（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）寬帶光纖拉曼放大器泵浦配置的研究.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文第l 頁 摘要 當前密集波分復用技術( d w d m ) 已成為提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量最有 效的技術，摻鉺光纖放大器( e d f a ) 由于其增益帶寬等方面限制已難以滿足 d w d m 需要，而以傳輸光纖為增益介質(zhì)的光纖拉曼放大器( 矸溘) 由于具有可 實現(xiàn)超寬帶放大、增益波段由泵浦波長決定、能夠進行分布式放大、噪聲性能 好等優(yōu)點得到廣泛關注，日益成為研究熱點。 由于單波長泵浦尉l 的增益曲線很不平坦，為獲得更寬和更平坦的增益 譜，一般采用多波長泵浦，并且需要優(yōu)化設計f r a 的泵浦配置。本文對寬帶光 纖拉曼放大器的泵浦配置做了研究。 首先，基于經(jīng)典的r u n g e k u t t a 算法反復迭代求解f r a 的功率耦合方程， 求解過程中綜合考慮了信號衰減、信號光、泵浦光以及各種噪聲之間的各種相 互作用，相比于其它求解方法，該方法求解精度更高，并且取得了較快的收斂 速度。 其次，應用粒子群優(yōu)化算法( p s o ) 優(yōu)化反向多波長泵浦f r a 的泵浦波長 和泵浦功率，在改進優(yōu)化算法的基礎上，僅僅應用6 個泵浦波，得到的增益帶 寬達l o o n m ，最大增益波動小于0 6 d b 的拉曼平坦增益譜。與國內(nèi)應用其它優(yōu) 化算法得到的結果相比，無論增益譜寬度還是增益平坦度都處于較優(yōu)狀態(tài)。 最后，研究了增益譜寬超過l o o n m 的超寬帶f r a 的優(yōu)化設計。一開始討 論了在寬帶f r a 優(yōu)化設計中影響其增益平坦度的幾個重要參數(shù)，分析表明，寬 帶f r a 的增益帶寬、增益大小以及增益平坦度三者存在制約關系，設計中需要 合理平衡三者關系：接下來討論了拉曼放大器的噪聲特性以及抑制方法：最終 優(yōu)化仿真中，應用1 2 個泵浦波，優(yōu)化設計得到了一種增益譜涵蓋大部分s 波段， 幾乎全部的c 波段和l 波段，平坦增益帶寬1 3 5 n m 的超寬帶f r a 。仿真結果 表明，f r a 能夠獨立實現(xiàn)超寬帶放大，其增益帶寬具有其它類型光放大器無法 比擬的優(yōu)勢，必將成為未來超寬帶光放大器的一種重要選擇。 關鍵字：光纖拉曼放大器；泵浦配置；增益平坦；粒子群優(yōu)化；超鸞帶 西南交通大學碩士研究生學位論文第fi 頁 a b s t r a c t d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l f i p l e x i n g ) i st h e m o s te f f i c i e n t t e c h n o l o g yw h i c hc a ni m p r o v e st h ec a p a c i t yo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e m a r k a b l y , a n de d f ac a l ln o tm e e tt h en e e d so fd w d m f o ri t sl i m i t e dg a i n b a n d w i d t h m e a n w h i l e ，a n o t h e ra m p l i f i e rn a m e df r a ( f i b e rr a m a na m p l i f i 回 g r a d u a l l ym o v e s i n t op e o p l e sv i e w f r ai s 齟a m p l i f i e rb a s e do nt r a n s m i s s i o nf i b e r , a n di tb e l o n g st ot h eh o ta r e ao f c u r r e n tr e s e a r c hb e c a u s eo f i t se x c e l l e n tf e a t u r e s ：缸 u l t r a - b r o a d - b a n da m p l i f i e r , 伽a m p l i f ya n yw a v eb a n dw i t hs u i t a b l ep u m p s ， d i s t r i b u t e da m p l i f i c a t i o n , 9 0 0 dn o i s ef e a t u r ee t c t h eg a i ns p e c t r ao ff g aw i t hs i n g l ep u m pa r eu n e v e n n e s s i no r d e rt og e tt h e b r o a d e ra n dm o r ef l a tg a i ns p e c t r a , m u l t i w a v e - p u m p i n ga n do p t i m i z i n gt h ep u m p e d l a s e r s w a v e l e n g t ha n dp o w e ra r en e c e s s a r y t h i sp a p e rs t u d i e sp u m p s s c h e m eo f b r o a d b a n df r a ， f i r s t l y , s o l v et h ep r o p a g a t i o ne q u a t i o no f f r a b yu s i n gt h ec l a s s i cr u n g e - k u t t a a r i t h m e t i ci t e r a t i v e l y , a n dt h ea n a l y s i si n c l u d e sa l lt h ei n t e m a i o n so f p u m p s ，s i g n a l s 。 