（水声工程专业论文）远程光纤水听器系统光纤拉曼放大技术研究.pdf

国防科学技术大学研冤生院学位论文 a b s t r a c t r e m o t el a r g e - s c a l ef i b e ro p t i c a lh y d r o p h o n ea r r a y sh a v e b e e nr e c e i v e d i n c r e a s i n g a t t e n t i o ni nt h ep a s td e c a d e s s y s t e m su s i n gf i b e rr a m a na m p l i f i e r s ( f r a ) a r eo f g r e a ti n t e r e s t t ol a r g e s c a l eh y d r o p h o n es y s t e m sa st h e yo f f e rt h ep o t e n t i a lf o ra m p l i f i e rs y s t e m sw h i c hh a v e w i d e rb a n d w i d t h ，l o w e rc a s c a d en o i s e ，a n dal o w e rp u m pt r a n s m i s s i o nl o s st h a nt h ee r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ( e d f a ) t h eu s eo ff r a a si n l i n ea m p l i f i e ri nt h er e m o t eh y d r o p h o n e s y s t e mw a ss t u d i e d w es t a r t e dw i t ht h er e v i e wo ft h eb a s i c p r i n c i p l ea n ds o m ei m p o r t a n to p e r a t i o n p e r f o r m a n c e so ff r a ，t h ea m p l i f i e rg a i na n dt h en o i s ep e r f o r m a n c ew e r ea l s oa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h e np r o b l e m se x i ti nc u r r e n ta m p l i f i e rs y s t e m si nar e m o t ef o h w e r ed i s c u s s s e d , w h i c hp r e s e n t st h eu s eo fo u rf r a t h ec h a r a c t e r i z a t i o no ff o hs y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n gt h e d e f i n i t i o na n dt e s t i n go fi t si n t e n s i t yn o i s ea n dp h a s en o i s ew e r ep r e s e n t e d f i n a l l y , w eb u i l tt h e r e m o t ef o hs y s t e mb a s e do nd i s t r i b u t e df r a ( d f r a ) ，a n dm e a s u r e ds o m es y s t e m p e r f o r m a n c e s ，i n c l u d i n gt h ea m p l i f i e rg a i n ，t h ea m p l i f i e rn o i s ea n dt h er e m o t ef o hs y s t e m p h a s en o i s e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o n a ln o i s ei n t r o d u c e df r o ma ni n - l i n ed f r ai na r e m o t ef o hs y s t e mw a sl e s st h a n2 d b m e a n w h i l e ，c o m p a r i s o nt e s t sw i t he d f as h o wt h a t d f r ah a sb e r e rp e r f o r m a n c e sw h e ni ti su s e da si n - l i n ea m p l i f i e r si nt h er e m o t ef o h s y s t e m k e yw o r d s ：f i b e rr a m a na m p l i f i e r , d i s t r i b u t e d , r e m o t ef i b e ro p t i c a lh y d r o p h o n es y s t e m , g a i n ，n o i s e 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 光放大器的应用方式示意图3 表1 1 三种类型的光纤放大器性能比较4 图1 2 远程大规模光纤水听器阵列示意图4 图2 1 受激拉曼散射原理示意图。