（电磁场与微波技术专业论文）光纤喇曼放大器与激光器的研究.pdf

北京邮电大学硕士论文 摘要 光纤喇曼放大器与激光器的研究 摘要 随着因特网、综合业务数字网和多媒体技术的发展，全球通信量爆炸性 增长，这对光纤通信系统的容量和传输速率提出了更高的要求。密集波分复 用( d w d m ) 技术应运而生，要求充分利用光纤的可用资源带宽，使通信波段 由c 波段向l 波段和s 波段扩展，宽带光放大技术已成为当今光纤通信系 统中的关键技术之一。光纤喇曼放大器( f r a ) 以其放大波段由泵浦波长决 定的特性成为解决这一问题的理想器件。 f r a 是采用强激光做泵浦源，以光纤作为增益介质，利用受激喇曼散射 ( s r s ) 效应实现的全光放大器。它的宽带宽、高增益、分布式放大等特性对 光纤通信系统，特别是对密集波分复用系统( d w d m ) 更具有重要的实际意 义。而光纤喇曼激光器( f r l ) 又可以作为f r a 的泵浦源，它与光纤的耦合 损耗很小，可以实现泵浦与放大的良好兼容。 基于以上分析，论文将对光纤喇曼放大器与激光器展开研究。首先，概 述了光纤放大器的研究现状和发展前景，对f r a 进行了比较系统的总结， 并与传统的掺铒光纤放大器( e d f a ) 的工作特性进行了对比，结果表明，f r a 可以成为宽光谱波段的基础与核心器件。然后，研究了光纤中受激喇曼散射 效应的规律性，讨论了f r a 工作的物理机制；从喇曼散射几率出发，推导 出喇曼散射增益曲线和散射截面之间的关系，并通过仿真模拟，调节参数， 得出增益和频移之间的关系曲线，并将其与实验曲线作比较，给出结果的定 北京邮电大学硕士论文摘要 性分析；从理论上阐述了红移现象的物理本质，做出数值分析，指出红移现 象对光纤通信系统的影响。接着，从理论和实验两方面出发研究光纤喇曼放 大器的传输特性、增益平坦特性和噪声特性。从光纤喇曼放大器的耦合方程 出发，研究放大器的传输特性，推导三种不同泵浦情况下光纤喇曼放大器的 开关增益的理论表达式，并进一步从实验上进行验证；采用多波长泵浦的方 法，通过调节泵浦功率，实现一个增益带宽约5 0 n t o 、增益波动控制在l d b 的光纤喇曼放大器，并将实验结果和理论仿真结果进行比较，分析原因，对 f r a 的设计和优化提出建议；研究光纤喇曼放大器中的噪声问题，给出前 向自发喇曼散射噪声及后向自发喇曼散射噪声的理论表达式、实验结果和数 值分析，并且分析原因；分析光纤喇曼放大器的噪声指数并进行实验测量。 最后，由布拉格光纤光栅的原理入手，讨论了光纤喇曼激光器的工作原理和 结构。 关键词受激喇曼散射散射截面红移增益平坦 j 堕堕皇查兰堡主堕苎 茎苎塑蔓 r e s e a r c ho fo p t i c a lf i b e r r a m a na m p l i f i e ra n dl a s e r a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r u e t ，i s d na n dm u l t i m e d i at e c h n i q u e ，t h eg l o b a l c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e si n c r e a s e d r a m a t i c a l l y , i t d e m a n d st h a tt h e o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mr u nw i t hab i g g e rc a p a c i t ya n daf a s t e rt r a n s m i s s i o ns p e e dt h a n b e f o r e d w d m e m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r ea n dr e q u i r e st h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n b a n dt ob eb r o a d e n e df r o mcb a n dt olb a n da n ds b a n d ，s ot h e b r o a d b a n d a m p l i f i c a t i o nt e c h n i q u eh a sb e c o m eo n eo ft h ef i b e rc o m m u n i c a t i o nk e yt e c h n i q u e s o p t i c a lf i b e rr a m a na m p l i f i e r ( f r a ) i s ap e r f e c td e v i c et os o l v et h i sp r o b l e m f r ai sa na l l - o p t i c a la m p l i f i e r , i t sp h y s i c sp r i n c i p l ei ss t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r , i t s p u m pi s a p o w e r f u ll a s e ra n di t sg a i nm e d i ai st h et r a n s m i s s i o nf i b e r s o m eo fi t s c h a r a c t e r s ，s u c ha sb r o a dg a i nb a n d ，h i g hg a i na n d d i s t r i b u t e da m p l i f i e r , h a v ei m p o r t a n t p r a c t i c a lm e a n i n gt o t h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yt ot h ed w d m s y s t e m w h i l eo p t i c a lf i b e rr a m a nl a s e r ( n 也) c a nb e ag o o dp u m po f f r a t h e c o u p l i n g c o e f f i c i e n tb e t w e e ni ta n dt h et r a n s m i s s i o nf i b e ri s v e r ys m a l l ，s ot h ep u m pa n dt h e a m p l i f i e r c a nb ec o m p a t i b l e e a s i l y b e g i n n i n gw i t hs u m m a r i z i n gt h ep r e s e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e f i b e ra m p l i f i e r s ，i n t r o d u c i n gf r a d e t a i l e d ，w h i c hb a s e do nc o m p a r i n gw i t he d f a t h e r e s u ri n d i c a t e st h a tf r a m i g h tb e t h eb a s a la n dk e m e l i yd e v i c eo f t h eb r o a d b a n d o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n t h e ns t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r ( s r s ) i no p t i c a lf i b e ri ss t u d i e d ， w h i c hi st h ep h y s i c a lf o u n d a t i o no f f r a ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n r a m a n g a i nc o e f f i c i e n t a n dr a m a ns c a t t e rs e c t i o ni sd e d u c ef r o mr a m a n s c a t t e r i n gp r o b a b i l i t yf o rt h ef i r s tt i m e ， t h ec u r v eo fr a m a n g a i nc o e f f i c i e n ta n dr a m a nf r e q u e n c ys h i f ti sg o tt h r o u g hn u m e r i c a l a n a l y s i sa n dp a r a m e t e ra d j u s t m e n t c o m p a r et h i sc u r v ew i t ht h ec u r v eo fe x p e r i m e n t 北京邮电大学硕士论文英文摘要 a n dt h e n g i v e o u tt h er e s u l ti n q u a l i t a t i v ea n a l ) r s i s r e d s h i f t e f f e c ti s e x p o u n d e d t h e o r e t i c a l l y , a n d t h e ni t si n f l u e n c et ot h e o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ni s r e p o r t e d t h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i s a f t e rt h e s e ，t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t y , g a i n - f l a