（通信与信息系统专业论文）多泵浦宽带光纤拉曼放大器增益平坦的优化设计.pdf

中文摘要 光纤拉曼放大器( f r a ) 是提高密集波分复用( d w d m ) 光纤通信系统传输距离 的关键器件之一，其以传输光纤作为增益介质，具有增益谱宽，饱和功率高，噪 声性能好，能够进行分布式放大等优点，日益成为光纤通信系统研究热点。本文 主要研究增益平坦的宽带f r a 的优化设计算法，提出了以最 1 、- - 乘法对宽带f r a 的增益平坦性进行优化的算法，并证实了其可行性。本文的研究内容和创新点如 下： 1 从简化的受激拉曼散射功率传输方程出发，分析比较了求解f r a 输出 功率的各种不同算法。分别使用变步长的龙格一库塔法和平均功率法求 解f r a 的功率耦合方程，并利用变步长的打靶法解决方程的两点边值 问题。 2 首次分析了光纤突变损耗对f r a 输出功率特性的影响，使得研究结果 更接近于实际的传输系统，进而可针对实际的传输实验系统进行更好 的优化。仿真结果表明，光纤突变损耗对f r a 输出功率特性的影响主 要与损耗大小和光纤突变位置有关，并且不会对输出功率谱形状产生 较大影响。 3 提出了以最d - 乘法对宽带f r a 的增益平坦性进行优化的算法，并利 用此算法分别对三泵浦、四泵浦和五泵浦f r a 的增益平坦性进行优化， 并得到了比较平坦的增益谱，证实了该算法的可行性和有效性。 4 通过对最小二乘法优化特性的分析发现，相比其他算法，最小二乘法 更适合于使用中的f r a 的动态优化。并提出了利用最4 - - 乘法对使用 中的f r a 增益平坦特性进行优化的动态优化模型。设计出基于a r m 的 f r a 动态增益谱调节方案。 关键词：光纤拉曼放大器；泵浦优化；最小二乘法；平均功率法；突变损耗 分类号：t n 9 2 9 11 a bs t r a c t a st h ei n t e m e th a sc o m et ow i d eu s e ，m o d e r nc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s 锄e d e v e l o p e du l t r a - r a p i d l yi nt h ed i r e c t i o no fh i g h c a p a c i t y ，l o n g d i s t a n c ea n dh i g h s p e e d f i b e rr a m a na m p l i f i e r s ( f r a ) i so n eo ft h ek e yd e v i c e sf o ri m p r o v i n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c eo ft h ed e n s ew 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 g ( d w d m ) o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m f r au s e st r a n s m i s s i o nf i b e ra sag a i nm e d i u mw i t hp r o p e r t i e s o fb r o a dg a i ns p e c t r u m ，h i 曲s a t u r a t i o np o w e r , h i g hs i g n a lt on o i s er a t i oa n d d i s t r i b u t e da m p l i f i c a t i o n i ti si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h er e s e a r c hh o t s p o to fo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s t h eo p t i m a ld e s i g na l g o r i t h m so b t a i n i n gb r o a d b a n d g a i nf l a t n e s sf r a i ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h el e a s ts q u a r em e t h o di sp u tf o r w a r da sa n e wb r o a d b a n df r ag a i nf l a t n e s so p t i m a ld e s i g na l g o r i t h mf o rt h ef i r s tt i m ea n d c o n f i r m e df e a s i b i l i t yi nt h es t u d y t h e r ea r em a i n l yf o u ra s p e c t s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h