8 图2 2 熔石英光纤的拉曼增益谱1 1 图2 3 三种泵浦方式的光纤拉曼放大器结构示意图1 2 图2 4 分布式放大器和分立式放大器的增益沿距离的变化曲线1 5 图2 5 光纤拉曼放大器中信号光和泵浦光的传输曲线1 9 图2 6 光纤拉曼放大器开关增益随光纤长度的变化关系1 9 图2 7 光纤拉曼放大器开关增益随输入信号光功率的变化关系1 9 图2 8 ( 吣一g o 随p 。( o ) p 赋的变化曲线2 1 图2 9f r a 的噪声等效模型2 2 图2 1 0 不同带宽下a s e 功率与开关增益的关系曲线2 3 图2 1 1 系统中p a s e 、g o 呐f f 、n f 随输入泵浦功率的变化曲线1 2 4 图2 1 2 瑞利散射噪声的形成过程。2 5 图2 1 3 两种泵浦方式时的系统偏振相关增益。2 6 图3 1 远程大规模光纤水听器阵列光放大部分示意图2 8 图3 2 以e d f a 和d f r a 为在线放大器的水听器系统对比。3 0 图3 3 单探头的基于d f r a 在线放大远程光纤水听器系统结构图3 0 图3 4 泵浦激光器的输出谱线31 表3 1 泵浦激光器的输出功率m 表3 2w d m 工作性能参数31 图3 5m i c h e l s o n 光纤干涉仪基本结构3 3 图4 1 增益饱和实验系统示意图3 5 图4 2 同向泵浦条件下系统开关增益随输入信号功率的变化曲线3 6 图4 3 两种泵浦方式下开关增益随输入信号功率的变化曲线3 6 图4 4d f r a 和e d f a 的噪声指数测试实验系统示意图。3 7 图4 5 光纤激光器的输出谱线3 7 图4 6 泵浦功率为2 0 0 r o w 时d f r a 的噪声指数测试结果3 8 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 7d f r a 噪声指数和增益随泵浦功率的变化曲线3 9 图4 8e d f a 噪声指数测试结果4 0 图4 9 强度噪声的测试系统4 1 图4 1 0 相位噪声的测试系统4 1 图4 1 1 传输光纤对系统噪声的影响测试4 2 图4 1 2d f r a 的引入对系统噪声的影响测试4 3 图4 13 引入d f r a 前后的信号光谱线4 4 图4 1 4i s 0 1 对系统噪声的影响测试4 5 图4 1 5i s 0 2 对系统噪声的影响测试4 5 图4 1 6 实验系统实物图4 6 图4 1 7 实验系统结构图4 6 图4 1 8 以d f r a 为在线放大器的远程光纤水听器系统噪声测试结果4 7 图4 1 9 以e d f a 为在线放大器的远程光纤水听器系统噪声测试结果4 7 图4 2 0d f r a 和e d f a 作为在线放大器时系统噪声比较。4 8 图4 2 1 光电探测器不同输入功率对系统噪声的影响4 8 图4 2 2 校正后的噪声测试结果4 9 图4 2 3 以混合放大器为在线放大器的远程光纤水听器系统噪声测试结果。4 9 图4 2 4 三种在线放大方式的系统噪声测试结果比较。5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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。 靴论文储擀：垂啦 魄砷年f 月歹垆日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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，- i t e j , 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 吼唧年1 1 月临 日期：3 伊哕年t 1 月文垆 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 光纤水听器系统的研究现状及发展趋势 随着各种先进降噪技术在潜艇制造中的应用，潜艇在水下运行时的噪声不断下降，这 为军事中反潜作战带来了更大的挑战。同时，常规探测潜艇的压电水听器的灵敏度已接近 极限值，加之其在成阵方面受到各种因素的制约，使得电缆连接的拖曳探测系统和海底声 纳警戒系统的探潜能力受到了极大限制。因此我们亟待发展一套新型的水下声场探测系统 来应付日益严峻的反潜作战等水声对抗形式。近年来，光纤水听器的迅猛发展给水声探测 技术带来了新的希望。 