n o i s ew i t h o u ta n ya p p m x h n a t i o mc o m p a r e dw i t ho t h e ra r i t h m e t i c ，t h i sm e t h o dh a s b e t t e rp r e c i s i o na n dc o n v e r g e n c e s e c o n d l y , l 塔ct h ep s o ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) o p t i m i z i n gt h e6p u m p l a s e r s w a v e l e n g t h sa n dp o w e ra n dm a k eb e t t e r m e n t , t h e naf r a w i t ht h eg a i nr i p p l e l e s st h a no 6 d b i n l o o n mg a i ns p e c t r ai so b t a i n e d 砸鹼f r a sg a i nb a n d w i d t ha n d g a i nf l a t n e s sa r eb e t t e rt h a no t h e rd o m e s t i cr e s u l t s f i n a l l y , t h es t u d y se m p h a s i si sl a i do nt h eu l t r a - b m a d b m df r a a tf i r s t ，t h r e e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e d , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tf r a sg a i n b a n d w i d 啦g a i nm a g n i t u d ea n dg a i nf l a t n e s sr e s t r i c te a c ho t h e ra n de q u i l i b r i u mi s n e c e s s a r yf o rt h e m t h e ng i v eas t u d yo f f r a sn o i s ep r o p e r t ya n dr e s t r a i n tm e t h o d s f i n a l l y , b yo p t i m i z i n g1 2p u m p s w a v e l e n g t h sa n dp o w e r , af r a w i t hf l a t n e s sg a i n s p e c t r ao f1 3 5n mw h i c hc o m p r i s et h em o s tp a r to fs - b a n da n dn e a r l ya l lo f t h e c - t i a n da n dl b a n d t h er e s u l t ss h o wt h a tf r ac a nb eu s e da sa nl l l 缸蕾b i d a d b 觚d 亙壹窒塑盔莖塑主堡塞生蘭絲堡塞蔓! ! ! 夏 a m p l i f i e ri n d e p e n d e n t l y , w i t ht h eu n i q u ef e a t u r eo fg a i ns p e c t r ab a n d w i d t h , f r a b c c o m c $ o n co f t h em o s tp r o m i s i n gu l t r a - b r o a d b a n da m p l i f i e r si nf u t u r e k e yw o r d s ：f i b e rr a m a na m p l i f i e r ；p u m p s s c h e m e ；g a i nn a = 岫e s s ；p s o ： 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 1 頁 a s e c w d m d c f d w d m e d f a f w 刪 瞰 g a g f f l w p f z w p f n f 0 s n r p s o s a a s b s s 取 s 呼 s n r s o a s r s 縮略詞 a m p l i f i c a t i o ns p o n t a n e o u se m i s s i o n ( 放大器自發(fā)輻射) c o a r 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 ( 粗波分復用) d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n