（信息与通信工程专业论文）新型光纤参量放大器的优化设计.pdf

篁鏊墼塑墼耋壁垒，。，。，。，。，。，。堡坠一 新型光纤参量放大器的优化设计 摘要 且前的光纤通信系统，通过采用波分复用技术成十上百倍地增加光纤的传输容量， 实现高速和超高速的光纤信息传输。在其长距离的传输过程中，通过使用光放大器对光 信号进行放大，补偿光纤损耗所带来的信号减小，实现长距离和超长距离的光纤信息传 输。因此，光放大器是波分复用光纤传输系统的关键。 耳兹，光放大器主要有半导体光放大器( s 0 a ) ，掺铒光纡放大器( e d f a ) 和光纾 拉曼放大器( f r a ) 。传统的光放大器不能提供足够的增益带宽从而不能使全波光纤( a w f ) 的低损耗窗口1 2 5 0 1 6 5 0 册得到充分的利用。而利用四波混频进行信号放大的光纤参 量放大器( f o p a ) 能在任意波长处提供宽带的平坦高增益。而且，f o p a 还具有低噪声的 特点，对于相位敏感f o p a 它能获得低于3d b 量予嗓声极限的放大嗓声。此外，光纤参 量放大器还能用于宽带波长变换器、归零脉冲发生器、光时分复用器、全光采样、光纤 延时等。因此，作为一种新型的光纤放大器，光纤参量放大器已经成为新的研究热点。 而如何设计新型的超宽带光纤参量放大器则成为该类放大器研究的一个重点。基于此研 究背景，本项目结合国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才支持计划项目，致力于 研究超宽带光纤参量放大器，其目的是寻找实现超宽带光纤参量放大器的方法并对光纤 参量放大器的理论进行深入研究，同时对其噪声特性进行研究，分析影响噪声特性的因 素圾其可能解决的方案。 论文首先回顾了国内外学者在光纤参量放大器方面的研究成果和研究现状，分析 光纤参量放大器两个重要的研究方面：增益带宽和噪声性能。接着从光纤参量放大器的 理论模型出发，分析讨论光纤参量放大器的增益带宽及其噪声特性，并通过仿真计算分 析光纤参量放大器的配置参数对放大器特性的影确，从而也得戥一些重要的相关结论。 光纤参量放大器的带宽优化设计是一个至关重要的研究内容，论文中提出一种新 的双泵浦光纤参量放大器，它由两段高j f 线性光纤级联而成。因为放大器的一些设计参 数，例如泵浦功率、泵浦波长、光纤色散系数、光纤非线性系数、光纤长度等，决定了 光纤参量放大器的增益特性，所以本文利用遗传算法优化设计这些参数获得了一系列 的优化结果。计算结果表明，遗传算法对于优化光纤参量放大器的上述参数是非常有效 的。我们将优化的参数应用到两级高非线性光纤级联双泵浦光纤参量放大器中，在理论 上获得3 4 6 n r a 带宽、0 2 d b 增益抖动的2 0 3 d b 的平坦增益。这种超宽带光纤参量放大器 可用于宽带波分复用光通信系统中，可以同时放大多个波分复用信道信号。 此外，论文还基于色散平坦光纤的色散盐线模型和光纤参量放大器的增益理论模 第t 厦 型，分析了随波长改变的光纤色散n ( a ) 引起的放大器增益谱的非对称性。通过比较由 不同色散曲线的光纤组成的光纤参量放大器的增益谱，我们发现越低越平坦的光纤色 散，得到的光纤参量放大器的增益谱就越宽。在此基础上，我们还设计了具有以上色散 特性的光子晶体光纤，通过使用遗传算法对光子晶体光纤的结构参数0 ，函，, 2a n d 曲进 行优化设计，在一个宽的波长范围上获得了一个所期待的超低超平坦的光子晶体光纤。 最后，我们用这个优化的光子晶体光纤构架了一个新的双泵浦光子晶体光纤参量放大 器。因为光纤的四阶色散系数对光纤参量放大器的增益谱的影响很大，在进一步的研究 中，我们将考虑继续对光子晶体光纤的四阶色散进行优化设计，使它更适合于宽带光纤 参量放大器。 另外，对于双泵浦光纤参量放大器而言，两泵浦的中心波长位于光纤的零色散波长 附近，目的是为了在比较宽的波长范围内实现相位匹配。但是，光纤损耗、光纤色散、 光纤零色散波长波动等会引起相位失配，这些相位失配影响放大器的增益特性。论文从 双泵浦光纤放大器小信号增益解析解出发，研究了相位失配对放大器增益特性的影响。 分析结果表明，光纤损耗减小了泵浦功率，从而引起了信号增益的减小，并且在光纤纵 向导致了相位失配从而在增益谱上产生一个大的增益波动。当考虑光纤损耗时，光纤四 阶色散在增益谱上产生一个大的增益抖动，恶化了增益谱的平坦性。此外，光纤零色散 波长波动导致了增益谱的改变，长程波动的影响比短程波动的影响更严重，但是光纤损 耗和四阶色散对短程波动的影响比长程波动的大。所以即使对于短光纤组成的光纤参量 放大器，光纤损耗、光纤四阶色散、光纤零色散波长波动等引起的相位失配也是很明显 的，应该仔细考虑。 光纤参量放大器的噪声特性研究也是论文的一个非常重要的方面。论文首先基于光 纤参量放大器信号增益的精确分析解，通过仿真优化设计双泵浦光纤参量放大器，得到 一些有意义的结论。通过优化放大器参数，当增益开始饱和时，光纤参量放大器的增益 最大，平坦的增益带宽最宽，噪声指数最小。然而，随着增益饱和的继续增强，平坦的 增益带宽变窄了，噪声指数也增大了。因此，优化设计的原则是调节光纤参量放大器的 参数，使放大器达到一个低的增益饱和状态。应该尽量避免增益饱和的持续增强，因为 这样会恶化光纤参量放大器的增益和噪声性能。 论文也分析了为了抑制受激布里源散射而使用的泵浦相位调制对光纤参量放大器 噪声性能恶化的影响。研究表明，应该优化光纤参量放大器的结构参数平衡高增益和低 噪声的矛盾。对于固定结构参数的光纤参量放大器而言，可以通过优化泵浦相位调制设 置而减小放大器噪声，例如减小泵浦相位调制频率、调制指数，用多个正弦信号调制泵 浦等。在多调制信号的情况下，应该优化各个信号的调制频率，使其平方和最小从而获 得低的噪声。噪声指数是评价光纤参量放大器性能的一个重要指标。来自掺饵光纤放大 器的放大自发辐射噪声和泵浦源的相对强度噪声对光纤参量放大器的噪声指数有重要 的影响。对单泵浦光纤参量放大器而言，随着信号光波和泵浦光波之间的波长间隔的增 加，相位失配增加从而引起信号噪声性能的恶化。然而，对于双泵浦光纤参量放大器， 信号噪声在平坦增益范围内随信号波长变化很小。减小参量增益的一些方式，如减小泵 浦功率、光纤长度、光纤非线性系数等，可以减小光纤参量放大器噪声与理想噪声的偏 离。因此，可以优化光纤参量放大器的结构参数以平衡高增益和低噪声的冲突。此外， 用高光信噪比( o s n r ) 的泵浦源也是减小光纤参量放大器噪声的一个有效的方式。论文最 后对整个研究工作进行了总结，并提出进一步研究的方向和目标。 