t t e np r o p e r t y a n dn o i s ep r o p e r t yo ff r aa r ed i s c u s s e d t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t yo ff r ai ss t u d i e d u s i n gt h er a m a nc o u p l i n ge q u a t i o n s ；t h eo n - o f fg a i ni s d e d u c e df r o mt h e s ee q u a t i o n s a n di m p r o v e db ye x p e r i m e n t s u s i n gt h em u l t i - w a v e l e n g t hp u m p m “h o d ，g a i n - f l a t t e ni s r e a l i z e db ya d j u s t i n gt h ep u m pa n dt h ee f f e c ti sp e r f e c tr e l a t i v e l y t h en o i s ei nf r a i s s t u d i e d ，t h e t h e o r e t i c a l e x p r e s s i o n s ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dn u m e r i c a l a n a l y s i s o f f o r w a r da n db a c k w a r ds p o n t a n e o u sr a m a ns c a t t e ra r es h o w na n dt h en o i s ef i g u r eo f f r ai sd i s c u s s e da n dm e a s u r e di ne x p e r i m e n t a tl a s t ，t h ep r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o no f f r li si n t r o d u c e da n dt h er e f l e c tp r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n gi sd e d u c e df r o mt h e c o u p l i n ge q u a t i o n k e yw o r d ss t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r ，s c a t t e rs e c t i o n ，r e d - s h i f t ，g a i nf l a t t e n 独创性( 或创新性) 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，也不包含为获得北京邮电大学或其；：也 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工怍的同志对本研究所傲的! 壬 呵贡献均已在论文中作了明确的说鹗并表示了谢意。 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。 本人签名：_ ! 齐鸭日期：! ：笙：! ! 三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：型 导师签名 日期：竺! 笙：墨：! ! 日期：型l 尘 北京邮电大学硕士论文 第一啻绪言 1 1 光放大器类型及发展现状 第一章绪言 1 1 1 光放大器的类型 光放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程碑。在光放大器出现之前，光纤 通信采用光一电一光的中继方式，使通信系统复杂化，进而导致系统的效率降低、造价 提高及其他一些问题。因此，长期以来人们直致力于全光型中继器的研制。 光放大器一般由增益介质、能源和耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要 有三类光放大器：一类是用半导体介质作为增益介质的光放大器，如半导体光放大器 ( s o a ) ；一类是利用掺杂光纤作为增益介质实现光放大的，如掺铒光纤放大器( e d f a ) ， 这两类放大器都是利用受激辐射机制实现的；另一类是利用光纤的非线性效应实现光放 大的放大器，其增益介质就是传输光纤本身，如光纤喇曼放大器( f r a ) 。表1 - 1 列出了 这三类放大器的基本性能。可以看出，第二类和第三类放大器在性能上优于s o a ，目前 技术上较为成熟的是e d f a 。1 。 