f i b e r ( 色散補償光纖) d 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 ( 密集波分復用) e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r ( 摻鉺光纖放大器) f u l lw i d t ha th a l f m a g n i t u d e ( 半值全寬) f i b e r r a m a a a m p l i f i e r ( 光纖拉曼放大器) g e n e t i c a l g o r i t h m ( 遺傳算法) g a i n f l a t t e n i n g f i l t e r ( 增益平坦濾波) l o ww a t e rp e a kf i b e r ( 低水峰光纖) z e r ow a t e r p e a k f i b e r ( 零水峰光纖) n o i s ef i g u r e ( 噪聲指數(shù)) o p t i c a ls i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( 光信噪比) p a r t i c l es w a r mo p d m i z a f i o n ( 粒子群算法) s i m u l a t e a n n e a l a r i t h m e t i c ( 模擬退火算法) s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ( 受激布里淵散射) s i g n a li n t e r f e r e n c er a t i o ( 信號干擾比) s t a n d a r ds i n g l e - m o d ef i b e r ( 標準單模光纖) s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( 信號噪聲比) s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ( 半導體光放大器) s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( 受激拉曼散射) 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 第1 章緒論 1 1 研究光纖拉曼放大器的相關背景 二十一世紀是信息日益膨脹的時代，人們除了對傳統(tǒng)的信息服務的需求越 來越大外，越來越多的新的多媒體信息業(yè)務也加入進來，造成了信息通道的擁 擠，甚至堵塞。相應的，作為長途干線通信主體的光纖通信一直朝著大容量、 高速率、長距離的方向發(fā)展應運而生的波分復用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , w d m ) 技術日益成為提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量最有效的技術 由于w d m 技術可以更加充分的利用光纖通信的巨大帶寬資源，從九十年代中 后期開始在網(wǎng)絡建設中開始大量應用，很快成為骨干網(wǎng)建設的首選技術w d m 技術能取得如此的成功，光放大技術的支持必不可少【1 在過去的十幾年中，摻鉺光纖放大器( e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r , e d f a ) 取代了傳統(tǒng)的光電一光中繼方式，實現(xiàn)了一根光纖同時傳輸多路放大的信號， 大大降低了光中繼的成本：并且e d f a 容易與傳輸光纖耦合，增益高噪聲低的 優(yōu)點，所以成功的應用于w d m 系統(tǒng)，極大的提高了光纖的傳輸容量和傳輸距 離，獲得了巨大的成功。但是隨著社會的發(fā)展。人們對傳輸容量的需求是沒有 限度的，傳統(tǒng)的e d f a 在1 5 5 口聊窗口附近c 波段( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 塒) 約3 0 n t o 的 帶寬就遠遠不能滿足人們的需要了石英光纖第三第四的低損耗窗口的s 波段 ( 1 4 8 0 - 1 5 2 0 n m ) ，l 波段( 1 5 7 0 - 1 6 1 0 n m ) 甚至s + 波段 1 4 5 0 - 1 4 8 0 h m ) ，l + 波段( 1 6 1 0 - 1 6 4 0 n m ) 將近2 0 0 n m 的帶寬資源，是e d f a 放大器無法應用的； 并且隨著光纖制造技術的進步，已經(jīng)能夠消除1 3 7 t m 處的吸收高峰，將來通 信波段渴望擴展到1 2 t i n 到1 7 , u r n ，這些都促使人們尋找更好的放大器來利用 光通信豐富的頻帶資源。在這種情況下，光纖拉曼放大器( f i b e r r a m a n a m p l i f i e r , f r a ) 應運而生。f r a 具有其他光放大器無法比擬的優(yōu)勢在于它具有在整個光 纖波段提供放大的能力，并且隨著泵浦激光的波長改變可以放大在1 2 7 0 n m 到 1 6 7 0 n m 之間的任意波段，這可以充分利用光纖通信的帶寬。并且f r a 還具有 可以分布放大和良好的噪聲性能的優(yōu)點，已經(jīng)成為最具有應用前景的一種光放 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 大器。