关键词：光纤参量放大器，四波混频，增益带宽，噪声指数，遗传算法 o p t i m i z e dd e s i g no fn o v a lf i b e ro p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i e r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) i sa p p l i e di n c r e i s i n g l yt ot h e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st oi n c r e a s et h ei n f o r m a t i o ne a p a c i t yo fe a c h ! f i b e ra n dm a k e t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e ds p e e d i l yb yf i b e r w h e nt h ei n f o r m a t i o ni st r a n s m i t t e dt oad i s t a n t f i e l d ，i tr e q u i r e sa m p l i f i e r st oc o m p e n s a t et h el o s so ff i b e ra n de q u a l i z et h ep o w e ro ft h e v a r i o u sc h a n n e l s ，w h i c hm a k e st h et r a n s m i s s i o nt oal o n gd i s t a n c eo f t h ei n f o r m a t i o nf i n i s h e d t h e r e f o r e ，o p t i c a la m p l i f i e r sp l a yv e r yi m p o r t a n tp a r t si nt h ew d mo p t ! c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a tp r e s e n t , t h e r ea r es e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a ) e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) a n dr a m a na m p l i f i e r ( r a ) b u tt h et r a d i t i o n a lo p t i c a la m p l i f i e r sc a n t p r o v i d es o f l a t g a i ns p e c t r u m t h a t 】o w l o s s w i n d o w s ( 1 2 5 0 - 1 6 5 0 h m ) o f a l l w a v e f i b e r c a d t b e u t i l i z e df u l l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la m p l i f i e r s , f i b e ro p t i e a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r ( f o p a ) ，w h i c hu t i l i z e st h ep r i n c i p l eo ff o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) 幻a m p l i 黟t h es i g n a l s , c a n n o to n l yp r o v i d em o r eb r o a dg a i nb a n d w i d t ha n dh i g h e rg a i nl e v e li nm a n ys p e c t r a lb a n d s ，b u t a l s oe x h i b i tl o w e rn o i s ef i g u r e s ，w h i c ha r ea p p l i e dt ob r o a d b a n do p t i c a la m p l i f i e r sa n d w a v e l e n g t hc o n v e r t e r s ，r e t u r n e dz e r op u l s eg e n e r a t i o n ，o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d s w i t c ha n da l l o p t i c a ls a m p l i n g t h e r e f o r ef o p ah a sb e e nah o t s p o tt or e s e a r c ha san e wt y p e o ff i b e ra m p l i f i e r s h o w e v e r h o wt ow i d e na n df l a r e nt h eg a i ns p e c t r u mo ff o p ah a s b e c o m eav e r yi m p o r t a n tp r o b l e m w i t ht h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f “t h er e s e a r c ha b o u t b r o a db a n d w i d t hf o p a sw i t ht h ew a v e l e n g t hc o n v e n i n g ”s u p p o s e db yn a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，t h e8 6 3p r o g r a ma n ds h a n g h a io p t i c a la n dt e c h n o l o g yp r o j e c t , t h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c hf o c u s e so no b t a i n i n gf o p a sw i t hs u p e rb r o a db a n d w i d t ha n di t s t h e o r y m o r e o v e r t h er e s e a r c h 曲o u tt h en o i s ec h a r a c t e r i s t i co ff ( ) p a sa l s oi sa ni m p o r t a n t p a r to ft h et h e s i s ，t h ef a c t o r s ，h a v i n ga l li m p a c to nt h en o i s ep e r f o r m a n c eo ff o p a s ，a n d s o m es