（物理电子学专业论文）偏振模色散与光纤拉曼放大器研究.pdf

摘要 捅要 偏振模色散已成为1 0 g b i t s 以上光纤通信系统进行长距离传输必须考虑的重 要因素之一，是目前光纤通信领域的一个研究热点。本论文主要围绕偏振模色散 的理论基础知识而展开，重点讨论了偏振模色散在各个空间中的描述以及其间的 关系、统计分布特性、偏振模色散补偿和实验、旋光纤特性以及光纤拉曼放大器 中偏振模色散与增益、偏振相关增益之间的关系等，同时初步探讨、计算了旋光 纤中信号的频谱特性以及利用旋光纤制作拉曼光纤放大器以控制偏振相关损耗的 规律以及各参数之间关系。本论文的主要工作如下： 本文首先对描述偏振模色散的有关概念及其特性等进行了总结，为以后各章 的讨论提供了理论基础。深入讨论了偏振模色散的三种( 斯托克斯空间、琼斯空 间、坡印廷空间) 表示方法及其三者之间的比较。指出三者的一致性、联系和各 自的弱点。然后利用比较结果讨论了琼斯( j o n e s ) 空间和坡印廷( p o y n t i n g ) 空间所包 含的在通讯过程中传输眼图预测所必需的信息。对由于p m d 引起的探测器的电流 变化作了估算。 然后，讨论和计算p m d 的有关自相关函数；通过对普通光纤中p m d 信号功率 谱的推导研究，结合前面结论，得出单向旋光纤中信号功率谱及其对单一频率下 传输信号谱特性的影响；分析了旋周期与光纤拍长之间的关系对p m d 、信号谱的 特性的改变的特点。 通过对光补偿器内部结构及反馈机制的讨论，描述了p m d 补偿的原理，由于 主态法不会增加系统的d g d 值，故本文就一种主态( p s p ) 牢b 偿法进行了理论分析和 实验研究，并取得一致结论。 利用理论推导和数值模拟的方法定量分析了单向旋光纤和周期旋光纤分别在 常双折射和随机双折射情形下对p m d 的消除影响。 本文最后着重研究使用旋光纤的拉曼放大器的拉曼增益、偏振相关增益的部 分统计规律与p m d 参数、旋光纤参数之间的关系及相互影响。对a s e 噪声也作了 一些讨论和仿真计算。 关键词：光纤双折射；偏振模色散；旋光纤；拉曼光纤放大器：偏振相关增益 a b s t r a c t 3 a bs t r a c t p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o no m d ) h a sb e e no n eo ft h em a i no b s t a c l e sf o r l o n g h a u lo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t ht h es p e e db e y o n dl o g b i t s ，a n di t h a sa l s ob e e nah o tt o p i ci no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nf i e l d sa tt h e s ey e a r s b a s e do n t h et h e o r yf o u n d a t i o no fp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n , d e s c r i p t i o n so fp m d i ns t o k e s ， j o n e s ，p o y n t i n gs p a c ea n dt h er e l a t i o n s h i po f t h e s et h r e ea r ed i s c u s s e d ，t h e n s t a t i s t i c c h a r a c t e ro fp m d ，c o m p e n s a t i o na n de x p e r i m e n t se t ca r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , s p u n f i b e r sp a r a m e t e ra n ds p e c t r u mc h a r a c t e ro np m d ，o nf i b e rr a l t l a na m p l i f e r sg a i na n d p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tg a i na r ea l s os t u d i e d f i r s t ，as u m m a r yo ft h er e l a t i n gc o n c e p t so fp m da n di t s s t a t i s t i c sn a t u r ew a s g i v e ni nc h a p t e r2 w h i c ha r et h ef u n d a m e n t a l sf o rf a r t h e rd i s c u s s i o n a i n d e p t ha n a l y s i so ne x p