分布式光纤拉曼放大器的理论和实验研究

论文摘要

光纤传输几乎是目前大容量长距离传输系统所使用的唯一技术方式。而DWDM的技术则使光纤的传输容量得到了进一步的发掘。光纤放大器是支撑DWDM技术的一个支柱,尤其是掺铒光纤放大器（EDFA）。当光纤网络进一步向高速、宽带、长距离发展的时候,EDFA因为波段固定而且波段宽度受限制,已无法满足光纤网络的发展,而拉曼放大器（FRA）因为其灵活的增益波段和100nm的增益带宽,能满足下一代光纤网络的需求。刚刚步入21世纪,拉曼放大器即成为一个热门研究领域。本文针对在宽带、长距离方面的应用,对分布式光纤拉曼放大器的理论和实验都作了研究,内容如下: 首先在绪论中介绍了光纤传输技术以及光纤放大器的演变过程和现状,分析了光纤拉曼放大器相对掺铒光纤放大器的优点。介绍了光纤拉曼放大器的发展历史和现状,特别对于拉曼光纤、泵浦光源、泵浦合波器等关键器件的现状作了综述。 第二,分析了拉曼放大器的散射方程,比较了求解散射方程的各种方法;分析了拉曼散射方程的边界问题,详细的描述了两种边界问题解决方法;为光纤拉曼放大器的计算模拟提供了一个正确的模型。 第三,本文对拉曼放大器的一些基本参数的测试方法和基本的光纤拉曼放大的实验作了介绍。介绍了实验方案和个别实验的详细过程。另外还介绍了一些自制设备的制作过程,比如C-band、L-band、C+L-band宽带光源。本文还使用光子晶体光纤和飞秒脉冲设计并制作了超连续谱光源。并在实验中研究了基本的增益问题,与模拟的结果吻合的很好,从而说明,现有的理论方法可以用来预测实验结果。对多波长泵浦的拉曼增益谱的理论和实验结果进行了研究,得出结论:单波长拉曼增益谱线性叠加的方法可以用来优化泵浦波长,但不能优化泵浦功率。 第四,分布式拉曼放大器的一大优势是增益带宽很宽,对于长距离传输,增益波动的积累将严重地影响信号的误码率,所以增益的平坦就成了一个很重要问题。本文采用遗传算法对增益平坦进行优化设计。对遗传算法也进行了研究,比较了各种适应值计算公式,设计了最适合于拉曼放大器的适应值公式。提出了一种遗传优化算法。最后根据优化结果,设计了实验装置,在实验中验证了理论计算结果。 第五,传输距离越长,传输系统所受环境和各种不可测因素影响也越大,增益将会产生明显的随机波动。另外,波长数量的增减会使得增益波动非常剧烈,也就是所谓的增益均衡问题。克服这些问题,需要采用实时增益自动控制技术。本文总结了增益自动控制技术,并提出独创的伪逆矩阵（广义逆矩阵）增益自动控制算法,并用实验

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤传输技术以及光纤放大器的演化过程和现状
• 1.3 光纤拉曼放大器与掺铒光纤放大器的比较
• 1.4 光纤拉曼放大器的发展历史及现状
• 1.4.1 拉曼光纤
• 1.4.2 泵浦光源
• 1.4.3 合波器
• 1.5 光纤拉曼放大器面临的一些问题
• 1.6 本论文研究的主要内容及创新点
• 1.6.1 本论文研究的主要内容
• 1.6.2 本论文的主要创新点
• 参考文献
• 第二章 光纤拉曼放大器的理论与方程求解
• 2.1 拉曼散射理论
• 2.2 光纤中的拉曼散射
• 2.3 光纤拉曼散射方程
• 2.4 拉曼散射方程的求解
• 2.4.1 解析方法
• 2.4.2 数值求解
• 2.4.3 边界问题
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 光纤拉曼放大器的实验测试
• 3.1 光纤拉曼放大器特性参数的定义与测量方法
• 3.1.1 增益
• 3.1.2 增益带宽
• 3.1.3 增益波动GF（gain fluctuation）
• 3.1.4 噪声指数NF（Noise Figure）
• 3.1.5 相对强度噪声RIN（relative intensity noise）
• 3.1.6 增益偏振依赖PDG（polarization dependente gain）
• 3.2 组成光纤拉曼放大器的主要光器件的制作和测试
• 3.2.1 宽带光源
• 3.2.2 泵浦光源
• 3.2.3 拉锥合波器
• 3.2.4 偏振合束器（PBC）
• 3.3 拉曼光纤特性参数的测量
• 3.3.1 光纤衰减系数a（λ）
• r（λ）'>3.3.2 拉曼增益系数g_r（λ）
• 3.4 拉曼放大器实验结果和理论计算结果的比较
• 3.4.1 增益、信号输入输出功率、泵浦光功率之间的关系
• 3.4.2 双波长泵浦实验过程
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 光纤拉曼放大器的优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 遗传算法的简单介绍
• 4.3 光纤拉曼放大器的二步优化算法
• 4.4 一种新的二步优化方法
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 光纤拉曼放大器的信道均衡
• 5.1 引言
• 5.2 信道均衡的方法
• 5.2.1 频域滤波器
• 5.2.2 时域滤波器
• 5.3 拉曼放大器的均衡控制
• 5.4 伪逆矩阵计算机辅助自动增益控制方法
• 5.4.1 伪逆矩阵方程的推导
• 5.4.2 伪逆矩阵方程的有效性
• 5.4.3 考虑pump-pump SRS的控制算法
• 5.5 伪逆矩阵计算机辅助自动功率控制方法
• 5.6 伪逆矩阵方程计算机辅助自动增益控制实验
• 5.6.1 实验装置
• 5.6.2 Labview控制程序
• 5.6.3 实验结果与分析
• 5.7 结论
• 参考文献
• 第六章 光纤拉曼放大器在长距离无中继系统中的应用
• 6.1 长距离无中继传输系统研究的必要性和国内外现状
• 6.1.1 长距离无中继系统的优点
• 6.1.2 长距离无中继光纤传输的关键技术
• 6.1.3 国内外技术现状
• 6.2 拉曼放大器和色散补偿对系统传输性能的提升的实验
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 拉曼放大器对无色散补偿传输系统性能的提升
• 6.2.3 色散补偿和拉曼放大器对传输系统的影响
• 6.2.4 不同拉曼泵浦功率对信噪比的影响
• 6.2.5 色散补偿光纤与拉曼放大器泵浦的位置对传输系统的影响
• 6.3 二次泵浦和中间色散补偿方案的计算模拟
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 结束语
• 7.1 本论文工作内容的总结
• 7.2 拉曼放大器中还值得研究的内容
• 个人简历和攻读博士学位期间发表论文及专利情况
• 致谢