拉曼光纤放大器的优化设计

1、分类号：分类号：O437U D C：D10621-408-(2015)0922-0 密密 级：公级：公 开开编编 号：号： 成成 都都 信信 息息 工工 程程大大 学学 学学 位位 论论 文文 拉曼光纤放大器的优化设计拉曼光纤放大器的优化设计 论文作者姓名：论文作者姓名：唐唐 洪洪 申请学位专业：申请学位专业：电子科学与技术电子科学与技术 申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名 ( (职职称称 ) )： 何修军（副教授）何修军（副教授） 论文提交日期：论文提交日期：20152015 年年 0505 月月 2626 日日 拉曼光纤放大器的优化设计拉曼光纤放大器的优

2、化设计 摘摘 要要 拉曼光纤放大器(FRA)的工作原理是基于受激拉曼散射，是迄今为止唯一能 在 1270 nm 到 1670 nm 的全波段上进行光放大的器件。本文主要介绍了 FRA 的 发展历史和现状，受激拉曼散射效应基本原理，以及拉曼光纤放大器的工作原 理。介绍了其系统构成，包括增益介质，泵浦源，无源器件，并且在其工作原 理的基础上，对特性进行分析，包括增益，噪声，偏振相关性，温度等。根据 对基本理论的的理解，运用 optisystem 软件优化仿真，对于优化仿真，本论文 中做到的是通过对拉曼光纤放大器的阵列泵浦波长，泵浦功率，光纤有效作用 面积，光纤长度的优化，达到增益的最大值。 关键词

3、关键词：拉曼光纤放大器；受激拉曼散射效应；优化仿真；阵列泵浦 Optimal Design of Raman Fiber Amplifier Abstract The Raman fiber amplifiers working principle is based on the stimulated Raman scattering, which is the only device that can be optically amplified in the full band of 1670 nm to 1270 nm. This paper introduced the history

4、 and current situation of the FRA, the basic principle of Raman scattering, and the working principle of Raman fiber amplifier. And its system structure, including the gain medium, pump source and passive components are introduced. On the basis of the working principle, the paper analyses its charac

5、teristics, including the gain, noise, polarization dependence, temperature, etc. According to the basic theory of the understanding, it is used optisystem software to optimize simulation. For optimize simulation, the paper is done by array pumps wavelength, power, the fiber area, fiber length optimi

6、zed in order to achieve maximum gain. Key words: Raman fiber amplifier; stimulated Raman scattering; optimization simulation; array pump 目目 录录 论文总页数：27 页 1 引言.1 2 概述.1 2.1 拉曼光纤放大器主要应用 .1 2.2 拉曼光纤放大器的研究方向 .1 2.3 拉曼光纤放大器的发展 .2 3 拉曼光纤放大器的原理.2 3.1 拉曼光纤放大器的组成 .2 3.2 拉曼光纤放大器的分类 .4 3.3 拉曼光纤放大器的原理 .5 3.3.1

7、受激拉曼散射.5 3.3.2 拉曼光纤放大器的拉曼增益.6 3.3.3 拉曼光纤放大器的拉曼阈值.7 3.3.4 拉曼光纤放大器的特性.8 4 拉曼光纤放大器的优化仿真.10 4.1 阵列泵浦模型的建立 .10 4.2 对泵浦功率的优化 .12 4.3 对泵浦波长的优化 .17 4.4 对光纤有效作用面积的优化 .19 4.5 对光纤长度的优化 .21 结 论.24 参考文献.24 致 谢.26 声 明.27 1 引言引言 光纤放大器是的原理在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,比如铒、 镨、铥等，这样将泵浦发出的光能量通过耦合器等耦合到信号光上，对光信号 进行直接放大，在现代通信系统中，成