無論是和e d f a 組成混和放大器( e d f a + f r a ) 還是獨立的應用于密集 波分復用系統(tǒng)( d 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 ) ，都顯示了良 好的性能p 傳輸容量最高的幾個w d m 試驗系統(tǒng)均采用了拉曼放大技術。2 0 0 0 年3 月， o f c 2 0 0 0 會議上，美國朗訊公司發(fā)布3 ，2 8 1 彰s j 帥m 試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)速率 3 2 8 t b s = 8 2 4 0 g b s ( c 波段4 0 波分復用，l 波段4 2 波分復用) ，信道間隔 1 0 0 g h z ，傳輸距離3 0 0 k i n ，中間兩級放大；2 0 0 0 年9 月，德國西門子o p t i s p h e r 網(wǎng)絡公司又公布7 ，0 4 n s 啪m 系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳輸速率7 0 4 t b s = 1 7 6 x 4 0 g b s ， 傳輸距離5 0 k i n ；2 0 0 1 年初阿爾卡特發(fā)布1 0 2 4 t b s - w d m 系統(tǒng)，該系統(tǒng)速率 1 0 2 4 t b s = 2 5 6 x 4 0 g b s ( c 、l 兩波段) ，傳輸距離l o o l a n ，采用了分布拉曼放 大和殘余邊帶技術及極化復用，使頻帶利用率達1 2 8 b i t s h z ；2 0 0 1 年3 月， o f c 2 0 0 1 年會上，日本n - e c 公司又發(fā)布了當前世界上最高記錄，該系統(tǒng)速率 為1 0 9 2 t b s = 2 7 3 4 0 c 南s ( 采用s 、c 、l 三個波段) ，傳輸距離l1 7 k m ，采用 了分布拉曼放大與集中光纖放大以及極化復用，頻帶利用率0 8 b i t s h z 。這證 明了拉曼放大技術的重要性1 4 一蜘 國內(nèi)在光纖拉曼放大器的研究并且在實際工程中成功應用方面的佼佼者是 武漢郵電科學研究院。2 0 0 2 年，在完成國家“8 6 3 計劃”拉曼放大器的研制任 務后。武漢郵電科學研究院下屬的烽火通信集團下的武漢光迅科技公司在黑龍 江通信公司佳木斯本地網(wǎng)s d h 線路改造中，成功實現(xiàn)了拉曼光纖放大器的工程 應用，揭開了拉曼放大器的國內(nèi)工程應用的序幕；2 0 0 5 年下半年，烽火通信開 通了國內(nèi)第一個3 2 t 系統(tǒng)工程“上海到杭州8 0 x 4 0 g b i t sd w d m 1 - 程”，其中 關鍵技術之一是分布式拉曼放大技術?？梢灶A見的是隨著通信業(yè)務量的不斷增 長，3 g 新業(yè)務的逐漸展開，超大容量的商用d w d m 系統(tǒng)必將實現(xiàn)大規(guī)模應用， 而拉曼光纖放大器作為超大容量d w d m 系統(tǒng)中關鍵技術之一，也將越來越顯 示出其重要性圖1 1 給出了烽火科技國內(nèi)首個3 2 t 系統(tǒng)工程中拉曼放大器使 用后對信號功率的改善情況，可以看出，拉曼放大器在光纖傳輸末端對光信噪 比的提高是顯著的 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 一m i 蘭d e l k 7 夢7 渤 a 拜 f 一二 鋪，嘲軸 l 弋 v 岍t h o u 睡 圖1 1 分布式拉曼光纖放大器在實際系統(tǒng)中的應用 f i g 1 - 1 t h ep r o j e c t sa p p l i c a t i o no f d i s t r i b u t e df r a 1 2 國內(nèi)外光纖拉曼放大器泵浦配置研究相關介紹 放大器的增益平坦是w d m 系統(tǒng)設計中十分重要的一項參數(shù)增益平坦度 對光信噪比( 0 p t i c a ls i g n a l - t o - n o i s e r a t i o ，o s n r ) 有很大的影響，特別是對于 較長的干線鏈路影響更嚴重。放大器增益不一致不僅限制o s n r ，還會導致 w d m 信道功率不一致，強信道功率可能持續(xù)增長，以致達到非線性閥值，限 制系統(tǒng)性能的提升，更可能導致w d m 信道解復用器的輸出端的竄話所以在 放大器設計時必須保證良好的增益平坦度f r a 本身的增益曲線很不平坦，實 現(xiàn)增益平坦的f r a 主要有兩大類方法，一是通過使用增益均衡器件即增益平坦 濾波器( g a i nf l a t t e nf i l t e r , g f f ) 來實現(xiàn)，一是通過使用合理的泵浦配置設計， 使用多波長泵浦達到更寬和更平坦的增益后一種方法由于功率損耗少的優(yōu)點 日益成為人們研究的一個熱點，具有非常重要的現(xiàn)實意義。 寬帶拉曼放大器的泵浦配置主要涉及到泵浦方式，泵浦波的數(shù)目，泵浦波 的波長和泵浦功率的選擇問題。 泵浦方式主要有三種：正向泵浦，反向泵浦，雙向泵浦，其中反向泵浦由 于具有其他兩種泵浦方式所沒有的優(yōu)點如泵浦噪聲對w d m 信道影響較小，信 號光的偏振不敏感等優(yōu)點而被廣泛應用。e r i c s s o n 光網(wǎng)絡實驗室的b e m t s o n 等 人的研究結果【5 l 證實了這一點 對于泵浦波的數(shù)目選擇，往往泵浦波的數(shù)目越多，f r a 的優(yōu)化配置越困難， 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 當然也更容易得到更寬和更平坦的增益藍線。