（通信与信息系统专业论文）光纤拉曼放大器的设计与实现.pdf

海人学硕l 。研究生论文 摘要 本论文主要包括两部分的工作：拉曼放大器研制过程( 包括理论仿真结果和 在仿真结论指导下样机实验结果) 及拉曼放大器的数字电路研制工作。 根据科研项目要求，论文首先利用o p t i w a v e 公司的光放大器设计软件 o p t i a m p i i f i e r 和m a t l a b 编程工具理论仿真设计了诸多实现方案，从泵浦光源 种类，泵浦光源的波长，泵源的数目及功率的大小，及采用何种光纤等方面做 了大量的理论仿真工作，最后从成本，实用角度出发决定采用三泵源即可实现 项目要求的1 5 3 0 6 0 0 h m 的放大带宽，且增益平坦性能优良等指标。论文作者 参与拉曼放大器的光路设计过程和实验测量，最后样机的实验测量结果表明， 我们设计的拉曼放大器系统能够完全满足带宽要求，l d b 内的纹波增益平坦性 及一般商用系统的l o d b 的增益，同时系统的成本造价也较为合理。 论文的第二个方面是拉曼放大器显示控制电路的设计实现。显示控制电路实 现的重点是单片机的选取，多路数据采集系统的实现( a d 转换) 和字符式l c o 的f 确显示。最后选用系统级( s o c ) 新华龙单片机f 0 0 5 ，用两片m a x 3 9 5 工业 控制芯片组成多路采集系统及加上适当的上拉电阻解决i j c d 正确发光显示，实 验证明，该电路运行稳定可靠，达到预定的目标。 关键词：光纤拉曼放大器，密集波分复用系统，掺铒光纤放大器，等效噪声 系数，拉曼增益 1 海人学坝i 研究生论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n c l u d e st w oa s p e c t s ：d e s i g np r o c e s so fr a m a n a m p l i f i e r ( s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n tr e s u l t ) a n dd i g i t a lc i r c u i to fr a m a n a m p l i f i e r o nt h eb a s eo ft h e r e q u i r e m e n t ，f i r s t t h e p a p e rp r e s e n tm a n ys o l u t i o n sw i t h o p t i w a v e 。sd e s i g ns o f t w a r eo p t i a m p l i f i e ra n dm a t l a b ，s u c ha st h ek i n d s ，n u m b e r ， w a v e l e n 百ha n dp o w e r o f p u m p ；w h a tk i n do f f i b e rs h o u l db ea d o p t e dh e r ew ed oa j o to fs i m u l a t e dw o r kt od e c i d ew h a ts o l u t i o ns h o u l db ei m p l e m e n t e d b ym e a n so f t h e s ec o n c l u s i o n sf i n a l l yw ef i n dt h r e ep u m p sc a nm e e tt h ep r o j e c t sr e q u i r e m e n t w h i c hb a n d w i d t h 0 5 3 0 1 6 0 0 n m ) s h o u l d b e a m p l i f i e d a n d d i s p l a y e d b e t t e r g a i n f l a t n e s sp e r f o r m a n c eu n d e rc o n s i d e r i n g t h ec o s ta n dp r a c t i c a l i t y t h e nt h e a u t h o ro ft h i sp a p e rt a k ep a r td e s i g na b o u tr a m a na m p l i f i e ro p t i c a ld i a g r a ma n d e x p e r i m e n t ，t h er e s u l t s h o w so u rc o n f i g u r a t i o no nr a m a na m p l i f i e r c o m p l e t e l y q u a l i f yt h ed e m a n d st h a t t h eg a i nr i p p l ei sl e s st h a no ，8 d bi n r e s p e c t t o10 5 d b a v e r a g eg a i ni nt h ea p p l i c a t i o nb a n d w i d t ho fm o r et h a n7 0 h mo