（物理电子学专业论文）宽带光纤喇曼放大器的理论与实验研究.pdf

中文摘要 光纤喇曼放大器是目前公认的下一代光放大器的理想选择。由于喇曼放大具 有噪声低、增益带宽配置灵活等优点，己被证明是延长光纤通信系统的传输距离、 提高系统传输容量的关键技术之一。对光纤喇曼放大器的研究是近年来光放大器 研究领域的一大研究热点。 本论文对光纤喇曼放大器及其设计技术进行了系统的理论和实验研究。本论 文的主要内容如下： 1 对光纤喇曼放大器的增益和噪声特性进行了系统的理论研究和总结。重点研 究分析了泵浦方式、增益水平、光纤长度、信道功率水平等参数对放大器增 益和噪声特性的影响。研究结果对光纤喇曼放大器的设计具有重要指导意义。 2 提出了一种高效、稳定的光纤喇曼放大器仿真算法。该算法以简单打靶法为 基础，并首次将牛顿下山法和b r o y d e n 秩l 法引入其中，显著提高了仿真算 法的收敛速度和稳定性。同时，还提出了一种对打靶法所需的初值进行准确 估计的方法。研究结果表明，与传统的打靶法相比，本文提出的算法的仿真 速度至少提高了4 倍以上。该算法可用于对各种光纤喇曼放大器的增益和噪 声特性进行快速、准确的评价。 3 提出了一种高效的宽带光纤喇曼放大器优化设计方法。该方法通过构造适当 的约束条件，将光纤喇曼放大器的增益和噪声优化问题转变为一有约束非线 性规划问题，以序列二次规划( s q p ) 法作为优化算法进行求解。该方法可 快速地确定实现增益和噪声平坦所需的最佳泵浦波长和功率配置。研究结果 表明，与常见的以遗传算法为基础的优化方法相比，该方法的优化速度平均 提高了约9 倍。 4 首次从理论上提出了一种对光纤喇曼放大器的增益谱进行保形调整的方法并 进行了实验验证。该方法可在保持增益谱的形状基本不变的情况下，通过适 当调整各泵浦波长的功率实现对放大器增益大小的调节。 5 成功研制出国内首台分立式色散补偿型c + l 波段宽带光纤喇曼放大器样机 一台并对其进行了实验研究和性能测试。研究结果表明，该样机工作带宽为 7 5n m ( 1 5 3 0 1 6 0 5a m ) ，可提供1 0d b 以上的净增益；在平均净增益为1 0d b 时，工作带宽内增益起伏约0 9d b ，噪声指数低于7d b 。 关键词：光纤喇曼放大器，光纤通信，打靶法，两点边值问题 a b s t r a c t f i b e rr a m a na m p l i f i e rf f r a ) h a sb e e nr e c o g n i z e da sa l li d e a lc h o i c ef o rt h e n e x t - g e n e r a t i o no p t i c a la m p l i f i e r s b e c a u s er a m a na m p l i f i c a t i o nh a sm a n ym e r i t s ， s u c h 鹤l o wn o i s ea n df l e x i b i l i t yi nb a n d w i d t hd e s i g ne t c 。i th a sb e e np r o v e dt ob e o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st oe x p a n dt h es p a nt r a n s m i s s i o nr e a c ha n di m p r o v et h e c a p a c i t yo f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ti sn o w ah o ts u b j e c ti nt h er e s e a r c ha r e a o f o p t i c a la m p l i f i e r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f r aa n di td e s i g nt e c h n i q u e sa r es t u d i e db o t ht h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l y t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eg a i na n dn o i s ep r o p e r t i e so f f r a sh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e ds y s t e m a t i c a l l y t h e i n f l u e n c eo f t h ed e s i g np a r a m e t e r s ，s u c ha sp u m p i n gg e o m e t r y , g a i nl e v e l ，f i b e rl e n g t h ， a n di n p u ts i g n a lp o w e rl e v e l ，o nt h ep e r f o