d i s 砸b u t e d 舳e rr 锄a n 锄p l i f l e r r 砌锄g a i ns p e 咖l m ，n o i s ef i g 眦e s p e c 咖，s i m u i a t i o r l 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得生国让量堂院或其 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。 学位论文作者签名：毒层霹 签字日期：多年 占月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解生亘让量堂垃有关保留、使用学位论文 的规定。特授权生垦让量堂瞳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，并采用影印、缩印或扫描等复印手段保存、汇编以 供查阅和借阕。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名毒庄霪别磁名白妙 ， 签字日期：口；年6 月f 目签字日期：p 3 年；月厂日 第一章概述 第一章概述 光纤拉曼放大器是一种新型的光放大器，它用同根光纤作为信号传输和放大 的介质，实现对光信号的在线放大。光脉冲信号从发射机输出经光纤传输一定距离 后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号幅度衰减，波形失真，这样就限 制了光脉冲信号在光纤中做长距离传输。为此需要在光波信号经过一定距离传输后， 加一个光中继，以放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。 光缆干线上的中继站主要有两种形式：一种是光电光转换的中继器，光信号 传输一定距离后，需要转换成电信号，然后进行再生，这需要大量昂贵的设备；另 一种是直接对光信号进行放大的光放大器。 目前研制的光放大器主要有两类1 1 1 ： 1 半导体光放大器( s 0 ) 半导体光放大器由半导体材料制成，它的优点是：体积小，功耗低；放大的带 宽大；制作工艺成熟；便于和其它光器件集成。缺点：与光纤耦合困难，耦合损耗 大：对光的偏振特性较为敏感；噪音以及信道之间的串话干扰较大等。 2 光纤放大器 光纤放大器包括以掺铒光纤放大器( e d f a ) 为代表的掺杂光纤放大器和以受激 拉曼光纤放大器( f r a ) 为代表的非线性光纤放大器。掺铒光纤放大器( e d f a ) 是目 前应用最多的光放大器，主要优点是：工作波长处于1 5 3 0 n 1 5 6 5 嘲范围，与光纤 最小损耗窗口一致；掺铒光纤放大器的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，增益高，噪音 低、输出功率大，它的增益可以达到4 0 d b ，噪音系数可以降低至3 4 d b ；因为它是光 纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗低，可以低至0 1 d b 。 光纤拉曼放大器的主要优点是【2 1 ：增益波长由抽运波长决定，只要抽运源的波 长适当，理论上可以对任意波长的信号进行放大；增益带宽较e d f a 宽，e d f a 的增 益带宽为3 0 吣左右，而采用单泵浦的f r a 带宽为3 0 呻，合理配置多泵浦的f r a 据 报道最大可以得到1 3 2 咖的平坦增益，这样光纤拉曼放大器就可以放大e d f a 不能放 大的波段；其增益介质为传输光纤本身，不需要特殊的放大介质，这样就为已有光 纤通信系统的改造提供了广阔的前景，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继 器的场合；噪音指数低，放大是沿着光纤分布，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尤其是四波混频( f w m ) 效应的干扰。