（电路与系统专业论文）宽带光纤放大器的一些研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 宽带光纤放大器的一些研究 摘要 光纤放大器以其在线、宽带、低噪声等优点越柬越引起人们的关注， 是一种非常适合于超大容量、超长距离d w d m 系统的光纤放大器。掺 铒光纤放大器( e d i a ) 和拉曼光纤放大器( f r a ) 是现今光纤放大器 的研究热点。本文对光纤放大器的研究主要基于以下几个方面： 一、概述了掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的工作原理及其数学 模型；分别采用并改进了增益噪声指数全局分析法和平均功率分析法 较精确地对e d f a 和f r a 进行了传输过程的数值模拟；算法具有较好 的收敛性，一般经过4 次迭代就能够达到l o d l 的精度，用时也较短；并 且利用其数值模拟程序验证了e d f a 和f r a 的一些增益特性，分析并 讨论了影响e d f a 和f r a 增益的一些因素。 二、f r a 只有多泵浦时才能够实现宽带放大；本文在3 4 节设计了 遗传算法对多泵浦的f r a 进行了参数优化配置来实现f r a 的宽带增益 平坦化；在不同的泵浦个数下得到较好的优化参数，分析并比较了不同 泵浦个数下的优化结果。发现泵浦个数越多，优化增益平坦度也越好。 三、结合e d f a 与f r a 的优缺点，将e d f a 与f r a 结合起来实现 宽带放大；本文第四章设计了混合放大器的模型及小信号情况下的增益 计算程序；并设计了收敛较快的遗传算法对e d f a + f r a 进行参数配置 太原理工大学硕士研究生学位论文 解决增益平坦化问题，得出了较好的优化参数；分析了优化结果，对混 合光纤放大器的实验配置有一定的参考作用。 关键词：e d f a ，f r a ，混合光纤放大器，遗传算法，平均功率分 析法，增益平坦 查曼篓至奎堂塑主堑茎竺兰簦燕塞 t h er e s e a r c ha b o u t b r o a d b a n df i b e r a m p l i f i e r a b s t r a c t t h ef i b e ra m p l i f i e r sa r em o r ea n dm o r ea t t r a c t i v ef o ri t sp a r t i c u l a r v i r t u e ss u c ha so n 1 i n e ，w i d eb a n d , a n dl o wn o i s e se r e ，a n dt h e ya r ev e r y f i t f o rd e n s ew 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 ( d w d m ) s y s t e mo fn e x t g e n e r a t i o nc h a r a c t e r e db yi t ss u p e rl a r g ec a p a c i t y a n dl o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e t h ee r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) a n df i b e rr a r n a n a m p l i f i e r ( f r a ) a r et w o r e s e a r c hh o t s p o t si nt h ef i b e ra m p l i f i e r sr e s e a r c h f i e l d s i nt h i st h e s i s ，t h em a i ns t u d yo f f i b e ra m p l i f i e ri n c l u d e s ： f i r s t , b a s e do na n a l y z i n gt h ew o r kp r i n c i p l ea n de m p l o y e 积e c t i v e n l a t h 锄a t i c a lm o d e l o ft h e - e d f aa n df r a ； a n d i m p r o v e t h e c o m p r e h e n s i v eg a i n - n o i s ef i g u r ea n a l y s i sn u m e r i c a lm e t h o df o re d f a a n da v e r a g ep o w e ra n a l y s i sn u m e r i c a lm e t h o df o rf r a ；w es i m u l a t et h e 乜t m s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w of i b e ra m p l i f i e r s t h e n u m e r i c a l m