r e s s i o no fp m d i ns t o k e s ，j o n e s ，p o y n t i n gs p a c ea n dt h e r e l a t i o n s h i po ft h e s et h r e ei sm a d e f u r t h e rm o r e ，a st h ec o n s e q u e n c e ，ad i s c u s s i o ni s m a d eo nt h ei n f o r m a t i o no fe y ed i a g r a mp r e d i c t i o n ，a n de v a l u a t i n gt h ed i v e r g e n c eo f c u r r e n to nd e t e c t o ri n d u c e db yp m d s e c o n d a r y , w ep r e s e n t e dt h ed e p i c ta n dc a l c u l a t i o no nc o r r e l a t i o nf u n c t i o nw h i c h d e s c r i b i n gp m d ，a n dd e v e l o p m e n tam e t h o d t oc a l c u l a t ef r e q u e n c yc o r r e l a t i o nf u n c t i o n b yd e r i v a t i o no fe x p r e s s i o no ns p e c t r u mo fu n - s p u nf i b e r , ac o n c l u s i o ni s m a d eo n u n i d i r e c t i o n a ls p u n f i b e ro ni t sa f f e c t i o no ns i n g l ef r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i t t i n g c h a n g i n gc h a r a c t e r so fs p e c t r u mt h a tc a u s e db yr e l a t i o n s h i po fp e r i o d i cp i t c ha n db e a t l e n g t ho ff i b e ri sa l s om a d e b a s e do nd i s c u s s i n go nt h em e c h a n i s mo ff e e d b a c ka n di n t e r n a ls t r u c t u r eo fo p t i c a l c o m p e n s a t et e c h n i q u eo fp m d ，p r i n c i p l eo fp m d c o m p e n s a t i o ni so u t l i n e d n o t i n g t h a tp s pm e t h o d sp e r f o r mb e t t e rb e c a u s et h e yd o n ta d dp m d t ot h es y s t e m ，ap r i n c i p a l s t a t ep o l a r i z a t i o n ( p s p ) c o m p e n s a t i o nm e t h o di si n v e s t i g a t e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h e s a n l eo u t c o m ea st h et h e o r yp r e d i c t s a n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lr e s u l t so nt h ed e s i g no fi o w - p m df i b e r sb ym e a n so f s p i n n i n gt e c h n i q u e sa r ep r e s e n t e d ，a n di t sa f f e c t i n go np m d m i t i g a t i o nt of i b e rw i t h c o n s t a n tb i r e f i i n g e n c ea n dr a n d o mb i r e f r i n g e n c ei sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h i st h e s i si si n t e n d e dt op r o v i d eac o m p r e h e n s i v es t u d yo np o l a r i z a t i o n m