1 9 7 7 年，美国海军实验室( n r l ) 的c o l e 和b u c a r o 等人发表了光纤水听器领域的首篇 论文【l l ，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统。光纤水听器是光纤压力传感器的一种 具体应用形式，干涉型光纤水听器主要原理是利用水下声波对光纤的压力作用，将声压的 变化转换为光纤水听器的传感光纤纤芯折射率或者光纤长度的变化，从而引起光纤中传输 光相位发生变化，然后采用干涉测量技术测量出相位变化，从而得到水声信息。 与传统结构的压电水听器相比，光纤水听器具有很多优点，如灵敏度较高、响应频带 较宽、频响特性好、动态范围大、抗电磁干扰和串扰能力强、全光、水下无任何电子设备、 以光纤作为信息的传感与传输媒介、稳定性高、耐高温、抗腐蚀、光缆无铜、体积小、重 量轻、传输距离远、可利用光纤多路复用技术、构成大面积阵列和大规模阵列等。这些特 点使得基于光纤水器的水下声纳系统传感器网络与信息传输网络一体化，简化了系统结 构，降低了工程要求，在大幅提高系统性能的同时，减小了系统代价。 美国海军实验室在七十年代末开始执行世界上最早的大规模光纤传感器研究计划 光纤传感器系统计划( f i b e ro p t i c a ls e n s o rs y s t e m ，f o s s ) ，其主要内容是光纤水听 器，研究目的是对付前苏联的潜艇。光纤水听器第一次海上试验是美国为海军流动噪声驳 船系统的噪声监测装置首次开发的塑料芯轴光纤水听器，并于1 9 8 3 年7 月部署在巴哈马群 岛，试验结果证实了光纤水听器具有低于海况零( d s s 0 ) 的噪声特性。 在这之后的二十几年时间里，随着研究的开展，国外光纤水听器技术取得了长足的进 步：1 9 9 6 年，n r l 提出了集合时分和波分复用的6 4 基元水听器阵列，并理论论证了可以通 过三根独立的光纤实现1 9 2 基元【2 】；1 9 9 8 年，英国防卫研究局( d e r a ) 与荷兰皇家海军联 合进行t 3 2 基元5 公里时分复用光纤水听器阵列系统设计和海上实验【3 】；2 0 0 2 年，法国、意 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 大利、挪威联合进行t 3 2 基元1 公里传输海上演示实验，测得噪声低于零级海况1 5 d b 4 ；2 0 0 3 年，美国研制完成1 6 重时分和6 重波分复用技术的9 6 基元阵列，测得系统噪声低于海洋噪 纠5 ，6 】；2 0 0 4 - - 一2 0 0 6 年，英国q i n e t i q 公司在海底布放水听器阵列和在陆地埋没光缆和光纤 加速度计，实现了海陆一体化的立体监测系统。 国内的研究起步于七五期间，早期研究主要集中在探头的设计和增敏技术、抗偏振衰 落技术、信号检测技术、多路复用技术以及关键光纤器件工艺技术等方面的研究。在进行 大量基础研究和取得系列关键技术突破后，近十年来国内光纤水听器系统技术也得到了快 速发展，光纤水听器系统整体性能成为研究的主要内容。 近年来，随着系列关键技术的突破，相关工作进入应用试验阶段，其中几个标志性的 试验为： 2 0 0 2 年8 月中科院声学所、国防科大、西安石油勘探仪器总厂以及天津大港油田集团 地球物探公司联合在渤海进行了2 3 基元全光光纤水听器阵列试验，验证了光纤水听器应用 于海洋石油勘探及水声物理研究的可行性； 2 0 0 6 年1 0 月，国防科大、国家海洋局第一研究所，东方物探西安装备分公司等单位在 南海联合进行了水听器阵列静态和拖曳实验，验证了光纤水听器对海洋线地层高分辨率探 测的可行性； 2 0 0 8 年5 月，中石油东方物探公司，国防科大，天津海泰股份有限公司等单位联合， 在吉林松原油田进行了光纤水听器石油井下探测实验，验证了光纤水听器在地面石油勘探 领域应用的可行性； 由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部详细信息，需要把水听器复 接成阵列的形式应用，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位 与指向。目前应用较多的光纤水听器阵列多路复用技术有：空分复用( s d m ) 、时分复用 ( t d m ) 、频分复用( f d m ) ，波分复用( w d m ) 、相干复用( c m ) 和偏振复用( p m ) 。 正是基于以上各种复用技术的不断发展，光纤水听器才能逐步向大规模阵列方向发展，实 现对复杂的水下声场的有效探测。 随着光纤水听器阵列关键技术的成熟，超远程大规模光纤水听器阵列成为其主要发展 方向。 上世纪末美国实施了系列光纤水下探测系统的重大开发计划，并取得较大成功，对其 水下信息网的建立和第一、二岛链对我水下封锁体系的建设发挥了重要作用。近年来英国 也开始进行5 0 0 k m 、5 1 2 基元远程大规模光纤水听器阵列技术的研究。我国海洋环境监测和 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 海洋防御体系的建立对远程大规模光纤水听器阵列也提出了明确的应用需求。 光放大技术是实现远程大规模光纤水听器阵列的关键技术之一。