（电路与系统专业论文）基于受激喇曼散射的喇曼放大器噪声特性研究.pdf

太原理工大学顼士研究生毕业论文 摘要 本论文主要讨论了光纤非线性效应当中的一种受激喇曼散射，以 及基于受激喇曼散射的应用喇曼放大器的噪声特性。在前人讨论的基 础上，本论文着重在以下的工作上有所进展： 综述了喇曼放大器的构成、对各部件的要求、工作原理，喇曼放大器 的特性以及喇曼放大器的应用。在此基础上，分析了喇曼放大器前向泵浦 和后向泵浦的区别；得出最佳泵浦值点；进而进一步阐述喇曼放大器的局 限性。 受激喇曼散射是光纤本身的种光学非线性效应。根据受激喇曼散射 的原理，利用麦克斯韦方程组，推导出了在喇曼放大器中信号光和泵浦光 的耦合方程包括光强耦合方程和光功率耦合方程。在此模型的基础上， 进而分析喇曼放大器的各项参数对系统误码率的影响。在误码率的基础上， 得出分析系统功率代价的数学模型。据此数学模型，得出这样的结论：系 统的入射功率、系统中的复用信道数的增加都会使信道间的非线性作用加 强，导致系统的功率代价上升；喇曼放大器的级数的增多也会使系统功率 代价增加。 我们分析的各种数学模型都是基于小信号的情况。在实际的工程应用 当中，趋向于大信号的情况。本文通过信号传输的数学模型，分别分析了 在大小信号时系统的输出信号情况以及非线性对大、小信号的不同影响。 最后，讨论了多信道情况下系统中的串话系数。串话系数也是衡量信 道间非线性作用大小的参数。分析了各种参数对串话系数的影响。据此串 话系数，分析得出了模拟系统和数字系统个参数的极限值。 在喇曼放大器中，存在很多噪声。在本论文中，讨论了两种噪声：自 发辐射噪声和瑞利散射噪声。 友僳理工丈掌顽尘研究生毕业论文 自发辐射噪声是放大器噪声中一种比较重要的噪声。通过对数学模型 的讨论，可知a s e 跟放大器的增益有线性关系。 噪声指数是衡量放大器对光通信系统影响的一个重要参数。在小信号 单泵浦光情况下，通过对比有瑞利散射和无瑞利散射时放大器的噪声指数， 可知在无瑞利散射的情况下，放大器的噪声指数随放大器增益是逐渐下降 的。也就是说，放大器的使用使系统的光信噪比提高，系统性能优化。而 瑞利散射使噪声指数随放大器增益增大，使放大器性能变坏。而且，得出 了一个最佳泵浦点。即瑞利散射开始对放大器起破坏作用的点。此值在工 程应用中具有及其重要的意义。另外，还分析了双向泵浦和多泵浦时的噪 声指数，及各参数对噪声指数的影响。在实际的工程应用中，使用e d f a + f r a 的模型，通过对比此模型和e d f a ，得出了这两种模型在光信噪比方面的改 进。可见，使用e d f a + f r a 的模型比e d f a 模型能改进系统的性能。 关键词：非线性效应；受激喇曼散射；喇曼放大器；误码率；功率代价； 串话系数；自发辐射噪声；瑞利散射噪声；增益；噪声指数；光信噪比 友原理工大学顼士研究生毕业论文 a b s t i 己a c t t h i s p a p e rm a i n l y d i s c u s s e so n eo ft h e f i b e r sn o n l i n e a r e f f e c t s s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，a n dt h en o i s ef e a t u r eo f f i b e rr a m a na m p l i f i e r ( f r a ) b a s e do nt h es r s o nt h eb a s i s o fe x i s t i n g r e s e a r c h ，t h i sp a p e rh a s i n n o v a t i o na sf o l l o w s ： i ts u m m a r i z e st h es t r u c t u r eo ff r a ，t h er e q u e s t t ot h ep a r t so f f r a ，i t sw o r kp r i n c i p l e ，i t sf e a t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o n o ff r a o nt h e b a s iso ft h i s ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n f o r w a r d p u m p a n db a c k w a r d p u m p ，g e t s t h eb e s t p u m p p o i n t a n d d i s c u s s e st h el i m i t a t i o no ff r a s r sisak i n do fn o n l i n e a re f f e c t o ff i b e ri t s e f c o u p l e d e q u a t i o no fp u m pw a v ea n ds i g n a lw a v eb a s i n go nm a x w e l le q u a t i o ni s g o t ，i n c l u d i n gl i g h t i n t