（物理电子学专业论文）拉曼光纤放大器的仿真.pdf

摘要 随着通信技术的发展，通信波段由c 带( 1 5 2 8 1 5 6 2 n m ) 向l 带( 1 5 7 0 一1 6 1 0 n m ) 和 s 带( 1 4 8 5 1 5 2 0 r i m ) 扩展。拉曼光纤放大器( r a m a nf i b e ra m p l i f i e r ，r f a ) 基于受激拉 曼散射机制，是唯一能在1 2 7 0 n m 到1 6 7 0 a r a 的全波段上进行光放大的器件。同时，r f a 还 具有宽带放大特性、噪声系数低以及可用普通光纤作为增益介质等内在优势。这使得r f a 成为近年来研究的热点，在光通信方面有广泛的、极具吸引力的应用前景。本论文围绕r f a 开展工作，主要在r f a 的数值模拟、优化设计以及分布式r f a 研制等方面进行了较为深入 的基础性研究。 准确的数值模拟r f a 的放大过程，可以为设计放大器提供合理的参考。平均功率分析 法是解决两点多边值问题最常用的方法，与基于普通耦合微分方程的直接积分法相比，平均 功率分析法可使计算时间减少两个数量级以上。本文提出了基于平均功率分析法的矩阵迭代 算法，这种算法结合了平均功率法的快速和矩阵迭代法的简单易控制的优点，在保证计算精 度的情况下能提高计算速度。利用这种算法，以m i c r o s o t tv i s u a lc + + 6 0 为开发工具，编写 了面向用户的r f a 的仿真软件，该软件为实际制作r f a 提供了较好的参考。在此基础上， 重点计算了多波长后向泵浦r f a 的各项性能指标。为了优化设计r f a ，本文提出了新的优 化算法，即基于遗传算法的模拟退火算法。这种优化算法既可以改善遗传算法局部搜索能力 较弱的特点，又能解决模拟退火算法不能充分利用启发信息的缺陷，进一步提高优化质量与 搜索效率，达到上述单一算法无法达到的效果。 我们运用该仿真软件设计了分布式r f a 的实验方案，通过实验研究和各项性能测试证明 该方案满足密集波分复用( d w d m ) 传输系统的要求，达到了原设计预期效果。 关键词：拉曼光纤放大器，受激拉曼散射，平均功率分析法，矩阵迭代，遗传算法，模拟 退火算法 i i a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ec o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t hh a se x p a n d e df r o mcb a n d ( 1 5 2 8 15 6 2 r a n ) t ol b a n d ( 1 5 7 0 - 1 6 1 0 n m ) a n dsb a r i d ( 1 4 5 8 1 5 2 0 n m ) d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o n s r a m a nf i b e ra m p l i f i e r ( r f a ) ，b a s e do ns t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ，i st h eo n l ya m p l i f i e rt h a t c a r lw o r ko nt h ew h o l ew a v eb a n df r o m1 2 7 0 n mt o1 6 7 0 n m s i n c e1 9 9 0 s ，r f ah a sb e c o m em o r e a t t r a c t i v eb e c a u s eo fi t sp a r t i c u l a rc b a r a c t e r i s t i c ss u c ha sw i d e b a n da n dg o o dn o i s ep e r f o r m a n c e s o m en u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw o r ko nr f ai sd i s c u s s e di nt h i s t h e s i s ，i n c l u d i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dt h ed e v e l o p m e n to f ad i s t r i b u t e dr f a s i m u l a t i o ni sv e r yv a l u a b l ef o rt h ed e s i g no fr f a t h ea v e r a g ep o w e ra n a l y s i sm e t h o di s i * s u a l l y u s e di nt h es o l u t i o no fd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sw h i