r m a n c eo f f r a sh a v eb e e na n a l y z e d 2 a ne f f i c i e n ta n ds t a b l ea l g o r i t h mf o rf r a d e s i g nh a sb e e np r o p o s e d b a s e do nt h e s i m p l e s h o o t i n gm e t h o da n db yi n t r o d u c i n gam o d i f i e d - n e w t o nm e t h o da n dt h e b r o y d e n sr a n k - o n em e t h o d ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h es i m u l a t i o ne f f i c i e n c yh a sb e e n i m p r o v e dm o r et h a n4t i m e sc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls h o o t i n ga l g o r i t h m s t h i sa l g o r i t h mc a l lb eu s e dt ot h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f a l lk i n d so f f r a s 3 a ne f f i c i e n tm e t h o df o rt h eg a i no rn o i s eo p t i m i z a t i o no f f r ah a sb e e np r o p o s e d t h i sm e t h o dd e a l sw i t ht h e o p t i m i z a t i o np r o b l e ma sac o n s t r a i n e dn o n l i n e a r p r o g r a m m i n gp r o b l e m t h es e q u e n t i a l - q u d m t i c - p r o g r a m i n gm e t h o dh a sb e e nu s e dt o s o l v et h i sp r o b l e m t h ee f f i c i e n c yo ft h em e t h o dh a sb e e ni m p r o v e da b o u t9t i m e s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d sb a s e do nt h eg e n e t i c - a l g o r i t h m 4 an o v e lm e t h o df o rt h eg a i na d j u s t m e n to ff r aw i t h o u tc h a n g i n gt h eg a i np r o f i l e h a sb e e np r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e d ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t oo u r k n o w l e d g e 5 t h ef i r s td o m e s t i cd i s c r e t ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t i n gc + lb a n df r am o d e l m a c h i n eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yr e a l i z e da n de x p e r i m e n t a l l yt e s t e d t h eb a n d w i d t ho f t h ea m p l i f i e ri s7 5n m ( 1 5 3 0 1 6 0 5n m ) i tc a np r o v i d ean e t g a i nh i g h e rt h a n1 0d b t h eg a i nf l a t n e s si sa b o u t0 9d ba n dt h en o i s ef i g u r ei sl o w e rt h a n7d ba tt h e n e t - g a i nl e v e la b o u t1 0d b k e yw o r d s ：f i b e rr a m a n a m p l i f i e r , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，s h o o t i n gm e t h o d ， t w o p o i n tb o u n d a r y v a l u ep r o b l e m 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，也不包含为获得叁洼盘空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。 