光纤拉曼放大器(FRA)研究

电子科技大学

硕士学位论文

光纤拉曼放大器（FRA）研究

姓名：崔炳华

申请学位级别：硕士

专业：光学工程

指导教师：邱琪

2003.3.1

电子科技大学硕士论文

摘要

Ｉ光纤拉曼放大器因其特有的在线、宽带、低噪声等特点而越来越被人们关注ｊ是一种非常适合下一代超大容量、超长距离ＤＷＤＭ系统的光放大器，尤其是在海底跨样光纤通信、超长距离光纤通信以及开发整个光纤低损耗窗口等方面有着不可替代的优势矗本文对光纤拉曼放大器的研究包括以下内容：

，

第～设计拉曼耦合方程组的计算机数值求解方法（不考虑噪声），并在ＭＡＴＬＡＢ下编程实现。本文通过基于光纤分段思想的数值求解方法，解决了单波长、多波长前向泵浦ＦＲＡ耦合方程组的数值求解问题。ｋ然后在光纤分段思想的基础上，用普通打靶法实现了单波长后向泵浦泵浦这一边值问题的数值求解。最后，对于最难求解的多波长后向泵浦ＦＲＡ问题，本文提出了多维并行打靶思想，ＭＡＴＬＡＢ下数值仿真证明，该多维并行打靶法非常适合求解拉曼耦合方程这类高度非线性的问题，打靶过程收敛速度较快（八波长泵浦时只需打靶６次就可以使打靶偏差小于１０’８）。ｆ

第二设计新型的遗传算法，结合前面提到的多维并行打靶法来优化多波长后向泵浦ＦＲＡ各个泵浦光的波长、功率值，以得到更好的增益平坦度。该遗传算法采用十进制编码（更适合高维搜索），并且引入了遗传算法的最新思想——算术杂交思想和自适应变异思想。燃后，在ＭＡＴＬＡＢ下编程实现该优化算法，并且在数值模拟的基础上，设计、优化了ｃ波段（１５３０～１５７０ｎｍ）以及Ｃ＋Ｌ波段（１５３０～１６１０ｎｍ）拉曼放大器。｛

＿，

第三给出了拉曼光纤激光器（ＲＦＬ）原理和数学分析方法，定性地分析了其优化设计方法。

第四基于ＰＴＤＳ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＤｅｓｉｇｎＳｕｉｔｅ，德国ＶＰＩ公司的商用光纤通信仿真软件）平台做拉曼仿真，仿真内容包括两部分，一是宽带、增益平坦多波长后向泵浦ＦＲＡ的仿真；＝是～个Ｃ＋Ｌ波段拉曼放大系统优化仿真，讨论了部分参数（传输光纤长度、拉曼放大光纤有效模场面积、泵浦功率、信号入纤功率）与系统性能的关系，从而得到了这些参数的优化方法。关键词：光纤拉曼放大器遗传算法打靶法拉曼光纤激光器系统优化

第一章引言

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＴｈｅＦｉｂｅｒＲａｍａｎＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ（ＦＲＡｓ）ａｒｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｒａｃｔｉｖｅｆｏｒｉｔｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｖｉｒｔｕｅｓｓｕｃｈａｓｏｎ ｌｉｎｅ，ｗｉｄｅｂａｎｄ，ａｎｄｌｏｗｎｏｉｓｅｅｔｃ，ａｎｄｔｈｅｙａｒｅｖｅｒｙｆｉｔｆｏｒｄｅｎｓｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＤＷＤＭ）ｓｙｓｔｅｍｏｆｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｅｄｂｙｉｔｓｓｕｐｅｒｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｌｏｎｇ

ｕｎｓｕｂｓｔｉｔｕｔａｂｌｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈ

ｈａｕｌａｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅ．ＦＲＡｓａｒｅｏｖｅｒｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｅｏｃｅａｎ，ｌｏｎｇｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｌｏｗ—ｌｏｓｓｂａｎｄｏｆｆｉｂｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅｍａｉｎｓｔｕｄｙｏｆＦＲＡｓｉｎｃｌｕｄｅｓ：

Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄＲａｍａｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎＭＡＴＬＡＢ（ｎｏｉｓｅｓａｒｅｎｅｇｌｅｃｔｅｄ）．Ｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｓ

ａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｔｈｅｓｉｎｇｌｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｍｕｌｔｉ—ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｏｒｗａｒｄｐｕｍｐｉｎｇＦＲＡ

ｓｏｌｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｂｙｄｉｖｉｄｉｎｇｆｉｂｅｒｉｎｔｏｍａｎｙｓｍａｌｌｓｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ

ａｓｉｎｇｌｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｂａｃｋｗａｒｄｐｕｍｐｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｉｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

ｖａｌｕｅｔｗｏ—ｂｏｕｎｄａｒｙｐｒｏｂｌｅｍ，ｉｓｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｃｏｍｍｏｎｓｈｏｏｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｆｏｒｔｈｅ

ｔＯｍｕｌｔｉ—ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｂａｃｋｗａｒｄｐｕｍｐｉｎｇＦＲＡｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｖｅｒｙｈａｒｄｃｏｐｅ

ｗｉｔｈ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｕｌｔｉ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐａｒａｌｌｅｌｓｈｏｏｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｙｕｓｅｆｕｌｉｎｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅＲａｍａｎｃｏｕｐｌｅｄｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｌｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅｓｈｏｏｔｉｎｇｃｏｎｖｅｒｇｅｄｉｎｓｈｏｒｔｔｉｍｅ（ｔｈｅｓｈｏｏｔｉｎｇｄｅｖｉａｔｉｏｎ

ｗｈｅｎｔｈｅｒｅａｒｅ８ｐｕｍｐｉｎｇｃａｎｂｅＣａｎｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ１０“ａｆｔｅｒ６ｓｈｏｏｔｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ）．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｎｏｖｅｌｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｐｏｗｅｒｖａｌｕｅｏｆｔｈｅ

ｔＯａｎｄｐｕｍｐｉｎｇｓｏｕｒｃｅｓｉｎｔｈｅｍｕｔｌｉ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｂａｃｋｗａｒｄｐｕｍｐｉｎｇＦＲＡｇｅｔｔｈｅｂｅｓｔｇａｉｎｆｌａｔｎｅｓｓ．Ｉｎｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｃｉｍａｌｃｏｄｉｎｇ（ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔｆｏｒｍｕｌｔｉ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｅａｒｃｈ）ｉｓａｄｏｐｔｅｄ，ｔｈｅａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｃｒｏｓｓｏｖｅｒｉｎｇ

ａｒｅａｎｄａｄａｐｔｉｖｅｍｕｔａｔｉｏｎａｒｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎ

Ｃ＋ＬＭＡＴＬＡＢ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｃｂａｎｄ（１５３０～１５７０ｕｒｎ）ａｎｄ

ｂａｎｄ（１５３０～１６１０ｎｍ、ＦＲＡａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．

Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦｉｂｅｒＲａｍａｎＬａｓｅｒ（ＲＦＬ）ａｎｄｉｔｓａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄａｒｅ－Ⅱ－

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ｇｉｖｅｎＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｍｏｄｉｓｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｚｅｄ．

ｏｎＦｉｎａｌｌｙ，ａＣ＋ＬｂａｎｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｍｐｌｉｆｉｅｄｂｙＦＲＡｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ

ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＰＴＤＳ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＤｅｓｉｇｎＳｕｉｔｅ），ｗｈｉｃｈｉｓａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｐａｃｋａｇｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＶＰＩｌｎｃ．ｏｆＧｅｒｍａｎ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＦＲＡ

ｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｌｉｆｅｏｎｇｉｖｅｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｋｓ：ＦＲＡ，Ｇｅｎｅｔｉｃ

ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｓｈｏｏｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄ，ＲＦＬ，ｓｙｓｔｅｍ

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及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

年月日

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）

签名：旌龇

日期：厶川年；月９日导师签名：

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第一章引言

随着社会的信息化发展，用户对通信容量的需求日益增加，未来全业务服务中每一用户的容量需求可能超过１００Ｍｂ／ｓ。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、大容量和长距离的方向发展。应运而生的波分复用（ＷＤＭ，ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技术成为目前提高系统容量的一种最有效手段。由于波分复用技术可以更加充分地利用光纤巨大的带宽资源，从９０年代中后期开始，ＷＤＭ技术在网络中得到了大量的应用，成为了骨干网络建设的首选技术。ＷＤＭ技术之所以取得如此大的成功，很大成分上是因为有了现在光放大技术的支撑。在过去的十年中，掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ，Ｅｒｂｉｕｍ－－ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）取代传统的光一电一光中继方式，实现了一根光纤中多路光信号的同时放大，大大降低了光中继的成本；同时可与传输光纤实现良好的耦合，具有高增益低噪声等优点。因此成功地应用于ＷＤＭ光通信系统，极大地增加了光纤中可传输的信息的容量和传输距离。然而，在进一步开发整个光纤低损耗区域１．２５～１．６５∥ｍ近４００ｎｍ带宽资源的进程中，传统掺铒光纤放大器的１．５５］ｚｍ附近约３０ｎｍ的带宽就远远不够用了。如何提高光纤传输系统容量、增加无屯再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域研究的热点。更多的通道、更高的比特速率、更宽的带宽和更远的传输距离将是业界永远的追求。这就促进了寻找性能更好、波长范围和带宽更宽的光放大器的研究工作。

１．１研究光纤拉曼放大器的重要性

一般光放大器都由增益介质、泵浦源、输人输出耦合结构组成。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（Ｎｄ，Ｓｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｐｒ，Ｔｍ和Ｙｂ）的光纤，利用受激辐射机理实现光的直接放大，如半导体光放大器（ＳＯＡ）和掺杂光纤放大器；另一类基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤Ｒａｍａｎ放大器（ＦＲＡ）和光纤Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ放大器ｆｆＢＡ）。在高速大容量多信道ＤＷＤＭ系统中，宽带光放