c hh a v em u l t i v a l u e s i nd i f f e r e n t b o u n d a r i e s an o v e lm a t r i xi t e r a t i v em e t h o db a s e do nt h et h e o r yo fa v e r a g ep o w e ra n a l y s i si s p r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h em e t h o dh a st w oa d v a n t a g e s ：h i g hs p e e da n ds i m p l em a t r i xi t e r a t i o n f o rt h es a m ea c c u r a c yt h em e t h o dc a ns a v et h ec a l c u l a t i o nt i m e as e to f r f as i m u l a t i o ns o f t w a r e w h i c hf a c e st ou s e r si s d e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + 6 0b a s e do nt h i sm e t h o d t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ei sau s e f u lt o o lf o r d e s i g n i n g t h er f a t h ep e r f o r m a n c eo fa m u l t i w a v e l e n g t hb a c k w a r dp u m p e dr f ai ss i m u l a t e db yt h es o f t w a r ea sa ne x a m p l e b e s i d e s ， a n o t h e rn o v e ls i m u l a t i o nm e t h o dc a l l e da ss i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( s a ) b a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) i sp r e s e n t e db yu sf o ro p t i m i z a t i o no fr f a t h ea d v a n t a g e so ft h i sm e t h o da r e t h a ti tc a r ln o to n l yi m p r o v et h el o c a l - s e a r c ha b i l i t yo f g ab u ta l s oo v e r c o m et h es a ss h o r t c o m i n g a si n s u f f i c i e n t l yu t i l i z i n gi n i t i a li n f o r m a t i o n a sar e s u l t ，t h em e t h o di m p r o v e st h eo p t i m a lq u a l i t y a sw e l la st h ec o n v e r g e n c es p e e d ，a n di tc a ng e tt h ep u r p o s et h a ta n ys i n g l ea l g o r i t h mm e n t i o n e d a b o v ec a nn o tg e t b yu s i n gt h es i m u l a t i o ns o f i w a r e ，ad i s t r i b u t e dr f a i sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d ， w h i c hc o u l db eu t i l i z e di nar e a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mp r o v e db yt e s tr e s u l 括 k e yw o r d s ：r a m a nf i b e ra m p l i f i e r s ( r f a ) ，s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ，a v e r a g ep o w e r a n a l y s i s ，m a t r i xi t e r a t i o n tg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( s a ) l i i 学位论文独刨性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 一 研究生签名：应垒日期：1 四墨! 