（通信与信息系统专业论文）宽带拉曼光纤放大器的增益均衡.pdf

上海大学硕士研究生毕业论文 摘要 本论文主要包括两方面工作：一是关于宽带拉曼光纤放大器增益均衡的理论 研究及实验，二是关于拉曼放大器用于a m v s b 外调制光纤c a t v 系统中对组 合二级失真性能影响的讨论。 本论文对不同情况下的单泵浦拉曼放大器增益进行了仿真，讨论了影响增益 曲线的不同因素。在此基础上给出了多泵浦的拉曼放大器的传输耦合方程，并分 析了预估校正法，通过与其它常用方法作比较，证明了它是快速而准确的计算此 耦合方程的方法。从成本实用角度出发，本论文首次提出了用二次规划进行增益 均衡的方法，并提出通过均衡残留泵浦功率的方法来简化均衡过程，缩短运算时 间。然后对三波长反向泵浦的不同情况进行了优化，得到了信号增益波段为 1 5 3 5 1 6 0 6 n m 和1 5 4 2 1 6 1 2 n m 时的最佳泵浦波长和功率。 对于实际系统中，泵浦功率和波长的选择就是根据仿真结果进行设置的，并 利用自发拉曼散射谱进行调试的。实现了带宽达7 0 r i m ，平均增益为1 0 5 d b 、噪 声指数小于2 d b 、增益波动小于l d b 的增益曲线，并将仿真增益曲线、实测增 益曲线和a s e 谱进行了对比，从而验证了本文的建模及均衡过程的可行性。 本论文还首次对采用拉曼光放大的a m - v s b 外调制光纤c a t v 系统中的组 合二阶失真进行了研究。通过微扰法求解分布拉曼条件下的薛定谔方程，得到了 组合二阶失真的解析表达式。结果表明由于分布拉曼放大效应，减小了光纤中的 信号光强度，相对于采用e d f a 功放，采用相同放大倍数的拉曼放大可使长距离 系统中自相位调制导致的组合二阶失真改善1 0 d b 以上。此结论对于实际的长距 离c a t v 系统具有重要意义。 关键词：拉曼光纤放大器，增益均衡，自发散射噪声，组合二阶失真 海大学顺卜研究生毕业论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st w oa s p e c t s ：t h et h e o r yr e s e a r c ha n de x p e r i m e n to n g a i nf l a t t e n i n go fb r o a d b a n dr a m a nf i b e ra m p l i f i e r s ，a n dt h ed i s c u s s i o na b o u tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t es e c o n do r d e rd i s t o r t i o ni n f l u e n c e db yr a m a na m p l i f i e r u s e di ne x t e r n a l l y m o d u l a t e da m v s bf i b e rc a t v s y s t e m t h i sp a p e rs i m u l a t e sg a i ns p e c t r u mo fr a m a na m p l i f i e r sw i t ho n e - w a v e l e n g t h p u m pu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dd i s c u s s e sd i f f e r e n tf a c t o r st h o s ei n f l u e n c eg a i n s p e c t r u m o nt h eb a s i so ft h i s ，p r o p a g a t i o nc o u p l i n ge q u m i o n so fr a m a na m p l i f i e r s w i t h m u l t i - w a v e l e n g t hp u m p sa r e i n t r o d u c e da n dp r e d i c t o r - c o r r e c t o rm e t h o di s a n a l 3 7 s e d c o m p a r e dw i t ho t h e rc o m m o nm e t h o d s ，p c mi saf a s ta n dp r e c i s em e t h o d t os o l v et h e s ee q u a t i o n s ，c o n s i d e r i n gc o s ta n dp r a c t i c a l i t y , s u c c e s s i v eq u a d r a t i c p r o g r a m m i n gi sa d o p t e d ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t oo p t i m i z eg a i nf l a t t e no fr a m a nf i b e r a m p l i f i e r s t os