（通信与信息系统专业论文）级联结构的光纤参量放大器研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 光纤参量放大器( f o p a ，f i b e ro p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r ) 基于光纤中的四波混频 ( f w m ，f o u r w a v em i x i n g ) 效应，具有增益高、噪声系数低、工作波长范围灵活等特点， 在光通信系统中可发挥重要作用，因此受到人们的广泛关注。论文围绕级联结构的光 纤参量放大器开展工作，具体内容包括： 1 ) 根据文献资料，选择合适的光纤参数值，对传播常数利用泰勒级数展开，确 定出泵浦f o p a 、双泵浦光纤参量放大器( 2 p f o p a ，t w op u m p sf i b e ro p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i e r ) 波矢失配量，对非线性耦合振幅方程组进行数值求解计算，给出光纤不同位 置处各光波的传输演变规律。通过分析各光波的相对相位差对信号光的影响，讨论分 析了级联结构可以提高参量放大性能的原理。 2 ) 对影响两段级联光纤参量放大器( c f o p a ，c a s c a d e df i b e ro p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i e r ) 信号增益、增益带宽等性能参数的因素进行了分析。分析各因素对光放大器 性能的影响，并考虑不同参数配置时光纤参量放大器的信号增益及增益带宽等性能的 变化情况。在实际应用中可以选择合适的参数，使得光放大器工作在较好状态。 3 ) 对多段级联光纤参量放大器的参数进行了优化。通过采用正负波矢失配补偿 的方案来级联高非线性光纤( h n l f , h i g h l yn o n l i n e a rf i b e r ) 和单模光纤( s m f , s i n g l e m o d ef i b e r ) ，即用单模光纤正的波矢失配来补偿高非线性光纤负的波矢失配，来改善 恶化的相对相位差。通过数值求解选定合适的补偿光纤长度以及需要补偿的相位失 配，从而对影响级联光纤参量放大器中的增益光纤长度、补偿光纤长度等参数进行优 化，最终使得在较低泵浦功率的条件下得到较好的信号增益或带宽性能。 关键词：光纤参量放大器；四波混频；级联结构；相位匹配 a b s t r a c t p 1 b 钟o p t l c a lp 锄m 矧ca m p l i f i e r s ( f o p a ) b a s e do nf o u r w a v e m i x i n g ( f w m ) w j l l c h1 st h et h i r do r d e rn o n l i n e a re f f e c t i th a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hg a i n 1 0 w n 0 1 s ec o e 瓶c i e n ta n df l e x i b l e w o r k i n gw a v e l e n g t hr a n g ea n ds oo n f o p ap l a y s a n t r n p o r t a n tm l e8 0i th a sb e e np a i dw i d e l ya t t e n t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nc a s c a d e d f i b e r p a r a m e t e ra m p l i f i e r s ( c f o p a ) t h ec o n c r e t ec o n t e n t sa l - ea sf o i l o w s ： t1 r s t l y a c c o r d i n gt ot h el i t e r a t u r em a t e r i a l ，w ec h o o s ea p p r o p r i a t ef i b e rp a r a m e t e r v 副u et oc a i c u l a t et h en o n l i n e a rc o u p l i n g a m p l i t u d ee q u a t i o n sn u m e r i c a l l y t h e nw ec a n2 e t t i l e 仃a n s m l s s l o ne v o l u t