学位论文作者签名韩群签字嗍肋z 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘壁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) 导师签名导缝子 签字日期：彻缉月7 日 第一章绪论 第一章绪论 通信技术的发展是人类文明进步的重要推动力量。从古代烽火台的狼烟、驿 站的马匹、近代的电报、电话到现代的卫星、因特网，都无不对社会的政治、经 济、文化、军事以及社会生活的方方面面有着深远的影响，成为时代文明的重要 标志之一。光纤通信是二十世纪通信技术的一大革命性进步。本章从光纤通信发 展史的角度出发，对实现未来全光网络化不可或缺的关键技术之一一光放大技术 进行了全面的综述。重点阐述了光纤喇曼放大器的发展历史、技术现状并对其发 展前景进行了分析和展望。本章最后一节提出了本论文的研究目的和主要研究内 容。 1 1 历史背景 二十世纪末i n t e r n c t 的出现标志着人类社会进入了一个崭新的时代一信息时 代。信息时代的重要特征就是人们对信息的需求急剧增加，信息量呈爆炸式增长， 信息成为经济发展和社会进步不可或缺的因素。通信和计算机是信息时代的两大 支柱，而光纤通信是到目前为止人类发明的最为理想的有线通信方式，以其传输 容量大( 带宽可达3 0 n z ) ，传输速率高( t b i 以以上) 、中继距离长( 可达几百 k m ) 、保密性能好、不易受外界电磁场的干扰以及轻便等优点而成为信息时代的 骄子。 人类利用光来进行信息传递的历史可以追溯到3 0 0 0 多年前中国的烽火台。 虽然这种目视光通信方式的传输距离短、信息量小，但却是当时通信方式的一大 进步。时至今日，某些目视光通信方式如信号灯、旗语等在一些特殊的场合仍在 继续应用。人类历史上第一次现代意义上的光通信是1 8 8 0 年美国大发明家贝尔 进行的“光话”实验。他以日光作为光源，大气作为传输媒质，实现了2 0 0m 的 语音传输。虽然贝尔本人将“光话”视为他一生中最伟大的发明，但由于“光话” 所依赖的光源和传输媒质本身的缺陷，一开始就注定了它无法走上实用化的道 路。“光话”虽然没有实用化，但它为人类探索新的通信方式开拓了新的思路。 由于技术发展水平的限制，贝尔以后的几十年光通信研究裹足不前几近夭折。 实现实用化的光通信必须具各两个条件：一是可靠的高强度光源；二是稳定 的低损耗传输媒介。1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器的研制成功和1 9 6 2 年半 第一章绪论 导体激光器出现，给萧瑟了半个多世纪的光通信带来了第一缕曙光。同时，对利 用玻璃波导来作为光传输媒质的研究工作也在进行当中。但直到上世纪六十年代 中期，最好的光学玻璃的损耗仍高达1 0 0 0 d b k m 。这意味着波长为l l a n 的信号 光在这种玻璃制成的光纤中传输l k m ，要想在接收端探测到一个光子的话，则发 送端的输入光能量要高达2 1 0 s l j 。这相当于太阳在1 0 47 年发出的全部光能( 如 果发射波长全在l l u n 的话) 。这是一个惊人的天文数字【l 】当研究者们山穷水复 几近绝望的时候，英国标准电信研究所的华裔科学家高琨博士1 9 6 6 年7 月发表 了一篇题为“光频介质表面波导”的论文，给光纤研究领域的科学家指出了一条 柳暗花明的道路。高琨指出：光纤的高损耗不是其本身固有的，而是材料中所含 的杂质引起的；如果降低材料中的杂质含量，就可以极大地降低光纤的损耗。他 还预言，通过降低光纤材料杂质含量和改进光纤制造工艺，光纤损耗可以降到 2 0 d b i o n ，甚至更小。这一论断为光纤研发指明了方向。1 9 7 0 年，美国康宁( c o r i n g ) 公司拉制出了世界上第一条损耗为2 0 d b k m 的低损耗石英光纤。同年，半导体 激光器也实现了室温下的连续运转。这两项技术上的突破揭开了光纤通信飞速发 展的序幕，因此1 9 7 0 年被称为“光纤通信元年” 光源和传输媒质的问题解决以后，光纤通信很快走上了实用化的道路，其发 展可谓日新月异。短短3 0 几年来，光纤通信系统已几经更新换代，性能得到了 极大的提高。归结起来，迄今为止光纤通信系统的发展大致经历了4 个阶段： 第一代光纤通信系统( 1 9 7 3 1 9 7 6 年) 采用o 8 5 岬a i g a a s 半导体激光器 作为光源，多模光纤为传输光纤。典型的传输损耗为2 5 - 3d b k m ，中继距离约 弘l ok i n ，传输速率为5 0 - 1 0 0m b i t s 。其标志是1 9 7 6 年美国亚特兰大进行的世 界上第一个实用化光纤通信系统现场实验。 