nt h ec o n d i t i o no f t h r e ep u m p s ，w h i c hi sd e s i r e di nc o m m e r c ea n d p r a c t i c e t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s st h e d i g i t a l c i r c u i ta b o u tr a m a n a m p l i f i e r e m p h a s e so f t h i st a s kl i ei nt h r e ea s p e c t s ：c h o i c eo fm i c r o p r o c e s s o r ，h o w t oi m p l e m e n tm u l t i c h a n n e ld a t ac o l l e c t i n g ，a n dt h ec o n t r o lo f c h a r a c t e rt y p el i q u i d c r y s t a ld i s p l a ym o d u l e f i n a l l y is e l e c t c y g n a li n t e g r a t e d p r o d u c t i o n f 0 0 5a s m i c r o p r o c e s s o r ，t w o m a x 3 9 5w i t ho t h e r c o m p o n e n t s a r ec o n s i s t e dt h ed a t a c o l l e c t i n gs y s t e m a n dt h ea p p r o p r i a t e p u l l u p r e s i s t a n c e sa r em a d el c dw o r k s m o o t h l y i ti ss h o w n t h i sc i r c u i tc a nr u ns m o o t h l ya n ds t a b i l i t y k e y w o r d s ： f i b e rr a m a n a m p l i f i e r , d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m tt i p l c x i n g ( d w d m ) ，e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) ，e q u i v a l e n tn o i s e f i g u r e ，r a m a n g a i n 1 1 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：葛趔盎日期坦! 蜂墨旦宁号 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅干借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期 加出 、 海人学硕l 研究生论文 第一章引言 随着各地对通信带宽需求的日益增加，长距离光纤传输系统对通信系统的 容量需求也急剧增长。如何提高光纤传输系统的容量，实现全光网络通信，增 加无中继的传输距离已经成为光纤通信领域的研究热点。波分复用技术的成功 为解决通信容量问题提供了最根本而有效的途径，而密集型波分复用技术 ( d w d m ) 更是以其独特的技术优势成为当今光纤通信领域的竞争制高点，为了 争夺这个制高点，各公司都不惜人力，物力，财力进行开发研究，但是密集型 波分复用技术的进一步发展要依赖诸多技术上的进展和突破。 1 1 波分复用系统 光纤通信出现不久就有了波分复用( w d m ) 的概念。上世纪七十年代术，美 国电报电话公司就在他们的网络中使用了1 3 0 0 1 5 0 0 n m 窗口两信道复用的单纤 全双： 传输系统“1 在光通信技术发展初期，由于时分复用技术的发展能够满足 通信业务量的增长需求，再加上精密区分波长信道的光器件技术还远没有成熟， 当时的研究人员大多倾向于采用t d , i 来提高系统容量，w d m 发展速度并不快。 到了九十年代中期，随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现及商品化，有源无源 光器件和窄线宽激光技术的成熟以及通信网络业务量的指数增长，w d m 技术进 入了一个飞速发展的阶段。短短不到十年的时间，w d m 传输系统已经在北美， 欧洲和亚太部分地区大规模商用，担负起了国家与地区骨干通信传输网的重任， 复用波长数从3 2 ，4 0 直至上百个信道，单信道容量一般为l o g b s 。随着数据 及互联网业务的迅猛发展，w d m 已经成为光传输设备市场的主流技术。近年来 虽然世界光通信行业陷入低谷，但w d m 设备市场仍然保持了增长的势头。k m i 公司的一份报告显示，近三年光通信设备市场分别比去年下降2 9 ，5 3 ，和 6 ，而2 0 0 4 年会有轻微反弹，但下滑最大的是传统s o n e t s d h 以及d x c 系统， w d , 1 i 没备的今后五年的平均增长率预计仍能保持在11 左右。