es i m p l i f i e ds r sp o w e rt r a n s f e re q u a t i o n ，av a r i e t yo fd i f f e r e n t a l g o r i t h m sw h i c hi su s e dt os o l v et h eo u t p u tp o w e ro ff r a a r ec o m p a r e d t h ev a r i a b l e s t e pr u n g e - k u t t am e t h o da n dt h ea v e r a g ep o w e rm e t h o da r eu s e dt os o l v ef r ap o w e r c o u p l e de q u a t i o n sr e s p e c t i v e l ya n dt h ev a r i a b l es t e p - s i z es h o o t i n gm e t h o di su s e dt o s o l v et h et w o p o i n tb o u n d a r yp r o b l e m s e c o n d l y ，h o wt h ef i b e rc o n n e c t i o nl o s si n f l u e n c et h ef r ac h a r a c t e r i s t i c so f o u t p u tp o w e ri sa n a l y z e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hp e r m i t st h er e s e a r c hr e s u l t st oa c c e s s t h ea c t u a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h e nt h ea c t u a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mc a n b eb e t t e ro p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p a c to ff i b e rc o n n e c t i o nl o s s t ot h ef r a o u t p u tp o w e r c h a r a c t e r i s t i c si sr e l a t e dt ot h em a g n i t u d eo f d e p l e t i o na n dt h e l o c a t i o no ff i b e rc o n n e c t i o na n dt h eo u t p u tp o w e rs p e c t r m ns h a p ew i l ln o tb ei n f l u e n c e d g r e a t l y t h i r d l y ，t h el e a s ts q u a r em e t h o di sp u tf o r w a r da san e wb r o a d b a n df r ag a i n f l a t n e s so p t i m a ld e s i g na l g o r i t h mf o rt h ef i r s tt i m e s a t i s f y i n gr e s u l t si so b t a i n e du s i n g t h i sa l g o r i t h mf o rt h r e e - p u m p e d , f o u r - p u m p e da n df i v e - p u m p e df r ar e s p e c t i v e l y p u m p e dg a i nf l a t n e s so fo p t i m i z e d , s ot h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m i sc o n f i r m e d f o u r t h l y ，b yc o m p a r i n gt h ep r o p e r t i e so fl e a s ts q u a r e sm e t h o dt oo t h e rm e t h o d s ， w ef o u n dt h a tt h el e a s ts q u a r em e t h o di sm o l es u i t a b l ef o rd y n a m i co p t i m i z i n gt h e w o r k i n gf r a i na d d i t i o n , ad y n a m i co p t i m i z a t i o nm o d e lu s i n gl e a s ts q u