e n t i o nc o u p l e de q u a t i o na n dl i g h tp o w e r c o u p l e de q u a t i o n o nt h eb a s i so ft h i sm o d e l ，t h ee f f e c t t h a tt h e p a r a m e t e r so ff r a h a v eo nt h er a t eo fe r r o rc o d eisa n a l y z e d b a s e d o nt h er a t eo fe r r o rc o d e ，t h em o d e lo fp o w e rc o s ti sg o t a c c o r d i n g t ot h ism o d e l ，t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ei n c r e a s eo ft h ei n c i d e n c ep o w e r o ff i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h en u m b e ro fc h a n n e l sc a ne n h a n c e t h en o n li n e a re f f e c tb e t w e e nc h a n n e l sa n dc a ni n c r e a s ep o w e rc o s t o ft h es y s t e mi sg o t o nt h eo t h e rh a n d ，t h en u m b e ro ff r ac a ni n c r e a s e p o w e rc o s t o fs y s t e m ，t o o u n d e rt h ec o m m o nc o n d i t i o n ，a 1 1k i n d so fm o d e l sa r ed i s c u s s e d b a s e do ns m a l ls i g n a ls i na c t u a ls i t u a t i o n ，s i g n a l sa r eo f t e nv e r y b i g t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e sb i gs i g n a l s n o n l i n e a re f f e c tt ot h e 穴原理工大掌殒尘研究生毕业论文 s y s t e m b e s i d e s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e sc r o s s t a l kc o e f f i c i e n ti n m u l t i - c h a n n e ls y s t e ma n da n a l y z e st h ee f f e c tt h a ts o m ep a r a m e t e r s h a v eo nt h ec r o s s t a l kc o e f f i c i e n t ，a c c o r d i n gt ot h i s ，t h el i m i t e d v a l u eo fd i g i t a la n da n a l o gs y s t e ma r eg a i n e d t h e r ea r eal o to fn o i s ei nf r a i nt h i sp a p e r ，t w ok i n do fn o i s e a r ed i s c u s s e d ：a m p l i f i e rs p o n t a n e o u se r a d i a t i o n ( a s e ) a n dr a y l e i g h b a c ks c a t t e r i n g ( r b s ) a s ei sam o r e i m p o r t a n t n o i s ei n f r a a c c o r d i n g t ot h e d is c u s s i o n ，t h ec o n c l u s i o ni sg o tt h a tr e l a t i o nb e t w e e na s ea n dg a i n o ff r ai sl i n e a r n o i s ef i g u r e ( n f ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a tw e i g ht h ef r a s e f f e c tt ot h ef i b a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m u n d e rt h ec o n d i t i o no f s m a l ls i g n a la n ds i n g l ep u m p ，t h ec