表1 - 1 三类光放大器的特性比较 放大器激励工作介输出光噪声与光纤偏振稳定 类型 原理激励功率 方式质长度功率特性的耦合关系性 粒子数 1 0 0 u r n s o a电数百毫瓦o d b m差很难 大差 反转到l m m 稀土掺杂粒子数数毫瓦到数米到 光放大器反转 光1 0 d b m好容易无好 数十毫瓦数十米 光纤喇曼受激喇 光 数百毫瓦 数千米2 0 d b m好容易好 放大器曼散射到数瓦 1 1 2e i ) f a 的特点及发展现状 e d f a 工作在1 5 9 0 n m 波段，这与光纤的低损耗区一致，它的出现取代了传统的光一 电一光中继方式。其主要优点如下： 北京邮电大学硕士论文 第一荦绪言 ( 1 ) e d f a 的信号增益谱较宽，达到3 0 n t o 或者更宽，可用于宽带信号的放大，尤其 适用于密集波分复用( d w d m ) 光纤通信系统。 ( 2 ) e d f a 具有较高的饱和输出功率( 1 0 2 0 d b m ) ，可用于光发射机后的功率放大， 提高线路传输的无中继距离或减少分配的光节点数。 ( 3 ) e d f a 与光纤线路的耦合损耗小( l d b ) 。 ( 4 ) e d f a 具有较低的噪声指数( 4 s d b ) 。 ( 5 ) e d f a 的增益与光的偏振状态无关，稳定性好。 ( 6 ) e d f a 的驰豫时间大( 约l o m s ) ，在多路系统中可以忽略信道交叉串扰。 ( 7 ) 泵清功率低( 数十m 。 e d f a 的出现给光纤通信带来了一场革命。这项技术的迅速成熟，带动了多种新型 的光纤放大器走向市场化，刺激了多种光纤和非光纤型光放大器的研制开发。 为了满足日益增长的业务需求、减少设备和运营费用，光纤通信系统最近的发展主 要集中在以下四个方面：系统的更长距离、更宽带宽、更高比特率和智能化。围绕以上 四个要求，人们开展了光纤放大器( 包括新波段的e d f a 及与光纤喇曼放大器组成的混合 放大器) 的研究。表卜2 和表卜3 分别给出了自1 9 8 9 年以来报道的1 4 5 0 n m 1 6 5 0 n m 波 长区宽带光放大典型实验结果和国外几种光放大器的研制情况。 表卜2 目前已经报道的宽带放太系统试验 光放大器波段带宽( ，彩波段( a m )特征 硅光纤e d f a 4 71 5 2 9 1 5 7 63 础增益平坦带宽 硅光纤e d f a 5 21 5 5 3 1 6 0 53 d b 增益平坦带宽 x d f a 氟化物e d f a 6 21 5 4 2 1 6 0 43 d b 增益平坦带宽 碲化物e d f a 7 61 5 3 3 1 6 0 9 3 船增益平坦带宽 3 71 4 4 6 1 4 8 23 船增益平坦带宽 t d f a 3 51 4 7 5 1 5 1 02 0 出高增益带宽 碲化物e d f a 8 4 31 5 2 5 1 5 6 93 d b 增益平坦带宽 1 5 7 0 1 6 1 0 多波t d f a 碲化物e d f a1 1 31 4 4 5 1 4 8 53 d b 增益平坦带宽 段1 5 3 2 1 6 0 9 x d f at d f a1 0 01 4 4 5 1 4 8 3高增益3 d b 增益平坦 1 5 2 8 1 5 6 2 带宽 1 5 7 5 1 6 0 3 混合 集总r a m a n + 氟化物e d f a 8 01 5 3 0 1 6 1 0 3 d 砰坦带宽 放大 分布喇曼+ 氟化物e d f a 8 281 5 2 8 1 5 l o 8 3 # b 5 1 z 坦带宽 分布喇曼+ 氟化物e d f a1 0 81 5 3 7 1 6 4 5光纤透明带宽 器 集中r a m _ a n + 氟化物e d f a5 31 5 4 8 1 6 1 13 扭平坦带宽 北京邮电大学硕士论文第一章绪言 表卜3 国外研制的几种光放大器 名称增益带宽( n r n )增益( d b )噪声指数( d b ) 输出功率 研制时间 e r y b 共掺光放大器1 5 7 5 1 6 0 52 3 d b m i 9 9 9 f r a1 4 6 0 1 5 6 03 0 3 0 平坦增益的f r a1 4 0 5 1 5 1 02 ( s m f ) 2 2 虽然e d f a 技术的出现与成熟在光纤通信发展史上具有重要的意义，但是传统的 e d f a 尚存在诸多不足之处。首先，对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而 言，它明显存在着工作波段和带宽的局限。其次，e d f a 的自发辐射噪声的影响比较大， 尤其是当系统级联时，自发辐射噪声会大大降低系统接收机端的信噪比：而且随着光纤 通信系统逐渐由点到点发展到环形网、网状网，e d f a 在网络系统中的应用也更加广泛， 智能、灵活、波长级的网络配置使得e d f a 的级联和动态问题显得日益突出。 1 1 3f r a 可以成为宽光谱波段的基础与核心器件 因特网的迅速发展，以及音频、视频、数据业务和多媒体应用的增长，对大容量光 纤通信系统和网络提出了更为迫切的需求。波分复用( w d m ) 技术应运而生，这种技术可 以更充分地利用光纤1 2 5 o n 1 6 5 p m 的低损耗区近4 0 0 n m 的带宽。这样，传统的e d f a 在1 5 5 a m 附近的约3 0 n t o 的带宽就远远不够用了。 解决这个问题有三种方法：( 1 ) 增加每个信道的传输速率：( 2 ) 进一步减少信道间距； ( 3 ) 增加总的传输带宽。 