（光学工程专业论文）光纤喇曼放大器的特性及其在wdm系统中的应用研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 信息时代要求未来的通信网络具有宽带、高速、长距离、大容量的特点，以 满足不断增长的多种通信业务的需求。密集波分复用技术+ 光纤放大器技术是目 前光通信系统中提高系统传输容量最有效的手段，而光纤放大器技术中光纤喇曼 放大器f r a 以其宽带宽、在线放大、低噪声系数等优势越来越受到人们的关注， 尤其是在海底跨洋光纤通信、超长距离光纤通信以及开发整个光纤低损耗窗口等 方面有着不可替代的优势。本文主要从光纤喇曼放大器的理论曲发，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，对光纤喇曼放大器的j # 线性效应，比如泵浦噪 声、色散补偿以及交叉相位调制等特性对系统性能的影响作了理论研究和仿真分 析，同时对光纤喇曼放大器在波分复用光纤通信系统中的应用进行了研究。 第二章首先介绍了光纤喇曼放大器的原理以及其特性，在此基础上搭建了光 纤喇曼放大器理论模型，建立了功率分析和模场分祈模型，并对以后仿真中将要 用到的喇曼增益谱曲线，光纤损耗曲线以及色散曲线进行了拟合，最后介绍了一 些光子设计自动化仿真软件j f 口本文主要使用的仿真工具一v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 。 第三章主要从色散管理的角度出发，在基于光纤喇曼放大器的w d m 系统 中，分析了d c f 色散补偿光纤放置位置和补偿程度对系统性能的影响，研究了 最佳色散补偿方案的选掸。仿真中主要研究在固定d c f 色散系数和固定d c f 色 散长度两种情况下最佳色散补偿方案的选取。 第四章在第三章分析的基础上，选取最佳色散补偿方案的w d m 系统，深入 研究系统中具体的非线性效应( 比如交叉相位调制x p m ) 对系统性能的影响。 首先从理论上证明了色散补偿确实可以减小交叉相位调制对系统性能的影响，接 下来给出基于f r a 的色散补偿系统中交叉相位调制的理论模型，应用文献中的 思路得到了各种色散补偿方案下表征交叉相位调制的强度滤波器模型，从而可以 对色散补偿系统进行快速性能估计，寻找优化色散补偿方案。最后在基于f r a 的 w d m 系统中，选取最佳色散补偿方案时，通过v p l t r a n s m i s s i m m a a k e r 仿真试验平 台研究交叉相位调制效应引起的输出光信号强度起伏的相对大小，来确定最佳色 散补偿系数，从而得到色散管理方案对系统性能的影响。 第五章研究了宽带光纤喇曼放大器的泵浦噪声，利用文献中理论推导的泵浦 对信号的相对幅度嗓声公式，研究了泵浦的损耗和波动列光纤通信系统中信嗓比 ( o s n r ) 和误码率( b e r ) 的影响哭系。仿真中给泵浦加载个峰值很小的正 弦波，相当于对泵浦进行强度凋制，使泵浦产生损耗和波动，由此来模拟泵浦的 电子科技大学硕士论文 噪声。最后基于在仿真结果的分析基础上，对于泵浦优化问题进行探讨。 本文结合理论分析和数字仿真，对光纤喇曼放大器的特性、其非线性效应及 其对高速光纤通信系统的性能影响进行了较详细地研究，所获得的结果对基于光 纤喇曼放大器的大容量、宽带、长距离波分复用系统的设计与应用具有参考意义。 关键词波分复用光纤喇曼放大器色散补偿交叉相位调制泵浦噪声 v 皇王型垫盔兰堡主丝奎 a b s t r a c t i no u rf u t u r ei n f o r m a t i o na g et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks h o u l db ed e v e l o p e d i n t oh i g h - s p e e d 、w i d e _ b a n da n dl o n g - d i s t a n c 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 m s w i t hh u g ec a p a c i t y ，w h i c hw i l lm e e tw i t ht h em u l t i f u n c t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e e d a st h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o di nt h eb 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 ，d e n s e 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 gt e c h n o l o g ya n do p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r st e c h n o l o g y h a v em a d ev e r yr e m a r k a b l ep r o g r e s sa n dg r e a t l ye n h