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摘要 随着计算机网络及数据传输业务的飞速发展，光纤通信系统正朝着高速率，大 容量，长距离发展。传统的e d f a 具有增益高，输出功率大等优点，但是由于其 波段固定并且增益不平坦，现阶段已无法满足远距离光纤通信发展。光纤喇曼放 大器以其增益带宽大和传输光纤在线放大的特性，受到越来越多的关注。人们设 想如果能将两种放大器混合使用，则可以使放大器在获得宽带宽的同时得到较好 的增益平坦度和较好的噪声特性。 本文在重点对f r a 进行了一系列理论分析的基础上，对f r a 和混合放大器的 设计做了仿真、特性分析，所获得的结果对基于光纤喇曼放大器和混合光纤放大 器的大容量、远长距离传输系统的设计具有重要的参考意义。 关键词：掺铒光纤放大器喇曼光纤放大器混合光纤放大器增益噪声 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n do t h e rd a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h ec a p a b i l i t y d e m a n do fl o n g - h a u lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y e d f ai s c o m p a r a t i v e l ym a t u r e ，c h a r a c t e r i z e db yh i g hg a i na n dh i g ho u t p u tp o w e rb u tt h ee d e a s w a v e l e n g t hb a n di sf i x e da n dn o tb a n de n o u g h ，r a m a na m p l i f i c a t i o no f f e r st h ep r o s p e c t o fh i g hg a i n ，h i g hs a t u r a t i o np o w e ra n dp o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v i t yi naf i b e rd e v i c e ， c o m b i n e dw i t has m o o t hg a i ns p e c t r u ma n dr e l a t i v e l yw i d eb a n d w i d t h s op e o p l e t h o u g h t ，i fp u tt h e s et w oa m p l i f i e r st o g e t h e r , t h eh y b r i da m p l i f i e rc a nn o to n l yo w n w i d e b a n da n df l a tg a i n ，b u ta l s oc a ng e tr e l a t i v e l yh i g ho u t p u tp o w e ra n dg o o dn o i s ef e a t u r e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w eh a v ew i d e l ys t u d i e dt h ed e s i g n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i n f l u e n c e so fh f ao nl l i g h - s p e e do 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 ，c o m b i n i n g t 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 n t h ed e d u c e dr e s u l t sh a v er e f e r e n c e d m e a n i n go fw i d e - b a n da n dl o n g - d i s t a n c 宅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 gs y s t e m s w i t hh u g ec a p a c i t yb a s e do nf i b e rr a m a na m p l i f i e r sa n dh y b r i df i b e ra m p l i f i e r s k e y w o r d ： e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r f i b e rr a m a na m p l i f i e r h y b r i d f i b e ra m p l i f i e rg a i nf l a t n e s sn o i s e f i g u r e 创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人虢牡、乖 眺 阳 。