第二代光纤通信系统( 1 9 7 6 1 9 8 2 年) 开始采用当时刚刚研制成功的1 3 1 胂l i n g a a s p 半导体激光器作为光源，1 3 1l a m 多模或单模光纤。典型的光纤损耗为 0 5 5 一ld b k m ，中继距离为2 0 - - - 5 0k m ，传输速率为1 4 0m b i d s 。1 9 8 2 年开始陆继 投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路。 第三代光纤通信系统( 1 9 8 2 1 9 8 8 年) 采用1 3 1i u n 波长单模光纤，光纤损 耗降至0 3 o 5d b k m ，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步 数字系列( p d h ) 的各次群路信号，中继距离为5 0 - 1 0 0k m ，于1 9 8 3 年以后陆 续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。 第四代光纤通信系统( 1 9 8 8 - 1 9 9 6 年) 开始采用1 5 5 斗m 波长窗口的光纤， 光纤损耗进一步降至0 2d b k m ，应用中主要用于建设同步数字系列( s d h ) 同 步传送网络，传输速率达2 5 - - 1 0g b i t s ，中继距离为8 0 - 1 2 0k m ，掺铒光放大器 ( e d f a ) 和波分复用( w d m ) 技术得到了初步的应用。 第一章绪论 上世纪九十年代中期以来，由于i n t e m e t 的出现并在世界范围内迅速发展， 全球通信业务量开始以史无前例的速度爆炸式地增长。图1 1 所示为1 9 9 7 年一 2 0 0 2 年问全球光纤通信系统的语音业务流量和i n t e r n e t 数据业务流量的变化图。 可见i n t e r n e t 的出现是导致通信业务量激增的主要原因。从图中可以看出，自2 0 0 0 年以来，i n t e r n e t 流量呈现出指数增长的趋势。为适应通信量快速增长的需求， 必须不断提高光纤通信系统的传输容量。在市场需求的推动下，光纤通信系统正 向着超高速、超大容量、全光网络化的方向发展。有人将未来的全光网( a o n ) 称为第五代光纤通信系统。 图1 i 全球通信流量年度变化图 全光通信技术是为了克服现有光纤通信系统中较多的电子设备对通信容量 继续提高的限制而提出来的一种先进的光纤通信技术。它的发展目标就是实现用 户之间信息传输和交换的全光化，即数据从源节点到目的节点的传输过程和在各 网络节点的交换过程全部在光域进行。为克服光纤的损耗实现超大容量、超长距 离的全光传输，必须实现对光信号在光域的放大。这就提出了发展光放大器的要 求。 1 2 光放大器的研究与发展 上世纪8 0 年代出现的光放大技术是光纤通信发展史上一次重大的技术进 步。众所周知，在此之前光纤线路中光信号的中继放大采用的是：光一电放大、 第一章绪论 脉冲整形一光的形式，即所谓光一电一光中继模式。这种中继放大方式中，光电 中继放大器对信号脉冲进行整形( r e s h a p i n g ) 、时钟提取( r e t i m i n g ) 及再生 ( r e g e n e r a t i n g ) ，即所谓的3 r 技术。光电中继放大方式存在着严重的缺陷：首 先，光电中继器中的电信号放大、整形、时钟提取和信号再生电路与信号的具体 形式及信号码率密切相关，电路复杂程度相当高，价格昂贵；其次，中继放大器 会受到电子器件响应速度的限制，形成所谓的“瓶颈”效应，制约了光纤通信向 超高速方向发展。光放大器则不同。光放大器对信号的放大是直接在光域完成的， 无需光一电一光转换。因此也就不受信号的调制方式和码率的限制，只要是光信 号波长落在光放大器的有效增益区，光信号便可得到放大。换言之，光放大器对 光信号的码型和码率是透明的。用光放大器取代再生中继器，还有利于拓展光纤 通信系统的带宽，充分利用光纤巨大的带宽资源。由于光纤制造技术的进步，“全 波光纤”的低损耗窗口已涵盖了从1 2 8 0 h m - 1 6 7 5 n m 近4 0 0 h m 的带宽，而目前光 纤通信系统工作的c 带( 1 5 3 0 h m 1 5 6 5 n m ) 和l 带( 1 5 7 0 r i m 一1 6 1 0 n m ) 只利用了 其中很小的一部分，所以还有巨大的可利用带宽。只要有合适的光放大器，就可 以通过开发利用这些带宽资源来极大地提高光纤通信系统的传输容量。 按照材料的不同，光放大器可分为半导体放大器和光纤放大器两类。其中光 纤放大器又可按照工作原理的不同分为掺稀土元素光纤放大器和基于非线性效 应的光纤放大器。目前实用化的光放大器及其分类如图1 2 所示 图1 2光放大器的分类 光纤通信系统中传输过程中的光放大器通常采用光纤放大器。图1 3 所示为 目前光纤通信系统中常用的几种光纤放大器及带宽覆盖范围。值得一提的是光纤 喇曼放大器( f r a ) 由于其特殊的工作机理，是目前唯一能够覆盖整个光纤低损 耗区的光纤放大器。喇曼放大还具有带宽配置灵活、噪声低、平坦性好、结构简 删一一 删叫一 一一一 一一 大大大大走放 m 放放放放挺撕 秘 纤纤纤纤勃里 b 光光光光卿褫 陋 龇龇觥 龇驯黼 型 掺掺掺掺抱光 ：“舛 黼 僻 莓| 微 一 一 一 一 广b 触 龇 ril酬0 第一章绪论 单等一系列优点。