（物理电子学专业论文）宽带分布光纤拉曼放大器的设计及特性分析.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 分布式光纤拉曼放大器( d f r a ) 利用传输光纤本身作为增益介质来放大光信 号。通过选择合适的抽运波长和抽运功率，可以实现宽的增益带宽和高增益平坦度 的光纤拉曼放大器。d f r a 具有低的噪声系数，高的光信噪比，极大地延长传输距 离，降低系统成本，在d w d m 中发挥巨大的作用。本论文结合浙江省科技厅重大科 技项目分布式光纤拉曼放大器的研制来进行研究。包括对g 6 5 2 和d c f 光纤的拉 曼增益光谱的测量研究、s + c 波段的分布式光纤拉曼放大器新的设计和实现、性能 和噪声的测试和分析。提出了降低噪声、提高性能的措施。 论文第一章介绍了光纤拉曼放大器的基本原理，系统、全面地回顾了光纤拉曼 放大器发展的历史和现状，并确定了本论文的选题及研究重点。 论文第二章对光纤拉曼放大器增益光谱的测量进行研究，提出了放大器的关键 因数一一光纤拉曼增益系数测量的新方法。利用较大功率抽运的自发拉曼放大散射 光信号与较小功率作用下的自发拉曼散射光信号的相除提取获得光纤的拉曼增益系 数，与小信号增益法相比，具有快速稳定的特点，得到的拉曼增益谱与s t o l e n 的结 果相符合。并可方便地得出增益与抽运功率的关系。 论文第三章为达到宽带平坦增益的要求，从光在光纤中与光纤介质的相互作用 方程出发，编制了优化设计软件。在龙库算法的基础上，用逐步逼进法设计达到一 定增益平坦度和带宽要求的s + c 波段拉曼放大器结构，并确定了关于抽运方向、波 长和功率的试验方案。 论文第四章根据模拟设计结果建立了1 0 0 跨距的s + c 波段分布式光纤拉曼放 大器实验装置，在几百m w 的小功率激光抽运时，其实际增益带宽特性与模拟设计 结果相符合；对较大功率抽运时，分析了抽运源激光带宽对放大器增益带宽的影响， 并利用几何补偿法对增益带宽进行微调，建立的s + c 波段的分布式光纤拉曼放大器 达到了省科技厅重大科技项目的增益带宽指标要求。本章还对拉曼放大器的传输特 性进行了详细的测试和分析，分析了抽运光与抽运光、抽运光与信号光、信号光与 信号光之间的相互作用，这要对多信道信号传输产生串扰。 浙江大学博士学位论文 论文第五章对三波长( 定波长) 抽运，首次提出了一种新颖的拉曼放大器设计 方法一一动态提取设计法。对一定增益、宽带平坦要求的光纤拉曼放大器，可快速 地确定三波长的功率。这种方法也可推广到其他多波长抽运的拉曼放大器设计中去， 能够获得快速简捷的设计结果。 论文第六章对噪声进行了系统的分析，特别是对a s e 噪声功率的产生和对拉曼 放大器系统的影响进行了测试、分析和讨论。测试了放大器的噪声指数n f 和光信噪 比o s n r ，分析了光纤中信号、抽运方式对o s n r 的影响。从提高系统的光信噪比 o s n r 要求出发，得出了双向抽运方式为首选抽运方案。并分析了光纤接合、隔离 器对放大器o s n r 的影响，提出了改进意见。本章最后分析了抽运源相对强度噪声 i u n 、光纤的双瑞利散射d i m 对系统性能的影响，为放大器性能的提高提供指导意 见。 第七章对论文的工作进行简要的总结，列出了论文的重点及创新点，并讨论了 未来光纤拉曼放大器的研究方向。 关键词：光纤拉曼放大器，动态提取设计，拉曼增益，增益平坦，a s e 噪声，噪声 指数 浙江大学博士学位论文 d i s t r i b u t e df i b e rr 啪a na m p l 讯e r ( d f r a ) m a g n i 匆l i g h ts i g n a ld i r e c t l yb yu s i n g t m s m i t t e d 舶e ra sg a i nm e d i u m t h ew i d e rg a i nb a n d w i d t ha n db e t t e rn a t l l e s sc 趴b e o b t a i n e db yc h o o s i n gp u m p i n gw a v e l e n g t l la 1 1 dp o w c ro fp u m p i n gl a s e rs u i t a b l y d r f a c a np e r f b 哪a ni m p o r t a n tf l l n c t i o ni nd w d m ，b e c a u s eo fi t sl a w e rn o i s ef a c t o ra i l d h i 曲e ro p t i c a ls i 印a ln o i s er a t i o t h e0 p t i c a l 胁e rn 锄s m i s s i o nl e n g 廿1c a l lb ee x t e n d e d a i l dt r a l l s m i s s i o nc o s tc a nb er c d u c e d t h ed f i 认r e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri ss u p p o n e d 掣a v e l yb ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi t e m “r e s e a r c ha 1 1 dm a n u f h c t u r eo nd i s 打i b u t e df i b e r r 锄a i la m p l m e r ”o fz 1 1 e j i a n gp r o v i n c e ni n c l u d e st l l em e a s u r e m e mo fr 锄a i lg a i n s p e c t r ai nd c f 锄dg 6 5 2 ，n e wd e s i 弘锄ds e tu po fs + cb a l l dd f r a ，m e a s u r e m e n ta n d a n a l y z eo fp e r f b m a n c ea n dn o i s e t h ei d e a so fl o w i n gd o w nn o i s ea i l di m p m v i n g p e r f o m l a n c ea r ep u tf o n v a r d i nc h a p t c ro n e ，t l l eb a s i cp r i n c i p l eo ff r ai si n 的d u c e d t h eh i s t o r ya l l da c t u a l i 哆o f d e v e l o p m e n t0 nf r a 眦r e v i e w e d t h er e s e a r c hd i r e c t i o n 锄dk e y s t o n ea r ed e c i d e d t h em e a s u r e m e n to fg a i ns p e c 廿ai nf r ai sr e s e a r c h c di nc h a p t e rt w o an e w m e t h o do fm e a s u r i n go p t i c a lf i b e rg a i nc o e m c i e mi sp u tf o r w 州g a i nc o e m c i e mi sa k e y 丘l c t o ro fd e s i 驴i n g 柚dm a n u f h c t i l r i n gd f r a i ti so b t a i n c db yd i v i s i o no n s p o n t a l l e o u sr 锄a 1 1s c a n e rl i 曲ts i 弘a l su n d e r h i 曲e ra l l dl o 、c rp u m p i n gl a s e rp o w e r t h i sr e s u l ti sa l m o s tc o n s i s t e n tw i t ht l l a tm e a s u r e db ys t o l e n c o m p 撕n gt os m a l ls i g n a l g a i nm e t l l o d ，廿l i s 、v a yi sm o r ef h s ta i l ds 组b l e t h er e l a t i o no fg a i na i l dp u m pp a w e rc a n b em e a s u r e de x p e d i e n t l y 如o r d e rt oo b t a i n 诵d c rb a l l d w i d t l l 锄db e 仕e rn 锄l e s s ，ap m g r a mo fo p t i m i z i n g 锄d d e s i 驴i n gf r a i sa c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt ot t l er e c i p r o c 时o fl i g h t 趾d 助e rm e d i u mi n c h a p t e r 廿l r e e t h eg a i n ，b 孤d w i d ma n dn a l m e s sa r eo p t i m i z e db ye 仃e c t i v es h o o t i n g a l g o r i m mo nt l l eb a s i so fr u n g e k u t t aa r i t l l i i l e t i ci ns + cb 锄d t h et e s ts c h e m ei s d e c i d e da b o u tp u m p i n gd i r e c t i o n ，a v e l e n g ma n dl a s e rp o w e r i nc h a p t e rf o u r ，ad f r a 、o r l d n gi l ls + cb a i l di ss e tu pi n a c c o r d i n gt ot 1 1 e s i m u l a t i i n gd e s i g 芏lr e s u l t n st r a i i s m