a n c et h et r a n s m i s s i o ns p e e d e s p e c i a l yt h ef i b e rr a m a na m p l i f i e rt e c h n o l o g ya t t r a c tm o s tp e o p l e si n t e r e s t ， b e c a u s ei tp o s s e s s e st h ev e r yw i d e rb a n d ，o n l i n ea m p l i f i e ds i g n a la n dl o w e rn o i s e i n d e x a sf a ra si tg o e st h ef i b e rr a m a na m p l i f i e r sh a su n i q u ea d v a n t a g e si nt h e s e a b e do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na c r o s s i n gs e a sa n de x c e e d e dl o n g - d i s t a n c eo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o na sw e l la si nc a s eo fd e v e l o p e dt h ew h o l ef i b e rl o wd e p l e t i o n w i n d o w t h e f i b e rr a m a na m p l i f i e r sa l et h es o l ea m p l i f i e rw h i c hc a l lb ec o m p e t e n t m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt of i b e rr a m a na m p l i f i e ra n dr e s e a r c ho ni t t h i s p a p e rs t u d i e so nt h en o n l i n e a re f f e c t so ff r a a n dt h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n d t h ep u m pn o i s eo ff r ai nh i g hs p e e dw d ms y s t e m s ，a tt h es a m et i m eo nw h a te f f e c t s t h e s ec h a r a c t e r so f f r ab r i n gi n i n c h a p t e r2 ，t h et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rr a l i l a na m p l i f i e r sa r e i n t r o d u c e df i r s t l y ? o nt h eb a s eo fi t ，t h et h e o r ym o d e lo ff i b e rr a m a na m p l i f i e r s i n c l u d i n gp o w e ra n a l y s i sm o d e la n df i e l da n a l y s i sm o d e li sb a s e d t h e nt h er a m a n g a i ns p e c t r u m ，t h ef i b e rl o s ss p e c t r u ma n d t h ef i b e rd i s p e r s i o ns p e c t r u mw h i c hw i l lb e u s e di nt h ef u t u r er e s e a r c ha r es i m u l a t e d f i n a l l ys o m ep h o t o n i cd e s i g na u t o m a t i o n s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h es i m u l a t i o np l a t f o r mm a i n l yu s e di nt h i s w o r k v p i t r a n n l i s s i o n m a k e ra r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 ，f r o mt h ep o i n to fd i s p e r s i o n ，t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e e f f e c to ft h ed i f f e r e n td i s p e r s i o nc o m p e n s i o ns c h e