（通信与信息系统专业论文）宽带光纤放大器及其在超长距离dwdm传输系统中的应用.pdf

北京交通大学博士学位论文摘要 摘要 超长距离d w d m 光传输系统可以极大降低系统成本，满足未来信息高速公 路的需要，特别是对于我国这样幅员辽阔的国家更有研究和发展的必要。本论文 结合所承担的国家自然基金项目及国家8 6 3 重大项目，针对应用于超长距离 d w d m 传输系统中的核心技术：l b a n d e d f a 以及宽带r a m a n 光纤放大器( f r a ) 的设计及应用进行了系统深入的理论与实验研究，获得主要创新成果如下： 1 提出一种在增益谱不变情况下优化双向一阶泵浦的光纤r a m a n 放大器的光信 噪比谱的算法，并提出利用双向泵浦实现动态光信噪比均衡的方法，在国际 上未见报道。首次对长间距系统中，不同融啦a n 放大结构的性能在相同非线 性相移条件下进行了深入细致的比较，并在此基础上进一步对双向一阶和二 阶r d w l a n 泵浦结构在长、短间距系统应用中进行了性能比较，指出对称结构 的双向r a m a n 泵浦方式可以获得最优的性能。 2 与北大，大唐等单位合作完成了4 0 1 0 g b ，sc + l b a n d3 0 0 0 公里的超长距离 传输实验，首次实现了采用色散补偿光纤+ 啁啾光纤光栅混合色散补偿的 l b a n d 信号环路无误码传输。对基于啁啾光纤光栅色散补偿的长距离传输系 统进行了实验和理论分析，表明高性能啁啾光栅完全可以支持长距离乃至超 长距离传输。 3 提出并分析了一种新型四级结构l b a n de d f a ，在加入高损耗级间器件时可 获得很好的增益，噪声特性，并成功用于3 0 0 0 公里c + l 波段传输实验中。首 次自行研制了掺铋及掺铋，镓的硅基高掺铒光纤，并用于研制l - b a n de d f a 。 4 首次对基于色散补偿光纤的高增益多级集总光纤r a m a n 放大器进行了深入的 优化和研究。提出一种简单有效的算法用于优化等间隔泵浦波长的f r a 的泵 浦功率。提出一种模拟光纤r r i t i a n 放大器瞬态特性的高效数值算法。对不同 输入波形在反向泵浦光纤r a r l l a n 放大器中的响应及在光通信系统中的效果进 行了研究。应用变分原理获得了最优的信号功率分布函数，并利用遗传算法 对r a m a n + e d f a 混合放大器的增益谱进行了优化，之前未见报道。 5 首次研究了在相同非线性相移下r a m a n 放大对最优色散图的影响，指出当采 用逐段完全补偿的色散图时，r a m a n 放大将导致比集总放大更严重的s p m 以 及r a m a r l 增强的x p m 影响，优化色散图结构可有效抑制这种非线性的影响。 关键词：光纤通信：超长距离传输；波分复用；l 波段掺铒光纤放大器；光纤 r a m a n 放大器；光纤非线性 北京交通大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e a l i z a t i o no f u l t r a - l o n gh a u ld w d ma 1 1 o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sc a n g r e a t l yr e d u c e t h et o t a ls y s t e mc o s t , a n da i s om e e tt h ed e m a n d so f 也en e x tg e n e r a t i o n i n f o r m a t i o nn e t w o r k s ，e s p e c i a l l yf o rac o u n t r yw i t haw i d et e r r i t o r ys u c hl i k ec h i n a o n 也eo t h e rh a n d ，b r o a d b a n df i b e r a m p l i f i e r s i n e l u d i n g f i b e rr a l t l a n a m p l i f i e r s f f r a s ) a n dc + l b a n de d f a s ，h a v eb e c o m ek e yd e v i c e so fh i g h c a p a c i t y , u l t r a - l o n gh a u lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n da t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i nr e c e n ty e a r s u n d e rt h es u p p o r t so fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o na n dn a t i o n a l 8 6 3h i g ht e c h n o l o g yp r o