o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) i n d u c e sl a r g ef l u c t u a t i o n si nt h ea m p l i f i e ds i g n a li nf i b e r r a m a na m p l i f i e rw h i c hu s e ss p u nf i b e r w ea l s od i s c u s st h es t a t i s t i cn a t u r eo ft h e r a m a ng a i n ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tg a i n ( p d g ) i ns p u nf i b e rr a l t l a na m p l i f i e r sa n di t s t e n d e n c yw i t ht h ev a r i a t i o n so f p m dc o e f f i c i e n ta n ds p i np a r a m e t e r sl i k ep e r i o d i cp i t c h 4 偏振模色散与光纤拉曼放大器研究 a n da m p l i t u d eo fs p u nf i b e r a s ei sa l s od i s c u s s e d ，e s p e c i a l l yo ng e n e r a t i n g k e y w o r d s ：f i b e rb i r e f r i n g e n c e ，p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n , s p u nf i b e r ，f i b e r r a m a na m p l i f i e r ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tg a i n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 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：盈出本人签名：么型笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名：乏菇袭日期12 ：! 兰：，i 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀y 匕 1 1概述 网络的不断演进和巨大的信息传输需求，使人们对光纤通信提出了更高的要 求，同时也促进了光纤通信高技术的发展。单信道传输速率己经向4 0 g b i t s 甚至是 更高速率发展，而采用密集波分复用( d w d l v o 技术和光时分复用( o t d m ) 技术甚至 可以将传输容量提高到t b i t s 量级【1 1 。随着光纤制造工艺的逐步完善和掺铒光纤放 大器( e d f a ) 、拉曼光纤放大器( f r a ) 、半导体光放大器( o s a ) 等光器件的研制 成功，使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用，传输距离已经大大超 过了1 0 0 0 k m 。随着i p 业务的爆炸性增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越大， 而且由于i p 业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越 来越迫切。 在光通信技术飞速发展的同时，许多在低速率、小容量和短距离光通信系统 中表现不明显的偏振模色散( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ，p m d ) 效应逐渐凸显了出 来，p m d 能损害系统的传输性能，限制系统的传输速率和距离，并被认为是限制 高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。 1 1 1什么是偏振模色散p m d 在理想的正圆光纤中传输的光脉冲，由于受到光纤材料的色散特性、模式以 及光源光谱宽度等因素的影响，使该脉冲产生“延迟畸变”而导致脉冲通过光纤后发 生展宽，这一效应称为“光纤的色散”。光纤中的色散分成以下几种：色度色散，包 括材料色散( 由于光纤材料的折射率随着入射的光频率的变化而产生的色散) 和 波导色散( 由于某一个传播模的群速度对于光的频率或波长不是常数以及光源的 谱线有一定宽度，因此产生的色散称波导色散) ；模间色散，由于各个模式间群 速度不同而产生色散。模间色散仅存在于多模光纤中，单模、多模光纤都存在材 料色散，而单模光纤只有色度色散。总的色散大小用色散系数您表示： a t x = 厄甄而 ( 1 1 ) 其中，表示模间色散系数，砀表示材料色散系数，表示波导色散系数。 实际上光纤并不都是正圆的。一般单模光纤中都同时存在两个正交的模式 h e i i x 和h e l ，。