1 。 i ：海人学顺h 9 f 宄生论文 目前的超大容量光传输系统可指传输容量达到t b s 以上的密集型波分复用 系统，在l 波段和c 波段共同传输，最大容量8 0 信道* 4 0 g b s ，兼容1 6 0 信道 * i o g b s 及以下速率。超大容量光传输系统的所应具备的特点是：运用宽带及 分布式光放大技术；对光信道特性具有多种控制和调节手段：具有前向纠错或 增强前向纠错功能；可实现l o g 至4 0 g 信号复用：具有4 0 g b s 及其以下速率光 接口；设备具有灵活的业务配置能力和良好的可扩展性；有完善的网元管理功 能，支持3 t 网络的智能化网络管理；具有高可靠性和完善的保护机制；支持 g 6 5 2 和g 6 5 5 光纤传输。o ” 虽然d w d m 技术取得了较大进展，但是人们对网络容量和带宽的需求是无 止境的，d w d m 技术发展又遇到许多新的问题： ( 1 ) 传统的e d f a 只能在c 波段工作。虽然l 波段e d f a 也已经研制出来， 但其一般性能指标与前者相比有所不及；同时若要实现宽带放大，需要两个放 大器并行使用，既要注意两个频带的相互隔离，又要对各个频带的信号特征加 以均衡。这样不仅给设计人员增加了许多新的课题，而且增加了成本。现在的 光纤技术可以提供1 3 0 0 - - 1 6 5 0 n m 的全带宽通信窗口，而除上述两波段外，还 少有可商用化的光放大器产品。 ( 2 ) 对于通道数在3 2 波数之内的d w d m 系统受激拉曼散射的饱和功率大 致在2 j o m w 1 w ，该值远大于典型e d f a 的1 7 d b m 的功率上限，但对于未来的极 高密度的波分复用系统，各种光纤非线性效应的限制将会越来越明显。由于单 信道的传输速率趋势是越来越高，由2 5 g b i t s 到1 0 0 b i t s 再到4 0 0 b jt 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一步提高，更 加剧了这一矛盾。 ( 3 ) 由于单信道的传输速率越来越高，对每个信道的色散补偿成为必须。 同时还存在着其它的一些问题。可见如能解决以上问题，o w d m 技术将发展 到一个新的层次。光纤拉曼放大器( f r a ) 就是在这样的背景下逐渐成为人们研 究a ；u 儿发的热点”。 1 2 光放大技术简介 由上述讨论可知d w d m 的实现有赖于光放大等技术的进展，光放大技术的关 c ：海人学坝i ：gf 究生论文 键器件是光纤放大器，光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有 实时，高增益，宽带，低噪声，低损耗的全光放大的功能。光纤放大器的出现 不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1 5 5 0 h m 频段的波分复用，从而将使超高速，超大容量，超长距离的波分复用( w d m ) ， d w d m ，全光传输，光孤子传输成为现实。光纤放大器一般由增益介质，泵浦光 和输入输出耦合结构组成。根据光放大器在传输网络中的应用，其主要有三种 不同的用途：在发射机之后用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之 前主要用作前置放大器以提高光接收机的灵敏度：在光纤传输线路中作中继放 大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。在目前实用化的光纤放大器主要有 掺铒光纤放大器( e d f a ) ，半导体光放大器( s o a ) 和光纤拉曼放大器( f l e a ) ， 下面对它们的特点做简要介绍。 1 。2 1 半导体光放大器s o a ) 半导体光放大器( s o a ) 是采用通信用激光器相类似的工艺制作的一种行波 放大器，当偏置电流低于闽值时，激) l - 极管就能对输入相干光实现放大作用。 由于半导体放大器具有体积小，结构简单，功耗低，寿命长，易于同其它光器 件和电路集成，适合批量生产，成本低，可实现增益兼开关功能等特性。它在 波长变换，光交换，谱反转，时钟提取，解复用中的应用受到了广泛的重视， 特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，已经引起人们对 s o a 的广泛研究兴趣。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大， 功率较小，对串扰和偏振敏感，与光纤耦合时损耗较大，工作稳定性较差等缺 陷。迄今为止，其性能与掺铒光纤放大器仍有较大差距，但是由于半导体光放 大器覆盖了1 3 0 0 1 6 0 0 n m 波段，既可以用于1 3 0 0 n m 窗口的光放大器，也可以 用于1 5 5 0 h m 窗口的光放大器，且在d w d m 多波长光纤通信系统中，无需增益锁 定，那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案，而且还石j 以促成1 3 1 0 h m 窗r qd w d m 系统的实现。 