g r a m , t h i st h e s i si sm a i n l yd e v o t e dt ot h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nl - b a n de d f a sa sw e l la sf i b e rr a m a na m p l i f i e r s o p e r a t e di nu l t r a 1 0 n g h a u ld w d m t r a n s m i s s i o ns v s t e m sf r o mav i e wo fs 3 7 s t e m p e r f o r m a n c e a n dt h em a i n a c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 an o v e la l g o r i t h mt oa d j u s to s n r p r o f i l e sw i t h o u tc h a n g i n go u t p u tr a n a a ng a i n s p e c 缸ai sp r o p o s e d a n db a s e do nt h i sr e s u l t , an e wm e t h o dn a m e d d y n a m i c o s n re q u a l i z a t i o n ”i sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e w h i c hc a nb er e a l i z e db y u t i l i z i n gb i d i r e c t i o n a l l yp u m p e d f r a s d i f f e r e n tr a n l a n a m p l i f i c a t i o n c o n f i g u r a t i o n sa r eo p t i m i z e da n dc o m p a r e di nl o n g - s p a nt r a n s r n i s s i o ns y s t e m s i n c l u d h a gt h ei m p a c t so fd o u b l er a y l e i g hb a c k s c a t t e r i n ga t i d e n t i c a ln o n l i n e a r p h r s e s h i f tf o rt h ef i r s t t i m e f u r t h e r m o r e ，d e t a i l e dc o m p a r i s o n sb e t w e e n b i d i r e c t i o n a l l y f i r s t o r d e ra n dd u a l o r d e rp u m p e df r a sa r ec a r r i e do u t , a n d r e s u l t ss h o wt h a ts y m m e t r i cb i d i r e c t i o n a lr a l n a np u m p i n gs c h e m ec a na c h i e v e b e t t e ro p t i c a ls i g n a l - t o n o i s er a t i op e r f o r m a n c ea tc o n s t a n tn o n l i n e a r i t yf o rb o t l l s h o r t - a n dl o n g s p a nc o n d i t i o n s 2 c o o p e r a t e d w i t l l p e k i n gu n i v e r s i t y , d a t a n gt e l e c o mt e c h n o l o g ya n dc h i n a t i e t o n g w er e a l i z e d 3 0 0 0 k mb i t - e r r o r - f r e e4 0 1 0 g b ，sc + lb a n dd w d m t r a n s m i s s i o no v e ra6 0 0 k i ng 6 5 2f i b e rl o o p l o o pt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t s b a s e do nd c f + c f b g h y b r i dc o m p e n s a t o r s a l ec a r r i e do u tf o rt h ef i r s tt i m eu dt o t h ea u t h o r sk n o w l e d g e p e r f o r m a n c eo fl o n g - h a u lt r a n s m i s s i o ns y s t e m su s i n g d i s p e r s i o nc o m p e n s a t o r sb a s e do i lc h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g s ( c f b g ) i sb o t l l t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d ，a n dr e s u l t s s h o wt h a t o p t i m i z e d h i 曲一p e r f o r m a n c e c f b g sa r es u f f i c i e n tt o s u p p o r tl o n g - h a u l ， a n de v e n u l t r a - l o n g h a u ls y s t e m s 3 a n o v e l f o u r - s t a g e l - b a n d e d f a a r c h i t e c t u r e i s p r o p o s e d t o a c h i e v e t h es a t i s f y i n g g a i na n dn o i s ep e r f o r m a n c ew h e nu s i n gh i g hl o s si n t e r - s t a g ee l e m e n t s l - b a n d e d f a sb a s e do nt h i ss t r u c t u r ew h i c ha r ed e s i g n e da n dm a d eb yo u r s e l v e sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n3 0 0 0 k mu l t r a 1 0 n g h a u lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t s t o a c h i e v eh i g hq u a l i t yl b a n de d f a sa tl e s sc o s t s ，h i g h l y - c o n c e n t r a t e db i - e rf i b e r a n db i g a - e rf i b e ra r em a n u f a c t u r e d b y o u r s e l v e sf o rt h ef i r s tt i m e 4 m u l t i s t a g ed i s c r e t ef 眦b a s e d o nd c f d t hm i d w a yi s o l a t o r st os u p p r e s sd r b n o i s ea r ef u l l yi n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m e as i m p l eb u te f f e c t i v ea l g o r i t h mi s p r o p o s e d t oo p t i m i z et h ep u m p o u t p u tp o w e r s o faw d m p u m p e d f r aw h i c hh a s 北京交通大学博士学位论文 a b 譬n 认c r e q u a l l ys p a c e dp u m pw a v e l e n g t h s ，a n d ar e d u c e d a l g o f i t l m a i s p r e s e n t e d t o c o m p u t e t h et r a u s m i s s i o f tp e r f o r m a n c eo f f r a s a ne f f e c t i v en u m e r i c a la l g o r i t h m i sp r o p o s e dt os i m u l a t et h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ff r a sw i t hd i f f e r e n tp u m p i n g s c h e m e s b a s e do nt h i sa l g o d t h m ，i r a n s i e n tr e s p o n s e st os l o w l yv a r y m gi n p u t w a v e f o r m si nb a c k w a r d - p u m p e dr a l n a na m p l i f i e r sa r ci n v e s t i g a t e di nd e t a i lf o r