（光学工程专业论文）光纤拉曼放大器（fra）及其在dwdm系统中的应用.pdf

南京邮电学院硕士研究生毕业论文 摘要 摘要 光纤拉曼放大器利用光纤中的受激拉曼散射效应实现光放大，具有带宽宽、 噪声指数低、分布式放大等特点，非常适用于宽带、高速光纤通信系统。特别是 在d w d m 系统中，光纤拉曼放大器的宽带效应可以同时放大多个不同波长的信 道，这使得光纤拉曼放大器成为光通信领域中的研究热点之一。 本文主要研究光纤拉曼放大器的特性，采用理论分析和数值仿真的方法，着 重研究了在高速光纤传输系统中拉曼放大器的增益和噪声特性，以及拉曼放大器 在d w d m 系统中的应用技术：多泵浦拉曼光纤放大器和混合拉曼掺铒光纤放大 器的增益特性。 首先，论文在分析了光纤拉曼放大器的工作原理的基础上，建立拉曼放大器 的理论模型：非线性薛定谔耦合振幅方程组。采用分布傅立叶和反向打靶相结合 的方法，仿真分析了在后向泵浦方式的条件下，超高斯脉冲在采用g 6 5 2 、d c f 、 g 6 5 2 + d c f 及色散管理光纤( d m f ) 的拉曼光放大器中的增益，脉冲展宽等特 性，得到了放大器增益与距离、信号脉冲展宽与距离的关系曲线和相关结论。 接着分析了多泵浦光纤拉曼放大器的增益特性，得到了放大器增益谱的计算 公式。在采用h e r m i t e 插值近似单泵浦拉曼增益谱的基础上，仿真计算了多波长 泵浦拉曼放大器的增益谱特性，得到了增益谱曲线和泵浦光功率、泵浦波长数目 及泵浦波长间隔之间的关系和一些相关结论。 最后，本文对混合拉曼，掺铒光纤放大器( 丑璩) 的增益特性进行了研究，分 析了 玎除的设计思想，建立了砌 a 的仿真模型和设计方法，并以两泵浦源的拉 曼放大器和一个e d f a 组成加以增益平坦滤波器进行增益均衡的阳_ a 为例进行 了数值仿真。 南京邮电学院硕士研究生论文a b g t r a c t a b s t r a c t f i b e rr a m a n a m p l i n e r ( f r a ) p r o v i d e sg a i n t os i g n a l s t l l r o u g hs t i m l a t e dr a m a l l s c a t t e r i n a n di t s s u i t a b l ef o r b r o a db a n d 眦dl l i g h - 8 p e e do p t i c a l 丘b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m sb e c a u s e o f “sf e 曲】r e so ft h eb r o a d b a n d w i d t h ，l o wn o i s e ，d i s t r i b u t e d a m p l m c a t i o n a n de t c e s p e c i a l l y ，f r ac a n a m p l i f yt h es 培n a l so f d i f r e r e n tw a v e l e n 鲈h i nd e n s ew a v e l e n 舒hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) s y s t e m sf o r f r a sb r o a d b a n d w i d t hf l a tg a i n ，s on o wi ti sa t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o nmm ef l e l do fo p t i c a l 舶e r c o m m u n i c a t i o n s t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ep m p e r t i e so ff r aa n de m p h a s i z e dt h er e s e a r c h e so f g a i na n dn o i s ep r o p e r t i e so f f r aw h i c hi su s e di nh i g h s p e e do p t i c a lf i b e rs y s t e m s ， a n da n a l y z e dt h e m u l t i p u m p e dr a m a na m p l i f l e r s a 芏1 dr a m a l l e d f ah y b r i dn b e r a m p l i f i e r s ，w h i c h a r eu s e m l i n t h e 印p l i c a t i o n so f f i 认i nd w d m s y s t e m s f i r s t l y ) b a s e do ns r st h e o r yo f f r p lt h en o n l i n e a rs c h r o d i n g e rc o u p l i n g e q u a t i o n sw a s b u mt os o l u t et h ee q u a t i o n s ，t