第一章引言

大器的发展重点目前主要是掺杂光纤放大器和光纤Ｒａｍ．ａｎ放大器。在各类光放大器中集总式和分布式光纤拉曼放大器（ＤＲＡ）在满足更长距离和更大复用速率传输需求方面显示出明显的优势。与ＥＤＦＡ相比，Ｒａｍａｎ放大器具有其独特的优点：

（１）Ｒａｍａｎ放大是一个非谐振过程，其增益响应仅依赖于泵浦波长及其带宽，选择合适的泵浦源就可得到任意波长的拉曼放大，而且可达到约１２０ｎｍ的增益带宽。同时增益曲线可通过调节泵浦源来控制；

（２）利用现已大量铺设的Ｇ．６５２或Ｇ．６５５光纤作为增益介质进行分布式放大可以实现长距离的无中继传输和远程泵浦。这一点在超长距海底光缆传输中尤为重要，同时分布式放大可降低输入总功率有效地抑制非线性效应；

（３）低噪声噪声系数可低至３ｄＢ因此传输跨距可延伸一倍以上；

（４）ＦＲＡ与掺杂光纤放大器混合使用可做成具有宽带宽增益平坦低噪声高输出功率的混和放大系统，这将是未来光通信系统发展的～种趋势；

为了进一步提高ＤＷＤＭ系统的传输容量，可以采取的措施一是提高单信道速率；二是保持总带宽不变的情况下减小信道间隔，增加信道数量：三是保持信道间隔不变，增加信道数量。然而遇到的困难是：第一种方案提高单信道速率，受当前高速电子器件、光纤色散、非线性效应限制；第－－，ｅｅ方案减小信道间隔，受滤波技术和非线性效应限制；第三种方案的实现要求有增益平坦的带宽更大的光放大器来支撑。从上面介绍的ＦＲＡ相对于传统ＥＤＦＡ的特点来看，ＦＲＡ有利于解决这些矛盾，比如后向多波长泵浦的分布式ＦＲＡ，是一种在线式放大，即利用传输光纤作为放大介质，在实现比ＥＤＦＡ更大的放大带宽的同时，避免集中式放大时的某段功率急剧增大的现象，从而抑制光纤非线性效应的不利影响；由于是分布放大，有着更高的放大器光信噪比，从而实现了跨距延伸效应。

１．２国内外研究ＦＲＡ的背景、现状及趋势

拉曼现象在１９２８年被ＣｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒａＲａｍａｎ爵士所发现。直到２０世纪８０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９０年代早期，当掺铒光纤放大器取代它成为焦点时，那个梦便全结束了。然

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而，随着高功率二极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，光纤拉曼放大器（ＦＲＡ）由于其自身固有的全波段可放大特性和可利用传输光纤做在线放大的优点，１９９９年一经成功地应用于ＤＷＤＭ传输系统，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丰富的商业价值，一举成为光纤放大器家族的新贵。

在掺铒光纤放大器出现前，拉曼放大器被认为是最有希望用于１．５５∥ｍ波段通信的放大器，但随着高效掺铒光纤放大器的发展，加上光纤拉曼放大器本身效率较低．人们对拉曼放大器的兴趣一度降低。近几年来，随着现有掺饵光纤放大器的可用带宽将逐步耗尽，和高功率泵浦光源、尤其是光纤拉曼激光器与半导体激光器的发展，以及光纤制造技术的进展，光纤拉曼放大器重新受到重视并得到迅速发展。包括１．３一Ⅲ、１．４∥ｍ、１．５７２，ｔｍ和１．６／ｌｍ的多个波段的光纤拉曼放大器均有了报道，增益带宽在１００ｎｍ以上、峰值增益４０ｄＢ以上的光纤拉曼放大器的成功实验不断出现。在每年的世界光纤通信会议（０ＦＣ）上，都有若干篇光纤拉曼放大器的研究报告，成为世界范围内的研究热点之一。其应用也从最初的光孤子实验，发展到成功用于系统升级、无中继传输、超短光孤子产生和超连续光源。

最近一、两年，光纤拉曼放大器的研究出现了一些新特点：１）从单波长泵浦光源、单级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谱较窄，带宽一般在１０ｎｍ～４０ｎｍ左右，难以满足宽带通信的要求，多波长泵浦已逐渐占主导地位。Ｅｉｎｏｒ［１】和Ｌｅｗｉｓ［２】分别用１２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激光器作泵浦光源，分别得到了１００ｒｉｍ和１１４ｎｍ的增益带宽。在１９９９年欧洲光纤通信会议（ＺＣＯＣ）上，Ｍａｓｕｄａ等利用多波长泵浦和多级放大，在１．５５∥ｍ附近获得了１３２ｎｍ的透明增益带宽。２）光纤拉曼放大器与掺稀土光纤放大器结合构成的混合型放大器成为热点【３“。这类放大器具有宽带宽、高增益、低噪声、高输出功率的优点。其中主要有两类：光纤拉曼放大器／掺饵光纤放大器混合放大器和光纤拉曼放大器／掺钍光纤放大器混合放大器，而前者居多。３）１．３∥Ⅲ波段的拉曼放大器日益受到重视【７“Ｊ。从世界范围来看，现有敷设的多为工作窗口在１．３／ｔｍ波长区的普通单模光纤。现在用于１．３∥ｍ通信窗口的光放大器主要是掺镨光纤放大器，但掺镨光纤放大器要求泵浦功率高。另外难与石英光纤熔接，于是人们对１３ｌｌｍ波段的光纤拉曼放