t h ef i r s tt i m e a n d 也ei n f l u e n c e so n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa rc o m p a r e d t h e o p t i m a ls i g n a lp o w e r d i s t r i b u t i o n a l o n g t h ef i b e ri sd e r i v e d t h r o u g h v a r i a t i o n a lm e t h o d g a i ns r l e c t r ao fr a $ n a np l u se d f ah y b n da m p l i f i e r sa r c o p t i m i z e db yu s i n gg e n e l a ca l g o n t t t m 5 t h ei n f l u e n c e so fs p ma n dx p mo nt h eo p t i m u md i s p e r s i o nm a po fr a n l a n a m p l i f i e dm u l t i s p a n t r a n s m i s s i o n s y s t e m s a r e n u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d a t i d e n t i c a ln o n l i n e a rd h a s gs h i f tf o rt h ef i r s tt i m e n er e s u l t ss h o wt h a td i s t r i b u t e d a m p l i f i c a t i o nt e n d st oe n h a n c et h es p m x p mi n d u c e dp e n a l t i e sc o m p a r e d 、i t l l u m p e da m p l i f i c a t i o np r o v i d e dp e rs p a nc o m p l e t ed c i su s e d h o w e v e r , t h e s e p e r f o r m a n c ed i f i e r e n c e sc a nb ec a n c e l e do u tb ym e a n so fo p t i m a ld i s p e r s i o n m a p s k e y w o r d s ：f i b e r0 p t i c a ic o m m u n i c a t i o n ；u l t r a - l o n g h a u lt r a n s m i s s i o n ；l - b a n d e d f a ；f i b e rr a m a na m p l i f i e r ；f i b e rn o n l i n e a r i t y i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京交通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作的任何贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件、允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名：日期： 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 一直以来，更大的传输容量，更远的传输距离和更好的传输效果就是光通信 系统所追求的目标，而光纤通信系统传输容量和传输距离的增长为i n t e m e t 及其 它基于数据的业务的发展奠定了坚实的基础。同时，i n t e m e t 的蓬勃发展又带动 了光纤通信技术及相关的光电子产业的飞速发展。近年来，大量新技术的应用， 使得光传输系统的发展甚至超过了由摩尔定律所定义的增长速度。尽管目前信息 产业的发展势头有所减缓，但随着信息全球化的进程以及新的数据业务的涌现， 发展超长距离，超大容量的光通信系统仍将是未来研究前沿的主题之一。 传输距离和传输容量的增加也对系统中光纤和光电子器件的性能提出了更 高的要求。特别的，由于传统的c b a n d 掺铒光纤放大器( e d f a ) 已经不能满足 对带宽的需求，因此发展超宽带光纤放大器，最大限度的利用光纤带宽已经是大 势所趋。本论文结合国家8 6 3 重大项目“w d m 超长距离光传输技术的研究与实 现”及国家自然科学基金项目“智能化多功能光纤放大器的研究”的实施，针对 应用于大容量，超长距离d w d m 传输系统中的l b a n de d f a 以及宽带r a m a n 光纤放大器进行了深入的理论与实验研究，不仅从器件角度对两种放大器进行了 优化设计，而且结台系统应用进行了分析，获得了一些有益的结论。 