这样与常规的e d f a 混合使用时可以大大降低系统的噪音指数，增加传输跨距。但是拉曼放大器也有些 第一章概述 缺点：不光是抽运光，还有一些d w d m 信道会对其他信道产生放大作用，这会导致信 道之间的能量交换，引起串音；同时，需要大功率的泵浦源；对光的偏振态比较敏 感。 随着波分复用( d m ) 技术的出现，通信波段可望扩展到1 2 5 0 n i n 1 6 5 0 咖光纤低 损耗区近4 0 0 n i i l 的带宽，这样传统的e d f a 的1 5 5 u m 附近约3 0 n m 的带宽就远远不够 用了，而拉曼放大器可以对大带宽的信号进行放大，成为继e d f a 之后的一个重要的 研究方向，在技术上和商业上的发展前景都l j 途无量。 1 1 拉曼放大器的历史和现状 当光照射在物质上时会发生非弹性散射，散射光中除了有与激发光波长一样的 弹性成分以外，还有波长大于和小于激发光波长的成分，后一现象统称为拉曼效应。 由分子振动、固体中的光学声子等激发源与激发光相互作用产生的非弹性散射称为 拉曼散射，般把瑞利散射和拉曼散射结合起来所形成的光谱统称为拉曼光谱，由 于拉曼光谱非常弱，一直到1 9 2 8 年才被印度加尔格达大学的物理学家拉曼等发现， 他们在用汞灯的单色光照射某些液体时，在液体的散射光中发现了频率低于入射光 频率的新谱线，在拉曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别 尔格等也独立的报道了晶体中的这种效应的存在。1 9 6 2 年，人们发现如果当光强超 过定的域值，就会产生受激拉曼散射效应，大部分的抽运功率都可以转换成斯托 克斯光i ”。 利用光纤中的拉曼增益对光信号进行放大，是人们最早研究的光放大方法。从 1 9 7 2 年首次在光纤中发现受激拉曼散射现象开始，人们对其进行了大量的研究，并 对可能的应用进行了探索，其应用主要有两个方面：光纤拉曼激光器和光纤拉曼放 大器。到了2 0 世纪8 0 年代，因为受激拉曼效应在光纤通信中的应用潜力，光纤拉 曼放大器获得广泛的重视，但是，因为拉曼散射是一种非线性效应，需要的抽运功 率比较高，一般大于5 0 0 m w 。而在9 0 年代初期，人们发明了e d f a ，e d f a 需要的抽 运功率比较低，在1 5 0 0 姗传输窗口中要获得和光纤拉曼放大器相似的增益只需要 1 0 0 m w ，因此光纤拉曼放大器的研究陷于停顿，而e d f a 很快发展成熟并得到广泛应 用。 随着通信业务需求的飞速增长和对光纤传输系统的容量和无中继传输距离要求 的提高，以1 0 g 速率为基础的的d w d m 系统必然成为主流的光传输系统，通信波段将 2 第一章概述 由c 带( 1 5 2 8 一1 5 6 2 n m ) 向l 带( 1 5 7 0 1 6 l o n m ) 和s 带( 1 4 8 s 1 5 2 0 姗) 扩展， 并且由于光纤制造技术的发展，现在已经可以消除在1 3 7 u m 附近的损耗高峰，这样 在将来，通信波段可望扩展到1 2 u n r l 7 u m 的宽广范围内。在这样的范围内，e d f a 还有其它方面的局限性，主要表现在以下几个方面： a ) 由于e d f a 是集总式光纤放大器，如果各个信道的入纤光功率过高，容易引起 四波混频和受激布里渊散射等非线性效应，会严重影响系统的性能。 b ) 相对于分布式拉曼放大器而言，e d f a 的噪声系数较高，会降低系统的光信噪 比。 c ) e d f a 的放大带宽由掺铒光纤的特性决定，均在4 0 姗以内，不足以充分发挥 d w d m 系统的优势。而光纤拉曼放大器却正好可以在此发挥巨大的作用。与传统的 e d f a 相比，通过选择合适的泵浦波长和泵浦功率，可以控制拉曼放大器的放大带宽 和增益平坦性，降低噪声系数，改善系统的光信噪比。