常用的掺铒光纤在线 放大器( e i ) f a ) 因其远程泵浦传输损耗大、放大带宽窄和噪声比较大等缺陷而使其应用 受限。本文对分布式光纤拉曼放大技术及其在远程光纤水听器系统中的应用进行深入分 析。 1 2 光纤放大器 光纤放大器( o p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r ，o f a ) 是指运用于光纤通信系统或者光纤传感 系统中，实现信号放大的一种新型全光放大器。在远程光纤水听器系统中，随着传输距离 的逐渐延长，这个过程的光能量损耗已经严重影响了系统的工作性能，因此我们需要引入 光纤放大器来补充损耗。同传统的半导体激光放大器( s e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e r ，s l a ) 相比，光纤放大器可直接对信号进行全光放大，不需要经过光电转换、电光转换和信号再 生等过程，具有很好的透明性，特别适用于长途光通信的中继放大。 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。根据其在系统中的 不同作用，光纤放大器可以分为三种： 功率放大器( p o w e ra m p l i f i e r ，p a ) ：在信号发射机之后，主要用作功率放大来 提高发射机的输出功率； 在线放大器( i n 1 i n ea m p l i f i e r ，l a ) ：在光纤的传输线路中，主要用作补偿光纤 的传输损耗，延长传输距离； 前置放大器( p r e - a m p l i f i e r ) ：在信号接收机之前，主要用作光预放大器，来提高 光接收机的灵敏度。 以上三种光纤放大器可以用图1 1 的系统结构统一说明： 功率放大器在线放大器前置放大器 图1 1 光放大器的应用方式示意图 根据光纤放大器的实现原理不同，光纤放大器主要可分为以下三种：掺稀土类光纤放 大器( 如掺铒光纤放大器) 、半导体光纤放大器( 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 ，s o a ) 和非线性效应光纤放大器( 如光纤拉曼放大器和光纤布里渊放大器等) 。表1 1 给出的是三 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 种类型光纤放大器的主要性能比较阴： 表1 1 三种类型的光纤放大器性能比较 放大器 小信号增益转换偏振 噪声 放大方热稳 原理 类型增益带宽 效率灵敏性 指数式定性 非线性光非线性视泵浦同向泵浦分布、 l o 2 0 低 3 d b 好 纤放大器 反转较小放大 目前光纤水听器阵列中光放大首选是掺铒光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ， e d f a ) ，但是在作为光在线放大器使用时，e d f a 存在缺陷。 r o i v o 科州i c ! 鲋e 蛔咖n i c 曩 图1 2 远程大规模光纤水听器阵列示意图 图1 2 是2 0 0 3 年美国海军实验室报道的远程大规模光纤水听器阵列【5 】，阵列中共有三种 类型的光放大器，分别是如( 1 ) 所示的功率放大器、( 2 ) 所示的在线放大器和( 3 ) 所示的前置 放大器。该系统在线放大器部分使用的光放大器类型是e d f a ，为了实现系统水下部分的 全光性，需要从干端远距离传送泵浦光到增益铒纤，这给泵浦光带来较大损耗；从表1 2 中可以看出，e d f a 放大带宽只有3 0 - - 4 0 m ，且只能对特定波段的光进行放大；同时e d f a 的噪声指数 3 d b ，在大规模光纤水听器阵列中级联噪声较大。分布式光纤拉曼放大器 ( d i s t r i b u t e df i b e rr a m a na m p l i f i e r s ，d f r a ) 则在在线、宽带和噪声方面具有e d f a 无可 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 比拟的优势。随着大功率泵浦激光器的小型化商用化，光纤拉曼放大器( f i b e rr a m a n a m p l i f i e r ，f r a ) 逐渐引起我们的重视。本文主要就对光纤拉曼放大器及其作为远程光纤 水听器阵列在线放大器进行研究。 1 3 光纤拉曼放大器的研究进展 二十世纪二十年代初期，描述量子力学理论迅速发展，该理论可以更好地描述光散射 现象。在该理论指导下，s m e k a l 等预测分子可以非弹性散射入射光，即从分子散射的辐射 光频中不仅仅包含入射光频，还应该包含其它光频成分。 1 9 2 8 年，印度物理学家c v r a m a n 首先用实验证实了该预言，发现了拉曼散射现象， 因此获得1 9 3 0 年n o b e l 奖。发现之后将近4 0 年，很少有人对此感兴趣，主要原因是散射现象 很难观察到。 6 0 年代初，在激光技术发展起来后，以高强度单色光照射光学介质，开辟了非线性光 学的研究领域，揭示了受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频和参量过程的物理机制。 