、l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期： 迎坐! 主! f 日期：丝! 翌：垒：2 第一章绪论 1 1 引言 随着信息社会的到来，信息共享、有线电视、电视点播、电视会议、计算机互 联网等应运而生，迫使光纤通信向高速化、大容量、远距离发展。而光在远距离 传输时，由于受光纤传输损耗以及色散等因素的影响，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。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，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生 1 - 5 。 传统的光纤中继器一般要经过光一电一光的转换过程，而不是把光信号直接放 大。这种方式不仅成本高，结构复杂，而且给整个系统的可靠性、灵活性带来了 许多问题。于是，人们设想是否可以不经过光一电一光的转换，而直接将光信号 进行放大。光放大器的研制成功标志着这一问题的圆满解决。与此同时，传统的 时分复用技术( t d m ) 已经无法应付日益庞大的信息量，于是人们引入了波分复 用( w d m ) 技术，即在同一根光纤上同时用多个波长来分别传送不同信道的信号。 纵观光放大器十几年的发展，e d f a 成功的推动了光纤通信系统的发展。但是 在远距离传输中，人们发现单纯使用e d f a 或者是多个e d f a 级联放大，系统噪 声积累现象会很严重。光纤喇曼放大器f r a 以其特有的低噪声、结构简单、灵活 放大任意波段等特性再次引起研究者重视【6 】。随着光纤通信向高速宽带网络方向发 展，人们对放大器性能的要求越来越高。将e d f a 和f r a 相结合的方法组成混合 光纤放大器，可以使放大器在获得宽带宽和平坦增益的同时得到较大输出功率和 较好的噪声特性，并能极大的提高传输距离，因而成为现阶段的研究重点。 1 2 光放大器的分类与发展 现阶段主要有两种类型的光放大器在使用：半导体光放大器【6 。1o 】和光纤光放大 器。半导体激光放大器尺寸小，频带宽，增益高，但最大的弱点是与光纤的耦合 损耗太大，易受环境温度影响，并且稳定性很差，因而光纤通信系统中的光放大 一般不会由半导体激光器来完成。光纤光放大器又分为两种，即掺稀土元素的光 纤光放大器和利用常规光纤的非线性光纤放大器。非线性光纤放大器【9 】主要包括光 纤布里渊放大器和光纤喇曼放大器，它们分别利用了光纤中的受激布里渊散射 ( s b s ) 和受激喇曼散射( s r s ) 的非线性效应。布里渊放大器是一种高增益、低 功率、窄带放大器。由于其在室温下噪声比较大，以及放大信号的比特率比较低， 2 混合光纤放大器在远距离传输中的应用 所以，在一般光波通信系统中应用价值不大。光纤放大器一般都由放大工作介质、 泵浦源以及输入输出耦合结构组成【2 1 ，如图1 1 所示。 图1 1 光纤放大器结构 1 2 1 掺稀土元素光纤放大器发展概况 光 稀土元素即元素周期表中的镧系元素，目前通信领域对掺稀土光纤放大器的研 究比较多的集中在掺铒光纤放大器( e d f a ) 、掺镨光纤放大器( p d f a ) 和掺铥 光纤放大器( t d f a ) 上，特别是掺铒光纤放大裂4 1 ，由于可以应用于1 5 5 u m 窗口 而成为研究的热点。 e d f a 最开始的研究可以追溯到6 0 年代初【8 】，当时人们在对半导体光放大现象 研究的同时，也对掺稀土元素的光纤的光谱特性进行了研究，由于当时这些研究 都是期望研制稀土光纤激光光源而不是光纤放大器，因而研究结果并未被人们所 重视。在上世纪8 0 年代中期，英国南安普顿大学的p a y n e 等人研制成功了纤芯掺 杂的铒光纤，并实现了1 5 5 u m 低损耗窗口的激光辐射，随后他们采用6 5 0 n m 的激 光器作为泵浦光源，获得了2 8 d b 小信号增益。同年贝尔实验室的研究者，采用 51 4 n m 氩离子激光器作为泵浦光源，也获得了2 2 4 d b 小信号增益。随后的几年， 日本n t t 实验室首次利用1 4 8 u m 半导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器，作为全 光中继器放大5 g b s 孤子脉冲，实现了1 0 0 k m 的无误码传输。自此以后，掺铒光 纤放大器的研究在多方面开展，建立了多种理论分析模型，提出了增益均衡和噪 声处理的方案和方法，进行了多种系统应用研究，同时进行了分布式光纤放大器 和双向放大器的研究，使掺铒光纤放大器及其应用得到了飞速发展。 e d f a 1 1 。1 2 】具有增益高、效率高、偏振敏感性低、噪声低、结构简单、易于与 光纤系统耦合等优点。并且由于e d f a 的工作波段恰好位于光纤的低损耗窗口( c 波段) ，在其出现之初便受到研究人员的广泛关注，发展迅速并很快在光纤通信系 统中得到了应用。