m e si nw d ms y s t e m sb a s e 6o n f r aa r es t u d i e dd e p e n d i n go nt h ep t d ss o f t w a r e i ti sa n a l y z e dt ，h a tt h ed i f f e r e n t p l a c es i t eo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e ra n dd i s p e n s i o ne o m p e n s i o nd e g r e ew i l l i n t r o d u c et h ed i f f e r e n te f f e c t so nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e d u r i n gt h es i m u l a t i o n ，t h e b e s ts c h e m eo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni sc h o o s e di nt w os c e n a r i o e s ：o n ei s t h a t t h ed c fd i s p e r s i o ni n d e xi sd e f a u l t ，m a dt h eo t h e ri st h a tt h el e n g t ho fd c fi s d e f a u l t o nt h eb a s i so ft h ec h a p t e r3 ，i nc b a p t e r4w ea p p l yt h eb e s t d i s p e r s i o n 1 7 电子科技大学硕士论文 c o m p e n s a t i o ns c h e m eo nt h ew d ms y s t e mb a s e do nf r a ，a n ds t u d i e sd e t a i l e dt h e e f f e c to ft h en o n - l i n e a re f f e c t s a c r o s s i n gp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) o ns y s t e m p e r f o r m a n c e i nt h ef i r s tt h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nc a nc e r t a i n l yr e d u c et h ee f f e c t o fx p mi sp r o v e di nt h e o r y s e c o n d l yt h ex p mt h e o r ym o d e li si n t r o d u c e di nt h e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ns y s t e mb a s e do nf r a , a tt h e s a m et i m et h ef i l t e rm o d e li s d e d u c e dt od e s c r i b et h ei n t e n s i t yf l u c t u a t i o ni n d u c e db yx p mi nd i s p e r s i o nm a n a g e d s y s t e m s a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，o p t i m a ld i s p e r s i o nm a n a g e m e n ts c h e m e sa r eg o t t e n t h ea m p l i t u d ef i u c t u a t i o na n da c c o r d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni n d u c e db y x p mi sa l s os t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n c h a p t e r5 ，t h ep u m pn o i s eo ff r ai si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt o s o m e d o c u m e n t st h er e l a t i v ei n t e n s i t yn o i s eo fp u m pt os i g h a li sg o r e n ，a n dt h er e l a t i o no f d e p l e t i o na n df l u c t u a t i o no fp u m pt oo s n ra n db e ro