同时，随着高功率二级管和 光纤光栅技术的发展，光源问题也得到较好的解决。 光纤拉曼放大器( f r a ) 又有其自身固有的优点，如放大波长只和抽运波长有关， 可利用传输光纤做在线放大。因此光纤拉曼放大器再度受到了广泛的关注，在目前 的大容量长距离d w d m 系统的传输实验中，都能看到拉曼放大器的身影邮j ，如2 0 0 1 年3 月，a l c a t e l 采用双向拉曼放大技术实现了1 0 2 t b s 1 0 0 k m 和3t b s 3 0 0 0 l ( 1 n 的d w d m 系统实验 拉曼光纤放大器有两种类型【j ：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。 a ) 分立式拉曼光纤放大器。分立式拉曼放大器一般采用拉曼增益系数较高的特 种光纤，增益光纤长度相对较短，一般在十公里以内，而泵浦功率要求很高，一般在 几到几十瓦，可以产生4 0d b 的增益，象e d f a 一样对信号光进行集总式放大，主 要放大e d f a 不能放大的波段。 目前的新动向是利用色散补偿光纤( d c f ) 本身拉曼增益系数较高的特点，在 保持色散补偿特性的同时迸一步提高其拉曼增益系数，这样当系统设计者决定使用 色散补偿光纤进行系统色散补偿方案时，按色散补偿光纤与普通光纤( g 6 5 2 ) 1 ：7 的配比，每8 0 公里的跨距配置1 0 公里左右的d c f 光纤，只需额外加5 0 0 m w 左右 的泵浦功率就可以实现l o d b 左右的拉曼增益，这样在色散补偿的同时也实现了光 放大，可谓是一举两得。( 如图1 1 所示) 第一章概述 厉 ) 。 7 图1 1 非顾色散补偿和信号放大的分立式拉艋光纤放大器 表1 1 列出了l u c e n t 公司的t r u e w a v e 光纤，d s f 光纤和d c f 光纤的增益特 性。由以下表格可以看出，d c f 光纤具有最大的拉曼增益系数，能够在较短的增益 光纤内实现大的增益l ”。 表1 1l u c e n t 公司的伽e w a v e “光纤、 d s f 光纤和d c f 光纤的增益特性 t r u e w a v e ” d s fd c f g a i l l d b3 8 83 4 64 8 6 a ，胛2 5 55 03 0 l k m 1 3 11 0 1 27 0 6 g 1 0 “m 一1 2 6 72 8 l3 3 9 在2 0 0 0 年的欧洲光通信会议上，斯坦福大学的研究人员报道了他们的分立式拉 曼放大器实验结果，用十几种不同的光纤分别做增益放大介质比较得出，色散补偿 型光纤( d c f ) 是分立式拉曼光纤放大器的最佳选择。这预示着我们可以在进行色 散补偿的同时对信号进行高增益、低噪音的放大，而且互相不影响。目前人们已经 开始探索用重掺锗光纤和聚合物光纤等制作分立式光纤拉曼放大器，由于聚合物的 拉曼增益系数大、频谱丰富等特色，也有希望成为分立式拉曼放大器的新增益介质。 b ) 分布式拉曼光纤放大器。分布式拉曼光纤放大器所用的增益光纤很长，一般 是几十公里，泵浦的功率可以降低到几百毫瓦，主要是辅助e d f a 用于d w d m 通 信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比【| 9 ，”1 。 分布式放大器可以使光传输系统的性能得到极大的改善，而以且静的技术来看 只有拉曼放大技术才能实现光传输过程的分布式放大，因此分布式拉曼放大器在系 统中的应用前景日益重要起来。 4 第一章概述 分布式拉曼放大器可以作为预放大器置于接收机或e d a f 的前面，以提高光传 输系统的光信噪比，增加传输跨距。使用分布式拉曼放大器，信号在传输过程中被 放大，并且接收端的信噪比得到改善。 对于受限于四波混频的波分复用系统，注入信号功率降低6 d b 可以使信号间隔 缩短两倍。