i o nd i s c i p l i n eo f t h ep u m pl i g h t , s i g n a ll i g h ta n di d l e l i g h ta ta n v p o s l t l o ni nf i b e r s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee f f e c t sb e t w e e nt h er e l a t i v ep h a s ed i 胁黜e o f t h ew a v e sa l l ds i g n a ll i g h t ，w e d i s c u s sa n da n a l y z et h ep r i n c i p l et h a ta c a s c a d es t m c t u r ec a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n b e c o n 幽yw ef o c u so nt h ef a c t o r st od e t e r m i n es i g n a lg a i n ，g a i nb a n d w i d t ha n d o 也e r p 锕0 m a i l c ep a r a m e t e r so ft w os e c t i o n sc f o p a ，t h e nw ec a ns e eh o w t h e yd e t 锄i n e t h ep e 商d 功姐n c eo f c f o p a ，s ow ec a l lc h o o s ea p p r o p r i a t ep 姗e t e r st 0m a k et h eo p t i c a l a m p l i f i e r sw o r k i n gi nt h eb e s ts t a t e 王n 删j yw eo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fc f o p aw h i c hi s c o n s t i t u t e db ys e v e r a l h n l fa n ds m fs e c t i o n s w eu s et h ep l u sw a v e v e c t o ro fs m ft oc o m p e n s a t et h em i n u s w a y ev e c t o ro fh n l f w ec a ng e tt h ef i b e rl e n g t ha n d p h a s em i s m a tc _ hw en e e dt 0 c o m p e n s a t eb ys o r w a r en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ow ec a r l g e tt h eu n i v e r s a l l ya p p l i c a b l e n b c rp 鳃锄e t e r st oi m p r o v e g a i no re x p a n db a n d w i d t hi nal o w p u m pp o w e rc o n d i t i o n k e yw o r d s ：f i b e ro p t i c a lp a r a m e 仃i ca m p l i f i e r ；f 。l l rw 打e m i x i n g ；c a l s c a d e d s 饥l 鲍鹏； p h a s em a t e h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 光纤参量放大器的研究意义 随着人们对各种新型传输业务如数据、图像、多媒体、i p 接入及各种增值业务与 智能业务等高速数据业务需要的急速膨胀，人们对光网络的传送容量和覆盖范围都提 出了更大的要求。超长距离密集波分复用的传输技术能够比较充分地利用光纤的传输 带宽，解决网络传输中无电中继器的问题，并且对各种数字业务具有透明传输的特性， 一直是各种骨干网配置的优先选则方案。但是超长距离密集波分复用系统中全光传输 技术传输时面临光放大器自发辐射放大( a s e ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 噪声、 光纤色散和非线性的积累、严重色散不均衡等许多问题【l d 】，因此需要多种先进的技 术手段作为支撑，研发新一代高速超长距离密集波分复用光纤通信骨干网的核心技术 包括光放大器、编码调制技术等。