8、为不可缺少的关键器件1。 在以前，对于传统的通信系统，为了保证信号的质量，需要隔一定的距离 增加一个再生中继器。这种方式有一定的缺点，为了克服传统的光纤传输系统 的缺点，在 1985 年首次的成功研制了掺铒光纤放大器，取代了这种中继方式， 使得光波分复用通信系统在一定程度上发展起来，其优点是具有工作波长与光 纤最小损耗窗口一致；耦合效率高；能量转换率高；增益高，噪声低；增益特 性不敏感；可实现信号的透明传输，随着现代对通信系统的技术要求，即对其 传输速率和带宽的要求越来越高，必须提出一种满足两方面要求的光放大器， 由于这样的原因,促进了对光纤放大器的研究，出现了光纤拉曼放大器。在很早 之前就发

9、现了光纤中的受激拉曼散射效应，并且已经证明拉曼放大技术可以在 数字信号和光孤子传输上运用，但是当时适用于拉曼放大技术的大功率泵浦激 光器还没有研究出来，因此在这段时间内拉曼放大技术没有被运用。随着时代 的发展，最近这些年大功率泵浦激光器的出现，拉曼放大技术的实用成为可能。 2 概述概述 2.1 拉曼光纤放大器主要应用拉曼光纤放大器主要应用 （1）提高了系统的容量。当传输速率不变时，通过增加多路复用信道的数 目来增加系统容量。 （2）提高频谱的利用率以及增加系统的传输速率。 RFA 的全频带的放大 特性使得有可能在整个区域低损耗光纤工作，可以在一定程度上，增加频谱效 率和提高传输系统速率。 （3

10、）增加系统的无中继传输距离。系统信噪比决定了无中继传输距离，分 布式 FRA 的等效噪声指数比较低，比 EDRA 的噪声指数低 4.5 dB。 （4）补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗，DCF 的损耗系数远远比单模光 纤和非零色散位移光纤大，也比拉曼增益系数大。用 DCF 与 RFA 相结合的这 种方式，可以提高信噪比，也可以进行色散和损耗的补偿。 （5）通信系统升级。接收机性能不变，增加传输速率，要保证系统误码率 不变，必须增加系统接收端的信噪比 2。 2.2 拉曼光纤放大器的研究方向拉曼光纤放大器的研究方向 1) FRA 参数模拟仿真方面的研究 由于非线性比较复杂,对于影响 FRA 增益的各

11、种参数,以现在的技术，还没 有办法用比较精确的表达式来表示,几乎是依靠试验来测量数据,所以依靠量子力 学理论，是 FRA 的研究的一个重要的方向。通过对 FRA 光纤、增益、噪声等 特性,色散补偿等参数的仿真模拟，通过对模型的优化和算法的改进,可以使得 模拟的结果更加接近真实。 2) FRA 的应用以及设计方面的研究 在现代光通信中，商业用的光放大器主要还是掺铒光纤放大器，即使现在 FRA 研究是一个热点，并且在一定程度上有应用,比如在国外,很多长距离超大 容量的波分复用通信，使用的就是分布式 FRA。由于功率方面需要大功率泵浦 源以及效率方面上的原因，FRA 还没有达不到取代 EDFA，只是

12、在一定程度上 起到一个辅助的作用。FRA 设计集中在结构的实验设计，包括增益介质、泵浦 源和泵浦结构的选择 3。 目前，泵浦源主要是复用半导体泵浦激光器和级联式拉曼激光器。 2.3 拉曼光纤放大器的发展拉曼光纤放大器的发展 新型泵浦分布式 FRA。FRA 按照泵浦结构分为前向，后向，双向泵浦。 采用双向泵浦，并且选择合适的波长，在波长为 15281605 nm 内变化时可以 同时实现增益和噪声指数的平坦化。 在拉曼光纤放大器材料以及器件方面的发展。输出功率在 350 mW 以上 已经用于商业；在分立式 FRA 研究进展中的增益介质也取得了一定的进步，比 如采用光子晶体光纤技术研制出来的高非线性

13、光纤，弥补了 DCF 拉曼增益系数 小的问题。 在功能完善、控制灵活的 FRA 方面取得进展。 3 拉曼光纤放大器的原理拉曼光纤放大器的原理 3.1 拉曼光纤放大器的组成拉曼光纤放大器的组成 拉曼光纤放大器的组成包括增益介质，泵浦源以及光无源器件。 1.增益介质 产生拉曼放大功能的增益介质是拉曼光纤，对于拉曼的增益系数，不仅由 光纤本身的性质决定，泵浦波长也是影响其变化的一个因素，并且成一定比例 的变化。在 FRA 中,特别是在分立式 FRA 和拉曼激光器中，增益介质的材料都 需用特种光纤。当泵浦光功率确定为某个值时，FRA 的增益随着放大器增益介 质损耗和有效作用面积的减小，以及拉曼增益系数