應用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡的研究方法表 明1 1 9 1 ：在增益平坦度確定的情況下，不同的增益帶寬處，泵浦光數(shù)目存在下限 值。 目前的研究熱點放在對于給定一定數(shù)目的泵浦波數(shù)目，如何尋找有效的方 法來找到最好的泵浦波長和泵浦功率，這是當前寬帶f r a 優(yōu)化設計中的核心問 題所在。f r a 泵浦波長和泵浦功率的優(yōu)化主要有兩種方法，一是憑借經(jīng)驗。通 過模擬計算的結果手動調(diào)節(jié)泵浦波長和功率，這種方法比較耗費時間。二是通 過利用各種優(yōu)化算法，設計出一種有效的實用算法來尋找最好的泵浦配置，以 達到增益譜平坦的目的。 國內(nèi)外關于泵浦配置的優(yōu)化算法很多，除了三大傳統(tǒng)的優(yōu)化算法：b p 神經(jīng) 網(wǎng)絡算法，遺傳算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) ，模擬退火算法( s i m u l a t e a n n e a l a r i t h m e t i c ，s a a ) ，還有諸如篩選法，基于對多波長泵浦拉曼放大器的功率耦合 方程做了大量簡化后提出的算法等，都取得了不錯的效果。m i n h u iy a n 等人應 用模擬退火算法得到的優(yōu)化結果為1 4 5 0 n m 增益帶寬、平均增益3 0 d b ，增益波 動為2 6 d b ；應用遺傳算法也得到了在8 0 n m 帶寬內(nèi)增益波動為0 4 d b 的結果1 6 等。但s a a 算法得到的增益平坦度不夠好；篩選法用的是簡化模型精確度有些 欠缺；b p 神經(jīng)網(wǎng)絡算法對增益平坦度提升有限：遺傳算法的實現(xiàn)比較復雜。目 前理論上得到的最好結果是v i c t o rep 在8 3 辯m 的增益帶寬內(nèi)增益波動為 0 0 5 d b ! ”，n a t i o t 等人應用5 個泵浦源得到了增益帶寬達1 3 6 6 n m ，平均增益 為1 0 5 d b ，增益波動為2 d b 的結果阢無論在增益平垣度還是增益帶寬，平均 增益方面都還有很多的提升空間，特別是光纖的巨大的帶寬資源遠遠沒有得到 充分利用。 粒子群算法( p a r t i c l es w a r mo p t m l i z a t i o n , p s o ) 是1 9 9 5 年由k e n n e d y 博士 和e b e r h a r t 博士等人提出的一種新穎的優(yōu)化算法【s 1 同遺傳算法一樣，粒子群 算法也是一種基于群體智能的，其相對于遺傳算法的優(yōu)勢在于既簡單實用又同 樣具有深刻的智能背景，既適合科學研究又適用于工程應用p s o 同樣可以應 用于f r a 的泵浦配置研究，可以預見，無論在擴展n 認的增益帶寬方面還是 在減小f r a 的增益波動方面，p s o 都可以發(fā)揮其作用本文采用p s o 優(yōu)化算 法優(yōu)化多波長泵浦拉曼光纖放大器的泵浦波長和泵浦功率，并且依據(jù)拉曼放大 器自身的特點做了改進，得到了較好的優(yōu)化結果 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 1 3 論文組織結構 本文研究內(nèi)容主要有三點，1 ) 應用r u n g e - k u t t a 反復迭代的方法求解多波 長反向泵浦寬帶f r a 的功率耦合方程，研究如何改進運算速度以及求解精度， 為下一步采用優(yōu)化算法打下基礎：2 ) 應用p s o 及其改進算法，優(yōu)化寬帶拉曼 放大器的泵浦波長和泵浦功率，使得f r a 的增益帶寬、增益平坦度達到比較好 的結果；3 ) 考慮超寬帶f r a 的優(yōu)化設計中的幾個要素，在此基礎上給出超寬 帶f r a 的一種設計方案。 具體來說論文共分四章； 第1 章緒論。主要是介紹光纖拉曼放大器的背景知識以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀； 第2 章寬帶光纖拉曼放大器的基礎理論主要介紹光纖拉曼放大器的基本 理論，包括工作原理，基本結構，增益特性等； 第3 章寬帶光纖拉曼放大器泵浦配置的優(yōu)化設計主要是進行寬帶光纖拉 曼放大器的泵浦配置的優(yōu)化設計本章首先給出寬帶光纖拉曼放大器的數(shù)學模 型其次應用r u n g c - k u t t a 反復迭代的方法求解放大器的功率耦合方程，最后 應用p s o 算法及其改進算法優(yōu)化放大器的泵浦波長和泵浦功率，得到了較好的 優(yōu)化結果； 第4 章超寬帶光纖拉曼放大器的優(yōu)化設計。主要探討了超寬帶拉曼放大器 的優(yōu)化設計問題，在討論影響拉曼放大器增益平坦性的幾個參數(shù)以及放大器噪 聲特性及其抑鋁4 方法的基礎上，最后給出一種應用光纖拉曼放大器實現(xiàn)超寬帶 放大的一種設計方案。 最后是結論以及展望、致謝、參考文獻、縮略詞和攻讀碩士學位期間發(fā)表 的論文等。 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 第2 章寬帶光纖拉曼放大器的基礎理論 光纖拉曼放大器是利用受激拉曼散射( s t i m u l a t e dr a i i l a ns c a t t e r i n g , s r s ) 原理，以光纖作為增益介質(zhì)實現(xiàn)放大的全光放大器。本章介紹寬帶光纖拉曼放 大器的理路基礎知識，主要包括其工作原理、基本結構、增益特性等相關的放 大器基本理論 2 1 光纖拉曼放大器的工作原理 光纖拉曼放大器是利用s r s 原理，以光纖作為增益介質(zhì)實現(xiàn)而實現(xiàn)的全光 放大器【9 塒。