分类号：O437 U D C：D10621-408-(2015)0922-0 密级：公开编号：2011031034成都信息工程大学学位论文拉曼光纤放大器的优化设计论文作者姓名：唐洪申请学位专业：电子科学与技术申请学位类别：工学学士指导教师姓名(职称)：何修军（副教授）论文提交日期：2015年05月26日拉曼光纤放大器的优化设计摘要拉曼光纤放大器(FRA)的工作原理是基于受激拉曼散射，是迄今为止唯一能在1270 nm到1670 nm的全波段上进行光放大的器件。
本文主要介绍了FRA的发展历史和现状，受激拉曼散射效应基本原理，以及拉曼光纤放大器的工作原理。
介绍了其系统构成，包括增益介质，泵浦源，无源器件，并且在其工作原理的基础上，对特性进行分析，包括增益，噪声，偏振相关性，温度等。
根据对基本理论的的理解，运用optisystem软件优化仿真，对于优化仿真，本论文中做到的是通过对拉曼光纤放大器的阵列泵浦波长，泵浦功率，光纤有效作用面积，光纤长度的优化，达到增益的最大值。
关键词：拉曼光纤放大器；受激拉曼散射效应；优化仿真；阵列泵浦Optimal Design of Raman Fiber AmplifierAbstractThe Raman fiber amplifier's working principle is based on the stimulated Raman scattering, which is the only device that can be optically amplified in the full band of 1670 nm to 1270 nm. This paper introduced the history and current situation of the FRA, the basic principle of Raman scattering, and the working principle of Raman fiber amplifier. And its system structure, including the gain medium, pump source and passive components are introduced.On the basis of the working principle, the paper analyses its characteristics, including the gain, noise, polarization dependence, temperature, etc.According to the basic theory of the understanding,it is used optisystem software to optimize simulation. For optimize simulation, the paper is done by array pump's wavelength, power, the fiber area, fiber length optimized in order to achieve maximum gain.Key words: Raman fiber amplifier; stimulated Raman scattering; optimization simulation; array pump目录论文总页数：27页1 引言 (1)2 概述 (1)2.1拉曼光纤放大器主要应用 (1)2.2拉曼光纤放大器的研究方向 (1)2.3拉曼光纤放大器的发展 (2)3 拉曼光纤放大器的原理 (2)3.1拉曼光纤放大器的组成 (2)3.2拉曼光纤放大器的分类 (4)3.3拉曼光纤放大器的原理 (5)3.3.1 受激拉曼散射 (5)3.3.2 拉曼光纤放大器的拉曼增益 (6)3.3.3 拉曼光纤放大器的拉曼阈值 (7)3.3.4 拉曼光纤放大器的特性 (8)4 拉曼光纤放大器的优化仿真 (10)4.1阵列泵浦模型的建立 (10)4.2对泵浦功率的优化 (12)4.3对泵浦波长的优化 (17)4.4对光纤有效作用面积的优化 (19)4.5对光纤长度的优化 (21)结论 (24)参考文献 (24)致谢 (26)声明 (27)1 引言光纤放大器是的原理在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素,比如铒、镨、铥等，这样将泵浦发出的光能量通过耦合器等耦合到信号光上，对光信号进行直接放大，在现代通信系统中，成为不可缺少的关键器件[1]。
在以前，对于传统的通信系统，为了保证信号的质量，需要隔一定的距离增加一个再生中继器。
这种方式有一定的缺点，为了克服传统的光纤传输系统的缺点，在1985年首次的成功研制了掺铒光纤放大器，取代了这种中继方式，使得光波分复用通信系统在一定程度上发展起来，其优点是具有工作波长与光纤最小损耗窗口一致；耦合效率高；能量转换率高；增益高，噪声低；增益特性不敏感；可实现信号的透明传输，随着现代对通信系统的技术要求，即对其传输速率和带宽的要求越来越高，必须提出一种满足两方面要求的光放大器，由于这样的原因,促进了对光纤放大器的研究，出现了光纤拉曼放大器。