6 0 年代己有许多学者发表了一系列受激散射的理论文章，他们分别用经典、半经典和全量 子力学方法研究了受激散射过程。 在7 0 年代早期，b e l l 实验室的s t o l e n 等人首先揭示了光纤中受激拉曼散射现象【8 】，实验 中所使用光纤的纤芯是液体。某些液体的拉曼散射截面很大，所以液体芯有很强的拉曼散 射现象。但液体芯光纤与光纤通信系统中的光纤不匹配。首次发现在石英玻璃光纤中的拉 曼散射则是在1 9 7 1 年。 1 9 7 3 年，s t o l e n 等人就初步测量了锗硅光纤的拉曼增益谱1 9 。但在接下来的十年内，受 到低损耗传输光纤和高功率泵浦源的影响，光纤拉曼放大器的研究没有引起人们太多注 意。 8 0 年代初，a o k i 等演示了高增益、低噪声的拉曼放大器【1 0 】。在该实验中，拉曼泵浦源 是1 3 2 1 m a 的y a g 激光器。根据拉曼散射增益谱，1 3 2 p r o 波长的泵浦光对应的最大增益信号 光波长为1 4 2 i _ t m ，该光信号由一个i n g a a s p 半导体激光器提供。实验中传输光纤在信号和 泵浦波长处的损耗分别为1 1 d b k m 和2 5 d b k m ，该放大系统产生t 2 1 d b 的开关增益和1 0 d b 的净增益。 到了8 0 年代中期，随着光纤的广泛铺设，工程上需要在电的中继器之间延长距离，拉 曼放大器成为流行的研究课题。1 9 8 5 年，a o k i 等人首先试验了使用拉曼放大器的光数据传 输【1 1 1 。1 9 8 6 年，m o l l e n a u e r 等人用光纤拉曼放大器实现了光孤子传输【1 2 】。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 9 8 7 年，南安普顿大学1 3 1 和b e l l 实验室【1 q 同时报道了高效益、低噪声的掺饵光纤放大 器。在很长一段时间，该发明极大降低了人们对光纤拉曼放大器的研究兴趣。 9 0 年代以来，信息化时代的特征越来越明显。随着波分复用信道数目增加，需要输出 功率更高、带宽更宽的光放大器，e d f a 已经不能满足通信容量增长的需求。因此，拉曼 放大器因其宽带的优点而再次引起了人们注意。 光纤拉曼放大器也以其固有优势使光纤通信系统发生一次又一次的飞跃。1 9 9 8 年，n t t 公司采用脉宽管理方法来实现长距离通讯，传输速率是1 0 g b i f f s ，无中继距离为3 0 0 k m t l 5 l 。 2 0 0 1 年，德国报道了1 0 g b i v s 全拉曼放大传输系统，无中继距离为1 8 0 0 k m e l 6 1 。2 0 0 1 年，o f s 报道了带宽为1 6 t b i v s 的光传输系统，该系统采用拉曼和掺铒光纤混合放大器，无中继距 离为2 4 0 0 k m 1 7 1 。 可以说，实用化的光纤拉曼放大器则实现了光通信的又一次突破。 但是关于光纤拉曼放大器在光纤传感系统中应用的报道主要集中在分布式温度传感 系统【t 8 , 1 9 1 和光纤光栅压力传感系统 2 0 2 1 1 ，而且在分布式的温度传感系统中，只是利用光纤 拉曼放大产生的反斯托克斯波时域反射曲线作为传感介质，并非起放大的作用。本文主要 针对远程光纤传感系统的应用需求进行分布式光纤拉曼在线放大技术研究。 1 4 课题研究内容及意义 光纤水听器是一种重要的光纤传感探测系统，在军用的反潜作战，民用的海洋开发、 石油探测、地震海啸预警等各个领域都有广泛应用。未来光纤水听器将向着大规模、远距 离方向发展，因此对系统光放大技术提出了更高的要求。尤其光在线放大技术，目前广泛 使用的e d f a 存在放大带宽窄、级联噪声大以及只能分立式放大等弊端。 结合这一应用背景，本课题对分布式光纤拉曼放大技术进行研究，尝试将其作为远程 光纤水听器系统光在线放大器。本文主要内容包括： 第一章简要介绍光纤水听器阵列技术及光放大技术的发展概况以及光纤放大器的基 本情况，总结光纤拉曼放大器的发展脉络，指出目前远程光纤水听器系统中光在线放大技 术存在的不足和开展本课题工作的意义。 第二章从光纤拉曼放大原理出发，给出放大器的简化数学模型，介绍光纤拉曼放大器 的三种应用形式，指出分布式光纤拉曼放大器符合远程光纤水听器系统光在线放大技术的 要求。在此基础上对光纤拉曼放大器的阈值特性、增益特性以及噪声特性等重要的工作性 能进行详细分析。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章介绍目前远程光纤水听器系统中的光放大技术，指出相比于常用的e d f a ，光 纤拉曼放大器在作为光在线放大器方面存在优势，并基于此对系统光在线放大部分进行改 进。给出衡量光纤水听器系统性能的个重要参数噪声，详细介绍强度噪声和相位噪 声的定义和测量方法，为后续光纤拉曼放大技术的实验研究奠定基础。 第四章构建远程光纤水听器系统的分布式光纤拉曼在线放大实验系统，对系统的增益 饱和和噪声特性进行实验研究，测试分布式光纤拉曼放大器对系统噪声的影响。最后将其 与现有的远程光纤水听器系统光在线放大系统噪声进行比较，通过实验验证其在远程光纤 水听器系统中应用的可行性并得出相关结论。