i s s i o ns p 锄i s1 0 0 蛔t h eg a i n ，b a i l d w i d 廿ia r i d f l a m e s sa r cc o n s i g t e n tw i t l lt l l eo p t i m i dr e s u l ti nal e s sp 砌p i n gl a s e rp o w e ro fs o m e h u n d r e d sm w ，b u tt 1 1 e ya r ed i f l b r e n ti nab i g g e rp u m p i n g1 器e rp o w e r s u c ha s1 5 0 0m w 浙江大学博士学位论文 t h i si sb e c a u s et 1 1 eb a l l d w i d t ho fp u m p i n gl a s e ra f r e c t so nt h ep e r f o m a l l c eo ff r a s o t h ev a r i a n c eo f g a i nf l a t n e s si sa d j u s t e db yg e o m e t r yc o m p e n s a t e d b a l a i l c ei d e a t h eg a i n ， b a i l d w i d t ha n df l a t l l e s sm e e tt h en e e d so fi t e ms u p p o n e dg r a v e l yb ys c i e n c ea n d t e c l l i l o l o g yi t e mo f z h e j i a n gp r o v i n c ef i n a l l y t h et r 锄s m i s s i o np e r f o m a n c eo f d f r a a r c m e a s u r e d 锄da n a l y z e di nd e t a i l ，s i m u l t a i l e i t y t h er e c i p m c i t yo fp u m pa n dp u m p ，p u m p a i l ds i g n a l ，s i g n a la 1 1 ds i g | 1 a li sa n a l y z e d t h i sd i s t u r b sm es i n g a l i nm u l t i c h 锄n e ls i 9 1 1 a l t r a n s m i s s i o n ak i n do fn e wm e t h o dd e s i g n i n gd f r a ( d y n 锄i ce x t r a c t i o nd e s i g n i n gw a y ) a r e f i r s t l yp u tf o r w a r df o r 廿i r e ew a v e l e n g n lp 啪p i n g 鼬e w o r ki nc h 印t e rf i v e t h ep u m p p o h 憎so ft h r e e 、a v e l e n g 吐1 sc a l lb ef o u n dq u i c l ( 1 ya l l dc o n v e n i e i l t l yf b rd f r aw 汕 c e n a i ng a i na n df l a 伽e s s ，锄dm ew a yi sn o tr e p o n e db yd o m e s t i ca n df 醣e i 印t h i sw a y c a i le x t e n dt od e s i g nm u l t i - w a v e l e n g t l lp u m p e dr f a ，a 1 1 dd e s i g nr c s u l t sc 肌b eo b t a i n e d i nc h 印t e rs i x ，n o i s ef a c t o r ( n f ) i sm e a s u r e d ，a i l a l y z e da 1 1 dd i s c u s s e d a s en o i s e 锄di n n u e n c eo nr f a s y s t e ma r er e s e a r c h e de s p e c i a l l y t h en fa l l do s n r a r em e a s u r e d t h ei n n u c n c eo no s n rb ys i g n a l 明dp u m p i n gm o d ei sa n a l y z e d t h eb i _ d i r e c t i o n p u m p i n gm o d ei st l l ep r e f b r r e dp u m ps c h e m eo nm eb a s i so fi m p r o v i n go s n r t h e e 仃e c to no s n ro fr f ab yc o u p l i n ga