光纤放大器喇曼放大器.docx

第一部分：光纤通信的历史光通信的历史可以追溯到我国3000多年前的烽火台，但是它并不是真正意义上的光通 信应用同轴电缆和微波的电通信系统在20世纪70年代前得到了较大的发展，然而电通 信系统有着容量上限的缺点，到1970年之后容量基本就没有了提升在1966年，“光通信之父” K. C. Kao提出了光纤通信这一概念之后，1976年美国 亚特兰大成功地进行的44.736Mb/s传输10km的光纤通信系统现场试验，为光纤通信的 实用化奠定了基础随后石英制光纤材料被研制出了到了 1980年，多模光纤开始投入商 用，单模光纤通信也开始进入现场试验1991年，第一个DWDM系统诞生，此后波分复 用器、光放大器和光纤激光器等技术都日趋成熟到目前为止，已经有五代光通信系统相继投入使用随着光纤材料从多模发展到单模， 光纤损耗的进一步降低，传输速率的增加，传输容量的加大，中继距离的增长，光纤通信系 统发展到了从1996年至今的第五代其主要特征是光纤激光器和光纤放大器的大量使用， 以及DWDM系统的迅速发展光纤通信的优势目前广泛使用的光通信方式是利用光导纤维传输光波信号的通信方式这种通信方式称 为光纤通信。

光纤通信工作在近红外区，其波长是0.8〜1.8以m，对应的频率为167〜375THz 光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔光纤通信的载波是光信号，其传输介质为光纤，这是与其他通信方式最大的不同其优 点如下：(1) 容量大用于通信的光信号的频率非常高，而带宽正是由光信号的频率所决定的因此光纤可以提供 比任何已有的传输介质都宽的传输带宽而且由于其横截面积窄，因此信息密度非常高2) 损耗低用于光纤通信的石英单模光纤在 1360nm处的损耗仅0.35dB/km， 1550nm处的损耗仅 0.2dB/km低的损耗可以减少中继，提升信噪比，对于简化系统、降低成本和提升性能有着 重要的意义3) 体积小光纤的外径仅125 g m，由其制成的光缆外径约11mm〜13mm，而标准的同轴电缆的外径则 至少有40mm因此光缆更易敷设也更适用于城市拥挤的管道中4) 抗电磁、保密性光纤中的光对电磁干扰不敏感，强电、雷击等都不会影响系统的传输性能而且由于光纤中 的光几乎会向外部泄露，因此其保密性也非常的优良光放大器简介光放大器简介光纤通信系统的传输距离是由光纤损耗和色散所限制的，传统的光纤长途传输系统需要每 隔一定距离就增加一个再生中继器以保证信号质量，这种再生中继器的基本功能是进行光一 电一光的转换，在光信号转交为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅 度，然后再将电信号转换回光信号.这种方式存在许多缺点，其结构复杂，费用昂贵。

系统 稳定性和可靠性不高，特别是在多信道的光纤通信系统中更为突出，而且使系统的传输容量 受到一定的限制.为了适应光纤通信向高速率、大容量、长距离的方向发展，20世纪80年代出现的光放 大器(OA)是光纤通信领域的一次革命.光放大器能对光信号进行直接放大，具有实时、在 线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明等优点使整个系统更 加简单灵活，它的出现和实用化在光纤通信发展历史上具有里程碑意义光纤拉曼放大器优缺点光纤拉曼放大器优缺点光纤拉曼放大器优缺点光纤拉曼放大器优缺点与其他光纤放大器相 比光纤拉曼放大器具有以下几个突出的优点：(1) 拉曼放大是一个非谐振过程，增益谱响应仅依赖于泵浦波长和泵浦功率，只要有合适 的泵浦光源，就可得到任意波长的拉曼放大2) 和大多数介质中在特定频率上产生拉曼增益情况相反，石英光纤中的拉曼增益可在很 宽的范围内连续地产生，因此可用作宽带放大器3) 通过合理选择泵浦波长，可以精确地确定拉曼增益谱形状和增益带宽，在补充和拓展 掺铒光纤放大器的增益带宽方面表现出极其诱人的前景4) 光纤拉曼放大器可与其它如掺铥光纤放大器(TDFA)、掺错光纤放大器PDFA)等级联， 产生宽带、平坦的增益，可用于超宽带波分复用系统。