e d f a 在历史上第一次实现了信号的全光放大，极大地提高了光 纤通信系统的传输容量，大大促进了光纤通信的发展。因此e d f a 的发明被称为 光纤通信发展史上的一个里程碑。 1 2 2 光纤喇曼放大器的发展概况 光纤喇曼放大器0 2 】利用光纤本身的非线性效应对光信号进行直接光放大，因 而无需在光纤中掺入特殊增益介质。喇曼放大器的历史可以追溯到7 0 年代，s t o l e n 等人首先在喇曼光纤放大器的实验中发现了单模光纤中的受激拉曼散射现象，这 个实验开启了研究光纤拉曼放大器的先河。随后的8 0 年代，人们在光纤通信应用 的推动下开始研究光纤喇曼放大器。但由于喇曼放大器需要的抽运功率比较高， 而当时缺少这样的光源，因此光纤喇曼放大器一直被限制在实验室中。到了9 0 年 代，随着包层抽运、光纤光栅【l 乱1 。7 】等新技术的出现，使得用于抽运喇曼放大器的 大功率激光器成为可能，光纤喇曼放大器又出现大量的研究。近年来，随着计算 机网络和数据传输业务的飞速发展，e d f a 一般所用来放大的c 波段已不能满足 光通信急剧增长的需求，光纤喇曼放大器作为目前唯一种光纤全波段放大器，因 而成为研究的热点。 光纤喇曼放大器具有很多优点【协”】： 1 f r a 的增益波长由泵浦光波长决定，理论上只要泵浦源的波长适当，可以对 任意波长进行放大。 2 增益介质是光纤本身，因而可以实现在线放大，适宜远距离传输。 3 噪声低，饱和功率高，串扰小，频谱范围宽，温度稳定性好。 相信随着全光网络的不断建设和d w d m 技术的不断成熟发展，f r a 的必将以 其不可比拟的优势进入新的发展阶段。 1 3 掺铒光纤放大器和喇曼放大器在通讯系统中的应用 1 3 1 掺铒光纤放大器的应用 在功能应用上，e d f a 可以分为前置放大器，线路放大器和功率放大器三种， 它们分别用在作为接收机前端的功率提升，远距离传输信号的功率放大和增强光 发射机的输出功率。前置光放大器是置于光接收机的前端，主要为了提高接收机 的灵敏度，用于信号的功率提升。线路放大器处于功率放大器之后，主要是为了 保证整个w d m 波段上的稳定性，保持噪声在最小的水平上并执行与传输光纤良 好的光交互作用。作为功率光放大器，是置于激光器之后。从激光器发射出来的 光信号经e d f a 放大后进入光纤线路传输，从而使光纤传输的无中继距离增大。 功率放大器具有输出功率大，输出稳定，噪声小，增益带宽宽和易于监控等优点。 因而e d f a 经常应用于高速大容量长距离干线传输系统，波分复用( w d m ) 通信 系统【2 0 2 l j 等领域。 4混合光纤放大器在远距离传输中的应用 1 3 2 喇曼光纤放大器的应用 喇曼放大器主要分为两大类【2 0 】：分布式喇曼放大器( d f r a ) 和集中式喇曼放 大器( l f r a ) 它们各有特点，并适合于不同的应用领域： ( 1 ) 分布式喇曼放大器主要作为光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿 放大，增益与损耗相等，输出功率与输入功率相等，实现光纤通信系统的无损透 明传输。主要辅助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。在d w d m 系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传 输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道间串扰，使 信号失真。采用分布式光纤喇曼放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时 保持适当的光信噪比。 分布式喇曼放大器还可以作为远程泵浦源应用在一些无法在中继线路上使用 e d f a 集总放大的场合( 如海底光缆通信等) ，为系统设计者解决单元跨距段的延 伸问题提供了新的解决方案。 ( 2 ) 集中式的喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在十公里以内， 泵浦功率要求很高，一般为数瓦，可产生4 0 d b 以上的高增益，可以像e d f a 一样 用来对信号光进行集中放大，一般采用高掺锗、低损耗、小有效面积的光纤作为 增益介质。主要是可产生高功率输出和高增益，进行集中放大。它的作用和e d f a 相似并可作为e d f a 的有益的补充，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 u m 窗口。 1 4 混合光纤放大器的研究 对比上述各种放大器的优缺点会发现：半导体光放大器由于其噪声大，对串扰 和偏振敏感，与光纤耦合时损耗较大等缺点，已经失去了传统放大器领域的作用。 e d f a 技术已经相当成熟，因此目前得到最好的应用。但e d f a 尚有许多不足之 处，首先是现有掺铒光纤放大器的可用带宽只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的 一部分，限制了能够容纳的波长信道数量；其次是放大器自发辐射( a s e ) 噪声的影 响，尤其是对级联e d f a 系统，自发辐射噪声的累积会大大降低系统接收端的信噪 比，从而限制了系统的传输容量和无中继传输距离。