（通信与信息系统专业论文）多泵浦光纤拉曼放大器的研究和实现.pdf

中文摘要 摘要：随着全球化的进程以及宽带大容量业务需求的增长，光通信市场出现了复 苏的景象。以光纤放大器为中继的长距离大容量d w d m 光传输网络作为未来信息 高速公路的基础，得到了极大的发展和关注。 本文以实现一种经济的、c + l 波段6 0 r i m 带宽、4 泵浦光纤拉曼放大器为出发 点，从泵浦驱动电路这一关键点入手，开展了拉曼放大器的研究，得到了一些对 光纤拉曼放大器设计、实现和实验有益的结论。主要工作成果有； 1 1 研究了d w d m 光纤通信系统对放大器的要求，拉曼放大器在d w d m 系 统中的应用方式。分析了超长距离大容量d w d m 系统中的主要使能技术。 2 ) 研究了受激拉曼散射( s r s ) 增益谱的特性，得出了光纤拉曼增益系数与 光纤类型和泵浦波长相关的重要特性，并指出了拉曼光纤选择的原则。 3 分析了光纤拉曼放大器的功率耦合方程求解的龙格墙；塔、平均功率和其它 快速求解算法，指出了反向泵浦仿真时两点边值问题的解决办法。分析了多泵浦 光纤拉曼放大器的泵浦波长和功率配置的方法，并用平均功率算法计算了等间隔4 泵浦在不同功率配置时的增益谱、信号和泵浦功率在光纤中分布的情况。分析了 拉曼放大器的噪声和瞬态特性。 4 ) 设计实现了光纤拉曼放大器泵浦源驱动电路。分析了泵酒源的选用、特性 和使用注意问题，介绍了驱动电路恒流源、背光监测、温控电路等实现的方法和 实际中遇到的问题，及以后工作改进的方法。 5 ) 制作了拉曼放大器的实验样机，进行了e d f a 和拉曼的混合传输实验，实 验中得出的结论为下一步的实验积累了经验。 关键词：光纤拉曼放大器；波分复用；掺铒光纤放大器；驱动电路 分类号：t n 9 2 9 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h ei n f o r m a t i o ng l o b a l i z a t i o na n dt h ed e m a n d sf o rh i g l lc a p a c i t y s c l v i c c sc o n s t a n t l yi n t r e a t , t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nm a r k e tc o m e st or e v i v e g r a d u a l l y t h eu l t r a - l o n gh a u la n dh i g hc a p a c i t yd w d mo p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k s w h i e l aw i l lb et h ef o u n d a t i o no f t h en e x tg e n e r a t i o ni n f o r m a t i o nh i 曲w a y , g r o wr a p i d l y a n d g a i nm u c h a t t e n t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ae o s t - - e f f e e t i v ec + lb a n d , 6 0 h mb a n d w i d t h , 4 - w a v d e n g t h p u m p e df r a h a sb e e np r o d u c e d w ed e s i g na n dr e a l i z ep u m pd r i v ec i r c u i t s ，w h i c ha l e t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ew h o l es y s t e m s , a n dd e r i v es o m e ：h e l p f u lc o n c l u s i o n s0 1 1 f r a s d e s i g n , r e a l i z a t i o na n ds y s t e ma p p l i c a t i o n 1 1 圮p r i m a r ya c h i e v e m e n t sa r e 勰 南l l o w s ： 1 ) t h ed e v i c er e q u i r e m e n t so fo p t i c a la m p l i f i e r sa n ds y s t e ma p p l i c a t i o n so f f r a - a m p l i f i e dd w d ms y s t e m s 黜s t u d i e d a tt h e8 a n l et i m e , s e v e r a li m p o r t a n t d r i v i n gf o r c e so fu l t r a - l o n gh a u la n dh i 曲c a p a c i t yd w d ms y s t e m sa l ea l s op