a r em e t h o di s r a i s e dt oo p t i m i z et h eg a i nf l a t n e s sc h a r a c t e r i s t i c so ff r a a f t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f g e n e t i ca l g o r i t h m a n dl e a s ts q u a r em e t h o da l ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，an e w o p t i m i z a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d k e y w o r d s ：f i b e rr a m a na m p l i f i e r s ；p u m po p t i m i z a t i o n ；l e a s ts q u a r em e t h o d ； a v e r a g ep o w e rm e t h o d ；m u t a t i o nl o s s c l a s s n o ：t n 9 2 9 1 l y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 弓糕 导师签 签字日期：必叼年月7 日 签字日期 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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他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了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师宁提纲教授的悉心指导下完成的，宁提纲教授丰 富的理论知识、严谨的学术风格使我深受教诲，严于律己、仁厚谦和的生活态度 和执着的敬业精神更对我影响至深，这些都将为我今后的为人、处事指引方向， 让我在未来的工作和生活中受益终身。宁提纲教授不仅在学业上给我以精心指导， 同时还在思想上、生活上给我以无微不至的关怀，在思想道德情操和为人处事上 给我树立了光辉的榜样。从课题的选择到项目的最终完成，宁提纲教授都始终给 予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向宁提纲老师致以诚挚的感谢和崇高的敬 意。 在实验室工作及撰写论文期间，史螈嫘、朱种字、白宏伟、戴毅等同学对我 论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后祝所有给予我帮助的亲人、老师、朋友和同学一切顺利、幸福健康。 1 1选题的目的和意义 1 引言 随着互联网在全世界的迅速普及和其中大量数据业务的迅速增长，现代通信 系统正朝着大容量、长距离、超高速的方向迅速发展，而各个互联网提供商之间 的竞争方向也已经发展到如何通过降低通信系统的成本来满足广大普通用户的日 益增长的通信需求。可以预见，在未来的通信系统中，光纤通信系统因其超带宽， 低成本，长距离的巨大优势必将成为不可替代的骨干网和优秀的接入网之一，而 光放大器是光纤通信系统中的重要器件，于是对光放大器的研究变得尤为重要。 自上世纪九十年代，掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i u m d o p e do p t i c a lf i b e ra m p l i f e r ) 的应用极大地降低了长距离光纤通信系统尤其是波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统的成本，通信需求的不断提高使我们越来越需要性能更 好的光纤放大器。其主要原因包含以下两个方面：一方面，尽管现在利用e d f a 技术可以使陆地通信系统达到大约5 0 0 公里的无中继距离，但是互联网系统正朝 着高速，实时的方向发展，为了降低网络延时，光通信系统应具有更长的无中继 距离；另一方面，从成本方面来说，有些w d m 系统已经发展到1 0 0 个信道波长， 信道容量很难提高，因此省掉中继器能够极大的降低系统成本。因此我们需要一 种新的放大器来满足以上要求，而光纤拉曼放大器( f r a ：f i b e rr a m a n a m p l i f e r ) 无疑是最好的选择之一。 与e d f a 这种集总式放大器不同，f r a 是一种分布式光纤放大器。在原理上， 分布式放大器在噪声抑制方面具有更好的性能。这是由于光纤具有非常小的有效 面积，如果光纤中的信号功率太高，将会产生严重的光纤非线性，而如果光信号 的功率太低，经下一个放大器放大后的光信噪比将会严重降低，分布式f r a 可以 在沿传输线很长的距离上保持光信号功率的稳定，集总式e d f a 则会在放大器两 侧产生较大的功率波动。因此，f r a 是一种扩大无中继距离的有效方案，它能够 提高传输系统的噪音特性，从而可以扩大无中继距离。 