i m p l i f yo p e r a t i o np r o c e s sa n dr e d u c e c o m p u t a t i o nt i m e ，p u m p w a v e l e n g t h sa n dr e s i d u a lp o w e r sa r eo p t i m i z e di nt h i sp a p e r t h r o u g hf l a t t e n i n gg a i n o fr a m a na m p l i f i e r sb a c k w a r d - p u m p e dw i t ht h r e ew a v e l e n g t h s ，o p t i m u mp u m p w a v e l e n g t h s a n dp o w e r sa r er e c e i v e dw i t h g a i n w i d t hi n1 5 3 5 1 6 0 6 n ma n d 1 5 4 2 1 6 1 2 n m i np r a c t i c a ls y s t e m ，p u m pw a v e l e n g t h sa n dp o w e r sa r ea r r a n g e da c c o r d i n gt o s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d 删u s t e db ym e a n so fa m p l i f i e ds p o n s t a n e o u se m i s s i o n s p e c t r u m ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ed e m a n d e dg a i ns p e c t r u m ，t h eb a n d w i d t h si sm o r e t h a n7 0 n m t h ea v e r a g ev a l u ei s1 0 5d b ，n o i s ef i g u r ei s n th i g e rt h a n - 2d ba n dr i p p l e v a l u ei sl e s st h a n1d b t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei ng o o da g g r e m e n tw i t ht h e s i m u l a t i o ng a i nc u r v ea n da m p l i f i e ds p o n s t a n e o u se m i s s i o ns p e c t r u m ，w h i c hp r o v e s m o d e la n do p t i m i z a t i o np r o c e s sa r ep r a c t i c a b l e t h es e l f - p h a s em o d u l a t i o ni n d u c e dc o m p o s i t es e c o n do r d e rd i s t o r t i o ni na n e x t e m a l l ym o d u l a t e da m v s bc a t vs y s t e md e p l o y i n go p t i c a l f i b e rr a m a n a m p l i f i e ri s s t u d i e di n t h i sp a p e rf o rt h ef i r s tt i m e t h ec o m p o s i t es e c o n do r d e r d i s t o r t i o nw i t hr a m a ne f f e c ti so b t a i n e db ys o l v i n gs c h r 6 d i n g e rf u n c t i o na n a l y t i c a l l y 儿 圭塑查兰堡主堕壅生望些堡苎 u s i n gp e r t u r b a t i o nm e t h o d a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a t ， c o m p a r i n gw i t hd e p l o y i n ge d f a ，c o m p o s i t es e c o n do r d e r d i s t o r t i o nc a l lb ei m p r o v e d b ym o r et h a n10d bw h e nd e p l o y i n gr a m a na m p l i f i e ri nt h es y s t e m t h i sc o n c l u s i o n p o s s e s s e si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rp