r o p o s e d a n da n a l y z e d 2 ) n ec h a r a c t e r i s t i c so fs r sg a i nc o e f f i c i e n ta r es t u d i e d , a n da l li m p o r t a n t c o n c l u s i o ni sa e l a i e v e d ：t h er a m _ a ng a i nc o e f f i c i e n ti sd e p e n d a n t0 1 3 f i b e rt y p e sa n d p u m p s w a v e l e n g t h s t h em e t h o do f f i b e rs e l e c t i o ni sa l s op r o p o s e d 3 、t h ea v e r a g ep o w e ra n a l y s i sa l g o r i t h mi sa d o p t e dt os o l v et h ep o w e rc o u p l i n g e q u a t i o n so f f r a s ，a n dt w o - p o i n tb o u n d a r yv a l u ep r o b l e m si nb a c k w a r dp u m p e c tf r a s 黜s o l v e d t h ep u m pc o n f i g u r a t i o nm e t h o di nm u l t i - p u m p e df r a si sd e m o n s t r a t e d m o r e o v e r , o u t p u tg a i n 印。c 呱p u m pa n ds i g n a lp o w e rd i s t r i b u t i o n si nt h et r a n s m i s s i o n f i b e rl l l r c ：c a l c u l a t e d a tl a s t , t h en o i s ea n dt r a n s i e n ti m p a c t so f f i 乙缸a r ea l s oi n t r o d u c e d 4 11 1 r e a l i z a t i o no fp u m pd r i v ec i r c u i ti nf r a sa r ed i s c u s s e d t h er e a l i z a t i o n m e t h o d , s o m ep r a c t i c a lp r o b l e m s a n dt h em e t h o d sf o rn e x t - s t e pl x ：r f o r m a u c e i m p r o v e m e n to fc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e , b a e k l i g h tm o n i t o r , t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t 黜d e s c r i b e d 5 、a nf r ae x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sm a d e b yu s i n gt h i sa m p l i f i e r , e d f ap l u s r a m s l lh y b i i dt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n ti si m p l e m e n t e d t h ec o n c l u s i o nd r a w nf r o mt h e e x p e r i m e n ti su s e f u lf o rt h en e x ts t e pe x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：f i b e rr a r a a n a m p l i f i e r ( f r a ) ；d w d m ；e d f a ；d r i v ec i r c u i t c l a s s n o ：t n 9 2 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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) 学位论文作者签名：；燃导师签名：莒旅 。 签字日期：b 7 年2 , 9 髟日签字日期：w 一年1 2 - 月“日 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，也不包含为获得北京交通大学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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：务岛窿求签字日期：a 归7 年j 二月2 z 日 致谢 本论文的工作是在我的导师童治老师的悉心指导下完成的，童治老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来童治 老师对我的关心和指导。 