1 2 2 掺铒光纤放大器( e d f a ) 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到印f 中 海人学坝l ： i j d c 生论文 就可以将大部分处于基态的d “被抽运到激发态上，处于激发态的d “又迅速 无辐射的转移到亚稳念上，由于d “在亚稳态上的平均停留时i 剞为l o m s ，因此 很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数的反转，此时，经过掺铒光纡的信号光 子，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子能量 迅速增加，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。自8 0 年代朱至9 0 年代初研制成掺铒光纤放大器( e d f a ) 并开始应用于1 5 5 0 n m 频段的光纤通信系 统以来，e d f a 极大地推动了光纤通信向全光传输方向发展，目前e d f a 的技术 开发和商品化已经基本成熟。目前广泛应用的e d f a 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光 纤损耗最低的窗口，具有输出功率大，增益高，与偏振无关，噪声系数相对较 低，且其放大特性与系统比特率和数据格式无关，能够同时放大多路信号等一 系列优异的特性，从而在长距离光纤通信系统中占据了重要位置。e d f a 的实用 化带动了光通信容量的增大和速率的提高，反过来光通信能力的扩张又进一步 促进了e d f a 技术的发展。如e d f a 的工作带宽己从窄带( 红带r e db a n d ) 扩展到 整个c 波段，现开始向长( l ) 波段和短( s ) 波段方向发展。在应用需求的刺激 下，宽带和超宽带e d f a 、增益平坦型e d f a 、低噪声e d f a 等类型放大器的研究 正不断取得进展。目前e d f a 研究的热点在如何能够根据外界的条件，如输入 输出光信号的参数，或其它给定条件，调整其自身工作参数( 如增益介质的参数 或泵浦激光参数) ，使其工作状态最佳或使其工作状态符合外界需要的技术。自 适应光放大技术已开始受到重视。1 。现有的光放大器产品，有的已具备某些方面 的自适应特征，比如，研究比较多而且也比较成熟的是根据输出光信号的功率改 变放大器的泵浦参数从而调节放大增益的自动增益控制( a o c ) 技术“。带a o c 功能的e d f a 已有商用产品，也有人研究了用可调滤波器实现增益平坦特性可 变的放大器技术。1 。 1 2 3 光纤拉曼放大器( f r a ) 虽然拉曼放大技术从1 9 7 4 年开始研究并应用，但是由于实现拉曼放大需要 较大的泵浦功率( 1 1 0 0 0 w ) ，用于通信领域的的泵浦光源在当时的技术条件下 海人学坝i 研究生论文 无法得到满足，所以进展一直较为缓慢。直到上世纪9 0 年代随着掺铒光纤放大 器( e d f a ) 技术的成熟大功率光纤激光器的获得及近几年大功率半导体激光 器的研制成功，运用于通信领域的拉曼放大器就成为了研究中的热点。r a m a n 放大器具有许多优点“o 3 ： f 1 ) 相对于e d f a 和s o , 4 增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长 适当，理论上可得到任意波长的信号放大。这样拉曼放大器就可以扩展到e d f a 所不能放大的波段，从而可以实现在全波段范围内的光放大。 ( 2 ) 传输光纤本身可以作为增益介质，与光纤系统具有良好的兼容性；如 此实现的拉曼放大器称为分布式放大，而且因为放大是沿光纤分布而不是集中 作用的，光纤中各处的信号光功率都比较小，这样的话就可降低各种光纤非线 性效应的干扰。 ( 3 ) 噪声系数低。它和e d f a 配合使用将大大提高传输系统的性能。 f 4 ) 拉曼增益谱比较宽，在普通光纤上单波长可实现约4 0 r i m 范围内的有 效增益，如采用多个泵源，可以较容易实现宽带放大。并且增益谱调整的方式 直接而且多样( 可通过选择泵浦波长和强度) 。 ( 5 ) 拉曼放大器的饱和功率高，拉曼放大的作用时问为飞秒f f s ) 级，【2 4 j 可 实现对超短脉冲的放大。 所有这些优点，使得拉曼放大器有着非常广阔的应用前景。 f 因为光纤拉曼放大器有这么多的优点，它可以放大掺铒光纤放大器所不能 放大的波段，并可在1 2 9 2 1 6 6 0 n m 光谱范围内进行光放大，获得比e d f a 宽得多 的增益带宽；再次增益介质为普通光纤，放大是沿着光纤分布而不是集中作用， 所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减 少，这对于大容量d w d m 系统是十分适用的。f r a 是e d f a 的补充，而不是代替， 两者结合起来可获得大于l o o n m 增益平坦宽带1 ，这就是采用分布式光纤拉曼 放大器的好处。 但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器，解决 这个问题的主要途径有：一是研究降低阈值功率的泵浦激光器，使得普通的大 功率半导体激光器能作为拉曼泵浦源使用：其二是研制出更大输出功率的泵浦 激光器；其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在 。