如果光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交的偏振模在光纤中 以相同的群速度( g r o u pv e l o c i t y ) 传播。实际上由光纤不对称、光纤内部残留应 力、环境温度变化等因素引起光纤折射率分布改变而导致相互正交的两个偏振基 2 偏振模色散与光纤拉曼放大器研究 模的传输速度并不相同，产生差分群时延d g d ( d i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a y ) ，即两 个偏振基模之间的群速度差，导致脉冲展宽。 为此，修改( 1 1 ) 为： f z = r 二+ ( r 。+ a r 。) 2 + j r 氩 r 1 2 、 、一， a r p u d 表示偏振模色散系数。 由于光纤通信、光纤中的非线性效应的研究等都需要频带更宽的单模光纤， 因此，抑制单模光纤中的色散问题成为研究重点。随着技术的发展，人们可以通 过各种手段解决以上几种色散问题，即减小式( 1 2 ) 中右边第1 、2 项，从而提高 光纤的带宽，使通信速率大大提升。然而，随之而来的是另外一个阻碍通信速率 提升的色散问题，即式( 1 2 ) 中右边第3 项的作用逐渐凸显，这就是偏振模色散 ( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ，p m d ) 。p m d 在2 5 g b s 以下的光纤通信系统中 几乎感觉不到偏振模色散的存在。当传输码率大于1 0 g b i t s 时，偏振模色散对系统 的损害就明显地表现出来，4 0 g b s 及以上时，就必须进行补偿。 1 1 2产生原因、特性 如上所述，在单模光纤中，能传输两个相互正交的线性偏振模式。若光纤横 截面理想圆对称和理想使用情况下，这两个模式是相互简并的。但在实际情况下， 由于生产中造成的光纤的圆不对称、内应力等，成缆过程中形成的边应力、光纤 扭曲等以及使用过程中的压力、弯曲、环境温度变化等因素造成单模光纤中双折 射不对称而导致了这两个偏振模式之间有微小的传输群速度差，则形成偏振模色 散。 另外，在单模光纤较长时，两个相互正交的线性偏振模式还会出现耦合。由 于随机偏振模耦合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动都很敏感，所以d g d 会随时间发生变化，因此偏振模群时延差是一个统计量，分布满足麦克斯韦分布 规律，而且其均值与距离的平方根成正比。 1 1 3对传输距离的影响 1 无源光纤 当光脉冲在经过较长的光纤传输后，d g d 随时间变化导致的脉冲展宽，会对 光通讯系统的误码率产生比较大的影响。如果传输速率是给定的，则影响传输距 离。 根据以上关系以及国际标准部门的观点，当时延差达到1 比特周期的0 3 倍时， 将引起l d b 的功率代价( p o w e rp e n a l t y ) ，即系统损耗。而由于p m d 的瞬时值有可 能达到平均值的3 倍，为保证系统损耗小于l d b ，其平均值必须小于l 比特周期的十 第一章绪论 3 分之一。 考虑到p m d 具有统计特性，因此定义p m d 最大时延容限：当系统采用 x = 1 5 5 0 n m 、n r z 码型时的所产生的系统损耗不超过l d b ，则此时能承受的p m d 最 大值是码宽t b 的1 0 ，如图1 1 。 厶t 一w 1 0 j 1 斗 m 跳1 0 图1 1p m d 容限 即，如果传输速率是1 0 g b i t s ，则码宽l o o p s ，可以承受的最大的p m d 值为 a _ 1 r m a x - - 0 1 x 1 0 0 p s = 1 0 p s 。实际应用当中由于使用的编码形式的不同，有的系统可承 受的最大的p m d 值甚至可以达到1 3 1 4 p s 。 ， 表1 1 总结了不同通讯体制情况的p m d 值，据此可以计算能铺设光缆的最大长 度。 表1 1 不同通讯体制情况的p m d 值 每通道比特率 s d hs o n e t 时隙p m d 容限4 0 0 k m 的历 ( p s k m l 尼) 5 5m b i t s o c 1 1 9 3 n s 2 n s 1 0 0 1 5 5 r b i f f ss t m 1o c 36 4 3 n s 6 4 0 p s 3 2 6 2 2m b i t ss t m - 4 o c 1 21 6 1 i l s 1 6 0 p s 8 1 2g b i f f so c 2 4 8 0 3 p s8 0 p s 4 2 5g b i t ss t m 1 6o c 4 8 4 0 1 p s4 0 p s 2 1 0g b i f f ss t m 6 4o c 1 9 2 l o o p s1 0 p s 0 5 4 0g b i f f ss t m 2 5 6o c 7 6 8 2 5 1 2 p s2 5 p s 0 1 2 5 光纤中的p m d 大小用p m d 系数d e 表示。