童治老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，是我的良师益友，在此向童治老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，尹伟、孙大印等同学对我论文中的电路设计 和制作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之倩。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1引言 1 绪论 通信网络所传递的信息类型通常有三类：语音，视频，数据。一开始这三种 信息类型是信息技术的不同分支，电话和无线网络提供语音的传输，电视网传输 视频，计算机处理数据。现在不同类型的信息网络技术全都融合在一起：语音既 可以编码成数据信号通过电话网传输，也可以以计算机作为终端通过数据网来传 输( 如v o i p ) ，还可以通过无线网络来传输( 如移动通信网络) ；现在的r 就 是用数据网络传输视频的例子，而计算机则广泛的应用在通信网络的接入、传输、 交换、信号处理等领域。网络融合的结果是各种信息类型都倾向于用数字信号来 传输，从而引起了传输带宽需求的急剧膨胀。城域网和骨干网的流量也不断的增 大，电缆和微波的带宽早己不能满足通信需求，光纤因其几乎无限的带宽和随处可 得的原料石英使其成为大容量传输的唯一选择。 光纤通信系统的发展经历了几个阶段，从s o 年代末的p d h 系统，9 0 年代 中期的s d h 系统，到波分复用( 、阳m ) 系统，光纤通信系统更新换代的趋势日 益加快。光纤网络已经在城域网中得到普及，并逐渐向接入网和局域网渗透。更 多的信道、更高的速率、更大的带宽和更远的传输距离一直是光纤通信业界追求 的目标，而传输速率和传输容量的增加对系统中的光纤和光电子器件的性能提出 了更高的要求，传统的c - b a n d 掺铒光纤放大器( e d f a ) 已经不能满足带宽的需 求，发展超大容量的光纤放大器，最大限度的利用光纤的带宽是大势所趋。 1 2 光放大技术概述 1 2 1半导体光放大器( s o a ) 半导体光放大器( s o a ) 是采用通信用激光器相类似的工艺制作的一种行波放 大器，当偏置电流低于厨值时，激光二极管就能对输入相干光实现放大作用。半 导体放大器具有体积小，结构简单，功耗低，寿命长，易于同其它光器件和电路 集成，适合批量生产，成本低，可实现增益兼开关功能等特性。它在波长变换， 光交换，谱反转，时钟提取，解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是目前应 变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，己经引起人们对s o a 的广泛研究兴 趣但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大，功率较小，对串扰 和偏振敏感，与光纤耦合时损耗较大，工作稳定性较差等缺陷。迄今为止，其线 性放大性能与掺铒光纤放大器仍有较大差距，但是由于半导体光放大器覆盖了 1 3 0 0 - 1 6 0 0 h m 波段，既可以用于1 3 0 0 r i m 窗口的光放大器，也可以用于1 5 5 0 h m 窗口 的光放大器，且在d w d m 多波长光纤通信系统中，无需增益锁定，那么它不仅可 作为光放大器一种有益的选择方案，而且还可以促成1 3 1 0 h m 窗e i d w d m 系统的实 现。 1 2 2掺铒光纤放大器( e d f a ) f i b 0 年代末至9 0 年代初研制成掺铒光纤放大器( e d f a ) 并开始应用于1 5 5 0 n m 频段的光纤通信系统以来，e d f a 极大地推动了光纤通信向全光传输方向发展，目 前e d f a 的技术开发和商品化已经基本成熟。目前广泛应用的e d f a 通常工作在 1 5 3 0 - 1 5 6 5 窗口( 光纤损耗最低的窗口) ，具有输出功率大，增益高，与偏振无关， 噪声系数相对较低，且其放大特性与系统比特率和数据格式无关，能够同时放大 多路信号等一系列优异的特性，从而在长距离光纤通信系统中占据了重要位置。 e d f a 的实用化带动了光通信容量的增大和速率的提高，反过来光通信能力的扩张 又迸一步促进了e d f a 工作波段的扩展，如e d f a 的工作带宽己从窄带( 红带r e d b a n d ) l 句长( l ) 波段和短( s ) 波段方向发展。在需求的刺激下，宽带和超宽带e d f a 、 增益平坦型e d f a 、低噪声e d f a 等类型放大嚣的研究正不断取得进展。 目前e d f a 研究的热点在如何能够根据外界的条件，如输入输出光信号的参 数，或其它给定条件，调整其自身工作参数( 如增益介质的参数或泵浦激光参数) ， 使其工作状态最佳或使其工作状态符合外界需要的技术。