fo p t i e a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n i ss t u d i e d d u r i n gs i m u l a t i o nt h ep u m pi sm o d u l a t i o n b yi n t e n s i t y ，t h i si s i m p l e m e n t e db ya d d i n gas i n ew a v et om a k es i m u l a t i o no ft h ed e p i c t i o na n d f l u c t u a t i o no fp u m p ，w h i c hc a r lb el o o k e da st h en o i s eo fp u m p f i n a l l yt h ep r o b l e m o f o p t i m a lp u m pi sd i s c u s s e db a s e d0 1 1a b o v er e s u l t s ， c o m b i n i n gt h e o r ya n a l y s i sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h ed i s s e r t a t i o n ，i nt h i s p a g e rt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds o m en o n l i n e a re f f e c t sa n dt h ei n f l u e n c e so fe r a b a s e do i lh i 曲s p e e dc o n a r n u n i c a t i o ns y s t e mi ss t u d i e d t h ed e d u c e dr e s u l t sh a v e r e f e r e n c e d m e a n i n g f o rw i d e b a n da n d l o n g d i s t a n c ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs y s t e m sw i lh u g ec a p a c i t yb a s e do nf i b e rr a m a n a m p l i f i e r s k e yw o r d s ：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 f i b e rr a m a na m p l i f i e r s d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n x c r o s sp h a s em o d u l a t i o n p u m pn o i s e 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。 签名：王益受日期：如。婢e 月。 日 关于论文使用授权的说明 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。 ( 保密的学位论文在勰密后应遵守此规定) 签名：圣盘查导师签名：啦 日期：u 年 ；月 曰 塞王型苎查兰堡主塑壅 t d m 0 t d m w d m s o a e d f a f r a h f a f b a t w s r s s b s f w m t d f a p d r d c f b e r f r l e d a p d a o c d m a s o n e t s d h a s e p m d s p m o s n r 简略字表 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g时分复用 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 i a g 光时分复用 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 波分复用 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半导体光放大器 e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 f i b e rr a m a na m p l i f i e r光纤喇曼放大器 h y b r i df i b e ra m p l i f i e r 混合光纤放大器 f i b e rb r i l l o u i na m p l i f i e r光纤布里渊放大器 t r a y e l l i n gw a v e 行波 s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g受激喇曼散射 s t i m u l a t e db r i u o u i ns