对于主要的非线性限制因素是互相位调制的系统，注入功率降低6 d b 可 以使信号间隔缩小4 倍。可见，当入注光功率降低到非线性效应可以忽略的程度时， 在现有的2 5 g b s 系统，d w d m 的复用波长间隔可以进一步缩短，复用的信道数可 以进一步增加，系统总传输速率从而得到提升。 对于l o g b ，s 甚至4 0 g b ，s 系统，为了保持接受端的信噪比，其注入端的光功率 相对于目前的2 5 g b s 系统均需有较大幅度的提高，在发送端便会发生很严重的非线 性效应，严重影响信号的传输。利用分布式拉曼放大技术，可以在保持接受端信噪 比的情况下降低注入功率，使得在现有的通信环境下从2 5 g b s 系统较平滑的升级到 l o g b s 系统成为可能。最近报道2 0 0 1 年7 月底阿尔卡特公司宣称通过分布式拉曼放 大技术在实验室中成功的实现了以4 0 g b s 的速度、3 2 个d w d m 波长、在2 4 0 0 公 里的距离上进行远程传输。 目前，在一些实验中，拉曼放大器已经成功地被应用。”。美国的康宁公司 也已成功开发出了世界上第一个商品化的拉曼放大器p u r c g a i n5 0 0 0 r 并已经投入使 用，除了康宁公司以外，北电、朗讯等大的公司都积极地开展对拉曼放大器的研究。 据c i b c 公司的估计，拉曼放大器的市场在2 0 0 5 年会增加到4 8 亿美金，其发展前 景不可限量。目前拉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 毫无疑问的承认，即使在城域网中，拉曼放大器也会有其利用价值。只要光通过一 些路由装置，不管是交换机还是上下路复用器( a d m ) ，都会有信号衰减，因此就 可以采用拉曼放大器来补偿衰减。 1 。2 光纤拉曼放大器的基本原理【1 6 l 光纤拉曼放大器利用了光纤中的受激拉曼散射现象。拉曼散射是一种非弹性碰 撞过程，可以看作是介质中的分子振动对入射光的调制，即分子内部粒子之间的相 对运动导致分子感应电偶极距随时间的周期性调制，从而对入射光产生散射作用， 设入射出的频率为n ，介质分子的振动频率为吼，则散射光的频率为q = 哪- 吼和 2 啡+ 吼其中频率为国，的散射叫斯托克斯散射，频率为吼的散射为反斯托克 第一章概述 斯散射。 从量子力学的观点来看，又可以将拉曼散射看成是入射光和介质分子相互作用 时。光子吸收或发射一个声子。 斯托克斯拉曼光子： q = ( 唧一d ) ( 1 1 ) 反斯托克斯拉曼光子： 矗= 厅( c ，p + u ) ( 1 2 ) 式中，q ，国。分别为抽运光( 入射光) 、斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼光的频 率。 在此过程中，光予与分子有能量交换。当光子把一部分能量交给分子时，光子 能量部分转变为分子的振动或转动能量，同时散射分子处于激发态e 1 ，光子的频率 为： q = 一p ( 1 3 ) 散射光子的频率比入射光子的频率低，为斯托克斯拉曼散射。 当分子预先已处于激发态能级e 1 时，光子会从散射中获得能量，以更高的频率 散射出去，散射光子的频率为： 5 + d ( 1 - 4 ) 此为反斯托克斯拉曼光。 斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射的能级跃迁图如图1 1 所示。光纤拉 曼散射的光谱图如图1 - 2 所示 1 9 6 2 年，人们又发现如果光强超过一定的闽值，斯托克斯波会在介质内迅速增 加，大部分的抽运功率都可以转换成斯托克斯光，这种现象就叫受激拉曼散射，拉 曼散射的初始增加可用下式描述； 车：弹以 北 ( 1 5 ) 其中l 是斯托克斯光强，是抽运光强，孙是拉曼增益系数。拉曼增益系数与自发 拉曼散射的截面积有关，此截面积可由实验测量得到，深而言之，孙与拉曼极化率 的虚部有关，可以由量子力学的方法算出。 