第一章引言

大器产生了极大兴趣，有人甚至预言它可以完全代替接错光纤放大器，但这除了要有合适的泵浦光源外，如何获得高掺锗、低损耗的光纤也至关重要。４）拉曼光纤放大器越来越多地应用于光纤通信系统实验，这对其真正走向实用化具有重要意义。其中ＳｕｚｕｋｉＬ【９】等人的研究具有代表性。他们在光纤零色散区附近，利用多波长分布式光纤拉曼放大器成功地将信道间隔为５０ＧＨｚ、３２ｘ１０Ｇｂｉｔ／ｓ的密集波分复用信号传输了６４０ｋｍ。其优良的性能将为显著提高传输距离以及如何在零色散波长附近实现密集波分复用传输铺平道路。在２０００年的世界光纤通信会议上，Ｔａｋａｓｈｉｎａ等用拉曼放大成功实现了１Ｔｂｉｔ／ｓ０００ｃｈ×１０Ｇｂｉｔ／ｓ）波分复用信号无中继传输２００ｋｍ，在此实验中，拉曼放大器在显著提高传输质量上起了关键作用，是大容量无中继传输系统所必不可少的。另外，为了使光纤拉曼放大器更快走向实用，对其它如增益饱和、串扰等问题也引起人们注意。拉曼光纤放大器的研究在近几年已取得巨大进展，但现有石英光纤的拉曼增益系数和转换效率还很低，拉曼放大需较高的泵浦功率和较长的光纤，离实用化的尺寸还有差距。今后的研究重点一方面应提高作为拉曼增益介质的光纤的性能，另一方面由于现在常用的泵浦光源——级联拉曼光纤激光器结构复杂、造价偏高，所以应加紧对易于光纤集成的小型化、高功率、廉价的泵浦光源的研究。

在进一步把光纤拉曼放大器推向实用的进程中，以下几方面的技术研究成了ＦＲＡ的研究热点：

（１）大功率泵浦技术

大功率泵浦是拉曼光纤放大器走向实用的关键。由于拉曼光纤放大器的效率非常低，只有拥有了可以把大功率泵浦光（功率达到ｗ级）耦合到单模光纤的泵浦才能使拉曼放大器具有实用的增益。也正是泵浦技术的发展才使拉曼光纤放大器重新焕发活力。泵浦技术中最重要和最常用的是多包层泵浦光纤和拉曼激光器，其次还有ＭＱＷ－ＬＤ等。

（２）拉曼光纤放大光纤的设计、制造

为了提高拉曼光纤放大器的效率，充分利用有限的泵浦功率，在拉曼放大器，尤其是在集中式拉曼光纤放大器和拉曼激光器中需要使用特种光纤。目前通常采用小芯径、高掺Ｇｅ以及具有ｗ型剖面的特种光纤，来减小有效面积，提高增益效率。许多ＤＣＦ补偿模块正是利用了ＤＣＦ的拉曼增益效率高的特点，使用功率相对较小的ＭＱＷ—ＬＤ即可实现拉曼放大补偿ＤＣＦ的损耗。４

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（３）增益均衡技术

由于熔融硅光纤属于非晶玻璃，其分于振动能级融合在一起形成能带，因而可以在较宽频差范围内通过受激拉曼散射实现信号光的放大。拉曼增益参数峰值带宽在３５０－－５００ｃｍ～。之间，折算成频率约有５ＴＨｚ宽更为关键的是只要能找到合适的与信号光具有ｓｔｏｋｅｓ频差的泵浦光就能对信号光进行放大；采用多个波长的泵浦组合就可以构成带宽超过１００ｒｉｍ的宽带放大器。所以对放大器的宽带增益均衡提出了更高要求。长周期光纤光栅是一种比较理想的宽带宽的增益均衡器件。而采用多泵浦时对泵浦之间的相互作用也必须进行考虑，适当安排泵浦功率和波长间隔是宽带拉曼光纤放大器的重要技术要求之一。

（４）放大系统的结构优化设计

为了获得更好的拉曼放大器的性能，必须对拉曼放大器针对具体应用做出优化设计。拉曼放大器性能指标主要包括放大倍数、光信噪比（ＯＳＮＲ）、Ｑ一因子等。具体优化措施有下面几个主要方面：