e t h o d sc o n v e r g e n c er a p i d l ya n dh a v es h o r tr u n n i n g t i m ew h i c hw i t h i nl o t 2s e c o n d s ，a l s o ，e m p l o y i n gt h et w on u m e r i c a lm e t h o d s , w ep r o v e ds o m e k n o w nt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ee d f a a n df r aa n da n a l y z et h e i i i 查堕堡三查罡堡主堑塞竺璺壁丝塞 f a c t o r so f w h i c ha f f e c tt h eg a i no f t h ee d f aa n df r a s e c o n d 。b e c a u s eo fo n l ym u l t i - p u m p sc a l l r e a l i z et h eb r o a d b a n d a m p l i f i e r , w ed e s i g ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) p r o g r a mt o o p t i m i z et h e p a r a m e t e r so f f r at oo b t a i nb e t t e rb r o a d b a n dg a i n f l a t n e s s b yr u n n i n g t h e g a ，w ea c h i e v eb e t t e r - o p t i m i z e dp a r a m e t e r su p o nd i f f e r e n tp u m pn u m b e r s a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dr e s u l t su p o nd i f f e r e n tp u m p n l h l 南e r s w ec a nf m dt h a t ：t h em o r et h ep u m pn u m b e r , t h eb e t t e rt h eg a i n f l a t n e s s t h i r d ，a f t e ra n a l y z i n gt h ev i r t u ea n df l a wo f t h ee d f aa n df r a , w e c o n l b i n ee d f aa n df r at or e a l i z eb r o a d b a n df i b e ra m p l i f i e r i nt h ef o u r t h c h a p t e r , t h em o d e l a n dt h eg a i n - c a l c u l a t i n gp r o g r a mo ft h eh y b d da m p l i f i e r a r ed e s i g n e d b e s i d e s ，f o rt h es a k eo fa c h i e v i n gb e t t e rg a i nf l a t n e s s , ab e t t e r g e n e t i ca l g o r i t h mp r o g r a m t h a tc o n v e r g e n c em o r er a p i d l yi sd e s i g n e di nt h e 4 3s e c t i o n s 。t h e n , b yr u n n i n gt h en e wg a , w eo b t a i n e d $ o m ef r e e o p t i m i z e dr e s u l t su p o nd i f f e r e n tp u m pn u m b e r s f i n a l l y , a f t e rc o m p a r i n g t h e o p t i m i z e dr e s u l t s , f i n d i n g ：w ec a no b t a i ng o o df l a t n e s sa n d h i g hg a i no n l y u s i n gt h r e ep u m p st h a t b e t t e rt h a nf r ao nt h es a l t l ec o n d i t i o n s t h e o p t i m i z e d r e s u l t sc a nb ear e f e r e n c et ot h ee x p e r i m e n to f h y b r i da m p l i f i e r 。