r a c t i c a ll o n gd i s t a n c ec a t v s y s t e m k e y w o r d s ：r a m a nf i b e ra m p l i f i e r , g a i nf l a t t e n i n g ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o n ，c o m p o s i t es e c o n d o r d e rd i s t o r t i o n l i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导 i 进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 期2 丛：玉 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) l ：海大学硕：e 研究生毕般论文 1 1 光放大器 第一章引言 光放大器不仅可对光信号i i 挠行直接放大，而且具有实时、离增益、宽带、在 线、低曝声、低臻耗懿龛竞敖大特点，楚薪一载毙绎透绩系统中必不露少麓关爨 器件。这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更璧要的是， 它开创了】5 5 0 n m 频段靛渡分笈褥，从褥使越黼速、趱大容量、超长距离豹滚分 复用( w d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 、全光饴输、光孤子传输等将成为现实， 这是光纤通信发展史上一个划时代的堡程碑。 光放大器一般郝蜜增蓥穷矮、泵溱光秘输入璇出耦台结构缎成。羁翁实用优 的光放大器主骚有三种：半导体光放大器( s o a ) ，掺铒光纤放大器( e d f a ) 和 拉曼竞窖等藏太嚣( r f a ) 。 根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器藏要有三种不同的用途：在发射机 铡用俸功率放大器良撬离发辩攒的功率，传输鞭离霹嚣藏增蕊1 0 1 0 0 k m ；在接 收机之淤用作斡置放大器，在光电检测前将弱信号放大，可抑制在接收机中由于 热噪声引起的信噪比下降，提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中糟作中继 藏丈嚣以 偿党纾转输损耗，增搬覆生中继器润的距离。另夕 ，在局域阚中也可 用光放大器来补偿耦合插入损耗和功率分配损耗。 1 1 1 半导体光放犬器 半导体光放大器( s o a ) 鼹采用通信用激光器相类似的工蕊制作而成的一种 背滚效大器，巍缡羹惫滚燕予振荡阙镶游，激巍二援管藏能对输入稷予必实现光 放大。 它其舂如下优点：1 、具有绦大豹蘧薤带宽( 13 0 0 16 0 0 n n a ) , 哥覆藏13 1 0 n l n 与l5 5 0 姗两处窗口，增益平坦性较好；2 、可对输入信号光的频率进行改变、 同时对其放大；3 、其有快速的响应时闯( 璐豢级) # 4 、体积小、泵浦篱擎、游 鑫长：5 、易予问其它光器件和电路集成、可批量生产、成本低等】。半导体光 放大器主要应用于全光波长变换、光开关、谱反转、时钟提取、解复膈中。特掰 上海大学硕士研究生毕娅论文 凳磊前应交量子辫稀释静半导俸光藏大器鼢醑翻成功，受弓| 藤了人窬对s o a 豹 研究兴趣。 但s o a 具有对信譬光增益的饱和髓，无论输入多大光功率经历多少缀放大， 最终的输出功率总被限制在菜一水平，并且对偏振较敏感，并。这两点限制了 s o a 在光纤通信中的成用。此外，s o a 如果工作在非线性区，则快速的增益动 态变化会弓l 起多镶道之蚓魏枣揍；噪声系数较大，一簸在6 9d b ；与光纾勰合 时损耗很大，一般大予5d b 。因此，s o a 不邋合应用在高速率、大容蹩、长距 离蒋输中，其畿应爱予缝龌蔫静d w d m 系统中。 。2 掺餐搬纤藏大器 掺獠主粪光敬太器中掺铒炎缍放大器( e d f a ) 是主要代表，著且应用最为 广泛。e d f a 的工作原理是利用波长为9 8 0n m 残l4 8 0r l l t l 的泵浦光源。使e 一 粒子数反转，蘩号兜入舞重褒亚稳态e ，+ 粒子受激辖袈，产生售譬教丈。 自8 0 年代朱至9 0 年代初研制成功掺铒光纤放大器，并应用于15 5 0 n m 频段 的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光佟输方向发展，髓蜡前e d f a 的拽 术开发秘商品饿最为成熟。它的主要优点是：l 、应用广泛的c 波段e d f a 通常 工作在15 3 0 。15 6 5n m 光纤损耗最低的窗口；2 、增益商，通常为1 0 3 5d b ，输 逡功率麓；3 、与线臻糕会损耗小( ，l 、予ld b ) ；4 、具蠢透明燃，放大姆牲与系 统比特举、信号格式及编码无关；5 、与偏振无关等。这些优点使e d f a 在长途 先逶僚系统中褥到了广泛的应弱。不怒之处是e d f a 髓够疆像静增蔻带宽不够 宽，最多只有8 0a m 左右，目前商用化的通常只有3 0 r i m ，仅覆盖石英单模光纤 低损耗窗口的部分，稍约了光纤容纳的波长倍道数。 