n di s o l a t o ri ss t i l d i c d s o mm e n d i n gi d e a sa r e p o i n t e do u t n l m ps o u r c er e l a t i v ei n t e n s 蚵n o i s e 柚dd o u b l er a y l e i g nb a c k s c a 船i n ga r e 锄a l y z e d ，t h i sc a np r o v i d eg i l i d 趾c ei d e ai m p r o v i n gt l l ec h a r a c t 酣s t i c so f r f af i n a l l y ab r i e fs u m u pf o rt h i sd i s s 删i o ni sp r e s e n t e di nc h a p t e rs e v e n t h ek e y s t o n ea 1 1 d i n n o v a t i o na r ep u tf b r w a r d f u n h e n n o r e ，也es t u d yt r e i l df o rf r ai sa l s od i s c u s s e d k 盯w o r 凼：o p t i c a lf i b e rr a m 锄锄p l i f i e r ，d y t l 锄i ce x 订删i d e s i g i l ，r 帅a l lg a i n ，g a i n n a t n e s s ，a s en o i s e ，n o i s ef a 咖r 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 二十世纪末，光纤通信以超乎常人想象的速度发展。首先，光纤的传输带宽越 来越宽，目前4 0 g b s 的系统已经进入实用阶段【l 】 ”。同时得到利用的波长范围也越 来越宽，通信波段正在由c 带( 1 5 2 8 一1 5 6 2 姗) 向l 带( 1 5 7 0 1 6 1 0 n m ) 和s 带 ( 1 4 8 5 1 5 2 0 n m ) 扩展。而在将来，随着大容量密集波分复用( d w d m ) 技术的 发展，为进一步挖掘和利用光纤的巨大带宽开辟了一块全新的天地，通信波段可望 扩展到从1 2 岬1 7 岬这样宽广的范围口】【4 】。其次，在传统的长途光纤传输系统中， 为保证信号的质量需要在每隔一定的距离就增加一个再生中继器，它的基本功能是 进行光电光转换，光信号在转变为电信号时进行3 r ( r e g e n e r a t i n g ，r e s h a p i n g ， r 就i m i n g ：再生、整形和定时) 处理，处理过后的电信号再被转换成光信号并使其 沿线路继续传输。显然，这种方式十分烦琐，并且电子设备复杂度很高，随着传输 距离的增加，传统的光电光中继方式成本的迅速增加，可靠性也不好。随着光 网络的发展，特别是d w d m 系统和超长传输的出现，传统的中继方法的局限性变得 日益突出。面对这种局限性，人们一直在努力寻找一种能直接对光信号进行放大的 中继方式。这种方式能极大的延长传输距离、降低系统成本、并且对信号的格式和 速率具有高度的透明性，使得整个系统更加简单、灵活、高效、低廉。因此研制光 放大器就显得至关重要。 光放大器的研究最早可追溯到1 9 6 0 年激光器的发明，但是光放大器真正实用化 的研究却是在1 9 8 0 年以后。这期间随着半导体激光器特性的改善，首先出现了利用 半导体技术的半导体光放大器s o a ，半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增 益高，容易集成，适宜同光波导集成、和光电集成电路结合使用；但缺点是与光纤 的耦合损耗大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。随着光纤技术的发展，出 现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器( f r a ) ，1 9 7 2 年s t o l e n 首次在光纤中发 现了受激拉曼散射现象以来【5 j ，人们对其进行了大量的研究。f r a 利用了光纤中的 受激拉曼散射对光信号进行放大，是人们最早研究的光纤信号放大方法之一【6 】。在 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代，光纤拉曼放大器曾经得到了广泛的重视川”。但是，因为拉曼散 射是一种非线性效应，需要的抽运功率比较高，而当时大功率激光器的技术还不成 熟，这就对拉曼光纤放大器的应用造成了极大的限制。另一方面，在1 9 8 7 年，英国 南安普敦大学和美国a t & tb e l l 实验室报道了稀土元素铒在光纤中可以提供1 5 5u m 波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器( e d f a ) 的研究取得突破性进展。短 短几年时间，e d f a 迅速走向实用化【1 0 【1 ”，并且在越洋长途光通信系统中得到重要 的应用。