o n c l u s i o ni sg o tt h a tt h en fo f f r ad e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fg a i no ff r au n d e rt h ec o n d it i o n o fn o n r b s t h a tist os a y ，t h eu s eo ff r a m a k es n ro fs y s t e mi n c r e a s e b u tt h er b sm a k en fi n c r e a s i n gw i t ht h eg a i no ff r aa n dm a k et h e p e r f o r m a n c eo ff r ab a d a c c o r d i n gt ot h i s ，t h eb e s tp u m pp o i n ti s g o t t h ep o i n ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n b e s i d e s ， t h i sp a p e ra n a l y z e sn fw h e nt h ep u m p sa r eb i d i r e c t i o na n da n a l y z e s p a r a m e t e r se f f e c tt on f i na c t u a l a p p l i c a t i o n ，t h em o d e l o f f r a + e d f ai sm o r e w i d e l yu s e dt h a ne d f a t h i sp a p e re x p o u n d st h e i m p r o v e m e n to ff r a + e d f a k e yw o r d s ：n o n l i n e a re f f e c t ：s r s ；f r a ；e r r o r c o d e ；p o w e rc o s t ： c r o s s t a l kc o e f f i c i e n t ：a s e ：r b s ：g a i n ：n f ：o s n r 太原理工大掌硕士研究生毕业论文 第一章喇曼放大器 第一节光纤通信的飞速发展 具有宽带，大容量的光纤通信系统，已成为通信产业中的主要支柱。 进入2 l 世纪以来，通信业务特别是“i p ”业务发生了“爆炸式”增长。通 信业务增长的需求刺激和推动了具有宽带、大容量的光纤通信技术的发展。 光纤 光纤通信系统发展初期，采用了g 6 5 1 光纤解决了“衰减”问题。发 展中期采用了g 6 5 2 光纤，解决了“带宽”问题。后来又开发出了在1 5 5 0 n l i j 波段上兼有最低色散和最大带宽的g 6 5 3 光纤和衰减极小的g 6 5 4 光纤。 由于器件和系统的飞速发展带来了光纤技术的发展，新开发出了满足高速 率、大容量、远距离光纤系统的新型光纤，即非零色散光纤( g 6 5 5 光纤) 和无水峰“3 光纤。非零色散光纤在1 5 5 0 n m 波段具有合理、较低的色散，足 以支持l o g b p s 的长距离传输而无需色散补偿，从而节省了色散补偿器及附 加的光放大器的成本。无水峰光纤即全波光纤，由于消除了常规光纤在 1 3 8 5 n m 附近由于o h 根离子造成的损耗峰，使1 3 0 0 1 6 0 0 n m 的带宽趋于平 坦，可用带宽增加了约l o o n m ，可利用的波长增加到1 2 5 个( 1 0 0 g h z 间隔) 。 这在不采用光放大器的城域网中有很大优势。 光复用技术 复用技术的主要目的是扩充容量。光复用主要有三种技术：光时分复 用( o t d m ) 、光波分复用( o w d m ) 和光码分复用( o c d m a ) 。 o w d m 是在一根光纤上同时传输多路波长信号。现在主要采用密集波分 复用( d w d m ) 技术，波长信道一般为4 4 0 个。目前复用信道间隔越来越窄， 最低信道间隔达到了2 5 g h z ，并向1 2 5 g h z 的方向发展。复用方式也出现 太原理工大学磺尘研究生毕业论文 了双向传输的w d m 、偏振复用与w d m 混合方式以及w d m 与编码复用( c d m ) 混合方式等等。 o t d m 是指利用高速光开关把多路光信号复用到一路上传输。利用o t d m 可以克服e d f a 增益不平坦，四波混频( f w m ) 等非线性效应等的限制，而 且可解决复用端1 3 的竞争，增加全光网络的灵活性。与o w d m 相比，具有更 高的频谱利用率，更容易实现信道的动态分配，更高的系统容量，易于组 网等特点，所以用处更大。 o c b m a 利用光纤的巨大带宽和高速的光信息处理技术，将数据比特扩 频成光脉冲序列，经光纤传输后，利用光学技术将数据进行恢复，o c d m a 采用地址码寻址方法，具有很大的灵活性。 光交换技术 光交换技术是指在光域直接将光信号交换到不同的输出端。它具有高 速、宽带、无电磁感应等优点。光交换技术作为一种全新的技术，与光纤 传输技术相结合可形成全光传输网络。