拉曼光纤放大器的优化设计

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 Amplifier

Abstract

The 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

?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。

?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。

?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。隔离器作用是保护光源，并且可以抑止后向瑞利散射以及泵浦源的波动的影响。

3)衰减器

衰减器用于调节输入光功率，对信号光和泵浦光功率进行可调节的衰减。

4)环形器

环形器的作用是将正反向光信号分开。

5)偏振控制器

偏振控制器的作用是调节信号光和泵浦光的偏振态，一般用于偏振相关性的测量。

6)光纤跳线

光纤跳线的作用是连接器件与器件[3]。

3.2拉曼光纤放大器的分类

拉曼光纤放大器的类型有分布式FRA和分立式FRA，分立式FRA将光纤放大器和传输线分开，当作独立元件使用。分立式所用增益介质较短，但是泵浦功率很高，获得增益比较高，并且能放大掺铒光纤放大器不能放大的波段。分布式FRA的增益介质是传输光纤本身，为了提高系统的整体性能，分布式FRA主要和掺铒光纤放大器配合使用。FRA的结构依据泵浦方式可分为前向、后向和双向泵浦结构[4]。

下图是几种泵浦拉曼光纤放大器的结构：

图3-2 前向泵浦拉曼光纤放大器的基本结构

在这种结构中，泵浦光与信号光同向进入传输光纤再经过耦合器进行耦合，这样就使得信号光与泵浦光之间的串扰较大，噪声性能也比较差。

图3-3 后向泵浦拉曼光纤放大器的基本结构

后向泵浦拉曼光纤放大器能抑制泵浦诱发的高频偏振以及强度噪声。对普通单模光纤和色散位移光纤来说，后向泵浦结构要比前向泵浦结构带来的串扰低4个量级，因此在现代通信系统中一般采用后向泵浦结构。

3.3 拉曼光纤放大器的原理

3.3.1 受激拉曼散射

受激拉曼散射效应是FRA工作原理的基础，受激拉曼散射是光波与二氧化硅分子的振动模之间的相互作用的结果，如果一个光子入射到一个分子上，分子能从光子中吸收一部分能量。在相互作用的过程中发生了散射，产生了一个频率较低的光子，这个二次光子就是斯托克斯光子。用量子力学解释：如图3-5，当一个泵浦光子入射进光纤中，光纤中电子受激从基态跃迁到虚能级，然后通过信

号光的感应，虚能级的电子回到振动态的高能级，并且此时发出一个斯托克斯光子。光纤中电子可以跃迁到虚能级，回到基态，发出一个反斯托克斯光子，在光纤中振动态能级有一个比较大范围，所以如果弱信号光和强泵浦光同时注入光纤中共同传输，并且信号光波长在泵浦光的拉曼增益谱内，这样一部分能量可以从泵浦光转移到信号光，实现信号光的放大[4]。

图3-5 拉曼散射能级示意 FRA 的受激拉曼散射不需要粒子数反转，它的激发态只是一个虚能级，因

此受激拉曼散射是一个瞬间完成的过程。受激拉曼散射对于任何相反方向的泵浦与信号光，都可以很容易的得到相位匹配。

3.3.2 拉曼光纤放大器的拉曼增益

增益是表示信号放大最直接的参数，和掺铒光纤放大器有一定的区别，FRA

的增益一般情况下有两个:净增益net G 和开关增益G 。开关增益是打开和关闭的时候信号光输出功率的比值，一般的，用来表示分布式FRA;净增益是信号输出光功率与输入光功率的比值[5]:

??????-=in ASE out net P P P G 10log 10 （3-1）

上式中ASE P 是信号放大自发辐射功率，out P 和in P 分别为信号的输出光功率以

及输入光功率。在信号放大时，忽略泵浦光功率的消耗:

???? ??=eff eff R A L P g G 0exp （3-2）

因此:

()L G G s net α-=exp （3-3）

式（3-2）中0P 是泵浦光功率。由（3-2）和（3-3）可以得出拉曼增益效率R g , eff A ,光纤长度L 以及光纤损耗系数s α能影响得到的净增益，所以对增益介质的选择

对于设计FRA 非常重要。

3.3.3 拉曼光纤放大器的拉曼阈值

在连续或准连续条件下，斯托克斯波的初始增长描述为

s p R s I I g dz dI = （3-4）

式中s I 表示斯托克斯光强，p I 表示泵浦光光强，R g 表示拉曼增益系数。

假设一种最简单情形，一束连续波入射进光纤，但是即便在这种情形下，也

应该将上面方程做修正，应该将光纤损耗考虑在内。并且泵浦功率沿光纤并不能保持为一个常数，应考虑泵浦光与斯托克斯光之间的非线性相互作用。当这些效应均包括在内之后，拉曼散射过程可以表示为：

s s S p R s I I I g dz dI --=α (3-5)

p p s p R s p

p

I I I g w w dz dI α--= (3-6)