6 第一章概述 h e t e 2 l jl 一 h vo h ( v 口+ o b( v o 一v ) r j 1 e i 图l l 拉曼散射能级跃迁圈 广 、八 厂 一 i 一- 2 6 - 2 0 1 5 - 1 0 - 5051 01 52 0衢 m 图l - 2 光纤拉曼散射的谱线图 v 在早期的单模光纤受激拉曼散射实验中，s t o k n 等人测得了石英光纤中的拉曼 散射系数g 。，g 。一般与光纤纤芯的成分有关，对于不同的掺杂物踟有很大的变化。 对于泵浦波长五。= 1 ，册，图1 3 给出了熔石英中的g 。与频移的变化关系，而对于不 同的泵浦波长，g 。与五。成反比。石英光纤中拉曼增益的最显著特征是，g 。有一个 很宽的频率范围( 达4 4 n z ) ，并且在1 3 n z 附近有一个较宽的主峰。这些特性是 由于石英玻璃的非晶体特性所致，在诸如熔石英等非晶体材料中，分子的振动频率 7 啪 邮 哪 ：筝 哪 喵 m 哪 哪 啪 e 目 第一章概述 展宽成频带，这些频带交迭并产生连续态。结果，与大多数介质中的特定频率上产 生拉曼增益情况相反，石英光纤中的拉曼增益现象可以在很宽的范围内连续产生。 图l - 3 泵浦波长五。= l 朋时测得的拉曼增益普 而正因为这个特性，光纤可以用做宽带放大器。 为了了解s r s 过程如何产生，我们考虑一束频率为国，彭连续光波在光纤内传播， 如果一束频率为国，的探测波在光纤的输入端与泵浦波同盱寸入射，只要频差出，- q 位 于图l 拉曼增益谱的带宽内，探测波就会由于拉曼增益而玫大。考虑到光纤损耗， 抽运光和斯托克斯光的相互作用符合下列耦合方程： ! ；：g j p i l o 【，i | 、乇) 等= 一鼍g 山i i _ 叫p 。) 上式中的a ，、分别是在斯托克斯频率和抽运光频率处的匕纤损耗系数。在没有损 耗的情况下，有 鲁l + 纠= 。 ( 1 8 ) 此式说明在s r s 过程中泵浦和斯托克斯光束中的光子总数不变。 在信号光强总是远小于抽运光强，忽略抽运损耗的条件下，由( 1 - 7 ) 和( 1 - 8 ) 可以解出 l ( 工) = l ( o ) e x p ( g r 厶矿一q 工) ( 1 _ 9 ) 式中厶是垆o 处的抽运光强，三够为有效互作用长度 8 第一章概述 。= 古【l 唧( 叫，三) 】 ( 1 1 0 ) 由于光纤对泵浦的吸收损耗，实际光纤长度l 由有效互作用长度玎取代。因为没 有抽运光时， l ( 工) = l ( o ) e x p ( 口，三) ， 所以放大器的增益 g 一= 而嚣= 唧( 啪v ( 1 - 其中岛= 厶一盯是放大器的抽运光功率，一盯是光纤的有效截面。 1 3 光纤拉曼放大器的基本组成 光纤拉曼放大器是利用受激拉曼散射而实现光放大的，其原理图如图1 4 所示， 包括泵浦源，光隔离器( i s 0 ) ，耦合器，光纤和滤波器。 图l - 4 拉曼放大器原理图 1 泵浦源 光纤中的r a m 趾效应在六十年代就引起了极大的关注，但困扰f r a 应用的最 主要原因是没有合适的大功率泵浦源。近几年s d l 公司推出了1 4 5 0 姗大功率l d 后，f r a 的研究又成为热点。总体上说，解决f r a 泵浦源共有三个方案：一个是大 功率l d 及其组合，特点是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小，易集成，这是 最佳的选择；二是r 丑m a i l 光纤激光器( r f l ) ，采用拉曼散射( s r s ) 原理，并采用 多个谐振腔对光纤内s r s 产生的各个波长的斯托克斯光提供波长选择反馈，制成宽 带可调谐的多波长拉曼光纤激光器( m w r f l ) ，在1 1 0 0 1 6 0 0 波段上任何波长都可 以产生输出。通常的做法是，利用多模泵浦激光器泵浦一段特殊材料的光纤，产生 某一波长的光，再用该光波泵浦一系列级联的拉曼谐振腔，分别产生不同波长的光， 在0 f c 2 0 0 2 会议上，朗讯提出了一种为增益波动最小化而设计的3 波长的拉曼激光 器( r f l ) 的方案f 1 7 j ，该激光器的原理图如图1 5 所示。