因此，近年来f r a 的研究在国际范围内受到了广泛地关注， 得到了长足的发展。f r a 是目前国际上公认的下一代全光放大器的理想选择 它必将在光纤通信系统向着全光网络化方向发展过程中扮演日益重要的角色。 w “d 口盱i i r 肼】 图1 3 光纤通信系统中常用光纤放大器及其带宽覆盖范围闭。 1 2 1 半导体光放大器 半导体放大器是利用电流激励下半导体材料中的受激辐射效应来对信号进 行放大的，其原理和结构与半导体激光器类似。半导体放大器可分为两类：法布 里一珀罗( f p ) 放大器和行波( t w ) 放大器。二者的区别在于端面反射率的不 同。f - p 放大器端面反射率较高，光在两端面间来回反射，产生共振放大，而t w 光放大器端面反射率很低，光在介质中行进的过程中得到放大，然后从输出端输 出，不在腔内产生反射。行波放大器的带宽通常要比法布里一珀罗型放大器大三 个数量级。 s o a 具有体积小、结构简单、易于集成、成本低等优点。但其增益对光的 偏振、工作温度很敏感，信道间串扰严重，噪声较高，与光纤耦合损耗较大，因 此s o a 主要用在全光波长变换、光交换、光开关、光分路器以及光电子集成电 路等方面。光纤通信系统中信号传输过程的光放大一般由光纤放大器来完成。 1 2 2 掺稀土元素光纤放大器 掺稀土元素光纤放大器是在光纤中掺入镨( p r ) 、钕( n d ) 、铥( t m ) 、铒( e r ) 等稀土元素，利用泵浦光作用下稀士离子的受激辐射跃迁来实现对信号光的放大 的。这类放大器的一个显著特点是，放大器的工作带宽与掺杂稀土离子的能级结 第一章绪论 构密切相关。通常掺镨光纤放大器工作在1 2 9 0 - - 1 3 2 0 n m 波长范围，掺钕光纤放 大器工作在1 3 0 0 - - - 1 4 2 0 n m 波长范围，掺铥光纤放大器( t d f a ) 工作在 1 4 2 0 1 5 2 0 r i m 范围，掺铒光纤放大器( e d f a ) 工作在1 5 2 5 - 1 5 6 0 n m 范围。 在众多掺稀土元素光纤放大器中，掺铒光纤放大器是目前在光纤通信系统中 应用最为广泛的放大器。e d f a 具有增益高、效率高、偏振敏感性低、噪声低、 结构简单、易于与光纤系统耦合等优点。由于e d f a 的工作波段恰好位于光纤的 低损耗窗口( c 波段) ，在其出现之初便受到研究人员的广泛关注，发展迅速并 很快在光纤通信系统中得到了应用。e d f a 在历史上第一次实现了信号的全光放 大，极大地提高了光纤通信系统的传输容量，大大促进了光纤通信的发展。e d f a 的发明被称为光纤通信发展史上的一个“里程碑”。 e d f a 主要用于波分复用系统、接入网、光纤c a t v 网、光孤子通信系统等 领域。主要用于信号传输线路中的全光放大器，以补偿光纤损耗，延长通信距离； 也可以用作发射端的功率放大器，以提高发射机的功率；或者用作接收端的前置 放大器，以提高光接收机的灵敏度；还可用于光纤c a t v 网和光纤用户接入网中， 用以补偿光分配器和传输链路造成的附加光损耗等。 1 2 3 基于非线性效应的光纤放大器 非线性光纤放大器就是利用泵浦光作用下光纤中的受激喇曼散射( s r s ) 或 受激布里渊散射( s b s ) 来对信号进行放大的放大器。就光纤本身的材料一石英 而言，它的非线性系数是非常小的。但是由于光纤的纤芯很细，其相对于体材料 的非线性增强因子高达1 0 9 ，即石英光纤中的非线性效应是体状石英的l 矿倍i j j ， 因此只需较低的功率便可使纤芯中的光场达到很高的能量密度。另外，光纤的损 耗很低，有利于非线性效应的积累。当泵浦光和信号光沿着光纤一起传输时，通 过s r s 效应或s b s 效应可以把泵浦光的能量传递给信号光，使信号光得到放大。 由于s b s 只发生在后向且带宽只有3 0 - - - 1 0 0 m h z ，因此光纤布里渊放大器并 不适合用于光纤通信系统中的信号放大。与光纤布里渊放大器不同，s r s 在前向 和后向均可发生，而且光纤喇曼放大器的增益带宽要宽得多。喇曼增益的波长范 围主要由泵浦波长决定，因此只要有合适的泵浦源，理论上可以实现对任意波长 信号的放大。如果采用多个泵浦源同时泵浦光纤，各个泵浦波长对应的增益谱产 生叠加，可以得到宽带的放大，而且增益谱的平坦性可以通过适当调节各个泵源 的功率来进行调节。正是由于f r a 具有一系列的优良特性，近年来引起了各国 研究者广泛的兴趣，得到了突飞猛进的发展。 f r a 在光纤通信系统中的应用主要包括：( 1 ) 单独应用于光纤传输系统， 实现传输系统的全r a m a n 放大：( 2 ) 部分补偿光纤损耗，减少系统中e d f a 的 第一章绪论 数量以降低运营和维护的成本：( 3 ) 与e d f a 混合使用，对e d f a 的增益谱进行 平坦或在e d f a 力所不及的波段提供放大以拓宽放大器带宽；( 4 ) 用r a m a n 放 大在现有系统中开辟新的通信窗口。 光纤喇曼放大器的主要缺点是需要的泵浦功率较高( 几百m w ) 。随着近年 来大功率半导体激光器技术的成熟，这一缺点正变得越来越不重要。