14、的提高而增加。一般的，掺 杂也是常用的提高增益的方法4。 2.泵浦源 怎样获得高功率泵浦源是 FRA 应用于实际中关键的技术问题，目前泵浦源 主要有两种:一是复用半导体泵浦激光器，它的工作原理是用波分复用合波器将 几个低功率的泵浦源进行耦合，这样能够得到更高的输出功率;二是级联式拉曼 激光器，工作原理是用已经有的泵浦源，并且其波长相对较短，通过嵌套级联 拉曼光谐振腔的结构。FRA 对泵浦源有一定程度上的要求:一是要有较大的输出 功率；二是泵浦波长需要相对较合适的，需要合适的泵浦输出波长，来获得最 大增益；三是对其使用，要保证有足够的时间，并且连续工作得前提下时间较 长;四是要抑制拉曼增益的偏振

15、依赖现象。五是要保证输出功率经过各个耦合器 后可以更好的传输到光纤中4。 (1)复用半导体激光器 1 2 3 4 WDM Coupler Output PBC PBC FBG 图 3-1 复用半导体激光器 其结构如图 3-1 所示， 1 ， 2 是相同的，两个激光器用偏振复用合波器进 行耦合，这样可以达到消除偏振、抑制偏振现象的效果；光纤光栅用来稳定波 长；波分复用（WDM）合波器用于多波长的耦合输出。由于多个波长的激光器 通过耦合器一起耦合到光纤中传输，泵浦源之间的拉曼作用使得泵浦光功率从 短波不断转移到长波上。适当的加大短波长激光器的输出光功率，并且合理的 调配每个激光器的泵浦光功率，才能

16、获得均匀的增益谱4。 (2)级联拉曼光纤激光器 一般的，只要有合适功率的泵浦源，拉曼光纤激光器就能够在很大的波长 范围内得到任意波长的激光输出，并且可进行宽带调谐。过去常用的这种泵浦 源是 Nd:YLF，其输出波长是 1313 nm，以及 Nd:YAG，其输出波长是 1064 nm，它们的输出功率比较高，所以要做到经过各个光无源器件后能有效率地传 输到光纤中难度比较大，并且噪声也相对于比较大。因此在传统的光纤通信系 统中，难以应用到实际当中4。 3.无源器件 1)耦合器 泵浦光与信号光要进入光纤就必须耦合进入，要求是对信号光以及泵浦光 的插入损耗相对较小并且偏振相关损耗小。 2)隔离器 隔离器

17、只容许输入光束沿一个方向通过，对反射光有很强程度的阻挡作用。 隔离器作用是保护光源，并且可以抑止后向瑞利散射以及泵浦源的波动的影响。 3)衰减器 衰减器用于调节输入光功率，对信号光和泵浦光功率进行可调节的衰减。 4)环形器 环形器的作用是将正反向光信号分开。 5)偏振控制器 偏振控制器的作用是调节信号光和泵浦光的偏振态，一般用于偏振相关性 的测量。 6)光纤跳线 光纤跳线的作用是连接器件与器件3。 3.2 拉曼光纤放大器的分类拉曼光纤放大器的分类 拉曼光纤放大器的类型有分布式 FRA 和分立式 FRA，分立式 FRA 将光纤 放大器和传输线分开，当作独立元件使用。分立式所用增益介质较短，但是泵