三：i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 啾繇丑圣黜名：丛生曰期：些” 第一章绪论 i i 引言 第一章绪论 随着社会的发展，人们对信息的依赖性越来越大对信息传输的需求也急剧膨胀。光 纤通信由于其容量大、噪声低、保密性好等优点，已经成为干线传输的支撑技术。应运而 生的波分复用( w d m ，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 ) 技术成为目前提高系统容量的 种最有效手段。由于波分复用技术可以更加充分地利用光纤巨大的带宽资源，从9 0 年代 中后期开始，w d m 技术在网络中得到了大量的应用，成为了骨干网络建设的首选技术。w d m 技术之所以取得如此大的成功，很大成分上是因为有了现在光放大技术的支撑。在光纤的 传输过程中对信号进行光学放大对大容量密集波分复用( d w d m ) 的长距离骨干通信系统至关 重要。如果没有光放大，由于光纤的损耗，所有的光学信号在传输一定距离以后，就需要 转换成电信号，再进行再生，这需要大量昂贵的笈各。光学放大器每隔一段距离( 一般是 l o o k m ) 就周期性地对光信号进行放大，因此，需要再生的距离就至少增加了一个数量级。 近年来，掺饵光纤放大器( e d f a ) 由于具有增益高、噪声低、可与传输光纤实现良好的耦台、 能实现光纤中多路信号的同时放大等优点，已成功地应用于密集波分复用( d w d m ) 通信系 统，大大降低了光中继的成本，显著增加了光纤中可传输的信息总量和传输距离。 但随着因特网、宽带综合业务数字网( b i s d n ) 以及多媒体通信的高速发展，对光纤传 输系统的容量和无中继传输距离的要求越来越高，通信系统的速率和带宽不断提升。通信波 段由c 带( 1 5 2 8 1 5 6 2 n m ) 向l 带( 1 5 7 0 一1 6 1 0 n m ) 和s 带( 1 船5 1 5 2 0 n m ) 扩展。此外，进 步发展的光纤制造技术己可以消除l3 7 o n 附近的损耗高峰，从而通信波段有望扩展到 1 2 7 0 n m 一1 6 7 0 n m 的范围内。目前技术上较为成熟的掺铒光纤放大器( e d f a ) 由于存在带宽有 限，对光纤带宽利用率低，自发辐射噪声大以及系统维护费用高等缺点，己不能满足要求。 如何提高光纤传输系统容量、增加无电再生中继的传输距离，己经成为光纤通信领域研究的 热点。更多的通道、更高的传输速率、更宽的带宽和更远的传输距离将是业界永远的追求。 这就促进了寻找性能更好、波长范围和带宽更宽的光放大器的研究工作。 1 2 拉曼光纤放大器特点、历史、现状和趋势 东南大学硕士学位论文 1 2 1 拉曼光纤放大器的特点 光放火器根据光被放大的机理不同可分为三类：半导体激光放大器、掺杂光纤放大器 和非线性光纤放大器。半导体激光放大器的工作波长在1 3 i m 或15 5 , u m 处，它具有增益 高、带宽宽、体积小等优点，但与光纤耦合损耗大，增益与偏振状态有关。掺杂光纤放火 器是利用在光纤中掺入适量的铒、镨等稀土离子引起的增益机制来实现放大的，工作波长 由掺入的稀土离子决定。非线性光纤放大器主要有拉曼光纤放大器( r f a ) 和布里渊光纤 放人器两种。拉曼光纤放人器具有放大带宽较宽，放大增益与波长无关等优点，但要求有 较高的泵浦功率。布里渊光纤放大器的泵浦阈值功率较低，但放大带宽较窄。由于通信技 术的发展，对光放大器的要求也相应提高。在各类放大器中，拉曼放大器由于其自身的优 点，脱颖而出，成为目前研究的热点。与技术较成熟的掺铒光纤放大器( e d f a ) 相比， 拉曼光纤放大器有如下的优点i ： 1 、可实现全波段放大。拉曼散射增益波长主要由泵浦波长决定，故选择适当波长的泵 浦，理论上可实现任意波长的放大，可得到比e d f a 宽得多的增益带宽。 2 、增益介质是传输光纤本身，可对光信号进行在线放大，实现长距离的无中继传输和 远程泵浦，且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号功率较小，从而 可降低1 # 线性效应特别是四波混频( fw m ) 效应的干扰。 3 、拉曼光纤放大器的噪声指数( n f ) 比e d f a 低。两者配合使用，可降低系统的噪 声指数，提高信噪比，增加无中继距离。 4 、增益频谱宽。利用多个波长的泵浦，可实现较宽的平坦增益谱。 由于具备这些优点，拉曼光纤放大器尤其适用于长距离和海底光缆通信系统。结合波 分复用( w d m ) 技术，可以简便、有效地对已经铺设的大量的1 3 a n 的光通信系统实现 升级扩容和1 5p m 光通信系统的带宽扩展。 拉曼光纤放大器从结构上可以分为分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。