k e yw o r d s ：e d f a ，f r a , h y b r i df i b e ra m p l i f i e r , g e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) , a v e r a g ep o w e r a n a l y s i s m e t h o d ，g a i nf l a t n e s s 声明 本人郑重声明：所呈交的掌位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取褥的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均邑在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任e 1 1 本人承担。 论文作者签名：日期： 关子学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学俄论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 日期： 日期： 太簿i 璎大学硕十研究生学霞论文 第一章引言 近年来，i p 业务量按2 5 3 0 的年增长率增长。这个数字也就意味潜：随着 社会的信息化发展，用户对通信容量的需求也日益增加。在这种需求的推动下，作 为现代长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离静方向发 震。蓄是在过去瓣卡多年量，掺键必绎放大器( e d f ae r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 的应用取代了传统的光- 电一光转换的中继放大，突破了电子瓶颈对光纤传输速率的 限制，大大掇高了光纤的传输速率和传输距离，有效的支撑了波分复用技术( 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 ) 。然而，在进一步开发整个光纤低损耗区域 1 2 5 1 。6 5 弘嬲熹霞4 0 0 h m 带宽资源转送程孛，黄统戆掺锈兜终放大器黪l 。5 5 蓼? - 辫遥 约3 0 r i m 的带宽就远远不够用了。拉曼光纤放大器怒稀翻用光鲜的 线性效应 拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n g ) 进行放大的光纤放犬器，它的放大范围只与泵浦波 长有关，能够实现全波段放大，瞄前是宽带光纤放大器的研究热点之一。另一方面， 拉曼光纾放大嚣有着毙掺铒光纾放大器更好的噪声特性，但其所需的袋滤功率较 亳，瑟瑷霹辍穆掺锤走绎藏大器秘越曼光纾藏大器终会起来实凌窕蒂放丈，这也是 现今宽带光纤敞大器的一个研究热点。总之，现有通俗容量不断增长的懑势促进了 寻找性能更好、放大范围更大的光纤放大器的研究。 l 。 光终放大器熬余绍 为了进一步提高d w d m 系统的传输容量，可以采取的措施：一是撮商单信道的 传输速率；= 是减小信道间隔( 即在有限的带宽范嗣内增加信道数量) ；麓是增加 传输带宽。葵巾，增加转埝速魏如把每个蓿道兹抟簸速率麸2 s g s 提巅列1 0 g s , 色数砖系统酌影响会更大，超过l o g s 还会雩l 起镶掇缓熟敦、高除琶敖等举秘效应。 信道间隔的减小将会伴生非线性效应的增强，信道间隔小于5 0 0 h z ，腿波混频 但w m ) 效应的影响将会引起信号在信道间的串扰，必须采取相应的抑制措施。另 l 太原理工大学硕士研究缴学位论文 势，小的倍道润隔述臻求系统箕脊严格戆渡长稳定经，麸嚣带来系统成奉静上秀。 因此，通过开发新型越宽带光纤放大器，拓宽利用光纤丰富的带宽资源，将是提高 光通信容爨的最有效方法。 ， 一般光放大器都瓣增益介质、象浦源、输入输出稻合结构组成。根据增益介质 的不同，目前主要有两类光放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元 素( n a 、s i n 、h o 、e r 、p r 、t m 秘y b ) 戆毙纾，秘瘸受激辐麓祝理实褒毙懿童接藏 大，如半导体激光器( s o a ) 和掺杂光纤放大器；茄一类是基予光纤的非线畿效应， 利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤r a m a n 放大器( f r a ) 和光纤b r i l l o u i n 敖丈器f f b a ) 。在矗逮大容量孛多镶遴d w d m 系统孛，宽蘩毙放大嚣熬发矮重点 主要是掺杂光纤放大嚣和光纤r a m a n 放大器。本文的主要目的是将两种光纤放大器 结合起米实现宽带放火，并设计遗传算法优化混放大器的参数来解决混合放大器 憨增盏警缝琵润蘧。蒸予这令嚣鳕，栗霆准确豹数学挨型，势浚毒 了牧绞狡，猿度 高前数值模拟算法，分别对e d f a 和f r a 进行数值模拟，便f 将两者结合起来计 算混合光纤放大器的增g t ；下面简蘩介绍一下掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的 鹫点。 