18、 浦功率很高，获得增益比较高，并且能放大掺铒光纤放大器不能放大的波段。 分布式 FRA 的增益介质是传输光纤本身，为了提高系统的整体性能，分布式 FRA 主要和掺铒光纤放大器配合使用。FRA 的结构依据泵浦方式可分为前向、 后向和双向泵浦结构4。 下图是几种泵浦拉曼光纤放大器的结构： 光隔离 器 耦合器光隔离 器 滤波器 传输光纤 信 号 光 输 出 泵浦激光器 图 3-2 前向泵浦拉曼光纤放大器的基本结构 在这种结构中，泵浦光与信号光同向进入传输光纤再经过耦合器进行耦合， 这样就使得信号光与泵浦光之间的串扰较大，噪声性能也比较差。 光隔离 器 耦合器光隔离 器 滤波器 传输光纤 信 号 光

19、输 出 泵浦激光器 图 3-3 后向泵浦拉曼光纤放大器的基本结构 后向泵浦拉曼光纤放大器能抑制泵浦诱发的高频偏振以及强度噪声。对普 通单模光纤和色散位移光纤来说，后向泵浦结构要比前向泵浦结构带来的串扰 低 4 个量级，因此在现代通信系统中一般采用后向泵浦结构。 光隔离 器 耦合器光隔离 器 滤波器 传输光纤 信 号 光 输 出 泵浦激光器泵浦激光器 图 3-4 双向泵浦拉曼光纤放大器的基本结构 双向泵浦 FRA 是前向泵浦与后向泵浦的结合，光无源器件的作用在上一节 介绍过；泵浦光源的作用是提供能量；滤波器的作用是消除被放大的自发辐射 光使的放大器噪声降低。 3.3 拉曼光纤放大器的原理拉曼光纤

20、放大器的原理 3.3.1 受激拉曼散射受激拉曼散射 受激拉曼散射效应是 FRA 工作原理的基础，受激拉曼散射是光波与二氧化 硅分子的振动模之间的相互作用的结果，如果一个光子入射到一个分子上，分 子能从光子中吸收一部分能量。在相互作用的过程中发生了散射，产生了一个 频率较低的光子，这个二次光子就是斯托克斯光子。用量子力学解释：如图 3- 5，当一个泵浦光子入射进光纤中，光纤中电子受激从基态跃迁到虚能级，然后 通过信号光的感应，虚能级的电子回到振动态的高能级，并且此时发出一个斯 托克斯光子。光纤中电子可以跃迁到虚能级，回到基态，发出一个反斯托克斯 光子，在光纤中振动态能级有一个比较大范围，所以如果

21、弱信号光和强泵浦光 同时注入光纤中共同传输，并且信号光波长在泵浦光的拉曼增益谱内，这样一 部分能量可以从泵浦光转移到信号光，实现信号光的放大4。 虚能级 振动态 基态 1480nm 泵浦光子 1550nm 斯托克斯光子 光子能量 图 3-5 拉曼散射能级示意 FRA 的受激拉曼散射不需要粒子数反转，它的激发态只是一个虚能级，因 此受激拉曼散射是一个瞬间完成的过程。受激拉曼散射对于任何相反方向的泵 浦与信号光，都可以很容易的得到相位匹配。 3.3.2 拉曼光纤放大器的拉曼增益拉曼光纤放大器的拉曼增益 增益是表示信号放大最直接的参数，和掺铒光纤放大器有一定的区别， FRA 的增益一般情况下有两个:

22、净增益 net G 和开关增益 G。开关增益是打开和关 闭的时候信号光输出功率的比值，一般的，用来表示分布式 FRA;净增益是信号 输出光功率与输入光功率的比值5: in ASEout net P PP G 10 log10 （3-1） 上式中 ASE P 是信号放大自发辐射功率， out P 和 in P 分别为信号的输出光功率 以及输入光功率。在信号放大时，忽略泵浦光功率的消耗: eff effR A LPg G 0 exp （3-2） 因此: LGG snet exp （3-3） 式（3-2）中 0 P 是泵浦光功率。由（3-2）和（3-3）可以得出拉曼增益效率 R g , eff A