光交换技术的发展趋势是光控光交 换，即光逻辑控制技术。 光接入网技术 光纤接入网技术从广义上可以包括光数字环路载波系统( o d l c ) 和无 源光网络( p o n ) 两类。o d l c 结合开放接口v 5 1 v 5 2 ，形成了在光纤上传 输的综合数字环路载波系统( i d l c ) 。在p o n 的发展进程中，近来出现了一 种以a t m 为基础的宽带无源光网络技术( a p o n ) 。这种技术将a t m 和p o n 的 优势相互结合，传输速率可达6 2 2 1 5 5 m b p s 。代表了多媒体时代接入网发 展的一个重要战略方向。 光放大技术 目前光通信的发展从c 波段( 1 5 3 0 n m 一1 5 6 0 n m ) 向邻近的l ( 1 5 0 0 h m 一1 6 2 5 n m ) 、s 波段( 1 4 6 0 n m 1 5 3 0 n m ) 发展，相应的宽带技术就 太原理工大学顼尘研究生毕业论文 成为关键的技术之一。w d m 长距离传输系统就要求放大器能对c + s + l 波段 同时放大，且增益平坦。 宽带光放大器有多种，其中掺铒放大器( e d f a ，e r d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 是应用最广的一种。但它增益带宽窄。为了扩大增益带宽，目 前使用很多的放大器来扩展带宽，其中喇曼放大器( f r a ，f i b e rr a m a a a m p l i f i e r ) 是其中的一种。主要侧重与对s 波段和l 波段的放大。是唯 能实现1 2 9 0 1 6 6 0 n m 光谱放大的器件。而且f r a 是分布式放大，因此，r i 二 的间距远远大于多信道系统中e d f a 的间距。对于4 0 g s 以上码率的通信传 输系统的放大，r f a 更成为放大技术中的新秀。 第二节光放大器的分类 掺铒光纤放大器e d f a 光纤放大器是在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素，如铒、镨、 铥、铌、钕等，通过稀土元素的作用，将激光二极管l d 泵浦发出的光能量转 化到信号光上，可实现对信号光的直接放大，具有实时、宽带、在线、低损 耗的全光放大功能。这是光通信发展史上的一个重要里程稗，解决了衰减对 光网络传输速率与距离的限制，完全摒弃了基于光一电一光转换的昂贵的 中继增强器，现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统，接入网、 光纤c a t v 网、军用系统( 雷达多路数据复接、数据传输、制导等) 领域，作 中继放大、功率放大、前置放大用。 光纤喇曼放大器 光纤喇曼放大器f r a 是利用喇曼效应制成的宽带放大器，困受激喇曼 效应的泵浦阈值较高，其研制关键是开发l 5 2 w 的高功率、低成本泵浦源。 f r a 只要能得到所需的泵浦波长，可在1 2 9 2 1 6 6 0 n m 光谱范围进行光放大。 太原理工大学顼士研究生毕业纶文 增益介质是光纤，可制成分立式或分布式f r a ，分布式能增加光放大之间传 输距离，用于4 0 g b s 高速光网络中。噪声低，应用f r a 的w d m 系统中放大中 的串音影响会降到最低。f r a 是e d f a 的补充，而不是代替，两者组合起来， 可获得大于1 0 0 n m 的带宽。 掺铒碲化物光纤放大器 掺铒碲化物光纤放大器e d t f a 的研制取得很大进展，利用掺铒碲化物 玻璃光纤制作，可提供大约9 0 n m 的放大带宽，增益特性平坦，频带向长波长 一侧移动，同时覆盖1 5 5 0 r i m 和1 5 8 0 r i m 的放大区域，增益为2 0 d b 以上 掺镨氟化物光纤放大器 掺镨氟化物光纤放大器p d f f a 可用于1 3 1 0 n m 窗口的光放大，受氟化物 光纤制作困难与量子效率低的限制，开发进展比较缓慢。 掺铥氟化物光纤放大器 掺铥氟化物光纤放大器t d f f a 具有较大的放大带宽，在波长1 4 7 0 n m 和 1 6 5 0 h m 处各有一个峰值增益，1 4 5 0 n m - 1 4 8 5 n m 宽波长范围增益高，噪声低， 且效率高达1 0 ，在该波长范围内光纤损耗低于0 2 5 d b k m 。t d f f a 与放大 带宽位于1 5 8 0 n m 处的e d t f a 配合使用，可将单根光纤的传输能力提高两至 三倍。 此外，国外还在研究宽带掺钕、掺铌的光纤放大器，但距实用化尚有相 当大的距离，估计要在2 0 1 0 年左右商业化。 目前，许多网络每年通信量增长达3 0 - 1 5 0 ，而且光纤的潜在带宽也较 大，如果以衰减小于0 2 5 d b k m 的部分计算，可用光纤带宽在2 0 0 n m 左右， 而以衰减小于0 3 5 d b k m 计算，适用带宽几乎可达4 0 0 n m 。新一代宽带化， 组合化光纤放大器的研制，有助于光纤带宽的完全利用。 表原理工夫学顼尘研究生毕业论文 第三节喇曼放大器的放大原理、特点及应用 在上面所提到的放大器中，f r a 是新出现的一项放大技术。它以e d f a 无可比拟的带宽优势迅速成为光放大器中的新宠。