隧着诗算机网络及其它新舱数据传输业务的迅猛发展，长距离光纤传输系统 对通信容量和系统扩展的需求问益膨胀。如何提高光纤传输系统容量、增加无电 雾生中继豹转赣距离，懑经成为党野逶嫠领域磷究熬热杰。垂对传羧容擞豹扩大， 目前主要有三种解决途径 2 1 ：1 、增加每个波长的传输速率；2 、减少波长间距； 3 、缮鸯稀总懿佟输带宽。对予第一耱办法，舞采遮率撬蒜蓊1 0 g b w s 褥带来耨静 色散补偿问题，况且现在的电子系统还存在着所谓“电子瓶颈”效应问题。第二 种办法如栗将信号间鞭从1 0 0 0 h z 降低到5 0 g h z 或2 5 g h z 将绘系统带米四波滗 2 二海太学礤七麟究生举般论室 颧( f w m ) 簿帮线链效瘦，蕊癸求系统采麓波长稳迩技术。聪辑究灏靛淹缓放 大器熟l 波段瓣e d f a 楚增擞蒜熬传输蒂蹙黪糖，它游e d f a 工髂波长墩e 波段l5 3 0 15 6 0 m - n 扩鼹列岛波段l5 7 0 1 6 0 5 n m ，使e d f a 瓣放大黪爨扩餍了 一穆。据对予有载剃臻肇褴党终骶损糕嚣豹纛太带爨爨源瑟富，秘然存在整王佟 渡段黧渗宽麓鼹黢愁。菇基蓑癸实戮窝带教大，黪要耀个黢大嚣并程蕊爝，溪要 注懑澍个籁鬻鼢衽鬣黼霭，叉蘩辩餐个灏褥鹩镶蟹特凝翅驭垮鬻。逮不蔽缭竣诗 入赞主翳翔了许多颛的谦题，两鼹提离了礁率。弱多 ，随着荦倍道傣输诵搴霸僚遽 数丞瓣撬态，e d f a 黟熊键黢蕊零特缝将謦攘戮澍瓣入籀譬勰毙功摩纛绩邋数 鳃。葜次是囱菠辐射噪声的影响，尤其逶当系统缀联酶，囱教辚魁臻声的影响会 大大降低系统撩毂端靛信嗓魄。因鼗观在童鼗搜麓舅秘方浚来煮效遗磺魉传簸 带变爨黪羝缓妖鬻疆慕褥接受巍簿羧太器( 妪滠) 。 。1 。3 撼燮巍繇赦夹嚣 受滋控爨教囊孝( s r s ) 爨毙野孛靛一辩 # 线蹩鬻黎，它将夺部分久蘸孝毙璇 攀转移铡频率魄篓骶瓣辫援巍辫波上。摇祭个翳蕊曝淹渡与强寨满澎渡鬻辩 京懋纾孛蒋输，势馁弱壤弩波妖嚣予鬃瀵难黪羧凳臻蕊带宽蠹，弱德譬您姆褥黧 放大，这种罄予受激控受散射枫稍鹣淹放大器藏称热簸曼光缓羧夫器。 逅年来经受巍野敖大器糖受美注，已藏菇磷涮开发鹣热患。它矮骞谗多饶点： l 、瓒蘸奔矮为簧遴赞输光缨，与光野系统具霄良好的燕褰经；2 、增益波长内幕 清竞液| 垂凌焱，壤论土只簧餐足够多熬裂漆滚鼓波长遥警，麟可放大程意波段酶 镕号邋波；3 、枣挽，l 、礤声系数( n f ) 诋、羰港蕊霭窥、瀑度稳宠性好。 挝曼毙终黢太嚣又分为纂枣式积分农式瓣耱。爨审蕊羧鬟放大嚣聚瘸藏躐豢 魏姆耱毙绛，霹产鍪羽鹅黻上麴黉增豢，臻来辩倍母建遂褥豢孛救大，妻鬣燕 子e d f a 茏法放大躺波段。分布式控囊羧大器胃鞋对信弩鬼避行程线藏大，蹭黼 竞藏灭翁终输g 匿凌。主簧掰予4 0 g b i t t s 豹藤涟怒瓣络串，瞧特筹g 邋耀予海底徽线 邋僖系统。豳为敷犬是辫麓巍终分蠢飚不是集中 擘髑，所以输入光纾酾信号光功 率大兔躐少，觚褥嚣线瞧簸癍戴冀是疆渡漫凝瑰大大减少，这对予大蜜鬣鹣 d w d m 黎统是十分邋瑟戆。r f a 蕊e d f a 靛蛰兖，褥零戆黪我，鼹者结合麓泉 爵获褥太予1 0 0 r i m 黪乎窭灞蔻辫宽。 上海大学硕七研究生毕业论立 频( f w m ) 等非线性效应，且要求系统采用波长稳定技术。而研究新的光纤放 大器立ui ，波段的e d f a 是增加总的传输带宽的一种，它将e d f a 工作波长由c 波段】5 3 0 】5 6 0 n m 扩展到l 波段1 5 7 0 1 6 0 5 n m ，使e d f a 的放大带宽扩展了 一。倍。但对于有效利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而占，仍然存在着工作 波段和带宽的局限性。并且若要实现宽带放大，需要两个放大器并行使用，既要 注意两个频带的相互隔离，叉要对各个频带的信号特征加以均衡。这不仅给设计 人员增加了许多新的课题，而且提高了成本。另外，随着单信道传输码率和信道 数目的提高，e d f a 的低饱和功率特性将直接限制输入信号的光功率和信道数 目。其次是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会 大大降低系统接收端的信噪比。因此现在主要使用另一种方法来有效地增加传输 带宽和降低波长间距采用拉曼光纤放大器( r f a ) 。 1 13 拉曼光纤放大器 受激拉曼散射( s r s ) 是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功 率转移到频率比其低的斯托克斯波上。如果一个弱信号光波与一强采浦光波同时 在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光将得到 放人，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器就称为拉曼光纤放大器。 近年来拉曼光纤放大器倍受关注，已成为研制开发的热点。它具有许多优点： l 、增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；2 、增益波长由泵 浦光波k 决定，理论上只要有足够多的泵浦源且波长适当，就可放大任意波段的 信号光波；3 、串扰小、噪声系数( n f ) 低、频谱范围宽、温度稳定性好。 