h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so f s u p e rg a u s s p u l s ew h i c h a r et r a n s m i t t e di nd i 妇k r e n tf l b e rs u c ha sg 6 5 2 f l b e ld i s p e r s i o n c o m p e n s a t i n gf l b e r ( d c f ) o rd i s p e r s i o nm a n a g ef l b e r ( d ) i n t h ec o n d i t i o no f b a c k w a r d p u m p e dt h ep r o 丘l e st h a tt h eg a i n v a r i e dw i t hd i s t a n c ea n dt h es i g n a lp u l s e w i d t ht r e n d e dw i t hd i s t a n c ew e r ed i s c u s s e d t h e n ，t h eg a i np r o n l e so fm u l t i - p u r n p e dr 砌a na m p l i n e f s w e r ed i s c u s s e d ，a n d w e g o t t h ee x p r e s s i o no fi t sg a i ns p e c t m no nt h eb a s i so f t h eh e r m i t e i n t e r p 0 1 a t i o n 印p r o x i m a t j o n ，w e d i dt h en u m e r i c a ls j m u j a t j o no f m u l t i p u m p e di t 锄a n 啦p 】i 矗e r a n d a n a l y z et h eg a i n c u r v e sw i t hd i f f h e n t p o w e r o fe a c hp u m p l a s e r p u m p l a s e r s n u m b e ra n d p u m p i m e r v a l f i n a l l y ，w ei n v e s t i g a t e dt l l eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so f l n l a i l e d f ah y b r i d 舶e r a m p l i f l e r so i f ，a n a l y z e dt h ed e s i g ni d e ao f h f aa n db u i l tt h es i u l a t i n gm o d e l t h e nf o ra 芏l e x a m p l e ，w ec a l c u l a t e dt h eg a i ns p e c t n l mo f am 认c o n s i s t i n go fad r a w i t ht w op u m p s o u r c e s ，ae d f a a n dag a i nf l a t t e n i n gf n t e r u s i n g t h em o d e l 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：驰该b 日期：艘生：生 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：垂l 塾登 导师签名： 细仁乒 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 信息社会给人类带来巨大的挑战，人们渐渐希望能够在任何时候、任何地点、 以任何方式来获取想要的信息。视频点播、高清晰度电视、数据通信等宽带多媒 体通信业务将大量出现，人们对信息传输系统的性能要求越来越高。信息爆炸刺 激了全球通信业务的迅猛增长，而这种增长的直接后果，就是出现了所谓的对代 表通信容量的带宽的“无限渴求”现象。目前，可商用的电子设备速率最高可达 几十g b “，s ，而光通道带宽可达几十t b i t s 。这样大的带宽差距，使得我们需要 尽可能的把更多的数据复用到光通道中，并尽力延长全光中继的距离，以满足 2 1 世纪信息社会对信息传输的要求。 在光网络中，不但是光纤，还有连接器、分路器、波长转换器、滤波器等无 源设备都需要消耗光能。不断扩展的网络覆盖又将导致整个光网络中节点数量的 增加和节点间距离的增长。这样一来，有衰耗的器件、不断增加的节点数量、以 及不断增长的节点间距都使得我们必须在网络中使用更多的光放大器。 2 0 世纪9 0 年代初，波分复用( w d m ) 技术诞生之后，光纤通信进入了高速光 纤通信的发展阶段。波分复用技术，特别是密集波分复用( d w d m ) 技术，可以充 分挖掘光纤的巨大带宽资源，使根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几 十倍甚至上百倍f “。