它主要是利用光纖中的受激拉曼散射效應實現(xiàn)能量從較高頻率的泵 浦光到較低頻率的信號光的轉換，從而達到光放大的目的。當一束頻率為的 泵浦光入射到光介質(zhì)上時，散射光中含有與入射光頻率的差僅僅取決于光介質(zhì) 分子特性振動頻率的兩種不同頻率的光：散射光q 和散射光q ，其中，q 。并且。一q = 吧一。，這種現(xiàn)象叫做拉曼散射頻率為q 和q 的 散射光分別叫做s t o k e s 波和反s t o k e s 波。若入射是普通光束則發(fā)生普通拉曼散 射，這時反射光都是很微弱的非相干光，可以向各個方向傳播。當用強激光照 射某些介質(zhì)時，由拉曼效應產(chǎn)生的散射光具有受激發(fā)射的性質(zhì)，因此稱為受激 拉曼散射。圖2 1 給出了受激拉曼散射的原理圖，泵浦光。射入后，產(chǎn)生了一 個頻率稍低的s t o k e s 光峨，剩余能量以光學聲子的形式被介質(zhì)吸收。 i l w s m + 多睜辯 瞬對態(tài) ( 虛能緩) 振動態(tài) 基態(tài) 圖2 - l 受激拉曼散射原理 f i g 2 - 1 t h e p r i n c l p l eo f s r s 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 這是介質(zhì)在強激光光場作用下產(chǎn)生的一種三階非線性效應，光纖拉曼放大 器就是利用受激拉曼散射而研制的一種光通信器件也就是說，泵浦光頻率為 眈，產(chǎn)生的s t o k e s 波頻率為蛾，當信號光的頻率落在以q 為中心的增益譜線 范圍內(nèi)時，信號光就可以得到放大 在早期單模光纖的s r s 試驗中，s t o l e n 等人測得了石英光纖中的拉曼增益 系數(shù)g j ，它一般與光纖纖芯的成分有關，對不同的摻雜幽有很大的差別【l ”。 圖2 - 2 給出的是熔融石英光纖的拉曼增益系數(shù)譜，其中泵浦波長為lp m 時，g 衛(wèi) 與頻移的關系曲線。對不同的泵浦波長a 。g | 與丸成反比從圖2 2 可以看 到，光纖中的拉曼增益譜有個很顯著的特征：g l 有很寬的頻率范圍。達到 4 0 t h z ，并且在1 3 2 t h z ( 4 4 0 c m 4 ) 附近有個較寬的主峰。這些特性是由于石 英玻璃的非晶特性所決定的在諸如熔石英這類的非晶材料中，分子的振動頻 率展寬成頻帶，這些頻帶交疊并且產(chǎn)生連續(xù)態(tài)結果，與大多數(shù)介質(zhì)材料在特 定頻率上產(chǎn)生拉曼增益的情況相反，石英光纖中拉曼增益可以在一段很寬的頻 率范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生，也正是由于這個原因，光纖可以用作寬帶放大器 圖2 - 2 拉曼增益系數(shù)g 。與頻移的關系 f i g 2 - 2 r a m a ng a i nc e e f l l c i e n tg 置o fs m f a td i f f e r e n tf r e q u e n c y 蚰m 人們已經(jīng)對s r s 進行了廣泛的研究，在光纖中考慮泵浦波和s t o k e s 波之間 的相互作用，在穩(wěn)態(tài)和連續(xù)波的情況下，s t o k e s 光強和泵浦光強l 的耦合過 程遵循以下兩個羯合方程： 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 龜刮卜口3 l ：專g t l ，i i q i 。也 v l ? 1。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，、分別是泵浦光和s t o k e s 光的頻率；、q 分別式泵浦頻率和s t o k e s 頻率在光纖上的損耗系數(shù) 2 2 光纖拉曼放大器的基本結構 光纖拉曼放大器按照結構分可以分為分布式光纖拉曼放大器和分立式光纖 拉曼放大器兩種【1 2 1 分布式光纖拉曼放大器直接用線路光纖作為放大器的增益介質(zhì)，所用的拉 曼增益光纖比較長，一般幾十千米長，泵浦源的泵浦功率可以降低到幾百毫瓦， 并且常常和e d f a 接合在一塊使用。目前，主要利用d f r a 的低噪聲，低非線 性特性等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于實驗長途骨干d w d m 光傳輸網(wǎng)絡中，并且已 經(jīng)開始實用化，商用化，并將逐步大規(guī)模商用。圖2 3 給出了分布式拉曼光纖 放大器的示意圖 ：= 二二：匾二二二- i r 一一麗一一一一 圖2 - 3 分布式光纖拉曼放大器的示意圖 f i g 2 - 3 t h es k e t c hm a po f d i s t r i b u t e df r a 分立式光纖拉曼放大器一般采用增益系數(shù)較高的特種光纖( 如色散補償光 纖d c f ) 制成，增益光纖長度比較短通常在十幾千米以內(nèi)，泵浦功率要求比較 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 蚪 圖2 - 4 分立式光纖拉曼放大器的示意圖 f i g 7 - 4 t h es k e t c hm a p o f d i s c r e t e f r a 與分立式f r a 相比，分布式f r a 既能減少輸入端高功率帶來的光纖非線 性效應，又避免了輸出信號功率過小導致的o s n r 的惡化，延長了傳輸距離， 使得光信號在光纖中更加均勻的分布，已成為長距離光纖通信系統(tǒng)中的關鍵器 件。