Ａ）拉曼光纤的选取：

Ｂ）放大器结构的优化设计；

ｃ）泵浦方式的选择

Ｄ）信号光功率的选择

Ｅ）改善分布放大特性

１．３论文的组织结构

第一章介绍了ＦＲＡ的研究背景，讨论了研究ＦＲＡ的重要意义和目前的研究热点以及发展趋势。

第二章概述性地介绍了拉曼放大器的基本原理、特性及应用。

第三章多波长后向泵浦ＦＲＡ优化算法研究，包含的主要内容有：

（１）设计并在ＭＡＴＬＡＢ编程实现拉曼放大器耦合方程的数值求解方法。在忽略自发拉曼辐射和ＡＳＥ噪声情况下，用光纤分段法解决了单波长、多波长前向泵浦的拉曼放大耦合方程的数值求解。后向泵浦时，信号光与泵浦光分别在光纤两侧，初值不在同一点，不能直接进行数值求解。本文采用普通打

第一章引言

靶法把这样一个边值问题转化为初值问题，然后再用光纤分段法求解了单波长后向泵浦的拉曼耦合方程。对于最难求解的多波长后向泵浦ＦＲＡ问题，本文提出了多维并行打靶思想，ＭＡＴＬＡＢ下数值仿真证明，该多维并行打靶法非常适合求解拉曼耦合方程这类高度非线性的问题，打靶过程收敛速度较快（八波长泵浦时只需打靶６次就可以使打靶偏差小于１０。８）

（２１多波长后向泵浦拉曼放大器优化算法设计及仿真研究

设计新型的遗传算法，结合前面提到的多维并行打靶法来优化多波长后向泵浦ＦＲＡ各个泵浦光的波长、功率值，以得到更好的增益平坦度。该遗传算法采用十进制编码（更适合高维搜索），并且引入了遗传算法的最新思想——算术杂交思想和自适应变异思想。然后，在ＭＡＴＬＡＢ下编程实现该遗传算法，并且在数值模拟的基础上，设计、优化了ｃ波段（１５３０～１５７０ｎｍ）以及Ｃ＋Ｌ波段（１５３０～１６１０ｎｍ）增益平坦拉曼放大器。该算法可以自动完成泵浦光优化过程，不需要任何的人为调整。

第四章给出了拉曼光纤激光器（ＲＦＬ）原理和数学分析方法，定性地分析了其优化设计方法。

第五章在针对拉曼放大光纤和泵浦光两方面从理论上分析了拉曼放大器优化方法。然后基于ＰＴＤＳ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＤｅｓｉｇｎＳｕｉｔｅ，德国ＶＰＩ公司的商用光纤通信仿真软件）仿真平台，做了超宽带ＦＲＡ的仿真。同时还通过对一个Ｃ＋Ｌ波段ＦＲＡ放大的光纤通信系统的仿真，讨论了ＦＲＡ对系统性能的影响，给出了相应的优化措施。

第六章总结了全文所做研究得到的结论，并分析了课题所做工作的不足之处，以及因为课题时间限制，还有待深入一步研究的一些问题。

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第二章Ｒａｍａｎ放大器基本原理、特性及应用

如果信号与一个强泵浦光同时传输，并且其频率差位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，那么这个弱信号光可被该光纤放大。由于这种放大的物理机制是受激拉曼散射（ＳＲＳ），所以称之为光纤拉曼放大器。

２．１受激拉曼散射（ＳＲＳ）

受激拉曼散射ＳＲＳ的量子描述为：入射光波的一个光子被介质分子散射成为另一个低频光子（成为Ｓｔｏｋｅｓ光），同时完成分子振动态之间的跃迁，或者说入射光波场引致介质分子的振动散射，调制入射光场成为一个频率下移的宽带Ｓｔｏｋｅｓ光，从而这个较低频率的Ｓｔｏｋｅｓ光场具有了增益特性。石英光纤的这种场致振动频率范围约为４０ＴＨｚ，峰值频率下移量约为１３ＴＨｚ。另外，这种非能级跃迁机理的放大器具有天然的低噪声指数，故成为ｗＤＭ放大器的有力竞争者。

２．１．１ＳＲＳ拉曼增益谱

在连续或者准连续条件满足的情况下，斯托克斯波的初始增长可描述为“…：

警％（ｆ２）Ｉｐｌ

式中，』。是斯托克斯光强，』，是泵

浦光强，ｇ月是拉曼增益系数，它与

自发拉曼辐射的截面面积有关。更准

确地说，ｇ。与三阶非线性极化率的

虚部有关。（２—１）

对于泵清波长九＝１∥ｍ，

图２—１给出了熔石英中的ｇ。与频率

的变化关系。对于不同的泵浦波长，

Ｆｒ＃ｑｕｅｎｃｙｔｈｈｍｆｒＨ对ｇ。与丸成反比。图２—１拉曼增益系数曲线

第二章Ｒａｍｍ＿ｌ放大器基本原理、特性及应用

为了解ＳＲＳ过程是如何产生的，考虑一束频率为∞。的连续光波在光纤内的传输。如果一束频率为。。的探测光在光纤的输入端与泵浦光同时入射，只要频率差ＣＯ，＝０３。一∞，位于图２—１拉曼增益谱的带宽内，探测波就会由于拉曼增益而被放大。如果光纤输入端仅有泵浦光入射，自发拉曼散射产生的信号将起到探测波的作用，并且在传输过程中被放大。因为自发拉曼散射在整个拉曼增益谱宽内产生光子，所以所有频率分量都被放大，可是对应ｇ。最大的频率分量建立最快。对于纯石英光纤，ｇ。的最大值所对应的频率分量是由泵浦频率下移１３．２ＴＨｚ（４４０ｃｍ一１）。已证明当泵浦功率超过某一阈值时，此频率分量近似指数增长。这样，ＳＲＳ将导致斯托克斯光的产生，其频率由拉曼增益峰决定，对应的频移有时被成为拉曼频移或斯托克斯频移。