1 9 9 5 年以后，国际上大容量d w d m 系统开始商用，全球范 围内迅速形成采用d w d m 系统对现有光纤通信系统传输容量进行扩容的浪潮。 到目前为止，d w d m 系统实验室水平的传输容量己达1 6 0 馏f 以以上n 商用的 d w d m 系统传输容量己达4 0 0 g 占j f s 。同时，波分复用技术复用的波段已由常 规波段( c 波段) 向长波段( l 波段) 和短波段( s 波段) 拓展，l o o 个波长通道的传输 设备已经商用，2 0 0 一1 0 0 0 个波长通道的传输系统正处于开发中。目前d w d m + 光放大技术主要应用于长途干线中。首先因为近年来p 业务的爆炸性增长带来 了巨大带宽的需求；其次采用d w d m + 光放大技术可大大提高通信系统的性价比 和经济有效性；第三现有长途光缆即将用完，在铺设十分困难的情况下，采用 d 、d m + 放大技术可迅速为实现“三网合一”( 即通信网、国际互联网和有线电 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 视网) 提供统一的、多业务的宽带信息传送平台。 为新型城域网和接入网而设计的，并具有较低运营维护成本的低增益放大器 一直都是各科研机构和开发商研发的热点。随着网络功能的细化，业务提供商需 要在网络特定节点上能够按需提供特定增益的光放大器。新型的光放大器应具备 价格低、充分利用现有光纤和能够随网络发展扩容等特点。 1 2 光纤拉曼放大器 1 2 1 光纤拉曼放大器的发展历史 利用光纤中的受激拉曼散射对光信号进行放大，是人们最早研究的光学放大 方法之一。从1 9 7 2 年首次在光纤中发现受激拉曼散射现象开始p l ，人们对其进行 了大量的研究，并对其可能的应用进行了探索，发现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，因为其在光纤通信中的 应用潜力，光纤拉曼放大器获得了广泛的重视。但是，因为拉曼散射是一种非线 性效应，需要的泵浦功率比较高，一般需要大于5 0 0 聊矽，而在9 0 年代初期随着 e d f a 的出现，使光纤拉曼放大器的研究曾一度陷于停顿。e d f a 需要的泵浦功 率比较低，在1 5 5 0 删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 脚左右，因此e d f a 很快就发展成熟并得到了广泛应用。 然而，随着光纤通信技术的进一步发展，通信波段由c 波带( 1 5 2 8 一1 5 6 2 胛聊) 向l 波带( 1 5 7 0 1 6 1 0 ，删) 和s 波带( 1 4 8 5 1 5 2 0 几脚) 扩展【4 j 。由于光纤制造技术的 进一步发展，现在已经可以消除在l3 7 ，肋附近的损耗高峰，将来通信波段可望 扩展到从l2 # 册到1 7 ，肋的宽广范围内。在这样的波长范围内，e d f a 是无能为 力的。而光纤拉曼放大器却正好可以在此处发挥巨大的作用。同时随着高功率二 极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，光源问题也得到了较好的解决，因此光 纤拉曼放大器再度受到了广泛的关注。 1 2 2 光纤拉曼放大器与其他光放大器的比较 目前已经研究出的光放大器有两大类：半导体光放大器和光纤放大器。每种 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 又有不同的应用结构形式如图1 1 所示： 图l - 1 ：光放大器的分类 1 2 21 半导体激光放大器( s 0 ) 半导体激光放大器是一种光直接放大器，其基本原理是利用受激辐射对进入 增益介质的光信号进行直接放大。它的结构相当于一个处于高增益状态下的无谐 振腔的半导体激光器。半导体光放大器就其工作方式而言，可以分为三种类型： 法布里珀罗谐振腔式光放大器( f p s o a ) 、注入锁定式光放大器( 几s o a ) 和行 波式光放大器( t w s o a ) 。它们的优点是体积小、增益高、频带宽，并可对p s 级的光脉冲进行放大：缺点是噪音大、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大、 工作稳定性差，因而应用受到一定的局限。 近年来半导体激光放大器的非线性应用的研究获得重大进展。它在波长转 换、光开关等方面已显示出应用潜力。利用半导体激光放大器交叉增益调制、交 叉相位调制或四波混频效应，可以将某一波长上的信号转换到同时输入的另一连 续波段上，这在波分复用系统中很有用处，它可以减少所需波长激光器的数量， 同时可以将这种转换器置于网络接点上实现开关功能。 1 2 2 2 掺铒光纤放大器( 印f a ) 掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子能吸收泵浦光的能量，实现粒 子数反转，当有i 5 5 加l 信号光通过己被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以 受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激发该跃迁的 光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。 