本文以下討論的都是分布式拉曼光纖放大器。 光纖拉曼放大器主要由泵浦源和放大器兩部分組成。放大器主要由拉曼光 纖和其他一些元件組成。 先說泵清源。對泵消源的要求是要有較高的輸出功率，穩(wěn)定的輸出波長， 可高的工作特性以及對偏振相關增益的抑制，最重要的是要有合適的輸出波長。 如放大1 3 0 0 n t o 窗口需要1 2 4 0 n m 的泵浦波長，放大c 波段，l 波段分別需要 1 4 5 0 n m 、1 4 8 0 n m 的泵浦波長對于寬帶，超寬帶光放大器，需要多個泵浦波 的組合，丑前已經(jīng)有幾種成熟的技術提供合適波長的高功率泵浦：一種是復用 半導體激光器，另外一種是層疊式拉曼激光器。 復用半導體激光器光源用w d m 合波器耦合在一起輸出，以產(chǎn)生較大的輸 出功率和較寬的增益帶寬并且抑制受激布里淵散射f l 田( s t h n u l a t o db f i l l o u i n s c a t t v r i n g , s b s ) 為使泵浦穩(wěn)定高效，泵浦激光器應該具有窄且穩(wěn)定的光譜。 層疊式拉曼激光器式是目前應用較廣泛的技術，相比于復用式泵浦源，它 具有功率利用率高，輸出功率高，結構簡單易于實現(xiàn)，增益高等優(yōu)點。所謂層 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 疊式就是利用已有的較低波長激光器逐級泵浦下一級s t o k e s 波直至獲得合適波 長的高功率s t o k e s 輸出。 再看泵浦方式。泵浦方式有三種：正向泵浦、反向泵浦、雙向泵浦三種。 正向泵浦是一種信號光和泵浦光以同一方式從光線輸入端注入的結構，也稱前 向泵浦；反向泵浦是一種信號光和泵浦光以相反的方向注入光纖的結構，也稱 后向泵浦：雙向泵浦是正向和反向同時泵浦的一種結構。圖2 5 給出了一個較 完整的采用反向泵浦f r a 的簡圖 傳輔光纖 圖2 - 5 反向泵浦光纖拉曼放大器的結構詳圖 f i g 2 - $ t h ep a r t i c u l a rc o n f i g u r a t i o no f f r a w i t hb a c k w a r dp u m p 由于拉曼受激散射的熒光壽命非常短，拉曼增益對泵浦功率的響應是瞬時 的，因此泵浦功率的脈動將引起增益的變化，從而對信號來說是一種串擾，或 者說是一種噪聲如果采用正向泵浦，泵浦噪聲將嚴重的影響w d m 信道。如 果采用反向泵浦，這種串擾就會大大減小，因為拉曼泵浦功率的波動在整個光 纖長度上被光信號的傳播時間平均掉了【m 1 卯另外，采用反向泵浦的拉曼放大 器的偏振態(tài)相關增益小，在實際應用中最為廣泛。 對于拉曼光纖，它是拉曼放大器的增益介質(zhì)，拉曼增益系數(shù)取決于光纖本 身的性質(zhì)，當然也隨泵浦波長變化。在泵浦功率一定的情況下，減小光纖的損 耗和有效面積，提高拉曼增益系數(shù)，有助于提高拉曼放大器的增益，此外在光 纖中摻雜也是提高光纖拉曼增益系數(shù)的很有效的方法。例如在石英光纖中摻加 不同濃度的c - e 元素，可以將增益提高數(shù)倍；色散補償光纖( d c f ) 由于其纖徑 小，其增益系數(shù)比普通的單模光纖高好幾倍。 此外f r a 還有多種無源器件，主要有泵浦光信號光波長耦合器、隔離器、 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 1 頁 合波器等 2 3 光纖拉曼放大器的增益特性 光纖拉曼放大器的增益特性我們主要是指增益飽和特性和增益帶寬特性， 下面將分別說明。 2 3 1 增益飽和特性 先看增益飽和特性。在拉曼放大過程中，信號光通過s r s 增益從泵浦光得 到能量麗被放大同時又被光纖吸收而衰減；而泵浦光通過s r s 過程將能量轉移 給信號光，而衰減同時亦被光纖吸收而衰減，這兩種過程同時存在拉曼放大 器的增益一般從兩個方面考慮，大多數(shù)情況下，在傳輸光纖中輸入泵浦光在拉 曼放大器抵消光纖損耗的情況下，以泵浦光有無引起輸出信號功率的變化來定 義增益，這種增益叫做開關增益增益同樣可以定義為輸出信號功率與信號功 率之比，稱為凈增益因此兩種增益的關系是：開，關增益( d b ) = 凈增益( d b ) + 光纖損耗( d b ) 。 如前面所說，在連續(xù)波情況下，對方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 稍做改動，泵浦光 和斯托克斯波的相互作用可用下列耦合方程來描述例： 毛2 鼬曠a a ：專警咿i 鴨p ， 盤 v i4 l 。 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，y 、屹分別是泵浦光和s t o k e s 光的頻率；a 。、口。分別為泵浦光和 信號光的橫截面；p 。、以分別為泵浦光和信號光的光功率；口。、口。分別式泵 浦頻率和s t o k e s 頻率在光纖上的損耗系數(shù)；g 。為光纖拉曼增益系數(shù)。 為了簡化分析，僅考慮連續(xù)波泵浦時的增益特性。首先考察小信號放大特 性，這時可忽略式( 2 - 4 ) 中右邊泵浦消耗一項，近似認為泵浦功率傳輸過程中 僅受光纖損耗而指數(shù)衰減。