由于光纤放大器的问世，在1 9 9 0 年到1 9 9 2 年不到两年的时间里光纤系统的 容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8 年时间。 这明确表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。 到了二十世纪九十年代末，随着光纤通信技术的进一步发展，通信波段迅速扩 展，e d f a 的带宽不能满足未来光纤通信发展的需求，而且e d f a 噪声、非线性效应 比f r a 大 1 2 】 1 4 】，因此受到局限；光纤拉曼放大器却正好可以在此发挥巨大的作用。 与传统的e d f a 相比，通过选择合适的抽运波长和抽运功率，可以控制拉曼放大器 获得宽的放大带宽和增益平坦性，并且可以降低传输系统的噪声系数，改善光信噪 比。同时高功率二极管激光器抽运源和光纤光栅技术也有了重大的突破【1 5 】【1 7 】，光源 问题也得到了解决。而且f r a 又具有一些e d f a 无法比拟的优点【1 8 】，因此再度受 到了广泛的重视而成为研究热点。 1 1 光纤拉曼放大器的基本原理和特点 1 1 1 基本原型1 卿 光纤拉曼放大器利用了光纤中介质的受激拉曼散射现象。拉曼散射可以看做介 质中的分子振动对入射光的调制，即分子内部粒子之间的相对运动导致分子感应电 偶极矩随时间的周期性调制，从而对入射光产生散射作用。设入射光的频率为纯， 介质分子的振动频率为q ，则散射光的频率为q = 纬一q 和吼= + q 。频率为 q 的是斯托克斯散射光，频率为唿的是反斯托克斯散射光。 浙江大学博士学位论文 从量子力学的观点，又可以将拉曼散射看成为：在入射光和介质分子相互作用 时，光子吸收或发射一个声子。光纤分子拉曼能级图如图1 1 所示。光纤中拉曼声 子频率为y = 1 3 2 1 0 ”h z 。被散射的光子可分为斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子， 当光子发射一个声子时： 当光子吸收一个声子时 h 。= h v p h 心 图l l 光纤分子拉曼能级图 帆= + v( 1 2 ) 式中v ，k 和v 甜分别为抽运光( 入射光) 、斯托克斯( s t o c k s ) 拉曼散射光和反斯 托克斯( a n t i s t o c k s ) 拉曼散射光的频率，p = 2 删p ，s = 2 删。，矿2 7 c 。 1 9 7 2 年，s t o l e n l 5 】等在实验中首次观察到了单模光纤中的受激拉曼散射现象： 如果光强超过一定的阈值，斯托克斯散射光快速增加，大部分的抽运光都可以转换 成斯托克斯光，这种现象就叫做受激拉曼散射。在连续光作用的情况下，s t o c k s 的 散射光可描述为： 冬：嘣 舷 ( 1 3 ) 式中，五是s t o c k s 散射光强，是抽运光强，舒是拉曼增益系数，它与自发拉曼辐射 的截面积有关。一般与光纤纤芯的成分有关，对不同的掺杂物，孙有不同的数值 2 ”。 第一章绪论 在光纤中，由于纤芯的非晶特性，分子的振动频率展宽成频带，交叠产生连续态， 结果与大多数介质中的特定频率上产生拉曼增益不同，石英光纤中的拉曼增益可在 一很宽的范围内连续产生，记为孙( 啷一s ) 。考虑到光纤损耗，当抽运光和s t o c k s 散射光同向传输时，抽运光和s t o c k s 散射光的相互作用符合下列耦合波方程： 毫i g r i p l ；飞i pq q 誓= 一鲁鹕一 ( 1 _ 5 ) 其中a ，和。分别是在s t o c k s 散射光频率和抽运光频率处的光纤损耗系数。式( 1 5 ) 右边第一项表示抽运光对斯托克斯光作用的损耗。光纤拉曼放大器就是利用光纤 中的受激拉曼散射而构成的，其基本结构如图1 2 所示，信号光在光纤内正向传输， 抽运光通过w d m 耦合进传输光纤，抽运光可以正向输入也可以反向输入，也可以 双向输入【2 0 】【2 2 】。 撼避沌 图1 2 光纤拉曼放大器的原理图 光纤通信中，信号光强总是远小于抽运光强，可以忽略抽运光对s t o d 口光作用 的损耗，即在式( 1 5 ) 右边第一项忽略的条件下，由式( 1 4 ) 和( 1 5 ) 可以 解出： l ( 三) 2 ( o ) e x p ( g 一厶k 一吒上) ( 1 6 ) 式中，( 0 ) 是z = o 处的信号光强，上够为光纤的有效作用长度： 浙江大学博士学位论文 铲去。唧h 三) 】 没有抽运光作用时， ( 三) = t ( 0 ) e x p ( 一哎上) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 所以放大器的增益： q = 而翻- e x p ( g 一晶如) ( 卜9 ) 式中只是放大器的抽运光输入功率，如是光纤的有效截面考虑抽运光与s t o c k s 散射光偏振不一致时，增益写成 g = 唧( g 妒止明垅彳动( 1 1 0 ) 以d b 为单位的增益： g = 4 j 镪t 矿膳一玎 ( 1 1 1 ) 这里k 为偏振系数，当抽运光与信号光偏振完全一致时，k j l 。对一般石英光纤，采 用非偏振的光纤激光器输出光抽运时，k = 2 【2 3 】。 如果一束频率为皑的信号光在输入端入射，只要频率差= 邮一。