当然，FRA也有其缺点：(1) 泵浦效率较低：光纤的拉曼增益系数很小，在泵浦光将能量转移到信号光的同时，在 几十公里这样长的传输光纤上也有很大一部分能量同时损耗掉了另外，较高的转化效率将 会使得泵浦介入噪声变大，也限制了效率的提高；(2) 需要高泵浦功率；(3) 具有很强的偏振依赖性，这就增加了成本和系统实现的复杂度课题研究内容及意义本课题的内容集中在非线性效应对光纤通信的影响及应用的研究方面本论文主要开展了以下几个方面的研究工作：(1) 本文总结了光纤中的非线性效应对光纤通信的影响及其在光纤通信的应用，进一步研究了光纤中的布里渊散射原理及受激布里渊散射(SBS)的阈值特性并进行了两种G,652B和一种G,652D单模光纤的SBS阈值测量实验，得到了 与理论估算值非常吻合的实验结果其中，在大功率窄线宽光纤激光器作为光源 的条件下，测得G.652D光纤具有高达12mW的SBS阈值此外从三种光纤SBS 阈值的不同之处分析了光纤结构及掺杂浓度对SBS阈值的影响2） 从喇曼散射的原理出发，对喇曼放大的原理及其应用进行了分析，提 出了基于喇曼组合放大的带FBG光纤喇曼激光器长距离传输系统，即利用两级泵 浦光产生的喇曼效应，对信号光进行喇曼组合放大，就是在FBG对形成的谐振腔 产生的激射光对信号光喇曼放大的同时，也利用抽运泵浦光信号光喇曼放大，能 更有效地利用泵浦光，来获得更高的喇曼增益以实现长距离的带增益钳制光纤传 输，对此系统的理论模型进行了分析；为了对系统的模拟及测量更加准确，我们 采用开关增益法对实验所用光纤的喇曼增益系数进行了测量，分析了测量原理， 对实验数据与文献值进行了比较。

3） 分析了喇曼放大器的性能参数，实验搭建了于基于喇曼组合放大的长 距离光纤传输系统，测量了该系统的开关增益、自发辐射（ASE）噪声、噪声指数 和在光纤长度上的光功率分布等，从系统理论模型主要讨论了泵浦方式、光纤长 度对系统的增益钳制效果、噪声性能和非线性损伤的影响，讨论了其作为一个长 距离光纤传输系统，其在DWDM系统中的应用前景常用光纤放大器光信号在光纤中传输时会由于损耗而衰减，为了防止光信号衰减得太弱以致无法探测 出，就需要恢复光信号的功率以前的光电中继器繁杂的光电、电光转换使得通信系统结构 更加复杂，成本更加昂贵光放大器的出现为光纤通信带来了革命性的变化目前，常用的 光放大器主要是掺铒光纤放大器（EDFA）、其他掺杂光纤放大器、非线性效应光纤放大器和 半导体光放大器（SOA）目前宽带光放大器可简单归纳为三种：（1）稀土掺杂光纤放大器，包括掺铒光纤放大器 （EDFA）,掺铥光纤放大器（TDFA），以及掺错光纤放大器（PDFA）； （2）半导体激光放大器（SOA）； （3）拉曼光纤放大器（FRA）第二部分■非线性效应光纤放大器在对光纤中的光信号的放大器件中，还存在的一类常用的光放大器就是非线性光纤放大 器。