理论上，p m d 限制的距离可以由以下 公式计算： 三m a x = lo o o o ( d p x b ) 2 其中：偏振模色散系数p p 的单位为p 奶( i i l 抛；比特率b 的单位为g b i 魄。 图1 2 是系统传输距离与p m d 系数d e 之间的关系，适用条件与图1 1 相同。 4 偏振模色散与光纤拉曼放大器研究 图1 2 不i 司码率系统的传输距离 图1 2 中虚线处表示的d v = o 5 p s k m u 2 不同码率系统的传输距离分别是 2 5 g b i f f s 为6 4 0 0 k m 、1 0 g b i t s 为4 0 0 k m ，而当b = 4 0 g b i t s 时仅为2 5 k m 。 对已铺光缆p m d 值的测试表明，8 0 年代中期以前生产、铺设的光缆p m d 值较 大，典型值大约为2 p 饥( i i l 抛。这就是说，在保证p m d 导致的代价小于1d b 的情况下， 2 5 g b i t s 系统的传输距离不能超过4 0 0 k m ：而1 0 g b i t s 系统的传输距离则须小于 2 5 k m 。8 0 年代中期以后生产和铺设的光缆p m d 系数较小，其引起的功率代价为l d b 时，1 0 g b i t s 系统的传输距离可达1 0 0 0 0 4 0 0 k m ；而对于4 0 g b i t s 系统则剧减为 6 2 5 - 2 5 k m 。可见，在1 0 g b i t s 及以上速率的光纤通信系统中，偏振模色散有着不 可忽视的影响，限制着系统的容量和传输距离，甚至将是高码率传输的最终限制 因素。 2 有源光纤( 光纤拉曼放大器中) p m d 在无源光纤中无疑是有害的。而在日趋商用并必将大规模铺设的分布式 光放大器中的光脉冲传播的作用，不仅是简单的影响传输距离和比特率。由于有 源光纤中的非线性效应，p m d 还会进一步带来新的危害。光纤拉曼放大器( f r a ) 因其宽带增益、分布放大以及可以用普通光纤作增益介质等特点，日益受到重视。 而p m d 同样会给f r a 带来各种危害和限制。 拉曼现象早在19 2 8 年就被拉曼爵士所发现【2 】。目前对受激拉曼散射( s r s ) 效应 的研究已形成一套比较完整的理论体系。1 9 7 2 年s t o l e n 等首先在光纤拉曼放大器的 实验中发现了拉曼增益，初期的研究主要侧重于研制拉曼光纤激光器p j 。1 9 7 9 年， s t o l e n 就发现拉曼效应中的偏振相关效应 4 1 。8 0 年代在光纤通信应用的推动下开始 研究光纤拉曼放大器。a o k i 等人于1 9 8 5 年第一次利用f r a 进行数据传输【5 j 。光纤拉 曼放大器利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的光作用下，石英光纤 会出现s r s 效应。当信号光和泵浦光沿着光纤一起传输时，光功率将由泵浦光转移 到信号光，从而把信号光放大。目前f r a 主要采用分布式放大，以传输光纤作为 增益介质，利用受激拉曼散射效应使比泵浦光波长长约1 0 0 n m 处的信号光得到有效 第一章绪论 放大。f r a 具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点。伴随着波分复用 系统复杂性的增长，光纤拉曼放大器对于光信号的再生和放大无疑是极具吸引力 的解决方案，光纤拉曼放大器已经成为拓宽系统带宽、增大光纤通信系统容量的 有力工具。 但f r a 有一个缺点，如文献 4 】指出的，就是其极强的增益偏振相关特性：受 激拉曼散射增益系数在泵浦光与信号光偏振态( s o p ) 平行时最大，垂直时最小1 6 j 、 7 1 、i s 】，如图1 3 所示。图1 3 中的上半部分的符号g ”表示泵浦光与信号光偏振态 平行时的归一化拉曼增益系数，下半部分的符号g 上，表示泵浦光与信号光偏振态互 相垂直时的归一化拉曼增益系数，实线表示理论计算结果，点划曲线表示实验测 试结果。 图1 3 拉曼增益与泵浦光与信号光偏振态( s o p ) 关系 在实际光纤中，由于随机双折射而产生的p m d 的影响，信号光与泵浦光的偏 振态的相对关系不可能始终保持平行。因此，p m d 同样会对有源光纤的传输性能 带来损害。实验1 9 1 、【1 0 1 、 1 l 】和理论【1 2 1 、【1 3 】、【1 4 1 研究了偏振态与增益之间的关系并 指出：当p m d 值不是很大时，放大器表现出无规律的增益减小；当p m d 值较大时， 增益值基本为定值，但其放大功率约为泵浦功率的一半。 为此，产生了许多解决增益偏振相关性的方法，包括保偏光纤、偏振复用器、 消偏二极管泵浦等扰偏方法，还有的就是逆向泵浦法，试图对由于p m d 引起的拉 曼增益波动进行补偿。其中逆向泵浦法的依据是在同样的实验条件下，同向 ( c o - p r o p a g a t i n g ) 泵浦和逆晦1 ( c o u n t e rp r o p a g a t i n g ) 泵浦会得到截然不同的增益偏振 相关特性。