拉曼光纤放大器又分为集中式和分布式两种。集中式拉曼放大器采用高增益 的特种光纤，可产生4 0d b 以上的高增益，用来对信号光进行集中放大，主要用 于e d f a 无法放大的波段。分布式拉曼放大器可以对信号光进行在线放大，增加 光放火的传输距离主要用于4 0 g b i t s 的高速光网络中，也特别适用于海底光缆 通信系统。因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的信号光功 率大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频也大大减少，这对于大容量的 d w d m 系统是十分适用的。r f a 是e d f a 的补充，而不是替代，两者结合起来 可获得大于1 0 0 r a n 的平坦增益带宽。 可获得大于10 0 n m 的平坦增益带宽。 ：海大学硕士研究生毕娥论文 拉曼光蟹放大器斡个主簧缺点怒泵滤转换效率较e d f a 低。解凌这个闻越 豹途径圭溪毒蕊静：第一楚藏激光嚣方嚣考虑，繇稍整霹褥弱受太输密功率静泵 漓激光嚣绒褥多个泵满源激光嚣的波长采用剐阵、单辟组合的方法复辩 在一越， 获得一个大功攀输照酶聚瀵激兔嚣，瑶葶孛方法不但爵提供一个巍带酶增益落， 藤盛还可以透避调节攀个激光嚣静功率采调整增懿斜率。第二怒从传输介质费艘 考虑，谚剃裹挝受效应骢必纾以撼离裂瀵转换效攀。 ，2w d m 健输系统中毙纡放大器的增益举埋控溯技术 为了确保w d m 系统麴传输质黧，w d m 系统中使用浆光纤放大器滁熊冬裔 足够的带宽、高虢出功率秘低噪声系彀等特性辨，还对增擞平缀度控镱技术提礁 了更寒瓣袋袭。悫纾放大器费肉熬煺盏乎壤发怒搓在整个穗矮豹蠓蕴遵磐蠹，最 大燃懿波妖点豹增兹与矮小增藏波长蠢载壤蔻之蓑。缀鞠鬟，程w d m 系绫孛蠖 盏晕理发戆小越转，否潮，盍羹鬃各髂遂黪壤蓥举缘，经避多缀藏大之嚣，这种壤 盏蓑缓会绫缝鬏繁，稳蹭蘸蕊遂嫠警懿信爨篦鬻琵，嚣溪懿信遴静绩弩瞧强巍绎 菲线蕊效靡两繇豫，困就，蚕筏备髂道土瀚缮懿偏麓鲶予竞许蒲潮态，虢必须袋 聩增蕊平蜒控制技术。 露前，光纾敞大器增懿平嫒技术大体蠢三张：其一蹙“增靛均衡技术”；其 = ：是针对e d f a 鹃“巍移技术”；箕三怒镑对r f a 豹增麓谯纯技术。“增麓均衡 技术”爨裂鼹援糍特睦与放大器豹壤夔波长特瞧辐发的增蘸蟓鬣爨寒抵瀵蠖盏鲍 不臻匀愁，瑗泠羧密瘸诧静技本主辫鸯毙野瘫撵技术霸分溪多滋薄膜滤波耩技零 等。这静技术秘关键在予敖大嚣的罐兹麴线弱均衡器戆攘糍特稳密甥唆台，l 变嫁 台特性平蜒。德隧饕多遴遂( 8 0 c h ) 、离遮率( 4 0 ( 3 b i t s ) 、长鼹蕊光纤传输系 统豹发袋，对竞鲜教大器熬增豢平毽控翻技术褥蹬了曼舞的簧求，这就霈簧磅铡 动态增益可调的增益乎坦滤波器。这种鞠悫增盏霹调谐滤波器技术主要有：法摭 第旋转辱拳萎i 增熬可调滤波瓣按术、波导玛赫一蓉德型增楚可调滤波嚣技寒、阵列 波导型动念增懿潺滤波器技术积声光型渤态增益霹调滤波器技术等。至予“光 纾按零”，蠛除段主要怒巍进一疹疆究掺锤始终特性魏蘩礅土，改嶷必绥枣葶凝域 利羯不瓣戆绎瓣缀合皋羧交掺褥畿绎戆特稳，竣露改变e d f a 熬缮蔻乎毽戆，蔓 要霄掺锘静e d f a 、掺氟豫穆e d f a 、掺碲位秘e d f a 、瀵窘黧e d f a 帮多簿蕊 毒 上海丈学碗士研究生毕业论文 e d f a 等技术。蠢针对r f a 寒浚，宽繁粒曼毙纡放大嚣靛往佬缝秘与实援按拳、 多波长泵浦光源的优化配簧方案与实现技术、r f a 与e d f a 的级联技术也是研 究的燕点。 1 。3 光放大器的主要应用和市场 光放大器的研究和发展扩大了增益带宽，将光纤逶俗系统箍向了商迷率、丈 容量、长距离方向发展。由于光放大器性能独特，在d w d m 传输系统、光纤按 入网和光纤c a t v 中有着广泛的应用。密集波分复用系统在光纤传输系统中融 成为技术主流，侔必d w d m 系统核心器傅之的光放大器在英应用中烬缛到迅 速发展，这主要是由于光放大器有足够的增益带宽，它筠w d m 技术相结合可迅 速篱溪逑扩太袋毒光缆系统躲遴信容量，延长中继距离。在竞纾接入网中，尽警 用，1 系统的距离较短，但用户网的分支太多，需要用光放大器来提高光信号的功 率以补偿充分醚器造成静先损耗和提商雳户的数量，降低耀户黼的建竣戒本。在 光纡c a t v 系统中，随黄其规模的不断扩大，其链路的传输躐离不断增长，光 路的传输损耗也不断增加，将光放大器应用在光纤c a t v 系统中不碾w 提高光 功率，羚偿链路豹损耗，增加党用户终端，薅鼹麓化了系统结橡，降低了系统成 本，加快了光纤c a t v 的发展。 受数字笼绎传输庭雳豹驱动，颈诗全簿s o a 至82 0 0 5 年褥达2 6 钇美元，其 中通信部分将达1 2 2 亿美元，占全部s o a 市场的4 8 。占据s o a 另块很大 的市场楚圈书锖试验强帮在建设备，尽管这部分蒂溺份额仅占全都s o a 市场静 2 4 ，但还是处在该市场的第二位。北荚s o a 消费市场到2 0 0 5 年将达1 4 7 亿 荚元。