e d f a 的优点是：具有高增益( 只需几毫瓦的泵浦功率就足以产生数干倍的 3 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 增益) 、低噪声、宽频带，并且增益与信号极化态无关以及高饱和输出功率f 几百 毫瓦) 等。目前，e d f a 在技术以及相关研究上已经相当成熟，在实际中已得到 较为广泛的应用。 但e d f a 也有其自身的缺点，目前的波分复用系统中大都采用e d f a 补偿传 输中的光纤损耗，而随着w d m 系统的速率和带宽的进一步提高，e d f a 由于放 大带宽的局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求，拉曼放大器和 e d f a 的特性比较见表1 1 所示。 特性 e d f a 拉曼放大器 放大带宽 2 0 m4 8 r l m 2 0 d b 以上，取决于粒子集中程度和光4 一1 1 d b 与泵浦光强和有效光纤长度 增益 纤长度、泵浦结构等成正比，和传输光纤有关 饱和功率取决于发射功率和介质材料取决于泵浦光的功率 放大频带决定于媒介决定于泵浦波长 设计复杂简单 泵浦源 9 8 0 n m 或1 4 8 0 m 比信号峰值低1 0 0 n m 的任何波长 表1 1 拉曼放大器和e d f a 的特性比较 1 22 3 光纤布里渊放大器( f b a ) 受激布里渊散射是光纤内产生的一种非线性现象，起源于光纤的三阶电极化 率，其光增益是由泵浦光的受激布里渊散射产生的，它将一部分泵浦光功率通过 s b s 过程转移给信号光，使信号光得到放大【6 】。 f b a 是一种高增益、低功率、窄带宽光放大器。高增益低功率放大性能使 其可用作接收机前置放大器，提高接收机灵敏度。但是由于在室温下高的声学声 子数，使f b a 的噪声指数过大( 1 5 船) ，因而f b a 的应用受到一定的限制。 f b a 的窄带宽放大特性，使其能放大信号的比特率一般比较低，通常 1 0 0 饧，s ，所以，在一般光波通信系统中f b a 的应用价值不大。但f b a 的窄 带放大特性可作为一种选频放大器，在相干和多信道光波通信系统中有一定用 处。例如在相干通信系统中，可用f b a 有选择性的放大光载波而不放大调制边 带，利用放大后的光载波作为本振光，实现零差检测。 4 南京邮电学院硕士研究生论文第一章绪论 1 2 24 光参量放大器( 0 p a ) 光参量放大器是基于另一种光纤非线性效应一一四波混频( f w m ) 效应工 作的训。f w m 效应是光纤中一种重要的非线性光学现象，属三阶非线性效应。 在它的作用下，频率为。，的泵浦光和频率为m ，的信号光发生频率耦合，产生频 率为。= 2 。一棚。的空闲光，且有q 一嘶一，= 一嘶如果泵浦光功率足够高， 涮时光纤的非线性系数很大，则在一定长度的光纤中传输时，泵浦光能量会被不 断耦合进信号光和泵浦光，使信号光得到放大，在输出端得到足够的增益。 光参量放大器的增益很高，在小信号近似时，与泵浦功率成指数关系；其增 益带宽很宽，能在光通信范围内全波段工作；并可以产生闲频带，这一特性可阱 在放大信号的同时可进行波长转换，可以用于全光波长转换。另外它还有对信号 速率和调制形式完全透明、无啁啾、无信噪比恶化、可以进行多信道同时放大等 冠著优点，在光通信领域引起了人们的关注。 光参量放大器也有一些不足之处需要克服。首先，参量放大要求光纤有较高 的非线性系数，例如采用色散位移光纤( 非线性系数为2 k m 。w 。) ，必须采用数 公里长度的光纤才能获得1 0 d b 以上的增益。其次，其放大的相位匹配条件非常 苛刻，对泵浦波艮的要求很高( 一+ 般要求泵浦波带宽小于l n m ) 。再次，当泵浦 功率过高，超过受激布里渊散射( s b s ) 闽值时会严重恶化其增益水平，此外增 加光纤长度的同时，增益带宽也被减小。因此参量放大技术要走上实用，还需要 在很多方面进一步改善。 1 224 拉曼光纤放大器( r f a ) 拉曼光纤放大器( r f a ) 与e d f a 相比具有一系列优点，比如低噪声、去掉 泵浦光后不会引入额外的损耗、没有瞬态效应等而且通过采用多波长泵浦激励， 可大大提高放大带宽。因此，事实上r f a + e d f a 已经成为支持4 0 g 系统的重要 技术。并且拉曼光纤放大技术适用于各种光纤，能够非常经济地对现有系统进行 升级。当然，拉曼光纤放大器的应用也不局限于4 0 g 系统，还可以应用在补偿 高损耗的区段、增加区段长度、改善波长交换节点的噪声累积等现象。 拉曼放大器特殊的增益机理，使其具有许多优良的特性惜1 ： 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 带宽较宽。单泵浦拉曼放大器的增益带宽可达4 0 7 胁，其可用平坦增益范 围有3 0 月m ，因此拉曼放大器可作为宽带放大器，放大多信道系统： 设计简单。s r s 效应可在任意光纤中发生，即使在普通单模光纤中，电可 获得 一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纤基础上直接扩容，可以减少投 资，还可以制成分布式拉曼放大器，直接以传输线路作为增益介质； 低噪声。光纤拉曼放大器具有优良的噪声特性，其自发辐射噪声优于 e d f a ，刚力口噪声也很，j 、。 灵活排列泵浦光的频率来对信号进行放大。