自适应光放大技术己开 始受到重视。现有的光放大器产品，有的已具备某些方面的自适应特征，比如， 研究比较多而且也比较成熟的是根据输出光信号的功率改变放大器的泵浦参数从 而调节放大增益的自动增益控制( a g c ) 技术和用可调滤波器实现增益平坦特性可 变的放大器技术。 1 2 3光纤拉曼放大器( f r a ) 上世纪9 0 年代后期，随着d w d m 技术的飞速发展和对系统容量的迫切需求， 使得传统c - b a n de d f a 的固有缺陷日益突出：1 ) 可用增益带宽小，平坦后只有大 约3 5 r i m 左右，要提高系统容量只有通过提高信道速率和信道数量，同时减小信道 间隔来实现。2 ) 当信道间隔较小时，为抑制非线性串扰( x p m ，f w m ) 必须降 低信号入纤功率，运导致信道光信噪比( o s n r ) 的下降。由于集总式e d f a 受 2 3 d b 量子噪声限制，因此为保证o s n r 只能缩短放大器间隔，这就必须大大增加 成本。而此时高功率半导体激光器以及包层泵浦的层叠式拉曼光纤激光器的研究 取得了很大的进展，可以满足拉曼放大器泵浦源的要求，加之光纤拉曼放大器本 身的优势，使光纤拉曼放大器获得了人们的重视。 目前，应用光纤拉曼放大器的传输系统已经可以实现超过1 0 t b s 的传输容量， 2 0 0 r i m 以上的增益带宽以及超过l 万公里的传输距离，拉曼放大器已经成为未来 超大容量通信系统中的关键器件，无疑具有巨大的发展潜力和市场前景。 光纤拉曼放大器有四个突出优点： 1 ) 拉曼放大器无需特殊的增益介质，可以在普通传输光纤中实现，便于系统 的直接扩容升级及实现分布式放大，开发光纤低损耗窗口； 2 ) 只要有合适的泵浦波长，就可以对任意的信号波段进行放大。多个不同的 波长泵浦同时使用，可以获得1 0 0 r i m 甚至更宽的平坦增益谱； 3 ) 采用分布式光纤拉曼放大器可以在相同的非线性影响下获得更好的光信 噪比性能，或在相同的o s n r 性能下有效抑制非线性效应。可有效增加传输跨距； 4 ) 拉曼放大器的使用非索灵活，可以采用分布式或集总式放大满足不同需 要，还可以通过不同的泵浦方式来提高性能( 如双向或高阶泵浦等) ，也可以与其 它放大器混合使用。 1 3光纤拉曼放大器与d w d m 系统 1 3 1d w d m 系统的特点 d w d m 技术充分利用了光纤的带宽，具备超大容量、组网灵活、经济可靠等 特点，己成为构架骨干传输网的重要技术之一d w d m 的发展趋势将是波段的迸 一步扩展( 从c 波段发展到l 和s 波段) ，信道间隔进一步减小，即传输容量进一 步加大。 在2 5 g 向1 0 g 演进的过程中，带宽增加了4 倍，而大部分的技术难度和元 器件价格都没有达到4 倍。而在1 0 g 向4 0 ( 3 、1 6 0 g 演化的过程中，还存在着一些 重大的技术挑战，如色散补偿和增益，噪声控制等问题。光传输技术发展至今， d w d m 系统的应用越来越广泛，除了长途骨干网外，在城域网和接入网中也逐渐 得到了应用。随之而来的一个问题是：如何能够将d w d m 系统的电再生距离尽可 能地延长，也就是研制我们所说的超长距离d w d m 系统，从目前的技术成熟能力 看，光传输距离超过1 5 0 0 k m 的系统称为超长距离系统。超长距离传输技术通过节 省大量昂贵的电中继设备大幅降低建设成本，提高系统的传输质量和可靠性，具 3 有良好的升级扩容潜力，一直是用于骨干网配置的首选方案。超长距离系统的重 要性在于以下两点：首先，它是未来全光网的物理基础；其次，它是建设国家长 途快速调度链或环的最优方案。 1 3 2d w d m 对光放大器的要求 应用在长途干线的d w d m 系统由于传输距离较长，为了减少线路中的光电 光中继器的使用，采用光放大器无疑可以取得较好的效果。此外，d w d m 的核心 是波分复用，必然用到大量的波分复用器件。这些器件的特点是无源且插入损耗 比较大，所以有时在城域d w d m 网络中，也必须用光放大器来进行补偿。因此， 光放大技术是d w d m 系统的关键技术之一。 根据在光纤传输系统中的位置及作用，可以把放大器分成以下三种应用形式： 1 ) 功率放大器( b o o s t 肾a m p i 讯砷：处于合波器之后，用于对合波以后的多个 波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大， 所以，对功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后有比较大 的输出功率。 2 1 线路放大器r ( l i n q - a m p l m e r ) ：处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线 路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数和较大的输出光功率。 3 ) 前置放大器( 1 协a m p l i f i c r ) ：处于分波器之前，线路放大器之后，用于信 号放大，提高接收机的灵敏度( 在光信噪比( o s n r ) 满足要求情况下，较大的输入功 率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度) ，要求噪声指数很小，对输出功 率没有太大的要求。 