f r a 以其固有的全波段可放大 特性以及利用传输光纤做在线放大的优点，得到了应用，然而，喇曼放大器需要 非常高的泵浦功率，并且中继间隔也不能过大，仍然具有一定的局限性。近年来 的研究发现，将f r a 和e d f a 结合起来构成混合喇曼掺铒光纤放大器( h f a ) 可以 获得更加平坦的增益谱【2 4 1 ，从而提高系统的带宽，改善光信噪l 匕( o s n r ) 。因此， 在未来的光纤通信网络中，混合光纤放大器会有很好的前景。 1 5 本论文的内容安排 本文结合掺铒光纤放大器和喇曼放大器各自的优缺点，重点对喇曼放大器以及 与e d f a 结合的混合光纤放大器进行了仿真研究，并对混合光纤放大器的增益特 性、设计方法做了深入探讨。 第二章介绍了喇曼散射及喇曼放大器原理。并对喇曼散射的相关特性进行理论 分析，介绍了喇曼放大器的结构组成、分类，并对其工作特性进行理论分析。 第三章研究了光纤喇曼放大器的设计及其仿真分析陋3 0 1 。通过研究放大器自身 参数对系统性能的影响，对宽带光纤喇曼放大器的特性进行了深入研究，并在v p i 仿真试验平台设计了喇曼放大器，并重点对增益特性进行了分析，得到了一些设 计混合放大器时的有用参数。 第四章对混合光纤放大器进行设计和仿真分析。首先介绍了混合放大器的设计 思想，然后对e d f a 和f r a 的参数进行设计分析，通过对比分别分析e d f a ，f r a 以及两者混合的光纤放大器的增益特性和噪声特性，并对仿真结果对行了研究分 析。 第二章光纤喇曼放大器工作原理及理论分析 2 1 喇曼散射及喇曼放大器原理 光纤喇曼放大器的原理是基于受激喇曼散射而来，即如果使一个弱信号光与一 强泵浦光波同时在光纤中传输，并且弱信号光波长处于泵浦光的喇曼增益带宽内， 弱信号光即可得到放大，因而这种基于光纤受激喇曼散射机制的光纤放大器称为 光纤喇曼放大器1 3 卜3 2 j 。 它是借助泵浦光子与光纤中的分子体系互相作用，吸收泵浦光子能量后的分子 处于某一高振动能级，该能级不稳定，当它向比原来振动能级能量高的某个振动 能级跃迁时，便将散射出一个比泵浦光子能量低的斯托克斯光子w d w 。= w v 如图2 1 所示。当入射信号光子与斯托克斯光子的频率相同时，将使处于高振动能级上的 分子受激辐射出同相位的斯托克斯光子，实现光放大。喇曼散射分为两类，自发 喇曼散射和受激喇曼散射，自发喇曼散射是热振动声子对入射光的散射，而s r s 是强激光与物质相互作用所产生的受激声子对入射光的散射。对于自发散射，由 于散射粒子的运动是无规则的，因此散射光子是非相干的；受激散射则情况不同， 它是激光的相干光子被运动相位规律分布的粒子散射。受激喇曼散射具有以下一 些独特的性质：阈值特性，高强度特性，良好的方向性，响应时间短等。 图2 1 斯托克斯散射 早在7 0 年代人们研究发现【3 粥6 1 ，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 2 所示。 8混合光纤放大器在远距离传输中的应用 寻 三 v 淄 磐 吲 罾 图2 2 石英光纤的喇曼增益系数谱 由上图可知，喇曼增益谱有高达4 0 t h z 的宽度，增益峰值对应的泵浦光与信 号光频率羞为1 3 5 t h z ，因而凡在喇曼增益谱内的信号光都将得到不同程度的放 大。 2 2 1 喇曼增益系数 2 2 受激喇曼散射及相关特性研究 在早期单模光纤的受激喇曼散射实验中，s t o l e n 等人测得了石英光纤中的喇曼 增益系数，昏一般与光纤纤芯的成分有关，对于不同的掺杂物，岛有很大的变化。 喇曼增益系数的计算公式 猷d = 啪) 磊苦。6 ( v ) = i 蒜，( v ，) = 式( 2 - 1 ) 式中c 是光速，h 是普朗克常数， ；是斯托克斯波长，n ( v ) 是与频率相关的反 射系数，k b 是玻耳兹曼常数。开尔文温度为零时自发喇曼散射截面积o o ( v ) 定义 为：在开尔文温度为零时斯托克斯波长处的辐射功率和泵浦功率的比值，它可以 通过测量在开尔文温度为t 时的自发喇曼散射截面积和热分布因子n ( a v ，即得 到。 2 2 2 喇曼散射阈值 在f r a 放大过程中，信号光通过s r s 增益从泵浦光得到能量而被放大，同时 又被光纤吸收而衰减；而泵浦光通过s r s 过程将能量转移给信号光而衰减，同时 也被光纤吸收而衰减，这两种过程同时存在。为得到喇曼阈值，应考虑泵浦波和 斯托克斯波的互作用。在连续波条件下，单个泵浦波和斯托克斯波之间的互作用。 它们遵循下列两个耦合波方程【3 7 - 3 8 1 _al,=gripclz t 一l 式( 2 一2 一) 工【l 一 ) 车：生g j 疋一o c 玉 a z 式( 2 - 3 ) 式中，吸收系数q 和口p ，分别为斯托克斯频率和泵浦频率的光纤损耗，t 是 斯托克斯光强，是泵浦光强。在没有损耗的情况下， 舢+ 薏卜加创 此式仅仅说明在s r s 过程中泵浦光和斯托克斯光中的光子总数不变。 