该激光器可以发射三个波 长的光：1 4 2 8 姗，1 4 4 5 i l l l l ，1 4 6 6 枷。用中心波长为l l o o 啪的包层掺镱( y b d o p e d ) 9 第一章概述 激光器作为泵浦源。砒l 中包括一卷提高拉曼增益的单模光纤。四对具有高达9 9 固定反射率的高反射腔镜( h r ) 构成四级串机级拉曼散射，使得拉曼光纤中的光波 长从1 1 0 0 n m 激发到1 3 4 7 啪。输出光栅装置也对1 1 0 0 呦泵浦光具有高反射率。 1 4 2 8 啪，1 4 4 5 加1 ，1 4 6 6 呦波的谐振腔由一组反射率可调节的压控输出耦合器和一 组匹配的h r 光栅组成。研究拉曼激光器( r f l ) 输出特性表明：减小光栅的插入 ， 1 4 6 6 c p f l o o 姗 图l 一53 波长的拉曼激光器( r l 吼) 原理幽 损耗、光纤之间的接入损耗和输出光栅的反射率，能够有效地提高激光器的输出功 率。目前，用于放大器泵浦源的l 输出功率可达5 w ；三是半导体泵浦固体激光 器( d p s s l ) 。 由泵浦源个数来看，可以分为单泵浦拉曼激光器和多泵浦拉曼激光器。采用多 泵浦源的组合，并对泵浦波长和功率进行优化设计，可以产生宽带、平坦的拉曼增 益。现在用于泵浦勋m a n 放大器的波长主要集中在1 4 2 0 呦，1 4 5 0 n m ，1 4 8 0 n m 这 三个波长及其附近，可以产生1 5 l o 1 5 8 0 砌宽度的平坦增益，总增益带宽可以达到 1 1 4 1 1 i i l 。但是随着泵浦源个数的增加，合波耦合器的制造技术难度增大。对于泵浦 源本身来说，要求线宽较宽( 一方面可以产生较平坦的增益，另一方面可以抑制s b s 引起的噪音) ，泵浦功率对于分立式f r a 来说一般在1 w 以上，而分布式f r a 则为 几百m w 。 从泵浦方式来看，按照信号光与泵浦光传播的方向可以分为前向泵浦和背向泵 浦。采用背向泵浦有增益高、偏振依赖小的优点。而前向泵浦由于偏振模色散( p m d ) 的存在使信号光和泵浦光的偏振态相对发生变化，与背向泵浦相比，在同样的泵浦 条件下阈值变大，获得的增益也较小。大多数r a m 趾放大器系统使用宽带环行器 ( c n u l a t o r ) 进行背向泵浦，这样就容易使信号光与泵浦光分离，省去了滤波片。 2 增益光纤 l o 第一章概述 拉曼光纤放大器的核心部分是放大介质即光纤，不同的纤芯材料有不同的拉曼 增益系数以及拉曼频移量，因此光纤的选用非常重要。由于高掺锗的色散补偿光纤 ( d c f ) 有较大的拉曼增益系数，分立式的拉曼光纤放大器一般采用d c f 光纤，可以 同时补偿信号的损耗和色散，与标准的零色散光纤相比，纤芯更细，但是损耗更大。 而分布式拉曼放大器则只要求在光纤设备的给定长度内对光信号略加放大，一般采 用g 6 5 2 光纤图1 6 给出了d c f 光纤、s m f _ 2 8 ( g 6 5 2 光纤) 和n z d s f 光纤的拉 曼增益谱【1 。l 。 o- 1 0 - 2 03 0 图l - 6d c f 光纤、s m f 2 8 ( g 6 s 2 光纤) 和n z d s f 光纤的拉曼增益谱 3 增益平滑滤波器、光隔离器和耦合器 接受器上的信噪比是衡量通信系统性能的主要指标，实验结果表明，接收器上 的信噪比很大程度上取决于放大的自发拉曼散射( a s e ) 。由于自发拉曼散射随信号 一起被放大，一部分泵浦能量在整个拉曼增益带上自发地转变成斯托克斯辐射，这 样，输出不仅有所需的信号，还包括很宽频率范围的背景噪声( 约1 0 n 亿或更大) 。 如果光纤的输出通过一个增益平滑滤波器，让信号通过但减小放大自发噪声的带宽， 可以改善放大器的增益平坦度。 