为了保证d w d m 系统的传输性能，必须对光放大器提出一系列的要求： 1 1 低噪声：在多个放大器级连的光纤传输系统中，各个放大器产生的噪声和 引起的信号损伤会在系统接收端累积，从而影响信噪比，严重的话会引起误码， 从而降低传输质量，为此必须限制放大器的噪声。 2 ) 带宽：d w d m 系统波长通道越来越多，占用的波长带宽也越来越宽，从c 波段扩展到l 和s 波段。因此，对系统中使用的光放大器的增益要求能够覆盖系 统整个波道的总带宽。 3 ) 增益平坦性：在系统中使用的光放大器应该能够对所有波长能均匀放大， 尤其在多个光放大器级连的光纤传输系统中，否则在接收端各信道光功率差异太 大而影响接收。 种便于每波道的自动增益控制 4 1 3 3光纤拉曼放大器在d w d m 系统中的工作方式 1 ) f r a 的工作方式 f r a 从泵浦方式上分，可以分为前向泵浦，反向泵浦和双向泵浦；从泵浦阶 数上分，可以分为一阶泵浦和高阶泵浦；就功能而言，可用于前置放大和线路放 大；就放大特性而言，可根据光纤介质的非线性高低采用集总式或者分布式放大。 因此，可以根据系统的不同需要采用适当的工作方式，这也是f r a 优于传统e d f a 的一个重要方面。 集总式f r a 所采用的光纤增益介质比较短，一般在十公里以内，泵浦功率要 求高，像e d f a 一样用来对信号进行集中放大，主要用于e d f a 无法放大的波段。 其装置如图1 1 所示【1 】。 d 醯魄r a m m 加d i 6 e r 图1 1 集总式f r a 装置图 f i g 1 1d i s c r e t er a m a na m p l i f i e r s 而分布式f r a 的泵浦功率可以降低为百毫瓦量级，所用的光纤较长，一般为 数十到数百公里，可直接利用传输光纤作为放大介质，无需改变现有的传输线路， 结构简单、便于操作。在w d m 系统中，随着传输容量，尤其是复用波长数目的 增加，光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应越来越强，容易产生信 t m n s m i s s i o n 图1 2 分布式f r a 两种泵浦方式 f i g 1 2c o - p u m p e da n dc o u n t - p u m p e dd i s t r i b u t e dr a m a na m p l i f i e r s 5 r - h 日 一 一 甲一 量 亚 莓 帅日 r 4 ： ) 匿 拶 道串扰，导致信号失真。采用分布式f r a 实施在线放大，可以显著降低信号的入 纤功率，同时保持较高的光信噪比( o s n r ) 分布式拉曼放大技术由于系统传输 容量的提高而得到了迅速的发展。分布式拉曼放大具有如图1 2 所示的两种基本泵 浦方式【l 】 前向泵浦在信号光输入端功率水平较高时即进行放大，使得信号功率始终维 持在较高的水平，因此具有更好的噪声性能但是这种泵浦方式容易将泵浦光的 强度和偏振不稳定性引入信号光中，而且信号功率的增大意味着更为严重的非线 性效应。 反向泵浦的f r a 中，信号光与泵浦光分立于传输光纤的两端，泵浦光的抖动 被光纤长度平均化，信号光所受的影响相对于前向泵浦要小的多。因此反向泵浦 技术相对成熟，而前向泵浦只能应用在光纤色散较大或者泵浦相对强度噪声( r i n ) 较低的情况下。 早期的拉曼放大器的设计以前向泵浦为主，但后来发现前向泵浦有比较严重 的泵浦到信号相对强度噪声( r i n ) 转移串话影响，并且偏振依赖增益也较大，因此 后来的拉曼放大器基本上采用反向泵浦方式。c s f l u d g e r 等人指出泵浦r i n 转移还与光纤色散和泵浦源本身噪声有关，当泵浦r i n 小于。1 2 0 d b h z 时，即使用 于前向泵浦也只导致很小的代价【2 】。随着拉曼泵浦源噪声的不断降低，通过前向 泵浦获得系统性能改善的报道也出现【3 】，利用低噪声泵浦源实现双向拉曼泵浦也 获得了较好的性能。2 0 0 2 年s k a d o 等人报道了利用双向拉曼泵浦均衡宽带拉曼 放大器噪声谱的实验【4 】，此后双向泵浦结构受到了重视，并广泛应用于长距离传 输系统中【5 】。2 0 0 3 年，z t o n g 等人提出了一种在保证增益谱形状不变的情况下调 节o s n r 谱的算法，并在此基础上提出了利用双向泵浦拉曼放大器实现“o s n r ” 均衡的概念【6 】。高阶泵浦由于是先放大泵浦光再放大信号光以获得更均匀的信号 功率分布，因此需要更高功率的泵浦激光器。 马旦 去甚占昌国圈 正向 反向 图1 3 二阶泵浦的f r a 原理图 f i g 1 3 s e c o n d - o r d e rr a m a n 埘唧i n gs c h e m e 6 图1 4 三阶拉曼泵涌f r a 原理图 f i g 1 4t h i r d - o r d e rr a m a np u m p i n gs c h e m e 高阶泵浦的基本原理是在传输光纤中注入另一束更高频率的泵浦光，首先对 已有的泵浦光进行放大，进而通过该泵浦光对信号光进行放大，以获得更为均匀 的信号功率分布。