为估计喇曼阈值，忽略方程( 2 3 ) 右边泵浦光的第一项消耗，将此方程的解代入 方程( 2 4 ) 可得到 军：熊盟e x p ( 唧z ) 三一q 呈 韶 郎a s 式( 2 5 ) 式中最( o ) 是z ：0 处的入射泵浦光功率。方程( 2 5 ) 的解为 黔枷十警吻可j加剐 式中= 去 1 - e x p ( a e l ) 为考虑光纤损耗对泵浦吸收时有的有效长度。当考虑 整个喇曼作用谱范围内各频率分量对斯托克斯光功率的贡献时，方程( 2 - 5 ) 可改写 为 黔警z ( o ) e x p 卜，警叫加m 式中甲为z = o 处的有效入射功率： 甲( o ) = 2 万饥 = 陋v ，掣| ，2 = 斛：b 式( 2 8 ) 式( 2 9 ) b e f r 的物理意义是中心位于o ) - - - - 0 ) s 峰值增益处的斯托克斯辐射的有效带宽。 泵浦阈值定义为在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵浦 l o 混合光纤放大器在远距离传输中的廊用 功率， ( 三) = 昂( 三) = p oe x p ( - a p l ) 其中p o = i o a e f r 当喇曼增益谱为洛仑兹分布时，临界泵浦功率可近似写为 g 胄笮( o ) a p 1 6 对于反向s r s ，分析方法完全相同，结果为： g r p o r ( o ) r a 2 0 g p 式( 2 1 0 ) 可见，反向s r s 的阈值比同向的阈值高，也就是说对于一定的泵浦功率首先 达到同向s r s ，所以在光纤中一般观察不到反向s r s 。当然，喇曼增益可以用来 放大反向传输的信号。需要注意的是，以上的结论是在假设泵浦和斯托克斯波的 偏振方向在光纤中保持不变时所得出的，如果偏振方向发生变化，喇曼阈值将增 大l 至2 倍，特别是当偏振完全混乱时将增大2 倍。 浦。 2 3 喇曼光纤放大器的结构及各部分功能 喇曼放大器的基本结构如图2 3 所示，泵浦方式上分为：同向、反向和双向泵 传输光纤 图2 3 f r a 的基本结构 ( 1 ) 泵浦激光器 泵浦激光器是喇曼放大器中最核心的有源器件，也是喇曼放大器走向实用化的 关键，高功率喇曼泵浦源要求具有很高的输出功率，稳定的输出波长，可靠的工 作特性以及对于偏振依赖增益的抑制。最重要的是要有合适的波长输出，常见的 有层叠式喇曼激光器和复用半导体泵浦激光器。 ( 2 ) 光隔离器 光隔离器是一种单向光传输器件，对f r a 的工作稳定性至关重要。通常光反 射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。 提高f r a 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因a s e 反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。对隔 离器，要求隔离度在4 0 d b 以上，与偏振无关。 ( 3 ) 耦合器 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r f a 为了获得较大的输出光功率以及较低的噪声指数等其它参数，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。为了获得较宽较平坦的增益曲线， 还可加入了增益平坦滤波器。 2 4 喇曼放大器的工作特性 2 4 1 喇曼放大器的噪声特性 喇曼放大器的噪声主要是自发辐射噪声，串话噪声，瑞利散射噪声，下面分别 说明如下： ( 1 ) 放大器自发辐射( a s e ) 噪声 放大器自发辐射( a s e ) 噪声m 】：由自发喇曼散射效应经喇曼放大产生的频带 很宽的噪声，两者的关系如图2 4 所示。增益较小时，噪声功率迅速随增益增大而 增加，增益大于某一值时，两者近似成线性关系。通过对不同损耗的分析可知，当 仅考虑泵浦光与信号光时，噪声功率不随损耗变化，只与增益有关。光滤波器带宽 越窄，则光噪声功率越小，从而信噪比越高。 勺 褂 怒 米 书l 棼 足 妲 图2 4a s e 噪声功率与增益的关系 j o 5 0 5 o 5 址 5 5 6 6 7 7 一 一 一 一 一 1 2 混合光纤放人器在远距离传输中的应用 ( 2 ) 串话噪声 f r a 的串话噪声分为两种。一种是由于泵浦光源的波动而造成的泵浦信号串 话。另一种是由于对多信道放大而导致的泵浦介入信号间串话，第一种串话是由 于泵浦波动造成增益波动从而导致信号的噪声。因此必须要通过相应的技术来稳 定泵浦和增益。第二种串话主要是由于泵浦对放大单一信道与放大多个信道同时 传号的增益不同而造成。从总体上看就表现为一个信道信号对另一个信道的调制 作用。根据文献【4 l 】的结论，信号功率和泵浦功率越大，串话越严重；泵浦光到信 号光的转化效率越高，串话越严重。并且当采用后向泵浦时，由于泵浦功率的平 均作用，串话性能明显优于前向泵浦的情况。因此尽量使用后向泵浦，且泵浦功 率不能过高。 ( 3 ) 瑞利散射噪声 瑞利散射是由于光纤制造过程中，局部浓度微观起伏导致折射率在比波长小的 尺度上发生随机变化而引起的。瑞利散射噪声是由瑞利后向散射引起的。