毕竟与喇曼 放大所带来的巨大收益相比，这点泵浦功率的成本付出是微不足道的。 1 3 为什么要采用喇曼放大 与e d f a 相比，f r a 有四个突出的优点：( 1 ) 噪声低。喇曼增益系数比e d f a 的增益系数要低得多，要得到与e d f a 相同的增益，f r a 需要的增益光纤长度 要长得多。f r a 对信号的放大是分布进行的。理论和实验均表明：分布式放大 具有集总式放大无法比拟的低噪声优势。( 2 ) 增益带宽配置灵活。喇曼增益的峰 值位置由泵浦波长决定( 而不是取决于特定掺杂离子的能级结构) ，只要有合适 的泵浦源，理论上可以实现对任意波段的信号进行放大。( 3 ) 增益带宽宽，平坦 性易于控制。采用多波泵浦不仅可以增加放大器的带宽，而且可以通过调整各泵 浦波长的功率来对增益谱的形状进行调整。( 4 ) 结构简单。喇曼放大可以在任何 光纤中产生，无需特殊光纤，甚至可以将传输光纤本身变为一喇曼放大器。 提高系统传输容量和降低系统运营与维护的成本一直以来就是光纤通信系 统发展的方向和动力，也是社会信息化发展的必然要求。光纤通信发展史表明， 只有满足这两个标准的新技术、新器件，才会受到研究人员的广泛关注，才会得 到迅速的发展和广泛的应用。由于f r a 的上述优点，它充分满足了这两个标准。 1 3 1 喇曼放大可以提高光纤通信系统的传输容量 提高光纤通信系统的传输容量通常有三种途径：( 1 ) 提高单信道的传输速 率；( 2 ) 减小信道间隔，增加信道数量；( 3 ) 增加可用的传输带宽。这三种途径 在光纤通信系统中都已有比较成熟的技术予以实现。例如，采用电时分复用 ( e t d m ) 技术或光时分复用( o t d m ) 技术可以提高单信道的传输速率；采用波分 复用( w d m ) 技术或密集波分复用( d w d m ) 技术可以增加传输光纤中信道的数 量；采用宽带光放大技术可以增加传输带宽。 由于喇曼放大的低噪声优势，采用喇曼放大可以提高输出信号的光信噪比 ( o s n r ) ，换言之，喇曼放大可以增加系统设计时功率预算的余量。多出来的 这部分预算可以用来提高信道的传输速率，也可以用来增加光纤中的信道数量， 二者均可提高系统的传输容量。例如：h a n s e n 等人的研究结果表明，仅仅通过 第一章绪论 采用喇曼放大，可以将一2 5 0 b s 的系统升级到1 0 g b s ，或者将一单信道1 0 g b s 的系统升级为一4 信道1 0g b s 的系统1 4 j 。 利用喇曼放大的带宽配置灵活和宽带优势可以增加系统的可用传输带宽，在 不改变信道间隔的条件下增加系统的信道数量。一种常见的应用方式就是将f r a 与e d f a 结合使用，用f r a 在e d f a 无法放大的波段提供放大，二者共同构成 宽带的全光放大器。例如：d c tf o u r s a 等人用一c 波段的e d f a 和一后向单波 泵浦的f r a 相结合，得到了总带宽为8 0r i l l 的混合放大器。用该放大器实现了 2 5 6 路码速为1 0g b s 的信号1 1 ，0 0 0k m 的无电中继传输，光放大器间距为5 2 5 k m n 。另一种常见的应用方式是采用多波泵浦来实现纯喇曼的宽带放大器。例如： s n a m i k i 等人采用1 2 个不同波长的半导体激光器作为泵浦源，2 5k m 色散位移 光纤作为增益介质，得到了带宽为1 0 0n m 的无缝放大，在整个带宽内，增益平 坦性优于ld b m l 。 1 3 2 喇曼放大有利于降低光纤通信系统运营和维护的成本 分布式喇曼放大可以延长光纤通信系统的中继距离，减少系统所需的放大节 点的数量，降低系统造价和维护的成本。其原理可通过图1 4 来说明：长距离光 纤通信系统通常是由一个个的中继段构成的。在每个中继段的输入端信号功率水 平不能太高，否则易受光纤非线性的影响而降低信号的质量；而在每个中继段的 末端信号功率水平也不能太低，否则经下一级放大器放大后的信号信噪比会恶 化。由于受这两个条件的限制，在采用集总式光放大器( 如e d f a ) 的系统中， 放大器之问的间距通常被限制在1 0 0k m 左右。而分布式f r a 对信号的放大是沿 光纤分布进行的，信号功率沿光纤长度方向的变化比较缓慢，这既可以避免输入 端输入功率过高带来的非线性影响，也可以避免中继端末端的信号功率过低导致 的信噪比恶化，从而延长了信号的中继距离。中继距离的延长减少了中继站数量， 降低了系统造价和维护的成本。例如，法国a l c a t e l 公司采用喇曼放大器进 龉 雷 d 地 图1 4 分布式放大与集总式放大的比较 第一章绪论 行放大的海底光缆系统中放大器间距达2 5 0k m ，可以用来高质量的传输3 2 l o g b i t s 的信号 7 1 。 另外，宽带喇曼放大可以通过简化系统中放大节点的结构，减少放大器和其 他器件的数量，降低系统成本和维护费用。如图1 5 所示，在采用e d f a 作为中 继放大器的宽带传输系统中，放大节点处对信号的放大是分波段进行的。先由波 段分离器将信号分成c 波段和l 波段，然后将信号分别送入一个c 波段的e d f a 和一个l 波段的e d f a 分别放大，最后再通过一个合波器将两个波段的信号合 波后送入传输光纤继续传输。