二阶和三阶泵浦的原理如图l - 3 和图1 4 所示，目前二阶和三阶 泵浦的f r a 已见报道【7 】 8 】，两且利用双向二阶泵浦方式已经可以获锝近似均匀的 信号功率曲线【9 】。 此外，w i n z e r 等人还提出了一种新型的时分复用拉曼泵浦方式，它是通过对不 同波长的泵浦源进行低频调制以保证在一段时间内只有一个泵浦出光，从而避免 了泵浦间的拉曼散射作用，简化了f r a 的优化过程，同时减小了噪声谱的倾斜。 但这种泵浦方式目前尚处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离 1 0 1 。 f r a 在d w d m 系统中应用的例子 目前，光纤拉曼放大器在d w d m 系统中得到了日益广泛的应用，尤其是在信 道多，基础速率高的d w d m 实用和实验系统中，拉曼光纤放大器的使用使得系统 的整体性能得到加强。 美国t y c o 海底系统有限公司实验室采用拉曼放大和e d f a 技术实现了2 4 0 k m 的无中继传输，传输速率8x 2 5 g b s 1 1 。该系统采用了远泵e d f a 和分布式拉曼 放大技术。第一、二级放大都采用远泵e d f a ，第三级放大采用后向泵浦的分布式 光纤拉曼放大器，第四级放大采用普通e d f a 。第一级放大的e d f a 的泵浦光由一 根独立的低损耗的光纤传送到e d f ，并反向泵浦e d f 。采用独立光纤传送泵浦并 采用后向泵浦的好处是可以避免信号光和泵浦光之间的相互作用。第二级放大的 e d f a 的泵浦源由后向拉曼泵浦光的剩余光提供。 北电网络在英国的实验室采用双向拉曼泵浦技术开发了一个超长距离传输系 统 1 2 1 ，其传输速率是3 2x 4 0 g b s ，无中继距离为2 4 0 k i n 在该系统中，只在长 无色散位移光纾( n d s f ) 两端提供前向和反向的拉曼放大泵浦光源。 为了获得更好的系统传输性能，制造性能更加优良和更加智能的光纤拉曼放 大器是当前光纤拉曼放大器的研究方向。 7 1 4超长距离大容量d w d m 传输系统主要使能技术 d w d m 系统的传输容量和传输距离的飞速发展与光放大器技术的发展是不可 分，两者相互推动。但放大器技术并不是唯一的使能技术，超常距离大容量d w d m 系统的实现还依赖于大量的其它使能技术，并且还不断的有新技术涌现，进一步 推动光通信的发展。 目前，在超长距离大容量系统中应用较多的几种使能技术主要有： 1 ) 宽带放大技术。拉曼放大器尽管有相当多的优势，而且全拉曼放大的传输 系统也被证实可行，但由于e d f a 具有成本上和数量上的优势以及自身一些独特 的优点，在短期内还不可能被拉曼放大器超过和取代，仍将继续占据统治地位。 一种比较经济的做法是在原有e d f a 的基础上进行e d f a + r a m a n 混合放大，可以 直接进行系统扩容和升级同时提高了系统性能，这种技术兼顾了e d f a 和拉曼放 大器的优势，已经取得了广泛的应用，但在混合放大结构中，拉曼和e d f a 的增 益比重需要根据特定系统进行优化以兼顾噪声和非线性特性。通过使用宽带光纤 放大器及其他使能技术，目前单光纤传输容量已超过1 0 t b s 1 3 。 2 ) 色散补偿及色散管理技术，主要包括色散补偿模块的优化以及色散图的设 计。随着传输速率的不断提高，要求色散补偿模块具有与传输光纤精确匹配的色 散量和色散斜率，特别是对于4 0 g 以上的高速系统，色散补偿的误差在整个增益 带宽范围必须控制在几个p s n m 的量级以内。目前生产的色散补偿光纤以及可调 谐色散补偿器已经满足上述要求。而色散图的优化则是为了最大限度的抑制由于 传输容量和传输距离提升导致的强烈的非线性效应，保证在局部有一定的色散量 以抑制f w m 和m 效应，而整体色散量接近零。 3 ) 前项纠错编解码技术( f e c ) 在电域通信已经广泛应用的f e c 技术可 以大大提高系统裕量以及接收机性能，目前在光域最流行的f e c 编码格式就是 r e e d s o l o m o n 编码。通过增加f e c 编解码技术，可以获得5 d b 以上的等效o s n k 改善。因此f e c 技术已经成为超长距离大容量系统的必备技术。 4 ) 传输光纤的优化设计传输光纤需要在损耗，色散，非线性以及偏振模等 方面进行优化，以满足长距离，大容量传输系统的要求。 5 ) 高级调制编码形式。引入电域通信的概念，从调制方式上分，有幅移键控 ( a s k 或o o k ) ，相移键控( p s k ) 和差分相移键控( d p s k ) 等；从调制码型 上分，有归零码( r z ) 和载波抑制归零码( c s r z ) ；从调制带宽上分，有传统 双边带和残留边带调制，后者可以有效提高带宽利用率。为了进一步提高编码效 率，多电平调制技术也在研究之中 6 ) 偏振复用及交织技术。这种技术可以进一步提高带宽利用效率，甚至可以 8 获得超过l b i t h z 的频谱利用率。因为其可以在间隔很小或完全相同的波长上同时 复用两个正交的偏振信号，同时还可以抑制相邻信道间的菲线性串扰。但传输距 离很长时，由于p m d 的作用将可能导致复用效果恶化。 