非线性光纤放大器是利用泵浦光作用下光纤中的受激喇曼散射效应（SRS）或受激布里 渊散射效应（SBS）来对信号进行放大的放大器由于光纤的纤芯很细，只是需要较低的光 功率便可使光纤中的光场达到很高的密度另外，光纤的损耗很低，有利于非线性效应的积 累基于受激布里渊散射的光纤布里渊放大器由于可以用于放大的光信号带宽太窄，在光纤 通信系统中的应用价值不大而主要应用于光纤传感系统中基于受激喇曼散射的光纤喇曼放 大器（FRA）是唯一能够在1260nm〜1700nm的波长范围内进行放大的光纤放大器非线性效应对光纤通信系统的影响光纤中的非线性效应有受激布里渊散射(SBS： Stimulated Brillouin Scattering)、受激喇 曼散射(SRS： Stimulated Raman Scattering)> 四波混频(FWM： Four-WaveMixing)、自相 位调制(SPM： Self-Phase Modulation)和交叉相位调制(XPM： Cross-Phase Modulation) 等受激喇曼散射效应光被介质内部的粒子散射，同时引发粒子的非线性振动，这就是喇曼(Raman)效应。

在1923年，Smekal预言了这种效应喇曼效应最早在1928年由印度物理学家Raman在 液体中观察到，并以此获得诺贝尔奖喇曼散射分为两类：自发喇曼散射和受激喇曼散射 (SRS)第三部分光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器是利用光纤的非线性光学效应一一受激喇曼散射效应产生的增益机理 而对光信号进行放大的其优点是传输线路与放大线路同为光纤，因此，放大器与线路的耦 合损耗小，噪声较低，增益稳定性较好但需要很大的泵浦功率(数百毫瓦)以及为了得到 宽带较平坦增益需要较多的泵浦波长另外，光纤喇曼放大器的特性对光纤的偏振状态十分 敏感因此，光纤喇曼放大器目前还不能用于光纤通信喇曼光纤放大器已成为世界范围的研究热点相比于其他光放大器，喇曼放大器有很多 优点，如表3-1所示P29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图3.2拉炫放大器的工作原理图3.2为一个频率为pw和S3的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两 束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过受激拉曼散射效应转移给信号光，使信号光得 到放大。

其中信号可以同向输入，也可以反向输入，所以存在2种拉曼放大器，同向拉曼放 大器和反向拉曼放大器［1］光纤拉曼放大器的基本结构光纤拉曼放大器的基本结构光纤拉曼放大器的基本结构光纤拉曼放大器的基本结构 早在1976年，光纤拉曼放大器就研制成功了，到20世纪80年代得到进一步发展图 3.3为后向泵浦光纤拉曼放大器的基本结构在输入端和输出端各有一个光隔离器，它是一 种单向光传输器件，目的是消除各种反射光的干扰，使信号光单向传输泵浦光源用于提供 能量，光耦合器的作用是将信号光和泵浦光耦合进同一传输光纤中光滤波器用来消除被放 大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比此外，在FRA的输出端加长周 期光纤光栅制成的增益平坦滤波器(GFF)还可以对放大器的宽带增益谱起到平坦的作用图13『1讪泵浦光纤拉受放大器的基本始构按照泵浦光传播的方向来分，光纤拉曼放大器可以分为前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦 等多种泵浦方式图3.3所示的是后向泵浦拉曼放大器的基本结构，图3.4和图3.5别给 出了双向泵浦和前向泵浦拉曼放大器的结构图在前向泵浦结构中，泵浦光和信号光从同一 端注入传输光纤，信号光和泵浦光的串扰较大，噪声性能较差。

而后向泵浦可以抑制泵浦诱 发的高频偏振和强度噪声，并能降低传输末端的泵浦光功率，有效的降低单元噪声以及由此 引起的光纤非线性效应对于普通单模光纤和色散位移光纤，后向泵浦带来的串扰要比前向 泵浦低得多因此在实际应用中一般采用后向泵浦的方式图3.4双向泵浦兄纤拉曼放大器的翠本结构传3.5而向泵浦光纤拉昱放虹器的基本结构拉曼光纤放大器的应用拉曼光纤放大器的应用拉曼光纤放大器的应用拉曼光纤放大器的应用由于拉曼光纤 放大器具有以上特性，总的说来它主要有如下几方面的用途：1、提高系统容量提高系统容 量提高系统容量提高系统容量提高系统容量主要是增加信道复用数，一方面开辟新的传输 窗口可以增加信道复用数目前商用EDFA的工作波段在1525nm—1625nm，而可以利用的 光纤频带还很宽要开辟新的传输窗口，就需要有合适频带的光放大器。