1 1 1 掺铒光纤放大器盼特点 l 、3 2 作波长为1 5 5 0 r i m , 与光祥的低损耗波段一致； 2 ) 傣号增益带宽达3 0 r i m 或者璺商，能同时放大多个波长溅信号，而与信号鲍 魄特率戈荚，茏其逶念予密集蕊浚分复用( d w d m ) 毙纾遁蘩系统； 3 ) ，增益较高，约为2 0 4 0 d b ，且具有较高的饱和输出功率； 4 ) - 爨有较低的噪声指数，为4 5 d b ； 5 ) 必纤的藕合损耗小，甚至胃戳达蓟0 1 d b ； 6 ) 所需的泵浦光功率较低，约为2 0 5 0 m w , 泵浦效率较离； ， 2 太原壤王大学硕士研究望学秘论文 1 1 2 拉曼光纤放大器的特点 与e d f a 籀 ，拉曼光纡放人器( f t l a ) 自着以 优点： l ，r f l m a r l 敖大是一个菲涛壤遗程，箕增益酶瘦纹依簇予泵清波长及蒸繁宽， 选择合适的泵浦源就可以得到任意波长的拉曼放大，而且可达到1 2 0 r i m 的增益带 宽，同时增盏曲线可通过泵浦源来控制； 2 ) 利用现在已大量铺设的g 6 5 2 或g 6 5 5 光纤作为增盏介质进行分南式放大可 戳实瑰长薤瓷笼孛缝窝远程泵瀵。遨煮在超长距海藤宠缆簧簇孛龙麓重燹，弱嚣 分布式放大可降低输入总功率，寄效地抑帛4 菲线性散艨； 3 ) 低噪声噪声系数可低至3 d b ，因此传输距离w 邋伸一倍以上； 4 ) f r a 岛掺杂光纤放大器溉龠使用可做成具有宽带宽增益平坦、低噪声、高 孽j 茛出臻率瓣混念放大系统，这是寒慕悫逶售系统发震黪一耱憝势； 从上面介绍的f r a 相对于传统e d f a 的特点来耩，f r a 有助于解决静蕊所说 的这些矛盾，比如后向多波长泵浦的分布式f r a ，是一种在线式放大，即制用传输 光纤作为放大介质，在实现比e d f a 更大的放大带宽的阐时，避免集中式放大对的 菜段功率急捌增大豹现象，麸两掺籁建绎 线性效应嬲誉稳影穗；由于是分露式藏 大，有着更高的放大器光信嗓磁，获褥实现了跨距延律效应。如采将e d f a 鸯f r a 结合起来既能发挥掺铒光纤放大器的低泵浦功率和高放大效率，又减少了拽曼光纤 放大器的泵浦波长数目，还实现了全局放大。 1 2 国内多| 、研究宽带先纤放大器的现状及趋势 目前国内外关于宽带光纤放大器的研究主要集中予：改善性能的掺铒光纤放大 器和拉曼光纤放大器以及将传统的掺铒光纤放大器与撩曼光纤放大器结龠起来进 行宽豢放大三令方嚣。 1 2 t 改善憾能的掺铒光纤放大器 3 太原理工犬学硕士研究生举位论文 l 。增蘸移位掺铒巍纤放大器( g s e d f a ) 常规的e d f a 的w 用增益带宽一般在1 5 3 0 1 5 6 5 n m ( c - 波段) ，对应予e ，离 子气l 掩一4 l | 娩戆缓跃逶翦发麓。1 9 9 0 冬m a s s i c o t t 等久1 1 獗究敷瑷，通过控糕e d f 的长度，使e r 3 + 离子的被子数分布反转稳定在较低的程度，可实现l 波段的光放大， 在1 5 7 0 1 6 1 0 n m 范围内增益高于2 5 d b 这种g s - e d f a ( 称为l 墩段e d f a ) 的增益 虽然霞予气l 姥一冬l 纯筢级袋迂辐黪豹荣尾，吸收秘发射系数夸；毽是灌盏乎缀，l d b 偏离的增菔带宽可达3 0 n m ，增益商予2 4 d b t 2 1 ；假g s e d f a 所需的e d f 较长，同 掺杂浓度下约为常规c ，波段e d f a 的4 5 倍，遨增大了噪声系数( n f ) ，降低了放 大嚣黪泵滚功率转挠。瓣蘧在这方瑟鹣磷究主要楚改善g a - 髓擎a 夔这秀令熬裁主。 具体的方法有：一、研制高掺杂，f 氐损耗e d f a 羔、是放大自发辐射( a s e ) 泵浦， 即采用商用的掺铒光纤放大器在1 5 3 2 n m 的自发辐射噪声值作为泵浦源对l 波段进 孬敖大，这秘方法戆嚣麓实瑗裹豹象溱转换效攀p c e 窝纛懿n f t 3 j 。2 0 0 0 零受零 实验室在世界光通信会议上( o f c ) 报道比特速率达到了创纪聚的3 2 8 t b i t s ；( 8 2 x 4 0 g b i t s ) ，其中4 2 个波长信道在l 波段，传输距离为3 0 0 k m 就是用g s - e d f a 实 现放大黪溺。孓+ o + b 三波段戆按输系统，袋震掺铥走纾徽藏s 。浚段必纾敖大 器( t d f a ) 和这两个波段的e d f a 并联，分别实现对1 4 7 0 r i m 波段、1 5 5 0 r i m 波段和 1 5 9 0 h m 波段w d m 信母的放大，虽然实验传输躐离只有1 0 0 k m ，但是这种多波段 必纾藏大嚣荚蘑楚蠲戆豢试，蔑获螽宠分鬟矮竞绥丰塞翡带宽资源、实瑷多鬻蠢超 宽带光纤通信奠定了基础。 2 ) 磅基掺镪光纤放大嚣( e t d f a ) 原理介绍：碲化物玻璃具有高的稳定性，耐腐蚀性和稀土离子可溶性，怒制作 稀土掺杂光纤的优质基质材料，与葫荚玻璃相比具有较大的折射率( 1 8 2 3 ，石 英玻璃戆簌l 。毒5 左右 。这令特经後褥e t d f a 东受大静豢宽蘩嚣蠹具毒裹懿受激 发射截面，有着更大的敝大带宽，并殷在1 6 0 0 r i m 之后仍维持较低的嗓声指数。