1 5 本文的主要工作 在前面的介绍中，首先通过对未来通信网络逐渐走向融合的发展方向的分析， 指出了光纤通信中发展超大容量的光纤放大器，最大限度的利用光纤的带宽的必 然趋势然后，在分析了f r a 的特点和在d w d m 中的应用情况后，得出f r a 高 性能、智能化的发展方向，同时指出了其它超长距离大容量d w d m 传输系统的主 要使能技术。本文的研究目的是在讨论拉曼放大器理论问题的基础上，实现一种 经济的、c + l 波段6 0 h m 带宽、4 泵浦光纤拉曼放大器的实验样机，重点从泵浦驱 动电路着手研究拉曼放大器的实现方法。 本文主要的研究内容： 1 ) 研究了拉曼放大器的理论问题，此部分在本文的第二章首先在分析了拉 曼散射的原理和拉曼放大器的原理的基础上，研究了了受激拉曼散射的增益谱的 特性。计算了标准单模光纤( s m f ) ，色散位移光纤( d s f ) ，色散补偿光纤( d c f ) 在2 0 0 t h z 和2 0 8 t h z 泵浦光时的增益谱，得出了光纤拉曼增益谱与光纤类型和泵 浦波长相关的重要特性，并指出了拉曼光纤选择的原则。 之后，本文分析了完整的光纤拉曼放大器的功率耦合方程，并对比了其求解 的龙格库塔、平均功率等快速求解算法，指出了反向泵浦两点边值问题解决的方 法其次，分析了多泵浦光纤拉曼放大器的泵浦波长和功率配置的方法，分析了 遗传算法实现优化的方法，并用平均功率方法计算了等间隔4 泵浦在不同功率配 置时的增益谱、信号和泵浦功率在光纤中分布的情况。最后分析了对拉曼放大器 性能有重要影响的噪声和瞬态特性。 2 讨论了拉曼放大器泵浦源驱动电路的实现，此部分在本文的第三章，也是 本文的研究重点介绍了驱动电路对a g c 、d g s a 实现的意义。讨论了泵浦源的 选用、特性和使用注意问题，介绍了驱动电路恒流源、背光监测、温控电路等的 实现的方法和实际中遇到的问题，及以后工作改进的方法。 3 ) 制作了拉曼放大器的实验样机，进行了e d f a 和拉曼的混合传输实验，此 部分在本文的第四章。实验中得出的结论为以后的实验积累了经验。 9 2 光纤拉曼放大器的理论问题 2 1拉曼散射原理 光散射是光在贪质中传播时所发生的一种普遍现象，是光与物质相互作用的 一种表现形式。最常见的如瑞利散射，它使天空呈现蓝色，也是光纤损耗的主要 机理之一。瑞利散射是一种弹性散射，散射光只在传播方向上发生改变，其光频 能量保持不变。1 9 2 8 年印度物理学家c v r 锄锄用实验证实了存在另一种散射。 当一束光照射到些介质上时，其散射光除出现与原来频率扣相同的瑞利散射光外， 还出现了新频率的散射光，其谱线对称的分布在和两侧，这种散射现象被称为拉 曼散射 1 4 】。由于拉曼散射光不仅在传播方向上发生改变，其频率能量也发生改变， 因面是一种非弹性散射。频率下移的教射光称为斯托克斯光，频率上移的则称为 反斯托克斯光。 1 9 6 2 年e j w o o b u r y 等人在把硝基苯放入红宝石激光器的谐振腔内作克尔盒 调o 的实验中首先发现了s r s 效应。他们发现在红宝石激光6 9 4 3 r i m 谱线的附近 出现了一条7 6 7 n m 的伴线，这条伴线是硝基苯的斯托克斯线。进一步提高激光器 功率时这条伴线的强度发生非线性的显著增长，光束发散角变窄，光谱线宽也变 窄，其特性与激光十分相似后来采用激光作泵浦激励源在很多物质中都发现了 s r s 效应。通过对实验现象的总结发现是一种非线性的光学效应，与先前的自发 拉曼散射相比有明显不同：自发拉曼散射中产生的斯托克光是非相干光；只要有 入射光就有散射光，没有阈值现象；散射光强度与入射光强度成线性关系；散射 光能量只占入射光能量的很小一部分。s r $ 要求入射光是相干光，散射光也是相 干光：有明显的阙值，在超过拉曼阈值后随着入射光强度的增加，散射光强度会 呈非线性地增长，入射光能量的大部分甚至全部都会转移到散射光上 1 5 1 ；s r s 产 生的斯托克斯谱线往往与自发拉曼散射谱线中最强谱线的位置相同，而且当最强 线受激时，其它弱线就很难受激：此外随着泵浦光功率的增加s r s 中产生的斯托 克斯谱线强度达到定水平后会激发新的s r s ，产生二阶的斯托克斯谱线。二阶 斯托克斯谱线如果足够强还可以产生更高阶的斯托克斯谱线 1 4 1 。 2 2光纤拉曼放大器的原理 1 ) 拉曼放大的原理 f r a 利用非线性介质对泵浦光的受激散射作用，借助光学声子作为吸收能量 的载体来完成振动态之间的跃迁。实现泵浦功率的转移，并不需要能级间粒子数 l o 的反转。图2 1 中的泵浦能级都是虚能级，对泵浦光频率没有限制。 jl 5 0 0 n m ) 收 1 4 8 0 n m 黜扩讳岗 图2 1 光纤拉曼放大器中的能级分布和跃迁示意图 f i g 2 1e n e r g yg r a d et r a n s f e ri nf r a s 1 9 7 2 年b e l l 实验室的r h s t o l e n 等人采用倍频n d ：y a g 激光器作为泵浦源， 首先观察到了单模石英光纤中的s r s 效应 16 】。实际上单模光纤所具有较小的传 输损耗和纤芯面积，导致这样的非线性效应更容易发生 从用量子力学的观点，s r s 效应可以这样解释：最初一个入射于介质的相干 光子与一个热振动产生的无规则的光学声子碰撞，产生一个斯托克斯光子及一个 受激态光学声子；此受激态声子再与入射光子碰撞，又增加一个斯托克斯光子和 受激声子。