2 0 世纪8 0 年代出现的光放大技术是光纤通信领域 技术上的一次重大进步。光放大技术在增加传输距离和扩大传输系统容量方面有巨大 的优势和潜力，成为光通信领域的一个研究热点。光纤参量放大器( f o p a ，f i b e ro p t i c a l p a r a m e t r i c a m p l i f i e r ) 可以在很短的光纤内为信号提供较高的增益，非常适用于光纤通 信系统中的集中放大【3 巧j 。 早期对光纤参量放大器的研究多是在多模光纤中进行的，将波长为5 3 2 n m 、峰值 功率约为1 0 0 w 的泵浦脉冲，与可调谐范围为5 6 5 m - - - 6 4 0 n m 的染料激光器输出的功 率为1 0 m w 的连续( c w jc o n t i n u o u sw a v e ) 信号波，一起注入到长度为9 c m 的多模光纤， 在蓝光区产生了新光波，也就是参量放大中的闲频波【3 】，这里能实现相位匹配的光纤 长度很短，能进行非线性互作用的长度很短，不能得到有效的信号增益。 随着研究的深入，对光纤参量放大器的设计已经发展了多种高效技术，主要有准 相位匹配( q p m ，q u a s i p h a s em a t c h i n g ) 技术、对泵浦源进行相位调制、采用双泵浦结 构的光纤参量放大器、采用高非线性光纤( h n l f ，h i g hn o n l i n e a rf i b e r ) 或光子晶体光 纤( p c f ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ) 做增益介质、采用层叠结构、环形结构、零色散波长分 布、零色散波长附近泵浦、偏振分集【6 1 l 】等，以达到提高信号峰值增益、拓宽和平坦 增益带宽、降低偏振灵敏度等目的。 现在主流的光放大器主要有以下三种类型：以e d f a 为代表的用掺杂光纤来制作 的光纤放大器、以激光二极管制作的半导体光放大器( s o a ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ) 、以拉曼光纤放大器( e r a ，r a m a nf i b e ra m p l i f i e r ) 、f o p a 为代表的利用光 纤非线性效应制作而成的光放大器。 f o p a 相比其他光放大器的优点主要有p 】： 1 ) 信号增益高，并且在小信号近似时，信号增益与泵浦功率和光纤非线性系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 呈指数关系。 2 ) 增益带宽宽，可在几十纳米甚至几百纳米获得较为平坦的增益带宽，实现光 通信的全波段工作。 3 ) 相敏特性，无自发辐射噪声。 4 ) 信号波长可在任意波长内进行放大产生相位共轭的闲频波，这可用于波长转 换，在多波长光网络中有重要应用。 5 ) 当信号增益谱较窄时，可用作窄带光滤波器。 光纤参量放大器是一个应用广泛的多功能光器件，可被用作光脉冲源、解复用器、 前置放大器、波长转换器、色散控制、全光脉冲抽样、全光信号处理等。f o p a 可以 在较宽带宽内提供较高的信号增益。由于f o p a 只提供单向增益，因此就没有后向传 播而引起的自发辐射放大噪声。光参量放大被认为是最适合未来全光网络和超长距离 密集波分复用系统的光放大技术，对于这方面的研究己引起了人们越来越多广泛的关 注和重视。 1 2 光纤参量放大器的研究现状 对于光纤的参量过程及参量放大等课题，国内外很多大学、科研机构和公司都进 行了深入而广泛的研究。 目前国内对光纤参量放大器进行研究的主要有清华大学电工程系、华中科技大 学、上海交通大学、天津大学精密仪器与光电子工程学院等，不过大多数研究小组都 集中在仿真方面。清华大学在2 0 0 4 年利用光纤参量放大器对光纤的非线性系数进行 了测量，并对光纤参量放大器增益谱进行了实验测量，从实验上验证了光纤参量放大 器具有高增益和宽带宽的特性【1 2 m 】。 美国的s t a n f o r d 大学、b e l lc o r e 、l u c e n t 公司、日本的o k i 公司、法国t h o m s o n 实验室以及瑞典查尔姆斯理工大学等都展开了这方面的研究。以下是一些主要的研究 成果【1 4 - 1 9 】： 1 ) 增益带宽方面：美国斯坦福大学的研究人员m i c h e le m a r h i c 等人使用峰值功 率为2 0 w 、非线性系数为1 8 o n - 1 w - 1 的一段长为3 0 米的h n l f 获得了4 0 0 n m 的增益 带宽，峰值增益可达6 5 d b ，平均增益超过2 0 d b t l 4 】，这也是目前单泵浦f o p a 获得的 最大增益带宽。 