２．１．２拉曼阈值

为了得到拉曼阈值，应该考虑泵浦波和斯托克斯波之间的非线性互作用。对连续波情况，此互作用遵循下列两个耦合方程：

ｉｄ］ｓ＝ｇ。１．Ｌ—ｏ［ｓＩ。

≯和＿＾＠１’

式中厶和‘分别为斯托克斯光和泵浦光的强度，孙表示拉曼增益系数，∞，和甜，分别为斯托克斯光和泵浦光波长，口，、口，为斯托克斯光波长和泵浦光波长处的光纤损耗。此方程可由麦克斯韦方程组严格推出。在没有损耗的情况下可以表达为：

旦ｆ立＋生１：０

ｄｚ∞ｓ∞Ｐ（２—３）

此式仅仅说明：在ＳＲＳ过程中，泵浦和斯托克斯光束的光子总数不变。尽管ＳＲＳ的完整描述必须考虑泵浦消耗，但为了估计拉曼闽值可将其忽略。如果忽略方程（２－－２）中表示泵浦消耗的右边的第一项，此方程容易解出。将此解代入方程，可得

ｄｉｓ／ｄｚ＝ｇＲｌｏｅｘｐ（一ａＰＺ）Ｉｓ—ａｓ』ｓ（２—４）

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式中，厶是ｚ＝０处得入射泵浦光强。方程（２－－４）很容易求解，其结果为

‘（三）＝ｌｓ（Ｏ）ｅｘｐ（ｇＪｏ％一ａｓＬ）

三∥＝［１一ｅｘｐ（一（０三）］／ｃｂ（２—５）（２—６）

式（２—６）表明，由于光纤对泵浦的吸收损耗，有效光纤长度由工减至￡醇。使用方程（２—５）需要知道ｚ＝０处的入射光强Ｌ（ｏ）。实际上，ＳＲＳ是从产生于整个光纤长度上的自发拉曼散射建立起来的。Ｓｍｉｔｈ指出，它等价于在入射端每个模式中注入一个假象光子，可以按方程（２—５）考虑每个能量为＾ｍ的频率分量的放大，然后在整个拉曼增益谱范围内积分来计算斯托克斯功率，即

ｐｓ（三）２Ｊ二ｈｃｏｅｘｐ［ｇＲ（∞，一印ｓ）』ｏ三酊一口５Ｌ］ｄｃｏ（２～７）式中，假象光纤只容纳一个模式。靠对频率的依赖关系如图２一ｌ所示。尽管并不知道鲰∞）的函数形式，但可用最速下降方法近似方程（２—７）中的积分，因为积分的主要贡献来自峰值ｍ＝ｍ。附近的一个很窄区域，结果为：

ｐ。（三）＝ｐ嚣ｅｘｐ［ｇ。（Ｑ。）厶％一盯。三】

式中，ｚ＝０处的有效入射功率为：（２—８）

磁＝壳纨％％＝（惫一２ｌ。掰２９ＲＬ－１／。２（２—９）％的物理意义是，峰值增益中心位于Ｑ。＝啡一略处的斯托克斯辐射的有效带宽。尽管％与泵浦光强度以及光纤长度有关，但其数量级大小可由式（２—９）的主峰谱宽估算出。