上面两式中，p α，s α分别是为泵浦频率与斯托克斯频率处的光纤损耗。如果在没有损耗的情况下，可以容易证明

0=???? ??+dz w I w I d p p s s (3-7)

这个式子说明，拉曼散射效应过程中，泵浦光和斯托克斯光束的光子总数是不变的。

如果去掉（3-6）方程中右边方程的第一项，求解方程就比较容易，带入方

程（3-5），可以得到：

()s s s p R s I I z I g dz dI αα--=exp 0 (3-8)

上式中0I 是表示处0=z 的入射泵浦的光强。方程（3-8）可以求解得到：

()()()

L L I g I L I s eff R s s α-=0exp 0 (3-9) ()[]p p

eff L L αα--=exp 1 (3-10)

方程（3-9）可以得出由于光纤消耗，有效光纤长度从L 减少到eff L 。

利用方程(3-9)，需要知道0=z 处的入射光的光强()0s I 。事实上，拉曼散射

效应是在整个光纤上产生的自发拉曼散射的基础上建立的。斯托克斯功率按照方程（3-9），考虑到每个能量为hw 的频率分量的放大，在拉曼增益普范围内积分计算，即

上面式中如果光纤只容纳一个模式。即使不知道()ΩR g 的函数，也能用最速下降法近似的计算式中的积分，由于积分中的增益峰值为s w w =，周围有一个很窄的区域，所以

()()[]L L I g P L P s eff R eff s s α-Ω=0exp 0 (3-12)

上式中，0=z 处的有效入射光功率是

eff s eff s B hw P =0 (3-13)

2

1222102s w w R eff eff w g L I B =???? ??∏=δδ (3-14)

从物理意义上来讲，是

eff B 中心位于s p R w w -=Ω附近的斯托克斯辐射的有效带

宽。 对于拉曼阈值，它是当光纤的输出端斯托克斯功率和泵浦光功率相等时的入

射泵浦光功率，或

()()()L P L P L P s p s α-==exp

0 （3-15) 上式中，eff A I P 00=表示泵浦光入射功率，eff A 表示有效模场面积，将（3-12）带

入（3-13）中，并且假设p s αα=，，那么条件变化为

()00exp 0P L P g P eff R eff S = （3-16）

式中，eff S P 0通过（3-13）（3-14）还和0P 有关。如果拉曼增益谱为洛仑兹形，那么

临界泵浦功率近似 160≈eff eff

cr R A L P g （3-17）

对于后向拉曼散射效应可以按照类似的方法，这种情况下的阈值条件仍然由

（3-17）给定，将式中的熟知因子16换成20来分析。

3.3.4 拉曼光纤放大器的特性

1.增益特性

s s s p eff R S P P P A g dz dP α-=2 （3-18）

以上方程没有考虑自发拉曼散射以及泵浦光功率消耗所产生的影响，由于在通信系统中P p > > Ps ，所以可以忽略泵浦光功率的消耗。得：

???? ??=eff eff p R A L P g G 2exp （3-19）

可以看出，如果忽略泵浦光功率的消耗，泵浦光功率增加，增益也就随着增

加，。当增益增加达到一个临界的时候，就需要考虑到泵浦光功率的消耗，这样就使得增益的减小，产生饱和增益。光纤类型以及光纤的各种参数也对拉曼增益的大小有一定的影响，对于光纤类型来说，掺杂的光纤能得到比普通光纤更高的拉曼增益。对于光纤的参数，由表达式（3-19）可以得出，增益随着光纤的有效作用面积的减小而增加。

2.噪声特性

FRA 中的噪声主要分为放大的自发辐射噪声，瑞利散射噪声，串话噪声，

非线性和受激布里渊散射造成的噪声。以下是对各种噪声的简要介绍：

①自发辐射（ASE ）噪声

自发辐射噪声是自发拉曼散射经过泵浦光的放大而产生的覆盖拉曼增益谱

的噪声。自发辐射噪声随着泵浦光的增加而增加；自发辐射噪声的功率随着接收端的光滤波器带宽的变窄而减小。

②串话噪声

串话噪声包括由于泵浦光光源的波动而造成的泵浦光和信号光之间的串话，

因此泵浦光光源的稳定性也是影响噪声的一个因素，稳定泵浦光光源可以通过反馈技术以及采用后向泵浦结构；还包括由于泵浦光光源同时对多个信道放大而导致的泵浦介入产生的信号间串话。因此，信号光功率以及泵浦光功率越大，泵浦光到信号光的转换效率越高，产生的串话越严重。因此应该采用后向泵浦这种结构来作为放大DWDM 系统[6]。