f 海人学坝l 州究生论文 一起，获得一个大功率输出的泵浦激光器，此种方法不但可提供一个宽带的增 益谱，而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益平坦度。其四是研制 出高效非线性光纤，以增大r a m a n 效应。 1 3 拉曼放大器的研究现状 前已提及f 是由于光纤拉曼放大器具有诸多诱人的优点，所以拉曼放大器 成为目前光放大领域研究与丌发的热点，具体说来，其研究方向大致可分为以 下两个方面： 1 3 1 底层物理机制、数学模型以及模拟仿真方面的研究 虽然拉曼效应已经发现7 0 多年了，对拉曼放大效应也已经研究3 0 多年了， 但是，由于非线性光学的复杂性，对于影响拉曼效应的各种参数，还无法用很精 确的解析表达式来表示，在很大程度上依靠实验测量数据，因此一个重要的研究 方向就是，依靠量子力学理论，研究拉曼效应的底层机制，改进目前的数值模拟 方式的局限性：对于拉曼效应中至关重要的拉曼增益系数，研究人员已经提出多 种方式进行更好的模拟，如根据石英光纤中两种主要成分s i o ，和g 的比例来 预测拉曼增益系数”，或采用洛仑兹线型和高斯线型柬模拟近似拉曼增益系数 ”3 。列于在多种情况下的光纤损耗系数和瑞利散射系数，也进行了很广泛的研究 ”1 。”1 。另外，随着通信技术的发展，各种新问题不断涌现出来，如在多泵浦分布 式光纤拉曼放大器中，由于采用多泵浦源，泵浦间的相互作用是不能忽略的“”1 。 在目前广泛应用的密波分复用( d w d m ) 中，信号之间的串扰是在设计拉曼放大器必 须要考虑的事实“”2 ”“3 。对于通信系统中重要的指标噪声，更是进行了广泛的 研究“。”。这些研究都逐步完善了光纤拉曼放大器的数学模型，使得数值模拟 仿真更加精确，对于模拟仿真拉曼放大器的特性及设计性能更加优良的放大器有 着重要的意义。同时，对各种更加完善的数学模型，研究人员也提出了更加精确、 收敛性更好、运算速度更快的仿真模拟方法。如采用平均功率法”，以及自动优 化设计方法等”3 1 。数学模型的完善，算法的加强，使得目前的拉曼放大器设计有 1 海人学碗1 1 研究生论文 着更好的数学工具和计算仿真工具。 1 3 2 拉曼放大器的设计与应用方面的研究 对于目前广泛采用的多泵浦分布式光纤拉曼放大器，研究人员对它的优化 设计方法进行了很深入地研究。总的说来，一般分成两个步骤，首先决定泵浦 的波长，然后，调节泵浦功率2 “矧。e p e r l i n 和h g w i n f u l 采用遗传算法在 考虑泵浦与泵浦光，信号与信号及信号与泵浦光相互作用的的条件下，较圆满 的解决了泵浦光的波长选择及泵浦光的功率分配问题。“ 尽管康宁公司很早已经推出了世界上第一款商用光纤拉曼放大器，但是由 于在效率、功率的方面的一些原因，拉曼放大器在现在的主要应用还未达到取 代e d f a ，而且在某种程度上还没有取代的可能。在主要的应用上，拉曼放大器 主要是协助e d f a 工作，提升d w d 1 i 系统的性能。具体说来有三点：( 一) 降低通 信系统的噪声，提高系统的总增益。分布式光纤拉曼放大器与常规e d f a 混合使 用，在一定的增益范围内，能有效地降低系统的噪声指数，增加传输跨距。据b e l l 实验室研究表明，4 0 x 4 0 g b i t s 的w d m 信号在l o o k m 长的真波光纤上传输，采 用分布式光纤拉曼放大器可使噪声系数降低5 ，9 d b ”。( 二) 现有系统的提速升 级。例如添加拉曼放大器使时分复用( t d m ) 系统从2 5 g b t s 提升到1 0 g b i t s ， 使得l o g b i t s 的波分复用( w d m ) 光纤线路提升到4 0 g b i t s “。因此在对旧有的 系统进行升级的过程中，分布式拉曼放大器是关键的器件”。 拉曼光纤放大器的早期，研究重点放在提高放大器的增益、降低噪声等方面， 而现在和今后的重点是在增益稳定，平坦的前提下增加带宽。 面对来自通信系统永不满足的需求，拉曼放大器已经从实验室走向了实地 应用，并必将成为下代光通信网络的主力军。 1 4 小结 本章首先介绍了波分复用系统的发展状况，接着讨论了国内外光放大器技术 发展的方向及市场状况，最后着重介绍了目前拉曼放大器的在波分复用系统中 的重要作用，及研究现状。 河人学坝f f 究生论义 第二章非线性效应与拉曼放大器 2 1 光纤中的非线性效应瞠“2 们 光纤中的非线性效应是影响d w d m 传输系统的主要因素。早在1 9 7 2 年人们 就从理论和试验两方面对单模光纤中的受激拉曼散射和受激布罩渊散射进行了 研究，这方面的工作又引发了对其他一些非线性现象的研究。线性和非线性指 的是光在其中传输的媒质的性质，而非光本身的性质。当介质受到光场的作用 时，组成介质的原子或分子内的电子相对原子核发生微小位移或振动，使介质 产生极化，也就是况光场的存在使媒质的特性发生了变化。极化后的介质内出 现偶极子，这些偶极子能辐射出相应频率的电磁波，这种感生的辐射场叠加到 原入射场上，便是介质内的总光场。这说明介质特性的改变又影响了光场。