另外，半导体激光器泵浦源可靠性的进步，输出功率的提高，波长稳定技术的 改进等也推动了f r a 的发展。我们对高传输容量的需求推动了半导体激光器的发 展，商用的1 4 x x 半导体激光器已经达到了3 0 0 m w 的功率。 以传输光纤为增益介质的f r a 还具有超宽带增益谱、增益波段可由泵浦波长 调谐等优点，已得到科技工作者的广泛关注。但是，f r a 本身增益曲线很不平坦， 为获得更宽和更平坦的增益谱，需要仔细选择泵浦激光器的泵浦波长和功率。近年 提出的多泵浦f r a 利用多个泵浦光可实现增益谱的宽带和平坦特性，但是由于受 激拉曼散射( s r s ：s t i m u l a t e dr a m a ns c a u e f i n g ) 过程复杂，存在泵浦泵浦、泵浦 信号、信号信号之间的相互作用，以及瑞利散射噪声，自发辐射噪声等的影响， 恰当地选择泵浦光源的个数、功率和波长，进行稳妥的优化设计，是实现多泵浦 f i 认超宽带增益平坦的关键。 1 2 光纤拉曼放大器的发展与现状 拉曼散射现象最早由印度物理学家c h a n d r a s e k h a r ar a m a n 于1 9 2 8 年发现。他 用实验验证了拉曼散射。当一束光照射到些介质上时，除出现与原来频率y 。相同 的瑞利散射光外，还出现了新频率的散射光，而且新频率散射光的谱线对称的分 布在两侧，这种散射现象被称为拉曼散射i l 】。拉曼散射是一种非弹性散射，拉曼 散射光不仅在传播方向上发生改变，频率能量也发生改变。频率下移的散射光称 为斯托克斯光，频率上移的则称为反斯托克斯光。 1 9 6 2 年e j w o o b u r y 等人在把硝基苯放入红宝石激光器的谐振腔内作克尔盒 调q 的实验中首先发现t s r s 效应。1 9 7 2 年b e l l 实验室的r h s t o l e n 等人采用倍频 n d ：y a g 激光器作为泵浦源，首先观察到了单模石英光纤中的s r s 效应1 2 j ，因为单 模光纤的传输损耗和纤芯面积都很小，非线性效应更容易发生。人们努力研究利 用高功率的泵浦光实现对长波长信号光的放大，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，但在9 0 年代早期，当掺饵光纤放大器取代它成 为焦点时，光纤r a m a n 放大器的研究走入低谷。然而，随着通信技术的发展，人们 对通信容量和传输距离的要求越来越高，e d f a 传输系统的发展应经到了极限。由 于高功率二极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展和光纤拉曼放大器( f r a ) 的噪 声低、全波段可放大和利用传输光纤作介质在线放大等优点，1 9 9 9 年f r a 在光密 集波分复用( d w d m ：d e n s ew 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 g ) 传输系统中成功地 应用后，就立刻再度受到广泛关注，成为一个新的研究热点。 国际上一些厂商都在积极研究开发拉曼放大器在光纤通信系统中的功能与作 用。美国的康宁公司成功开发出了世界上第一个商品化的拉曼放大器，并已经投 入使用。朗讯公司z h u 等用光纤拉曼放大器在4 0 0 k m 的t r u e w a v e 光纤中实现了 4 0 g b s 信号传输【3 】；n e l i s e n 等用光纤拉曼放大器结合e d f a 采用4 级级联，在跨距为 1 0 0 k m 的非零色散位移光纤中实现了1 6 t b s 的信号传输1 4 1 ；e m o r i 等利用后向泵浦 结构在6 0 k i n 标准单模光纤中使用1 2 个泵浦波长，在1 0 0 n m 的信号带宽范围内实现 了6 d b 的平均增益，增益平坦度为0 5 d b i s j 。e m o r i 还利用双向泵浦结构，在8 0 k i n 2 的s m f 中实现1 2 5 d b 的平均增益，增益平坦度0 5 d b l 6 1 。 目前大容量长距离d w d m 系统的传输实验中，普遍使用拉曼放大。2 0 0 1 年3 月，阿尔卡特在d w d m 系统传输实验中，采用双向泵浦拉曼放大技术实现了 1 0 2 t b s x1 0 0 k m 和3 n s x 3 0 0 0 k m ；n e c 在d w d m 系统传输实验中利用拉曼放大技 术也实现了1 0 9 2 t b s x l l 5 k m 。目前，在1 3 0 0 n m 、1 4 0 0 n m 、1 5 7 2 n m 和1 6 0 0 n m 等多 个波段都有f r a 的报道。也不断出现增益带宽在l o o n m 以上、峰值增益4 0 d b 的成功 实验。f r a 的应用从最初的光孤子实验，发展到成功用于系统升级、无中继传输、 超短光孤子产生以及超连续光源等方面。f r a 以其自身的得天独厚的优势，在技 术上和商业上的发展前景都很大。 在光纤拉曼放大器的研究过程中，逐渐出现一些新的特点：1 ) 从单波长泵浦 光源、单级放大发展到多波长泵浦光源、多级放大。2 ) 光纤拉曼放大器与掺铒光 纤放大器结合构成的混合型放大器1 7 , s l 。