c a t t e r i n g受激布里渊散射 f o u rw a v em i x i n g四波混频 t h u l i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r 掺铥光纤放大器 p r a s e o d y m i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i b r 掺镨光纤放大器 d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r 色散补偿光纤 b i te r r o rr a t e误码率 f i b e rr a r n a nl a s e r光纤喇曼激光器 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n电子设计自动化 p h o t o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 光子设计自动化 o p t i c a lc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s 光码分多址 s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k 光同步网 s y n c h r o r f o u sd i g i t a lh i e r a r c h y同步数字系列 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 放大的自发辐射 p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n偏振模色散 s e l f - p h a s em o d u l a t i o n 自相位调制 o p t i c a ls i g n a ln o i s er a l i o 光信噪比 v i 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 光纤喇曼放大器产生的背景 随着社会的信息化发展，人们对通信容量的需求日益增加。未来全业务服务 中，每一用户的容量需求都可能超过i o o m b s 。在这种需求的推动下，作为现代 长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。 应运而生的波分复用w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l 郇l e x i n g ) 技术成为目前提 高系统容量的_ 种最有效手段，由于波分复用技术可以更加充分地利用光纤巨大 的带宽资源，从9 0 年代中后期开始，w d m 技术在网络中得到了大量的应用， 成为了骨于网络建设的首选技术。w d m 技术之所以取得如此大的成功很大成分 上是因为有光放大技术的支撑。 众所周知，光在长距离传输时，由于受发射功率、接收机灵敏度、光纤线路 衰减，以及色散等因素的影响和限制，使得光脉冲从光发射机输出经光纤传输一 定距离后，其幅度会受到衰减，波形也会出现失真 1 - 8 j 。因此，要进行长距离的 信号传输，就需要在光信号传输一定距离后加中继器，以放大衰减的信号，恢复 庆真的波形，使光脉冲得到再生【“”j 。 在掺铒光纤放大器e d f a ( e r b i u md o p e df i b e ra 孟a p l i f i e r ) 发明之前，由于 不能直接放大光信号，所有的光纤通信系统都只能采用光电光中继方式。即先 将光信号变为电信号，在电域内进行放大、再生等信息处理，然后再变成光信号 在光纤中传输，这种中继方式装置复杂、成本高、传输质量比较低。掺铒光纤放 大器e d f a 取代传统的光一电一光中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时 放大，大大降低了光中继的成本；同时可与传输光纤实现良好的耦合，具有高增 益低噪声等优点。因此成功地应用于w d m 光通信系统，极大地增加了光纤中可 传输的信息容量和传输距离。 然而在进_ 步开发整个光纤低损耗区域1 2 5 0 - - 1 6 5 0 n m 近4 0 d n m 带宽资源的 进程中，传统掺铒光纤放大器的1 5 5 0 n m 附近约3 0 n m 的带宽就远远不够用了； 其次，要进一步提高系统的容量，就要提高波分复用的密度，即密集波分复用 d w d m 系统。同时单信道的传输速率越来越高，由2 5 g b i t s 至81 0 g b i s 再到 4 0 g b i t s ，为保持输出端的信噪比，在原来的模式下入注信号的功率不得不进 步提升，以上两方面都导致了入纤功率的提升，e d f a 的饱和输入信号功率已经 不能满足要求。 电子科技丈学硕士论文 如何进一步提高光纤传输系统容量、增加无电再生中继的传输距离，已经成 为光纤通信领域研究的热点。更多的通道、更高的l ；l ：特速率、更宽的带宽和更远 的传输距离将是业界永远的追求。这就促进了寻找性能更好、波长范围和带宽更 宽的光放大器的研究工作，光纤喇曼放大器f r a ( f i b e r 吼锄a m p l i f i e r ) 就是在 这种背景下产生的。 