2 ) 峰值增益方面：2 0 0 6 年，瑞典查尔姆斯理工大学的t h o m a st o r o u n i d i s 等人用 1 9 w 的c w 泵浦三段零色散波长不同的高非线性光纤，实现了1 l n m 的带宽范围内增 益高于6 0 d b 、峰值增益高达7 0 d b 的光纤参量放大【1 5 】。2 0 0 7 年，他们又利用波长 1 5 6 0 5 r i m 、功率4 w 的c w 泵浦和非线性系数为2 5w - 1 k m 1 的1 0 0 m 长的高非线性光 纤，实现了1 5 1 0 n m 1 6 1 0 n m 之间1 0 0 n m 的增益带宽、1 1 5 d b 的平均增益【1 6 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 3 ) 双泵浦光纤参量放大器的研究成果：2 0 0 4 年，贝尔实验室发表了采用连续光 作泵浦波的双泵浦结构的光纤参量放大器，两泵浦波长分别为1 5 5 3 5 r i m 和1 6 0 7 n m ， 功率分别为4 8 0 r o w 和2 7 5 m w ，长为5 0 0 m 的h n l f 增益介质。经过双泵浦光纤参量 放大器的放大，增益超过了3 0 d b ，增益平坦带宽为4 1 5 n m 【1 。7 1 。2 0 0 7 年，j d m a r c o n i 等人报道了一种双泵浦结构的光纤参量放大器，其3 d b 带宽接近1 0 0 n m t l 8 】；同一年， r j i a n g 等人设计的双泵浦结构光纤参量放大器，使用了2 0 0 m 长的高非线性光纤，其 3 d b 带宽为5 0 2 8 n m ，带宽内增益高于4 0 d b 1 9 】，为目前双泵浦参量放大的最高水平。 为延缓单段光纤中能量的周期性转移特性，即信号增益到达峰值增益后又会逐渐 减小，很多研究人员采用级联结构的光纤参量放大器来达到提高增益、拓宽增益带宽、 提高增益带宽平坦性等目的。关于级联光纤参量放大器( c f o p a ，c a s c a d e df i b e r o p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r ) 的研究进展情况如下。 2 0 0 1 年，j a e y o u nk i m 、t 3 z d a lb o y r a z 等人利用准相位匹配技术进行光纤级联的 f o p a 来提高信号增益，具体做法是在色散位移光纤( d s f , d i s p e r s i o ns h i f t e df i b e r ) 中 增益达到最大值时级联一段合适长度的s m f 2 8 光纤，第一段光纤长度就是参量放大 过程达到信号峰值增益时的长度，第二段光纤长度由需要改善的相位失配来决定，然 后再级联一段d s f 使参量放大更深入进行，采用这种级联结构在色散位移光纤参量 放大器中将增益提高了1 2 d b t 2 们。 2 0 0 3 年，k e n n e t h k y w o n g 等人采用两段5 0 0 m 不同零色散波长的高非线性色散 位移光纤( h n l s d f ) 级联结构的f o p a 实现6 0d b 的信号增益【2 1 1 。 2 0 0 6 年，瑞典查尔姆斯理工大学的t h o m a st o r o t m i d i s 等人用1 9 w 的连续光泵浦 三段零色散波长分别为1 5 5 7 2 n m 、1 5 6 1 9 n m 、1 5 6 1 2 n m 和长度分别为2 0 0 m 、1 0 0 m 、 2 0 0 m 的高非线性光纤，实现了l l n m 的增益带宽范围内增益高于6 0 d b 、峰值增益高 达7 0 d b 的光纤参量放大【l5 1 。 已有不少文献【2 5 】对基于多段光纤级联构造方式的光纤参量放大器进行了报 道，例如周期色散光纤补偿的高非线性折射率光纤参量放大器，多段高非线性折射率 光纤构成的光纤参量放大器，用遗传算法对多段高非线性折射率光纤构成的光纤参量 放大器的结构进行优化设计。这些文献中有的就高非线性折射率光纤的色散分段进行 了补偿，有的文献中每一段高非线性折射率光纤的零色散波长和长度均不相同，就其 中一段而言可能增益并不理想，当多段优化组合以后，增益可以变得平坦和具有大的 带宽。 本文采用了正负波矢失配互相补偿实现光纤参量过程中相位匹配的设计思想，其 理论依据是参量过程中各光波之间的相对相位差变化对参量增益的周期性影响规律。 从实验验证的角度来说，目前最容易实现的正负波矢失配互相补偿方案是选取两种适 当的光纤进行级联。