同时尝试了一种新的混合放大器的在线放大 模式。 第五章总结全文，提出存在的问题，展望下一步工作。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光纤拉曼放大器理论与应用研究 光纤拉曼放大器是基于光纤中受激拉曼散射( s r s ) 原理的光纤放大器，是一种重要 的光纤放大器形式，对掺铒光纤放大器的应用起到有益补充。本章从光纤拉曼散射以及光 纤拉曼放大器的原理出发，给出放大器的简化数学模型，介绍光纤拉曼放大器的三种应用 形式。在此基础上对光纤拉曼放大器的阈值特性、增益特性以及噪声特性等重要的工作性 能进行详细分析。 2 1 光纤拉曼放大器的基本原理 2 1 1 拉曼散射理论 在任何分子介质中，自发拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一个频率下 移的光束中，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。从量子力学的观 点可以描述为：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，称为斯托克斯 ( s t o k e s ) 波的频移光，而剩余的能量被介质以分子振动( 光学支声子) 的形式吸收，完 成振动态的跃迁圈。反之，若自发拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一个频 率上移的光束中，即一个光子吸收一个光学支声子产生另一个高频光子，则称为反斯托克 斯( a n t i s t o k e s ) 波。拉曼散射的过程由图2 1 所示： 图2 1 受激拉曼散射原理不恿图 该效应最早由印度物理学家c v r a m a a 于1 9 2 8 年发现，因此该效应以他的名字命名， r a m a n 因此发现获得了1 9 3 0 年n o b e l 奖。 拉曼散射根据相互作用的物质和产生的效应不同可以分为自发拉曼散射和受激拉曼 散射。自发拉曼散射是热振动声子对入射光的散射，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。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 受激拉曼散射的过程可以这样来描述【2 3 洲：入射的相干光子与一个无规则的粒子碰撞， 产生一个斯托克斯光子及一个受激态粒子( 光学声子) ；此受激态粒子再与入射光子碰撞产生 斯托克斯光子。此过程不断继续下去，形成一个产生斯托克斯散射光子及受激态粒子的雪 崩过程。在受激散射过程中新产生的斯托克斯光子和受激态粒子同原斯托克斯光子及受激 态粒子的雪崩过程是同相位的，因此这是一个受激过程。 与自发拉曼散射相比，受激拉曼散射效应具有独特的性质： 受激拉曼散射具有明显的阈值性。即只有入射光的光功率密度超过某一个特定值后才 能看到散射光强急剧增加，该阂值与增益介质的长度与特性有关。 受激拉曼散射光具有很好的单色性。该过程是一个受激过程，对散射光具有较强的波 长选择功能。 受激拉曼散射光具有很好的方向性。入射光达到激励阈值之后，拉曼散射光的发散角 明显变小，一般与入射光的发散角相近，大多只有前向和后向两个方向。 受激拉曼散射光强度极高。可以达到与中心瑞利散射的强度相同的量级，而自发拉曼 散射光的强度大约只有激发光强的1 0 0 3 量级。 光纤中的受激拉曼散射是光纤中重要的非线性效应之一，最初的实验验证在1 9 7 2 年， 美国贝尔实验室的r h s t o l e n 等人采用0 5 3 2 p m 的倍频n d ：y a g 激光作为泵浦源，对一根芯 径为4 1 u n 、长度为9 m 的s i 0 2 光纤进行泵浦，结果得到一级斯托克斯辐射，波长为0 5 4 5 1 m a ， 频移量为4 6 0 c m 1 【8 1 。 与普通光介质相比，光纤中的受激拉曼散射效应具有低阈值、高增益的优点。这是因 为光纤波导作为非线性介质，可以将高强度的激光场与介质的相互作用限制在非常小的截 面内，大大提高了入射光场的光功率密度。同时在低损耗的光纤内，光与介质的相互作用 长度可以维持很长的距离，其间的能量耦合非常充分，因此光纤中的受激拉曼散射具有低 阈值、高增益的优点。 2 1 2 光纤拉曼放大器的原理 结合上述拉曼散射的原理描述，光纤拉曼放大器的原理可以表述成：一个泵浦光子入 射到光纤，光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级，然后处在虚能级的电子在信号光的感 应下回到振动态的高能级，同时发出一个低频的斯托克斯光子。光纤中电子也可以从振动 态的高能级跃迁到虚能级，然后回到基态，发出反斯托克斯光子。即如果一个弱信号光和 一个强泵浦光同时在光纤中传输，只要这两束光的光频位于光纤的拉曼增益谱内，那么泵 浦光就会由于发生在光纤中的受激拉曼散射效应将一部分能量转移至信号光，从而实现对 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 信号光的放大。 