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1、摘要随着宽带业务的增长和 DWDM 技术的发展,人们需要更宽增益的全光放大 器.光纤喇曼放大器由于其可放大任意波 长信号的特性,受到广泛关注和重视.但 它还存在以下不足:(1)在整个放大器增益不平坦，(2)需要大功率泵浦源，(3)需要 抑制噪声.，本文致力于解决FRA增益不平坦的问题，提出了使用DCF光纤(色 散补偿光纤)的 FRA 增益平坦化的补偿理论分析和设计方法，给出了补偿光纤 增益系数曲线的轮廓，为FRA增益平坦化技术的实验和实用提供了理论基础。关键词：光纤喇曼放大器，受激喇曼散射，增益平坦放大器，DCF光纤.ABSTRACTThe all-optical amplifiers wit
2、h wider gain-bandwidth is required because of the increasing wide-band-width-traffic and the development of DWDM. Fiber Raman amplifiers which have the characters of amplifying any wavelength, have been widely researched. But it still has some flaws： first, not having flat gain in all wavelength; se
3、cond, need high power pump source; third, need suppress the noise. This paper mainly research the flat gain of SRS amplifier and put forward a design of ordinary flat gain fiber Raman amplifier, give gain quotiety or compensate fiber. Provide basic theory for experimentation and practicality techniq
4、ue of the FRA flat gain.Keywords:Fiber Raman amplifiers; Stimulated Raman Scattering(SRS); the flatgain SRS amplifier目录1.绪 论1.1适用于DWDM系统，增益平坦的光纤喇曼放大器（FRA）的研究现状31.2研究适用于DWDM系统，增益平坦的光纤喇曼放大器的重要性和意义41.3 工作内容62光纤喇曼放大器 82.1 光纤喇曼放大器的基本原理 82.1.1传输光纤中的SRS效应82.1.2 FRA 的工作原理102.2光纤喇曼放大器的基本结构122.2.1 分布式喇曼放大器122
5、.2.2 集总式（又称为分立式）喇曼放大器142.3 光纤喇曼放大器的特点142.4 光纤放大器的制作162.5 光纤喇曼放大器的前景展望172.5.1 FRA 目前主要应用领域172.5.2 FRA前景前景展望183.一般光纤中喇曼放大的基本分析理论 193.1 引言193.2 单向波分复用光纤传输系统的稳态理论分析193.2.1 理论模型与分析方法203.2.2 N信道前向稳态SRS耦合方程203.2.3 N信道等间隔前向稳态SRS耦合方程214. 光纤增益平坦放大器的初步设计 4.1 喇曼放大器增益平坦的方法224.1.1 采用增益均衡器件实现增益平坦224.1.2多波长泵浦224.2