拉曼阈值定义为，在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵浦功率或

ｐｓ（Ｌ）＝Ｐｐ（三）＝Ｐ。ｅｘｐ（一口，三）（２—１０）式中，Ｐｏ：厶４，是入射泵浦功率，如是有效纤芯面积。假设％ｚ坼，阈值条件

第二章Ｒａｍａｎ放大器基本原理、特性及应用

变为：

ｐｇｅｘｐ（ｇ。Ｐｏｋ白）＝风（２—１１）

式中，磁通过方程（２－－９）也与Ｐｏ有关。方程（２－－１１）给出达到拉曼阈值所需的临界泵浦功率。假设拉曼增益谱为洛伦兹形

似为：

鱼ｐ！．＇ｈＬ垡。１６临界泵浦功率一个较好的近～（２－１２）

对于后向泵浦方式下式（２—１２）中参数１６则取２０。

２．２Ｒａｍａｎ放大器特性

有了上述对ＳＲＳ的理论基础，就可以来分析Ｒａｍａｎ放大器的各个特性参数这些参数主要包括：增益、带宽、噪声以及大功率泵浦特性。

２．２．ＪＲａｍａｎ放大器的增益与饱和特性

在Ｒａｍａｎ放大过程中，信号光通过ＳＲＳ增益从泵浦光得到能量而被放大，同时又被光纤吸收而衰减；而泵浦光通过ＳＲＳ过程将能量转移给信号光而衰减，同时亦被光纤吸收而衰减，这两种过程同时存在。拉曼放大器的增益～般从两个方面考虑，大多数情况下，在传输光纤中输入泵浦光在拉曼放大器抵消光纤损耗的情况下，以泵浦光有无引起输出信号功率的变化来定义增益，这种增益叫做开／关增益。如果输出信号功率小于输入信号功率，拉曼放大器定义为分布常数放大器；如果拉曼增益比光纤损耗大得多，输出信号功率就远比输入信号光功率大，这时拉曼放大器与ＥＩ）ＦＡ一样，被定义成集中恒定放大器增益，可由输出信号功率与信号功率之比定义，称为净增益。因此两种增益的关系是：开／关增益（ｄＢ）＝净增益（ｄＢ）＋光纤损耗（ｄＢ）。

在连续波情况下，泵浦光和斯托克斯波的相互作用，可用下列耦合方程来描述…３１０

／（）５１—２（

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Ｉ盟ｄ＝譬砟只一吼ｎＩ口。”““４

ｚ

喀ｄｚ一詈和ａ鸣砟【以３”“…９Ｑ。１３’

式中，风和Ｐｅ分别为信号光和泵浦光的功率，以和％分别为信号光和泵浦光频率，ａ，和％分别为信号光和泵浦光的横截面，０１。、％为斯托克斯光波长和泵浦光波长处的光纤损耗，

示拉曼增益系数。以和％分别为信号光和泵浦光频率，ｇ。表

为了简化分析，仅考虑连续波泵浦时的增益特性。首先考察小信号放大特性，这时可忽略方程（２－－１３）中右边泵浦消耗一项。近似认为泵浦功率传输过程中仅受光纤损耗而指数衰减，因此，ＦＲＡ的小信号增益（ｏｎ－－ｏｆｆ增益）可以写成ｑ＝而‰＝ｅｘｐ（啪锄／如）（２１４）％２丽丽孬丽１碘孙１。锄７～’ｕ”’

当输入信号功率增大，泵浦功率转移给信号而产生的消耗不可忽略时，泵浦功率在传输过程中不断衰减，信号光的放大速率受到限制，放大过程就出现了饱和现象。假定郎＝％，则可以推出饱和增益的近似表达式为：

一：ｓ２＝—ｒ／ｑ＋Ｇ』ｅｘｐ—［－（１＋ｒ？，）］！±堡。‘

式中仉为量子效率：

％＝儿ｒｅＢｅｓ（（。ｏ））（２－１６）

当仉Ｇ．ｚ１时，增益降为原来的ｔ／２（３ｄＢ），这时信号功率已接近输入泵浦功率，所以泵浦功率只（ｏ）实际能代表饱和输出功率。

最后，拉曼增益与入射光和信号光的偏振态有关“”，即拉曼增益有偏振依赖现象。当泵浦光与信号光的偏振态一致时，有最大增益：而当两者偏振态正交时，几乎不发生拉曼增益。在通信系统中为了避免由于偏振依赖增益引起的信号

第二章Ｒａｍａｎ放大器基本原理、特性及应用

增益不均匀，应当对泵浦光进行去偏振处理。

２．２．２Ｒａｍａｎ放大器的增益带宽特性

Ｒａｍａｎ放大器很突出的一个优点就是它的“任意”波长放大特性，理论上只要有相应的泵浦光波就可以对任意信号光放大。这是因为熔融硅光纤属于非晶玻璃，其分子振动能级融合在一起形成能带，因而可以在较宽频差范围内通过受激拉曼散射实现信号光的放大。拉曼增益参数峰值带宽在３５０－－５００ｃｍ一１之间，宽超过１００ｎｍ的宽带放大器。

在拉曼放大增益均衡技术方面，长周期光纤光栅是一种比较理想的宽带宽的增益均衡器件。根据０ＦＣ２０００的报道，目前己经有成功利用长周期光纤光栅

采用多泵浦时对泵浦之间的相互作用也必须进行考虑，适当安排泵浦功率Ｒａｍａｎ放大器噪声特性

拉曼放大器可用于光纤通信系统中的功率放大，接收机前置放大及无源光

ＡＳＥ噪声

ＡＳＥ噪声是由于自发拉曼散射效应经拉曼放大而产生的频带很宽的噪声。为由于光纤拉曼放大是一种分布式放大，使用的光纤长达数千米至数十千米，

１２折算成频率约有５ＴＨｚ宽。更为关键的是只要能找到合适的与信号光具有ｓｔｏｋｅｓ频差的泵浦光就能对信号光进行放大；采用多个波长的泵浦组合就可以构成带做增益均衡器件，实现了７０∥Ⅲ带宽内增益起伏不超过１．２７ｄＢ的宽带拉曼光纤放大器的试验。和波长间隔是宽带拉曼光纤放大器的重要技术要求之一。２．２．３器件的损耗补偿。在应用中，放大器的噪声特性是一项重要指标。由于拉曼放大器的机理与ＥＤＦＡ完全不同，因此其噪声特性也不同于掺稀土元素的光放大器。光纤拉曼放大器中主要有三种噪声，一是放大器自发辐射（ＡＳＥ）噪声，二是串话噪声，三是瑞利散射嗓声。其产生机制各不相同。２．２．３．１简便起见，只考虑后向泵浦的情况（前向泵浦的情况与之类似）。因而信号光在被放大的同时也会因传输损耗而衰减。为计算光纤拉曼放大器的噪声系数，可将分布式光纤拉曼放大器等效为一段有损耗而无增益的普通光纤