1 2 光纤喇曼放大器的优势 一般光放大器都由增益介质、泵浦源、输入输出耦合结构组成。根据增益介 质的不同，目前主要有两类光放大器：一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀 土元素( n d 、s m 、h 0 、e r 、p r 、1 m 和y b ) 的光纤，利用受激辐射机理实现光的 直接放大，如半导体光放大器( s o a ) 和掺杂光纤放大器。另一类基于光纤的非线 性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤r i l l t l a r l 放大器( f g a ) 和光 纤b r i i l o u i n 放大器( f b a ) 。在高速大容量多信道d w d m 系统中，宽带光放大器 的发展重点，目前主要是掺杂光纤放大器和光纤喇曼放大器f r a 。在各类光放 大器中，集总式和分布式光纤喇曼放大器( d r a ) 在满足更长距离和更大复用速 率传输需求方面显示出明显的优势。与e d f a 相比光纤喇曼放大器f r a 具有其 独特的优点： 1 ) 喇曼放大是一个非谐振过程，增益谱响应仅依赖于泵浦波长和泵浦功率， 只要有合适的泵浦光源，就可得到任意波长的喇曼放大i - 2 ) 年1 大多数介质中在特定频率上产生喇曼增益情况相反，石英光纤中的喇曼 增益可在很宽的范围内连续地产生，因此可用作宽带放大器； 3 ) 通过合理选择泵浦波长，可以精确地确定喇曼增益谱形状和增益带宽( 可 达至g 约1 2 0 n m 的增益带宽) ，在补充和拓展掺铒光纤放大器的增益带宽方面表现 出极其诱人的前景； 4 ) n 用现己大量铺设的g 6 5 2 或g 6 5 5 光纤作为增益介质进行分布式放大， 以实现长距离的无中继传输和远程泵浦，这一点在超长距海底光缆传输中尤为重 要。同时分布式放大可降低输入总功率，有效地抑制非线性效应； 5 ) 低噪声噪声系数可低至3 d b ，因此传输跨距可延伸一倍以上： 6 ) 光纤喇曼放大器可与其它如e d f a 、掺铥光纤放大器( t d f a ) 、掺镨光纤放 大器r ( p d f a ) 等级联，产生宽带、平坦的增益，可用于超宽带波分复用系统。 电子科技大学硕士论文 1 3 光纤喇曼放大器的应用 光纤喇曼放大器有两种类型，即分布式和集总式，各有特点 1 4 - 】5 。集总式光 纤喇曼放大器是将放大器与传输线路分开，作成独立元件，因此要求其具有较高 的增益，一般采用高掺锗，低损耗，小有效面积的光纤作为增益介质。由于集总 式光纤喇曼放大器的增益和e d f a 相比有一定的差距，并且需要较长的光纤( 几 公里左右) ，因此主要用于放大一些e d f a 不能放大的特殊波长，如1 3 a m 窗口。 分布式光纤喇曼放大器是以传输光纤作为增益介质的放大器，用它可以制成无损 光器件，如无损色散补偿光纤，还可以制成动态增益均衡器件用于弥补由于光纤 老化，损耗上升而造成的增益不均衡。从目前的发展趋势来看，由于分布式放大 器的优良特性，其应用范围已超过了集总式放大器。 1 3 1f r a 的宽带应用 目前关于光纤喇曼放大器f r a 应用于宽带放大的报道很多，总结起来主要 有三种情况。一是光纤喇曼放大器独立使用，采用多波长泵浦，形成宽带放大； 二是光纤喇曼放大器和e d f a 构成混合放大器，再加上增益均衡器平坦增益以获 得高增益的宽带放大：三是用光纤喇曼放大器制成有源无损器件或动态增益均衡 器件 6 - 2 0 】。 1 ) 独立喇曼宽带放大器 其典型结构如图1 1 。 图1 1独立光纤睬4 曼放大器典型结构 在独立喇曼宽带放大器结构中，可以象上图中所示那样采用双向泵浦，也 可以只采用前向泵浦或是只采用后向泵浦，在实际系统中，后向泵浦的噪声特性 相对其它两种结构来说较好，因此在实际系统中普遍采用后向泵浦形式。当泵浦 源采用多个b , i ，可以实现超宽带喇曼放大。增益介质一般为普通单模光纤，但由 于喇曼增益效率较低，因此为了获得更高的增益，通常采用掺锗光纤来代替普遁 电子科技大学碗士论文 单模光纤。 2 ) 喇曼+ e d f a 混合放大器 由于e d f a 技术已经相当成熟，和光纤喇曼放大器相比各有所长，因此目前 最好的方法就是将两种放大器结合起来，用e d f a 放大传统的c 波段，用分布 式或集总式光纤喇曼放大器放大l 或s 波段。以获得较大的增益。不过由于两 种放大器的增益谱叠加后平坦性不好。一般要运用增益均衡器，典型结构如图 l - 2 所示。 输 光 号 图1 - 2e d f a + 喇曼混合放大器结构 3 ) 喇曼有源器件 利用光纤喇曼放大器的分布增益特性，可以制成有源无损器件。例如给色散 补偿光纤( d c f ) 加上泵浦源就可以获得无损色散补偿光纤，通过调节泵浦光的 强度和波长还可以改变增益特性，其典型结构与图1 - 1 相似，只需将放大介质改 为d c f 即可。采用多个泵浦源时，通过调节泵浦源的输出功率和频率，可以使 色散补偿光纤实现无损色散补偿。 1 3 2f r a 在城域网中的应用 除了在长途光纤网中的应用外( 如上所述) ，在城域网中，f r a 也有很好的 发展前景。