在很早之前就发现了光纤中的受激拉曼散射效应，并且已经证明拉曼放大技术可以在数字信号和光孤子传输上运用，但是当时适用于拉曼放大技术的大功率泵浦激光器还没有研究出来，因此在这段时间内拉曼放大技术没有被运用。
随着时代的发展，最近这些年大功率泵浦激光器的出现，拉曼放大技术的实用成为可能。
2 概述2.1 拉曼光纤放大器主要应用（1）提高了系统的容量。
当传输速率不变时，通过增加多路复用信道的数目来增加系统容量。
（2）提高频谱的利用率以及增加系统的传输速率。
RFA的全频带的放大特性使得有可能在整个区域低损耗光纤工作，可以在一定程度上，增加频谱效率和提高传输系统速率。
（3）增加系统的无中继传输距离。
系统信噪比决定了无中继传输距离，分布式FRA的等效噪声指数比较低，比EDRA的噪声指数低4.5 dB。
（4）补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗，DCF的损耗系数远远比单模光纤和非零色散位移光纤大，也比拉曼增益系数大。
用DCF与RFA相结合的这种方式，可以提高信噪比，也可以进行色散和损耗的补偿。
（5）通信系统升级。
接收机性能不变，增加传输速率，要保证系统误码率不变，必须增加系统接收端的信噪比[2]。
2.2 拉曼光纤放大器的研究方向1)FRA参数模拟仿真方面的研究由于非线性比较复杂,对于影响FRA增益的各种参数,以现在的技术，还没有办法用比较精确的表达式来表示,几乎是依靠试验来测量数据,所以依靠量子力学理论，是FRA的研究的一个重要的方向。
通过对FRA光纤、增益、噪声等特性,色散补偿等参数的仿真模拟，通过对模型的优化和算法的改进,可以使得模拟的结果更加接近真实。
2)FRA的应用以及设计方面的研究在现代光通信中，商业用的光放大器主要还是掺铒光纤放大器，即使现在FRA研究是一个热点，并且在一定程度上有应用,比如在国外,很多长距离超大容量的波分复用通信，使用的就是分布式FRA。
由于功率方面需要大功率泵浦源以及效率方面上的原因，FRA还没有达不到取代EDFA，只是在一定程度上起到一个辅助的作用。
FRA设计集中在结构的实验设计，包括增益介质、泵浦源和泵浦结构的选择[3]。
目前，泵浦源主要是复用半导体泵浦激光器和级联式拉曼激光器。
2.3 拉曼光纤放大器的发展❶新型泵浦分布式FRA。
FRA按照泵浦结构分为前向，后向，双向泵浦。
采用双向泵浦，并且选择合适的波长，在波长为1528～1605 nm内变化时可以同时实现增益和噪声指数的平坦化。
❷在拉曼光纤放大器材料以及器件方面的发展。
输出功率在350 mW以上已经用于商业；在分立式FRA研究进展中的增益介质也取得了一定的进步，比如采用光子晶体光纤技术研制出来的高非线性光纤，弥补了DCF拉曼增益系数小的问题。
❸在功能完善、控制灵活的FRA方面取得进展。
3 拉曼光纤放大器的原理3.1 拉曼光纤放大器的组成拉曼光纤放大器的组成包括增益介质，泵浦源以及光无源器件。
1.增益介质产生拉曼放大功能的增益介质是拉曼光纤，对于拉曼的增益系数，不仅由光纤本身的性质决定，泵浦波长也是影响其变化的一个因素，并且成一定比例的变化。
在FRA中,特别是在分立式FRA和拉曼激光器中，增益介质的材料都需用特种光纤。
当泵浦光功率确定为某个值时，FRA的增益随着放大器增益介质损耗和有效作用面积的减小，以及拉曼增益系数的提高而增加。
一般的，掺杂也是常用的提高增益的方法[4]。
2.泵浦源怎样获得高功率泵浦源是FRA应用于实际中关键的技术问题，目前泵浦源主要有两种:一是复用半导体泵浦激光器，它的工作原理是用波分复用合波器将几个低功率的泵浦源进行耦合，这样能够得到更高的输出功率;二是级联式拉曼激光器，工作原理是用已经有的泵浦源，并且其波长相对较短，通过嵌套级联拉曼光谐振腔的结构。
FRA对泵浦源有一定程度上的要求:一是要有较大的输出功率；二是泵浦波长需要相对较合适的，需要合适的泵浦输出波长，来获得最大增益；三是对其使用，要保证有足够的时间，并且连续工作得前提下时间较长;四是要抑制拉曼增益的偏振依赖现象。
五是要保证输出功率经过各个耦合器后可以更好的传输到光纤中[4]。
其结构如图3-1所示，1，2是相同的，两个激光器用偏振复用合波器进行耦合，这样可以达到消除偏振、抑制偏振现象的效果；光纤光栅用来稳定波长；波分复用（WDM）合波器用于多波长的耦合输出。
由于多个波长的激光器通过耦合器一起耦合到光纤中传输，泵浦源之间的拉曼作用使得泵浦光功率从短波不断转移到长波上。
适当的加大短波长激光器的输出光功率，并且合理的调配每个激光器的泵浦光功率，才能获得均匀的增益谱[4]。
(2)级联拉曼光纤激光器一般的，只要有合适功率的泵浦源，拉曼光纤激光器就能够在很大的波长范围内得到任意波长的激光输出，并且可进行宽带调谐。
过去常用的这种泵浦源是Nd:YLF，其输出波长是1313 nm，以及Nd:YAG，其输出波长是1064 nm，它们的输出功率比较高，所以要做到经过各个光无源器件后能有效率地传输到光纤中难度比较大，并且噪声也相对于比较大。
因此在传统的光纤通信系统中，难以应用到实际当中[4]。
3.无源器件1)耦合器泵浦光与信号光要进入光纤就必须耦合进入，要求是对信号光以及泵浦光的插入损耗相对较小并且偏振相关损耗小。
2)隔离器隔离器只容许输入光束沿一个方向通过，对反射光有很强程度的阻挡作用。