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。如果没有信号光，则自发拉曼 散射产生的散射光将在传输过程中被放大。 1 1 2 光纤拉曼放大器的特点 光纤拉曼放大器有以下突出的特点阱】： l 、其增益波长由抽运光波长决定，只要有合适波长的抽运源，理论上可以对任 意波长的信号进行放大。这样光纤拉曼放大器可以放大e d f a 所不能放大的波段， 而且使用多个抽运源还可得到比e d f a 宽得多的增益带宽。 第一章绪论 2 、分布式光纤拉曼放大器其增益介质为传输光纤本身，不需要特殊的放大介质， 这样就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。 4 、分离式光纤拉曼放大器，既有放大功能，又有色散补偿作用。但是，拉曼放 大器也有一些缺点：不光是抽运光对信号光产生作用，信号光对信号光之间也会有 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 b s ) 2 5 j ，从而降低信噪比。 1 - 2 光纤拉曼放大器的基本种类 按照抽运源的不同，光纤拉曼放大器可以分为半导体激光器抽运f r a ，光纤激 光器抽运f r a 和固体激光器抽运f r a 。固体激光器抽运f r a 【2 6 】由于结构较大，只 在实验室中作为拉曼放大实验用，不适合于实际应用。市场上第一个商品化的光纤 拉曼放大器一一美国康宁公司的c o m i n gp i l r e g a i n5 0 0 0 r 拉曼放大器【2 7 】采用的就是 第一种方案，其光源采用的是四对半导体激光器，每个波长有两个偏振方向互相垂 直的半导体激光器、通过偏振合波器耦合在一起，然后再耦合进光纤中，如图1 3 所示( 图中只画出二对半导体激光器) 。它能够在4 0 0 k m 的l e a f 光纤中实现4 0 g b s 的传输，增益1 0 d b 。用半导体激光器抽运的拉曼放大器比光纤激光器抽运的效率低， 抽运源相对强度波动引起的噪声较大，成本也较高，但抽运波长可以较灵活地选择。 6 浙江大学博士学位论文 蝰孰 攫 图1 3 半导体激光器抽运方案 第二个方案是采用光纤拉曼激光器作为抽运源，i p g f 2 8 】和k e o p s y s 2 叼等公司目 前可以大量提供光纤拉曼激光器，如图l 一4 所示。拉曼光纤激光器利用多模半导体 激光器抽运特殊的大孔径双包层光纤，然后再去抽运级联的拉曼谐振腔，将最终输 出波长移到1 4 5 0 n m 附近，并实现单模激光输出。拉曼谐振腔可以利用低损耗布拉 格光纤光栅制作，最终的转换效率可以很高，输出功率可以高达数瓦。而且，单个 光纤拉曼激光器还可以输出多个波长的激光，它对拉曼放大器的抽运效率高，抽运 源引起的噪声可以忽略，但对于一个激光器，它的波长组合固定。目前国际上光纤 拉曼激光器的发展已相当成熟，价格已降到可以接收的程度，这种方案的应用将越 来越广泛。 ( a ) 皿l g 公司光纤激光器 ( b ) 硒呻s y s 公司光纤激光器 图l 一4 7 第一章绪论 按照抽运光波长个数，光纤拉曼放大器可以分成单波长抽运f r a 和多波长抽运 f r a 。单波长抽运结合增益平坦滤光器用于宽带放大增益f r a 中，也常用于信道个 数不多的f r a 中。多波长抽运f r a 采用不同的抽运波长组合，并经优化设计获得 宽带平坦的拉曼增益。 按照抽运光和信号光是同向传输还是背向传输，光纤拉曼放大器可以分成三种， 即同向抽运、背向抽运和双向抽运。同向抽运中，抽运光和信号光同步传输，所以 抽运光的相对强度噪声( i u n ) 会在放大信号的同时带来噪声3 0 1 ，而且还有一定的 偏振相关增益( p d g ) 影响 3 1 】，但其有较低的a s e 。背向抽运中，抽运光和信号光 的传输方向相反，拉曼抽运的r i n 和p d g 可以得到平均而降低，且增益高，信号 小，非线性影响小，但光信噪比( 0 s n r ) 受到影响。双向抽运中，既有和信号光 传输方向相同的抽运光，也有和信号光传输方向相反的抽运光，光纤放大器的性能， 如o s n r 、非线性影响等得到折中而越来越被重视 3 2 1 。 按照增益介质的不同，光纤拉曼放大器可以被分为分离式光纤拉曼放大器和分 布式光纤拉曼放大器。 分离式光纤拉曼放大器和e d f a 类似，其有专门的增益光纤。图l 一5 是分离 式拉曼放大器的的结构框图。分离式拉曼放大器的增益介质是掺有拉曼增益系数较 高的材料( 如g e 0 2 、p 2 0 5 等) 的石英光纤，长度相对比较短，一般在1 0 k m 以内。 其抽运功率要求比较高，一般为1 w 以上，增益可以达到数十d b 以上。分离式拉 图l 一5 分离式光纤拉曼放大器 浙江大学博士学位论文 曼放大器主要被应用于e d f a 不能放大的波段，可以用作前置信号放大器( 直接放 在接收机的前面，放大信号) 、后置功率放大器( 直接放在输入信号的后面，放大输 入功率) 以及在线放大器( 在传输过程中，每隔8 0 一1 0 0 k m 放置，放大衰减信号) 。 n s h i b a 扭用不同的光纤分别做增益放大介质比较得出，色散补偿型光纤( d c f ) 是得到高增益分立式拉曼光纤放大器的最佳选择【33 1 。