23、,光纤长度 L 以及光纤损耗系数 s 能影响得到的净增益，所以对增益介质的 选择对于设计 FRA 非常重要。 3.3.3 拉曼光纤放大器的拉曼阈值拉曼光纤放大器的拉曼阈值 在连续或准连续条件下，斯托克斯波的初始增长描述为 spR s IIg dz dI （3-4） 式中 s I 表示斯托克斯光强， p I 表示泵浦光光强， R g 表示拉曼增益系数。 假设一种最简单情形，一束连续波入射进光纤，但是即便在这种情形下， 也应该将上面方程做修正，应该将光纤损耗考虑在内。并且泵浦功率沿光纤并 不能保持为一个常数，应考虑泵浦光与斯托克斯光之间的非线性相互作用。当 这些效应均包括在内之后，拉曼散射过程可以

24、表示为： ssSpR s IIIg dz dI (3-5) pp spRs pp I IIgw w dz dI (3-6) 上面两式中， p ， s 分别是为泵浦频率与斯托克斯频率处的光纤损耗。如果在 没有损耗的情况下，可以容易证明 0 dz w I w I d p p s s (3-7) 这个式子说明，拉曼散射效应过程中，泵浦光和斯托克斯光束的光子总数是不 变的。 如果去掉（3-6）方程中右边方程的第一项，求解方程就比较容易，带入方 程（3-5） ，可以得到： ssspR s IIzIg dz dI exp 0 (3-8) 上式中 0 I 是表示处 0z 的入射泵浦的光强。方程（3-8）可以

25、求解得到： LLIgILI seffRss 0 exp0 (3-9) p p eff L L exp1 (3-10) 方程（3-9）可以得出由于光纤消耗，有效光纤长度从L减少到 eff L 。 利用方程(3-9)，需要知道 0z 处的入射光的光强 0 s I 。事实上，拉曼散射 效应是在整个光纤上产生的自发拉曼散射的基础上建立的。斯托克斯功率按照 方程（3-9） ，考虑到每个能量为 hw 的频率分量的放大，在拉曼增益普范围内积 分计算，即 dw LLIwwghw LP seffpR s 0 exp (3-11) 上面式中如果光纤只容纳一个模式。即使不知道 R g 的函数，也能用最速下 降法近似

26、的计算式中的积分，由于积分中的增益峰值为 s ww ，周围有一个很 窄的区域，所以 LLIgPLP seffR eff ss 0 exp 0 (3-12) 上式中， 0z 处的有效入射光功率是 effs eff s BhwP 0 (3-13) 2 1 2 22 1 0 2 s ww R eff eff w g LI B (3-14) 从物理意义上来讲，是中心位于 spR ww 附近的斯托克斯辐射的有效带 eff B 宽。 对于拉曼阈值，它是当光纤的输出端斯托克斯功率和泵浦光功率相等时的 入射泵浦光功率，或 LPLPLP sps exp 0 （3-15) 上式中， eff AIP 00 表示泵浦

27、光入射功率， eff A 表示有效模场面积，将（3-12） 带入（3-13）中，并且假设 ps ， ，那么条件变化为 00 exp 0 PLPgP effR eff S （3-16） 式中， eff S P 0 通过（3-13） （3-14）还和 0 P 有关。如果拉曼增益谱为洛仑兹形，那 么临界泵浦功率近似 16 0 eff eff cr R A LPg （3-17） 对于后向拉曼散射效应可以按照类似的方法，这种情况下的阈值条件仍然 由（3-17）给定，将式中的熟知因子 16 换成 20 来分析。 3.3.4 拉曼光纤放大器的特性拉曼光纤放大器的特性 1.增益特性 ss speff RS P

28、 PPA g dz dP 2 （3-18） 以上方程没有考虑自发拉曼散射以及泵浦光功率消耗所产生的影响，由于在通 信系统中 Pp Ps，所以可以忽略泵浦光功率的消耗。得： eff effpR A LPg G 2 exp （3-19） 可以看出，如果忽略泵浦光功率的消耗，泵浦光功率增加，增益也就随着 增加， 。当增益增加达到一个临界的时候，就需要考虑到泵浦光功率的消耗，这 样就使得增益的减小，产生饱和增益。光纤类型以及光纤的各种参数也对拉曼 增益的大小有一定的影响，对于光纤类型来说，掺杂的光纤能得到比普通光纤 更高的拉曼增益。对于光纤的参数，由表达式（3-19）可以得出，增益随着光 纤的有效作用