它在光 纤后端反射输出形成噪声，导致信噪比的恶化。根据反射次数的不同，又可以分 为单瑞利散射和双瑞利散射。单瑞利散射的影响主要表现为a s e 噪声；双瑞利噪 声则主要表现为多路串话干扰。由于在喇曼放大器中发生的瑞利散射要经过双倍 放大，因此也是一个重要的噪声因素。理论和试验都表吲4 2 1 ，瑞利散射噪声和放 大器增益和传输线长度有关。放大器增益越高，传输线越长，瑞利散射噪声越大。 因此，为抑制其影响，可采用多级放大，避免泵浦功率过高或传输距离过长，还 可采用双向泵浦的方法。 2 4 2 喇曼放大器的增益特性 喇曼增益g a 可以表示为 啊冲( 半) 式( 2 1 3 ) 中，p o 为泵浦功率。 喇曼净增益g n 为 g = 嘭e x p ( 一哎三) 式( 2 1 4 ) 由( 2 1 3 ) ，( 2 - 1 4 ) 式可以看出，g r ，a e f r ，l 及光纤损耗系数哎等参数直接影响可获 得的净增益。因而合理地选择r a m a n 增益光纤对于设计f r a 来说是非常重要的。 一般来说，适当的掺杂浓度，较小的纤芯面积和较低的损耗系数有利于获得较好 的增益特性。 对于光放大器来说，饱和增益g 。及饱和输出功率p 。也是很关键的参数，增益 饱和是泵浦消耗的结果。f r a 饱和增益g 。的近似表达式为 g ：j 共丽 + 吒、” 式( 2 1 5 ) 式中r o2 ( 织) ( 只0 ) 是光纤输入端信号一泵浦功率比；g a 为喇曼增益； q ，分别为信号光和泵浦光的频率；p 。和p 廿分别是光纤输入端信号光和泵浦 光的功率。由式( 2 1 5 ) 可得出，当 r o = 1 时，r a m a n 饱和增益减小3 d b ，放大后 的信号功率接近泵浦功率，此时的信号功率即为饱和输出功率。 喇曼放大器中一般当信号功率达到十几到几十毫瓦时才出现较明显的饱和现 象，因此其受增益饱和的影响较小。另外，喇曼增益与光纤类型也有密切联系， 根据参考文献【4 3 掣1 的结论，相比普通光纤，掺g e 0 2 的光纤可获得高得多的喇曼增 益。而且由增益表达式可见，对于有效面积越小，损耗越小的光纤，其喇曼增益 越大。但这些因素之间相互影响，相互制约，例如掺锗量越大，损耗也越大 4 5 】。 实用中色散补偿光纤的喇曼增益优于色散位移光纤，普通单模光纤的增益最低。 一般应用中将信号光与泵浦光的频率差定在喇曼增益峰值处即1 3 5 t h z ，以获得最 大喇曼增益。 2 5 与e d f a 特性的对比 与e d f a 相比，r a m a n 放大器的主要优点【4 6 。4 8 1 如下： ( 1 ) 低噪声。级联e d f a 系统，自发辐射噪声的累积会大大降低系统接收端 的信噪比，从而限制了系统的传输容量和无中继传输距离。 ( 2 ) 设计简单，便于商业化发展。其信号的放大在光纤内进行，不需要额外 的传输介质。 ( 3 ) 信号波段灵活。因为喇曼增益依赖于泵浦波长，而e d f a 依赖于介质材 料。 ( 4 ) 可以获得较宽的增益带宽。通过仔细调整泵浦功率和波长，可以获得非 常平坦的增益谱。 缺点如下： ( 1 ) w d m 信道间串扰。对某些w d m 信道放大会使其他信道产生喇曼串扰， 劣化系统性能。 ( 2 ) 需要高泵浦功率，而且对无源器件要求高。 ( 3 ) 偏振敏感。喇曼放大器的增益与偏振关系很大，在正向泵浦的时候，偏 振相关增益可以达到3 d b 以上。 1 4 混合光纤放大器在远距离传输中的应用 2 6 本章小结 本章介绍了喇曼散射以及光纤喇曼放大器的基本原理，重点对喇曼放大器的噪 声以及增益特性进行了理论分析，最后与e d f a 进行了比较，找出优缺点，这对 于第三章设计喇曼放大器的仿真设计有重要的参考意义。 第三章光纤喇曼放大器的设计及其仿真分析 3 1 研究背景 上一章讨论了e d f a 和f r a 的原理及特性，对比了优缺点，本章将重点讨论 喇曼放大器的理论模型及仿真设计。近年来，密集波分复用( d w d m ) 的实验已 将光纤通信的传输容量提高到每秒几个太比特的水平。同时，随着因特网、宽带综 合业务网及多媒体通信的高速发展，人们对传输容量的要求越来越高。然而，随着 信道比特率和信道数的不断增加，光纤入纤功率也不断提高，在低速率光纤通信 系统和单信道光纤通信系统中不是很明显的非线性效应开始凸现出来。传统的 e d f a 的可用带宽只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的一部分，限制了能够容纳的 波长信道数量：其次是放大器自发辐射( a s e ) 噪声的影响，尤其是对级联e d f a 系统，自发辐射噪声的累积会大大降低系统接收端的信噪比，从而限制了系统的传 输容量和无中继传输距离。光纤喇曼放大器( f r a ) 作为系统升级扩容的关键器 件，在未来的宽带高速光通信网中具有重要作用，它采用分布放大方式，不仅减 小了由于入纤功率过大而引起的系统非线性损伤，而且提高了光信噪比( o s n r ) ， 增加了光放大器之间的间距，提高了系统的传输距离和性能。 本章重点介绍了f r a 仿真系统模型及设计方法，最后在v p i 仿真平台上对影 响长距离光纤传输系统性能的瑞利散射噪声作了较详细地研究。