③瑞利散射噪声

瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的，分为单瑞利散射和双瑞利散射。

对于单瑞利散射，主要是自发辐射噪声产生的;而双瑞利散射是主要由于多

路串话干扰产生的。瑞利散射是经过双倍放大的，所以瑞丽散射噪声是噪声中一个重要的因素。经过研究，影响该噪声的因素有放大器增益，以及传输线长度，并且成正比的关系。由于不改变入射光的频率，因此信号和信号在同一频率上，没有办法测量[7]。

镜头反射

图3-6 双瑞利散射的形成机理

3.非线性和SBS后向散射的影响

在实际通信系统中，由于入射到光纤中的泵浦光的强度很强，所以不可避免的会产生非线效应，从而导致了信号频谱展宽。

泵浦光功率和噪声之间是存在矛盾的，因此，要做到系统的优化，必须在达到一定的输出信噪比并且提高增益，输入信号光功率也不能过高，上面提到采用后向泵浦结构可以减少串话噪声，因此要尽量采用级联后向泵浦以达到减少噪声的要求。实际上，FRA的增益介质是传输光纤，降低了对输入信号光功率的要求[8]。

①偏振相关性

首先，光纤的折射率是和外电场的偏振态相关的。

同向泵浦，如果泵浦光与信号光的偏振态保持一致，能达到最大增益;两者偏振态正交时，产生拉曼增益几乎可以忽略。对于FRA的偏振相关性，其增益与采用的泵浦结构有很大联系。

对于前向泵浦，增益随信号光的偏振态的不同变化比较大，对普通光来讲，改变信号光和泵谱光的初始偏振态，增益变化比较大;对于后向泵浦结构，信号光与泵浦光是沿相反方向传输的，增益变化非常小，因此一般多选择多后向泵浦

[8]。

②温度稳定性

温度对FRA的影响表现在增益和噪声方面。试验证明，改变拉曼光纤所处的温度，增益和噪声由于温度的变化影响很小，变化值都不大于0.5dB[9]。

4 拉曼光纤放大器的优化仿真

4.1 阵列泵浦模型的建立

阵列泵浦模型如图4-1

模型中WDM Transmitter:序列长度为128 Bits,比特率为64，对于泵浦频率的初始设置是Frequency[0]为1415 nm，Frequency[1]为1415 nm，Frequency[2] 为1415 nm，Frequency[3]为1415 nm，对功率的初始设置是Power[0]为200 mW，Power[1]为200 mW，Power[2]为200 mW，Power[3]为200 mW。

图4-1 阵列泵浦模型的建立

阵列泵浦模型的建立做的是对单参数包括泵浦功率，泵浦频率，光纤有效作用面积以及光纤长度的优化，达到增益最大值，如图4-2

图4-2 参数的设定

4.2 对泵浦功率的优化

首先，在Parameter中，选定泵浦功率Power[0],其取值范围设定是0-2000 mW，光纤长度设置为5 km，光纤有效作用面积设置为25 um2，如图4-3

图4-3 参数Power[0]的设定

在Result中选择Gain1,如图4-4

图4-4 Result的选定

优化过程如图4-5

图4-5 Power[0]的优化过程

光谱分析器1的输入光谱图如图4-6

图4-6 光谱分析器1的输入光谱图

光谱分析器2的输入光谱图如图4-7

图4-7 光谱分析器2的输入光谱图优化之后的光谱分析谱输出如图4-8

图4-8 优化之后的光谱分析谱输出

统计数据如表4-1

根据数据利用MATLAB 进行作图，如图4-9

020040060080010001200

1400160018002000010

20

30

40

50

60G a i n 1Power[0]/mW

图4-9 Fower[0]与Gain1的关系图

利用MATLAB 进行曲线拟合，由上图可以看出，当泵浦频率，光纤有效作

用面积以及光纤长度等保持不变时，功率在0-2000 mW 范围内中变化的时，增益随着功率的增加而增加，在1000-2000 mW 的范围内变化较大。说明增益随着泵浦功率的增加始终是增加的。

在此基础上，再对Power[0]进行优化，范围仍然在0-2000 mW 变化，但是

将增益改为Gain4，如图4-10

图4-10 Power[0]的优化过程光谱分析器输出光谱如图4-11

图4-11 光谱分析器输出光谱