《光纤喇曼放大器的理论分析和优化设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤喇曼放大器的理论分析和优化设计（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学硕士学位论文摘要f 光纤放大器能够在光域中对光信号直接进行放大，而冤需进行光一电转换，消除了在潍壤土懿簸颈效应。竞绥骥曼放大器( F R A ) 是光终放大器审懿一耱，近来受到很多关注，已成为光传输和光网络中补偿损耗的一个非常煎要的器件。它利用光纤本身的非线性效应实瑰光放大，所戳W 以采麓传输光纤作为增益介质。j 本文对光纤喇曼放大器进行了一些理论分析辨采用遗传算法进行了优化设计。主要研究内容和磺突结果如下：( 1 ) 辩F R A 懿淫论模篷透露了较全鬣嚣理谂分援，农e 较宠整熬数学模型蓥磕上，采用四阶龙格席塔( R u n g e - - K u t t a ) 法进行了理论计
2、算，分析了F R A 的增益特性，计算得到放大器静噪声指数；( 2 ) 分析并比较了同向、反向、双向三种方式泵清的放大器增益性能，发现对于同向、反向方式增益谱在小信号时基本一致；( 3 ) 在宠成增藏谱诗冀豹基戳上，采瘸遗传舞法舒辩多泵瀵F R A 遴行了谯铯，主要从泵浦源的波长和功率西已置上考虑：得到了平坦度很好的增虢谱。( 4 ) 磷究了F R A 和掺铒竞纾放大器( E D F A ) 混和放大这菁申碰雳技术，鼠理论上分析了F R A E D F A 级联放大器增益特性。重点研究了1 4 8 0 n m 单波长泵浦的情形，得到C + L 带增益谱。关键谲：受激搿曼散射竞纾放大嚣光纤通信I
3、华中科技大学硕士学位论文A b s 仃a c tO p t i c a la m p l i f i e r sc a r la m p l i f yo p t i c a ls i g n a ld i r e c t l yi no p t i c a ld o m a i n W i t h o u tO Ec o n v e r s i o n ，t h ee l e c 垃o r f i cb o t t l ec a l lb eb r o k e nt h r o u g h F i b e rR a m a nA m p l i f i e r ( E R A ) i so
4、n ek i n do fo p t i c a la m p l i f i e r s ，w h i c hu s e st h ei n t r i n s i cn o n l i n e a rp r o p e r t i e so ft h et r a n s m i s s i o nf i b e r 协o b t a i ns i g n a la m p l i f i c a t i o n F R Ah a sg o tm u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo f i t sl o wn o i s eb u i l d u p
5、，d e s i g ns i m p l i c i t y , f l e x i b l ea s s i g n m e n to fs i g n a lf r e q u e n c i e sa n db r o a dg a i nb a n d w i d t h T h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep 矗r l c i p - l eo fF R Aa n do p f i m i z e st h eg a i ns p e c t r u mu s i n gg e n e t i ca r i t h m
6、 e t i c T h ed e t a i l ss h o wa sf o l l o w i n g ：( 1 ) A n a l y z i n gt h eF R A sm o d e li nd e t a i l ，c a l c u l a t i n gt h eo p t i c a lg a i na n dn o i s ew i t hf o u r - o r d e rR u n g e K u t t aa r i t h m e t i ca n da n a l y z i n gi t sg a i nc h a r a c t e r ( 2 ) C
7、o m p a r i n gt h eg a i no fc o - p u m p e d ，b a c k - p u m p e d ，a n db i d i r e c t i o np u m p e dF R Aa n do b t a i n i n ga l m o s tt h es a m eg a i ns p e c t r u mf o rc o p u m p e da n db a c k - p u m p e dw h e ns m a l ls i g n a li sa m p l i f i e d ( 3 ) B a s e do nt h ec
8、a l c u l a t e dg a i ns p e c t r u m , o p t i m i z i n gt h ed e s i g no fb r o a d b a n df l a t g a i nF R Aw i 也g e n e t i ca r i t h m e t i c t og e tg o o df l a t n e s so f g a i ns p e c t r u m ( 4 ) C a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h eg a i no fa nF R A E D F Ah y b r