研究结果表明， 通过合理设计光纤参数能够实现宽带长距离传输。研究结果对进一步研究混合光 纤放大器在远距离中的传输具有一定的参考价值。 3 2 光纤喇曼放大器理论模型 为了对光纤喇曼放大器进行仿真研究，我们需要在理论模型的基础上分析论证 实验方案的可行性。光纤喇曼放大器的数学模型已经较为成熟，不仅考虑喇曼效 应和光纤中的衰减，还综合考虑后向瑞利散射、偏振相关影响和色散效应等，这 种复杂的模型一般采用迭代的方法求解，并且每次迭代时检查是否收敛，一旦达 到迭代精度或是完成最大迭代次数，迭代结束。 具体方程 4 9 】如下： 掣( v ) 魄卅巾朋z ，v ) + 蚤忐( y 咱 p ( z ，绀即朋 p ( 训) 1 6 混合光纤放大器在远距离传输中的应用 + 细2 h v a v 石g k r ( 沪。 p + 亿绀尸- 亿州1 + 万b j 一专( v f ) p ( z ，0 + p 一( z ，f ) p ( 训) p ( z ，f ) + p 一( z ，f ) 式( 3 1 ) p v “够一 其中，p ( z ，v ) 是距离z 处频率为1 ，的光功率，表示反、正传输方向；口( y ) 是 衰减系数；r ( v ) 是瑞利背向散射系数；g ，( v - f ) 是频率y 、f 之间的喇曼增益系 数；k 矿是偏振相关系数，1 k 矿2 ； h 是普朗克常数； a v 是每信道滤波器带宽； k 是玻尔兹曼常数； t 是光纤的绝对温度。 方程右边前两项分别表示衰减和瑞利反向散射，第三、五项表示喇曼作用，包 括信号泵浦间相互作用即喇曼放大、泵浦泵浦间相互作用、信号一信号间相互作 用，第四、六项是a s e 噪声部分，考虑进了温度的影响。式中“+ 和“一 分 别代表光的前向和后向传输方向。方程综合考虑了正反向的泵浦、信号和a s e 噪 声功率的分布，但是，为了不让方程过于复杂，忽略了反斯托克斯波的产生和非 线性折射率的影响，由于反斯托克斯波的产生和非线性折射率的影响较小，因而 它对增益平坦轮廓的影响可以忽略。 式( 3 1 ) 是非线性微分方程组，无法直接求解析解，只能用数值分析的方法 求解。一般采用四阶或五阶的龙格库塔 5 0 - 5 1 】法，用分段的方法反复迭代计算。龙 格库塔法的基本原理是从起点开始，将传输光纤分成n 段，然后一步一步地迭代 计算。如果步长是固定的，也就是说，光纤是被分成n 等分的，那么这就是普通 的龙格库塔法。如果步长不是固定的，而是在计算中随时估计误差，用误差来控 制步长，那么这就是变步长的龙格库塔法。先将喇曼光纤分为许多小段，小段的 要求是精度足够高，从信号输入端开始计算一个小段z ，初始条件由只( o ) ，昂( o ) 分别给出每信道的输入信号功率和在信号输入端的泵浦功率。然后用五阶的龙格 库塔法计算出只( 位) ，片( 位) ，解出第- - d 段末尾输出的信号功率和泵浦功率；接 着把它们作为第二段的初始条件按同样的方法计算出第二段末尾的输出功率，如 此反复迭代运算直到光纤的末端就可以得到最终的输出信号和泵浦功率。对于同 向泵浦的情况，信号光和泵浦光从一端输入，初始条件由上面的只( o ) ，b ( o ) 确定， 向后迭代即可；对于反向泵浦，初始的泵浦功率是未知的，因为实际的泵浦源在 信号的输出端口。给初始泵浦功率赋一个初值，计算到末端的时候有一个最终的 泵浦功率计算值，将这个值与实际的泵浦功率比较，如果它们二者的差异满足精 度要求就说明假设成功，如果不满足，就进行修正，得出一个修正值作为泵浦功 蔓三至堂塑型璧整盔量盟堂盐丛墨堕基佥堑1 2 率的初始值，回到前面重新计算，重复以上步骤直到满足精度要求为止 33 模拟仿真软件v p i 5 2 摘要介绍 v p i 仿真工具允许用户自定义模块来实现自己的功能并融入系统进行仿真。它 采用了灵活多样的信号表达方式，包括单频带信号多频带信号，参数化信号和 噪声信号，并采用了两种不同的仿真模式( 块模式和采样模式) ，从而可以对光 器件、光纤通信系统进行精确有效的仿真。其应用领域包括光发射机的设计，色 散管理系统设计，可调谐激光器设计，e d f a 设计，混合放大器设计，多泵浦喇曼 放大器设计，光交叉连接设计，超长距离光纤传输系统设计，接收机设计，城域 网w d m 系统设计等等，同时提供了与m a t l a b ，c ，c + + 等的接口以便进行联合仿 真。v p i 仿真工具界面如图31 所示。 口z e 口z = l = j j 日i g 王囊蠹三三三三 ；。鉴裟鬈器茹黼麓篷嚣紫i 引f i t = = 5 i i 罐：重制 | b 管 i r 昌k 矿 i i 二= i 二= = i = = = ；= 暮；兰= = = = = ：= 二= = 二 。 e i 。 = = ：= = = = ：。= ：= ：= = 二= = ：= = = = _ ：= ：= = = = ： = 一一一一一一 图3 l v p i 界面图 3 4 光纤喇曼放大器仿真系统模型 为了设计远距离传输光纤通信系统，需要对包括泵浦源、泵浦方式、光纤特性 等在内的多方面因素进行综合考虑，从而给出系统的优化方案。本章在v p i 仿真 平台上对基于色散补偿光纤的f p a 系统进行了仿真，本实验所用的仿真系统模型l 咒】 如图3 2 。 