3 ) 光纤拉曼放大器的泵浦方式发生改变， 反向泵浦和双向泵浦逐渐取代了前向泵浦。4 ) 为了使得光纤拉曼放大器的性能更 能满足大容量宽带超长距离传输系统的要求，对f r a 研究的重点逐渐转移到了增 益平坦和功率优化方面的研究。 1 3大容量超长距离d w d m 传输系统 通信业务特别是数据业务的迅猛发展，需求的传输容量的不断增加，运营商 对网络建设成本的关注，使得大容量超长距离光密集波分复用( d w d m ：d e n s e 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 g ) 传输系统的应用规模日益扩大。大容量长距离 d w d m 系统在干线传输领域占据的份额越来越大，主要是因为它能够简化骨干传 输网结构，减少昂贵的光电再生器件的使用，同时能够提供大容量带宽，减少网 络投资，降低运营维护费用。于是基于光波分复用技术提供尽可能宽的宽带放大 的光纤传输系统成为目前研究的重要课题。 长距离传输的关键技术可以分为终端技术和线路技术两方面。终端技术包括： 码型调制技术、前向纠错编码( f e c ：f r o n te r r o rc o r r e c t i n g ) 及超强f e c 技术、自 适应接收等；线路技术包括：大功率e d f a 、分布式r a m a n 放大器( d r a ：d i s t r i b u t e d r a l n a na m p l i f i e r ) 、r o p a ( 遥泵) 等。长距离传输的光纤非线性效应抑制和色散 补偿也是需要重点考虑的方面。下面详细介绍一下长距离传输的各项关键技术。 1 ) 码型调制技术 目前普遍使用的码型是n r z 码( 非归零码) 和r z 码( 归零码) 两类。n r z 码 型调制方式简单，成本低，频谱效率高，应用广泛。但是其在系统非线性容忍度 和信噪比容忍度上性能不能满足日益提高的信号速率和传输距离，因此逐渐被r z 3 码调制所取代。r z 码的峰值功率和误码性能比较好，而且r z 功率谱密度低，非线 性效应弱，优势比较明显。 2 ) 前向纠错技术( f e c ) 前向纠错技术是指信号在被送入传输信道之前，按一定的算法进行编码处理， 增加一些传输码速率，在接收端按照相对应的算法进行解码，发现传输过程中产 生的误码，并对其进行纠正的技术，f e c 传输系统可以工作在高误码状态。 3 ) r o p a 技术 r o p a 是采用大功率泵源远程泵浦一段距离以外的饵纤，以延长放大段距离。 根据泵浦光传输方向的不同，可以分为同向泵浦和反向泵浦。 4 ) 大功率的e d f a 二十世纪九十年代掺饵光纤放大器和低损耗传输光纤的研制成功以及波分复 用技术的广泛应用极大地增加了光纤通信传输的信息容量并延长了光纤通信的传 输距离，从而使光纤通信得到飞速的发展。但是随着通信用户的不断增加，传统 的e d f a 已经满足不了人们对通信容量和距离的需求，于是大功率e d f a 走入人们 视野。顾名思义，大功率e d f a 的输出功率高于普通e d f a ，输出功率一般在 2 4 2 6 d b m ，也可能更高。通常用作功率放大器以提高单信道功率，进而提升系统 信噪比，增大传输距离。但是光功率的提升将会导致增加非线性效应增加，影响 系统性能，因而大功率e d f a 在网络中的使用受到一定的限制。 5 ) 分布式拉曼放大器( d r a ) 由于拉曼光纤放大器的增益介质是传输光纤本身，放大是沿光纤分布作用， 因此r a m a n 光纤放大器具有低噪声的特点。一般拉曼光纤放大器的等效噪声系数小 于0 d b ，而普通e d f a 的典型噪声系数为5 7 d b ，这就意味着在同样的光信噪比要求 下，采用光纤拉曼放大器可以实现更长距离的传输。分布式光纤拉曼放大器的大 量应用可以提高光纤资源的利用率，降低成本和增益介质中的光密度，以便减少 由于非线性效应产生的四波混频、信道问串扰，提高系统性能。因此在通信系统 高度发展的今天，长距离大容量d w d m 传输系统中使用分布式拉曼放大技术是大 势所趋。 为了增大d w d m 的容量，实现超长距离系统的传输，放大器的噪声特性变得 很重要。虽然通过减小d w d m 的信道间隔可以提高容量，但是传输光纤的非线性 作用开始会在很大程度上衰减光波，如交叉相位调制和四波混频。由于光信噪比 ( o s n r ：o p t i c a ls i g n a ln o i s er a t i o ) 的降低也限制了传输距离，所以通过减小入 纤光功率来抑制非线性的作用也是不可实现的。然而分布式拉曼放大器能提高信 号自发抑制噪声的性能，实现长距离的传输，升级现有系统，更重要的是d r a 减 小了光纤的非线性作用，不需要增加入射光信号功率就可以增大o s n r ，而且还可 4 以提供很大的增益带宽，因此对于在长距离大容量d w d m 传输系统中应用光纤拉 曼放大器的研究是很有意义的。 目前分布式光纤拉曼放大器进展很快，国外很多长距离、超大容量的密集波 分复用光通信系统( d w d m ) 所使用的光放大器大多是分布式光纤拉曼放大器。 实际使用的分布式光纤拉曼放大器通常使用多波长泵浦源，通过不同泵浦波长产 生增益谱的叠加和调整来获得平坦的增益谱。 