从理论上讲，只要有合适波 王= 的高功率泵浦源，拉曼放大器就可放大任意波长的信号，因此利用拉曼放大器， 可充分利用光纤的巨大带宽。 123 光纤拉曼放大器的应用 据c 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 发展前景刁i 司限量。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 经得到了广泛的认可。即使在城域网中，拉曼放大器也有其利用价值，例如在城 域网中的光通过一一些路由装置( 交换机或上下路复用器) ，都会引起信号衰减， 此时可以采用拉曼放大器来补偿衰减。 目前，拉曼放大器主要用做分布式放大器，辅助e d f a 进行信号放大。但光 纤拉曼放大器也可以单独使用，放大e d f a 不能放大的波段。采用合适的光纤， 也可以用作分离式放大器。目前人们已经开始探索用色散补偿光纤、重掺锗光纤 等制作分离式光纤拉曼放大器。随着聚合物光纤的进一步发展，由于聚合物有拉 曼增益大，频谱丰富等特色，也有希望成为分离式拉曼放大器的增益介质。拉曼 放大这项曾经休眠的技术终于得到了再生，而且其发展势头超乎寻常地猛烈。拉 曼放大器研究的理论价值和应用前景都非常巨大。 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 1 3d w d m 系统 1 3 1d w d m 系统的特点 在新代超高速光纤通信系统中，最具代表性的就是密集波分复用 ( d w d m ) 系统。d w d m 系统的突出特点是可有效地利用单模光纤低损耗区所 带来的巨大带宽资源，明显提高系统的传输容量。波分复用( w d m ：w a v e l e n 毋h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技 术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光 缆线路j ：的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复 用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。 国际电联i t u tg 6 9 2 建议，d w d m 技术是在波长1 5 5 0 n m 附近的波长范围 1 5 3 0 1 5 6 5 n m 内，选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波，受不同 数字信号的调制，将不同波长的光信号复用在一根光纤上传输。在i t u t 建议 标准中，建议信道波长间隔为o8 、l6 n m 或更短( 对应频率间隔为2 0 0 g h z 、 1 0 0 g h z 或更窄) 。d w d m 技术充分利用了光纤的带宽，具备超大容量、组删灵 活、经济可靠等特点，己成为构架骨干传输网的重要技术之一。d w d m 的发展 趋势将是波段的进一步扩展( 现在是c 波段，将来会发展到l 和s 波段) ，信道 间隔进一步减小，即传输容量进一步加大。 几年前，人们还在激烈的争论是否需要l o g 的d w d m 系统，认为只要在 25 g 的d w d m 系统中增加更多的波长通道，就能够满足带宽的增长需求。1 9 9 9 ， 北电网络在l o g 的d w d m 系统上取得了6 0 亿美元的销售收入，使得这场争论 画上了句号。尽管现在25 g 的d w d m 系统仍然是光通信市场的主流，但是1 0 g 的d w d m 系统越来越多的应用说明，现在的确已经进入了1 0 g 时代。是否需要 4 0 g 的d w d m 系统成了新一轮争论的热点。在25 g 向1 0 g 演进的过程中，带 宽增加了4 倍，而大部分的技术难度和元器件价格都没有达到4 倍。而在1 0 g 向4 0 g 演化的过程中，还存在着些重大的技术挑战，如色散补偿和增益、噪 声控制等问题。 光传输技术发展至今，d w d m 系统的应用越来越广泛，除了长途骨干网外， 在城域网和接入网中也逐渐得到了应用。随之而来的一个问题是：如何能够将 7 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 d w d m 系统的电再生距离尽可能地延长，也就是研制我们所说的超长距d w d m 系统。超长距离传输技术通过节省大量昂贵的电中继设备大幅降低建设成本，提 高系统的传输质量和可靠性，具有良好的升级扩容潜力，直是用于骨干网配置 的首选方案。从目前的技术成熟能力看，光传输距离超过1 5 0 0 k m 的系统称为超 长距系统。 超长距系统的重要性在于以下两点：首先，它是未来全光网的物理基础；其 次，它是建设国家长途快速调度链或环的最优方案。 1 3 2d w d m 系统对光放大器的要求 应用在长途干线的d w d m 系统由于传输距离较长，为了减少线路中的光一 电一光中继器的使用，采用光放大器无疑可以取得较好的效果。此外，d w d m 的核心是波分复用，必然用到大量的波分复用器件。这些器件的特点是无源且插 入损耗比较大，所以有时在城域d w d m 网络中，也必须用光放大器来进行补偿。 因此，光放大技术是d w d m 系统的关键技术之。 