研 究证明掺铒碲化物光纤放大器( e t d f a ) 增益高于2 0 d b 的带宽可达$ 0 n m ，低的噪声 缮数霉缝黪舞1 6 2 0 h m 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 与e d f a 相比的优缺点： 1 与l 一波段e d f a4 f 1 比，e t d f a 的基本结构是相同的，但e t d f a 所需的光 纤长度要比l 波段e d f a 小得多。n t t 的m o r i 等人在1 9 9 9 年欧洲光通信会议 ( e c o c 9 9 ) 的报道中对这两种放大器进行了实验比较。在相同的条件下，两种 放大器所需的掺杂光纤分别为：浓度为1 1 2 0 p p m 的石英基e d f 长度1 8 0 m 和浓度 为1 0 0 0 p p m 的e t d f 长度1 l m 。而且，e t d f 光纤的e ，掺杂浓度可以比较高，达 到4 0 0 0 p p m ，所需的光纤长度可以继续减小到l m 左右 5 1 。 2 e t d f a 具有增益带宽大等优点，同时也具有自身难以克服的不足，由于基 质不同，e t d f a 难以与常规的石英光纤熔接，只能采用v 型槽连接法，导致较大 的插入损耗，虽然研究人员采用一种被称为“纤芯热扩散”( t h e r m a l l y - d i f f u s e d e x p a n d e dc o f c ：t c e ) 的连接技术，即在常规光纤和e t d f a 之间引入一段高数值孔 径的石英光纤，以降低v 型槽连接法的插入损耗，但总的插损仍大于0 4 d b 。远远 高于熔接的插损。此外，碲化物具有较高的非线性系数，e t d f a 在w d m 系统中 引起的交叉相位调制m ) 和四波混频效应 w m ) 远高于石英基质e d f a ，这对光 纤通信是很不利的。 虽然e t d f a 在传输系统中实际应用的时机还不成熟，但作为l 波段放大器所 具有的优点吸引着研究者们一直在努力，其中日本n t t 公司的研究人员作了很多 工作。 另外还有一些l 波段的掺杂放大器也在研究之中，如e r - l a 共掺杂光纤放大器 f 6 】，一十厂n 3 + 共掺锗碲酸盐玻璃等的研究，在l 波段都有研究成果 7 1 。 1 2 2 拉曼光纤放大器的研究进展 研究背景：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。直到2 0 世纪8 0 年代才有许多人相信光纤中的拉曼散射有实际应用光孤子的分布反馈。 但在9 0 年代早期，当掺铒光纤放大器取代它做焦点时，关于拉曼光纤放大器的研 究也停滞了。然而随着高功率二极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，光纤拉曼 5 太原理t 大学硕七研究垒学位论文 放大器( f 魁 虫子共自身国存的全波段可放太特燃移可剥用传输光纾傲在线放火的 优点，1 9 9 9 年一经成功煅应用于d w d m 传稳系统，就立刻再度受到广泛关注，成 为继掺铒光纤放大器之后的又一颗璀璨明珠。光纤拉曼放大器以其满在的商业价 值，一举成为光纤放大器的新贵。在每年的世界光纤通信会议上( o f c ) ，都有若干 篇光纤拉曼放大器的研究报告。其应用也从最初的光孤子实验，发展猁成功应用于 系统升级，无中继传输、超缀光孤子产生可超连续光源。 研究热点：最近几年，光纤挝曼放大器的研究出现新热点： 1 )长泵浦光源、单缀放大发展到多波长泵浦光源、多级放大。由于单波长 泵浦的拉曼增益较窄，带宽一般在1 0 4 0 n m 左农，难以满足宽带通信的要求，多 波长泵浦已占据主蹲地位。e i n o r i s 和l e w i s t g j 分别用1 2 个波长信道的波分复用激光 二极管单元和三波长级联光纤拉曼放大器做泵浦光源，分别得到了1 0 0 r i m 和1 1 4 n m 的增益带宽。在1 9 9 9 年欧洲光纤通信会议( e c o c ) 上，m a s u d e 等利用多波长浆浦 和多级放大，在1 5 5 2 m 酣近获褥了1 3 2 n m 的透疆增益带宽。 2 )光纤拉曼放大器岛掺稀土光纤放大器结合构成的混台型放大器成为热 点0 0 - 1 3 1 ，这类光纤放大器具有高宽带、高增益、低噪声、高输出功率的优点。其中 主簧有两类：光纤箍曼放大嚣，掺褥先纤放大器混合放大器和鬼纤拉受放大器黪钍 光纤放大器混合光纾放大器，两蓠者藩多。 3 )1 3 m 波段的拉曼放大器日益受到重视。从世界范围来看，现肖敷设的 多为工作窗口在1 3 2 m 波长区的普通筚模光纤。现在掰子1 3f m 通信窗西静光藏 大嚣主要是掺镨光符藏夫器，单掺镨巍纤藏穴器簧求象清葫率较高。舅矫难与石荚 毙纤熔接，予是入锯对1 3 2 m 波段静滗纤控曼放大器产生了极大兴趣，薤至鸯久 预言宅群以完全彗健接镶毙绔放大器，伍这除了要骞念逶敢泵潼激光终，翅鳄获褥 裹掺锗、低损耗熬光缍瞧至关重要。控曼光绥放火器越来越多地应用于光终逶傣系 统实验，这对其真惩走肉实用化具有重要意义。其中s u z u k i l t l 4 l 等人的研究具有代 表饿。他们在光纤零色散附近，利用多波长分布式光纤拉曼放大器成功地将信遄间 隔为5 0 g h z 、3 2 x1 0 g b i t s 的密集波分复用技术的传输铺平道路。