f r a 是利用光纤中的 种重要的非线性效应受激喇曼散射制成的。本论文着重研究光纤中重 要的非线性效应一受激喇曼散射及其对它的应用一喇曼放大器的噪声特 性。 1 3 1 光纤喇曼放大器的发展 传统c 波段e d f a 的可用增益带宽为3 5 n m ，然而，因特网的迅速发展 要求光纤传输系统的传输容量大概每2 年就要翻一番，现在c 波段2 5 g 系 统提供的容量未来5 年就会用光。喇曼放大器可以适用到从1 3 0 0 h m 到 1 7 0 0 n m 的整个频段。特别地，喇曼放大器由于采用分布式的放大而可以补 偿色散补偿器件带来的损耗同时可以避免非线性效应，因此更加引人注目， 特别适用于超长距离传输。 对于光纤喇曼放大器的研制，大功率光纤放大器和光纤激光器的世界 领先供应商i p op h o t o n i c s ( h t t p ：w w w i p g p h o t o n i c s c o m ) 最近宣布推 出喇曼放大器产品。该产品工作波长从1 2 6 0 n m 到1 7 0 0 h m ，具有增益高， 噪声小等特点。该产品采用多波长泵浦技术，比e d f a 和单波长泵浦喇曼放 大器具有更大灵活性。在国内，光迅公司最近推出了喇曼光纤放大器，它 的波长范围覆盖1 5 2 8 n m 1 5 6 7 n m ，增益l o d b ，增益不平坦度为1 i d b ，它 仅利用四个激光器就能作出覆盖c + l 波段的喇曼放大器。 1 3 2 喇曼放大器的放大原理 在第二章中将要讲到受激喇曼散射( s r s ) ，f r a 就是基于受激喇曼散 射机制的光放大器。即当一弱的信号光和另一强的泵浦光同时在一根光纤 m ，、r m 西禹干业佑x 中传输，且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能 量通过受激喇曼散射转移到弱信号光中，使弱信号光得到放大，获得喇曼 增益。在连续波或准连续波的条件下，忽略泵浦波的损耗，光纤喇曼放大 器的增益可由下式表示嘲：g = e x p ( g r p 。三盯爿谚) 。式中孙为光纤对信号 光的喇曼增益系数，p 。为泵浦光的初始功率，锄= ! 二墅丛二璺堕为光纤有 效作用长度，4 ，为光纤有效面积。从此式可知，喇曼增益与光纤内传输 的光的损耗系数、传输距离、泵浦光的初始功率以及光纤的有效面积有关。 1 3 3 喇曼放大器的特点 分布式光纤喇曼放大器有三个突出的特点； a 、其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到 任意波长的信号放大； b 、其增益介质为传输光纤本身； c 、噪声指数低。 f r a 可以放大e d f a 所不能放大的波段，使用多个泵源还可得到比e d f a 宽得多的增益带宽。因此，对于开发光纤的整个低损耗区1 2 7 0 h m 一1 6 7 0 n m ( 即全波光纤“1 ) 具有无可替代的作用。特点b 使f r a 可以对光信号进行 在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输。而且因为是分布 式放大，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尤其 是四波混频( f v i ) 效应的干扰。特点c 使其与常规e d f a 组成混合放大器 时可大大降低系统的噪声指数，而且，因为f r a 与e d f a 工作在不同波长， 从而拓展了放大带宽，增加传输跨距。e d f a 与f r a 的区别如表1 所示。e d f a 与f r a 混合结构如图卜3 一l 所示。 太原理工大学顼士研究生筚业论文 泵浦输入 图卜3 一l ：e d f a 与喇曼放大器混合结构图 表1 ：f r a 与e d f a 的比较： 比较内容 e r ae d f a 利用受激喇曼散射利用掺铒光纤中铒离子 基本原理 效应实现光放大的能级跃迁实现光放大 能放大的理论上可以对任意波长进行放大e d f a 由于能级跃迁限 波长范围一般为1 3 0 0 n r r r 1 7 0 0 n m 共3 0 0 n m制，只能放大8 0 n m 增益介质介质为传输光纤本身特殊的掺铒光纤 噪声指数低，系统噪声数离，系统 噪声指数 受s p m 的影响小易受s p m 的影响 采用增益平坦滤波 增益平坦通过多波长泵浦实现增益平坦 器实现增益平坦 放大器的 2 5 8 0 转换效率 1 3 4 喇曼放大器的分类 f r a 根据泵浦抽运方式可分为前向泵浦和后向泵浦两种，前向泵浦的 抽运方式会将泵浦光的幅度和偏振不稳定性引入到信号光中，严重影响信 号质量。因此，我们推荐使用后向泵浦的方式“。 a 艨辑 兀手低工可罨干* 面凡 另外，根据f r a 放大方式可分为：分立式f r a 和分布式f r a 。 a 、分立式f r a 所用的光纤增益介质比较短，一般在十公里以内，泵浦 功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生4 0 d b 以上的高增益，象e d f a 一样用来对信号光进行集中放大，因此主要用于e d f a 无法放大的波段。目 前新动向是利用色散补偿光纤。1 ( d c f ) 本身喇曼增益系数较高的特点，在 原d c f 光纤的基础上加以改进，在保持色散补偿特性的同时获得喇曼增益。 