1 2 宽带光纤放大器及超长距离大容量d w d m 系统的发展 宽带光纤放大器的发展与超长距离大容量传输系统的发展是相互促进，相互 推动的。1 9 8 6 年e d f a 的发明直接促成了d w d m 系统的大规模应用，大大提高 了传输系统的容量和无电中继传输距离，从而显著降低了成本。因为随着系统容 量的增大，终端和电中继器的成本将占有越来越大的比重，只有尽可能多的使用 光放大器，减少电中继的个数，才能最大限度的降低系统造价，这也是发展长距 离大容量d w d m 系统在经济上的主要原因。而传输距离和容量的进一步增加又 促成了宽带r a m a n 放大器，l - b a n de d f a 及其它宽带光放大器的迅速发展。本 节将分别回顾l - b a n de d f a 和宽带光纤r a m a n 放大器的发展和研究背景，以及 在超长距离大容量d w d m 系统中的应用情况。 1 2 1l - b a n de d f a 的发展与现状 c b a n de d f a 以其高增益，低噪声，高转化效率。低接入损耗以及偏振不敏 感等优良特性已经成为目前应用最广泛，技术最成熟的光放大器。然而，随着 d w d m 系统容量的迅速增加，传统的c b a n d e d f a 的增益带宽( 约3 5 r i m 左右) 己经不能满足要求。对带宽的需求推动了工作于其它波段的稀土类掺杂光纤放大 器的发展，如工作于1 3 1 0 r i m 附近的掺镨( p r ) 光纤放大器【1 】，工作于 s - b a n d ( 1 4 5 0 1 5 2 0 r i m ) 的掺铥( t m ) 光纤放大器【2 】以及工作于l - h a n d f 1 5 7 0 1 6 1 0 n m ) 的增益位移掺铒光纤放大器。上述前两种放大器由于增益偏低， 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 熔接损耗大，制作工艺不成熟，成本高等缺点离实用化还有相当的距离，只有 l b a n de d f a 由于是在c b a n de d f a 的基础上进行增益位移，所采用的光纤介 质基本一致，且泵浦源通用，因此制作工艺成熟，具有相对较低的成本和可靠的 性能，已经实现了商品化，并引起了人们的关注。 1 9 9 0 年j e m a s s i e o t t 等人首先报道了在长掺铒光纤上采用1 5 5 0 n m 泵浦波长 获得l b a n d 信号增益的结果f 3 1 ，从而开始了对l - b a n de d f a 的研究。实际上将 增益波段从c b a n d 位移到l b a n d 的关键是降低e d f a 中的平均粒子反转率。在 1 9 9 7 年s u ny a n 等人的经典论文【4 】中指出，不同的平均粒子反转率将导致不同 的增益谱形状( 图1 1 ) ，当平均粒子反转率高于7 0 的时候，将获得c - b a n d 增 益：而当反转率在4 0 左右的时候，将获得较为平坦的l - b a n d 增益( 图1 2 ) 。而 量 已 g 5 e 8 u 曼 。 图1 1 在不同平均粒子反转率下一段普通 a l - s i 掺铒光纤的增益损耗谱【4 】。 w a v e l e u g t h ( u r n ) 图1 2 在不同掺铒光纤长度下，平坦的 l - b a n d 增益谱输出及噪声指数【5 。 在输入信号给定的情况下降低e d f a 的平均反转率主要有两种方法：增加掺铒光 纤长度或降低泵浦功率，后者显然不利于提高增益，因此实现l - b a n d 放大的方 法都是通过增加掺铒光纤长度。早期的l b a n de d f a 甚至要使用几百米的普通 图1 3c o r a c t i v e 公司的l 1 5 0 0 型高掺杂铒纤的吸收和发射系数。 掺铒光纤【5 】。过长的掺铒光纤增大了背景损耗，降低了泵浦效率，可能导致较 大的非线性影响，并增加了成本，因此目前商用的l - b a n de d f a 普遍采用高掺 杂的铒光纤，通过提高单位长度的吸收和发射系数达到减少铒光纤使用长度的目 2 曲p)o-最互t|ol 3目诤暑落 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 的。目前f i b e r c o r e ，c o r a c f i v e ，o f s ，i n o 以及l i e k k i 等公司都推出了高掺杂 铒纤的产品，吸收系数一般为普通掺铒光纤的2 - 6 倍。一种典型的高掺杂铒纤的 吸收和发射系数如图1 3 所示，只需几十米这种光纤即可满足需要。但掺杂量的 提高也产生了与c b a n d 应用不同的新影响，主要是由于协同上转换( c oo p e r a t i n g u p c o n v e r s i o n ) 弓i 起的浓度猝灭( c o n c e n w a a o nq u e n c h i n g ) 【6 】，导致了泵浦效率的降 低，因此掺杂量要折中考虑，不能太高。