第一种办法，例如：将传输速率从2 5 g b s 提升到l o g b s ，将带来很大的色散问题。 这里既有普通色散，又有如偏振模色散( p m d ) 等新问题。另外如果没有类似超导这样的技 术突破，电子系统的速率上限被公认为4 0 g b s 。 第二种办法，例如：将信道间距从i o o g h z 降到5 0 g h z 或更小，将要求系统采取措 施控制信号波长的稳定性，信道间的干扰是一个问题。 第三种办法离不开对新通信波段的利用。近年来已经开始了对l 波段的研究，l 波 段e d f a 应运而生。它同普通e d f a 的结构是类似的，都会利用到掺铒光纤和泵浦激光 器，但有一些不同的地方。第一，l 波段掺铒光纤放大器是利用铒增益谱的尾部实现的， 所以发射和吸收效果低于c 波段3 - 4 倍；第二，为了得到较为平坦的增益谱，l 波段e d f a 北京邮电大学硕士论文第一章绪言 需要以低的平均反转因子工作。这两个因素使l 波段掺铒光纤比c 波段( 假定铒浓度为 典型值) 的掺铒光纤长4 5 倍以上。但是掺铒光纤过长会带来以下不利因素：一方面， 由于总的无源光纤损耗较高，泵浦和信号功率都有很大的衰减，降低了泵浦转换效率： 另一方面，在掺铒光纤末端输出前，泵浦功率常常被全部吸收，在这种情况下，信号在 光纤末端泵浦区有一个净吸收损耗，这也降低了泵浦转换的效率。虽然利用e d f a 的成 熟的技术，通过研究新的基质( 如镨、氟或铥玻璃) ，研制成功了掺镨光纤放大器、掺铥 光纤放大器、碲化物e d f a 等可以用于l 波段的新型掺稀土元素放大器。但是f r a 依然 以其全波段宽带放大、分布式放大以及良好的噪声特性而倍受青睐。同时，高功率半导 体激光器和光纤喇曼激光器的出现对光纤喇曼放大器的研制起了极大的促进作用。 1 1 4 光纤喇曼放大器研究现状”1 。 近年来，随着喇曼介质的不断更新，泵浦源问题在一定程度上得到解决，国际上掀 起了一股光纤喇曼放大器的研究热潮。 国外的f r a 实验研究及器件商品化研究的进展十分迅速，斯坦福大学、英国皇家大 学等大学，朗迅、s d l 、北电、阿尔卡特、n t t 等公司都积极开展了对f r a 的研究。1 9 8 l 年，t k e d a 用1 3 k m 单模光纤放大1 0 6 4 p m 的光信号获得了3 0 d b 的小信号增益。1 9 8 3 年，d e s u r v i r e 等人用2 4 k m 单模光纤放大1 2 4 u r n 的光信号获得了4 5 d b 的小信号增益。 t 9 8 6 年，o l s s o n 用光纤喇曼放大器作为光纤通信系统中光接收机的前置放大器。1 9 8 7 年，e d a g a w a 研究了光纤喇曼放大器的宽带多信道放大特性。1 9 8 9 年，m o l l e n a u e r 采用 4 1 7 k m 的光纤环，以波长为1 4 6 p m 的色心激光器做喇曼泵浦源，利用喇曼增益放大脉 宽5 5 p s 、波长1 5 6 p m 的孤子脉冲，稳定传输了6 0 0 0 b n 。1 9 9 5 年，g r u b b 等实现了4 1 0 g b s 的w d m 多信道放大。1 9 9 6 年，s t e n t z 等研制成功了用于1 3 p m 波段的光纤喇 曼放大器。1 9 9 7 年，n t t 公司实现了f i l 气+ e d f a 混合放大器，平坦增益达到了 6 7 n m ( 1 5 3 4 n m - - 1 6 0 1 n m ) ，增益波动小于1 5 d b 。同年，又实现了2 0 d b 增益，8 0 n r n 平坦 增益，而透明传输带宽更是达到了1 0 8 n m 的f r a + e d f a 混合放大器。 2 0 0 0 年中，光纤喇曼放大器的研究进展尤为迅速，特别是在日本、美国、德国、加 拿大等发达国家。在日本，光纤喇曼放大器的研究大多是基于色散位移光纤( d s f ) 的分 布式放大，这与日本本土的情况有关( 日本敷设了多条d s f 光缆) 。古河公司采用2 5 k i n d s f 光纤，使用1 2 个泵浦源，泵浦功率从3 2 r o w 到9 1 r o w ，实现了约8 0 h m ( 1 5 2 7 n m 一1 6 0 7 4 北京邮电大学硕士论文第一蕈绪言 n m ) 的平坦增益，平均增益为1 0 5 d b ，增益波动小于0 1 d b 。西门予公司采用7 个泵浦 源实现了增益为1 0 韶，带宽从1 3 5 0 n m 到1 6 0 5 n m ，增益波动小于0 5 船的平垣放大。朗 讯公司和康宁公司在这方面的研究也不逊色。 2 0 0 1 年至2 0 0 2 年，光纤喇曼放大器的研究有了进一步发展。朗讯公司采用反射率可 控的输出耦合器实现了稳定且输出功率可控的光纤喇曼激光器。日本n e c 公司提出了自 动控制泵浦功率以达到增益平坦的方案。住友公司提出了利用d c f 光纤设计的新型光纤 喇曼放大器方案。n t t 公司利用亚碲酸盐硅光纤实现了带宽为1 3 5 n m 的宽带放大，斯 坦福大学提出了固定增益的s 波段分立式喇曼放大器。a n d r e wr g r a n t 提出并验证了把 泵浦激光器时分复用达到增益平坦，同时可以消除泵浦阃相互作用的思想。