在2 0 0 0 年的世界 6 太原毽1 人学硕士研究生学位论文 光逐信会议上，t a k a s h i n a 等利用拉盈咒纤放大成功地实现了1 t b i v s ( 1 0 0 c h 1 0 g b i f f s ) 波分复用信号无中继传输2 0 0 k m 。矗此实验中，拉曼放大器在显著嚣赢传簸质量上 起了关键作用，是大容量无中继传输所不可缺少的。 另筛，先纾拉曼放大器的研究在近几年内已取得臣大进展，但现有的石英光纾 的拉曼增益系数和转换效率还缀低，拉曼光纤放大器需要较高的泵浦功率和较长的 光纤，离实用化还有差距。今后的研究重点应提莛馋为拉曼增益分质的光纤的性能， 男一方蕊由于现在常用的泵浦光源级联拉曼光纾激光器结构复杂、造价偏离， 所以应加紧对易于光纤集成的小型化、高功率、廉份的泵浦光源的硬究。 在迸一步把走终拉曼放大器摊离实用化的进程中，以下几方面的技术研究成了 礤渔的研究热点； ( 1 ) 大泵浦的功率技术 大功率泵浦是控曼必纤放大器走向实用化豹美键。由于挝曼必纤放大器的效率t 非鬻低，只霄拥有了可以把大功率泵清光 功率达到w 级) 藕合到单模光纾的泵 浦才能使拉曼光纤放大器具霄实用的增益，也正是泵浦技术的发展才使拉曼光纡放 大器重新焕发活力。泵演技术中最重要的和最常用的是多包层泵浦光纤和拉曼激光 器，其次还有m q w - l d 等。 ( 2 ) 控曼光纤放大光纤的设计、制造 为了挝巍感纤拉曼放大器的效率，充分利用有限的泵浦功率，在拉麓放丈器， 尤其楚集巾式拽曼竞纤放大嚣和拉曼激光器中需要使用特种光纤。目前采粥小芯 径，高掺锗以及其有w 型割强的特种光纤来减小有效横截两积，提商增益效率。 许多d c f 补偿模块正是利用了d c f 的拉曼增燕效率高的特点，使用功率相对较小 约m q w - l d 即碍实现拉璺光纤放大补偿d c f 的损耗。 ( 3 ) 增益均衡技术 由予髂融硅党纤属予菲晶玻璃，其分子振动能级融合在一起形成能带，西面可 以在较宽的频差范围内通过收集拉曼敖魁实现信号光的放大。拉曼增益参数峰值带 7 太艨理工大学鞭士研究生学位论文 宽在1 0 0 。1 2 0 r i m 之间，折算成频率约为5 t h z 宽。更为关键的是只要能找到合邋的 与信号髭其存s t o k e 频差泵滚先就麓对僖号遴孬教大；采愆多个波长鹣泵漓缀会藏 可以构成带宽超过1 0 0 r i m 的宽带放大器。所以对放大器的宽带增蔬均衡提出了更 蹇熬要求。长嚣麓必缍毙疆是耱遂鞍遴怨魏交鬻增益均瓷器箨。瑟浆嚣多泵瀵辩 对泵浦之间的相互作用也必须考虑，适当安排泵浦功率和波长闻隔是宽带光纤放大 嚣懿重要技术之一。 ( 4 ) 拉曼光纤放大器的性能模拟与增益平魍数值算法 瑷主掰诱熬磅究帮是关予磴俘方瑟戆实验，繇莺蠹羚，程拉曼竞纤放大器蒋输 性能的模拟和增益平坦方面逐有很多理论方面的研究。理论方面的研究有力地倪进 了实验疆究熬遴震，弱者穗羹结合餐遴了控曼必绛敦夫器豹不瑟或熬。 1 性能模拟算法： 日前在理论上对拉曼光纤放大器的传输方程采用硪d o r f 等提出的一个包含有 翦后向的撼运、信号和自发辐射噪声分布的比较宠鍪的传输方程。性能模拟的算法 脊打靶法、松弛迭代法、平均功率分析法。打靶法需要对泵漓功率的边值进行预佶， 使用很麻烦；因r u n g e - k u t t a 计算步骤较多，所以使用r u n g e - k u t t a 法的松弛迭代法 瞧院较麻激和耗时；褥平均功率分析法将先纤分成n 段，每段静信号增益系数不 变，所以我们可以将松弛迭代法与平均功率分析法结合起来，既精确义收敛快。大 多数算法慈珞了鸯发疆瓣噪声耪瑞囊教射，或者将控曼笼绎放大器静蠡发辐射臻声 与信号功率分开进行计算，简化了拉曼光纤放大器的数学横型。而信垮功率与自发 骧射噪声楚矮互影魄缒，在本文里我锈考癌了叁缎赣麓噪声鞫臻穰教射懿影穗，劳 用松弛迭代法对拉曼光纤放大器进行7 企局模拟。 2 。增益警瞧数值雾法 在实现控曼光纤放大器时最关键的闯题是增益平坦化问题，即如何配置拉曼光 纤放大器的泵浦波长和泵浦功率来解决宽带的增益平坦亿闯题。在这方面的理论算 法主要有：模拟退火算法阍、根据多抽遮拉曼增益谱的特点和不同波长对增益斜率 8 太纂璎z 犬学蘸士研究堂学傍沧文 的影响提出的优化算法【l6 】等。前者对抽运波长数较多、信道数较大的情况需要很长 的计算时间：盾者存增益波动较小时，需要人为参与调节抽运光功率。 近年寒，遗传算法( g a ) 逐澎藏熬，己或殛应矮予缀多学秘，撵貘了一转求解 复杂系统优化问题的通用框架，它不依赖于问题的具体领域，对问题的种炎肖很强 的鲁棒性。已经脊许多这方面的尝试 1 7 - 1 8 】，但所用的数学模型及数值算法都比较粗 糙。本文在考虑了自发辐射噪声和端利散射的情况下，将松弛法与平均功率分析法 缝会起来对f r a 进嚣数蕴摸援，簸篱分剐设诗了收敛驳块戆逮簧算法来聪次拉曼 先纤放大器静增益平超度惩匿窝e d f a + r f a 的混合必纾放大器的蹭益平缀发闯题。 1 3 论文的组织结构 第一章麓述了对宽带竞纾放大器磅究静必要毪，奔缮了蓄痰努磅突宽豢免纾 放大器的背景、现状、研究热点及趋势。 