解决浓度猝灭的方法主要是依靠改进掺 杂工艺，使用新的掺杂组分，如e 扩n 共掺等，l i e k k i 公司在2 0 0 3 年的o f c 会 议上报道了采用d n d ( d i r e c tn a n o p a r t i c a ld e p o s i t i o n ) 技术实现了只用1 2 m 超高掺 杂铒纤获得4 4 d b 的l b a n d 增益，其1 5 3 0 n m 吸收系数达到了4 3 d b m ，相当于 普通掺铒光纤的1 0 倍左右，并且大大抑制了浓度猝灭 7 】，这种技术可能具有较 好的发展前景。 另一方面，由于l - b a n de d f a 要保持较低的粒子反转率，从而限制了其泵浦 转化效率和噪声性能，与c b a n d 应用相比，其自发辐射噪声( a s e ) 影响不能忽略。 因此优化其结构，提高泵浦利用率，降低噪声指数就成为研究l b a n de d f a 的 主要课题，国内外围绕着这一目标做了大量的工作。 对于应用普通9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 泵浦的单级l - b a n de d f a ，由于泵浦波长位 于掺铒光纤的吸收峰，导致在掺铒光纤的输入端粒子反转率很高，可以产生很强 的反向c - b a n d a s e 。这些a s e 功率不能转化为l - b a n d 信号增益，因此严重降低 了泵浦利用率和信号增益，特别是采用9 8 0 n m 泵浦时，泵清转化效率可能低于 2 0 。为提高泵浦的利用效率，主要有以下两种措施： a 通过改变泵浦波长来降低在掺铒光纤输入端的反转率，抑制反向c b a n d a s e 的产生，从而提高放大器性能。f a f l o o d 等人指出通过调偏9 8 0 r i m 泵浦波长 可以获得3 。5 d b 的转化效率提高【8 ；而r d im u r o 等进一步指出调偏1 4 8 0 h m 泵浦也可以获得类似的改善，并且偏离吸收峰越多改善越大【9 】。另外b o h u n c h o i 等人直接利用c b a n d 波长( 15 3 0 h m ) 泵浦l b a n de d f a ，获得了两倍于 1 4 8 0 n m 泵浦的泵浦转化效率，但噪声指数较高 1 0 】。 b 通过优化结构来充分利用反向c - b a n d a s e ，实现二次泵清，从而提高泵浦转 化效率和信号增益，同时保证较低的噪声指数。b u m k im i n 等人提出通过将 一部分c b a n d a s e 耦合进l - b a n d e d f a 中以抑制输入端的反向c b a n d a s e ， 达到将反向a s e 转化为l - b a n d 信号增益的目的【1 1 ；m a m a g d i b 2 和z h a n g 趟镩厘卜 i e 王 o 图1 ，4 带有一个或两个c b a n d 反射光栅 的l b a n de d f a 1 7 a 言 垒 ： 毒 图1 5 带有一个及两个反射光栅的l - b a n d e d f a 的输出增益谱及噪声指数比较【1 7 】。 y a n b i n 1 3 】等人进步验证通过将c - b a n d 信号作为注入种子耦合进l - b a n d 苷一回矧 嚣 ； 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 e d f a 也可以获得显著的性能改善；j n i l l s o n 通过在放大器输出端加a s e 反 射光栅来提高效率 1 4 1 ；s w h a r u n 等人则利用双通( d o u b l ep a s s ) 结构提高泵 浦利用率 1 5 】：j u l i a nl e e 等人巧妙的利用一段无泵浦的掺铒光纤置于输入端 ( 前向泵浦) 或输出端( 反向泵浦) 以吸收反向c - b a n da s e ( 或前向c b a n d a s e ) 作为二次泵浦，有效的提高了放大器效率 1 6 1 ；a y e n i a y 等人和 s w h a r u n 等人都提出在掺铒光纤输入端加上一个或多个c - b a n d 光纤b r a g g 光栅以反射一部分反向c b a n da s e 作为种子光以实现对l b a n d 信号的二次 泵浦( 图1 。4 ) ，获得了满意的效果【1 7 ，1 8 】。作者也对这一结构进行了实验验证， 指出这一结构还具有增益筘制的作用【1 9 。 比较上面的两类方法，可以明显看出，第一种措施代价较大，不仅获得非标 准波长的泵浦源不容易，而且得到大功率的c b a n da s e 泵源也成本较高。而第 二种措施则相对较为实用，其中性价比最高的两种方法就是增加未泵浦掺铒光纤 以及使用c - b a n d 反射光栅。通过结构上的优化，可以获得比较满意的泵浦利用 率以及噪声特性。在本文中对于带有输入端c b a n d 反射光栅的l - b a n d e d f a 结 构进行了分析与实验。 对于要求输出功率较小的应用( 前放) ，采用单级l - b a n de d f a 可以满足要求。 但对于大容量多信道的d w d m 系统的功率放大，则必须采用多级、多泵浦的 l b a n de d f a ，级间加入隔离器及其它器件。