这样当使用色散补偿光纤进行系统的色散补偿方案时，按照色散补偿光纤 与普通光纤( g 6 5 2 ) l ：7 的比例，每8 0 k m 的跨距段就需要l o k m 左右的 d c f 光纤，只需额外加5 0 0 m w 左右的泵浦功率就可实现l o d b 左右的喇曼增 益，这样在色散补偿的同时也实现了光放大。3 ，如图卜3 2 所示。 图1 - 3 - 2 ：色散补偿和喇曼放大器相结合的方案 b 、分布式光纤f r a 所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可 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 线性效应，提高信噪比。在d w d m 系统中，传输容量，尤其复用波长数目的 增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强， 容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式f r a 辅助传输可大大降低信 号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比( o s n r ) 。这种分布式f r a 由 于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展。而且以目前的技术只有喇 曼放大技术才能实现在光传输过程中的分布式放大。 1 3 5 喇曼放大器的应用 在宽带w d m 中的应用 太原理工夫学硕士研究生毕业论文 w d b l 系统一般是应用在长途通信网络当中的。传统通信方式要通过光一 电一光转换过程来对光信号进行处理。这就使得光通信速度受到电子瓶颈的 制约。f r a 的应用，使得w d m 系统的信号传输不需在传输过程中进行光电 转换，从而实现全光传输。而且在较大范围内使无中继传输成为可能。 f r a 应用于宽带放大主要有三种情况： 1 、独立f r a 通过对多个泵浦的复用可以使放大的信号带宽达到2 0 0 n m ，覆盖了s 、 c 、l 三个波段，能放大的通道数达到1 0 0 多个。在排列多个泵浦源时，应 该让短波长的泵浦源排列的紧凑些且输入功率低些，较长泵浦排列的宽松 些且输入功率高些，这样可以尽量降低泵浦源之间的喇曼效应”1 。 2 、f r a + e d f a 混合放大器 由于e d f a 技术已经相当成熟，和f r a 相比各有所长，因此目前最好的 方法是将两种放大器结合起来，用e d f a 放大传统的c 波段，用分布式f r a 放大s 、l 波段，以获得较大的增益。不过由于两种放大器的增益谱叠加后 平坦性不好，一般要加上增益均衡器“1 。 3 、喇曼有源器件 利用f r a 的分布放大增益特性，可以制成有源无损器件。例如给色散 补偿光纤加上泵浦源就可以获得无损色散补偿光纤。通过调节泵浦光的强 度和波长还可以改善增益特性。 城域网中的应用 除了在长途光通信网上的应用外( 如上所述) ，在城域网中，f r a 也有 很好的发展前景。在城域网中，n d f ( 负色散光纤) 与喇曼放大技术结合 使用，在提高f r a 的效率方面表现突出。另外，在城域网中，单独使用f r a 或e d f a 的话，成本会很高。一种很热门的技术是使用喇曼连续性放大器。 太原理工大学顼士研究生毕业论文 这种放大器允许在一条光纤上均匀地安装低增益f r a 。泵浦激光器接在光 纤链路的起始端，而增益是沿着光纤长度提供。这种连续放大技术有助于 降低成本，但需要使用特殊的光纤。 光孤子通信中的应用 光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通 信方式。当光纤的非线性和色散二者达到平衡时，光脉冲的形状将在光纤 传输中保持不变。光孤子通信的主要问题之一是光纤的损耗问题。光孤子 脉冲沿光纤传输时，其功率逐渐减弱，这将破坏非线性和色散二者之间的 平衡。解决的方法之一就是在光纤的传输线路中设立f r a ，使光孤子在传 输过程中保持不变。 第四节喇曼放大器的构成 分布式喇曼放大器的构成如图卜4 1 ，最基本的器件有泵浦源、普通光 纤。 前向泵浦后向泵浦 图卜4 1 ：喇曼放大器的基本结构 1 4 1 喇曼放大器对泵浦源的要求 喇曼放大器的实用化首先是瓦级小型化泵浦激光器的实用化。喇曼放 大器对泵浦源的要求： 1 、泵浦源有较大的输出功率，一般在2 0 0 5 w 以上，要获得足够的增益。 太原理工大掌顼尘舒究生毕业论文 2 、要有合适的输出波长，泵浦光和信号光的光频移约为1 l o n m ，保证输 出波长稳定，以保证增益稳定。 3 、连续工作时间长。 4 、保证输出功率可以高效地耦合到光纤中去。 喇曼光纤放大器的核心之一是喇曼泵浦源，目前使用的泵浦源有单波 长泵浦、复用式半导体泵浦激光器和层叠式喇曼光纤激光器。 对于单波长泵浦的光纤喇曼放大器，泵浦波长的选取主要根据所需喇 曼增益谱的中心波长决定。为了使光纤喇曼放大器的性能最佳，泵浦光和 要放大的信号光之间的频率差应在1 3 2 t i t z 左右“1 。 为得到宽带，平坦的增益曲线，通常采用多波长泵浦。