常用的增益平滑滤波器有闪耀光栅( b l a z e dg 撕n g ) 、长周期光纤光栅( l p g ) 、 声光调谐滤波器( a o t f ) 、干涉滤波片( i n t e 疵r e i m f i l t e r ) 、光纤环形镜( f i b c r l o o p m i r r d r ，f l m ) 等。利用这些器件的损耗特性和放大器增益的波长特性相反的增益 均衡器来抵消增益的不均衡性，关键在于精心设计增益均衡器，使放大器的增益曲 线与均衡器的损耗特性准确吻合，增益峰值处相对应的损耗也最大，最终达到增益 平坦的目的。 光隔离器和耦合器在这里就不做详细介绍。 5 d 5 o 5 o 5 o 3 3 2 2 t l o o 一爱鼍乏1】分e盘。毽；ii磊磊匠 第二章g 6 5 2 光纤拉曼散射光谱的测量和分析 第二章g 6 5 2 光纤拉曼散射光谱的测量和分析【1 9 2 0 在许多非线性介质中，自发拉曼散射将小部分( 典型地约1 0 - 6 ) 入射功率由 一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称 拉曼效应。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，同时完成振动态之问的跃迁。当光纤内仅有泵浦波入射时，自发拉曼散射产生 的信号将起到探测波的作用，并且在传输过程中得到放大。也就是自发拉曼散射在 整个拉曼增益谱的频率范围内产生信号，经过一小段光纤后，这些弱信号对应的增 益系数得到不同程度的放大，同时产生更强的自发光。对于纯石英光纤，放大系数 g 的最大值所对应的频率是由泵浦频率下移1 3 2 t h z ( 4 4 0 c m _ 1 ) ，当泵浦功率超过 某一阈值时，此频率分量近似指数增长。分析此过程，可以观察拉曼增益系数和泵 浦功率的关系以及拉曼频移现象，作为设计和优化拉曼放大器的理论基础。在本章 中，基于项目设计分布式光纤拉曼放大器的需要我们测量了2 5 k mg 6 5 2 光纤 ( a l c t e l 公司制造) 的的向。毗f f 拉曼散射谱和背向。曲f f 拉曼散射谱，并对光 谱进行了分析和比较。 2 1g 6 5 2 光纤前向开，关拉曼增益谱的测量和分析 实验中采用输出功率可调的拉曼光纤激光器，中心波长1 4 2 7 2 n m ；灿e c t e l 公司 生产的g 6 5 2 ( s 1 02 ) ，长度为2 5 2 公里，传输损耗为o 2 0 3 d b 脑n ( 1 5 5 0 n m 左右) 。 泵浦光通过一个1 2 双工器入单模光纤，然后进入q 8 3 8 4 光谱分析仪分析出射信号。 原理图如图2 1 所示。 g 6 5 2 光纤 图2 1 前向拉曼开关增益谱测量原理图 实验首先测出泵浦源通过耦合器的光谱作为参考谱，然后测出了泵浦源通过耦 合器进入g 6 5 2 光纤后出射的光谱作为测量谱，比较测量谱和参考谱，得出小信号 g 6 5 2 光纤的开关拉曼增益谱，在这个拉曼增益谱中，附加了g 6 5 2 光纤的自身损耗。 1 2 第二章g 6 5 2 光纤拉曼散射光谱的测量和分析 该l 2 双工器带来了较大的损耗，对前向拉曼开关增益谱的测量带来约为3 5 d b 的损耗，泵浦输出的功率要远小于进入光纤的信号功率。我们分别测量了泵浦功率 为1 0 0 m w ，4 0 0 m w ，5 0 0 m w 时的拉曼增益谱，谱图如下： 2 1 1 名义泵浦功率为1 0 0 棚的前向拉曼开关增益谱及其分析 一- i l f 。8 j1 2 l- 9 3 7 mil 2 l8 b o i h 眦 k 1 2 1 0 0 5 6 4 t h z 7 舶 v 6 1雌so0 5 5 0 ih 卜s e i f 嘈6 m ：一 ”j 。 ”0 、k 薯 1 2 i 如嘣 一”“ 。“i 十l 二 。；糊例 p 口“ 孽6：”：r = j u j ”：y t o k 一：，。 i p e k ，。