色散补偿型光纤在对信号进行 高增益、低噪声的放大的同时，还可以进行系统的色散补偿，而且互相不影响口”。 分布式拉曼放大器不需要专门的增益介质，利用系统本身的传输光纤作为增益 介质。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为数十公里到一百公里左右，抽 运源的功率也可以比较低，如几百毫瓦，如图1 6 所示。目前分布式拉曼放大器的 用途比较广泛，一个是和e d f a 级联使用口”，构成混合放大器以扩展放大带宽用在 d w d m 系统中，抑制非线性效应，提高信噪比。另外也单独应用于超长距离的 d w d m 系统中，提高系统无中继传输的距离【3 6 】。当然，它也可以用于用于e d f a 不能放大的波裂3 7 】。 图1 6 分布式光纤拉曼放大器的系统框图 1 3 光纤拉曼放大器的发展历史和现状 1 9 2 8 年，c v r 锄a 1 1 和k s k r i s h n 锄发表了论文，在论文中他们描述了四氯化 碳液体中的拉曼散射现象。在同一年里俄国物理学家g s 工a n d s b e r g 和l i m 锄d e l s t a i l l t l 也独立在石英中观察到了拉曼散射现象。1 9 7 2 年，s t o l e n 等在实验中 第章绪论 首次观察到了单模光纤中的受激拉曼散射现象( s r s ) 。这个实验是光纤拉曼放大 器历史的开端，并提出了光纤中的拉曼放大可以用在通信系统中p 。 到了二十世纪八十年代，随着光纤通信系统的发展，对光放大器的需求逐渐迫 切，光纤拉曼放大器得到了广泛的重视，人们也作了大量的研究工作。但由于光纤 拉曼放大器需要的抽运功率比较高，而当时缺少这样的光源，因此光纤拉曼放大器 一直被限制在实验室中。到了九十年代初期，又出现了e d f a ，e d f a 的放大范 围刚好在1 5 5 0 衄的光纤通信波段，同时需要的抽运功率又比较低，所以e d f a 很 快就发展成熟并得到了广泛运用，这时光纤拉曼放大器的研究就相对不被关注。到 了1 9 9 5 年左右，随着包层抽趔3 9 】、光纤光栅m 1 等新技术的出现，以及半导体激光技 术的发展，制造用于抽运拉曼放大器的大功率激光器已经成为可能，光纤拉曼放大 器又出现大量的研究。起先，拉曼放大器主要被用在e d f a 不能发挥作用的地方， 如在1 3 1 0 n m 通信窗口中，英国帝国学院c h e m i k o v 等利用高功率的1 0 6 4 u m n d ：y a g 激光器通过级联的受激拉曼散射将抽运光的频率变换到1 2 4 u m ，然后用来放大 1 3 0 0 n m 左右的信号 4 1 】，如图1 7 所示。s t e n t z 等用环形腔结构的光纤光栅级联抽运 技术来放大1 3 0 0 n m 左右的信号，获得2 3 d b 的增益1 4 2 ，如图1 8 所示。 图1 7 级联抽运瞰图1 8 环形腔结构认 到了二十世纪末二十一世纪初，情况又发生了变化。首先，无论从传输带宽还 是传输距离来说，使用e d f a 的传输系统已经发展到了极限。而拉曼放大器的放大 波段只和抽运波长有关，只要有合适的抽运源，就可以放大任意波段的信号。因此 拉曼放大器被广泛用来扩展通信波段，被广泛用于c 波段、l 波段甚至其他更宽广的 波段。同时，因为拉曼放大器的噪声比e d f a 要低h 3 】( 一般低6 到7 d b ) ，因此拉曼 1 0 浙江大学博士学位论文 放大器也被广泛用来延长不用通过光电光转换来再生信号的传输距离。而此时大 功率半导体激光器的发展已经逐步成熟，波长为1 4 x x n m 的功率达数百毫瓦的半导体 激光器技术已经开始成熟和批量生产。另外，随着包层抽运技术的成熟，光纤激光 器的功率也得到较大增加，已经可以非常成熟地生产出适合用作拉曼放大抽运源的 功率在数瓦的光纤激光器，价格也降低到了可以接受的范围。因此拉曼放大器的研 究成为光纤通信领域的一个热点，并很快从实验室中走出，在实际系统中的到了广 泛应用。 这期间，朗讯公司z h u 等用光纤拉曼放大器实现了在4 0 0 k m 的t u r e w a v e 光纤中 实现了4 0 g b s 信号传输f “。n i e l s c n 等用光纤拉曼放大器结合e d f a 在跨距为l o o k m 的非零色散位移光纤中4 级级联实现了1 6 t b s 的信号传输【4 5 1 。e m o r i 等使用1 2 个抽运 波长以背向抽运结构在6 0 k m 标准单模光纤中实现1 0 0 n m 的信号带宽范围内增益平 坦为o 5 d b ，平均增益为6 5 d b m 】。e m o r i 还利用5 个背向抽运波长、其中3 个短波波 长同时进行前向抽运的双向抽运结构，在8 0 k m 的s m f 中获得从1 5 3 0 1 6 1 0 n m 范围 内，平均增益1 2 5 d b ，增益平坦度0 5 d b 【4 ”，如图1 9 ，1 1 0 所示。 1 4 l o1 4 4 01 4 7 01 5 0 0 ( a ) p u l n pw a v e “ n ，啦tf n l n l 图l 一9 5 l o1 5 3 01 5 5 01 5 7 0 1 5 9 0 1 6 1 0 1 6 3 0 b ) w a v e l e n g t hr n n l l 图l 1 0 l l 7 6 5 4 3 2 l 0 l 菡pjc蛋口霉蠢 o 5 0 5 0 5 o 5 o 5 o 5 4 4 3 3 2 2 l l o o = 基b 。