本文的研究意义在于，提供参量增益的实际光纤长度如果能够按 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i 皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼罾曼曼量曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼邕曼曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼舅舅皇舅量曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼鼍舅 需分配，从应用的角度来说，可以在泵浦功率与光纤长度之间取得很好的平衡。采用 波矢失配补偿相当于增加了相位匹配的调控自由度，可以为研究光纤中的参量过程及 应用拓宽解决问题的思路。 1 3 本文的主要工作和结构安排 本文的主要工作包括理论分析与仿真验证两个方面。在理论分析中，通过非线 性耦合振幅方程组，利用泰勒展式推导单、双泵浦光纤参量放大器的波矢失配的表 达式。阅读文献确定合适光纤等参数，对光纤参量放大器及光纤传输系统进行数值 建模，并针对不同模型的参数进行仿真验证。 主要研究工作如下： 第1 章：绪论。首先介绍光纤参量过程和参量放大过程的发展历程与光纤参量放 大器的优点与应用领域，其次描述了光纤参量放大器的国内外研究现状、最新进展及 级联光纤参量放大器的意义，最后阐述本文的主要研究内容及论文的总体框架。 第2 章：光纤参量放大器的理论基础。介绍光纤参量放大器的基本原理与理论内 容。以非线性耦合振幅方程组为基础，对单、双泵浦光纤参量放大器以及级联光纤参 量放大器的模型进行数值仿真，得到泵浦波、信号波、闲频波在光纤中任意位置动态 互相演化的视图，并对信号增益进行数值仿真计算。 第3 章：影响级联光纤参量放大器性能的因素。首先对影响单段光纤参量放大器 性能的因素进行分析，进而过渡到研究影响两段级联光放大器的信号增益、增益带宽 等性能参数的因素，分析各因素对光纤参量放大器性能的影响，总结对光纤参量放大 器中一些光纤参数的选择和设置，使得光放大器工作在最佳状态。 第4 章：级联光纤参量放大器性能的优化。介绍基于h n l f 和s m f 的多段级联 光纤参量放大器的研究，确定补偿时的光纤长度，需要补偿的相位失配，并进行软件 数值建模仿真，得到光纤参量放大器在较低泵浦功率条件下较好的增益或带宽性能的 光纤优化参数。 论文的最后是结论、致谢、参考文献和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章光纤参量放大器的理论基础 光纤的参量过程属于三阶非线性效应，其基本原理是高效的四波混频( f w m ， f o u rw a v em i x i n g ) 。三阶非线性效应是光纤中一种重要的非线性光学现象，在这类非 线性现象中，光纤除了作为几个光波互相作用的媒介外，光纤起被动作用。本章在介 绍参量放大过程基本原理的基础上，重点讨论实现参量放大的相位匹配条件。 2 1 参量放大基本原理 在量子力学术语中，一个或几个频率光波的光子被湮灭，同时产生出了另外几个 不同频率的新光子，且在此参量作用过程中，净能量和动量是守恒的，这样的过程被 称为四波混频。参量过程起源于光场作用下介质中束缚电子的非线性响应，作用场与 介质极化的关系不是单纯线性的，其非线性项由非线性电极化率决定 2 6 】。三阶参量过 程主要是四个光波的相互作用，包括四波混频、三次谐波的产生和参量放大等现象， 与对应的三阶电极化率z ( 3 ) 相关。由于光纤中的四波混频能够比较有效的产生新的光 波，研究人员对其进行了广泛的研究，其主要特点可用三阶极化项来解释【2 6 】： ；旭：氏z ( 3 ) ；三三云( 2 1 ) 式中，户舰是感应非线性极化，岛是真空中的介电常数，e 是电场。振荡频率分别为 q 、哆、鸭和纨，沿同一方向x 线偏振的四个光波，总电场可以写成： 言= i 1 石 4 弓e x p f ( 膨z 一哆f ) + c c ( 2 - 2 ) 式中，传播常数岛= n j c ，j = 1 - - , 4 ，局也被称为波矢，n j 是折射率，c c 为复共 轭。这里假设所有的光波沿同一方向z 传播。把式( 2 2 ) 代入( 2 1 ) ，可得到p 脱的表达 式： 元= 丢三壹乞e x p 鹇z 一哆r ) + c c ( 2 - 3 ) p j ( j = 1 4 ) 是由许多包含三个电场积的项组成。