分布式拉 曼放大器所用的增益光纤很长，一般是几十干米：泵浦功率可以降低到几百毫瓦；主要辅 助e d f a 用于d w d m 通信系统性能的提高，抑制非线形效应，提高信噪比。分立式拉曼 放大器所用的增益光纤相对较短，一般几千米；泵浦功率很高，一般几瓦到几十瓦，可产 生4 0 d b 以上的高增益；主要用在要求高增益、高功率及e d f a 不能放大的波段，可以作 为后一级放大器和预放大器，它作为接收机的光前置放大器可以提高接收机的灵敏度。 1 2 2 拉曼光纤放大器的历史、现状和趋势 2 第一章绪论 拉曼现象在1 9 2 8 年被c h a n d r a s e k h a r ar a m a n 爵士所发现。利用光纤中的拉曼增益对光信 号进行放大，是人们最早研究的光学放大方法”。从1 9 7 2 年首次在光纤中发现受激拉曼散射 现象开始”1 ，人们对其进行了大量的研究，并对其可能的应用进行了探索。其应用主要有两 个方面：拉曼光纤激光器和拉曼光纤放大器。到了2 0 世纪8 0 年代，因为其在光纤通信中的应 用潜力，拉曼光纤放大器获得了广泛的重视”。但是，因为拉曼散射是一种非线性效应， 所以需要的泵浦功率比较高，一般需要大于5 0 0 m w 。在9 0 年代初期，人们又发明了e d f a ，e d f a 需要的抽运功率比较低，在1 5 5 0 h m 传输窗口中要获得和拉曼光纤放大器相似的增益只需要 l o o m w ，拉曼光纤放大器的研究就陷于停顿。e d f a 很快发展成熟并得到了广泛应用。 近年来，随着高功率二极管抽运激光器和光纤光栅技术的发展，泵浦源的问题得到了很 好的解决。拉曼光纤放大器由于其自身固有的优点，以其丰富的商业价值赢得了人们越来越 多的重视，成为了通信技术中的新宠儿。目前，l3 ，删、i 4 脚、l - 5 7 2 j 聊和1 6 j m 的 多个波段的拉曼光纤放大器均有报道，增益带宽在l o o n m 以上、峰值增益4 0 d b 以上的光纤拉 曼放大器的成功实验不断出现。在每年的世界光纤通信会议( o f c ) 上，都有若干篇拉曼光纤 放大器的研究报告，成为世界范围内的研究热点之一。其应用也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、超短光孤子产生和超连续光源。 晟近几年，拉曼光纤放大器的研究出现了一些新特点：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。由于单波长泵浦的拉曼增益谱较窄，带宽一般在 l o n m4 0 n m 左右，难以满足宽带通信的要求，多波艮泵浦己逐渐占主导地位。文献“。”1 分别 用1 2 个波长信道的波分复用激光二极管单元和三波欧级联光纤拉曼激光器作泵浦光源，分别 得到了1 0 0 n m * d l l 4 n m 的增益带宽。2 、拉曼光纤放大器与掺稀土光纤放大器结合构成的混合 型放大器成为热点“4 1 ”。这类放大器具有宽带宽、高增益、低噪声、高输出功率的优点。其 中土要有两类：拉曼光纤放大器掺饵光纤放大器混台放大器和拉曼光纤放大器掺针光纤 放大器混合放火器，而前者居多。3 、i 3 z 删波段的拉曼放大器日益受到重视”1 。从世界 范围来看，现有铺设的多为工作窗口在1 3 j 肼波长区的普通单模光纤。人们想利用r f a 对已 经铺设的大量的1 3 a m 的光通信系统实现升级扩容。4 、在目前的大容量长距离d w d m 系统的 传输实验中，都能见到拉曼放大的身影。”1 。女1 2 0 0 1 年3 月，a l c a t e l 采用双向拉曼放大技术 实现了1 0 2 t b s l o o k m i l 3 t b s 3 0 0 0 k m 的d w d m 系统传输实验。同时，n e c * u 用拉曼放大技 术也实现1 09 2 t b i t s x1 1 5 k m 的d w d m 系统传输实验。r f a 已逐步走向商用，s h u n a m i k i 等人实 现了带宽l o o n m 、增益平坦小于0 5 d b 的r f a ；通过使用r f a ，富士通展示的系统传输距离从5 0 k m 增至8 0 k m ( 2 1 l 1 0o b s ，传输7 2 0 0 k m ) ；朗讯从8 0 k m 增i u l o o k m ( 8 0 xl og b s ，传输3 2 0 0 k m ) ： 3 东南人学坝士学位论文 n t t 实现了间隔为2 5 g h z 的超密集波分复_ | 传输( 1 0 0 1 0g b s ，传输4 x 8 0 k m ) 。2 0 0 2 年1 2 月， 我国针对超长跨段的s d i t 线路的实际情况，首次应用拉曼放大器实现了长跨距s d h 光传输。使 j l | ；j r f a ，使2 5 ( ；b s 系统接收灵敏度分别提升到一4 2 d i s h 和一4 4 d b m ：线路跨距超过2 0 0 k m ：在线 路衰耗达到5 4 db i i l 的条件下，线路余量达i j 7 d b 。 