此时为了提高输出功率，一般采用 1 4 8 0 r m l 泵浦源，或者9 8 0 n m 泵浦与1 4 8 0 n m 泵浦搭配使用。相比c - b a n de d f a ， l b a n de d f a 需要更大的泵浦功率才能获得相同的输出功率，这导致了l b a n d e d f a 较高的成本。多级l - b a n de d f a 的设计是更为复杂的问题，需要对各种结 构方案进行综合考虑和比较。t l i a n g 等人采用穷举法对双级，双泵浦l - b a n d e d f a 进行了优化，认为在级间加入带有泵浦旁路结构的隔离器，并采用前向+ 后向泵浦结构可以获得最优结果【2 0 】。作者则对带有中间损耗器件( 色散补偿模块) 的多级l - b a n d e d f a 进行了优化设计，提出了一种新型的四级结构【2 1 。 此外，对于l - b a n de d f a 在信号上下话路情况下的瞬态功率变化也有一些相 关的报道。其瞬态现象基本与c b a n d 情况类似，但也有自己的特点，如弛豫时 间较长等。j c l e e 等人指出l b a n de d 队中存在着依赖于信号波长的瞬态效应， 即不同波长的瞬态特性不同，长波长信号具有较大的瞬态变化 2 2 ：而h h l e e 等人则发现在输入端加入一个c b a n d 反射光栅后可以抑制这种波长依赖的瞬态 一- 一i t - - - 兰置l _ 一t - m 【 _ ct ! 一。4 ：o ：鬣l i l f t一：一_一_ ! ， 。一；i ； i _ i _ j ：一j _ 5 7 01 船0 5 o 1 6 0 0 w 目b n 曲岬) 图1 6 测量得到的归一化的l b a n d 增益 谱随温度的变化量，l - b a n de d f a 的反转 保证增益谱平坦 2 6 1 a 4 图1 7 泵浦波长为9 8 0 n t o 。饱和信号为 1 5 7 8 r t m ，当饱和信号输入功率分别为 一1 7 5 ，一1 0l ，1 d b m 时的输出增益谱与参考值 的比较【2 8 】。 抽 仙 仙 铋 蚰 邶 一p)毒t害薹 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 现象。使各波长信号的瞬态变化趋于一致，便于进行增益控制 2 3 】。相应的，用 于l b a n de d f a 的全光增益箝制方案也得到了研究，与c - b a n de d f a 的闭环全 光增益箝制方案不同，l b a n de d f a 可以实现开环的全光箝制，在箝制时不产生 弛豫振荡。目前主要有三种方案实现l b a n de d f a 的全光增益箝制：1 闭环增 益筘制结构 2 4 】；2 输入端光栅反射结构【1 8 】；3 部分箝制结构 2 5 】。其中后两 种属于开环箝制结构，并且具有更好的噪声性能。 关于l - b a n de d f a 的温度特性，非均匀展宽特性以及传输中的非线性特性同 样得到了研究。f a f l o o d 的研究表明，l b a n de d f a 的增益谱比c b a n de d f a 对温度更敏感 2 6 ，这是由于产生l b a n d 光放大的亚稳态4 。能量较低的亚能 级和基态4 。能量较高的亚能级上粒子数的分布受温度影嫡更大所引起的。如 图1 6 显示，随温度从1 0 摄氏度变化到8 0 摄氏度，增益谱变化幅度可达到2 6 d b 左右，并且输出功率也发生变化，且随着温度的升高，为保证平坦的增益谱必须 降低增益值 2 7 1 。这在超长距离传输中是需要考虑的，严重时可能导致系统性能 恶化。最好的解决方法是将掺铒光纤置于带有控温装置的盘纤盒内，以保证温度 的变化范围很小。e a f l o o d 等人还研究了l b a n de d f a 的非均匀展宽特性，指 出l b a n de d f a 的频谱烧孔效应要强于c b a n de d f a 2 8 1 。m e i s e l t 等人和y l i u 等人分别对l b a n de d f a 中的交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) 现象进行 了研究，指出l b a n de d f a 中的非线性效应要明显强于c b a n de d f a ，这主要 是由于l b a n de d f a 具有较长的光纤长度 2 9 ，3 0 。 目前仍不断有关于l - b a n de d f a 的研究和报道出现，主要集中在对结构的优 化和新型光纤材料的制作和应用上。普通的a 1 s i 掺铒光纤由于激发态吸收饵s a ) 效应的限制，最大增益带宽只能达到1 6 0 4 n m 左右，为了进一步扩展可用带宽， 需要采用新型的光纤材料。a j ，g e l l i s o n 等人报道了采用锑硅玻璃f m c s ) 作为基 质的掺铒光纤放大器，可以将增益带宽扩展到1 6 2 0 n m 3 1 1 而采用碲玻璃作为 基质的掺铒光纤放大器也被发现可以扩展可用l b a n d 带宽 3 2 】，此外还有采用铋 ，一， 一! ：o 。5，。、 一- c s 。