1 4 本文的主要工作 基于上文的介绍，随着对通信系统传输容量要求的增加，大容量超长距离 d w d m 传输系统的应用规模日益扩大，光纤拉曼放大器的应用加快了长距离大容 量的d w d m 传输系统的实现速度。光纤拉曼放大器虽然自身优势突出，但是f r a 本身增益曲线很不平坦，为获得更宽和更平坦的增益谱，需仔细选择泵浦激光器的 泵浦波长和功率。本文的主要研究内容如下： 1 ) 研究了光纤拉曼放大器的理论问题，在分析了光纤拉曼放大器的原理、结 构和特点的基础上，研究了光纤拉曼放大器的特性，着重分析了偏振依赖特性， 并总结了减少偏振依赖特性的多种方法。分析了本文进行算法研究的基础拉曼放 大器的功率耦合方程。此部分在本文第二章。 2 ) 本文第三章详细分析了f r a 功率传输方程的数值求解过程，分别对现有 的数值求解算法进行分析，重点研究了龙格库塔法和平均功率法求解功率耦合传 输方程的方法，并编程仿真，对两者进行比较。本章另一个研究要点是关于两点 边值的求解问题，分析传统的打靶法和改进的变步长打靶法，并用改进的变步长 的打靶法结合平均功率求解传输方程的方法解出传输系统的两点边值和输出信号 的功率。 3 ) 本文首次分析了光纤突变损耗对f r a 输出功率特性的影响，使得研究结 果更接近于实际的传输系统。仿真结果表明，光纤突变损耗对f r a 输出功率特性 的影响主要与损耗大小和光纤接续位置有关，并且不会对输出功率谱形状产生较 大影响。而且，提出了以最小二乘法对宽带f r a 的增益平坦性进行优化的算法， 并利用此算法分别对三泵浦、四泵浦和五泵浦f r a 的泵浦功率和波长进行优化， 并对增益平坦行进行分析和仿真，得出了比较理想的仿真结果。此部分在本文的 第四章。 4 ) 本文第五章，利用最小二乘法对f r a 增益平坦特性进行动态优化调节， 对调节过程进行仿真，得到了理想的动态调节结果，并提出了一种基于a r m 的最 小二乘法f r a 增益谱动态调谐方案。 2 多泵浦宽带光纤拉曼放大器的原理与结构 2 1拉曼放大器的原理 光纤r m n a n 放大器的放大机理是利用石英光纤中的受激拉曼散射效应( s r s ) ， 一种非弹性散射效应，宏观上表现为短波长泵浦对长波长信号的放大。用量子力 学的观点解释光纤拉曼散射的物理机理为：入射光波的一个光子被介质分子散射 成为另一个低频光子( s t o k e s 光) ，同时完成分子振动态之间的跃迁。通俗点讲就是： 一个泵浦光子入射到光纤，光纤中电子受激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，同时发出一个低频斯托克斯 ( s t o k e s ) 光子，如图2 1 所剥l 】1 9 】，斯托克斯光子频率由分子振动能级决定。在连续 光作用的情况下，斯托克斯散射光可以描述为： 冬：g 以l | a z 。 ( 2 - 1 ) 其中五是斯托克斯散射光强，是泵浦光强，g r 是拉曼增益系数，其值与自发拉 曼辐射的截面积和光纤纤芯的成分有关，对不同的掺杂物，有不同的数值。 1 5 5 0 r i m 信号 图2 1 光纤拉曼放大器中的能级分布和跃迁示意图 f i g 2 1e n e r g yg r a d et r a n s f e ri nf r a s 虚能级 振动态 基态 如果一束频率为的泵浦光波在光纤中传输，而一束频率为嵋的信号光波在 光纤的输入端与泵浦光波同时入射，只要频率差归一w 位于拉曼增益谱的带宽 内，信号光就会由于拉曼增益而被放大。如图2 2 所示为测得的单模光纤的归一化 拉曼增益谱，拉曼增益谱对应的频率差范围大约为4 0 t h z , 其中增益峰值对应的泵 浦光和信号光频率差为13 2 t h z 。 6 f r e q u e n c ys h i f v r h z 图2 2s m f 2 8 归一化的拉曼增益 f i g 2 2s m f 2 8n o r m m i z e dr a m a ng a i n 2 2 光纤拉曼放大器的结构 2 2 1光纤拉曼放大器的泵浦方式 图2 3 为f r a 的基本结构1 0 1 ，主要由大功率的拉曼泵浦源( r p ) 、增益介质和宽 带波分复用( w d m ) 合波器构成。 s i 智s o 毒1 1 9 0 唑笔j 习蚍窜产 i ll 囱国 7 0 0 0 0 c 蛋o c矗ui时匣它onii矗垂oz 早期f r a 的设计以前向泵浦为主，但是后来发现，由于拉曼放大过程具有瞬 态特性，导致前向泵浦f r a 的泵浦噪声对w d m 信道产生较严重的影响，而且当前 向泵浦f r a 的泵浦波有轻微的功率波动时，个别数据位的放大将出现异常，使得 放大过程中由前向泵浦带来的信号光和泵浦光的串扰较大，相对噪声强度( 对n ) 性能较差。所以后来的拉曼放大器基本上采用反向泵浦方式。与前向泵浦f r a 比 较起来，反向泵浦具有如下优势：一方面，反向泵浦f r a 的泵浦光和信号光的传 输方向相反，泵浦源噪声会因此被平均，所以后向泵浦光纤拉曼放大器的r i n 比较 低；另一方面，后向泵浦f r a 的偏振依赖性也较小，增益谱比较平坦；再一方面， 后向泵浦f r a 可抑制泵浦源诱发的高频偏振和强度噪声，带来相对比较稳定的系 统。 