6、增益平坦放大器的理论介绍234.3以DCF （色散补偿光纤）实现的增益平坦放大器26结束语致谢：错误！未定义书签。附录参考文献： 1.绪 论1.1适用于DWDM系统，增益平坦的光纤喇曼放大器(FRA) 的研究现状在“信息高速公路”的概念被提出以后，光纤通信技术在加大容量和延长通 信距离方面取得了突飞猛进的发展，尤其是宽带光纤放大器和密集波分复用是光 纤通信技术发展最引人瞩目的方向。光纤喇曼放大器是利用受激喇曼散射效应( SRS: Stimulated RamanScattering)以光纤作为增益介质而实现的全光放大器。由于它特殊的增益机理， 使其具有许多优良的特性。首先，喇曼放大器的增益带宽
7、很宽，可达40Thz。因 此，喇曼放大器可作为宽带放大器，放大多信道系统；其次，从理论上讲，只要 有合适功率的高功率泵浦源，喇曼放大器就可以放大任意波长的信号，因此用喇 曼放大器加全波光纤(All Wave fiber)，可充分利用光纤的巨大带宽；第三，利 用喇曼放大器可在原有光纤基础上直接接入，达到扩容，减少投资，还可以制成 分布式喇曼放大器，直接以传输光纤作为增益介质；第四，光纤喇曼放大器具有 优良的噪声特性，其自发辐射噪声优于EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier),附 加噪声也很小；第五，光纤喇曼放大器的SRS响应时间极短，因此FRA可用于 高速通信网络。从
8、以上五点可见，在未来的光传输网络中，尤其是在全波光纤的 网络中，喇曼放大器必将占有重要的位置。近几年由于高功率激光器技术的发展，已有适于通信波长的喇曼泵浦激光器 投入市场，因此喇曼放大器投入使用已不存在太大问题。国外已针对喇曼放大器 在DWDM系统中的应用大量的研究实研。Lucent公司利用喇曼和EDFA的混合 放大器传输1.6Tb/s (40*40Gb/s)信号达400km;Alcatel公司则用喇曼放大器获 得了 32*190Gb/s信号传输450km无中继的成绩。据估计，喇曼放大器的市场价 值2004年将达到75亿美元。可见喇曼放大器具有广阔的发展前景。目前，在 WDM(Waveleng
9、th Division Multiplexing)系统中光纤的低损耗区域， SRS放大器已经研究成功;应用放大器的两信道WDM系统在非耗尽区域的SRS 放大器理论研究成果已经出现；对N信道DWDM系统应用放大器的分析还没有 深入研究。关于喇曼放大器应用于宽带放大的报道很多，总结起来主要有三种情 况。一是喇曼放大器独立使用，采用多波长泵浦，形成宽带放大；二是喇曼放大 器和EDFA构成混合放大器，再加上增益均衡器平坦增益以获得高增益的宽带放 大；三是用喇曼放大器制成有源无损器件或动态均衡器件。但如何用喇曼放大器 来放大全波光纤的12601650n m带宽，即如何利用喇曼放大器来充分利用光纤 的巨大
10、带宽还有待解决，随着相关问题的解决，喇曼放大器必将成为光放大的主 流。所以，我们FRA放大器增益平坦化的设计方案，希望早日把FRA放大器推 向实用化。1.2 研究适用于 DWDM 系统，增益平坦的光纤喇曼放大器 的重要性和意义光信号在光纤中传输时受各种损耗的作用，光信号功率会下降，当传输的距 离很大时，就需要在传输线路上加中继器，将减弱的光信号放大，达到远距离传 输的目的。传统的中继器采用光电光的转换方式，其存在以下缺点，设备复杂， 可靠性不高，使用不便，难以适应光纤通信技术的发展。而光纤放大器是重要得 光器件之一，可实现信号的直接放大，不需要光电和电光转换的繁琐放大过程， 所以可取代中继器，
11、应用于超长距离的光纤通信系统或密集波分复用系统中。光 放大器具有很宽的增益带宽，采用直接光放大的形式，可使传输速率大大提高， 且使用方便，可靠性高，结构紧凑，价格低廉，成为现代光纤通信系统中的关键 部件。现代或未来光纤通信系统主要是指密集波分复用（DWDM）光纤通信系统、 相干光纤通信系统、光孤子通信系统。到目前为止，密集波分复用（ DWDM） 光纤通信系统已实用化，而相干光纤通信系统、光孤子通信系统、还在研究阶段。 综观这些系统，它们都是多信道，输入总功率高，信道宽度窄的系统，比如密集 波分复用（DWDM）光纤通信系统中的信道总数据报道已达127个（信道间隔 为50GHZ）。理论上讲，在密集