还有许多其 它公司、组织和个人在光纤喇曼放大器的研究方面做出了突出的成果。2 0 0 3 年，光纤喇 曼放大器依然是一个研究和讨论的热点，吸引了许多厂商、学术团体的注意。 我国有一些科研单位和高等院校也已经展开光纤喇曼放大器和激光器的研究工作， 并且取得了一些研究成果。有些公司已经开发出了相应的产品，如武汉邮电科学研究院光 迅公司研制的f r a 已经在黑龙江省试运行。但是总体来说，我国对光纤喇曼放大器的研 究还处在起步阶段。 据c i b c 公司估计，喇曼放大器的市场在2 0 0 5 年将会增加到4 8 亿美金，发展前景 不可限量。目前喇曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中的市场地位已经得到了毫无疑 问的承认，即使在城域网中，喇曼放大器也有其利用价值。只要光信号通过一些路由装 置，不管是交换机还是上下路复用器( o a d m ) ，都会引起信号的衰减，因此就可以采用 喇曼放大器来补偿衰减。喇曼放大器研究的理论价值和应用前景都非常巨大，而且越来 越多的光纤通信系统传输实验均采用了喇曼放大技术，这对其真正走向实用化具有重要 意义。 尽管光纤喇曼放大器的研究成绩不斐，但仍存在一些理论和实验上的问题需要进一 步分析和解决。在理论研究方面，目前尚无一套比较完善的、综合考虑各种因素影响的 数学分析模型，且无法根据不同种类光纤给出计算相应光纤喇曼增益系数的方法，只能 通过实验测量或凭借经验估算取值。另外还存在诸如自发喇曼散射、增益平坦、多波长 泵浦时泵浦源与泵浦源之间的功率转移以及信号与信号之间的串扰等问题。 北京邮电大学硕士论文第一章绪言 1 2 光纤喇曼放大器( f r a ) 简介 1 2 1 光纤喇曼放大器的原理及特点 光纤喇曼放大器( f r a ) 利用强泵浦光作用下光纤中的受激喇曼散射( s r s ) 效应来实 现能量从高频泵浦光到低频信号光( 又称斯托克斯光) 的转移，从而达到光放大的目的。 受激喇曼散射是一种非线性效应，利用这种效应可以在一个很宽的频段范围内产生放大 作用。研究发现，石英光纤具有很宽的受激喇曼散射增益谱( 达到4 0 t h z ) ，而且在频移 1 3 2 t h z 附近有一个较宽( 6 t h z 左右) 的主峰，因此不需要特殊的光纤，光纤喇曼放大器 就可以实现宽带放大。如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在光纤中传输，且信号光 的波长位于泵浦光的喇曼增益带宽范围内，弱信号光即可得到放大。 光纤喇曼放大器有五个突出的特点： ( 1 ) 其增益带宽范围由泵浦源的波长决定。只要泵浦源的波长适当，理论上可以放大 任意波长的信号，因此光纤喇曼放大器可以放大e d f a 所不能放大的波段。通过使用多 个泵浦源可以得到比e d f a 宽得多的增益带宽( 后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽最 多只有8 0 n t o ) ，这对于开发光纤的整个低损耗区具有无可替代的作用。 ( 2 ) 其增益介质为传输光纤本身，这使光纤喇曼放大器可以对光信号进行在线放大， 构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不 方便设立中继器的场合，而且由于放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤上各处的信 号光功率都比较小，从而可降低非线性效应，尤其是四波混频( f w m ) 效应的干扰。 ( 3 ) 噪声指数低，将光纤喇曼放大器与e d f a 混合使用时可以大大降低系统的噪声指 数，增加传输跨距。 ( 4 ) 光纤喇曼放大器的增益平坦性可以通过合理配置泵浦源得以解决，无需使用增益 平坦滤波器( g f f ) 等附加器件。现在，实验室里已经实现了带宽大于1 0 0 n m ，增益波动 小于l d b 的喇曼放大器，这是e d f a 无能为力的。 ( 5 ) 光纤喇曼放大器的跨度合理值为8 0 一1 0 0 k m ，明显优于e d f a 的5 0 - - 8 0 k i n ，光 纤喇曼放大器同e d f a 组成的混和放大器，可以实现1 0 0 k m x1 0 的传输而无需电信号的 再生，而e d f a 最长只能实现8 0 k i n x 6 的传输。最近有人用s s m f 光纤实现4 0 g b s 、跨 度2 5 0 k m 的传输实验。跨度的延长意味着经济效益的提高，也意味着f r a 本身生命力的 旺盛。 北京邮电大学硕士论文 第一章绪言 1 2 2 光纤喇曼放大器的泵浦源及泵浦方式 目前光纤喇曼放大器的常用泵浦源主要有三种：多波长泵浦、半导体固体激光器和 光纤喇曼激光器。多波长泵浦是把多个小功率的激光器通过合波器耦合在一起作为喇曼 放大器的泵浦源，其主要特点是工作稳定、总的泵浦功率较小、体积小、易集成，是目 前比较常用的泵浦源，图1 - 1 、图卜2 就是采用1 2 个不同波长的l d 藕合组成的泵浦模 块。从波长来看，对各个泵浦源的波长进行优化设计，可以实现宽带、平坦的增益曲线。 现在用于泵浦喇曼放大器的泵浦源的波长主要集中在1 4 2 0 n m 、1 4 5 0 h m 、1 4 8 0 n m 及其附 近。