信号源发出信号注入色散补偿光纤( d c f ) 进行预补偿，然后进入一个理想光 放大器进行光功率锁定，经过f r a 放大以后，在频谱仪上可以观察w d m 信号频 率范围，每路信号的速率。 1 8 混合光纤放大器在远距离传输中的应用 图3 2f r a 仿真系统模型图 3 5 宽带光纤喇曼放大器的设计及仿真分析 3 5 1 泵浦方式的选择 光纤喇曼放大器的泵浦方式主要有同向泵浦和反向泵浦。信号光和泵浦光之间 的相互作用是设计中必须要考虑的问题，因而这就涉及到泵浦方式的选择。仿真 模型中的参数设定【5 i 】如下：多波长信号源，波长范围1 4 2 5 n m - - 1 4 5 2 n m ，信道间隔 3 n m ，每信道功率2 0 d b m ；单波长泵浦源，波长1 4 2 8 n m ，功率2 0 0 m w ；光纤为 2 5 k m 普通光纤。泵浦方式采用同向和反向时参数设定完全相同。 由v p i 模型得到的喇曼增益( 单位为d b ) 数据如下，增益谱如图3 3 所示。 波长( 单位为n r n ) 依次为：1 4 2 5 ，1 4 2 8 ，1 4 3 1 ，1 4 3 4 ，1 4 3 7 ，1 4 4 0 ，1 4 4 3 ， 1 4 4 6 ，1 4 4 9 ，1 4 5 2 反向泵浦增益依次为：3 8 2 3 1 7 ，3 6 5 1 2 6 ，3 4 0 3 1 9 ，2 1 9 5 6 7 ， 1 8 6 5 2 ，1 6 5 3 2 ，1 3 4 9 3 6 ，1 1 5 3 6 5 ，0 9 2 8 0 9 ，0 9 2 0 8 6 。 同向泵浦增益依次为：3 6 7 8 2 0 ，3 5 4 3 6 8 ，3 2 0 1 6 5 ，2 1 3 6 5 4 ，1 8 3 4 6 2 ，1 5 2 1 0 ， 1 2 0 3 5 ，1 0 8 3 2 9 ，0 8 1 2 7 ，0 8 7 0 5 6 。 由图3 3 可知，对于同向泵浦和反向泵浦，增益谱的形状是一致的，反向泵浦 得到的增益大于同向泵浦，但增益优势不太明显。 但是f r a 一般采用反向泵浦方式，主要由以下两点决定：首先，从噪声方面 考虑，同向泵浦情况下，信号光和泵浦光均从一端入射，此时有很大的泵浦功率， 由于以传输光纤为介质的f r a 中不存在亚稳态能级，泵浦光的微小抖动都会耦合 到与其一同传输的信号光上，造成噪声的增加与积累。而反向泵浦情况下，信号 入射端的泵浦功率已经相当小，对信号造成的影响相对微弱；其次，光纤中的非 线性效应是随信号功率增加而增大的，反向泵浦情况下泵浦光功率在传输光纤中 分布较为平均，不会因为功率过高产生严重的非线性效应，而影响信号光的质量。 因此以下的仿真实验，均采用反向泵浦。 图3 3 同向泵浦和反向泵浦增益对比 3 5 2 喇曼光纤类型以及光纤长度的选择 实际中有5 种比较常见的光纤类型：标准单模光纤( s m f ) 、色散位移光纤 ( d s f ) 、色散平坦光纤( d f f ) 、色散补偿光纤( d c f ) 和高非线性系数光纤( h n l f ) 。 基于理论分析，我们分别采用普通单模光纤( s m f ) 和色散补偿光纤( d c f ) 作为增益介质测量了喇曼放大器的增益谱。实验中信号源波长范围1 5 2 0 1 6 2 0 n m ， 记录增益值，并保持泵浦波长和泵浦功率相同，如图3 4 所示。 图3 4 采用s m f 和d c f 为增益介质的增益谱 由上图可知，相对于s m f ，采用d c f 作为增益介质可以提供所需要的高增益。 2 0 混合光纤放人器在远距离传输中的应用 另一方面，采用d c f 作为增益介质对信号进行放大的同时还可以为系统提供色散 补偿。所以仿真设计时，采用d c f 作为增益介质。 对于分布式光纤喇曼放大器，整个光路上不断进行着信号光和泵浦光的相互作 用，信号光从泵浦光得到的增益不断的补偿着信号的损耗，当光纤长度超过一定 范围后，泵浦光的能量损耗不足以提供喇曼增益，这时光纤中主要表现为信号光 的损耗。因此对分布式f r a ，需要通过大量的计算和实践选取一个合适的光纤长 度，既能保证泵浦能量的转换效率，又使信号的增益补偿损耗后仍相对较大。在 v i a l 仿真平台中采用以下参数：单波长信号光源，波长1 5 5 0 n m ，出射信号功率 一2 0 d b m ；单波长泵浦光源，波长1 4 2 8 n m ，输出功率1 w ；长度取值从1 0 k m - - - 1 2 0 k m 等间距选取6 个点。增益随光纤长度的变化如图3 5 所示。 图3 5 光纤长度和增益的关系 由图3 5 可以看出： ( 1 ) 增益随光纤长度先增后减，增益最大值出现在6 0 k m 8 0 k m 之间，为7 5 k m 左右。 ( 2 ) 光纤长度取值从1 0 k m 到4 0 k m 逐渐增加时，增益逐渐增大，这时信号光的 增益占优势。 ( 3 ) 当光纤长度取值从4 0 k m 继续增加时，增益逐渐减小，这时信号光的损耗占 优势。此时，泵浦光已经出现了耗尽现象，因而信号不再获得增益，损耗随光纤 长度的增加而增大，抵消了已经获得的信号增益。 另外，关于光纤长度与信噪比的关系，