a n d e r sb e r n t s o n 等【1 5 】采用单波长抽运在1 5 k m 色散补偿光纤( c d f ) 上 观察到了这种差异：同向泵浦时偏振相关增益( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tg a i n ，p d g ) 依然显著，最大可达3 d b 的差异，而逆向泵浦时的偏振相关增益差异很小，近乎可 以认为是偏振无关的。d a n i e lm a h g e r e f l e h 等【1 6 】以峰值功率1 0 w 的短脉冲进行泵 浦，在偏振模色散( p m d ) 相差很大的两种光纤上进一步显现了拉曼增益的偏振相 关增益特性，同向泵浦下的增益差值可达1 6d b 。 6 偏振模色散与光纤拉曼放大器研究 2 0 0 1 年s e r g e ip o p o v 等测量了同样受到p m d 效应影响的色散补偿光纤、色散位 移光纤和单模光纤三种f r a 的拉曼增益在同向泵浦、逆向泵浦两种情况下的偏振 相关特性【1 7 1 。实验结果表明，虽然色散补偿光纤、色散位移光纤具有较低的偏振 相关性，但同向、双向泵浦时偏振相关特性依然很强；实验还表明短的( 1 2 5 k m ) 单模光纤以及增加泵浦功率情况下，无论同向、逆向泵浦都有很强的偏振相关性。 继而，2 0 0 2 年s e r g e i p o p o v 等【1 8 】在基于色散补偿光纤的集总式光纤拉曼放大器上 观察到了逆向泵浦方式下仍会产生一定程度的偏振相关增益。 偏振相关增益现象的解释是由于光纤随机双折射引起的偏振模色散( p m d ) 会在一定程度上解除或减小泵浦光和信号光的偏振相关性。光纤越长、偏振模色 散越大，解相关作用越强，增益的偏振相关也就越弱；而同向泵浦的这种解相关 作用远小于逆向泵浦，因而在相对较长的光纤上产生了大得多的偏振相关增益 ( p d g ) 差异。 f r a 中偏振相关增益( p d g ) 具有随机性，其均值和标准方差取决于p m d 参数， p d g 的大小可以通过将泵浦光进行扰偏而使其变成随机偏振得以降低，且p d g 均 值与泵浦光的偏振度d o p ( d e g r e eo f p o l a r i z a t i o n ) 成比例。 偏振相关增益( p d g ) 的危害及其对传输系统的不利影响表现在以下几个方面： ( 1 ) 拉曼增益及p d g 起伏 研究【1 9 】表明，由于光纤内存在的随机的偏振模色散，f r a 的增益会不仅取决 于输入信号的偏振态，而且其偏振相关增益( p d g ) 在很大范围内产生波动。图 1 4 表示的是p d g 均值随 善 t 墨 罟 毫 墨 图1 4 用拉曼增益归一化的p d g 均值随偏振模色散参数脚变化 由图1 4 可以看出，p d g 均值随偏振模色散参数d p 增加而单调降低， d e = 0 0 5 p s k m l 尼时，p d g 均值比增益大3 0 ，在p 尸 o 0 5 p s k m l 忍时，则缓慢减小。 第一章绪论 7 ( 2 ) 带宽虽宽但不平坦 在满足波分复用系统( w d m ) 的容量方面，f r a 的带宽宽、增益平坦性具有 巨大潜力。在混合光纤放大器或多波长泵浦的f r a 中，已经得到了超过1 0 t h z ( 大 约8 0 r i m ) 的增益带宽。然而，这些放大器有一个严重的增益平坦失调，特别是带宽 大的放大器。在已经出现的超过6 0 r i m 的带宽的光纤放大器中，平坦性在1 5 - - 3 0 之间，通过使用增益平衡计算，就会减小到4 1 0 之问。 在多泵浦源的拉曼放大器中，通过近似地选取泵浦的相对位置和能量，可以 调整增益曲线线型。原则上通过这样的方法，任何增益光谱形状的放大器都能设 计出来。例如，仅要求提供平坦净增益的放大器。然而，与之相应的可逆的多波 长光纤放大器( m w f r a ) 的设计还未完成，其中一个主要的困难是泵浦光与泵浦光 之间、信号光与信号光之间的拉曼相互作用使系统具有非常高的非线性，而对于 分布式放大器来说，p m d 就是其中的一个主要原因，因为p m d 具有较强的随机性， 会不断改变泵浦光、信号光之间的偏振态。 ( 3 ) 泵浦功率阈值增加 因为自发拉曼散射在整个拉曼增益谱宽内产生光子，故所有频率分量都被放 大。但是对应拉曼增益系数舰最大的频率分量的增益建立得最快。对纯石英光纤， 舰的最大值所对应的频率是由泵浦光频率下移1 3 2 t h z ( 4 4 0 c m - 1 ) 。已证明当泵浦功 率超过某一阈值时，此频率分量近似指数增长。这样，受激拉曼散射( s r s ) 将导 致斯托克斯波的产生，其频率由拉曼增益峰决定，对应的频移有时被称为拉曼频 移或斯托克斯频移。为了得到拉曼阈值，应该考虑泵浦波和信号波之间的相互作 用和关系，而二者之间的偏振态( s o p ) 在决定f r a 的增益和阈值时则起到相当的 作用。而在分布式放大器中，由于p m d 对泵浦光、信号光的偏振态s o p 都会产生 改变，所以p m d 对泵浦阈值也会通过偏振相关特性产生影响。 描述具有随机双折射以及常双折射的f r a 中拉曼增益的偏振相关特性的矢量 模型可以用庞加莱球表示。 ab 图1 5偏振态矢量泵浦光p 与信号光s 在庞加莱球 8 偏振模色散与光纤拉曼放大器研究 上的演化过程，以及本地双折射矢量w 的旋转 如图1 5 所示，信号光和泵浦光的偏振态用庞加莱球上的矢量s 和p 表示。