根据在光纤传输系统中的位置及作用，可以把放大器分成以下三种应用形 式； l 功率放大器( b o o s t e r _ a m p i 讯e r ) ，处于合波器之后，用于对合波以后的多 个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较 大，所以，对功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有 比较大的输出功率。 2 线路放大器( l i n e a m p l m e r ) ，处于功率放大器之后，用于周期性地补偿 线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数和较大的输出光功率。 3 前置放大器( p 恰a m 口l m e r ) ，处于分波器之前，线路放大器之后，用于信 号放大，提高接收机的灵敏度( 在光信噪比( 0 s n r ) 满足要求情况下，较大的输 入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度) ，要求噪声指数很小，对 输出功率没有太大的要求。 为了保证w d m 系统的传输性能，必须对光放大器提出一系列的要求。 1 低噪声：在多个放大器级连的光纤传输系统中，各个放大器产生的噪声和 引起信号损伤会在系统接收端累积，从而影响信噪比，严重的话会引起误码，从 南京邮电学院硕士研究生沧文 第一章绪论 而降低传输质量，为此必须限制放大器的i 噪声。 2 带宽：d w d m 系统波长通道越来越多，占用的波长带宽也越来越宽，从c 波段扩展到l 和s 波段。因此，对系统中使用的光放大器的增益要求能够覆盖 系统整个波道的总带宽。 3 增益平坦性：在系统中使用的光放大器应该能够对所有波长能均匀放大， 尤其在多个光放人器级连的光纤传输系统中。否则在接收端各信道光功率差异太 犬而影响接收。 4 便j 二每波道的自动增益控制。 1 3 3 拉曼放火器在d w d m 系统中的应用前景 目前，拉曼光纤放大器正在d w d m 系统中得到着f = j 益广泛的应用，尤其是 在信道多，基础速率高的d w d m 实用和实验系统中，拉曼光纤放大器的使用使 得系统的整体性能得到加强。对25g b i t s 或更低速率的系统来说，传输距离主要 受光纤衰减的影响，典型的中继距离为8 0k m 左右。t t e r a h r a 等采用分布式拉曼 放大，把s s m f ( 标准单模光纤) 系统的0 s n r 提高了3 7 43d b ，中继距离达到1 4 0 k m 。列j 二1 0g b i t s 以上的系统来说，其传输距离还受到自相位调制( s p m ) 和群 述色散( g ) ) 造成的波形失真的限制，采用分布式拉曼放大器( d r a ) 可以 减少s p m ，若其增益光纤采用色散管理光纤( d m f ) 还可以减少g v d 的影响。 s u g a b a r ah 等人利用d r a 和d m f 光纤实现了3 2 4 27 g b i “s 6 0 5 0k m ( 信道数单 信道比特率x 传输距离) 的传输，全部采用拉曼放大而没有使用昂贵的3 r 中继。 d r a 还可使信道间距减小，速率增加，从而提高频谱利用率。以速率为1 0g b i t s 、 信道间隔为l o o g h z 的系统为例，其频谱利用率为ol b i t s ，通过使用d r a 和光 时分复删( 0 t d m ) 技术，w sl e e 等人将单信道比特率提高到8 0 g b i “s ，实现了 3 2 8 0 g b i t s 1 2 0k m 无中继传输，频谱利用率达到0 8b i t s 肛 z 。t a k a y u k im i y a k a w a 利用d r a j 哿信道间距缩小为5 0 g h z ，实现了6 4 4 0 g b i t s 2 3 0k m 的无中继传输， 频谱利用率也达到o8b i t s h z 。 在多波段的w d m 系统中，使用超宽带放大器与使用e d f a 放大相比也有很 多好处超宽带放大器不需要将信号先分成c 和l 波段，然后分别进行放大，因 而结构简单可靠，不需要为复用解复用器预留频率空间，同时可减少损耗。光 9 南京邮电学院硕士研究生论文第一章结论 纤拉曼放大器r f a 可以独立或者与e d f a 配合完成超宽带放大，其关键是在很 宽的频率范围内保证对所有信道一致的放大这可以通过使用增益平坦滤波器或 者采用增益平坦化的泵浦设计来实现。前者简单易行，后者计算上比较麻烦，但 可减少功率损耗前者如f o u r s a d g 所做，由9 8 0n m 泵浦的e d f a 负责c 波段的 放大，由1 4 9 7n m 拉曼泵浦源负责l 波段的放大其增益谱线由于叠加在1 5 3 5 ( e d f a 产生) 、1 5 6 0 ( 叠加产生) 和1 6 0 0n m ( 拉曼放大产生) 附近出现3 个增 益峰值，大小为l5 2 d b 而在1 5 4 0 和1 5 6 0n m 附近出现两个0 d b 左右的谷底 采用增益平坦滤波器以后将所有信号增益控制在o d b 左右，这样实现了8 0 n m 带 宽、2 5 6 l o g b i t s 1 1 0 0 0k m 的传输 这种方法虽然取得了不错的效果，但对信号功率的损耗比较大。对j 二多波长 泵浦的f r a ，其总增益谱是各个泵浦源增益谱的叠加，如果合理地选择泵浦源 的波长和功率，可以使得总增益谱尽量平坦。