在城域网中，n d f ( 负色散光纤) 与喇曼放大技术结合使用，在提高f r a 的效率方面表现突出。另外，在城域网中，单独使用f r a 或者e d f a 的话，成 本会很高。一种很热门的技术是使用喇曼连续性放大器。这种放大器允许在一条 光纤上均匀的安装低增益f r a 。泵浦激光器接在光纤链路的起始端，而增益是 沿着光纤长度提供。这种连续放大技术有助于降低成本，但需要使用特殊的光纤。 1 3 3f r a 在光孤子通信中的应用 光孤子通信是利用光纤的非线性来李 偿光纤的色散作用的一种新型通信方 电子斡技大学硕士论文 式，当光纤的非线性和色散二者达到平衡时，光脉冲的形状将在光纤传输中保持 不变。光孤子通信的主要问题之一是光纤的损耗问题。光孤子脉冲沿光纤传输时， 其功率逐渐减弱，这将破坏非线性和色散二者之间的平衡。解决的方法之一就是 在光纤的传输线路中设立f r a ，使光孤子在传输过程中保持不变。 1 4 光纤喇曼放大器的研究现状及趋势 喇曼现象在19 2 8 年被c h a n d m s e k h a r ar a m a n 爵士所发现，直到2 0 世纪8 0 年代才有许多人相信光纤中的喇曼散射有实际应用。但在9 0 年代早期，当掺铒 光纤放大器e d f a 成为焦点时，人们几乎将喇曼放大器遗忘。随着高功率- 7 - 极管 泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，光纤喇曼放大器f r a 由于其自身固有的全波 段可放大特性和可利用传输光纤做在线放大的优点，1 9 9 9 年一经成功地应用于 d w d m 传输系统，就立刻再度受到广泛关注，成为继掺铒光纤放大器e d f a 之 后的又颗璀璨明珠。光纤喇曼放大器以其丰富的商业价值，一举成为光纤放大 器家族的新贵。包括1 3 z m 、1 4 z r n 、1 5 7 2 t m 和1 6 , t m 的多个波段的光纤喇 曼放大器均有了报道，增益带宽在1 0 0 n m 以上、峰值增益4 0 d b 以上的光纤喇曼 放大器的成功实验不断出现。在每年的世界光纤通信会议( o f c ) 上，都有若干篇 光纤喇曼放大器的研究报告，成为世界范围内的研究热点之一。其应用也从最初 的光孤子实验，。发展到成功用于系统升级、君中继传输、超短光孤子产生和超连 续光源。 近几年光纤喇曼放大器的研究出现了一些新特点： 1 ) 从单波长泵浦光源、单级放大发展到多波长泵浦光源、多级放大。由于单 波长泵浦的喇曼增益谱较窄，带宽一般在1 0 r m a - - 4 0 n m 左右，难以满足宽带通信 的要求，多波长泵浦已逐渐占主导地位。e i n o r l 2 1 和l e w i s 2 2 1 分别用1 2 个波长信 道的波分复用激光二极管单元和三波长级联光纤喇曼激光器作泵浦光源，分别得 到了1 0 0 n m 和1 1 4 n m 的增益带宽。在1 9 9 9 年欧洲光纤通信会议( e c o c ) 上， m a s u d a 等利用多波长泵浦和多级放大在1 5 5 脚附近获得了1 3 2 n m 的透明增益 带宽。 2 ) 光纤喇曼放大器f r a 与掺稀土光纤放大器结合构成的混合型放大器成为 热点p 邛j 。这类放大器具有宽带宽、高增益、低噪声、高输出功率的优点，其中 主要有两类：光纤喇曼放大器+ 掺饵光纤放大器混合放大器和光纤喇曼放大器+ 掺钍光纤放大器混合放大器，而前者居多。 3 ) 1 3 m 波段的喇曼放大器日益受到重视| 2 。副】。从世界范围来看，现有敷设 的多为工作窗口在】3 ，坍7 波长区的普通单模光纤。现在用于13 ”通信窗口的 电子科技大学硕士论文 光放大器主要是掺镨光纤放大器，但掺镨光纤放大器要求泵浦功率高，另外难与 石英光纤熔接。于是人们对1 3 ，曰喇殁段的光纤喇曼放大器产生了极大兴趣。有 人甚至预言，它可以完全代替掺锗光纤放大器。但这除了要有合适的泵浦光源外， 如何获得高掺锗、低损耗的光纤也至关重要。 4 ) 喇曼光纤放大器越来越多地应用于光纤通信系统实验。这对其真正走向实 用化具有重要意义，其中s u z u k i l 2 9 等人的研究具有代表性。他们在光纤零色散 区附近，利用多波长分布式光纤喇曼放大器，成功地将信道间隔为5 0 g h z 、 3 2 * 1 0 g b i t s 的密集波分复用信号传输了6 4 0 k i n 。其优良的性能将为显著提高传 输距离以及如何在零色散波长附近实现密集波分复用传输铺平道路。在2 0 0 0 年 的世界光纤通信会议上t a k a s h i n a 等用喇曼放大成功实现了l t b i t s ( 1 0 0 c h 、 1 0 g b i t s ) 波分复用信号无中继传输2 0 0 1 t m 。在此实验中，喇曼放大器在显著提高 传输质量上起了关键作用。同时s u g a b a r a h 等人利用f r a 实现了3 2 x 4 2 7g b i t s x 6 0 5 0l a n ( 信道数 单信道比特率 传输距离) 的传输，全部采用喇曼放大而没有使用昂贵的 3 r 中继。 另外，为了使光纤喇曼放大器更快走向实用，对其它如增益饱和、串扰等问 题的研究也引起人们注意。喇曼光纤放大器的研究在近几年已取得巨大进展，但 现有石英光纤的喇曼增益系数和转换效率还很低，喇曼放大需较高的泵浦功率和 敦长的光纤，离实用化还有差距。