光纤 的双折射可以表示为矢量s 和p 绕双折射矢量w 旋转而得，根据其本身的演化过程可 以是有规律的旋转，也可以是随机的运动。如图1 5 所示，a 最大p d g 时的s t o k e s 矢量的初始态，泵浦光偏振态为p = ( 1 ，0 ，o ) ，信号光偏振态s m 醒= ( 1 ，0 ，o ) 时，有最 大拉曼增益，s t a i n = ( 1 ，o ，0 ) 时有最小拉曼增益；b 最d x p d g 时的s t o k e s 矢量的初 始态，p = ( o ，0 ，1 ) ，信号光偏振态s m 戡= ( 0 ，1 ，o ) 有最大拉曼增益，$ m i n = ( 0 ，1 ，0 ) 有 最小拉曼增益。 ( 4 ) 自发辐射噪声a s e a s e 噪声是f r a 三种噪声之一( a s e 、串话、瑞利散射) ，是由于自发拉曼散 射效应经过拉曼放大而产生的频带很宽的噪声。当增益较小时，噪声功率随增益 增加而增加；当只考虑泵浦光与信号光时，噪声功率不随光纤损耗变化，只与增 益有关，而f r a 的增益又与泵浦光、信号光的偏振态密切相关。也就是说，f r a 的a s e 噪声也与与泵浦光、信号光的偏振态密切相关。由于分布式放大器的长度一 般较长，会明显引入p m d 效应。因此，a s e 噪声的大小也会受到p m d 的影响。经 研究【2 0 】，a s e 是由放大器放大的噪声。因此，泵浦功率的大小并无助于降低a s e 。 故泵浦功率与噪声之间的矛盾就要求泵浦光与信号光的偏振关系尽可能一致，以 便产生比较大的拉曼增益和较小的p d g ，相对降低a s e 。仿真计算和设计f r a 时， 对a s e 的特性了解和模拟就显得十分必要和有意义。 总之，由于光纤的随机双折射导致的p m d 又引起了f r a 上的拉曼增益起伏， 进而影响了其带宽、泵浦功率阈值以及a s e 噪声的情况。 为解决该问题，进行了许多研究。1 9 8 4 年n a k a z a w a 首先研究了使用保偏光纤 的拉曼放大器的逆向泵浦时的放大特性【2 l 】；1 9 9 7 年d m a h g e r e f t e h 等人研究了随机 双折射与f r a 增益的关系【1 6 】；2 0 0 2 年s p o p o v 等人研究了色散补偿光纤中的拉曼增 益的偏振相关特性，同年，q i a n gl i n 、g o v i n dp a g r a w a l 定量研究了p m d 引起的 f r a 中增益和p d g 的波动及其统计特性【2 2 1 ，2 0 0 3 年q i a n gl i n 、g o v i n dp a g r a w a l 提出矢量模型理论【1 3 】研究f r a 中的p d g 问题；2 0 0 4 年开始，旋光纤用于解决拉曼 光纤放大器的理论研究见诸于文献【2 3 】；2 0 0 6 年s p o p o v 建立了随机双折射f r a 中的 p d g 理论模型 2 4 1 ，a g a l t a r o s s a 等人给出随机双折射旋光纤的唯象模型【2 5 1 。2 0 0 8 年 出现使用单向旋光纤逆向泵浦的f r a 的理论模型【2 6 1 。 尽管p m d 效应在普通f r a 中的影响以及在旋光纤的f r a 中的影响还有许多研 究 2 7 - 3 3 】，但至今关于旋光纤拉曼放大器的参数与p m d 关系的完整的数学模型仍有 待研究和完善；另外，旋函数之所以能有效抑制p d g 和p m d 产生的深层物理机制， 仍有待进一步研究；再者，多波长泵浦的f r a 各个泵浦光与信号光之间的偏振态 控制问题的定性、定量的研究也是工作的方向。 第一章绪论 9 1 1 4测量、补偿技术 在以下几种情况下需要测量p m d ：例如，就传输速率而言，当系统传输速率 超过1 0 g b i t s 时，就需要测量p m d ；传输模拟的有线电视信号等情况下，也需要测 量。总之，在光纤、光缆生产过程中、建立1 0 g b i t s 的光网络过程中、更新现有的 网络速率等均需测量p m d 的大小和影响。 根据国际电联i t u t 建议，见最大不能超过0 5 p s k m 抛，而目前生产的光纤可 以达到o 2p s & m “2 甚至更低。在i t u t 建议g 6 5 0 中给出p m d 的四种测试方法，即 波长扫描极值计数法( w s e c ) 和波长扫描傅里叶变换法( w s f f t ) 、j o n e s 矩阵特性分 析法( j m e ) 、干涉仪法( i f ) 。由于p m d 本质上的统计特性，各种方法之间存在着一 定的误差( 大约1 0 ) 。i t u t 建议以j m e 法和i f 法作为基准测试方法。 1 波长扫描极值计数法( w s e c ) 波长扫描极值计数法( w s e c ) 是根据p m d 引起的被测光纤中偏振态的变化进 行测录的。测量原理如图1 6 所示。 嶝毋靠，姚赫委 一( ( ( ( ( ) 一 匿。蝴。卜 ； o 踊c a l - , i ： s p e c t r u m ，! f ；b e ru n d e r 锻 。