29、面积的减小而增加。 2.噪声特性 FRA 中的噪声主要分为放大的自发辐射噪声，瑞利散射噪声，串话噪声， 非线性和受激布里渊散射造成的噪声。以下是对各种噪声的简要介绍： 自发辐射（ASE）噪声 自发辐射噪声是自发拉曼散射经过泵浦光的放大而产生的覆盖拉曼增益谱 的噪声。自发辐射噪声随着泵浦光的增加而增加；自发辐射噪声的功率随着接 收端的光滤波器带宽的变窄而减小。 串话噪声 串话噪声包括由于泵浦光光源的波动而造成的泵浦光和信号光之间的串话， 因此泵浦光光源的稳定性也是影响噪声的一个因素，稳定泵浦光光源可以通过 反馈技术以及采用后向泵浦结构；还包括由于泵浦光光源同时对多个信道放大 而导致的泵浦介入产生

30、的信号间串话。因此，信号光功率以及泵浦光功率越大， 泵浦光到信号光的转换效率越高，产生的串话越严重。因此应该采用后向泵浦 这种结构来作为放大 DWDM 系统6。 瑞利散射噪声 瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的，分为单瑞利散射和双瑞利散射。 对于单瑞利散射，主要是自发辐射噪声产生的;而双瑞利散射是主要由于多 路串话干扰产生的。瑞利散射是经过双倍放大的，所以瑞丽散射噪声是噪声中 一个重要的因素。经过研究，影响该噪声的因素有放大器增益，以及传输线长 度，并且成正比的关系。由于不改变入射光的频率，因此信号和信号在同一频 率上，没有办法测量7。 瑞丽散射 信号输入 信号输出 双瑞丽散射噪声 双瑞丽散

31、射 镜头反射 图 3-6 双瑞利散射的形成机理 3.非线性和 SBS 后向散射的影响 在实际通信系统中，由于入射到光纤中的泵浦光的强度很强，所以不可避 免的会产生非线效应，从而导致了信号频谱展宽。 泵浦光功率和噪声之间是存在矛盾的，因此，要做到系统的优化，必须在 达到一定的输出信噪比并且提高增益，输入信号光功率也不能过高，上面提到 采用后向泵浦结构可以减少串话噪声，因此要尽量采用级联后向泵浦以达到减 少噪声的要求。实际上，FRA 的增益介质是传输光纤，降低了对输入信号光功 率的要求8。 偏振相关性 首先，光纤的折射率是和外电场的偏振态相关的。 同向泵浦，如果泵浦光与信号光的偏振态保持一致，能达

32、到最大增益;两者 偏振态正交时，产生拉曼增益几乎可以忽略。对于 FRA 的偏振相关性，其增益 与采用的泵浦结构有很大联系。 对于前向泵浦，增益随信号光的偏振态的不同变化比较大，对普通光来讲， 改变信号光和泵谱光的初始偏振态，增益变化比较大;对于后向泵浦结构，信号 光与泵浦光是沿相反方向传输的，增益变化非常小，因此一般多选择多后向泵 浦8。 温度稳定性 温度对 FRA 的影响表现在增益和噪声方面。试验证明，改变拉曼光纤所处 的温度，增益和噪声由于温度的变化影响很小，变化值都不大于 0.5dB9。 4 拉曼光纤放大器的优化仿真拉曼光纤放大器的优化仿真 4.1 阵列泵浦模型的建立阵列泵浦模型的建立

33、阵列泵浦模型如图 4-1 模型中 WDM Transmitter:序列长度为 128 Bits,比特率为 64，对于泵浦频率 的初始设置是 Frequency0为 1415 nm，Frequency1为 1415 nm，Frequency2 为 1415 nm，Frequency3为 1415 nm，对功率的初始设置是 Power0为 200 mW，Power1为 200 mW，Power2为 200 mW，Power3为 200 mW。 图 4-1 阵列泵浦模型的建立 阵列泵浦模型的建立做的是对单参数包括泵浦功率，泵浦频率，光纤有效 作用面积以及光纤长度的优化，达到增益最大值，如图 4-2