以上就是构成光纤拉曼放大器的基本原理。 f r a 与e d f a 不同，后者是依靠粒子能级跃迁产生的辐射来对光信号进行放大，而前 者则是依靠高频入射光打在光纤分子上后，散射成为低频信号光来进行放大的。因此不同 频率的高频入射光注入光纤后，都能对与其相差一定频率的低频信号光进行放大，这个频 率差就是拉曼频移。也就是说，只要选择合适的泵浦光源，就可以对任意波段的信号光进 行放大，而不是像e d f a 只能对某一频段的信号光进行放大。 拉曼增益谱表示的是泵浦波与斯托克斯波的频率差与拉曼增益系数之间的关系，通常 用g r ( o ) 来表示，其中o 即为泵浦波和斯托克斯波之间的频率差。g r 一般与光纤的纤芯 成分有关，对不同的掺杂物，g r 变化很大。表2 1 给出的是不同种类的光纤增益特性比较 2 5 1 ： 纤芯与包层折光纤损耗a纤芯有效截面拉曼增益歇 光纤类型 射率差a ( ) ( d b t u n )积如( t t m 2 ) ( 1 0 1 4 m w ) 普通单模光纤( s m f ) 0 3 00 1 95 0 1 0 2 色散位移光纤( d s p ) 0 8 50 3 05 02 0 8 色散平坦光纤( d f f ) 1 4 0 0 2 3 1 2 3 93 1 1 色散补偿光纤( d c f ) 2 0 0 0 4 1 2 1 5 33 9 3 强非线性效应色散位移 2 8 00 6 01 1 5 4 4 1 光纤( h n l f ) 表2 1 几种常见光纤的基本参数比较 从上表可以看出，对于不同种类的光纤，拉曼增益效率相差较大。拉曼增益效率由光 纤的非线性效应产生，其谱型由二氧化锗g e 0 2 与硅酸盐的相对百分比决定。相比于s m f ， d c f 的g e 0 2 浓度要高很多，所以其拉曼增益效率也要高得多。 对于普通的石英光纤，s t o l e n 等人测得泵浦波长舻1 岫时其拉曼增益系数如图2 2 所 示【9 1 。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 善o 8 一 芝0 8 最 差“ o 2 o ot o2 0 3 04 0 f 嘲l 啊 c y 曲魂( t i 悃 图2 2 熔石英光纤的拉曼增益谱 从图中可以看出，良有一个很宽的频率范围( 达4 0 t h z ) ，并且在1 3 2 t h z 附近达到 峰值。对于常用的1 5 5 0 r i m 波长，其最佳的泵浦波长为1 4 5 0 r i m 。 2 1 3 光纤拉曼放大器的简化数学模型 一个典型的光纤拉曼放大系统由泵浦源、信号源和增益介质三个基本部分构成。按照 泵浦光的输入方式不同，光纤拉曼放大器可以分为三种类型：同向泵浦、反向泵浦和双向 泵浦。顾名思义，同向泵浦方式的光纤拉曼放大器指的是泵浦光和信号光从增益介质的同 一个端口输入，反向则是二者从不同的端口输入，双向泵浦是指前后两个端口均有泵浦光 输入。结构如图2 3 所示： ( a ) 同向泵浦 ( b ) 反向泵浦 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( c ) 双向泵浦 图2 3 三种泵浦方式的光纤拉曼放大器结构示意图 下面就以上三种不同形式的光纤拉曼放大器分别建立理论模型。 ( 1 ) 同向泵浦光纤拉曼放大器的简化数学模型 从经典电磁理论出发，可以推导出三阶非线性极化率条件下的非线性耦合方程为2 6 】： 掣= 等以啤啤抽咖( 咖( 吵( 咖咻z ) 1 2 e ( ) 掣= 可3 i r - 2 ) p 2 石( s ) ( q 嘞州哆姒咖( 咖( 凇酬2 e ( 咿) ( 2 1 ) 其中k 和分别对应于光波啤和q 的波矢，e ( ，z ) 和e ( q ，z ) 分别对应于光波和q 的电场，口( ) 和口( q ) 分别对应于光波q 和q 的单位矢量，z 3 的虚部对应于拉曼散射 效应，c 是真空中光速。 将上式应用于光纤中，考虑到口( ) 和口( q ) 的方向均是沿光纤方向，值为1 ；电场强 度的平方可以写成光功率的形式，忽略其他的非线性效应；此外考虑到光纤衰减的因素， 可以得出【2 5 】： 其中，( z ) 和( z ) 分别代表泵浦光和信号光在光纤长度为z 点的光功率，乳是增益光纤 的拉曼增益系数， ，。和 ，分别代表泵浦光和信号光的频率，口。和q 分别代表光纤在泵浦 光和信号光频率处的损耗系数，如代表增益光纤的芯径有效截面积。上述方程组等式右 端的第一项分别表示泵浦光对信号光的放大作用和由于对信号光的放大所引起的自身损 耗；等式右端的第二项分别表示信号光和泵浦光在光纤中的传输损耗。 ( 2 ) 反向泵浦光纤拉曼放大器的简化数学模型 第1 2 页 ，l引 卜 0 童咿州考争专 掣掣 国防科学技术大学研究生院学位论文 反向泵浦的光纤拉曼放大器原理与同向泵浦的放大系统相同，只是泵浦光和信号光从 不同的方向入射到增益介质中。我们假设信号光沿+ z 方向传输，泵浦光沿z 方向传输。结 合( 1 ) 中的理论分析，可以得出反向泵浦的光纤拉曼放大器的简化数学模型为【2 5 】： 掣= 若驰州飞驰) l 型= 争驰琢z m 剐z ) f亿3d z y j 彳秽”叫一p ”。