a 移搿l 图1 6 波长扫描傅里叶变换法 w s e c 又称为固定分析仪方法，因为在测量装置中的检测器之前常有一个偏振 器( p o l a r i z e r ) ，被称为“分析仪”。原理是根据输入光源的波长( 频率) 变化引起输出偏 振态( s o p ) 在庞加莱球上变化，通过计算这种变化测量p m d 。这种方法能得出一个 单一、典型的在几百n l t l 的波长范围内m 1 厶) 的p m d 值。分析仪输出的功率峰值之 间的间隔等于2 7 c 相位差( 一个拍长) 。表示p m d 大小的参数f 为【3 4 】 a f k m ( a f ) = k ( n c ) a l 厶似l 巩) 】 式中，础光纤耦合系数，为眦l 到厶间的极值数目，c 为自由空间的光速。测量 中，通过使o - i 舢足够大来保证口口1 ，就可以得到很好的准确度，在强模式耦合 时尤为重要。脏无模式耦合时等于1 ；在强模式耦合时，k = o 8 2 4 0 。 2 波长扫描傅里叶变换法( w s f f t ) 该方法是对w s e c 的改进，即对数据再进行傅立叶变换。频域的波长扫描法可 以通过一个傅立叶变换转化到时域，从而与干涉法结果联系起来。对前面所述波 长扫描极值数计算法宽光源对分析仪的透射率的频谱进行傅氏变换，得到时间谱， 再采用高斯拟合的二阶矩的均方值来计算p m d ( 这符合时域的p m d 定义：传输时间 的均方差) 。它能分辨的最小时延值由光谱范围来决定。w s f f t 法的优缺点与w s e c 法类似，只不过用傅氏变换来处理数据要比对极值进行计数的方法更快。但另一 1 0 偏振模色散与光纤拉曼放大器研究 方面，w s f f t 法在一个很宽的谱范围内对d g d 取平均值，这掩盖了d g d 与波长的 函数关系的信息。 3 j o n e s 矩阵特性分析法( j m e ) 该方法需要一台具有3 个线偏振态的窄带信号源、偏振计。图1 7 是其原理结构 图。其原理是通过3 个偏振态获得琼斯矩阵。用相邻两个波长的琼斯矩阵计算d g d 值得大小。 。 ， l 良n a 蒜n 咖n d h 眺缎! 一( ( ( ( ( ) 一 p o l a r i m e l a r l 匕h “p o 纽魄“j i 、!：缓一7 二刁多 碉! f i b e rm a d o tt e s t 图1 7j o n e s 矩阵特性分析法 4 干涉仪法( i f ) 该方法需要一台宽带偏振信号源、m i c h e l s o n 或m a c h z e h n d e r 干涉仪和分束器、 2 个扰偏器。测量结构如图1 8 所示。 图1 8 干涉仪法( ) 结构原理 干涉仪法测量p m d 基于m i c h e l s o n 或m a c h z e h n d e r 干涉仪，其测量精度取决于 干涉仪光延时线的机械精度。其基本原理是：在光纤的一端使用宽带光源入射， 在输出端用干涉仪进行扫描，使信号在时域内发生关联，测量出电磁场的自相关 与互相关，p m d 值即为输出光信号自相关函数的二阶矩均方值。在弱模式耦合的 情况下，干涉条纹是一个个分离的峰， a r - - - 2 d c ，d 为光延时线移动的光程长度， p m d 时延为干涉峰之间的极值的间距， c 为光速；在强模式耦合条件下，干涉峰 间距很近，变成一个高斯峰。平均p m d 时延由干涉图样拟合的高斯曲线的标准偏 差仃可得： a t = ( 3 4 ) 1 2 仃 该方法的缺点是测量中不能加入放大器。 从测量原理上看，p m d 测量的主要方法可分为时域测量与频域测量两类。j m e 法、w s e c 法和w s f f t 法属于频域测量，i f 法属于时域测量。 除了上面介绍的几种p m d 测量方法，还有基于时域测量的光脉冲法【3 4 1 、主偏 振态法【3 5 1 、光频域反射法( o t d r ) 3 6 1 等测量方法。目前，工程上最常用的光纤 光缆的p m d 测试方法是i f 法和w s 波长扫描法。 第一章绪论 当测量的p m d 值达不到系统要求时，就要进行p 加补偿。目前，补偿技术也 是研究的最活跃、商业化最明显的领域。 按照p m d 补偿器的工作方式的不同，可以分为电域补偿、光域补偿和光电混 合补偿三种类型。光域补偿是在传输的光路上直接对光信号进行补偿，电域补偿 则是在光接收机内对电信号进行补偿。两者的实质都是利用某种光的或电的延迟 线对p m d 造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。而光电混合式则是将两者结合 起来，首先进行光域补偿后，然后对电信号进一步补偿。 按照补偿器在传输线路中的位置不同，又可以分为预补偿( p r e c o m p e n s a t i o n ) 方式与后置补偿( p o s t - c o m p e n s a t i o n ) 方式。例如，主态( p s p ) 传输法即属于前置补偿 的一种。而研究最多的、也更接近实用的是将p m d 补偿器放在接收端一侧的后置 补偿方式。 预补偿也称p s p 牢b 偿，其基本思想是在发射端使光信号的偏振方向对准光纤线 路的一个p s p ，另一个p s p 没有信号。脉冲在传输过程中没有展宽，可以