34、图 4-2 参数的设定 4.2 对泵浦功率的优化对泵浦功率的优化 首先，在 Parameter 中，选定泵浦功率 Power0,其取值范围设定是 0-2000 mW，光纤长度设置为 5 km，光纤有效作用面积设置为 25 um2，如图 4-3 图 4-3 参数 Power0的设定 在 Result 中选择 Gain1,如图 4-4 图 4-4 Result 的选定 优化过程如图 4-5 图 4-5 Power0的优化过程 光谱分析器 1 的输入光谱图如图 4-6 图 4-6 光谱分析器 1 的输入光谱图 光谱分析器 2 的输入光谱图如图 4-7 图 4-7 光谱分析器 2 的输入光谱图 优化之

35、后的光谱分析谱输出如图 4-8 图 4-8 优化之后的光谱分析谱输出 统计数据如表 4-1 表 4-1 Power0与 Gain1 的数据统计 Power0/mWGain1 01.38083 4002.87401 1047.217.29378 1236.0710.9025 200059.036 根据数据利用 MATLAB 进行作图，如图 4-9 0200400600800100012001400160018002000 0 10 20 30 40 50 60 Gain1 Power0/mW 图 4-9 Fower0与 Gain1 的关系图 利用 MATLAB 进行曲线拟合，由上图可以看出，当泵

36、浦频率，光纤有效 作用面积以及光纤长度等保持不变时，功率在 0-2000 mW 范围内中变化的时， 增益随着功率的增加而增加，在 1000-2000 mW 的范围内变化较大。说明增益 随着泵浦功率的增加始终是增加的。 在此基础上，再对 Power0进行优化，范围仍然在 0-2000 mW 变化，但是 将增益改为 Gain4，如图 4-10 图 4-10 Power0的优化过程 光谱分析器输出光谱如图 4-11 图 4-11 光谱分析器输出光谱 统计结果如表 4-2 表 4-2 Power0与 Gain4 的数据统计 Power0/mWGain4 02.09693 4004.02523 1047

37、.219.20069 1236.0712.9315 200059.3772 根据数据，利用 MATLAB 进行作图，如图 4-12 0200400600800100012001400160018002000 0 10 20 30 40 50 60 Power0/mW Gain4 图 4-12 Power0与 Gain4 的关系图 由上图可知，在功率在 0-2000 mW 中变化的时候，增益 Gain4 随着功率的 增加而增加，在 1000-2000 mW 的范围内变化较大，相比增益 Gain1，功率相同 的时候增益相对较大，说明增益随着泵浦功率的增加始终是增加的。 4.3 对泵浦波长的优化对泵

38、浦波长的优化 在这次优化中，在 parameter 中对泵浦频率的设置范围为 500-2000 nm,result 中的增益设置为 Gain1,由于初始单位为 nm，因此本次优化得到的结果就是对泵 浦波长的优化，优化过程如图 4-13 图 4-13 Frequency0的优化过程 光谱分析器输出光谱图如图 4-14 图 4-14 光谱分析器输出光谱图 数据统计如表 4-3 表 4-3 Frequency0与 Gain1 的数据统计 Frequency/nmGain1 5001.38083 8001.38083 1285.411.49753 1427.052.33819 20001.33819

39、根据以上数据，利用 MATLAB 进行作图，如图 4-15： 500100015002000 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 Frequency/nm Gain1 图 4-15 泵浦频率与增益的关系图 由于在利用 MATLAB 拟合曲线的时候，几乎不能完全占据所有的点，所 以用折线表示。由上图可以看出，当泵浦频率也就是泵浦波长在 500-2000 nm 变化的时候，增益先随着波长的增加先增加后减小，当波长为 1427.05nm 时， 增益达到最大，当频波长再增加的时候，增益逐渐减小，所以在对泵浦波长进 行优化之后，在 1427.05 nm 时，增益达到最大值。 4.4 对光

40、纤有效作用面积的优化对光纤有效作用面积的优化 在 parameter 中对光纤有效作用面积的设置范围是 0-60 um2，result 中的增 益设置为 Gain1，光纤长度设置为 5 km，优化过程如图 4-16： 图 4-16 光纤有效作用面积的优化过程 光谱分析器输出光谱图如图 4-17： 图 4-17 光谱分析器输出光谱图 数据统计如表 4-4： 表 4-4 光效有效作用面积与 Gain1 的数据统计 有效作用面积/um2Gain1 4.5835951.4712 7.4164154.498 9.1671845.901 129.60032 19.41642.95095 31.41641.