般来说，波长越多，可以达到的平坦度越好。但是，另一方面泵浦波长越多，合 波耦合器的制造难度越大。半导体固体激光器存在稳定性和与常规光纤耦合的问题。光 纤喇曼激光器则是利用受激喇曼散射效应发光的激光器，它与光纤喇曼放大器物理原理 基本相同，只是构成了个谐振腔对光进行振荡放大，从而得到所需的强激光。通过调 节反射装置( 一般使用布拉格光纤光栅) 的反射率和反射波长，可以控制输出激光的波长 和功率，并且可以实现多波长激光器“叭”1 。 l iiii liili。ji l jl k l 聃 图卜11 2 个不同波长l i 耦合组成的泵浦模块”1 图1 - 21 2 个不同波长l d 输出功率的光潜分布“” 还有一种泵浦是级联泵浦，采用级联泵浦可以改善光纤喇曼放大器的性能。级联泵 浦是利用泵浦源产生一阶斯托克斯光，再由一阶斯托克斯光作为信号光的后向喇曼泵浦 源。这样一阶斯托克斯光在光纤中的损耗由泵浦源的增益来补偿，所以一阶斯托克斯光在 光纤中的功率分布近似于恒定值，消除了泵浦消耗( 指泵漓由于放大信号受到的损耗，与 光纤传输损耗不同) 对喇曼增益的影响，使信号光得到近似于恒定的增益，亦即达到分布 式的放大效果，降低了噪声指数。 按照信号光和泵浦光的相对传输方向，光纤喇曼放大器有三种泵浦方式：前向泵浦 ( 同向泵浦) 、后向泵浦( 反向泵浦) 和双向泵浦。所谓前向泵浦方式指的是泵浦光和信号 7 北京邮电大学硕士论文 第一章绪言 光传输方向相同。由于偏振模色散( p m d ) 使信号光和泵浦光的偏振态发生相对变化，所以 与后向泵清方式相比，前向泵浦方式在同样的泵浦条件下闺值更大，获得的增益也小些。 另外前向泵浦方式对泵浦源的波动比较敏感。后向泵浦方式就是泵浦光与信号光的传输 方向相反，大多数喇曼放大系统使用宽带环行器进行后向泵浦，这种泵浦方式很容易将 信号光与泵浦光分离，且噪声指数低、偏振依赖性小。双向泵浦方式是同时采用两个泵 浦光，一个与信号传输方向相同，另一个相反，它可以看作是上述两种方式的组合。 1 2 3 光纤喇曼放大器的增益介质 光纤喇曼放大器与e d f a 不同，只需要普通光纤就可以实现对信号光的放大。但是， 由于不同种类光纤的组成成分不同导致光纤的各项参数不同，所以不同光纤的放大能力 是有差异的，实际应用中应尽可能选择适当的光纤。选择时应考虑以下指标：纤芯掺锗 浓度、有效纤芯面积、光纤长度、光纤衰减系数。掺锗浓度越高，喇曼增益系数越大， 但浓度过高会引起附加损耗和降低信噪比。相同条件下，光纤有效面积越小，可获得的 喇曼增益越大。光纤长度应适当：光纤太短，泵浦功率不能得到有效利用；光纤过长， 增益趋于饱和，同时会增加噪声。高的衰减系数会使光纤有效长度减小，从而使喇曼净 增益减小，因此衰减系数越小越好。 综合考虑各种因素，色散补偿光纤( d c f ) 是目前的最佳喇曼增益介质，其性能明显好 于g 6 5 2 光纤和g 6 5 5 光纤。 1 2 4 论文的工作内容与行文安排 基于以上分析，本论文将对光纤喇曼放大器和激光器展开研究。全文共分为四章： 第一章介绍光纤喇曼放大器的研究背景和简要知识，为下一步具体的研究打下基础。 第二章研究光纤喇曼放大器的物理基础。从受激喇曼散射的基本理论出发，给出一种 借助散射截面获得光纤喇曼增益系数的新的理论方法，在此基础上进一步分析受 激喇曼散射过程中的红移现象。 第三章进行光纤喇曼放大器的实验研究。利用喇曼耦合方程研究光纤喇曼放大器的传 输特性；进而给出采用多波长泵浦方式实现增益平坦的方案；对光纤喇曼放大器 的噪声问题进行研究，重点讨论了自发喇曼散射噪声和放大器的噪声指数。 第四章从理论上分析了光纤喇曼激光器的原理和结构。 北京邮电大学硕士论文第二章光纤嘲放大器( 同弘) 的物理基础 第二章光纤喇曼放大器( f r a ) 的物理基础 本章将首先从受激喇曼散射的基本理论入手，阐述f r a 的工作机理。提出了一种借 助散射界面获取喇曼增益系数的新方法，利用这种方法，可以从理论上给出各种不同类 型光纤的喇曼增益系数曲线，从而为f r a 的设计与优化奠定基础。最后讨论受激喇曼散 射过程中的红移问题。 2 1 喇曼散射理论 关于喇曼现象的研究已经有很长的历史了。1 9 2 8 年，印度物理学家喇曼( c v r a m a n ) 在研究液体苯的散射时，从实验上发现了这种散射，因此称为喇曼散射。后来布拉瑟克 ( e p l a c z e k ) 在喇曼理论上做了很多工作：他发现在散射光谱中激发线的两侧各存在一条 谱线：低频一侧曲线的频率为一a v ，称之为斯托克斯( s t o k e s ) 线或红伴线；高频一侧 曲线的频率为v 。+ v ，称之为反斯托克斯线或紫伴线。激发线处的散射谱线则称之为瑞 利线。一种物质的喇曼线可以有若干对，每一对线( 一条斯托克斯线和一条对应的反斯托 克斯线) 对应于物质的某两个能级问的差值( 振动、转动或电子能级之间的差值) 。从那时 起，喇曼效应就被作为一个分析物质结构的有力工具。 激光的出现为喇曼效应的研究提供了理想的激发源，使得对喇曼效应的研究空前升 温。1 9 6 1 年，伍德伯里( e j w o o d b u r y ) 和恩格( w k n g ) 把硝基苯放入红宝石激光器的共 振腔内做克尔盒调q 实验时，首先发现了受激喇曼散射效应。