这时可以采用诸如神经网络、模拟 褪火和遗传算法等设计出合理的泵浦源选择算法来寻求最优化的组合，而不需要 使用增益平坦滤波器。v i c t o r ep 从理论上得到的最好的情况是可以在8 3 n m 带宽 e 实现输出信号功率在0 0 5 d b 内变化【6 。n a i t ot 等人采用1 4 0 8 、1 4 3 9 、1 4 7 0 、 1 5 0 2 和15 3 5 n m 5 个泵浦源实现了1 3 66 n m 信号带宽上3 0 l o g b i t s 1 2 0k m 的传 输，平均增益1 0 5d b ，起伏为2d b 。这个结果虽然与实际应用还有距离( 其信 道间距达5n m ，增益起伏达平均增益的2 0 ) ，但为超宽带多泵浦f r a 放大器 发展奠定了基础。 1 4 论文的主要工作 本文主要研究光纤拉曼放大器的特性，采用理论分析和数值仿真的方法，着 重研究了在高速光纤传输系统中拉曼放大器的增益和噪声特性，以及拉曼放大器 在d w d m 系统中的应用技术：多泵浦拉曼光纤放大器和混合拉曼掺铒光纤放大 器的增益特性。 本文第一章为绪论部分，概述了光通信系统的发展概况以及系统中光放大器 的重要作用，简述了目前光放大器的种类和各种光放大器的特点，阐述了光纤拉 曼放大器的发展历史，应用现状和发展前景。重点说明了在长距离d w d m 系统 对光放大器的要求以及在系统中使用拉曼光纤放大器的优势。 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 第二章在分析了光纤拉曼放大器的工作原理的基础上，建立拉曼放大器的理 论模型：非线性薛定谔耦合振幅方程组。采用分布傅立叶和反向打靶相结合的方 法，仿真分析了在后向泵浦方式的条件下，超高斯脉冲在采用g 6 5 2 、d c f 、g 6 5 2 + d c f 及色散管理光纤( d m f ) 的拉曼光放大器中的增益，脉冲展宽等特性， 得到了放大器增益与距离、信号脉冲展宽与距离的关系曲线和相关结论。 第三章分析了多泵浦光纤拉曼放大器的增益特性，得到了放大器增益谱的计 算公式。在采用h e r m i t e 插值近似单泵浦拉曼增益谱的基础上，仿真计算了多波 长泵浦拉曼放大器的增益谱特性，得到了增益谱曲线和泵浦光功率、泵浦波长数 同及泵浦波长间隔之间的关系和一一些相关结论。 最后，本文对混合拉曼掺铒光纤放大器( ) 的增益特性进行了研究， 分析了h f a 的设计思想，建立了h f a 的仿真模型和设计方法，并以两泵浦源的 拉曼放大器和个e d f a 组成加以增益平坦滤波器进行增益均衡的h f a 为例进 行了数值仿真。介绍了国内制造商对 a 在超长距离d w d m 系统中研究的最 新进展，表明了h f a 在带宽、增益谱、信噪比和传输距离等方面的优点。 参考文献 1 吴德明，d w d m 技术的进展， h t t p ：w w wk d n t cc n n i c n e t s t u d y w s j s t o n g x i “g u a n g q 0 0 3h t m 2 f u k u c h ik ，k a s a m a t s ut m o r i em ，e ta l 1 09 2 - t b s ( 2 7 3 4 0 g b s ) r i p p l e - b a n d u l t r a - d e n s ew d mo p t i c a l r e p e a t e r e dt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t o f c 2 0 0 l a n a h e i m ，c a l i f o r n i a ，m a r c h 2 0 0 l ，p 叩e rp d 2 4 3 l i nc rs t o l e nh a p p l l c a t i o np h y s l e t t e r ，1 9 7 6 ，2 9 ：4 2 8 4 张成良，赵玲，新一代16t b i t s w d m 传输系统，电信科学，2 0 0 1 ，v 0 1 1 2 ， p 3 5 5 杨祥林，光纤通信系统，北京，国防工业出版社，2 0 0 0 ，p 1 5 6 一1 8 1 6 l e e ，y - h ，w u ，j ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f w a v e l e n 舀h d i v i s i o n a n d s u b c a r f i e r m u l t i p l e x j n g ( w d m s c dt r a n s m j s s j o nu s j n g 丘b e rb r i 】j o u j n a m p l m c a t i o n ，0 p t o e l e c t r o n i c s ，v 0 1 u m e ：1 3 9 ，i s s u e ：4 ，a u g 1 9 9 2 ，p ：2 7 2 - 2 7 9 7 曹辉，孙军强等，高性能光纤参量放大器的设计与应用，2 0 0 3 ，、，0 1 2 8 ，n o1 6 ， 南京邮电学院硕士研究生论文 第一章绪论 p 6 9 7 5 8 顾文华，李青宁，分布式拉曼放大器在长距离传输系统中的应用，光通信技 术，2 0 0 2 ，n o6 ，p 2 5 2 7 南京邮电学院硕士研究生论文 第二童光纤拉曼放大器的理论基础 第二章光纤拉曼放大器的理论基础 受激拉曼放大是非线性光学研究中的一个重要问题，通过对光纤中受激拉曼 散射( s r s ) 的研究发现，石英光纤具有很宽的拉曼增益谱( 达4 0 7 m ) ，并在1 3 掰： 附近有一较宽的主峰。