这 一过程由极化矢量尸( 0 与电场强度矢量f ( 力的关系来描述。如果这一关系 是线性的，就称该介质是线性的，反之则为非线性的。线性介质由下式描述： p ( r ，) = c o 舡饥r )( 2 1 ) 其中为自由空阃介电常数，z 为介质的电极化率。如果是非线性介质，上式 p c r ，。：氏f z u ，e + z 化，：e + z ，；皿豫+ 1 c z z ， 其中e e e 表示张量。z “( ，= 1 , 2 ，3 ) 为j 阶电极化率。在常规的单波长光纤通信系 统中，发送的光功率一般不会使光纤产生非线性，然而随着中继距离的延长，光 放大器的应用( 特别是拉曼放大器所用的大功率泵源) ，尤其是波分复用系统信 道数目的增加，使得进入到光纤巾的9 , 4 辙q t l 十m w ，这样总的光功率就使得 光纤的折射率改变并产生非线性效应，成为限制系统性能的因素。总体来说，光 - - l ：海人学i ! i 研究生论文 克尔( k e r r ) 效应 光纤在较高的光功率下，由于光强度变化，其折射率会受到调制，这 种现象称为光的克尔效应，具体反映为自相位调制效应( s p m ) ，交叉相 位调制效应( x 蹦) 、四波混频( f w m ) 等。 受激散射效应 在强度调制中，进入光纤的高功率光信号与分子振动发生相互作用而 产生的非线性效应，这种效应能散射光，并向光波的长波长方向漂移。 受激散射效应有受激布旱渊( s b s ) 和受激拉曼散射( s r s ) 两种。 2 1 受激散射效应 受激散射效应分为受激布里渊散射( s b s ) 和受激拉曼散射( s r s ) 。 2 1 1 受激布里渊散射 与普通的散射现象( 如瑞利散射) 不同的是，受激散射是一种非弹性散射， 被散射的光的频率将会有所降低。非弹性散射的两个例子是拉曼散射和布里渊 散射，这两种散射都可以理解为一个高能级的光子被散射成一个低能级的光 子，同时产生一个能量为两个光子能量之差的另个能量子，两种散射主要区 别在于拉曼散射的剩余能量转变为分子的振动，而布罩渊散射转变为声子。由 于声子和分子的不同散射关系，使两种散射的基本特性有所不同，最主要的一 点是s b s 只在光纤中后向发生，而s r s 在前向和后向都会发生。s r s 和s b s 都使得入射光的能量降低，形成一种损耗机制，在较低功率下，这些散射的截 面很小，可以忽略；当入射功率超过一定的闽值后，两种散射的散射光强度都 随入射光功率成指数增加，对系统的性能造成1 ：町忽视的损伤a 受激布罩渊散射是入射光波，声波，和散射波之间的一种三波耦合相互作用 过程。在s b s 过程中，入射的泵浦波被热致激发的声波所散射，产生频率下移 且传播方向相反的斯托克斯光，斯托克斯光在反向传播过程中与泵浦光相互作 用而被放大，同样这一过程也需要消耗泵浦光功率。 二二! 堕壁! 型型三! 兰堡兰 ! ! x , j 于连续波，s b s 的阈值( 定义为散射光功率等于入射光功率时的入射光功 率) 可以由下式给出： 只2 1 掣 ( 2 f 3 ) g 8 l 嘻 其中a 。是有效纤芯截面积，k 是表征泵浦信号和斯托克斯信号之间偏振态关系 的因子，其值介于1 和2 之间，当两者偏振态相同时，k 为1 ，无关时，k 为2 ， g 。是s b s 增益常数，g 。= 4 1 0 。( m w ) 。t 。为有效长度，n 3 v d 、由下面的关 系决定( 口为光纤衰减系数，l 为光纤长度) ： k ：1 - e x p ( - o ：l ) ( 2 4 ) s b s 阙值是l m w 数量级的，然而在d w d m 系统中，s b s 的影响不大，因为 s b s 的相互作用带宽很小，在1 5 5 0 n m 窗口为2 0 m h z ，远小于d w d m 系统的 通道间隔( 目前商用d w d m 系统的通道间隔大于5 0 g h z ) 。不过s b s 还是会 引起信道的光损耗的。 2 1 2 受激拉曼散射( s r s ) 受激拉曼散射这种非线性光学效应的原理，其量子机制是这样的：在许多 非线性介质中高频率的泵浦光发生散射，将- d , 部分入射功率转移到另一频率 下移的光束( 信号光) 其频率下移量由介质的振动模式决定的，此过程被称为 拉曼散射( s r s ) ，量子力学描述为入射光波的一个光子自发散射成为另一个低 频光子，同时分子完成从暂稳态到本征能级之间的跃迁，入射光作为泵浦光产 生称为斯托克斯光的频移光。我们可以用下面的图2 1 来加以解释：【3 。1 虚能级 v o 一v i y o vo i 矿o + a v - - - - - - l - - 1 - - - - - - - - - - - 一- - - - - - - l - - - - - - - 一 图2 1 j ：坶 学顺卜研究生论立 图2 1 中左图中所示过程为分子的瑞利散射情况，一个入射光子h h 湮灭， 而处于能级a 或c 上的分子跃迁到中间能级上，该过程的第二阶段是已跃迁到 虚能级上的分子重新回到所在的原来能级上，并同时散射出一个频率同样为v 。 的光子。该过程的特点是散射分子在散射前后的内部能量状态保持不变，因而 入射光子的能量与散射光子的能量相同。图2 1 中所示为斯托克斯光的形成过 程，其特点为光子跃迁到较高的能级上，发射出光子的频率为一，频率向 下移动了v ，内能增加，这也就是拉曼放大器所依据的原理。