从理论分析和近几年的发展状况看，r f a 的发展趋势为：一是用分布式放大提高系统 性能或给系统升级：二是用于宽带放大( 包括与掺杂光纤放大器组成混合放大器) ，提高系 统容量；利用拉曼光纤放大器实现光孤子传输也是一个研究方向。为了使拉曼光纤放大器 更快、更好的走向实用化，增益平坦、噪声抑制、减小串话、改善分布放大特性等也是r f a 需要解决和改善的问题。在f 一步的研究中，温度、反s t o k e s 波等冈素也将成为研究内容。 1 3 算法研究的意义 拉曼光纤放大器随着实验研究技术的进步而得到发展，对拉曼光纤放大器进行数值模 拟的仿真技术也起了非常重要的作用，它们为设计、制作和优化拉曼光纤放大器提供了必 不可少的参考。实验研究技术的不断改善和创新使理论与实际相结合，并反过来推动了仿 真技术的发展，两者是相辅相成的。总之，精确的仿真对于研制拉曼光纤放大器是十分重 要的。因此，如何找出更有效，更快速的方法来模拟、设计和优化拉曼光纤放大器是非常 值得研究的问题。 目前，模拟算法研究的l ：作主要围绕两方面进行。一方面是对拉曼放火过程的数值模 拟，即在已知泵浦波民、泵浦功率等参数的情况下，获得放大器的各项性能指标( 如增益、 信噪比等) ，我们称之为正向设计。另一方面是对拉曼光纤放大器的优化设计，即在已知增 益的情况下，获得泵浦光波长和功率的组合，我们称之为逆向设计。 拉曼光纤放大器从泵浦方式上可分为前向泵浦r f a 、后向泵浦r f a 和双向泵浦r f a 。 对前向泵浦r f a 进行数值模拟时，因为泵浦光和信号光的边界条件在同一点，所以只需求 解单边值问题的一阶微分方程组。但对后向泵浦的r f a 进行数值模拟时，由于泵浦光和信 号光的边界条件在不同点，就必须求解多边值问题的一阶微分方程组。如果采用普通求解 微分方程组的方法求解，计算量会非常火，收敛速度会极慢。目前，在对拉曼光纤放大器 进行数值模拟时，通常采用打靶法”和平均功率分析法”来解决两点多边值问题。由于 打靶法存在计算量大，收敛速度慢的缺点，平均功率分析法相对来说使用较多。在平均功 率分析法的思想下，又通常采用r u n g e k u t t a 方法和a d a m s 。“方法解微分方程。由于 第一章绪论 r u n g e k u t t a 方法和a d a m s 方法存在稳定- 陛和收敛性与步长相关的问题”，这就要求我们 在保证计算精度和计算速度的前提下，找出一种更好的算法。 在对拉曼光纤放大器进行优化设计时，一般采用遗传算法1 或模拟退火算法“。这两 种算法各有其优缺点，我们有必要找到一种结合其优点、克服其各自缺点的优化算法。 1 4 本论文所做的工作 本文主要围绕以下几方面展开论述： 第一章介绍了拉曼光纤放大器的研究背景，拉曼光纤放大器的特点、历史、现状和发 展趋势，并简单的说明了算法研究的意义。 第二章首先介绍了拉曼放大器的基本原理受激拉曼散射( s r s ) ，从拉曼增益谱和 拉曼闽值两方面对其进行了详细的讨论。接着分析了r f a 的增益及增益饱和、偏振依赖、 噪声和宽带放大等特性。最后简单介绍了r f a 目前的应用情况。 第三章主要讨论多波长泵浦r f a 的仿真。对于多波长后向泵浦r f a 来说，其信号光 与泵浦光的入射点分别在光纤两侧，初值不在同一点，不能直接对耦台方程进行数值求解。 本文提出了一种新的算法。这种算法结合了平均功率分析法的快速和矩阵迭代法的简单易 控制的优点，可以既准确又快速的数值模拟拉曼光纤放大器。本文从理论上验证了这种算 法的准确性，并通过实验进行了进一步的验证，实验结果和数值模拟结果吻合得很好。基 于这种新算法，我们以v i s u nc + + 6 0 为开发工具，系统地编写了面向用户的仿真软件。 该软件综合考虑了在信号放大过程中可能发生的各种效应，包括信号光和泵浦光之间的拉 曼相互作用、泵浦光和泵浦光之间的拉曼相互作用、信号和信号之间的相互作用、瑞利散 射以及温度的影响等，因此结果较为准确并且具有较广的适用范围。 第四章首先简单介绍了影响r f a 增益平坦的因素，然后重点讨论了泵浦波长和功率的 优化设计。我们提出了一种新的优化算法，即基于遗传算法的混合模拟退火算法。该算法 既改善了遗传算法的局部搜索能力、避免了遗传算法未成熟收敛和模拟退火算法不能充分 利用信息的缺陷，又充分结合了遗传算法和模拟退火算法的优点，进一步提高了优化质量 和搜索效率。在v i s u a ic + 十6 0 下编程实现该算法，优化设计了c + l 波段增益平坦的r f a 。 第五章根据理论分析和仿真软件，设计了分布式r f a 的实验方案，确定了实验系统装 置，实验结果与理论预期有较好的一致性。 最后是本文的结束语。 东南大学硕士学位论文 第二章拉曼光纤放大器的基本原理、特性及应用 如果一个弱信号与一个强泵浦光同时在增益光纤内传输，其信号波长位于泵浦光的拉曼 增益谱带宽之内，这样此弱信号可被放大。由于这种放大的物理机制是受激拉曼散射( s r s ) ， 所以称之为拉曼光纤放大器。 2 1 受激拉曼散射 受激拉曼散射是非线性光学中一个很重要的非线性过程。拉曼散射过程的主要特点， 是散射光子的能量与方向相对于入射光子而言都发生变化。与此相应，散射分子的能量与动 量也相应发生变化。从以上的意义上来讲，拉曼散射相当于分子与入射光子间的非弹性碰撞 过程”。