o l u t i o n st os o l v et h ep r o b l e mh a v eb e e na n a l y z e d t h et h e s i s f i r s t l y r e v i e w e dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n da c t u a l i t i e so b t a i n e db y d o m e s t i co rf o r e i g ns c h o l a r si nt h ef i e l do ff o p a st e c h n i q u ei nt h ep a s ty e a r s i nt h e s e f o u n d a t i o n s ，t h et h e s i sp r o p o s e dt h et w oa s p e c t st or e s e a r c ho nf o p a s ，t h a to f t h eb a n d w i d t h o fg a i ns p e c t r u ma n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e r m o r e s o m es i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt 0 a n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ff o p a s o nt h e s ep e r f o r m a n c e sa n dw e h a v ed r a w ns o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n s i t sav e r yi m p o r t a n ti nt h er e s e a r c ht h a th o wt ow i d e na n df l a x e nt h eg a i ns p e c t r u mo f 第l v 睫 f o p a s w ep u tf o r w a r dt oan e wt w o p u m pf i b e ro p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r , w h i c hi s c o m p o s e do ft w o s e c t i o nh i 曲- n o n l i n e a rf i b e r s ，f o rm a n yd e s i g np a r a m e t e r s ，s u c ha sp u m p p o w e r sa n dw a v e l e n g t h s ，d i s p e r s i o n - c o e f f i c i e n t ，n o n l i n e a rc o e f f i c i e n ta n dl e n g t ho fh i g h l y n o n l i n e a rf i b e r s ( h n l f s ) ，g o v e r nt h eg a i np e r f o r m a n c eo ff o p a s ，g e n e t i ca l g o r i t h mi s p r o p o s e dt oo p t i m i z et h e s ep a r a m e t e r s ，w h i c hi sp r o v e dt ob ea ne f f e c t i v em e t h o da n das e r i e s o f o p t i m u mr e s u l t sa r eo b t a i n e d 刚t ht h e s eo p t i m u mp a r a m e t e r s ，at w o p u m pf o p au s i n ga t w o s e c t i o nh n l f sc o n f i g u r ec a nt h e o r e t i c a l l yp r o v i d ef l a tg a i no f2 0 3d bw i t h0 2d b u n i f o r m i t yo v e r3 4 6a mb a n d w i d t h , w h i c hc a nb ep o t e n t i a l l yu s e di nw i d e b a n dw d m c o m m u n i c a t i o ns y s t e mt oa m p l i f yw d mc h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l y f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h ed i s p e r s i o nc u r v eo f d i s p e r s i o n f l a t t e df i b e r ( d f f ) m o d e l e da s ap a r a b o l aa n dt h eg a i nt h e o r ym o d e lo ff o p a s ，t h eg a i ns p e c t r u mo fd i s p e r s i o n f l a r e n e d f o p a si si n v e s t i g a t e d ，w h o s ea s y m m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i cd e r i v e sf r o mt h a tav a r y i n g d i s p e r s i o ns l o p eo ff i b e rw i t hw a v e l e n g t h 功a ) i sc o n s i d e r e dt os u b s t i t u t ef o rac o n s t a n t 功 t h eg a i ns p e c t r ao ff o p a sc o n s i s t i n go fd f fw i t hd i f f e r e n td i s p e r s i o nc u r v e sa l ec o m p a r e d a n di ti se v i d e n tt h a tl o w e ra n d m o r ef l a r e n e dt h ed i s p e r s i o nc u l = v eo f d f ei s ，b r o a d e rt h eg a