因此f r a 的小信號增益( 開關增益) 可以寫成： 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 2 頁 q 驀石器= e x p ( 孫e k ，白) ( 2 5 ) 當輸入信號功率增大，泵浦功率轉移給信號而產(chǎn)生的消耗不可忽略時，泵 浦功率在傳輸過程中不斷衰減，信號光的放大速率受到限制，放大過程就出現(xiàn) 了飽和現(xiàn)象假定= q ，則可以推出飽和增益的近似表達式為： g j = 幣百麗l + r 網(wǎng)1 4 ( 2 石) ( 2 7 ) 當仇e * 1 時，增益降為原來的一半( 3d b ) ，此時信號功率接近輸入泵浦 功率所以泵浦功率p ，( o ) 實際上能代表飽和輸出功率 2 3 2 增益帶寬特性 拉曼放大器很突出的一個優(yōu)點就是它的任意波段寬帶放大特性理論上只 要有相應的泵浦光波就可以對任意信號光放大，這是因為熔融硅光纖屬于非晶 玻璃，其分子振動能級融合在一起形成能帶，因而可以在較寬頻差范圍內(nèi)通過 激拉曼散射實現(xiàn)信號光的放大拉曼增益參數(shù)峰值帶寬在3 5 0 - 5 0 0 c m 4 之間， 折算成頻率約有5 t h z 帶寬；更為關鍵的是只要能找到合適的與信號光具有 s t o k e s 頻差的泵浦光就能對任意信號光進行放大，采用多個波長的泵浦組合就 可以構成帶寬超過l o o n m 的寬帶放大器【1 6 , 4 s 1 。 在拉曼放大增益均衡技術方面，長周期光纖光柵是一種比較理想的寬帶寬 的增益均衡器件。根據(jù)o f c 2 0 0 0 的報道，目前己經(jīng)有成功利用長周期光纖光柵 做增益均衡器件實現(xiàn)了7 0 n r a 帶寬內(nèi)增益起伏不超過1 2 7 d b 的寬帶拉曼光纖放 大器的試驗。 采用多泵浦時對泵浦之間的相互作用也必須進行考慮，適當安排泵浦功率 西南交通大學碩士研究生學位論文第13 頁 和波長間隔是寬帶拉曼光纖放大器的重要技術要求之一 2 4 小結 基于上述的幾點特性，目前關于拉曼放大器應用于寬帶放大的報道很多， 總結起來主要有三種情況：一是拉曼放大器獨立使用，采用多波長泵浦，形成 贏帶放大；二是拉曼放大器和e d f a 構混合放大器，再加上增益均衡器平坦增 以獲得高增益的寬帶放大；三是用拉曼放大器制成有源無損器件或動態(tài)均衡 件本文主要討論的是拉曼放大器的第一種應用，采用多波長泵浦，研究如 通過合理的泵浦配置，進行寬帶甚至超寬帶放大。 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 4 頁 第3 章寬帶光纖拉曼放大器泵浦配置的優(yōu)化設計 為了充分利用拉曼放大器的帶寬優(yōu)勢，采用多波長反向泵浦方式實現(xiàn)寬帶 甚至超寬帶拉曼放大是一種很好的方法。它的優(yōu)點是設計靈活，通過適當?shù)卣{(diào) 整泵浦光的波長和功率，就可得到某一帶寬內(nèi)平坦的拉曼增益，而且不需要任 何增益均衡器件；同時，因為采用多個泵浦光源一起泵浦，降低了對單個泵清 光源的功率要求，因此它可以說是一種適應于未來密集波分復用系統(tǒng)( d e n s e 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 , d w d m ) 的較為理想的超寬帶光放大技術 實現(xiàn)這種拉曼放大器的關鍵技術之一在于設計優(yōu)化算法，以找到滿足給定帶寬 和平坦度要求的泵浦光配置 本文之所以采用反向泵浦而非正向泵浦，主要是正向泵清帶來的信號光和 泵浦光的串擾較大，噪聲性能較差，反向泵浦可抑制泵浦誘發(fā)的高頻偏振和強 度噪聲，對于普通單模光纖和色散位移光纖，反向泵浦帶的串擾帶寬要比正向 泵浦低4 個量級【”】 在多波長泵浦的拉曼放大器中，由于存在泵浦光之間以及信號光之間的能 量耦合，使得用來描述受激拉曼散射效應的能量耦合方程是一個高度非線性的 n ( 信號光與泵浦光的總個數(shù)) 維一階非線性微分方程組。因此，通常的優(yōu)化 算法難以實現(xiàn)上述泵浦光優(yōu)化過程，或者實現(xiàn)起來效率很低本章節(jié)介紹了一 種較為有效的泵浦光優(yōu)化算法，算法包括兩部分：即r u n g e - k u t t a 反復迭代算 法和改迸的粒子群優(yōu)化算法文中對算法的具體設計過程傲了詳細敘述，該算 法可以自動完成泵浦光優(yōu)化過程，不需要任何的人為調(diào)整。數(shù)值仿真結果表明： 在僅僅應用6 個泵浦光波的情況下，該算法可以得到增益帶寬1 0 0 t l m ( 1 5 1 0 1 6 1 0 t i m ) ，增益起伏為0 6 d b 的優(yōu)化結果【1 8 1 。 對拉曼放大器耦合方程組的數(shù)值求解是進行上述優(yōu)化過程的前提，因為只 有求解了拉曼放大器的功率耦合方程組，我們才可以知道某一組泵浦光泵浦時 的信號光增益起伏情況，而優(yōu)化算法要做的是找到一組特定的泵浦光配置，使 得增益波動小于一給定值 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 5 頁 3 1 多波長泵浦光纖拉曼放大器的數(shù)學模型 本節(jié)主要是引入多泵浦、多信道的光纖拉曼放大器的數(shù)學模型，并且討論 了模型中涉及的幾個重要參數(shù) 3 1 1 多波長泵浦光纖拉曼放大器的數(shù)學模型 多泵浦、多信道的光纖拉曼放大器的數(shù)學模型仿真是比較復雜的，它涉及 泵浦光到信號光、泵浦光之間、信號光之間的拉曼增益過程，還包括放大器自 發(fā)輻射( a s e ) 噪聲、熱噪聲，以及后向瑞利散射的放大過程。更精確的模型 還考慮了受激布里淵散射、高階斯托克斯波和反斯托克斯波的產(chǎn)生等非線性效 應。一般情況下，后述的幾種影響可以忽略，多泵浦光纖拉曼放大器的功率耦 合方程可表示為【l 川： 竺掣= 劬州州，( 腫，y ) ，) 善乏器 嚴m(xù) 雌期 t 加善號劈 心毒川訓 - 匐砸南嘶) a r ( ：一) 善跨潞啡名州硝司 靶船，) 善魚寧 - 匐幣南研) a v c s m 式中， ，、善分別代表