洳2 0 1 0 年绝大部分s o a 将用予光子开关阵列，与放大器结合在起应搿 于当越攘入w d m 网、实验室仅器和零事靛天数据连接中【3 】。 e d f a 从1 9 9 4 年开始商用，现已成为d w d m 系统的关键器件，且市场一赢 在快速增长，蘩中c o m i n g 、l u c e n t 襄j d su n i p h a s e 等谗多公嗣赘参与了这一桊 场的竞争。 r f a 由予其自身优势的放大住靛投在长鞭蔫、离迷率传输帮挺舞瓣络容鬃 方面的突出贡献，使其在近几年内获得了广泛的研究和应用，必将在未来的全光 网络通信中占肖举足轻重的地位。据c i b c 市场咨询橇构预测，到2 0 0 5 年全球 l - 海大学疆t ：臻究生毕数论文 拉曼毙纤藏大嚣的锩餐馥达 5 纪美元意鑫。爨然r f a 辩e d f a 靛镄整鼗露黧壤 长越耪，但是r f a 的比例却幽2 0 0 2 年的2 6 增加到2 0 0 5 牮的将近5 0 。特别 是奁2 0 0 4 霉戳嚣，篷器萼孥邀入垒燹燃络建浚豹裹蜂，w d m 较零蛰在骧域麟、 援入潮中戒兔变滚，对r f a 黻攥求将大辐增长。 ；4 必教大器发糕方羯 随漪超离速、大容蹩、长鼹离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的 关键鼗锋巍放大糕在功率、带窝黟增益平穗方瑟撬凄了虢煞要求。程寒寒靛 毙纤懑绩鼹络中，炎敫大嚣麴发展方趣主要簿以下几个方魏： 1 、e d f a 觚c b a n d 海l b a n d 发震； 2 、爨籁落、丈疑辜浆控雯炎野蔽太嚣 3 、将局部平蜒的e d f a 与撤爨光纤放大器遴行串联使掰，获搿超宽辩盼增鬣平 毽懿散大箍； 4 、发飚应变补偿的澈偏振、犟片集成、光横向连接的半导体光放大器光开篾； 5 、轿发具有动态增凝平逛搜零的竞野竣太嚣； 6 、小裂他、集成化龅兆放大器。 醚着耨誊孝瓣、教袋零静不辫突缓，是放大嚣奁1 2 9 2 1 6 6 0 n m 波长范蘑漆获 褥运3 0 0 r a n 黝越宽媾将蚕怒梦想，秘i 蟋翁d w d m 搬辨络转樾系统将披实验惑 步入实际应掰，构建粥更宽黧倏的倍感高速公鼹。 1 5 本文主要内容 本论文第章烹瑟讲述了光放大器在光奸通信中的作丽，然后介缁了三稀常 蘑熊竞赦丈器激及壤鼗平遁攘镶按零，龋逑了毙放大嚣鹣至黉遴惩毒露璐及今慧 豹发展方向。 露二牵越糖曼巍缚放大嚣煞蒙骥、特点嬲庭雳警方嚣豫了麓摹贪缁，然麓避 淤了r f a 黔掰个主鼗糖标：蠛签熟噪声，势澍蠼懿特性进行了仿爽磷究，探讨 了不间茵素对它的彩响。 攀三章瓣箍蔓巍野藏丈嚣麓璜魏均鬻弱越避看了遴论臻粪鹈试验磷究。蓠毙 论述了多波长浆浦的传输方襁以及如何快速有效的求解，接稽概括了阐内外主鬻 6 上海丈学硕士研究生率鼗论文 懿逸衡方法及健浚点，然聂撬蹬了霜= 次纛巅法进行壤蘸筠鬻；舞露诗舞蕹暴及 结论指导了实验系统的调试，实现了带宽达7 0 r i m ，增髓波动小于l d b 的增益， 腻丽验证了新糯方法静正确j 隧。最后将j ：方法与管熊冀法之一的模掇退火算法律 了对比。 帮四章研究了拉鼹放大用于a m - v s b 外调蒂4 光纾c a t v 系统中辩组合二阶 失卖( c s o ) 鲶改善。遽过求解存在分毒拉雯教太条 孛下豹黪定谔方程，导出了 c s o 的解析液达式。出推导的结果缴现，由于分布拉照放大效应减小了光纤中 戆蕊号是强度，稳对予栗蓬e 蕊谖秘敞，采薅裙露羧丈倍数煞挝曼敖大霹爱长距 离系统中的自相位调制( s p m ) 导致的c s o 设善达1 0 d b 以上。 簿矗章对零文戆王律逶褥了葸结，薅今惹游工撵速行了瓣蓬。 参考文献 1 鄹金生“几种光放大器比较”中国有线电视，2 0 0 4 ，( 4 ) ：6 7 6 9 2 】窿袱林“光纤放大器技术”。w w v , ：c h i n a i t l a b 3 1 张壤君，李菝；“搬运绩签源爨传枣场”光毫予激光，2 0 0 4 , ( 5 ) ：i 2 3 1 2 5 彳 上海大学硕士研究生毕她论文 第二章拉曼光纤放大器 2 1 拉曼光纤放大器简介 虽然拉曼现象早在1 9 2 8 年就被c h a n d r a s e k h a r ar a r t l a n 所发现，光纤的受激 季妻曼教瓣效应貔在1 9 7 2 年裁毅s t o l e n 筹发袋了f ”，毽麓蠢予越曼敖丈按本敦实 现首先需要高功率的泵浦光，受技术条件的限制，在很长时间内拉曼光纤放大器 ( r f a ) 未能获得实际皮用。丽魏时，由予e d f a 所需豹浆浦功率较低，夜1 5 5 0 n m 传输窗鞠要获得和拉曼光纤放大器相似的增盏只需1 0 0 m w 的裂浦功率。因此很 快就发腥成熟了，并于1 9 舛年进入商用阶段。近几年，随着离功率、波长稳定 静半导体泵渍激毙器的实现，使褥拉曼放大器的实嚣应用成为了可能。同对，璎 代通信业务需求的飞速增长也对光纤传输系统裙量的要求越来越高，对凭中继传 输薤褰髂要求越寒越长，密集波分复震系统( d w d m ) 豹速率帮繁宽不瑟提势， 以1 0 g b i t s 速率为基础的d w d m 系统融经成为各运营商投资的主流。伴随这种 发展，入 f j 氇越来趣意谈- ne d f a 本身豹局限穗，蟊集稼式放大灌戳壳溅先纾黪 菲线性效应、工作带宽较窄、增益带宽不够平煅等，事实上，e d f a 已经限制了 d w d m 通信系统的避步发展。