其中只可以表示为： 只2 了3 8 0 艘 蚶乞+ 2 ( + 蚶+ m 巨+ 2 e i e 2 e 3e x p ( i 良) ( 2 4 ) + 2 互易ee x p ( i s _ ) + j 式中 幺= ( 届+ 属+ 属一屈) z 一( q + 哆+ 鸭一勉) f ( 2 5 ) 晓= ( 届+ 屐一层一屈) z 一( q + 咤一皑一咄) f ( 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 置詈曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼量曼曼曼曼量蔓皇曼曼鼍i i i i i , 皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼量皇曼皇曼量曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼皇蔓曼曼皇 式( 2 4 ) d p ，包含e 的项对应于自相位调制和交叉相位调制效应，其余项对应于四波混 频。这些项中有哪些能在参量耦合中起作用，主要取决于e 与只之间的相位失配，也 就是式中见、9 或者其他类似的量。 发生显著的四波混频过程的条件是相位失配几乎为零，这就需要频率以及波矢之 间的匹配，而波矢匹配通常又被称为相位匹配( p m ，p h a s em a t c h i n g ) ，所以参量过程需 要选择特定的频率和折射率，以满足相位匹配的条件。 四波混频大致有两类，一类是三个光子合成一个光子的情形，对应含有晓的项， 新光子频率为原先三个光子的频率之和，包括三次谐波的产生以及频率转换，但是要 实现这种条件下的相位匹配条件很难【2 6 1 。另一类情形是两个频率为劬、红的两个光 子湮灭，并产生频率为织、纸的新光子，对应含有晓的项，即： 哆+ 咄= q + 哆( 2 - 7 ) 使得此过程顺利进行的条件是要满足相配匹配： 筇= p ( o , 3 ) + ( q ) 一( q ) 一p ( , 0 2 ) = ( 惕鸭+ 心q n a r q 一他) c = 0 ( 2 8 ) 四波混频是把强泵浦波q ，p u m pw a v e ) 的能量转移到相对于泵浦波频率发生了 上、下频移的两个新的光波。只要泵浦波进入光纤中并且满足相位匹配的条件，频率 为蛾和吼的斯托克斯波和反斯托克斯波( 鸭 红) 就能在噪声中产生，又被称为信号 波( s ，s i g n a lw a v e ) 和闲频波( i ，i d l e rw a v e ) 。纰处的低频边带被称为斯托克斯边带或者 信号带，而他处的高频边带则被称为反斯托克斯边带或者闲频带。 在四波混频的过程中若频率为纸的弱信号波也同泵浦波一起进入光纤，此信号将 被放大，同时产生频率为纰的新光波，这就是参量放大过程 2 6 。2 9 1 ，对应于这种放大所 产生的信号增益成为参量增益。参量过程与四波混频的最根本区别在于在相位匹配频 率处是否有弱信号波入纤与泵浦波共同传输。若有，即是参量放大过程，反之即是四 波混频，信号波从噪声中放大产生。但是两过程中的闲频波都是从噪声中放大产生的。 2 2 工作方式 当频率分别为c o p 。和q ：的两强泵浦波在相位匹配的条件下与频率为q 的弱信号 波一起被导入光纤，经过光纤的非线性作用，频率为q 的信号波将被放大，同时产生 频率为哆的闲频波( q q ) ，此过程称为非简并参量放大，工作在非简并条件下的参 量放大器称为双泵浦光纤参量放大器【3 0 - 3 4 3 。q 是中心频率，表示两泵浦波频率之和的 一半。图2 1 为非简并参量放大示意图： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 j l j j t it。 q2 图2 - 1 非简并参量过程示意图 不考虑光纤损耗，并且假设所有的光波均为线偏振，偏振方向相同，双泵浦光纤 参量放大器工作方式下，用基本传播方程可以推导出稳态非线性耦合波方程【4 】： 訾= 耖 ( 。+ 2 ( 。：+ + 霉) ) 4 。+ 2 4 ：44 p j 堆 警咄盼2 ( w ) ) 钳2 4 - e 雌 ( 2 _ 9 ) 警叫 ( e + 2 ( o 。+ o ：+ 鼻) ) 4 + 2 4 4 。钞雌 警咄 ( 只+ 2 ( o 。+ o ：+ ) ) 4 + 2 4 以。4 ：p 蝴 式中的y 是光纤的非线性系数，7 = 2 ；, r n 2 a 如，刀：是光纤的非线性折射率系数，是光 纤非线性的量度，这里忽略了四个光波频率之间的微小差异而认为它们的y 相等。爿 是有效光纤截面积，彳p 1 咄“、p ，l 卅 f 分别表示泵浦波1 ( p 1 ) 、泵浦波2 ( p 2 ) 、信 号波o ) 、闲频波( d 的复振幅以及功率，且有0 。耻盯( z ) = l 彳p l ，：j j 0 3 1 。式( 2 - 9 ) 等式右边 的前两项分别表示由于自相位调制和交叉相位调制引起的非线性相位，最后一项表示 相互作用的三个光场之间能量的传递。如果需要考虑光纤损耗，则每个等式右边要添 加一项：一a 2 彳，( = p 。，p 2 ，s ，f ) 。