受激拉曼散射从量子力学的观点来看，可描述为，一个人射泵浦光子通过光纤的非 线性散射转移部分能量，产生另一个低能和低频光子，称为斯托克斯频移光，而剩余的能量 被介质以分子振动( 光学卢子) 的形式吸收，完成振动态之间的跃迁( 见图2 1 ) 。斯托克 斯频移= u 。一q 由分子振动能级决定，其值决定了s r s 的频率范围，对非晶态石英光纤， 其分子振动能级融台在一起，形成了一条能带，因而可以在较宽的频差u 。一噱范围( 4 0 t h z ) 内通过s r s 实现信号光的放大。 j 啦羔 黝髟澎移黝 图2 - 1光纤受激拉曼散射的能级跃迁过程 2 1 1 拉曼增益谱 在早期单模光纤的受激拉曼散射实验中，s t o l e n 等人测得了石英光纤中的拉曼增益系数 踟。孙一般与光纤芯径的成分有关，对于不同的掺杂物，g r 有很大的变化。图2 显示了 泵浦波长为= 1 a m 时，石英光纤中g r 与频移的变化关系。 从图2 - 2 中可以看出，石英光纤中拉曼增益谱的最显著特征是，g 。有一个很宽的频率 6 第二章拉曼光纤放大器的基本原理、特性及应用 范围( 达4 0 t h z ) ，并且在1 3 t h z 附近有一个较宽的主峰，这些特性是由石英玻璃的非晶特 性所致。分子的振动频率展宽成频带，这些频带交迭并产生连续态。结果，与大多数介质在 特定频率上产生拉曼增益情况相反，石英光纤中的拉曼增益可在一很宽的范围内连续的产 生。故光纤可用作宽带放大器的增益介质。 善 誉 盖 吾 图2 - 2 泵浦波长为乃= 1 m 时测得的石英的拉曼增益谱 2 1 2 受激拉曼阈值 为了进一步了解受激拉曼散射的产生过程，我们假设一频率为咋的泵浦光在光纤中传 输a 如果频率为k 的信号光在光纤的输入端与泵浦光同时入射，只要频差二q 位于图2 2 拉曼增益谱的带宽内，信号光就会由于拉曼增益被放大。如果光纤输入端仅有泵浦波入射， 自发拉曼散射产生的信号将起到信号光的作用，并在传输过程中被放大。因为自发拉曼散射 在整个拉曼增益谱宽内产生光子，所以所有的频率分量都被放大，但对应舒最大的频率分 量建立最快。对于石英光纤，g r 的最大值所对应的频率是泵浦频率下移1 3 2 f t z ( 4 4 0 c m l ) ， 当泵浦功率超过某一阂值时，此频率分量近似指数增长。为了得到拉曼闽值，在连续波情况 n 考虑泵浦光和斯托克斯光问的耦合方程， a 心强i ：i ； 1 2 。1 ) d 心一导g j ：鸭i p 呱幻 7 末南大学硕士学位论文 式中晖、口。分别表示斯托克斯光和泵浦光的光纤损耗。 为7 估计受激拉曼闽值，我们忽略由于信号光与泵浦光耦台所造成的泵浦损耗，即方程 ( 2 2 ) 中的右边第一项，可轻易的解出此方程。将此解代八方程( 2i ) ，得到 d 乡乏= g 。l e x p ( z ) c 一。，o ( 2 ，3 ) 式中，0 是泵浦光在z = 0 处的入射光强。解方程( 2 3 ) 可得 ( 上) = 1 ( 0 ) e x p ( g r 厶厶一口，三) ( 24 ) 式中k2 去 1 一唧( - a p l ) l ，由于光纤对泵浦的损耗，实际光纤长度三由有效互作用长 度取代。 一般，我们将受激拉曼散射的阈值定义为使孙厶一吼三= 0 时的入射泵浦功率a 2 2 拉曼光纤放大器的特性 在了解了拉曼光纤放大器的工作原理受激拉曼散射后，我们对拉曼光纤放大器的一 些特性进行进一步的研究。 2 2 1 拉曼光纤放大器的增益及饱和特性 拉曼光纤放大器的增益一般从两个方面考虑。大多数情况下，泵浦光的有无会引起信号 光输出功率的变化，以有泵浦光时信号光的输出功率与无泵浦光时信号光的输出功率之比定 义，这种增益叫做开关增益。以信号光输出功率与信号光输入功率之比定义，这种增益称 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 ) + 光纤损耗( d b ) 。 在连续波或准连续波工作条件下，拉曼光纤放大器的开关增益可由方程( 21 ) 、( 22 ) 得到。如果信号光强度4 ( z ) 比泵浦光小得多，泵浦光的消耗可以忽略，这样放大器输出端 z = l 处的信号强度可由方程( 2 4 ) 给出，因为没有泵浦时l ( 上) = ，。( 0 ) e x p ( 一口。l ) ，所 以开关增益为 ga=黑-ei x p ( g 。异心) ( 25 )(0)ex p ( 一1 2 s l 、 “”。7 甜7 s 第二章拉曼光纤放大器的基本原理、特性及应用 式中昂2 厶岛，是放大器输入端的泵浦功率。 如果假设泵浦光和信号光在光纤内的损耗是相同的( q ；a 。) ，通过解方程( 2 1 ) 和 ( 2 2 ) 可得到拉曼光纤放大器的饱和增益g 的近似表达式 q = + g 月一( ( 2 6 ) 式中= 等，与光纤输入端的信郢泵浦功率舭值有关。当q a ，时，饱和增益 减小一半( 或3 d b ) ，此时放大信号的功率已开始接近泵滇光的输入功率“1 。实际上，泵浦光 的输入功率是拉曼光纤放大器饱和功率的一个很好的量度。 2 2 2 拉曼光纤放大器的偏振依赖特性 拉曼光纤放大器存在偏振依赖特性，即拉曼增益与泵浦光和信号光的偏振态有关”1 。