1 二一：。 ； 1 i： u 于t o 2 卜+ 卜 j j 一i 一一；， 蛭 k蕾，o 。r p “。 + 一 1 6 h t - 6 lj 33 7 i n k ，d 2 1 0 o 目 址v e l 2 ：宙棚i 图2 2 前向拉曼开，关增益谱( 名义泵浦功率为1 0 帅肿) 名义泵浦功率为l o o m w 的拉曼开关增益谱如图2 - 2 所示。1 4 2 7 2 蛐 ( 2 1 0 0 5 6 n z ) 的泵浦光在1 5 2 2 6 8 m ( 1 9 6 9 5 5 3 t h z ) 附近产生了一阶拉曼散射 峰，峰值增益系数为o 9 2 d b ，一阶拉曼频移量为1 3 1 1 1 1 忆，在1 5 6 1 4 2 啦 ( 1 9 2 0 0 n 王z ) 附近出现了阶拉曼散射小峰，拉曼频移量为1 8 0 5 6 t h z ，这与图 l - 3s t o l e n 测得的石英光纤的拉曼增益谱吻合得很好。但是在泵浦功率为1 0 0 m w ， 实际输入光纤功率为3 5 m w ( 考虑到耦合器的损耗) 的拉曼增益谱中，观察不到明 显的二阶拉曼峰。 由泵浦功率为1 0 0 m w 的拉曼增益谱可以发现，整个增益谱的增益系数都为负 值，说明光纤本身的损耗要大于拉曼增益，要做成拉曼放大器，必须加大泵浦功率 2 1 2 名义泵浦功率为4 0 0 州的前向拉曼开关增益谱及其分析 泵浦功率为4 0 0 m w ，实际入纤功率为1 4 0 m w 的拉曼增益谱如图2 - 3 所示。由 图可以看出，1 4 2 7 姗( 2 1 0 0 5 6 n z ) 的泵浦光在1 5 2 2 6 8 1 1 m ( 1 9 6 8 8 5 t h z ) 附近产 生了一阶拉曼教射峰，峰值增益系数为0 9 6 d b ，一阶拉曼频移量为1 3 1 7 l n z 。观 察不到明显的二阶拉曼现象。 第二章g 6 5 2 光纤拉曼散射光谱的测量和分析 与前面谱图不同的地方是，在1 5 2 7 5 9 姗( 1 9 6 2 5 t h z ) 处出现了一个较为明显的 双峰的突起，该处的拉曼频移量为1 3 8 l t h z ，该突起在s t o l e n 等人测得的拉曼增益 谱中也能明显的看到2 1 1 i il1 巧t g n 怔l 船li 聃盯m 怔fu i 喝曲 l l i l16 5 5 棚 f 1 2i _ 6 朋棚 f 控i - h 6 3 if g l r 甜l s 瓤盯 啼，o “ ”，”一t 一i s t o p 棚 。l 。；一：，0 ；。， i 。 。 ：l。 “p i ” “r 一 一 二 i ；，一l 。一。 _ 7 o ” ；一：f 。oi ! ! ! ! _ ： = _ ，l 哳 a m s 暇 鬻州 o 2 ，：一，、z 7 f t l l m ，d即甜i 。 ；。j 啼o ； i： 筐 7 63 均 r i 啊1 9 32 0 2 4 n | z33 7 l w k o2 l oo s f亚 # h - 髓7 0 7 9 1 ji 图2 - 3 前向拉曼开，关增益谱( 名义泵浦功率为4 0 0 l t i h ) 2 1 3 名义泵浦功率为5 0 0 m 的前向拉曼开关增益谱及其分析 i 舡il 蚴他 越j1 螂3 n kju i 坚i - _ jj _ li i f 鼍弱丽1 2 广_ ：丽刚l 2 广_ ：雨扪10 洲 m b l 一5 s ， s t 阳t mo j ： ； i ； 。一rl 甜妒 - iu n ：p 十 i j； ； 。 ! 十- ，“、 ：，； ； i ：划 i 辫 - 6 5。一一1 ：； 一。 !l t o 2，i “；r ： ，d- 一；，k 一 j 0i 一，yw m ，f r e 0 一，5 ： 1 7 63 4 9 【u 脚i 丑jl 口，批4 z，j ，l l n z 川o “ 慷1 1 l o s 1 矾t ：3 4 8 5 n 怔ji 图2 - 4 前向拉曼开，关增益谱( 名