此过程不断重复下去，形成一个产生斯托克斯光子和受激态声子的雪 崩增长过程。由于雪崩过程中受激态声子锁相于入射相干光，因此初始斯托克斯 光子不断得到复制，从而形成受激散射现象。 由于石英光纤中光学声子的波矢的大小和方向可以在很宽范围内变化，因此 对于任意相对方向的泵浦波和斯托克斯波，拉曼散射中的动量和能量守恒都容易 满足，因此光纤中拉曼散射可以发生在前向或者后向由于s r s 机制，如果有信 号光和泵浦光同时在光纤中传输，并且信号波长位于泵浦波的拉曼增益谱范围内， 信号光就会由于s r s 而得到放大，这种光放大器称为f r a 。光纤s r s 的特点决定 了f r a 的增益波段仅由泵浦光频决定，是一种天然的光纤基、全波段、宽带放大 器。 2 ) 拉曼增益系数的研究 石英光纤的拉曼增益谱舒( 习，其中q 为泵浦波和斯托克斯波的频差，静( 2 ) 的大小与泵浦波长成反比。其最显著的特征是覆盖了很宽的频率范围( 达4 0 t h z ) ， 同时在1 3 2 t h z 附近有一个增益峰值。石英光纤具有如此宽的拉曼增益谱是由于 在熔融石英这样的非晶体材料中，分子的振动能级展宽成频带，这些频带互相交 叠而产生连续态。因而石英光纤介质中光学声子频率可以在很宽范围内变化。结 果与大多数非线性介质中拉曼增益谱在特定频率上产生相反，石英光纤中的拉曼 增益谱可以在一个很宽的范围内连续产生这正是石英光纤可以作为宽带放大器 增益介质的原因。 拉曼增益系数具有偏振敏感性，从泵浦和信号光平行和垂直偏振时的拉曼增 益谱，可以看出平行偏振时的拉曼增益峰值几乎是垂直偏振时的1 0 倍左右【1 7 】。 频移( 1 ) 图2 24 泵浦7 5 波，1 0 0 k m s m f 、d s f 、d c f 2 0 9 t h z 、2 0 0 t h z 泵浦时计算的拉曼增益谱 f i g 2 2r a m a ng a i ns p e c w ai ns m f , d s fa n dd c fw i t h2 0 8 t h zo g2 0 0 t h zp u m p i n g 本文计算了泵浦频率2 0 8 t h z 和2 0 0 t h z 时候标准单模光纤( s m f ) 、色散位 移光纤( d s f ) 和色散补偿光纤( d c f ) 的拉曼增益谱，如图2 2 所示( 自上而下 依次为d c f 、d s f 、s m f ) 。可见不同的光纤类型拉曼增益系数相差很大。标准 单模光纤的拉曼增益系数最小，一般只用于分布式放大，而色散位移光纤拉曼增 益大些，色散补偿光纤更大，约为标准单模光纤的1 0 倍，比较适合作为集总放 大器，以放大一些掺杂光纤放大器无法放大的波段。最近还有利用高非线性的光 子晶体光纤制作拉曼放大器，可以获得更高的泵浦效率。由图2 2 可见，在同种光 纤时，2 0 8 t h z 的泵浦比2 0 0 t h z 的泵浦具有更高的拉曼增益系数，拉曼增益系数 与泵浦波长成反比。 拉曼放大主要应用于三个方面：分布式拉曼放大器，分立式拉曼放大器，拉 曼光纤激光器。在光纤传输系统中用得最多的是分布式拉曼放大器，传输光纤本 身就是增益光纤。在另外两类应用中，通常使用特种光纤作为拉曼光纤，以达到 最高转换效率。 选择拉曼光纤必须要考虑如下几点【1 8 】：拉曼频移和拉曼增益带宽：有效模场 面积；光纤损耗；光敏性；破坏性损坏阈值；与通信系统中其它器件和现有技术 的匹配。i p p e n 于1 9 7 0 年在光纤中首次发现受激拉曼散射【1 9 】，实验中所使用光纤 的纤芯是液体。某些液体的拉曼散射截面很大，所以液体芯有很高的拉曼散射现 象。但液体芯光纤与光纤通信系统中的光纤不匹配。首次发现在石英玻璃光纤中 的拉曼散射是在1 9 7 1 年。之后，光纤拉曼放大器得到很大的发展。2 0 世纪7 0 年 代和8 0 年代，大量的各种类型的光纤得到了研究，包括硅酸盐玻璃光纤，掺杂硅 酸盐玻璃光纤，掺锗光纤，掺磷光纤，重金属掺杂光纤等。掺磷光纤主要应用在 连续拉曼光纤激光器上，这是因为掺磷光纤中的拉曼频移有1 3 3 0 c m 1 ( 普通石英 玻璃光纤只有4 4 0 c m 。1 ) ，并且有两个很强的拉曼散射带。考虑到与光纤通信系统 中光纤的匹配，掺锗光纤在级联拉曼光纤激光器和光放大器上得到更多的研究和 应用。s 1 0 2 ，g e 0 2 ，暖0 3 和最q 材料经常用于制造光纾，文献 2 0 l 中比较了这些 材料的拉曼散射截面，发现锗玻璃的散射截面值最大，差不多是s 1 0 2 的9 倍。所 以在光纤中掺锗有利于提高拉曼增益系数。然而，掺锗的浓度越高，光纤的损耗 也越大。 2 3 光纤拉曼放大器的功率耦合方程 1 9 9 7 年，h k i d o r f 等人首次给出了完整的模拟拉曼放大器的功率耦合方程 【2 l 】，其中考虑了泵浦对泵浦，泵浦对信号以及信号对信号之间复杂的拉曼相互作 用，温度依赖的自发辐射噪声以及瑞利散射导致的多径干扰等作用，与实验结果 符合的很好，已经被广泛的应用于拉曼放大器的稳态模拟和设计。2 0 0 1 年c j c h e r t 等人进一步提出了可以用于计算拉曼放大器瞬态特性的动态模型，完善了对拉曼 放大器的模拟 2 2 1 包括动态特性的完整的拉曼放大器的功率耦合方程如式2 1 。 式中v 和亏为光频率，【。，v , t j 和r 2 ，v , t j 分别代表在