当 信号光和泵浦光的偏振态完全一致时，此时受激拉曼散射作用最强，得到的增益最大。当信 号光和泵浦光正交偏振时，受激拉曼散射几乎停止。在通信系统中，为了避免由于偏振依赖 特性引起的信号光增益的不均匀，我们必须对泵浦光进行消偏处理。一般是将线偏振光转变 为圆偏振光。 2 2 3 拉曼光纤放大器的噪声特性 在应用中，放大器的噪声特性是一项重要指标。拉曼光纤放大器中噪声产生的原因主要 有：泵浦光波动耦合进信号光，由受激和白发布里渊散射引起的放大器自发辐射( a s e ) ，瑞利 散射噪声，热噪声以及由受激布里渊散射造成的泵浦光损耗( 对信号和a s e 的损耗可以忽略) 拉曼共振四波混频( 需要相位匹配) 等等。其中主要是前面四种，其产生机靠4 各不相同。下面 对拉曼光纤放大器的几种主要噪声源的产生原理一一介绍，并简要列举一些降低噪声的解决 方法。 一、泵浦光起伏噪声 在拉曼放大中，由丁上能级光子寿命极短约为3 到6 f s 。这种瞬态增益能导致泵浦光 起伏耦合至信号光中，减小这种噪声通常采用的衰法是利用反向泵浦，原因在于它从泵浦耦 合至信号光的相对强度噪声( r i n ) 小于同向泵浦拉曼放大。 同时，要减小泵浦光起伏噪声，泵浦光源的稳定性自然也是很重要的因素。应用内置布 东南大学硕士学位论文 拉格光棚波长稳定技术的卜p 腔泵浦激光器就很适合于拉曼光纤放大器的应用。因为稳定的 泵浦源能够产生稳定的增益谱并且在多模式结构中有利于避免布里渊散射且易于消偏。 如果要用同向泵浦结构的话，则对泵浦激光稳定性提出更高要求，也就是说泵浦激光的相对 强度噪声要非常小，因为r i n 会通过泵浦传到信号。目前新型的泵浦激光器已经研制出来， 兼具低r i n 和波长稳定的优点，使得即使在前向泵浦结构里由于极弱的r i n 不至于明显影响 信号质晕。理论研究发现，当泵浦光扰动小于一1 l o d b h z 时，起伏噪声可以忽略，目前已经 有相对噪声 一1 4 5 d b h z 的激光二极管投入市场。 二、a s e 噪声 在拉曼放大过程中，泵浦光在放大信号的同时也会对自发拉曼散射产生放大，这种由于 自发拉曼散射沿着光纤经历拉曼放大而产生的噪声称为a s e 噪声，它是r f a 的主要噪声之一， 直接影响了拉曼光纤放大器的噪声特性。 下面主要讨论在后向泵浦情况f 的a s e 噪声理论。 泵浦光的光子数和斯托克斯光的光子数沿光纤长度的变化，有如下两个耦合波方程”1 表 示： 掣- t g , n ，( z ) 干g n p ( z ) ( n 。( z ) + n ( 27 ) 韶 望堕：一n 。( z ) + g n 。( z ) ( n ；( z ) + 1 ) ( 2 8 ) 韶 n 。( z ) 和n ；( z ) 分别为泵浦光和斯托克斯光子数，口。和是泵浦光和斯托克斯光衰 减系数，g 为拉曼增益系数。 现考虑后向泵浦情况，在小信号输入状态下，忽略泵浦光向斯托克斯光的转移能量，则 自发拉曼散射的光子数为“1 ： 洲= t g ( u - ) s p ( 0 ) e x p s 心z + 半， 1 - e x p ( - a z ) 】 a z c 2 - 9 ) 其中g ( 畴一) 是拉曼增益系数，峨是信号光频率，是泵浦光频率rs p ( o ) 指泵浦光在 光纤入口处泵浦光功率密度。整个放大自发拉曼散射总功率可表示为”1 ： p a l ) = f h v - n ；( l ) d v ( 2 1 0 ) 咋 其中h 为普朗克常量。在露五2 ，d l 1 的情况下，且泵浦光消耗可忽略时拉曼 0 第二章拉曼光纤放大器的基本原理、特性及应用 放大器的增益为“ g ：4 _ 3 4 g o s p ( 0 )( 2 1 1 ) 口 此时放大自发辐射功率为： p a l ) “咖降唧击一降+ ， 可以看出在口l 1 情况下，放大背向自发散射光功率与光纤长度无关。 图2 - 3 所示为噪声功率与增益g 在不同光带宽下的关系曲线，其中l = 2 0 0 k m ， 凡= 1 5 8 t m ，光纤损耗取0 2 d b k m ，如图所示。噪声功率迅速随增益增大而增加，当增 益较大时，两者近似成线形关系。 鲁 3 蛊 受 m 如 帅 东南大学硕士学位论文 控制装置中，而连接点置于外部虬便传输光纤的温度可以独立改变。 如图2 4 所示，在1 5 1 7 n m 至91 6 1 2 n m 放大范围内，光纤温度从一2 0 c 到8 0 c 改变，从谱 线可看出短波长噪声较长波k 更为严重，原因正如上面分析的一样，主要是由于泵浦和信号 光波长毗邻而使得自发热辐射提高了，当然短波长损耗较大及泵浦间的受激拉曼散射也有影 响。数值计算和实验结果吻合得很好，可蛆看到在温度从一2 0 e 到8 0 。c 之间短波长有效噪声 大约有l d b 的变化。 总体而言，对宽带拉曼光纤放大器在室温下很难获得3 d b 的量子极限噪声，通常在短波 长情形下，由于泵浦光和信号光波长接近会使自发辐射增大并导致5 - 6 d b 噪声系数。 