今后的研究重点一方面应提高作为喇曼增益介 质的光纤的性能；另一方面由于现在常用的泵浦光源一级联喇曼光纤激光器结构 复杂、造价偏高，所以应加紧对易于光纤集成的小型化高功率廉价的泵浦光源的 研究。 1 5 论文的主要内容 本文主要从光纤喇曼放大器的理论出发，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，对光纤喇曼放大器的非线性效应，比如泵浦噪声、色散补偿以及交叉相位 调制等特性对系统性能的影响作了理论研究和仿真分析，同时对光纤喇曼放大器 在波分复用光纤通信系统中的应用进行了研究。 论文第二章首先介绍光纤喇曼放大器的原理以及其特性，在此基础上搭建 了光纤喇曼放大器理论模型，建立了功率分析和模场分析模型，并对以后仿真中 将要用到的喇曼增益谱曲线，光纤损耗曲线以及色散曲线进行了拟合，得到了误 差极小的拟合函数表达式，为下一步进行仿真研究做好了准备，最后介绍了一些 光子设计自动化仿真软件和本文主要使用的仿真工具一v p it r a n s m i s s i o n m a k e r 。 第三章主要从色散管理的角度出发，在基于光纤喇曼放大器的w d m 系统 电子科技大学硕士论文 中，分析了d c f 色散补偿光纤放置位置和补偿程度对系统性能的影晌，研究了 最佳色散补偿方案的选择。仿真中主要分为固定d c f 色散系数和固定d c f 色散 长度时最佳色散补偿方案的选取。 第四章在第三章分析的基础上，选取最佳色散补偿方案的w d m 系统，深入 研究系统中具体的非线性效应( 比如交叉相位调制x p m ) 对系统性能的影响。 首先从理论上证明了色散补偿确实可以减小交叉相位调制对系统性能的影响，接 下来给出基于f r a 的色散补偿系统中交叉相位调制的理论模型，应用文献中的 思路得到了各种色散补偿方案下表征交叉相位调制的强度滤波器模型，从而可以 对色散补偿系统进：i 亍快速性能估计，寻找优化色散补偿方案。最后在基于f r a 的 w d m 系统中，选取最佳色散补偿方案时，通过v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 仿真试验平 台研究交叉相位调制效应引起的输出光信号强度起伏的相对大小，确定最佳色散 补偿系数，从而得到色散管理方案对系统性能的影响。 第五章研究了宽带光纤喇曼放大器的泵浦噪声，利用文献中理论推导的泵浦 对信号的相对幅度噪声公式，研究了泵浦的损耗和波动对光纤通信系统中信噪比 ( o s n r ) 和误码率( b e r ) 的影响关系。仿真中给泵浦加载一个峰值很小的正 弦波，相当于对泵浦进行强度调制，使泵浦产生损耗和波动，由此来模拟泵浦的 噪声。最后在分析仿真结果基础上，对于泵浦优化问题进行探讨。第六章为全文 总结。 电子科技大学硕士论文 第二章光纤喇曼放大器原理及其理论模型 2 1 光纤喇曼放大器原理 如果信号与一个强泵浦光同时在光纤传输，并且其频率差位于泵漓光的喇曼 增益谱带宽之内，那个这个弱信号可被放大。由于这种放大的物理机制是受激喇 曼散射( s r s ) ，所以称之为光纤喇曼放大器。 光纤喇曼放大器是非线性光纤光 学的重要应用。研究发现，石英光纤 具有很宽的受激喇曼散射( s r s ) 增益 谱，并在1 3 t h z 附近有一较宽的主峰， 如图2 1 所示。如果在f r a 两端设置 合适的反射镜，亦可构成光纤喇曼激 光器( f r l ) 3 0 - 3 6 。 额咎，t h o 图2 _ 1 喇曼增益谱曲线 当散射介质的分子具有分立的本 征能级结构，而单色输入光的频率y 。与分子任何一个共振吸收频率都不等时，分 子- 本身不能对入射光子产生真正的共振吸收，但能对入射光产生散射作用，如图 2 坦和图2 - 3 所示。设散射分子的两个最低能级分别为a 和e ，能量间隔为h a y ， 在入射光作用下，原处于较低能级a 上的分子f 图2 - 2 在散射后先跃迁到一个中 间状态( 虚能级) 之上，然后又跃迁返回至另一个较高能级c ，分子内能增加， 丽散射光子的频率则向低频方向移动了，这种过程产生的散射光称为斯托克 斯光。与此类似，图2 3 的散射光称为反斯托克斯光，其特点是散射分子回到了 较低能级，内能减少，面散射光子的频率向高频方向移动了，。由量子电动力 学理论可得到光强为i ( ，o ) 的入射光在光纤中传输距离z 后，受激散射光的 光强i ( ，z ) 为j3 7 】： ，( ，z ) = i ( y ，0 ) e x p ( g z )( 2 一1 ) 式中g r 称为斯托克斯喇曼散射增益因子，即 ?凳， g r5n o c r - l o ( 2 - 2 ) 可见，受激喇曼散劓的增益因子与散射过程初始能级上的分子密度n 、分 子微分截面盯和总泵浦光强i o 的乘积成证比，而与受激喇曼散射谱线宽度卸成 反比。 电子科技大学硕士论文 c a 虚能级 图2 - 2 下频移喇曼散射 虚能级 图2 3 上频移喇曼散射 基于s r s 机制，一个入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移部分能量， 产生另一个低频光子，称为斯托克斯( s t o k e s ) 频移光，而剩余的能量被介质以 分子振动( 光学声予) 的形式吸收，完成振动态之间的跃迁i 或者说入射光波场 弓l 致介质分子的振