41、52531 根据数据统计，利用 MATLAB 作图，如图 4-18： 05101520253035 0 10 20 30 40 50 60 作 作 作 作 作 作 作 作 /um2 Gain1 图 4-18 光纤有效作用面积与 Gain1 的关系图 由于在利用 MATLAB 拟合曲线的时候，几乎不能完全占据所有的点，所 以用折线表示。由上图可以看出，当光纤长度，泵浦频率以及泵浦功率保持不 变，当光线有效作用面积在 0-60 um2变化时，增益随光纤有效作用面积的增加 先增加后减小，通过优化，在光纤有效作用面积为 7.41641 um2时增益达到最大， 最大值为 54.498，因此光纤有效作用面

42、积的变化对增益影响比较大。 4.5 对光纤长度的优化对光纤长度的优化 在 parameter 中对光纤长度的设置范围是 0-40 km，result 中的增益设置为 Gain1，有效作用面积设置为 25 um2，运行过程如图 4-19： 图 4-19 光纤长度的优化过程 光谱分析器输出光谱图如图 4-20： 图 4-20 光谱分析器输出光谱图 数据统计如表 4-5： 表 4-5 光线长度与 Gain1 的数据统计 光纤长度/kmGain1 82.85363 15.278616.7324 20.944338.9504 24.721441.334 30.557338.4309 4031.0598

43、根据数据统计，利用 MATLAB 作图，如图 4-21： 510152025303540 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 作 作 作 作 /km Gain1 图 4-21 光纤长度与增益的关系图 由于在利用 MATLAB 拟合曲线的时候，几乎不能完全占据所有的点，所 以用折线表示。由以上图表可以看出，当光纤有效作用面积，泵浦频率以及泵 浦功率保持不变时,增益随着光纤长度的增大先增加后减小，通过优化，在光纤 长度为 24.7214 km 时，增益达到最大。从上图可以看出，光纤长度的变化对增 益影响比较大。 结结 论论 通过本次的课题研究，了解了拉曼光纤放大器的发展以及研究

44、现状，并且 理解了其基本理论基础，用 Optisystem 软件进行对泵浦频率，泵浦功率，光线 有效作用面积，光纤长度进行优化仿真，达到增益的最大值，设定不同的参数 变量值，并将优化结果用 MATLAB 进行作图，分析参数对拉曼光纤放大器的 增益的影响以及优化之后的最佳工作状态。 对于拉曼光纤放大器的阵列泵浦，由以上仿真结果可以得出： （1） 当泵浦频率，光纤有效作用面积以及光纤长度等保持不变时，增益 随着泵浦功率的增加而增加。并且在泵浦功率为 0-2000 nm 这个范围时，在 2000 nm 增益达到最大，从图像走势可以看出，当功率超出这个范围内时，增 益还会随着功率的增加而增加，说明增益

45、随着功率的增加始终是增加的。 （2） 当泵浦波长在 500-2000 nm 变化的时候，增益先随着波长的增加先 增加后减小，当波长为 1427.05 nm 时，增益达到最大，当波长再增加的时候， 增益逐渐减小，所以在对泵浦波长进行优化之后，在 1427.05 nm 时，增益达到 最大值。 （3）当光纤长度，泵浦频率以及泵浦功率保持不变，当光线有效作用面积 在 0-60 um2变化时，增益随光纤有效作用面积的增加先增加后减小，通过优化， 在光纤有效作用面积为 7.41641 um2时增益达到最大，最大值为 54.498，因此光 纤有效作用面积的变化对增益影响比较大。 （4）当光纤长度在 0-40 km 变化时，保持光纤有效作用面积，泵浦频率以 及泵浦功率不变时,增益随着光纤长度的增大先增加后减小，通过优化，在光纤