留2 4 不同温度下热噪声大小对比 四、瑞利散射噪声 瑞利散射是衡量拉曼光纤放大器性能的一个很重要的因素，通常光纤中分子空间分布的 随机性和密度起伏会使入射光经历瑞利散射，而双向瑞利散射顾名思义就是经历了一次后向 一次前向两次散射过挥，由于拉曼增益系数较低使得拉曼放大器光纤跃度在公里量级，在这 神长度下会有明显的双向瑞利散射，它的存在会对分布拉曼放大器的性能产生不利影响，当 背向的放大白发辐射( a s e ) 经瑞利散射反射并在前向由受激拉曼散射获得拉曼增益，这种 对a s e 额外的多次反射和放大会引起光信噪比的恶化。另外，多通道的信号先经过瑞利散射 而形成相互的干扰也会降低信噪比，其表达式为”1 ： 掣= g r p a z ) ( 驰) 十e 。b o ) + r 讹m 。驰) ( 21 3 ) 掣- g 。 p a l z ) ( ) + e p 。- b o ) _ r 吲z m 。p i ( z ) ( 21 4 ) 2 3 z 【 i 一 一 一 一 c q p ) z 札棼授辩 第二章拉曼光纤放大器的基本原理、特性及应用 式中e p h 表示信号光子能量，b o 是光带宽，r 代表瑞利散射因子，聪( z ) ，p ( z ) 分别 表示正向传输信号和瑞利后向散射，g 。代表拉曼增益常数。该方程组忽略了泵浦消耗，因 为信号光和嘴声功率远低于泵浦光功率。 长泵浦情况下通过数值求解或者该方程组解析表达式发现考虑到瑞利散射的影响，分 布拉曼光纤放大器的抽运功率有一个最优值，当抽运功率超过它时，输出光信噪比将会迅速 恶化“。 图2 - 5 为艘向瑞利散射产生的等效噪声随泵浦功率的变化关系，对于不同光纤其最优功 率各不相同。对普通单模光纤s c f ( 吐。2 01 7 5 d b k m ，口。= o 2 2 6 ，光纤长度l o o k m ) 而言， 当泵浦功率超过1 ，2 w 以后，瑞利噪声迅速恶化。图中黑点表示试验结果，可看到理论计算 和试验结果基本符合。 萝 皇。 妥z 赣 神- 2 3 4 0 020 40 6 0 81 01 2t 416 泵浦功率( w ) 图2 - 5 瑞利散射与泵浦功率的关系 对于克服双向瑞利噪声，近来提出了很多改善方法，譬如采用加光隔离器的方法进行= l l 制”“，加入一个隔离器后，光纤被分割成两段，正向光波可以继续传播，而反向瑞利散射波 不能通过隔离器，因此只是在一段光纤内被泵浦反向放大不会在整个光纤长度上累积，所 以产生的d r b 噪声会变小。 对于放大器级联系统，放大器的个数越多，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和传输距离过长，另外还可以 采用双向泵浦的方法降低瑞利散射。 2 2 4 拉曼光纤放大器的宽带放大特性 东南大学硕士学位论文 拉曼光纤放大器很突出的一个优点就是它的“任意”波长放大特性，理论上只要有相应 的泵浦光波就可以对任意信号光放大。这是因为熔融硅光纤属于非晶玻璃，其分子振动能级 融合在一起形成能带，因而可以在较宽频差范围内通过受激拉曼散射实现信号光的放大。拉 曼光纤放大器具有很宽的带宽( 丈于5 t h z ) 。更为关键的是只要能找到合适的、与信号光具 有斯托克斯频差的泵浦光就能对信号光进行放大。采用多波长泵浦的方式，可以构成带宽超 过l o o n m 的宽带放大器。 采用多波长泵浦时，必须考虑泵浦波之间的相互作用。选择合适的泵浦波长和功率的组 台，是宽带拉曼光纤放人器的重要技术之。 2 3 拉曼光纤放大器的应用 由于拉曼光纤放大器具有以上特性，总的说来它主要有如下几方面的用途： 1 、提高系统容量。提高系统容量主要是增加信道复用数，一方面开辟新的传输窗口可 以增加信道复用数。目前商用e d f a 的工作波段在1 5 2 5 n m 一1 6 2 5 n m ，而可以利用的光纤频带 还很宽。要开辟新的传输窗口，就需要有合适频带的光放大器，r f a 的全波段放大特性正好 满足要求。另一方面可通过减小信道间隔来增加信道复用数，但这样会引起四波混频、交叉 相位调制作用增强，信道间串扰等，r f a 的低噪声特性可在一定程度上用来减小信道间隔。 2 、系统升级。在接收机性能不变的前提f ，增加系统的传输速率要保证接收端的误码 率不变就必须增加接收端的信噪比。可采用与前置放人器相配合的r f a 来提高信噪比，从而 实现系统升级。 3 、增加无中断传输距离。无中断传输距离主要由信噪比( o s n r ) 决定。在长距离传输 系统中，由e d f a 来放大，产生的自发辐射噪声积累起来，导致o s n r 的下降，从而限制了无 中继传输的距离。要保持高的o s n r ，必须提高信号光的输入功率，这样会引起较强的非线 性效应。而分布式r f a 的噪声指数( n f ) 较小，故可用于长距离传输。 4 、补偿色散补偿光纤的损耗。采用色散补偿光纤与r f a 相结合的方式，既可以进行色 散和损耗的补偿，同时还可以提高信噪比。 4 第二章多被k 杂浦拉曼光纤放火器的仿真 第三章多波长泵浦拉曼光纤放大器的仿真 为了充分利用拉曼放大器的带宽优势，采用多波长泵浦方式实现超宽带拉曼放大是一种 很好的方法。它的优点是设计灵活，通过适当地调整泵浦光的波长和功率，就可得到某一带 宽内平坦的拉曼增益，而且不需要任何增益均衡器件。同时，因为采