i n s p e c t r u mo ff o p a si s s u b s e q u e n t l y , b a s e d o nt h ea b o v e d i s p e r s i o n p r o p e r t i e s ，t h e i n d e x g u i d i n gp c fi se n g i n e e r e d i nf u l l - v e c t o rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w h o s e d e s i g n p a r a m e t e r s ( a ，d l ，d 2a n dd ) a r eo p t i m i z e db yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) an o v e lf o p a c o m p o s e do ft h ep h o t o n i cc r y s t r a lf i b e r ( p c f ) w i t hu l t r a - f l a t t e n e dd i s p e r s i o na n du l t r a - l o w d i s p e r s i o ns l o p eo v e raw i d ew a v e l e n g t hr a n g ei so b t a i n e d i nf u t u r er e s e a r c h ，w ew i l lf o c u s o nt h ei m p r o v e m e n to f t h ef o u r t h - o r d e rd i s p e r s i o nb yu s i n gg a m o r e o v e r , f o rt w o p u m pf o p a ，t h ec e n t e rw a v e l e n g t ho ft w op u m p sl o c a t e sn e a rt h e z e r o - d i s p e r s i o nw a v e l e n g t h ( z d w ) o ft h ef i b e rt om e e tt h ep h a s em a t c h ，b u ts o m ef a c t o r s i n d u c ep h a s em i s m a t c h ，s u c ha sf i b e rl o s s e s , t h ef o u r t h - o r d e rd i s p e r s i o na n dz d w f l u c t u a t i o n s ，w h i c hw i l lh a v eag r e a te f f e c to nt h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so ff o p a s w e i n v e s t i g a t et h ee f f e c to fp h a s em i s m a t c hb a s e do na n a l y t i cs o l u t i o n so fp a r a m e t r i cg a i nf o r t w o - p u m pf o p a s a n a l y s e si n d i c a t et h a tt h ef i b e rl o s s e sr e d u c ep u m pp o w e r si n d u c i n ga f a l l o ft h ep a r a m e t r i cg a i na n dm a k et h ep h a s em i s m a t c hv a r yw i t hp r o p a g a t i o nd i s t a n c el e a d i n g t oag r e a t e rg a i nr i p p l e w h e nt h ef i b e rl o s s e sa r et a k e ni n t oa c c o u n t 。t h ef o u r t h - o r d e r d i s p e r s i o nb r i n g s ag r e a t e r g a i nr i p p l ea n dd e t e r i o r a t e s t h eg a i nf l a t n e s s t h ez d w f l u c t u a t i o n sr e s u l ti nv a r i a t i o n so f g a i ns p e c t r u m ，l o n g - s c a l ef l u c t u a t i o n sa r em o r ed e v a s t a t i n g t h a ns h o r t s c a l eo n e sa n dt h ee f f e c to ff i b e rl o s s e sa n dt h ef o u r t h - o r d e rd i s p e r s i o no n s h o r t s c a l ef l u c t u a t i o n si sg r e a t e rt h a no n eo nl o n g - s c a l ef l u c t u a t i o n s ，e v e nf o rt h o s ef o p a c o m p o s e d - o fs h o r t e rf i b e r s ( s u b k i l o m e t e r ) ，t h ee f f e c to fp h a s em i s m a t c hi n d u c e db yf i b e r l o s s e s t h ef o u r t h o r d e rd i s p e r s i o na n dz d wf l u c t u a t i o n si sa l s oe v i d e n ta n dm u s tb e c o n s i d e r e dc a r e f u l l y i t sa l s ov e r yi m p o r t a n tf o rf o p a st oc o n s i d e ri t sn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s i nt h et h e s i s , f i r s t l y , b a s e do nt h ee x a c ta n a l y t i c a ls o l u t i o no ff o p a si n c