信号的分离和合波不仅会带来额外的损耗和噪声， 而且使得放大节点的结构复杂、造价和维护成本较高。光纤喇曼放大器可以很容 易地避免这一系列的问题。采用多波泵浦的f r a 的带宽可以很容易地覆盖整个 c + l 波段，因此无需对宽带信号分波段放大；增益的平坦性可以通过适当调节各 个泵浦源的功率来予以调整，无需昂贵的增益平坦器件；结构简单，易于维护。 c - e d l 0 g e - 增益平坦滤波器i s o 一隔离器 图1 5 c + l 波段e d f a 结构示意图 利用色散补偿光纤( d c f ) 作为增益光纤的f r a ，可以实现色散补偿和放 大功能的集成。对于高速光纤传输系统，尤其码速在1 0 g b s 以上的系统，光纤 色散成为信号传输距离的主要限制因素。信号光传输一定距离以后，必须对其色 散进行补偿才能继续传输。常用的一种色散补偿方法是用合适长度的d c f 来对 一定传输距离的色散进行补偿。d c f 模块的接入会带来额外的损耗，例如用于 补偿1 0 0k mg 6 5 2 光纤色散的d c f 模块的损耗约有1 0d b 之多。为了补偿d c f 模块的损耗，从d c f 出来的信号光在进入传输光纤之前通常还必须经一放大器 ( e d f a ) 来进行放大。喇曼放大可以直接利用d c f 作为增益光纤，使色散补偿 模块本身同时具备放大功能。凑巧地是d c f 的喇曼增益系数很高( 约为单模光 纤的7 倍) ，是高效的喇曼放大介质。通过合适的泵浦，不仅可以补偿d c f 带来 的损耗，甚至可以提供额外的增益。无疑这可以使色散补偿节点的复杂程度和造 价大为降低，尤其对宽带光纤通信系统来说更是如此。 第一章绪论 1 4 光纤喇曼放大器的发展状况 对光纤中的喇曼放大的研究开始于2 0 世纪7 0 年代初期。在低损耗光纤出现 后不久，i p p e n 等人就对喇曼放大在光纤通信中的潜在应用进行了讨论并申请了 相关专利【8 1 1 9 7 2 年，r hs t o l e n 等人对光纤中的受激喇曼散射现象进行了研究 9 1 并于1 9 7 3 年首次测得了石英光纤的喇曼增益谱 t o l 。1 9 7 8 年，g a l e e n d e r 等人对 s i 0 2 ，g e 0 2 ，b 2 0 3 和p 2 0 5 等几种光纤中的常见成分的喇曼特性进行了研究，测 得了这些氧化物的喇曼增益谱 i l l 。 到2 0 世纪8 0 年代中期，喇曼放大会给光纤通信系统带来的诸多好处已经为 人们所认识。但由于光纤喇曼放大器需要的泵浦功率较高( 平均每d b 小信号增 益大约需要几十毫瓦的泵浦功率) ，限于当时相应波段高功率半导体激光器的制 造技术，光纤喇曼放大器的泵浦源只能采用笨重的色芯激光器，这大大限制了光 纤喇曼放大器向实用化方向的发展。2 0 世纪8 0 年代中期，掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的研究工作取得重大突破并于9 0 年代初实现了商用化。由于与f r a 相比，e d f a 所需的泵浦功率要低得多( 平均每d b 小信号增益只需几分之一毫 瓦的泵浦功率) ，e d f a 的研究成为了当时全光放大器研究的热点，光纤r a m a l l 放大器的研究工作逐步走向沉寂直到9 0 年代中期，随着半导体激光器制造技 术的进步，适用于光纤喇曼放大器的高功率半导体激光器实现了商用，光纤喇曼 放大器的研究工作又活跃了起来。恰好在这一时期i n t e r n e t 在全球快速发展，信 y e a r 图1 61 9 8 0 年以来e d f a 和喇曼放大器研究顿域发表的文章数量( o s a 和i e e e 会议和期刊) 和提交的美国专利数量的变化图1 1 2 1 。 i西mi，_cm_q口c母momq一-o|loo：c 第一章绪论 息流量的急剧上升也客观上形成了对增加光纤通信系统带宽的需求。研究者们很 快发现f r a 具有一系列e d f a 无法比拟的优点。因此，从9 0 年代中期开始，光 纤喇曼放大器研究领域又重新焕发出勃勃的生机。图1 6 所示为是1 9 8 0 年以后， 国际上每年在e d f a 和f r a 研究领域发表的学术论文数量和提交的美国专利数 量的变化情况，它反映了e d f a 和f r a 在这一时期发展的历程【1 2 1 。从图中可以 看出，从9 0 年代中期开始，f r a 的研究开始呈现出指数增长的趋势。 增益、带宽、平坦性和噪声是评价光放大器性能优劣的主要指标。 喇曼增益的一个重要特性就是增益谱的位置仅与泵浦波长有关系，只要有合 适的泵浦源，理论上可以实现对任意波段的光放大。由于f r a 这种特殊的工作 机理，如果采用多个不同波长的泵浦源同时对增益光纤进行泵浦，各个泵浦波长 对应的增益谱会相互叠加，从而可以实现宽带的放大。多波泵浦带来的另一个好 处是通过适当调整各个泵浦源的功率，可以对放大器的增益谱型进行调整，不用 专门的增益平坦器件就可以得到平坦的增益。因此，光纤喇曼放大器具有增益带 宽配置灵活、容易实现宽带平坦增益的优点。1 9 9 9 年，k i d o r f 等人设计了一个 带宽为1 0 0 n m 的宽带f r a 。