他们发现在红宝石激光6 9 4 3 埃附近，出现一条7 6 7 0 埃的伴线，就是硝基苯的斯托克斯线，当功率增加时，伴线强度 显著增加，光束方向和光谱线宽变窄，从而开拓了喇曼散射的新领域。1 9 6 2 年，特休恩 ( r w t e r h u n e ) 观察到了相干反斯托克斯喇曼效应，后来又相继发现了高阶的s t o k e s 和反 s t o k e s 谱线“1 。 i 1 1 喇曼散射的量子解释 量子理论的基本观点是喇曼散射源于光子与分子的非弹性碰撞过程。当入射的光子和 9 北京邮电大学硕士论文第二章光纤喇曼放大器( f r a ) 的物理基础 ；：迥一堑) l - - , t o 一瓦古万b、届一毋v t 中4 v 2 1 2 受激喇曼散射( s r s ) 当入射光是一束足够强的激光时，斯托克斯谱线的强度开始比例于自身而增长，具 有明显的受激特性，这就是受激喇曼散射。1 。受激喇曼散射是强激光与物质相互作用所产 生的受激声子( 光学支声子) 对入射光的散射，而自发喇曼散射是热振动声子对入射光的 散射，其散射具有随机性特点。 1 0 北京邮电大学硕士论文 第二章光纤喇曼放大器( f r ) 的物理基础 受激喇曼散射过程中入射光子( 印，k ，) 主要被光学支声子( ，k 。) 所散射。对斯托 克斯线的受激喇曼过程可简述如下：最初一个入射于介质的相干光子与一个热振动声子 碰撞，产生了一个斯托克斯光子( ，k ，) ，同时增添一个光学支声子，这个光学支声子 再与入射光子相碰撞，又增添一个光学支声子，同时产生一个斯托克斯光子。这样重复 下去，形成个雪崩过程，如图2 2 所示。 图2 - 2 受激喇曼散射的雪崩过程 产生光学支声子的过程，关键在于有足够多的入射光子，由于光学支声子所形成的 声波是相干的，入射光波也是相干的，所以喇曼散射后所形成的斯托克斯光子也是相干 的，这就是第一阶斯托克斯散射的受激过程。反斯托克斯线则是入射于介质的相干光子 与光学支声子作用，产生一个反斯托克斯光子( 国。，k 。) “1 。当斯托克斯光强到一定程度 时，它自身还会作为泵浦光，发生更高阶的喇曼散射。受激喇曼散射的本质就是入射光 和斯托克斯光之间的相互耦合引起这两个光波之间的有效能量转移”1 。 受激喇曼散射满足动量守恒和能量守恒： 斯托克斯： 国。= a 。+ 壳珊o k 。= k ，+ k o 反斯托克斯：h m 。= 。+ 壳出o k 。= k 。+ k o 受激喇曼散射和普通喇曼散射是有区别的，它是一种非线性效应，具有受激发射性 质，其特点综述如下： ( 1 ) 受激喇曼散射具有明显的阈值性，只有泵浦光强到一定程度时才发生。 ( 2 ) 受激喇曼散射光的方向性极好。 ( 3 ) 受激喇曼散射光的强度极高。 ( 4 ) 受激喇曼散射光具有高单色性。 北京邮电大学硕士论文第二章光纤喇曼放大器( f r ) 的物理基础 ( 5 ) 受激喇曼散射光脉冲时间很短。 在f r a 中r 当频率为甜，的信号光和频率为出。的泵浦光相遇时，泵浦光将s i 0 2 分子 泵浦到高能态。处于高能态的分子遇到作为“种子”源的信号光就会释放一个与信号光 同频同偏振态的光子和一个频率为0 9 。的声子。这种过程是一个雪崩过程，这样就对信号 光起到了放大作用。 2 1 3f r a 中受激喇曼散射的阈值 f r a 中一个入射泵浦光子通过光纤的非弹性散射转移部分能量产生了低频斯托克斯 光子，而剩余的能量被介质以光学支声子的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。斯托克 斯频移。= 。一甜，由分子振动能级决定，这个频移决定了s r s 的频率范围，对非晶态 石英光纤，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可在较宽的频差范围( 约 4 0 t h z ) 内实现信号光的放大。在f r a 放大过程中，信号光通过s r s 效应从泵浦光那里 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 过程把能量转移给信 号光而被衰减，同时亦被光纤吸收而衰减，这两种过程同时存在。在连续波情况下，泵 浦波和斯托克斯波的相互作用过程，可用下列模耦合方程来分析。” 譬：硝 一叫； 龙 孥：一g 山i s 一口ip 靠国 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 式中，口，和口，分别为泵浦波长和信号波长处的光纤损耗，国。和c 0 。分别为泵浦光和信号 光的频率，。和，分别为泵浦光和信号光的强度，g 。为喇曼增益系数，它是信号光相对 于泵浦光的频移的函数，而且与光纤的成分有关，s t o l e n 等人曾测得石英光纤的喇曼增 益曲线。1 ，如图2 3 所示。 式( 2 - 1 ) 右端的第一项表示光纤中信号光通过s r s 过程获得增益，功率增加：第二 项为信号光在光纤的衰减作用下产生的损耗；式( 2 - 2 ) 右端第一项表示泵浦光通过s r s 过程将能量转移给信号光而形成的衰减，这种衰减与泵浦光相对于信号光的频率比成正 比，第二项是泵浦光在光纤衰减作用下的损耗。 1 2 北京邮电大学硕士论文 第二章光纤喇曼放大器( f 卧)