12、波分复用（DWDM）光纤通信系统中，由于复用 信道总数大，因此总的输入功率很大，比如在127个信道和系统中，假如每信道 中输入的信号光功率为1mv,总功率可达到127mv。此时，SRS、SBS效应对信 号的影响十分强烈，而在光孤子通信系统中，由于信号光脉冲很窄（小于100PS）， 其脉冲功率很容易达到几十毫瓦，但 SRS 效应对信号光的影响仍不可忽略。另 外，光纤放大器中，泵浦光的功率可达数瓦，其中的SRS、SBS效应更加强烈。 由于 SRS 具有增益特性，而且可以在光纤中积累，因此这种效应可被利用制作 光纤放大器。对于HDWDM，由于信道的密集再使用，使适合原来信道少的波分复用器 因分辨率达
13、不到要求而不能实现波分复用功能。而且复用器件的选择也将大大影 响系统的性能。按工作介质分类，光放大器可分为三类：掺稀土元素光纤放大器、 非线性光纤放大器和半导体光放大器。掺稀土元素光纤放大器利用光的受激放大 原理对信号进行放大，典型代表有：掺饵光纤放大器（EDFA）、掺错光纤放大器。 非线性光纤放大器利用光的受激喇曼放大、受激布里渊放大和四波混频的原理对 信号进行放大，典型代表为SRS光纤放大器。现在常用的是掺饵光纤放大器（EDFA）与SRS放大器。EDFA可以提供给 许多光纤通信系统使用，但是一般的掺饵光纤放大器本身的增益轮廓是不平坦 的，它在 1532nm 附近有一个峰值，在 1540nm
14、 后是一个平台，峰值和平台之间 差异达8dB以上，这使得波分复用系统（WDM）只能在一个很窄的带宽内使用。 否则，各信道的增益不一，特别是多个EDFA串联后，这种增益差会产生积累， 以至于信号光到达接受端时，增益高的波长信道可能使光端接收机输入过载，而 增益小的波长信道则信噪比达不到要求，使整个系统不能正常工作。这样就使通 信线路数受到限制，通信系统的容量大大减少。国外从九十年代初就开始了掺饵光纤放大器增益平坦化的研究，早期曾有过 利用光凹槽滤波的方法,通过被动滤波,仅在一个小范围内进行平坦化 .后来又有 声光滤波的方法,由于声光滤波器不能集成到光纤上 ,并且连接技术复杂,现在很 少有研究报道
15、了.现在报道的方法主要有:1.利用增益均衡器进行增益平坦化;2.在 掺饵硅玻璃光纤中加入AL 3等作为共掺杂物质，或者改变掺饵硅玻璃光纤的基质 材料,如硅玻璃,氟玻璃,多成分玻璃等进行增益平坦化。总之,在通信领域中，对EDFA的增益平坦化非常重视许多人在研究EDFA和 DWDM相结合的实际应用.但是EDFA的增益带宽与宽带光放大器的带宽要求相 差太远,随着信息量的快速增长和 HDWDM 的应用,人们需要更宽增益带宽的全 光放大器.光纤喇曼放大器充分利用光纤的巨大带宽,成为目前研究的热点。光纤喇曼放大器（FRA : Fiber Raman Amplifier）具有很宽的增益谱宽 （40THz），
16、可用于宽光谱的波分复用光纤通信系统中。很宽的受激喇曼散射的增 益带宽（达40THZ）,意味着人们能够用单一的泵浦波同时放大多个波长的信道。 另外，FRA还具有响应时间快、饱和输出功率大、易于耦合等优点。所以，FRA 光纤放大器具有广阔的发展前景。但目前 FRA 还存在以下不足：（1）在整个放大区域增益不平坦，（2）需要 大功率泵浦源，（3）需要抑制噪声。如果能够解决这些问题，那么 FRA 光纤放 大器在未来将会是 HDWDM 的最佳复用器材。本文致力于解决FRA增益不平坦的问题。提出了使用DCF光纤的FRA增 益平坦化的一般性补偿理论分析和设计方法，给出了补偿光纤增益系数曲线的轮 廓，为FRA增益平坦化技术的实验实用化提供了理论基础。1.3 工作内容a 本论文的研究对象：