j 该条件下的系统信号光的初始条件与( 1 ) 相同，泵浦光的初始条件为乞( o ) = 0 、0 ( l ) = p o ， 其中l 是增益光纤的长度。 ( 3 ) 双向泵浦光纤拉曼放大器的简化数学模型 双向泵浦与上述两种情况的区别在于，系统中有两束泵浦光分别从增益光纤两端同时 入射。双向泵浦方式可以保证泵浦光相对比较均匀的分布于整段光纤中，提高泵浦光的泵 浦效率。我们假设同向泵浦的泵浦光和信号光均沿+ z 方向传输，反向泵浦的泵浦光沿z 方 向传输。因此，双向泵浦的光纤拉曼放大器的简化的数学模型可以写成口5 】： 掣= 鼍岩删驰，+ 警笋州驰h 删 掣= 哗产w w 一等鼍乎州擀w 掣= 警半州删+ 等掣州聃州 式中& 和0 ：分别代表同向泵浦光和反向泵浦光 ( 2 4 ) 本小节给出了三种泵浦方式条件下的光纤拉曼放大器的简化数学模型，关于该数学模 型的具体分析将在2 2 中给出。 2 2 光纤拉曼放大器的应用形式 光纤拉曼放大器的分类方法主要有以下几种：按照泵浦源种类不同可以分为半导体激 光器泵浦的f r a 、光纤激光器泵浦的f r a 和固体激光器泵浦的f r a ；按照泵浦波长个数 的不同可以分为单波长泵浦的f r a 和多波长泵浦的f r a ；按照泵浦源的输入方式不同可 以分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦；按照系统的补偿损耗方式不同可以分为分立式、 分布式以及混合式。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 结合课题的实际背景，本节主要从最后一种分类方式入手，详细介绍分立式和分布式 两种光纤拉曼放大器各自的特点和应用环境，以及光纤拉曼放大器其他的应用形式。 2 2 1 分立式光纤拉曼放大器 分立式光纤拉曼放大器的增益介质是高拉曼增益系数的高掺锗光纤、高非线性光纤、 色散补偿光纤( d c f ) 等特种光纤。增益光纤长度为1 1 5 k i n ，泵浦功率要求很高，一般 在几瓦甚至十几瓦。分立光纤拉曼放大器的主要作用是提供高增益、高功率放大，至少可 以提供3 0 d b 以上的增益，它可以作为e d f a 的补充，对e d f a 所不能放大的波段进行集中式 放大，主要用作后一级放大器和预放大器。 1 9 9 6 年，s t e n t z 等首次发展了高增益、低噪声的分立式拉曼放大器【2 刀。该放大器使用 一个内腔泵浦的环形结构，泵浦光与信号反向传输，通过中间带隔离器的两级放大器。反 向泵浦方案消除了泵浦与信号间串话噪声，中间隔离的多级设计极大降低了双瑞利散射噪 声。该放大器作为前置放大器，能提供4 1 d b 的峰值增益和4 3 d b 的噪声指数。 2 2 2 分布式光纤拉曼放大器 在长距离光纤系统中，传统的掺铒光纤放大器在对光信号进行放大时的主要方法是提 高单级放大功率和增加级联数目。但是随着单级放大功率的增加，自发辐射噪声将会增大， 同时级联数目的增加又会使噪声的累积效应变得更加明显。因此分布式的光纤放大器逐渐 走入人们的视野。 分立式的光纤放大器只能在传输线上的几个特定点提供增益( 如图2 4 中虚线所示) ， 而分布式放大器则在整段传输线上提供增益，可以沿整段传输线保持信号光的功率水平。 这样的放大器不仅对提供信号增益起作用，更重要的是对于抑制系统噪声具有重要意义 脚】。如图所示的分布式放大器和分立式放大器中信号光功率沿距离的变化，二者均是多级 放大级联。图中上面的阴影部分表示功率水平的上限，超过上限之后系统的非线性效应明 显；下面的阴影部分表示功率水平的下限，超过下限则信号光太弱，系统同样会产生较大 的噪声。因此我们设计一个光纤系统时，应该尽量控制信号光的功率处于两条极限之间。 从图中可以看出，分布式的光纤放大器很好的做到了这一点。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 功率 传输距离 非线性区 噪声区 图2 4 分布式放大器和分立式放大器的增益沿距离的变化曲线 光纤拉曼放大器在作为光在线放大器方面具有得天独厚的优势：其一，它是将整段传 输光纤作为增益介质，可以避免在线放大器中远程泵浦带来的损耗问题，而且对现有的系 统改造起来非常方便；其二，分布式放大的特点可以有效抑制放大过程中产生的噪声。因 此分布式光纤拉曼放大器( d i s t r i b u t e df i b e rr a m a na m p l i f i e r s ，d f r a ) 在光在线放大方面 具有广阔的应用前景，这也将是本课题研究的重点。 2 2 3 混合光纤放大器 除了上述的分立式和分布式以外，光纤拉曼放大器还有种比较重要的应用形式 与e d f a 级联，构成混合放大器。可以看到，就单独的e d f a 和泵浦数目较少情况下的f r a 而言，它们的带宽并不宽，但是具有互补性。因此若将f r a 和e d f a 相结合，总增益谱即 为二者各自增益谱的叠加，就可以获得大得多的增益带宽。但是这样做的前提是对e d f a 和f r a 的泵浦波长及泵浦功率进行筛选，以使二者的增益谱有效的结合，来实现最大限度 的带宽和平坦度。 直接将f r a 和e d f a 的增益谱叠加