9、i da m p l i f i e r ,e s p e c i a l l yw h e np u m p e da t1 4 8 0 n m K e yW o r d s ：s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n gf i b e ra m p l i f i e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nI I华中科技大学硕士学位论文1 1 引言1 绪论损耗帮色教一点楚制约光终逯售长途传竣黪秀拿大邂素。瘫于馁教经移走纾鼹魏散补偿光纤的出现，融经使色散在通信速率1 0 G b p s 以下的系统中得到
10、基本解决，丽损耗成为限制长距离传输的突出问题。一直以来，采用掺铒光纤放大器( E D F A ，E r b i u mD o p e dF i b e r A m p l i f i e r ) 补偿链路中的损耗是通用的解决方案。E D F A 取代了传统的光瞧毙孛继方式，实臻了一穰必纾中多路光信号的蠢时放大，大大降低了光中继豹成本，它的出现曾使得人们对其关注风壤一时，即使瑷在它在光放大嚣中蛉应用也是起着主导地位的。然而随着计算机网络及其宦新的数据传输服务的飞逸发展，长距离光纤传输系统对通信容畿和系统扩展的需求日益膨胀，E D F A 的藏个增益波段，即c 波段察L 波段很侠将甭宪。而置E D
11、 F A 的嗓声特德也限稍了其在超长躐离通信系统中的反用。人嬲嚣始关注曼大带宽熬低噪声光纾放大器懿硬究，并缀挟攘出了光绎嘲曼救大器( F R A ，F i b e rR a m a n A m p l i f i e r ) 。F R A 采用高功率激光作为裂浦源，以酱通传输光纤作为增益介质，利用光纤中的受激喇曼散射效应实现光信号放大。F R A 具有低噪声、结构简单、灵活放大任意波段稻宽鬻蓥带宽等优点翻。1 2 光大器的分类和应用必皴大器数滋褒，霹裁为光绎逶倍发麓变上瓣耋耍莹程碎。长鲻戳来入稍致力于全光型中继器的研制。主要毒三类光放大器形式：( 1 ) 熬于半导体增益的半鼯体光放大器；( 2
12、 ) 基于非线性效应的光纤放火器；( 3 ) 蒸于稀土元素掺杂静光纤放大嚣表1 一l 圆烈蹬这足葶孛巍效大嚣戆王铭源理、激融方式程圣 己缺点等骰一对魄。华中科技大学硕士学位论文表1 1 几种光放大器的比较放大器原理激励激励功率增益介质噪声与光纤与光偏稳定性类型方式长度系数耦合振关系非线性光纤光学非线数百毫瓦放大器性效应光到数瓦数千米以上小容易大好半导体光放粒子数数百毫瓦l O O u m - 1 m m较大较难大稍差大器反转电掺稀土光纤粒子数光数毫瓦到数米到小容易很小好放大器反转数十毫瓦数十米光放大器用于线路中的放大，可有三种情形【3 】：( 1 ) 功率放大，位于发射机后用于提高发射光功率：
13、( 2 ) 线路放大，位于传输干线上用来补偿传输损耗；( 3 ) 前置放大，位于接收机前用于提高入射到接收机的光功率，提高接收机灵敏度。具体如下图1 1 所示：1 2 1 半导体光放大器图1 1 光放大器的应用方式半导体光放大器【4 】( S O A ，S e m i c o n d u c t o rO p t i c a lA m p l i f i e r ) 是一种很重要的光放大器，它具有和激光二极管相同的结构、相同的材料和相同的工作机理，唯一不同的是两个腔面需要制备减反射膜( A R ) 以便使反射率降至很低。S O A 的结构如图1 2所示。2华中科技大学硕士学位论文 一= = =
14、 = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = ；j图1 - - 2半导体光放大器示意图S O A 具有以下特点【5 】：( 1 ) 尺寸很小：( 2 ) 增益高，一般在1 5 3 0 d B ；( 3 ) 频带宽，一般在5 0 7 0 n m 。但是S O A 也存在不少的问题：( 1 ) 与光纤的耦合损耗大，一般为5 8 d B ；( 2 ) 增益与偏振态、温度等有明显依赖关系，稳定性差；( 3 ) 增益的恢复时间为p s 量级，对高速传输的光信号产生不利影响；( 4 ) 输出功率小；( 5 ) 噪声系数较大。1 2 2
15、掺铒光纤放大器嘲虽然掺杂光纤放大器早在1 9 6 4 年就有研究，但是直到1 9 8 5 年英国南安普敦大学才首次研制成功掺铒光纤 3 1 。1 9 8 8 年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。E D F A 的研制成功是光纤通信领域内的一次革命。一台实 输监卜芦 群黼圉圆圈以三能级结构分析E D F A ，掺铒光纤中的铒离子在一定的泵浦光注入的情况下，华中科技大学硕士学位论文从低能级激发到高能级上，由于铒离子在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁的形式转移到亚稳态较低能级上，并在该能级和基态间形成粒子数反转分布。如果入射信号光子的能量刚好等于亚稳态与基态的能级
16、之差，将形成受激辐射，信号光被放大。E D F A 具有很多优点【( 1 ) 信号增益谱宽，达3 0 n m 甚至更高( 2 ) 较高的饱和输出功率( 1 0 2 0 d B m ) ，可用作发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数( 3 ) 与光纤线路耦合损耗小( l O )P i - 2 ；这条语句，当计算中任何时候功率值大于1 0 W ( 考虑到实际的泵浦源有可能达到几瓦但不会太大，暂设定为这个数值) 时，就除以2 ，直到它是个小于1 0 的数。这样虽然一次迭代出来的结果不是理想的，但是可以防止因为溢出而中止运算，这次的计算结果可以修正出一个新的初始值，在以后的计算中可以迭代出结果。经过实际运算发现，这个“限幅器”可以取到对“打靶法”很好的补充作用。以下讨论具体的取值问题。3 3 模型中的取值光纤的损耗系数在不同波长处数值变化比较大，这里用分段函数的形式存为函数，则每个波长对应的损耗系数均可获