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级连～个有增益但无损耗的普通光放大器，从而可用该普通光放大器的噪声系数来等效光纤拉曼放大器的噪声系数。这样、光纤拉曼放大器的ＡＳＥ噪声系数可通过下式来计算“２’

胛＝ｌＯｌｏｇｌ“（月Ｐ，Ａ岛ＳＥ＋１）（２－１７）

其中Ｇ为拉曼放大的开关增益（倍数），Ｂｏ为光滤波器带宽，只。为带宽Ｂ。内的ＡＳＥ功率。其中，只。可以通过下式来计算㈦

‰。＝等等笋ｅｘｐ（喇ｈ时啪ｘｐ｛％筹惭喵卜ｘｐ（啤驯埘

ｒ２．１８１

其中上是光纤长度，ａ。、ａ，分别是信号光、

泵浦光损耗系数。代人数值利用计算机可

得到ＡＳＥ噪声功率与增益的关系曲线

“”（如图２—２所示）。由图可见，当增益较

小时，噪声功率迅速随增益增大而增加，

当增益＞２０ｄＢ时。两者近似成线性关系，

同时通过对不同损耗情况下的计算可知，

当仅考虑泵浦光与信号光时，发现噪声功

率不随损耗变化，只与增益有关。且由

（２一１８）式可知，光滤波器的带宽越窄，则光噪声

，图２—２ＡＳＥ噪声功率与增益的关系

的功率越小，从而信噪比越高。可见ＡＳＥ噪声确实

是由放大器放大的噪声。

２．２．３．２串话噪声

拉曼放大器中的串话噪声分为两种。一种是由于泵浦光源的波动而造成的泵浦～信号串话；另一种是由于泵浦同时对多信道放大而导致的泵浦引入一信号间串话。泵浦引入一信号间串话主要是由于泵浦光对放大单一信道与放大多个信道的增益不同而造成的。具体表现为当两个相邻的信道同时传号时，信号

第二章Ｒａｍａｎ放大器基本原理、特性及应用

的增益小于一个信道传号另一个信道空号时的增益。从总体上来看就表现为两信道间传、空号的相互影响，且信道数越多，串话影响越大。定义串话指标为ＳＩＲ（信号干扰比）＝ｌＯｌｏｇ［Ｓ（Ｌ）／１］，Ｓ（Ｌ）为未受串扰的信号功率，Ｉ为末受串扰的信号功率与受串扰的信号功率的差值。ＳＩＲ相当于对串话的信噪比。

高的泵浦功率导致了串话噪声的恶化，引起误码率的上升，这在通信系统中是不允许的。因此必须在保证一定的ＳＩＲ的前提下提高泵浦功率，亦即提高增益。根据文献“”的结论，信号功率越大，串话越严重：泵浦功率越大，串话越严重：泵浦光到信号光的转化效率越高，串话越严重。实验表明，采用后向泵浦比前向泵清能获得更好的ＳＩＲ性能。因此在实际应用中，应尽量采取后向泵浦，即使采用前向泵浦也不能用太高的泵浦功率。一般要采用高阶泵浦来降低串话影响。研究表明，串话噪声本质上与泵浦光到信号光的转换效率有关，转换效率越高，串话越严重，因此在ＷＤＭ系统中，拉曼放大器的能量转换效率都很低。２．２．３．３瑞利散射噪声

瑞利散射是由于光纤制造过程中，局部浓度微观起伏导致折射率在比波长小的尺度上发生随机变化而引起的。在有导波作用的光纤中，瑞利散射使一部分输入光变成后向传输的波。一方面，它引起功率消耗，是１５５０ｎｍ波段内光纤传输损耗的主要出素之一；另一方面，后向传输的波再经过一次散射变为前向传输，即双重瑞利背向散射。双重瑞利背向散射由于传输方向相信号波相同，两者会相干叠加，影响系统性能。

当只存在单频信号光和单频泵浦光时，不考虑泵浦光的后向瑞利散射、自发拉曼散射率的温度依赖性和高阶斯托克斯产生，式（３一１）能简化为下列前向和后向信号的差分等式：

以｝，，（ｚ）ｌｄｚ＝Ｃ．Ｐ／ｚ）（ＰＩ，，（ｚ）＋％鼠）＋嵋，，（ｚ）一哎弓。。（ｚ）

蛾，。（ｚ）／ｄ＝＝一Ｃ。ＰＡｚ）（ｇ，。（ｚ）＋Ｅ砷Ｂｏ）一—了。。（ｚ）＋％０，，（ｚ）（２—１９）

式中，０，。和忍，；分别为前向和后向信号功率；Ｂ为泵浦功率：％＝ｈ７为信号１４

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