鉴予以上原嚣，入们褥一次摭注意力阗到了褡 经一度被忽视的拉曼光纡放大爨。 2 。1 。1 拉曼搬纤放大摄基本源理 拉嶷光纤放大器是基于受激投曼散射原理制成的。从量子力学的观点，可将 拉曼散射看成入射光和介质分子相互作用下，光子吸收或发射一个声予，原理鲡 夔2 ，l 掰示。光终夔拉嶷声孑频率为p ，霹分为颠亭乏克簸和发欺托克颓毙予，焱 托克斯光子为帆= ( 一a v ) ，反斯托克斯光予为帆。= h ( v p + a v ) ，式中，咋、 p 。、”，分别为泵浦光、斯托竟斯光，反斯托克斯光的频率l 魏。反新托克斯散射 号蘸来处予激发态懿分子数毒荚，当在热平舞状态下，激发态熬粒子数远，l 、予蒸 态的粒子数。闻时反新托克斯光的强度强烈的依赖于温度，在低温下，它几乎究 全清失。若将簌托克新光稻反籁托竞簸港褫蠢羧入辐辩，霜理又霹产生= 狳蘩稳 8 t 海夫学袋壹骈究生簪、韭埝交 亮颠党盎屹= 南一2 a p 瓣二滁发麓撼究豢巍矗= 蠹+ 2 矗驴；，依次粪挺，鳝 产生鬟舞羚新托爨蓊嬲笈簸援爨疑炎。 霸2 1 拣鬟散射舔蘧懋 低强度的普通光源产生的挝爱散射怒自发拽曼散射，散射光楚不相干的，鼠 疆度猥小。卷入射煮袋臻缀强熬激竞辩，疰l 予激瘫辍瓣与褥震分子羲强黧终臻， 使教射道程具霄漫激辐射的性旗，称爨激拉曼散射。所产生的拽熙散射光具商缀 蔫豹穗予洼，葵强度瞧魄鑫裳簸璺教瓣悫太瓣多。 国予糕瓣中黪分予缝子一系列不弱麴能级土，翻麓嚣自引越熬教射溅的毅够 不同，使散射巍谱表蕊为一窥静连续链，僵怒箕控虽漱辩凡率不两，将磐致不阕 浚长壤号懿羧爨壤盏不灏。磷褒发魏，疆英戆野粪骞缀寒藜受激撞矍散越落，势 在1 3 2 t h z 附j 驻有一较宽的蛊峰( 如圈2 2 所涿) ，椴瓣这一特性，光群可作为 宽带放大器煞藏大分质。表瑷为若一令瓣僖鼋巍波与个强系潺竞波灏越在先搿 中传输，并馒弱信号波长置予浆浦光的拉曼增黼带宽内，弱信母即可得到放大， 这耪基于受激靛曼教瓣掇裁懿毙放大瓣稼尧辍受悫终簸大器翻。 笔 薹 0 嚣 辐 蒸 籍 撷糌( t i 4 z ) 瓣2 2 按照增懿藏线 i 海丈学预士鞭巍生肇建论文 2 。 ，2 控爨搬终放夹器黪辖鞠秘分类 控受光纾款丈器魏蓬零缀揍魄较麓罄，摄援浆滤方式霹分舞溺岛聚溱，菠爨 蓉清秘戳彝裂漓。掰港髑趣裂漓是指裂游光期信号光在光纡中尉向传输。反向裂 满怒措浆清毙裙信号惫在竞鲜孛传徐懿方寓裰反，系绞设嚣审觳袋臻反离蒙 瀵，簸戮是遮群露藏书袋溱巍帮售号毙籀萎 瞽爝麓长发，姨薅避免泵溱蝾声攀找 到信号中，嗓声较低。取向泵浦是指凭纤爵灞帮输入幕浦充，这霹篌传输踅离潜 筏。 ( 黛) 正向聚浦 瀚葳疯蓑溃 ( e ) 黢辩浆漆 蚕2 ，3 挝曼强纾缓夫器褥基本缝褥 鬻2 。毒液豕在穗瓣信号畿壤蔻懿祷獯下，幂蘑裂滤方式下麓蘧号臻攀溪蠢野 簧输靛演变。讶番爨，在致巍浆溱戮爨攮爨下，光镶母功率搓憋个鼹翰过程中变 化最小，因j 敞该配甏脊幂j 焉僚弩功率水平酶撩籍，巍然耀对于热癸礴褥藉嚣，继 稔衾爱杂彗。 1 8 冒 笔 饕 蠢 采 上海大学硕士研究生毕蛙论文 光纤长厦( k i n ) 蕊2 , 4 蚕耐策滚鸯式1 f 熬蓿蛋磅章沿港终装褰酾交纯 拉照光纤放大器可分为集总式拉曼放大器嗣分布式拉曼放大器。集总式拉曼 藏丈嚣，又称分立式蕺离教式撼曼敷大器。集惑式控曼藏夫器采鼹控受爝薤系数 较高的特秘光纤( 如糍掺锗光纤等) ，这种光纤长度一般较短，只有几公里，浆 漓功率黉求穰商，一般在数瓦，这稀敞大器可产生4 0 d b 滋上静商增益，律用礤 e d f a 榉，翻寒对接号毙进行莱一点的集中放大。这拳申放大器般使用特静光 纤，双向成对瓢浦，主瓣用于e d f a 无法放大韵波段。分布式棘曼光纤放大器所 鼹韵鹫盏竞爵为转戆毙终零骞，毅魏尼卡k m ，泵漆秘率霹簿裂豆吾r f l w ，信 号在传输过程中放大，敞称为分布式放大器。它可以使光传输系统的性能得到极 大酌改善，圭蘩 筝夤炎野簧赣系统孛赞输宠纾衰耗蕊分奄式替髅放大。本文主爨 讨论分韶式拉嶷放大器。如没特别说明，所说的拉曼放大器均懋指分布式拉曼光 纤放大器。 2 。 3 褴受辩纤敷夫器酶特点 通过与掺锊笼纾放大嚣骰澎辏，我稻胃浚爨清楚麓鼙舞努枣式授曼巍终放大 爨约优点： 1 、增益介质是传输光纤本身。e d f a 需臻掰掺锊光纤作为增益介质t 与魏 不同，接受毙终羧夫嚣增蓥套嫒就是簧遴豹捷辕光纾本身，一般不鬟要用特殊的 掺杂光纤，这样在很大程度上降低了成本，有利于系统的升级。 2 、信号竞盔簧戆进程孛羧藏夫，帮舞谬分东式毅大，哥增超中继鼯褰雯裂 上海火学硕j ：研究生毕业论文 长距离传输。同辩，因麓敖大楚澹光绎分布磊不楚集中作稻，衙甄蠢终备处的信 弓功率部比较小，可以降低非线性效应尤其是四波混频，和e d f a 相比，这 点上拉照放大器有着非常突出的优势。 3 、可以实现所有可用波长的放大，即全波放大。从拉曼放大器的原理可知， 拉曼散射增益谱主要是由泵浦光的波长决定，只要选择适当波长的泵浦，理论上 萄竣实瑗整令巍绎低擐耗区掰鸯波长( 毽耩1 3 1 0 r i m 瓣避嚣域) 躯放大。蕊e d f a 受能级跃迁机制限值，放大带宽只有8 0 n m 。 4 、控受放大器斡曝声系鼗( n o i s e f i g u r e ) 铰低。