l u d i n gt h ep u m pd e p l e t i o n ，t h e s i m u l a t i o n sa l ed o n et oo p t i m i z et h ed e s i g no ft w o p u m pf o p a sa n ds e v e r a lp r i n c i p l e so f d e s i g na r eo b t a i n e d ，b yo p t i m i z i n ga m p l i f i e rp a r a m e t e r s ，b e y o n dt h es m a l ls i g n a lg a i nw h e n t h eg a i nb e g i n st os a t u r a t e ，t h ef o p ah a sah i g h e rg a i n ，ab r o a d e rf l a tg a i nb a n d w i d t ha n da l o w e rn o i s ef i g u r e ，h o w e v e r , w i t ht h ec o n t i n u o u se n h a n c e m e n to fg a i n ，s a t u r a t i o nt h e 第v 页 p a r a m e t r i cg a i nd e c r e a s e s ，t h ef l a tg a i nb a n d w i d t hb e c o m e sn a r r o wa n dt h en o i s ef i g u r ea l s o b e c o m e sh i g h e r t h e r e f o r e ，t h ep r i n c i p l eo fo p t i m i z a t i o nd e s i g ni st oa d j u s tt h ep a r a m e t e r so f f o p a sa n dm a k et h ea m p l i f i e r sa t t a i nl o wg a i ns a t u r a t i o n a n dt h ec o n t i n u o u se n h a n c e m e n t o ft h eg a i n - s a t u r a t i o ns h o u l db ea v o i d e d b e c a u s ei td e t e r i o r a t e st h eg a i na n dn o i s e p e r f o r m a n c eo f f o p a s m o r e o v e r ，t h ee f f e c t so ft h ep u m pp h a s e 伊m 1m o d u l a t i o no nt h en o i s ec h a r a c t e r i s t i co f s i n g l e p u m pf o p a s w e r ed e r i v e da n a l y t i c a l l y 1 1 1 es t u d i e ss h o wt h a tt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o ff o p a ss h o u l db eo p t i m i z e dt ob a l a n c et h ec o n f l i c t i n gr e q u i r e m e n to fh i g hg a i na n dl o w n o i s e f o raf o p aw i t hf i x e ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h en o i s ec a nb er e d u c e db ym e a s u r e st o i m p r o v et h ep u m pp m ，s u c h a s d e c r e a s i n g t h ep u m pp h a s em o d u l a t i o n f r e q u e n c ya n d m o d u l a t i o ni n d e x ，a n du s i n gm u l t i p l es i n u s o i d a ls i g n a l st om o d u l a t et h ep u m p i nt h ec a s eo f m u l t i p l em o d u l a t i o ns i g n a l s ，t h es i g n a lm o d u l a t i o nf r e q u e n c i e s c a nb eo p t i m i z e db y m i n i m i z i n g 也es u m m a t i o no ft h e i rs q u a r ef o rn o i s er e d u c t i o n t h en o i s ef i g u r e i sa n i m p o r t a n ts t a n d a r dt 0e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ff o p a s n ep u m pn o i s e f r o ma m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n 。( a s e ) o f e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ( e d f a ) a n dt h e p u m p r e l a t i v e l yi n t e n s i t yn o i s e ( r r n ) ，h a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nt h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so ff o p a s f o rs i n g l e - p u m pf o p a s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew a v e l e n g t hs e p a r a t i o nb e t w e e ns i g n a la n d p u m p ，t h ei n c r e a s i n gp h a s em i s m a t c hl e a d st ot h ei n c r e a s eo ft h es i g n a