，坳： ，分别表示泵浦波、信号波、闲频波的传输常 数，a , o 为相位失配，在非简并的情况表示为： 8 = 9s + p l p 叽一p p 2 q 一、娜 在特定条件c o o = ( 0 d ，= 0 3 。下，满足相位匹配的条件要相对容易一些，光纤中大部 分的f w m 属于这种部分简并的情形。工作在部分简并条件的光纤参量放大器称为单 泵浦光纤参量放大器。频率为c o 。的强泵浦波和频率为蚊的弱信号波一起进入光纤， 经过光纤非线性作用且在相位匹配条件满足时，频率为以的弱信号波将会被放大，同 时产生频率为的闲频波( c o , 0 时，能量由泵浦波转移到信号波和闲频波，对应于信号放大过程； 2 ) 当s i n o 0 ，因此 c o o ，此时对应的信号波波长将位于两泵浦波波长 之间，而当c o 。 c o o 时，信号波波长则位于两泵浦波长之外p 3 1 。 3 3 光纤参数 3 3 1 非线性系数 本节主要是从非线性系数和光纤长度这两方面讲述它们对级联光纤参量放大器 性能的影响。采用非线性系数大的光纤作光纤参量放大器的增益介质是提高峰值增益 的另一个重要途径。随着材料科学技术和微加工技术的日益进步，各种具有高非线性 系数的光子晶体光纤( p c f ) 、高非线性折射率光纤以及微结构光纤的出现，更是为深 入研究光纤中的参量过程提供了方便。光纤参量放大器能在近几年中有较大进展，与 光子晶体光纤的发展有密切关联。光子晶体光纤是近年来研制的一种具有很大非线性 系数的新型光纤，它比普通光纤的非线性系数要高出4 至5 倍，而且通过设计合理的 气孔排列以及制造水平的不断提高，它的非线性系数还能够继续提高。但由于目前制 造工艺的限制，还不能保证光子晶体光纤在较长的距离中零色散波长的稳定。在其他 参数相同的前提下，高非线性系数有利于获得更大的参量增益，从而降低对泵浦功率 和光纤长度乘积的要求。光纤的非线性系数从最初s m f 的2 w 一砌。1 到十几形一o n 。1 的 h n l f 再到几十形一i b ，l 叫甚至更高的p c f ，非线性系数有了质的飞跃。以下的表格是对 五种光纤部分参数的总结： 表3 - 1 五种光纤的典型参数比较例 s m f ：单模光纤，d s f ：色散位移光纤，d c f ：色散补偿光纤，h n l f ：高非线性光纤，p c f - 光 子晶体光纤 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 在研究光纤参量放大器的实验中，通常采用非线性系数较高的高非线性色散位移 光纤( h n l d s f ) ，它由微结构光纤制成，由于可以通过调节光纤中的气孔排布，从而 减小光纤的有效纤芯面积彳胛，这就可以增大光纤的非线性系数，进而提高f o p a 的 参量增益和增益带宽。 图3 1 3 是单泵浦光纤参量放大器在不同光纤非线性系数下的信号增益图，仿真 中分别选取非线性系数y 为3 0 形一砌一、2 0 形- 1 砌- 1 作为对比： 已 褶 磐 鲻 心 j 坚 图3 1 3 不同非线性系数下f o p a 信号增益谱 从图3 1 3 中可以看出，在泵浦功率、光纤长度等参数都相同的条件下，光纤非 线性系数越大，有利于获得大的参量增益，这样就可以降低对泵浦功率和光纤长度乘 积的要求。并且非线性系数越高，增益带宽也相比较宽。因此要获得较大信号增益和 较宽增益带宽可以选取非线性系数较高且零色散波长稳定的光纤。可以选择非线性系 数较高的h n l f 作为光纤参量放大器，它可以在较低泵浦功率或者较短光纤内的条件 下达到峰值增益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 富 已 熘 磬 鬟 皿r j ! 】望 图3 1 4 不同非线性系数下2 p f o p a 增益谱 图3 1 4 是不同非线性系数条件下的双泵浦光纤参量放大器级联前、后增益谱对 比图。从图3 1 4 中可以看出，光纤非线性系数越高，有利于获得大的参量增益，这 样就可以降低对泵浦功率和光纤长度乘积的要求。从图3 1 4 中还可以看出，采用级 联光纤参量放大器比单段光纤参量放大器的信号增益要优越。 3 3 2 光纤长度 增加光波传输的光纤长度是提高光纤参量放大器峰值增益的另一个有效手段，这 里有一个限制条件就是在信号波在达到峰值增益之前。此时增加光纤长度，信号增益 将随着长度的增加而近乎以指数增加。 图3 1 5 是单泵浦光纤参量放大器在光纤长度分别是1 8 0 m 、1 5 0 m 的信号增益图。 在信号波增益未达到峰值增益前，信号增益将随光纤长度的增加而增加，当继续增加 光纤的长度时，原先相位匹配较好、增益较大的波长处，会因为信号波、闲频波能量 向泵浦波回流，使得增益减少。若选取的光纤长度不合适，就会出现有的波长处的信 号波增益增加，而有的波长处的信号波增益减小，原来双峰的增益谱将出现比较大的 变化，有可能