第二章概述了掺铒光纤放大器( e d f a ) 的原理，采用了g i l e s 模型殿改进的 增益噪声指数念局分析法数值模拟了e d f a 的传输避稷；最后再用此算淡验涯了 e d f a 熬璜慈懿箨帮最莲竞缍长度褥毪；院较了各耱袋滂方式下e d f a 戆瀵豢粒噪 声特性。最藿鬻的是为第四章混畲光纤放大器的模拟提供了较精确的数假模拟算 法。 ， 第三章概述了拉曼光纤放大器( f r a ) 的工作原联，采用k i d o f f 等提如豹拉 曼燕纾瓣簧输蠢覆，耱乎垮纛搴努爨法与援夔法维会怒基数整摸掺7f r a 戆簧徐 过程；之后我们剃用此算法分析了挝曼光纤放大嚣的一魑增益特性：最詹设计了收 敛较快的遗传算法来优化多泵浦f r a 的增益平坦度，得到了在不同泵浦个数下的 优化结果，并对优化后的结果进行了分析比较。 第霆章褒蘧嚣嚣章疆终翡鏊礁童，将e d f a 与f r a 结会筵寒组或瀑套毙纾效 大器。将e d f a 与f r a 的数值模拟算法衔接起来，遴行混合光纤放大嚣的数值模 拟，得到了在定参数下混合光纤放大器的增益谱；志后我们设计了收敛性更好的 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 逮抟算法来优纯混合舞野放大器鹃臻蕴平逛瘦，褥到了不同泵漓个数下豹优化结栗 并作了比较；在本章的最后比较了混合光纤放大器在取得较好增益平坦度时备部分 的增益，发现e d f a 的增益与f r a 的增益成对称豆於形状，诞踞了此遗传冀法鲍 有效往。 第五鬻总结全文所作的研究得出结论，分析了课题所做置作的不足之处，以 及嚣为潆逶嚣重勰限制，逐毒德深入一步磅突静一戆游透。 1 0 太撩瑶王大学硕士研究生学髓论文 第嚣章掺铒光纤放大器的数值模拟及特性分析 2 1 掺铒光纤放大器的结构及工作原理 典型掺铒光纤放大器的基本结构如下所示，它由掺铒光纤( e d f ) 、黎浦源和 波分复孀器( c o u p l e r ) 和隔离器( i s o l a t o r ) 组成。其中掺锤竞绎提供敷大，装溱添 提供足够强熬浆清功率，波分复溺器起信号毙与泵潘毙的混合俸薅，瑟个黼离器 ( i s o l a t o r ) 用来防止反射所造成褥自激谐振。图2 1 鼹双向泵浦掺铒光纾放大器的 结构图。 f o r w a r dp u m p ( 9 8 0 n mo r l 4 8 0 n m ) b a c k w a r dp u m p ( g s o n mo r l 4 8 0 n m ) i s o l a t o r e d f i s o l a t o r 霹2 - 1 敢向幕浦掺铒光纤放大嚣的结构 f i g2 - 1 t h ec o n f i g u r a t i o no f b i d r e c t i o n a lp u m pe d f a 掺铒光纤怒光放大器的核心，镇离子的外层电予舆旨三能级结构_ e l 、e 2 和 勤。英孛毫l 燕麓态戆缀，砀是甄豫悫戆缀，嚣3 是亵魏缀，翔嚣2 - 2 爨示。 掺铒光野的放大作用是利用掺褥光纤掺入的e 浆浦光的作用下受激辐射而 实现的。当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤放火器时，可以使铒离予的束缚 电子从基态能级大量激发到高能缀翰上。然而，高熊级楚不稳定的，因而铒离子很 快会经历无辍瓣裴减( 郄不释放龙子) 落入歪稳态憝缀勤，受激电子将笈熬缀塞竞 谱范围内的毙，称荧光带。当泵漓必足够强时，可默使勘和马形成粒子数的反转 分布，此时如果入射信号光的波长恰好落在上述荧光带时，则当泵浦光与信号光的 l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 e 3 e 2 图2 - 2 姆离子的鑫毁鞠0 霹 f i g2 - 2 e n e r g yl e v e l sd i a g r a mo f e r 3 + l 埘 波长薅时逡过该掺镬光纾时，荧光带熊量会转移到信号光上，即信号光霹以邋过受 激辐射过稷苁离子系统获取能量，扶两不断增强箍获得敖大绩譬。出于泵浦光与信 号光在光纤中均以导波形式传输，因而可以实现商增益宽频带放大特性。 2 2 掺铒光纤放大器的数值模拟 2 ，2 。 e d f a 戆6 i l e s 摸鍪 在模拟e d f a 的特性时采用的是g i l e s 模型，g i l e s 2 0 等提出了一种典型的二能 级e d f a 模型，建立了甄能级同向介质下的e d f a 的速率和传播方程。1 4 8 0 h m 泵 清戆e d f a 近叛是一今：能级系统，9 8 0 r i m 激竞凝游下戆e d f a 遥叛是一今三能缓 系统，但由于铒离子第三级的寿命( 1 8 i is ) 远小平第二能级的淹命( 1 0 r e s ) ，可以 用等效的= 能级系统来攒述。稳态的二能级的g i l e s 模型如下【2 1 l ： 掣；【( + g i ) n 2 一( 瓯+ 厶) 】芽+ ( 2 h 唯a 或) 2 o z 其中2 熙稳态时粒子数反转比，满足： 1 2 ( 2 ，1 ) 太骧瑗f 大学硕士研究生学侥论文 鲁暇( ：) + 巧( z ) 】 2 j 竺= 二二二 l + 笔等眨( z ) p , - c 三) 】 如。”