ln o i s ed e g r a d a t i o n h o w e v e r , f o rt w o p u m pf o p a st h es i g n a ln o i s eh a so n l ys m a l l e rf l u c t u a t i o n sw i t ht h es i g n a l w a v e l e n g t hi nt h er a n g eo ff l a r e rg a i n s o m em e t h o d s ，w h i c hr e d u c et h ep a r a m e t r i cg a i no f f o p a sb yd e c r e a s i n gt h ep u m pp o w e r , t h ef i b e rl e n g t ha n dt h ef i b e rn o n l i n e a rc o e f f i c i e n t ，c a n r e d u c et h ed e v i a t i o n so ff o p a sn o i s ef r o mt h ei d e a ln o i s e t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so f f o p a ss h o u l db eo p t i m i z e dt ob a l a n c et h ec o n f l i c t i n gr e q u i r e m e n to f h i g hg a i n a n dl o wn o i s e m o r e o v e r , i ti sn e c e s s a r yt ou s et h ep u m ps o u r c ew 汕h i g l lo p t i c a ls i g n a ln o i s e r a t i o n ( o s n r ) t or e d u c et h en o i s ef i g u r eo ff o p a s i nt h ee n d ，w es u m m e du pt h et o t a l c o n t e n to f t h et h e s i sa n dp u tf o r w a r dt ot h ed i r e c t i o na n da i mo f f u r t h e r m o r er e s e a r c h k e y w o r d s ：f i b e ro p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r s ，f o u r - w a v em i x i n g ，g a i nb a n d w i d t h ，n o i s e f i g a r e ，g e n e t i ca l g o r i t h m 第v i 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人邦重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 南日月：之 日期：2 0 0 6 年1 1 月6 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全7 解学校有关保留、使用学位论文的规定，l 司意学校保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将 本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 段保存和汇编本学位论文。 保密口，在j 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密嘭 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：南嘲必指导教师签名：七彬 日期口年j 日日 日期：年月日 上海交通大学博十学位论文 第章绪论 1 1 课题来源及其研究意义 第一章绪论 目前光纤通信系统中，使用波分复用技术增加每根光纤的信息容量，可能实现丈容 量的信息传输。在长距离传输过程中，必须使用放大器对光信号进行放大以补偿光纤损 耗所带来的信号减小。直接对光信号进行放大的全光放大器能够同时对多个波长进行增 益放大。光放大器有宽增益带宽，高增益值，低噪声，及对波长、速率和调制方式透明 的特点。8 0 年代末期，随着低损耗稀土掺杂光纤工作特性和制造技术的不断发展，工作 在通信波段( 1 5 5 0n m 附近) 的掺铒光纤放大器( e d f a ) 研制成功。同时，半导体光 放大器( s o a ) 和光纤拉曼放大器( f r a ) 的研究也发展起来了。但是半导体光放大器 的增益不是很高，因此在通信系统中很少用它进行纯粹的功率放大，一般用做高速光通 信中的光开关，光复用解复用器或者波长变换器等。 对于光纤放大器而言，它们一般都工作在光纤的低损耗通信窗口，石英单模光纤的 低损耗窗e l 为2 0 0 a m ( 1 5 0 0 1 7 0 0 r i m ) ，而全波光纤( a w f ) 可以达到4 0 0 h i l l ( 1 2 5 0 1 6 5 0 r i m ) 左右。常规的掺铒光纤放大器的增益带宽通常只有3 5n m 左右，单泵浦的光纤拉曼 放大器的增益带宽很窄即使使用多个泵浦源的光纤拉曼放大器的增益带宽也只是达到 8 0a m 左右，并没有完全覆盖光纤的低损耗窗口，光纤的低损耗窗口没有得到充分的应 用，从而限制了光纤传输的波长信道数。此外，在波分复用系统中，除了要求光放大器 有宽的放大带宽之外，还要求各信道的信号能得到同样大小的放大，这就要求放大器要 有平坦的增益。 利用四波混频进行信号放大的光纤参量放大器( f o p a ) 能在任意波长处提供宽带 的平坦高增益。而且，光纤参量放大器还具有低噪声的特点，对于相位敏感f o p a 它能 获得低子3d b 量子噪声极限的放大噪声。此外，光纤参量放大器还能用于宽带波长变 换器，归零脉冲发生器，光时分复用器，全光采样和光纤延时等。因此，作为一种新型 的光纤放大器，光纤参量放大器的研究已经成为新的研究热点。而如何构架一种新型的 超宽带光纤参量放大器则成为该放大器研究的重点。 论文正是来源于此研究背景，目的是寻找实现超宽带光纤参量放大器的方法并对光 纤参量放大器的理论进行深入研究，同时对其噪声特性进行研究，分析影响噪声特性的 因素及可能解决方案。本课题是国家自然科学基金项目、教育部新世纪人才计划和上海 市光科技项目的一部分。 第1 页 1 2 光纤参量放大器国内外研究现状及其发展趋势 光纤参量放大器的实验研究可追溯到1 9 7 4 年，实验中利用多模光纤实现相位匹配 1 】。波长为5 3 2 n m 的泵浦脉冲的峰值功率约为1 0 0 w ，而连续信号波的功