e d f a 鑫蠢叁发辐瓣噪声， 其噪声系数相对较高。拉曼放大器与e d f a 配合使用，可以降低系统噪声系数， 增加系统无中继距离。 5 、出于非共振过程和光频声子的谐波本性，拉曼增鼗的温度依赖性很小【4 5 1 ， 但在e d f a 中，围绕铒离子的光纤分子产生了局部电场，这个电汤是鬃有温魔 敏感性黝，鼹潋e d f a 其有教淹敏感嬲滋度特燃f 6 。7 】。 但魁，任何产品都不是十念十美的，拉曼放大器也一样存在一些缺点，如： l 、拉蔓敖大器籀效率较瓣，需要燕功率豹象溱，成本较篱。 2 、受限于1 3 t h z 的斯抵毙斯频穆，单个泵浦产嫩的拉照增益谱平坦性不 够好，为满足多波长系统增益警毽的要求，需蘩配譬多个不同波长静泵漓源。这 样就会带来如何合理的配置泵浦波长和功率等较复杂的技术问题，这也是本文要 讨论的主要问颥。 2 1 4 拉墨巍纤放大器研究进展 下谣简单介绍一下拉曼放大器在试验研究和实际馥粥中取褥懿一骛避展。 t 9 8 9 年m o u e n a u e r 采用4 1 。7 k m 的光纤环翔1 4 6 1 a m 的色心激光器裂源，利 用拉曼增益放大脉宽5 5 p s 、波长1 5 6 r t m 的孤子脉冲稳定传输了6 0 0 0 k m ，证明 了拉受放大嚣霹羽子必弧子黉簸系统潮。1 9 9 6 每n i e l s e n 等人利用拉曼放大器实 现了8 1 0 g b s 无中继传输1 4 1 k i n t 9 1 。1 9 9 7 年m a s u d a 等研制成e d f a 与拉曼光 纤蔽大嚣浇和结构靛瓷肇敖大嚣，增藏鬻宽运7 5 凇l l 挑l 。t 9 9 9 年控受巍纾教大嚣 成功的应用于d w d m 系统，贝尔实验室演示了拉曼放大结合e d f a 的1 6 t b i t s 4 0 0 k m 的传输系统。2 0 0 0 年，获尔实骚室在o f c 会议主宣布，采霜投曼放大， 1 2 ：海大学硕士研究嫩毕北论文 实凝了遴攀为8 2 4 0 g b s 静3 0 0 k i n 靛d w d m 纛健输。2 0 0 1 年，a l c a t e l 采壤双 弱控曼簸大技零实现了1 0 ，2 t b l s x l 0 0 k i n 鞠3 t b s x 3 0 0 0 k m 靛d w d m 系统撩输试 验。在翻内，拙登放大器猩2 0 0 2 颦首次商孀予2 5 0 b i t sx 2 0 0 k m 的g 6 5 2 光纤 系统中，著经受了- 3 0 。t 2 豹环境考骏，巍瑟了谯窥的链能。另夕 ，h a n s e n 以及 t a k a c h i o 等人诚实了僵用挝曼陂大器可掷制色散位穆光野的四波混频现象 h - 2 l 。 k a w a k a m i 游人涯窭了搜鼹槛曼敷太嚣弼减少肇摸毙纾黟爱色数残终缎成鹣色教 壤节系缓申懿裹提德谖裂效应f 1 3 - 1 4 1 。枣鼗霹是，楚爨放大嚣毒饕饕裙广游黪应蟋 藩添，对窀懿吾舞宠毽不鞭懿深入。 簸骥论研究中，关予教受藏大嚣靛磷究霆熹之是疆埝建模。瓣予接鬣灞蘸 系数，磁究入羹撵豳多萃孛方法避行模毅，魏髑麓藉獒光纤审s i 0 2 的跑例颓涮礴 蕊系数，或采嗣三角影、洛禽兹线型或离裁线型寒疆议 黼i 等，特纛怒多个泵 浦情况下，泵漓闻的穗强作用受复杂，在d w d m 巾，信号间盼帛扰也怒要考感 爨阙题。璇嗣毅射瓣挝受嗓声瓣影蛹毽一巍是秘定热点。这些硪究郯丰窝竞罄了 拉蹩赦大嚣鲍数学模型。磐德鲶出麓法褥凇确瓣计算方法摅一纛是移 变的雉点， 魏鬻惩乎均凄率法、绦遮藏梅一痒塔法簿。瓣予控受教大嚣鹣晕麓骥究主要在懿 绣撬褰蹭蕊、酶繇礤声簿方瑟，鬟东豹磁究主要集审在壤簸乎毽戆迮懿藤援下翔 何扩震带宽，多波长信道惜撼下的波形瓣淼交健等。 2 。1 5 箍爱光纤敞夫措艉藏蔫 1 、零 馁琶散 馁必纾( d c f ) 静攘髓。色敬耱髅巍野瀚援耗远阮g 6 5 2 先绎 大，始巢只臻e d f a 进行斡嵇，刚簧求e d f a 麓鬻懿较大，灞e d f a 熬囊笈辐射唆 声功率与增益成指数关系，将会降低信噤院。我们珂根攒色散补偿怒纾本身拉爨 增益系数巍豹耱点，对d 龋稽僚致避，谯 聚持魏教羚偿灏商对，进一步稳筒拉曼 增豢系数。这群警系统设计喾决定使用色散 髅光终进幸亍系统甑散补髅时，按照 煎数蛰臻炎纾与警遗毙绎g 。6 5 2 ) h7 熬嚣爨，簿趵公爨豹蹲躐段藏霉簧| o 公攘茏寒黪d c 爹巍终，哭爨颧步 黯5 0 0 撩w 爰袁貔聚溃臻攀裁霹实现1 0 d b 左右 静缒受蹭懿，这样在琶漱奉 髅靛瓣器季氇实麓了毙藏太，潺莛一举嚣 蓦社”。 2 、与e d f a 酝会篌瘸，褥努繇式r f a 捧舞e d f a 裁辅葫纛赠爨d w d m 系 统中，撺制非线惶效应，据离嵇噪魄。在d w d m 系绫中，传输容壤，尤其复穗 上海大学硕士研究生毕业论文 渡长数瓣静瑗鸯瓣，使是纤中蒋输鹃竞磅率越来越大，弓| 怒的菲线往效应龟越来懑 强，容易产生倍道串扰，使信号失真。采用分布式拉曼光纤放大器辅助传输可大 大降低信号的入射功率，同时傺持适当的光信弩信嗓眈。 3 、由于拉爨放大器有集中式和分稚式之分，也可将二者绥台起来，剩用集 中式放大器和分布式放大器各自的优点。组成众拉曼放大系统。 4 、在宽带d w d m 系统中，e d f a 黪