i j 斋弋。： ” 代 。 刚1 8 采用锑硅玻璃为基质的l - b a n d 掺铒光纤放大器与普通的a i s i 掺铒光纤放大器的增 益谱比较 3 u 。 基光纤以提高e r 离子掺杂浓度及展宽谱线的报道 3 3 】。但新型光纤存在着工艺 不成熟，成本高，熔接损耗大等缺点，还需要不断的完善。我们也自行研制了掺 铋和掺铋 g 的硅基高掺杂铒纤，可以用很短的光纤实现l b a n d 的有效放大。 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 最后，关于l b a n d 与c - b a n de d f a 的配合使用，目前有两种搭配结构，即 并行 3 4 】和串行【3 5 】结构。串行结构不需要在输入和输出端进行c k l 分合波，相 对比较简单，但最大的缺点是两个波段互相影响，c b a n d 信号增益变化将影响 l b a n d 的增益，给系统调试带来不便。因此目前使用最广泛的还是并行c + lb a n d 结构，已经应用在大量的长距离传输系统中。在第四章的3 0 0 0 公里超长距离传 输实验中也采用了这种放大结构，并配合r a m a n 分布放大以获得更好的噪声性 能。 1 2 2 宽带r a m a n 光纤放大器的发展与现状 自从1 9 7 3 年r h s t o l e n 和e e l p p e n 首次在光纤中发现r a m a n 放大现象以来 【3 6 ，将受激r a m a n 散射( s r s ) 效应应用于光通信系统，利用高功率的泵浦光实 现对长波长信号光的放大就一直是人们努力研究的方向。随着光纤通信系统传输 距离和传输容量的不断发展，光纤r 出n a n 放大器的诱人潜力及前景引起了普遍 重视，在上世纪8 0 年代中期，出现了第一次光纤r a m a n 放大器研究的高潮。然 而由于技术条件的限制，当时无法获得可以满足通信系统要求的廉价可靠的高功 率r a m a n 泵浦源，只能使用复杂笨重的n d ：y a g 激光器作为泵浦，因此一直无 法实现r k l f l a n 放大器的实用化。在此期间，于1 9 8 6 年发明的e d f a 以其优良的 光放大特性以及易于采用半导体激光器泵浦的优势获得了广泛的应用，迅速成为 占据统治地位的光放大器产品，而e d f a 与d w d m 技术的结合更是极大的推动 了光纤通信的发展，这使光纤r a m a n 放大器的研究在9 0 年代初期走入低谷。但 这次研究高潮中获得的大量实验和理论成果仍为以后r a m a n 放大器的研究开发 奠定了基础。 到上世纪9 0 年代后期，随着d w d m 技术的飞速发展和对系统容量的迫切需 求，使得传统c b a n d e d f a 的固有缺陷日益突出：1 ) 可用增益带宽小，平坦后 只有大约3 5 n m 左右，要提高系统容量只能通过提高信道速率和信道数量，同时 减小信道间隔；2 1 。当信道间隔较小时，为抑制非线性串扰( x p m ，r w m ) 必须降 低信号入纤功率，这导致信道光信噪比( o s n r ) 的下降。由于集总式e d f a 受3 d b 量子噪声限制，因此为保证o s n r 只能缩短放大器间距，这就必须大大增加成 本。而此时高功率半导体激光器以及包层泵浦的层叠式r a l n a n 光纤激光器的研 究取得了很大的进展，已经可以满足r b m a n 放大器泵浦源的要求，加之光纤 r a m a n 放大器本身的优势，使r a m a n 放大器重新获得了人们的重视。 相比稀土掺杂类集总放大器，光纤r r m a r l 放大器具有以下优点： 1 ) 由于s r s 效应在任何光纤中都存在，因此m a m a n 放大无需特殊的增益介质， 可以在传输光纤中实现。便于系统的直接扩窑升级。 2 ) 对于光纤r a m a n 放大器，只要有合适的泵浦波长，就可以对任意的信号波段 进行放大。多个波长泵浦同时使用，可以获得1 0 0 r i m 的平坦增益带宽，采用新 的技术以后，增益带宽可以超过1 0 0 r i m 。因此r a m a n 放大器可以充分的利用光 纤的带宽资源。 3 1 采用分布式光纤r r m a n 放大器可以在相同的非线性影响下获得更好的o s n r 性能，或在相同的o s n r 性能下有效抑制非线性效应，因此可以较大的增加放 大器间距而不牺牲传输性能，从而降低成本。 4 、光纤r b l n a n 放大器的使用非常灵活，可以采用分布式或集总式放大以满足不 同的系统需要，并且还可以通过不同的泵浦方式来提高性能，既可以采用全 6 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 r 锄a n 放大，也可以与其它放大器混台使用。 当然r a m a n 放大器也存在缺点，比如增益效率低：由于泵浦功率过大很容易 导致光纤端面的损坏，还可能产生安全问题等，但相信应该可以得到有效的解决。 由于采用非线性效应作为放大机理，r a l i l a n 放大器的增益、噪声特性都与传 统掺杂光纤放大器有很大的不同。而宽带r r n l r l l 放大器的优化设计和性能分析 相比e