j h ( 2 2 ) 公式说明：为了模拟e d f a 信号放大过程，将造续的频谱区间分割成 a v k ) ， 用置( z ) 表示麓屹小区闽上的必功率沿e d f a 的分布。公式中各项的袭示意义如 下： 譬0 ) ：袭泳前向传输的光功率； 巧( z ) ：袭零艨淘传输的光功摩； 2 0 ) ：怒第= 个能级的粒予数与总粒子数的平均及转院； 口、g + 、，分别表示掺铒光纤的吸收系数、发射系数、本底吸收系数； m = 2 ：表零龚发壤袈豹两令菠交镶振态； f ：为饱和参量，可以用实验测得的饱和功率露耐求定义； f 。( + 盛) 喙 2 ，2 2e d f a 的数值模拟方法 基于g i l e s 模型，一些文献【2 l - 2 2 用数值计算对e d f a 的性能进行过分析，但它 们都是把增髓和噪音隔离开进行分析的。面增益和噪音是掺铒光纤放大器最主要的 嚣令毪貔攒豁，是螽互关联静，潮辩考瘩缮蓝霾噪畿是必要戆，嚣菝我袋采爱增蓥 一噪声指数全局分析方法瞄l 。 我们考虑了自发辐射噪声，即a s e 噪音，由于尉向a s e 噪音不能预先确定， 1 3 太原理工大学硕士研究生学僻论文 蘑虢在数学上我霞j 要求瓣豹是带透雾翊蘑静菲线毪微分方程组。 万程( 2 1 ) 的边界条件为： 零 = 曩；譬( = ( 霆是。) ； 巧( 五) = ； 箕孛： k o ：代表需放大的信号光； ：为e d f 长度： 筇( o ) ：为正向信号光输入功率； 彤( o ) ；为正向泵潍光输入功攀# 军( 三) ；为反向泵瀚光输入功率； 在此：融知正向信号光功率零( o ) 、正向泵浦光功率瞪( o ) 、反向泵浦光功 率巧( ) ，簸反向泵游巍渤率在：= o 憝未知，帮；巧( o ) 未翔。在整理这样的边 界问题中可以使用两种方法，一种怒打靶法( s h o o t i n g ) ，一种是松弛法- 2 3 】 ( r e l a x a t i o n ) ，因为努靶法嚣要对军( 遂嚣该售，嫒惩缀襄矮，我锯使用7 捡蔻 法。 数值模拟的炎体步骤如下； 1 先假设( o ) = 0 ，将e d f a 分成n 段，用三阶的r u n g e - k u t t a 法从z = 0 到 z = 计算曩0 ) 和零( z ) ； 2 然后固定谨( 力和譬( z ) 不动，发商计算巧0 ) ； 3 再固定露0 ) 不动，i er 惴t 譬0 ) 和蓐( z ) ，再固定p + ( = ) 和覃0 ) 不动， 反自 舅蓐( 0 ，蘩藏锤嚣诗算壹捌翦螽两次翡诶差夺子设定误差为止。零文 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 中所设定的误差为1 0 。1 。一般情况下，经过三次循环就可以达到所需精度。 e d f a 数值模拟的程序流程图 采用数学仿真软件m a t l a b 来进行仂真。 l 初始化e d f a 参数，将e d f 分成n 段 l i 先假设反向泵浦功率为0 ，正向计算正向 l 信号及正向泵浦沿着e d f 的功率分布 i 固定正向功率0 1 分布不变，计算反向泵 浦功率o r ) 沿着e d f 的功率分布，得到信 号与泵浦功率沿着e d f 的初始功率分布 矩阵p 0 固定f 不变，i e n f f 算p + j l 固定p + 不变，反向计算f ，得到新的信 l 号与功率分布矩阵p 1 1 适多否 i 是 l 计算信号的增益和噪声指数，绘出增益 l 和噪声指数曲线 图2 - 3e d f a 数值模拟的程序流程图 f i g 2 - 3 t h ef l o wc h a r to f e d f an u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m 1 5 太原理工火学硕士研究生学位论文 2 。2 3 轻敲增益鞠鞣声指数戆邃义 e d f a 备信道的增益和噪声指数定义如下瞄l ： g = i o l g ( 最) ； n f = 1 0 l g ( g 卅+ i h v g a v ) ； 式孛； g ；为e d f a 的信号增益： p m a ：为e d f a 各信道静输爨功率； 圪；为e d f a 各信道的输入功率； f ： 为e d f a 各信道的噪声指数； ( 2 4 ) h 为普朗克常爨h = 6 6 2 6 x l o 一3 4 j s ；v 是信号光的频率；y 袋示信 号带宽；只趼表示在y 内产生的a s e ( f l s t c 苗* t ) 噪音。在以下数值模拟算法中 慕蘑了渡上定义。 1 6 太原璞王大学硕士研究叟掌戳论文 2 3e d f a 的模拟结果及性能特性分析 2 3 。 e d f a 数毽模援辑采霸豹参数 信道设置：僚号波长：1 5 2 0 n m 1 6 0 0 n m ，信道间隔；2 n m 泵浦源：哟于9 8 0 n m 的泵浦渊对e d f a 性能有很大影响，因此采用了l u c e n t 公 司的高功率泵浦激光器的参数，最大输出功率1 2 0 r o w 。 掺霉光绥；黪袋蔫戆掺褥走绥对9 8 0 h m 泵渍熬啜 | 芟系数是6 4d b m ，发秀孝系数为 0 d b l m ，1 4 8 0 n m 泵漓的吸收系数是2 1 d b m ，发射系数是0 a 3 6d b m 1 霹 饱和参数f = 3 5 x 1 0 ”i (