图2 1 右为反斯 托克斯光的形成过程，发射出光子的频率为- f b v ，分子跃迁到类较低的能级 上，分子的内能减少。 由上述可知拉曼散射的主要特点是：散射光子的能量与方向相对于入射光 子而言都发生了变化。在光纤通信系统中，如果我们在光纤中注入合适的泵浦 光，令信号光的频率等于发生散射的斯托克斯光的频率，我们就可以根据拉曼 散射原理对信号光进行放大。 2 2 拉曼放大器的原理和特点 2 2 1 单泵浦光源的拉曼放大器的原理 在上章介绍过，当加上适当的泵浦光源时，发生拉曼散射后散射光的频率 等于要传输信号光的频率时，我们就可以实现传输光的信号放大。 实验研究发现石英光纤具有很高的受激拉曼散射增益谱，并在1 3 t h z 附近 有一个较宽的主峰。“3 ，如图2 2 所示：正是由于这一特性，光纤可用作宽带放 大器的介质，只要我们把一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使 弱信号置j 二泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激 拉曼散别机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器( f r a ) 。光纤拉曼放大器的放 大方式同e d f a 一样，也有前向泵浦，反向泵浦两种方式。 i ：i f j _ 人学i 。研究生论义 图2 2 光纤中拉曼增益与频移的关系曲线 在单泵源和单信号光的情况下，泵浦光和信号光在光纤传输中满足如下的耦合z 程： i d p p 一，蜘石o ) p 孙( 弛见， ( 2 5 ) 誓一等竽， s ， d z以埘 这晕，p r 和风分别是泵浦光和信号光的功率，繇) 是拉曼增益系数，d ，和d 。分别； 泵浦光和信号光的衰减系数，。和。分别为泵浦光和信号光的频率。在忽略泵浦光 尽( p u m p d e l e t e ) 的条件下，解( 1 ) 和( 2 ) ，得到l 处的信号光功率如下： 酞( ) ：且( o ) e x p ( 墨垒! p ，( o ) 上胡一口。工) ， ( 2 n 州 这里，只( o ) 为注入的光信号功率，p s 为l 处的信号功率，如为光纤的有效面积， 为光纤的有效长度，其大小为： 2 l a ( 1 _ e - “；- ) ( 2 8 ) ：。一，为光纤中传输光频率之差。实验研究发现石英光纤具有很宽的受激拉曼 射增益谱，并在1 3t h z 附近有一较宽的主峰，如果使泵浦光和信号光的频率差等 一，loix一焉o e 目e d g f 手大学砸l 研究生论义 1 3 t h z ，我们就可以得到较大的拉曼增益。 2 2 2 多泵浦源条件下的拉曼放大 实际中为了得到宽频带放大效果和较好的增益特性，需要采用多泵浦源对信号光 行放大，这个时候要考虑泵浦光与泵浦光，信号光与信号光以及信号光与泵浦光之间 相互作用。假设有n 个泵源，m 个信号光在光纤中传输，此时m 个信号光和n 个泵浦 满足如下的方程： 警一薯掣一篇曹甓产腿( 2 9 ) 此处当k 耿1 ，2 ，3 ，n ；a 代表泵浦光，k t r n + l ，n + 2 n + m 代表信号光，只，_ 分别 代表泵浦光功率和信号光频率，上式中下标k 所对应的频率是按照递减顺序排列 的，即k 所取的r l 值越大其所对应频率越低。采用同向泵浦方式时方程左边取正号， 反向时取减号，等号右边第二项表示泵浦光对信号光的能量迁移，第三项表示信 号之间的能量迁移。实际中的波分复用系统，能量转移不仅在泵浦光与信号光之 州发生，而且也在高频与低频信号光之间发生。 为了考察光纤中的能量迁移情况，这里用龙格库塔算法算出了在仅有三个泵浦 光在同光纤中传播时的能量迁移情况，如图2 。3 所示，泵浦光p 1 ，p 2 ，p 3 的波长 依次增加，它们的初始功率均为1 7 5 m w ，从图2 3 中可以看出在相同入射功率的条 件下，在大致15 k m 之前，泵浦光p 3 的能量并不随着传输距离的增加而减小，反而 呈增大的趋势，泵浦光p l 的能量则一直呈递减的趋势。在传输距离超过1 5 k m 之后， 拉曼效应减弱，p l ，p 2 ，p 3 的功率总体上都呈现递减的趋势。这说明泵浦光波长 越小( t 【d p t ) ，能量减少得就越快，其主要原因是它不仅在传输过程中本身要损 耗能量，而且还要把能量传递给波长较长的p 2 和p 3 。由此可见，由于r a m a n 效应 的存在，不仅信号光与信号光之间，信号光与泵浦光之间有能量转移，泵浦光之 间也会发生能量转移，能量由短波长向长波长转移。因此，在设计拉曼放大器时 应该分配相对较多的功率给短波长泵浦光。 一i ：海人学坝 卅究生论文 图2 3 光纤中光波之间的能量迁移 2 3 拉曼放大器的增益和噪声特性 要衡量光纤拉曼放大器的特性，拉曼增益谱和噪声是两个重要的指标。 2 3 1 光纤拉曼放大器的噪声分类及噪声系数 拉曼放大器的噪声组成除了a s e 外，还会有其他的噪声源也会对拉曼放大 器的噪声系数作贡献。这就是我们在下面分析等效噪声系数的时候说明把a s e 作为唯一计算用噪声源具有局限性的原因。一般认为拉曼放大器中的噪声来源 主要有3 个来源时“：( 1 ) a s e 噪声( 2 ) 双瑞利散射( 3 ) 泵浦一信号串话噪声 a s e 噪声 a s e 噪声的产生机理是这样的：自发拉曼散射光会与信号光一起同时被放 大从而构成对放大信号的干扰从而产生的噪声。