如果一个信号与一强泵浦波同时在光纤中传输，并且其频 率差位于泵浦波的拉曼谱带宽之内，则此弱信号即可被该光纤放大。由于这种放 大的物理机制是s r s ，所以称之为光纤拉曼放大器。 2 1 拉曼放大器的基本原理 在许多非线性介质中，自发拉曼散劓将一小部分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，此过程称为拉曼效应。 量子力学描述为入射光波的个光子被个分子散射成为另一个低频光子，同时 分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光， 如图2 1 所示。 述 光纤耦合器 光纤 ( a ) 拉曼光纤放大器的结构 jl s 黝彩钐钐彩钐缪黝 跃迁态 振动态 基态 ( b ) 拉曼放大能级图 图2 1 ：拉曼光纤放大器受激拉曼散射示意图 在稳态或连续波情况下，斯托克斯波的初始增长可由下面的近似关系式去描 南京邮电学院硕士研究生论文 第二章光纤拉曼放大器的理论基础 警碣v 。 ( 2 1 ) 式中，。是斯托克斯光强，为泵浦光强，孙是拉曼增益系数，拉曼增益系 数与拉曼极化率的虚部有关，此极化率可由量子力学方法算出。另外，拉曼增益 谱也可通过实验测得，g r 一般与光纤纤芯的成分有关，对不同的掺杂物，g 。有 很大变化。当泵浦波长为l ，删时，测得的石英光纤的拉曼增益与频移的变化关系 如图2 2 所示【2 j ，拉曼增益的带宽约为4 0 7 m ，在1 3 7 h = 附近有一个较宽的主峰， 峰值增益约为1 l o 。3 矽。对于不同的泵浦波长，乳与丑。成反比，其峰值增 益与泵浦波长丑。的关系式为： g 一刮，。枷h 8 。 ( 2z ) 式中，g 。是石英光纤在泵浦波氏为13 4 ，肋时的拉曼增益常数，是光纤的 纤芯和包层的相对折射率斧，其值约为o2 2 】。 0 曼 竿 曼 v 褶 粤 酬 捌 频移( 1 孔e ) 图2 2 ：泵浦波长为1um 时测得的拉曼增益谱 为了了解受激拉曼散射的产生过程，考虑一束频率为，的连续光波在光纤 内传输。如果一束频率为，的探测波在光纤的输入端与泵浦波同时入射，只要 频差，一，位于拉曼增益谱的带宽内，探测波就会由于拉曼增益而被放大。例 1 4 南京邮电学院硕士研究生论文 第二章光纤拉曼放大器的理论基础 如一个小功率1 5 5 0 n m 的光信号和一个大功率的1 4 5 0 n m 的强泵浦波一起入射到 石英光纤里，其频率差为1 3 t h z ，正处于拉曼增益的带宽内，信号光就会由于拉 曼增益而被放大。光纤拉曼放大器正是基于这种原理工作的。 如果光纤输入端仅有泵浦波入射，自发拉曼散射产生的信号将起到探测波的 作用，并且在传输过程中被放大。因为自发拉曼散射光的各频率分量可以分布在 整个拉曼增益谱宽内，所以所有频率分量都被放大，可是对应g 。最大的频率分 量建立最快。对纯石英光纤，g 。的最大值所对应的频率是由泵浦频率下移 1 3 7 m ：当泵浦功率超过某一阈值时，此频率分量的幅值近似指数增长，这样， s r s 将导致斯托克斯波的产生，其频率由拉曼增益峰决定，对应的频移有时被称 为拉曼频移或斯托克斯频移。 2 2 拉曼放大器的结构 光纤拉曼放火器的基本结构如图2 3 所示。在输入端和输出端各有一个隔离 器，由于隔离器对输入光具有单向传输特性，所以可以防止系统或放大器中的反 刺光影响放大器性能的稳定。泵浦激光器用于提供能量。近年来，f r a 的泵浦 源共有三个方案：一是大功率半导体激光器( l d ) 及其组合，二是r a m a n 光纤激 光器( r f l ) ；三是半导体泵浦固体激光器( d p s s l ) 。比较三者而言，前者的特点 是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成等，而后两者由于存在稳定性 及与普通常用光纤耦合困难等问题，所以通常选择l d 作为f r a 的泵浦源。耦 合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进光纤中，通过受激拉曼散射的作用把 泵浦光的能量转移到输入信号光中，实现信号光的能量放大。实际使用的光纤拉 曼放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数， 采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较 传输光纤 输入 图2 3 拉曼光纤放大器的基本物理结构 信号 南京邮电学院碗士研究生论文 第二章光纤拉曼放大器的理论基础 平坦的增益曲线，还可加入7 增益平坦滤波器。 一般来说，光纤拉曼放大器可以分为两种类型：分立式f r a 和分布式f r a 。 分立式f r a 采用拉曼增益系数较高的特种光纤( 如高掺锗光纤等) ，这种光纤长 度一般为几公里，泵浦功率要求很高，一般为数瓦。分立式f r a 可产生4 0 船以 上的高增益，象e d f a 一样用来对信号光