目前商用产品 基本上采用高功率l d 激光器结合相关合波器件的方案，如图卜4 2 所示。 九l 图卜4 - 2 ：喇曼泵浦模块的光路结构 图卜4 - 2 中所示为两极泵浦源复用，需要的话，是可以多级复用的。 在喇曼泵浦模块的设计中，有很多需要考虑的因素，其中最主要的是 喇曼泵浦源的波长优化，即增益平坦度的控制问题。这就涉及到泵浦激光 器的数量、波长间隔和功率的配置问题。光纤喇曼放大器特点之一是通过 多波长泵浦实现增益平坦，并要求选择的泵浦波长与所要放大的波长范围 相对应。但是采用的波长太多会降低喇曼泵浦源的利用效率，并且给泵浦 兀原理工大学碾尘研咒生毕业论文 舍波带来不便；采用的波长太少会使增益平坦性能降低，进而会影响系统 性能。日本古河电工申请专利”1 ，在用多个泵浦放大器时，相邻波长的差 值要在6 - 3 0 n m 之间。如果不在此范围内，肯定增益不平坦。在实际应用中， 要合理优化配置，使喇曼放大器的性能达到最好。 另一种泵浦源是喇曼光纤激光器，它利用廉价的多模泵浦激光器泵浦 特殊的大孔径双包层光纤可以产生1 0 0 0 n m 的光，然后再去泵浦一系列级联 的拉曼谐振腔，将最终输出波长移到1 4 5 0 n m 附近。1 。喇曼谐振腔可以利用 低损耗布拉格光纤光栅制作，最终的转换效率很高，输出功率可高达1 5 w 。 这种技术的好处是可以实现很大的输出功率，而且输出波长范围很广。 放大器设计的核心之二是波长泵浦复用器。现在比较热的是采用全光 纤器件。技术。全光纤产品的优势是插损很低，仅0 1 5 d b ，因此它带给泵 浦激光器的功率损失最小。而另一种器件一薄膜器件典型的插损值在0 4 0 8 d b 。考虑到泵浦的功率效率，采用全光纤器件技术是显而易见的。 1 4 2 喇曼放大器对增益介质的要求 表2 给出了5 种典型光纤用于喇曼增益介质时的参数。 表2 ：五种光纤的喇曼特性 f i b e t掺杂浓度口( d b k m ) 如u m 2 g r 1 0 1 4 m w s m f o 3 0o 1 9 08 0 01 5 2 d s fo 8 50 3 0 05 0 o2 0 8 d f f1 4 0o 2 3 12 3 93 1 1 d c f2 o oo 4 1 21 5 33 9 3 h n l f2 8 00 6 0 0“54 4 1 由增益表达式和表2 可看出，光纤喇曼放大器选取增益介质时要考虑 太原理工大学顼士研兜生毕业论文 1 、光纤纤心掺杂浓度 从表中看出，随着的增大，光纤的喇曼增益系数也在提高。原因在 于随着掺杂浓度的提高，光纤的模场直径减小，即光纤的横截面积减小， 导致泵浦光增人从而光纤的喇曼增i ；i l 系数增大。但另方而，随着掺杂 浓度的捉r 协，光 f 损托也袖：增人，蜮终引起增盗损耗，降低增j ：； 效率。从 而降低信噪比。因此，在实际中，光纤的掺杂浓度要适当，避免增益损耗 的发生。 2 、有效芯径面积和衰减系数 在其他情况相同时，光纤的有效面积越小，它的增益系数越大。而对 光纤的衰减系数来说，衰减系数越大，光纤的增益越小。 3 、光纤长度 据增益表达式，作增益与光纤长度的关系如图卜4 3 。从图中能看出， 随着光纤长度的增加，光纤的增益曲线趋于饱和。另外，不同种类的光纤 扶c t t ( i j 增疏4 i i rd ，皿然m 线f l ：光纤的增菇圾i j i ，但? 考虑一i ：i 噪声指数， 非线性光纤的噪声指数较高，所以，色敞补偿光纤( d c f ) 是最佳选择。 i 划1 4 - 3 ：符剃t 光纤的增z & 与光纤长度的芙系 太原理工大掌顼士研究生毕业论文 第五节喇曼放大器的放大器特性 1 5 1f r a 的分布放大特性 f r a 对信号光的放大是在信号光与条浦光的共l 训专输过程中的一种分 布式放大，泵浦光和信号光在传输中的相互作用决定了f r a 的特性。在忽 略自发散射和高阶s t o k e s 波时泵浦光和信号光的耦合方程为“”3 ： 警= 等以 s - ， 誓一砉等一p ，j 解此方程组，得到同向泵浦和反向泵浦时泵浦光和信号光功率沿光纤 的变化情况( 将坐标原点选在信号注入点且忽略信号光对泵浦光的损耗) 。 p 。c z ，= p 、c 。，e x c a 。= ，e x - c 墨翌! 警，1 c - j z ， p ，( z ) = p 。e x p ( 一，：) j p r ( ：) = p e x p ( 一日，( 三一：) ) p 。( ：) 2p 、( 。) e x p ( 一“、= ) e x n ( ! 1 2 掣e x p ( - a ，, l ) ) j ( 1 ，5 3 ) 其中l 为光纤有效作用长度。取典型的参数日。= 0 3 d b k m ， d = o 2 d b k m ，a = 8 0 u r n2 ，g n = 5 x 1 0 “州w ，假设同向泵浦时入射信 号初始功率为o o l m w ，反向泵： i | i 时入射信号初始功率为l m w ，泵浦信号 初始功率为1 0 0 0 埘w ，则栅( 1 5 2 ) 、( 1 5 3 ) 分别训做蚓1 5 1 、1 5 - 2 。 友原理工大掌顼尘所兜生毕业论文 图卜5 一l ：传输功率与传输距离的关系l ( 同向泵浦) 从图卜5 1 可以看出，在f r a 中，若信号光和泵浦光同向传输，虽然 泵浦光也能对信号光起到放大作用，但在极短距离内达到最大值后，信号 逐渐衰减，放大距离不会太长。 