o d 第一章绪论 光纤拉曼放大器的迅速发展可以从o f c 会议上论文情况得到清楚的说明。在 0 f c2 0 0 2 上报道的关于1 5 5 0 n m 波段应用的8 个长距离系统中，有5 个系统使用全拉曼 放大，仅有2 个系统照旧使用e d f a ，而剩下一个系统则是拉曼和e d f a 的联合应用 【4 8 。在0 f c 2 0 0 3 上，这一趋势得到延续，在d w d m 和长距离传输中较多地采用全 拉曼放大系统。0 f c 2 0 0 4 【5 0 】 5 1 】上，光纤拉曼放大器仍是一个热点研究，关于高非线 性光纤拉曼放大、偏振相关增益、瞬态响应、抑制非线性效应等方面地的研究论文 2 0 余篇，同时在长距离传输方面结合色散补偿、p m d 管理等方面的论文，可以看出 研究的内容大多体现出放大器性能的改进。0 f c 2 0 0 5 1 5 2 j 上，拉曼放大器在噪声改进、 非线性管理、抽运技术等提高性能方面有有很多的文章，提高f r a 的特性成为主要 的研究对象。长距离传输方面和d w d m 方面，还是全拉曼及与e d f a 相结合的放大 结构。这也说明在未来的光通信系统中，光纤拉曼放大器的前景不可限量。2 0 0 2 年 以来的0 f c 展览会上均有商用拉曼放大器产品展出，如光放大器供应商r e d c 光 网络公司在0 f c 2 0 0 5 上展示了新型网络接口( n e t 、o r ki m e r f k e d ) 产品线，在一个 网络接口机架机构内包含了拉曼放大器【5 3 】。 在国内，一些高等学校和研究部门对光纤拉曼放大器进行了广泛的研究。北方 交通大学、北京大学圈、华中工学院喳6 1 、南开大学等研究了分布式和分立式光 纤拉曼放大器的一些特性，清华大学【58 【5 9 1 对分布式光纤拉曼放大器进行了优化设计 和实验研究。武汉光迅唧1 和无锡中兴 6 1 1 等公司也开发了c 波段和l 波段的光纤拉曼放 大器，武汉光讯和黑龙江省通信公司首次利用光纤拉曼放大器在2 0 0 k mg 6 5 2 光纤上 实现了2 5 g b s 的现场应用。 可以说，目前光纤拉曼放大器正处在从实验室走向市场的关键阶段，对光纤拉 曼放大器的研制工作具有非常重要的意义。 1 4 论文研究的内容 1 4 1 问题的提出 随着通信业务需求的飞速增长和对光纤传输系统的容量和无中继传输距离要求 浙江大学博士学位论文 的提高，通信波段将由c 带( 1 5 2 8 1 5 6 2 n m ) 向l 带( 1 5 6 5 1 6 1 0 n m ) 和s 带( 1 4 8 0 1 5 3 0 n m ) 扩展，并且由于光纤制造技术的发展，现在已经可以消除在1 3 7 u m 附近 的损耗峰，这样在将来，通信波段可望扩展到1 2 u m 一1 7 u m 的宽广范围内。 对于长距离大容量传输系统而言，e d f a 放大器的增益范围显得不够宽( 3 5 n m 左右) ，噪声系数偏大( 4 7 d b ) ，在抑制光纤非线性方面不如分布式光纤拉曼放大 器( d f r a ) ，从而受到限制。根据长距离大容量传输的要求，增加光纤放大器的增 益带宽和输出信号的光信噪比，降低噪声指数是本论文研究的主要内容。 第一，为了确保w d m 系统的传输质量，w d m 系统中使用的光纤放大器除具 备有足够的带宽、高输出功率和低噪声系数等特性外，还对增益平坦度控制技术提 出了更高的要求。光纤放大器带内的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内，最 大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。很明显，在w d m 系统中增益 平坦度越小越好，否则，如果各信道的增益不均匀，经过多级放大之后，这种增益 差值会线性积累，低增益信道信号的s n r 恶化，高增益信道的信号也因光纤非线性 效应而使信号恶化，因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增 益就必须平坦，而使光纤放大器增益平坦的技术大体有三种途径：其一是“增益均 衡技术”；其二是“光纤技术”；其三是“拉曼放大器的多波长抽运技术”。“增益均 衡技术”是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的 不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合， 使综合特性平坦；现阶段实用化的固定式增益平坦控制技术主要有光纤光栅技术和 介质多层薄膜滤波器技术等。“光纤技术”主要是在进一步研究具有新放大特性的光 纤，改变光纤材料或利用不同光纤的组合来改变放大特性，从而来改变放大器的增 益平坦性。“拉曼放大器的多波长抽运技术”是利用多个抽运波长的增益组合来获得 放大器的增益平坦性。研究光纤拉曼放大器的增益平坦技术是相当迫切的。 第二，d f r a 的性能依赖于传输光纤的特性，衰减系数、瑞利散射系数、拉曼 增益系数以及抽运配置等因素。限制光纤传输最大距离的主要因素是光信噪比和信 号波形的畸变。