这里我们应该声明的是实际上 我们测量的a s e 噪声应该包括放大信号注入噪声、a s e 注入噪声、信号一a s e 自 拍频噪声和a s e 拍频噪声叫个部分。 海人学坝l 研究生论义 2 双瑞利散射 当拉曼放大器具有较大的净增益，而且信号的输入功率较大，或者光纤的 有效截面积较小，瑞利散射系数较大的情况下，注入信号在放大器中的双瑞利 散射将会引起放大器性能的严重恶化。，这表现在双瑞利散射信号是伴随着信 号而产生的，会和信号发生互相干扰。由于双瑞利散射噪声和信号在同一个频 带内，因此双瑞利散射无法在接收端通过滤波器将其去除。 3 泵浦一信号串扰噪声 出于拉曼散射的响应时问非常快，因此泵浦功率的波动往往会引起拉曼增 益的波动，这样就会使得输出信号的光功率也发生波动。这样就会导致放大波 段信道的相对强度噪声( r i n ) 比泵浦激光器的相对强度噪声还差。研究表明， 由于r i n 下降，对于单段n d s f 来说将会导致0 1 d b o 的功率代价( 此时泵浦的 r i n 在前向泵浦时为一1 l o d b h z ，后向泵浦为- - 2 9 d b h z ) 。当泵浦激光器的r i n 超过这个限度时，会使得系统性能迅速恶化1 。 4 光纤拉曼放大器的噪声系数 噪声是放大器的关键参数，当评估拉曼放大器的系统性能时必须将噪声的影 响考虑在内。在拉曼放大器的噪声组成中，放大的自发辐射( a s e ) 和瑞利散射 ( d r s ) 是主要的噪声来源。我们下面将对它们进行分析，并分析它们对噪声系 数的贡献。对于噪声的评价，通常采用噪声系数作为噪声性能评价指标。对于一 个具有增益为g 的两端口器件其噪声系数定义为输入信噪比( s n r , ) 和输出信噪 比( s n r 一) 之间的比值( 两者都是电域的信噪比) ”。 s n r ，= 监g2 = 击= 嘉 c z 在这卑抬是电滤波器的带宽。 s n r o = 譬2 = 等= 等 因此， 一器2 磊矗 q 1 2 f ：海人学坝l 研究生论文 n f ：邀：垂一 ( 2 1 2 ) s n r ,2 g 2 p , h v b 。 。 我们假设a s e 噪声和信号的热噪声为主要的噪声源( 这里存在一定的局限， 但是不妨碍我们的分析。具体的噪声组成我们将在下面详细描述) ，则 盯：= 4 只只“+ 2 p h v 且 ( 2 1 3 ) 这罩只。= ( g - 1 ) h v b , ，其中孙是光纤的自发辐射因子( 和1 ) ，因此， 脬= 燮2 g 舞p 螋= 吉i 裔+ 陋：( g - 1 ) ” ( 21 4 ) 2 , h v b og i l ，只 1 g o 、” j 。 对于一个完全效率的放大器，_ 。= 1 。如果d l ，则m 陪2 ，因此对于一个大 增益的放大器，其量子噪声为2 。 但是因为拉曼放大器是分布式放大的，其拉曼增益和a s e 噪声的产生也是随 着传输光纤分布的。因此为了评价放大器的性能我们通常使用有效噪声系数作 为分布式拉曼放大器的噪声评价，等效噪声系数的定义如图2 4 所示。 n f r rg r a m q n f 嚼g 图2 4 ( a ) 分布式放大器模型， ( b ) 等效分立式放大器模型 拉曼放大器的等效噪声系数为； 2 扑景j b 嘲 其中： 一 s e 是在带宽b o 内的噪声功率 一g 是在b 。范围内的平均拉曼增益，用比值来表示 _ 型型业型墼l 一! ! a s e 噪声是由于自发拉曼散射效应经拉曼放大而产生的频带很宽的噪声，在 单泵浦情况下，拉曼放大器的输出a s e 嗓声可以写成： 珈 簧 ( 1 + 带h 一鸯 眨 一 ，为自发辐射系数，这是一个玻色一爱因斯坦分布，并且考虑到在基 态时热效应对光子数量的影响，e i 可以用下式表示： 互= i + 砑1 4 u 是第f 对泵浦光和信号光之间的频率差，7 1 是温度( k ) ，k 是玻尔兹曼常数 2 3 2 拉曼放大器的增益 关于拉曼放大器的增益，可以用下面两种方式定义： 1 ) 从有无拉曼泵浦光的输出信号光功率的变化来定义增益倩。这一增益值 也称作“丌一关( o n o f f ) 增益”。 2 ) 当拉曼增益远大于光纤传输损耗时，此时放大器的增益可以由输出光功 率与输入光功率之比来定义。 小信号时的拉曼增益由式( 2 7 ) 定义。此式忽略了泵浦信号和斯托克斯信号之间倨 泐人学坝d f 究生论文2 0 念因子k ，其值介于1 和2 之问，当两者的偏振念无关( 相同) 时，k 为l ，当两者的 偏振态丁f 交时，k 为2 拉曼放大的小信号增益表示为。“” g = 等= e 州f f - 暑。p , l ；j 一口 ( 2 1 8 ) 其中腥拉曼增益系数，由光纤芯材料的成分决定，c 是泵浦光功率，丘，是光 纤有效纤芯面积，厶。是泵浦波长处等效光纤长度，由“产 卜e x p 卜口。， a 。， 。，是泵浦波长处光纤损耗，a ，是信号波长处光纤损耗，是光纤实际长度。由式 ( 2 1 8 ) 可以看到，拉曼增益和泵浦源波长、功率、所使用的光纤等有很大的关 系。 2 3 本章小结 本章首先介绍了光纤中的非线性效应克尔效应( 自相位调制，交叉相位 调制，四波混频) 和受激散射效应( 布罩渊散射和受