他们采用8 个波长同时泵浦，没有采用任何增益平 坦装置，实现了在1 0 0 n m 带宽内增益波动优于1 1 d b 的平坦增益【l3 】。e m o d 等人 用1 2 波泵浦，实现了1 0 0 n m 的宽带f r a ，在整个增益带宽内增益起伏小于 i d b i i 。h m a s u d a 等人用分布式f r a 和分立式f r a 级联的方式，用8 个l d ( 6 个波长) 作为泵浦源，得到了1 3 2a m 的增益带宽。这是目前基于常规光纤 的喇曼放大器带宽的最高记录【1 5 1 。 在f r a 的噪声特性方面，gs m i t h 和j a u y e u n g 等人在2 0 世纪7 0 年代对 光纤中的放大的自发喇曼散射进行了一些初期的探索。1 9 8 6 年，m o c h i z u k i 等人 对f r a 中放大的自发喇曼散射噪声进行了系统的理论和实验研究6 1 。他们的研 究结果表明：后向自发喇曼散射对信噪比的影响要比前向自发喇曼散射大，即与 泵浦光反向的自发喇曼散射要比与泵浦光同向的自发喇曼散射强。1 9 9 8 年， h a n s e n 等人对f r a 中的双重瑞利后向散射噪声( d r b s ) 进行了理论和实验研 究1 1 7 l 。研究结果表明：由于d r b s 的存在，f r a 的光信噪比( o s n r ) 并不总是 随着增益的提高而改善，而是存在一个最佳值。这表明d r b s 是高增益光纤喇曼 放大器中不可忽视的噪声源，该噪声最终会限制f r a 可用的最高增益水平。由 于f r a 的增益光纤较长，信号光在其中的放大是分布式进行的。与e d f a 的集 总式放大相比，实现相同的增益分布式放大的噪声要低得多。噪声的改善有利于 光纤通信系统传输容量的提高和传输距离的增大。例如，h a n s e n 等人的研究表 明，2 5 g b s 的系统仅通过采用喇曼放大就可以升级到1 0 g b s f 4 l ：中继距离可以 扩大到2 5 0 k m l l 研；分布式光纤喇曼放大器与e d f a 混合使用可以将系统的噪声 第一章绪论 指数降低7 d b 以上川。 早期的研究主要集中在对分布式光纤喇曼放大器的研究上。到1 9 9 9 年，分 布式光纤喇曼放大技术已比较成熟，开始投入商业应用。由武汉邮电科学院光讯 科技责任有限公司研制的国内首台分布式光纤r a m a n 放大器也已于2 0 0 3 年在黑 龙江省网通佳木斯本地网s d h 线路上进行- f i 程应用，并取得了较好的效果 2 0 l 。 目前，分布式光纤喇曼放大器已成为几乎所有长距离干线传输系统中不可或缺的 光放大器。 进入二十一世纪以后，随着城域网的快速发展，分立式f r a 的研究在国际 上悄然升温。分立式f r a 与分布式f r a 相比主要存在如下不同：( 1 ) 增益光纤 较短( 一般1 0 - - 2 0 k m ) 。( 2 ) 泵浦功率较高。( 3 ) 所用光纤的喇曼增益系数较大。 这些不同直接导致两种放大器在性能上的差异。例如，由于分立式光纤喇曼放大 器增益光纤较短，可以将它设计成体积较小的模块，便于使用和管理；由于泵浦 功率较高、增益光纤喇曼增益系数较大，使得放大器中各光波间的非线性相互作 用要比分布式光纤喇曼放大器中的强得多，放大器噪声加重。另外，由于分立式 f r a 独立于传输系统之外，可以通过选择合适的增益光纤来与其他功能集成， 例如基于色散补偿光纤( d c f ) 的分立式f r a ，可以将信号放大和色散补偿功 能集成在同一模块中。贝尔实验室的研究人员采用分布式喇曼放大器和色散补偿 型分立式光纤喇曼放大器相结合的全喇曼方案，实现了总容量为5 1 2 t b i t s ( 1 2 8 x 4 2 7g b i t s ) 、信道间隔为5 0 g h z 、传输距离为1 2 8 0k m 的超大容量超长距离传 输。 近年来，f r a 的研究主要集中在放大器性能的优化设计和基于特种光纤( 例 如：光子晶体光纤( p c f ) 、碲化物光纤等) 的分立式f r a 的研究上。 对放大器性能优化设计的研究包括两个方面：仿真和优化。由于f r a 中各 种光谱成分之间复杂的喇曼相互作用，在设计阶段要想对f r a 的性能作出比较 准确的预测，仿真时需要充分考虑这些光谱成分问的相互作用对放大器性能的影 响。这需要求解一个非线性常微分方程( o d e ) 组的边值问题( b o u n d a r yv a l u e p r o b l e m b v p ) 。尤其对于宽带f r a 的设计来说，放大器中相互作用的光波数 量很多，o d e 方程组的规模很大，精确的仿真非常耗时甚至难以实现。因此必 须探索高效、稳定的算法来解决这一问题。最近几年，研究人员已经提出了几种 性能不错的仿真算法。例如平均功率法【2 l l ，打靶法1 2 2 - 2 6 垮。 优化要解决的是如何快速确定泵浦波长、各泵浦波长的功率以及泵浦功率在 前向和后向的分配比例以得到最佳的性能。优化是一个反复迭代的仿真过程，每 一次迭代过程中都需要对目标变量进行修正，用修正后的参数进行仿真，然后根 据仿真的结果再对目标变量进一步修正，直至达到预先设定的优化的目标。可见 第章绪论 高效的仿真是实现快速优化的基础。光纤喇曼放大器的优化问题在数学上