图卜5 - 2 ：传输功率和传输距离的关系2 ( 反向泵浦) 从图1 5 2 中可以看出，在f r a 中，信号光在传输中与反向传输的泵 浦光经由较长距离的非线性相互作用逐渐放大。在传输一定距离后，由于 太原i l i a , 大学殒士研究生筚业论文 泵浦光功率的下降，使非线性带给信号的增益减小。另外从图中还可看出， 反向传输的泵浦波正好在信号光已传输一定距离而衰减较严重时开始起非 线性作用，泵浦波再往下传输时，光波逐渐减弱，不会对信号造成干扰， 这也就是为什么使用反向泵浦的原因。另外，在分布式f r a 中，光信号的 极值点可以由方程组( 1 5 1 ) 中的第一个方程求得。令印。d z = 0 ，可得 p：!兰生为极值点的泵浦功率。再根据前向泵浦时不计信号光对泵浦光p g 损耗时的泵浦光p ，( z ) = p 加e x p ( - a p z ) ，可以算出信号功率的极值点位置为 l n f ! 丛1 z ：! 盟，将上面所给参数带入，可知信号功率的极( 大) 值点在距 口， 离信号波入射处( 同向泵浦) 4 0 k m 左右。而若采用反向泵浦，则极( 小) 值点应该在距离泵清波4 0 k m 左右，若考虑上信号的自发散射及损耗对泵浦 造成的影响，则极值点将会缩短，而且，极值点的位置与入射信号的大小 无关。见图1 - 5 - 1 和图1 - 5 - 2 中的竖直线。从这也能看出，采用反向泵浦 可以传输更长的距离。使用f r a 的另一局限性在于，由于f r a 一般是使用 普通光纤作为增益介质，所以它的效率较低，增益不高。往往需要和集中 式f r a 或e d f a 结合使用，以达到足够的增益。而且f r a 的这种分布式放大 并非是完全理想的放大( 即沿光纤各处的增益恰好补偿损耗) 。且上面详细 分析过了，f r a 的分布式放大主要集中在一定的有效长度内，超过一定的 长度后衰减特性占主要地位。与普通光信号传输的衰减特性基本一致。所 以对f r a 的分布放大特性的研究和改进是很有价值的。 1 5 2 喇曼放大器的局限性 从式( 1 _ 5 2 ) 中还可看出，当传输距离z 很大时， 太原理工大学顼士研究生毕业论文 p 。( z ) = p 。( o ) e x p ( 一c ，z ) e x p ( 翌! ! ! ! ! 二! 竺! 二垒塑1 ，也即光信号晡f , o d 着传输距 一j ，u j r u 1 日了 ，目l i 删q w = 月玎口p 离的增加而按e x p ( _ 口。z ) 衰减，与无泵浦光时的衰减情况相同。所以f r a 的 分布放大特性只是在非线性的有效作用距离内实现分布放大，并不能使增 益和损耗处处相同而达到理想的透明传输，信号沿光纤的功率起伏仍不可 避免，如图卜5 3 。也即在看到f r a 分布特性优点的同时，也要看到它的局 限性。 另外，f r a 尤其是分布式f r a 的带宽并非可以通过增加不同波长的泵 浦任意加宽，它的带宽局限性来源于喇曼增益参数曲线的峰值位置t 即泵 浦光和s t o k e s 光的频差，若信号带宽大于此频差时会使得泵浦进入信号频 段内，从而造成非线性作用的混乱，破坏了信号的特性。 褂 督 01 0 02 0 03 0 0 4 0 0 光纤传输距离k m 图卜5 - 3 ：分布式放大器和集中式放大器功率起伏对比 还有，在w d m 系统中，应用f r a 也有一些缺点，即不光是泵浦光，还 有一些d w d m 信道中的高频信号会对其它信道的低频信号产生放大作用，这 会导致信道之间的能量交换，引起串话3 。 另外f r a 的效率特低，需要大功率的光源以提高f r a 的转换效率。但 m o o啪咖啦珈 太原理工大学顼尘研究生毕业论文 在w d m 光信号传输中又希望非线性造成的串话小，这就是一对矛盾。也是 f r a 不易解决的一个问题。所以大功率、高稳定性且效率高的泵浦源就成 为f r a 实用化的关键。关于泵浦源在前面已经详细讲过了。 f r a 的另一局限性在于，由于f r a 一般是使用普通光纤作为增益介质， 所以它的效率较低，增益不高。往往需要和集中式f r a 或e d f a 结合使用， 以达到足够的增益。而且f r a 的这种分布式放大并非是完全理想的放大( 即 沿光纤各处的增益恰好补偿损耗) 。上面详细分析过了，f r a 的分布式放大 主要集中在一定的有效长度内，超过一定的长度后衰减特性占主要地位。 与普通光信号传输的衰减特性基本一致。所以对f r a 的分布放大特性的研 究和改进是很有价值的。 本章小结 本章在综述前人研究的基础上，做了一些分析，主要做了如下工作： 夺从放大器的构成来分析，分析了几种不同类型的泵浦源，每种泵浦源 的优缺点以及技术要点。另外，从光纤介质的角度上分析了各种不同 类型的光纤对放大器的影响。 夺简述了放大器在宽带w d m 、城域网以及在光孤子通信网中的应用。就每 种应用，具体分析了喇曼放大器的独特之处。 夺分析了喇曼放大器的分布放大特性。具体分析了在放大过程当中喇曼 泵浦的极值点等问题。提出一个观点：喇曼泵浦的极值点与信号的入 射功率无关。 夺在最后，通过分析模型，指出喇曼放大的局限性。 太原理工大学顼士研究生毕业论文 第二章受激喇曼散射 第一节序言 受激喇曼散射( s t i m u l a t e