反向泵浦f r a 也存在缺点，它的增益受限于双向瑞利散射，而且当增益较大 时，在出纤处信号光功率较大，非线性效应严重，另外跨度损耗也很大。所以使 用后向泵浦也不尽如人意。 如果要完全补偿跨度损耗，同时保持合理的光信噪比，可行的方法有两种： 一种是光纤拉曼放大器和掺铒光纤放大器级联组成的e d f a + f r a 混合放大器；一 种是采用双向泵浦光纤拉曼放大器。由于传统的e d f a 的技术已经非常成熟，并且 具有高增益、性能可靠、成本较低、使用安全等特点，所以第一种方法是现在普 遍采用的方法。将r a m a n 放大器置于e d f a 前面进行分布放大，可以实现两者的优 势互补。另外，借助于双向泵浦技术，不仅可以完全补偿线路损耗、改善系统性 能，还可以真正实现宽带放大，从而使光纤拉曼放大器的优势得以充分发挥。对 这两种方法进行比较的结果表明：后者的性能优于前者。这就证明了双向泵浦是 光纤拉曼放大器一种更好的应用形式，也是比较有前途的方式。 c r s f l u d g e r 等人指出泵浦相对噪声强度( 对n ) 转移还与光纤色散和泵浦源 本身噪声有关，当泵浦r i n 小于1 2 0 d b h z 时，即使用于前向泵浦系统也会有很好 的性能【l l 】。2 0 0 2 年s k a d o 等人报道了利用双向拉曼泵浦均衡宽带拉曼放大器噪声 谱的实验【1 2 】，此后双向泵浦结构受到了重视，并广泛应用于长距离传输系统中f 1 2 】。 2 0 0 3 年，z t o n g 等人提出了一种在保证增益谱形状不变的情况下调节o s n r 谱的 算法，并在此基础上提出了利用双向泵浦拉曼放大器实现“o s n r 均衡的概念l i 引。 除了一阶泵浦的f r a 外，高阶泵浦的f r a 也已成为国内外研究的重点【i 列， 高阶泵浦f r a 的基本原理是在传输光纤中注入另一束更高频率的泵浦光，首先对 已有的泵浦光进行放大，进而通过该泵浦光对信号光进行放大，以获得更为均匀 的信号功率分布。由于高阶泵浦f r a 先放大泵浦光再放大信号光来获得更均匀的 信号功率分布，因此需要更高功率的泵浦激光器。目前二阶和三阶泵浦的f r a 已 见报道【1 3 】，其原理如图1 2 和图1 3 所示，而且利用双向二阶泵浦方式已经可以获得 8 近似均匀的信号功率曲线【14 1 。 图2 4 和图2 5 分别为二阶和三阶拉曼泵浦的f r a 放大原理图。 图2 4 二阶泵浦的f r a 放大器原理图 f i g 2 4s e c o n d o r d e rr a m a np u m p i n gs c h e m e 图2 5 三阶拉曼泵浦f r a 原理图 f i g 2 5t h i r d - o r d e rr a m a np u m p i n gs c h e m e 2 2 2光纤拉曼放大器的类型 光纤拉曼放大器具有两种类型，即集中式和分布式拉曼放大器，各有其特点。 集中式光纤拉曼放大器是将拉曼光纤放大器与传输线分开，作为独立元件。主要 是利用拉曼增益系数较高的特种光纤作为它的增益介质。集中式所用增益光纤相 对较短，泵浦功率很高，可产生4 0 d b 以上的高增益，与e d f a 一样对信号光进行集 中放大，但是它能放大e d f a 无法放大的波段。目前的结构是利用色散补偿光纤做 增益介质，目的是在保证色散步长特性的同时获得高的拉曼增益系数。图2 6 为集 中式光纤拉曼放大器。 分布式光纤拉曼放大器因为使用传输光纤本身作增益介质，与集中式相比， 具有更低的噪声系数。分布式f r a 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，实现光纤通信系统中光信号的透明传输，尽量使增益与损耗相等， 输出功率与输入功率相等，主要作为多路信号和高速超短光脉冲信号传输损耗的 补偿放大，用于1 3 朋和1 5 , u m 光纤通信系统中，亦可作为光接收机的前置放大器。 9 分布式f r a 所用的光纤比较长，对泵浦源功率的要求没有集中式那么高，主要用 于辅助e d f a 来提高d w d m 通信系统性能，抑制非线性效应，提高信噪比。分布式 f r a 可以使光传输系统的性能得到极大的改善，而以目前的技术来看只有拉曼放 大技术才能实现光传输过程中的分布式放大，因此分布式f r a 在系统中的应用具 有广阔的前景。图2 7 为分布式光纤拉曼放大器。 s _ 囱囡 i 厂、i 豳匦遮固 2 2 3光纤拉曼放大器的特点 通过对光纤拉曼放大器原理和结构的分析，不难得到f r a 的优点u 5 j ： 1 ) 其增益波长由泵浦光波长决定，只要有合适波长的泵浦源，理论上可以对 任意波长的信号进行放大。因此光纤拉曼放大器可以放大e d f a 所不能放大的波 段，而且使用多个泵浦源还可得到比e d f a 宽得多的增益带宽。 2 ) 分布式光纤拉曼放大器的增益介质为传输光纤本身，不需要特殊的放大介 质。而且f r a 与光纤系统具有良好的兼容性，为已有光纤通信系统的改造提供了广 阔的前景，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。 3 ) 噪声指数低，分布式光纤拉曼放大器的放大是沿光纤分布，而不是集中作 用，产生的a s e 噪声也随传输光纤而被衰减，可以得到较低的噪声指数。