光纤拉曼放大器优化算法与软件设计

论文摘要

随着计算机网络及数据传输服务的飞速发展,长距离光纤传输系统对通信容量的需求日益膨胀。密集波分复用（DWDM ）技术和光放大器的产生是光纤通信领域的两大里程碑。系统传输能力的进一步提升需要提高C+L波段的利用效率或是利用掺铒光纤放大器（EDFA）工作窗口以外的波段。光纤拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier,简称FRA）是一种利用受激拉曼散射（SRS）效应,以传输光纤作为增益介质的全光放大器,可以满足以上要求。FRA利用高强度的泵浦光与信号光在光纤中的非线性相互作用实现信号光的直接放大,但由于光纤的拉曼增益系数谱很不平坦,所以单个泵浦光源对不同波长信号光的增益就存在很大的差别,因此,必须对泵浦光的波长和功率进行优化,使信号光得到均匀放大。主要研究内容和研究结果如下:（1）在广泛查阅国内外文献的基础上,对目前各种光放大器作综合比较,重点介绍光纤拉曼放大器的特点、应用和发展,以及国内外的研究动态,提出了本课题研究的现实意义。（2）阐述拉曼散射的基本理论以及受激拉曼散射在拉曼放大中的作用原理,介绍光纤拉曼放大器基本原理和工作特性,包括增益特性、噪声特性、偏振相关性和温度稳定性等。（3）阐述光纤拉曼放大器完整的数学模型,在此模型基础上用改进遗传算法和打靶法对泵浦光源的波长和功率进行优化,并对C+L波段约100nm的信号光进行放大仿真。结果表明,选择合适数目和功率大小的泵浦光源,信号光增益波动小于1dB,说明该算法能够应用于拉曼光纤放大器的优化设计。（4）运用面向对象程序设计方法,在MFC程序设计技术的基础上,在国内首次对FRA系统的优化仿真软件进行可视化Windows界面设计。用户在界面中输入各个参数,经过计算后得到泵浦波长和功率的优化结果,并可以对信号增益波动、信号/泵浦功率演变、噪声指数等进行分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光放大器简介
• 1.1.1 光放大器分类
• 1.1.2 三种光放大器性能比较
• 1.1.3 光放大器使用
• 1.2 光纤拉曼放大器优缺点
• 1.3 FRA 的研究方向
• 1.4 FRA 的应用前景
• 1.5 FRA 优化仿真软件研究现状
• 1.6 论文的组织结构
• 第二章 光纤拉曼放大器的理论基础
• 2.1 自发拉曼散射和受激拉曼散射
• 2.2 拉曼增益谱
• 2.3 光纤拉曼放大器（FRA）的工作特性
• 2.3.1 增益饱和特性
• 2.3.2 FRA 噪声特性
• 2.3.3 偏振相关性
• 2.3.4 温度稳定性
• 2.4 FRA 的关键技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤拉曼放大器特性的数值分析
• 3.1 FRA 物理过程的数学描述及数值求解方法
• 3.1.1 拉曼放大数学模型
• 3.1.2 多波长后向泵浦 FRA 模型的简化
• 3.2 模型的数值求解方法
• 3.2.1 平均功率分析法
• 3.2.2 多维并行打靶法
• 3.3 本章小结
• 第四章 宽带光纤拉曼放大器的优化设计
• 4.1 方案设计
• 4.2 关键参数
• 4.3 遗传算法
• 4.3.1 算法简介
• 4.3.2 算法具体实现
• 4.4 打靶法
• 4.4.1 非线性打靶法简介
• 4.4.2 设计多维并行打靶法确定泵浦功率
• 4.5 数值仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 拉曼放大器优化和分析软件设计
• 5.1 PTDS 软件仿真平台
• 5.2 FRA 优化和分析软件总体设计
• 5.2.1 软件工程基础
• 5.2.2 设计总体要求
• 5.2.3 设计目标
• 5.2.4 系统功能模块
• 5.3 系统开发工具
• 5.3.1 VC++6.0 MFC 概述
• 5.3.2 应用程序框架结构类
• 5.3.3 窗口类
• 5.3.4 图形和打印类
• 5.3.5 集合类
• 5.3.6 文件和数据库类
• 5.3.7 调试和异常类
• 5.4 计算模块
• 5.5 输入/输出模块
• 5.5.1 系统主界面
• 5.5.2 文件存取
• 5.5.3 设置参数
• 5.5.4 输出结果分析
• 5.6 本章总结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 标准单模光纤拉曼增益系数拟合函数
• 附录二 拉曼衰减系数
• 附录三 选择、交叉、变异算法代码源程序
• 攻硕期间取得的研究成果