光纤中各 处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应的干扰，增加传输跨距。 1 0 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，采用多个泵源可以较容易实现宽带放大。并且可通过选择泵浦波长和强度等 多种方式调整增益谱。 5 ) 拉曼放大器的饱和功率高，拉曼放大的作用时间为飞秒( f s ) 级，可实现对超 短脉冲的放大。 但是，拉曼放大器也有一些缺点：不光是泵浦光对信号光产生作用，信号光 与信号光之间，泵浦与泵浦之间也会有拉曼作用，即一些d w d m 信道会对其它信 道产生放大作用，这会导致信道之间的能量交换，引起串扰。而且，如果分布式 光纤拉曼放大器增益较大，将会产生不可忽略的双瑞利散射噪声( d r s ：d o u b l e r a y l e i g hs c a t t e r i n g ) ，从而降低信噪比。 2 3光纤拉曼放大器的特性 2 3 1f r a 的增益与饱和特性 在r a m a n 放大过程中，由于s r s 作用信号光从泵浦光得到能量被放大，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，同时亦被 光纤吸收而衰减，这两种过程同时存在。拉曼放大器的增益一般从两个方面考虑， 传输光纤中输入的泵浦光抵消拉曼放大器光纤损耗后，再以泵浦光有无引起输出 信号功率的变化来定义增益，这种增益叫做开关增益。如果输出信号功率小于输 入信号功率，拉曼放大器定义为分布常数放大器；如果拉曼增益比光纤损耗大得 多，输出信号功率就远比输入信号光功率大，这时拉曼放大器与e d f a 一样，被定 义成集中恒定放大器，可由输出信号功率与信号功率之比定义，称为净增益。因 此两种增益的关系是：开关增益( d b ) = 净增益( d b 卜光纤损耗( d b ) 。 在连续波情况下，泵浦光和斯托克斯波的相互作用可用下列功率耦合方程来 描述 l 警= i g r 耻，一啦只 之 4 悟专以唧p q 。2 其中见和p p 分别为信号光和泵浦光的功率，吒，口p 分别为为斯托克斯光波长和 泵浦光波长处的光纤损耗，以，砟分别为信号光和泵浦光频率，孙表示拉曼增益 系数。 当输入信号功率增大，泵涌功翠转移给信号而产生的消耗不可忽略时，象浦 功率在传输过程中不断衰减，信号光的放大速率受到限制，放大过程就出现了饱 和现象。假定= 吒，则可以推出饱和增益的近似表达式为： q 2 再 ( 2 3 ) 其中，为量子效率： 专器 c 2 川 q 为f r a 的小信号增益( o n 吣f 1 增益) ： q = 而篙：e x p ( 批易如) ( 2 _ 5 ) 当q = 1 时，增益降为原来的l 2 ( 3 d b ) ，这时信号功率已接近输入泵浦功率，所 以泵浦功率实际能代表饱和输出功率。 2 3 2噪声特性 f r a 中的噪声主要包括以下几种： 1 ) 放大自发辐射( a s e ) 噪声 信号和泵浦光的自发拉曼散射效应会产生非相干斯托克斯光，这些斯托克斯 光经拉曼放大后产生的频带很宽的噪声叫a s e 噪声。位于光纤临界角以内的斯托克 斯光波会重新被耦合进导光区，其本身又因为进一步诱发s r s 而得到放大。到达探 测器后，与信号同一偏振方向的a s e 波会与信号波非相干叠加而产生拍频噪声，导 致系统性能的下降。 2 ) 瑞利散射噪声 瑞利散射噪声是由于光纤后端的瑞利后向散射反射到输出端形成的噪声。根 据散射次数的不同，可以分为单瑞利散射和双瑞利散射。单瑞利散射经过一次后 向散射再反射到输出端，表现为信号自发拍频噪声；双瑞利散射则经过两次后向 散射返回到输出端，主要表现为多径串扰。由于在拉曼放大器中发生的瑞利散射 要经过双倍放大，导致了信噪比的严重恶化，因此瑞利散射噪声是光纤拉曼放大 器中一个重要的噪声因素。理论和实验都表明，瑞利散射噪声主要受两个因素的 影响：放大器增益和传输距离。放大器增益越高，传输距离越长，则瑞利散射噪 声越大。对于放大器级联系统，放大器的个数越多，单个泵浦的功率越小，传输 距离也越小，则瑞利散射的影响越小。因此为了抑制瑞利散射噪声的影响，可以 采用多级放大的方式，避免泵浦功率过高或传输距离过长。另外还可以采用双向 泵浦的方法降低瑞利散射。最近提出了一种新的抑制瑞利散射的方法，即在传输 1 2 光纤的中间某个位置加入一个均衡器，以破坏双瑞利散射的环路增益，也取得了 较好的效果。 3 ) 串话噪声 拉曼放大器中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，另一种是由于泵浦同时对多信道放大而导致的泵浦引入信号间串 话。泵浦引入信号间串话主要是由于泵浦光对放大单一信道与放大多个信道的增 益不同而造成的。具体表现为当两个相邻的信道同时传号时，信号的增益小于一 个信道传号另一个信道空号时的增益。从总体上来看就表现为两信道间传、空号 的相互影响，且信道数越多，串话影响越大。定义串话指标为s i r ( 信号干扰比) ：l o l o g s ( l ) i 】，s ( l ) 为未受串扰的信号功率，l 为未受串扰的信号功率与受