宽带光纤喇曼放大器的理论与实验研究

论文摘要

光纤喇曼放大器是目前公认的下一代光放大器的理想选择。由于喇曼放大具有噪声低、增益带宽配置灵活等优点,已被证明是延长光纤通信系统的传输距离、提高系统传输容量的关键技术之一。对光纤喇曼放大器的研究是近年来光放大器研究领域的一大研究热点。本论文对光纤喇曼放大器及其设计技术进行了系统的理论和实验研究。本论文的主要内容如下:1.对光纤喇曼放大器的增益和噪声特性进行了系统的理论研究和总结。重点研究分析了泵浦方式、增益水平、光纤长度、信道功率水平等参数对放大器增益和噪声特性的影响。研究结果对光纤喇曼放大器的设计具有重要指导意义。2.提出了一种高效、稳定的光纤喇曼放大器仿真算法。该算法以简单打靶法为基础,并首次将牛顿下山法和Broyden秩1法引入其中,显著提高了仿真算法的收敛速度和稳定性。同时,还提出了一种对打靶法所需的初值进行准确估计的方法。研究结果表明,与传统的打靶法相比,本文提出的算法的仿真速度至少提高了4倍以上。该算法可用于对各种光纤喇曼放大器的增益和噪声特性进行快速、准确的评价。3.提出了一种高效的宽带光纤喇曼放大器优化设计方法。该方法通过构造适当的约束条件,将光纤喇曼放大器的增益和噪声优化问题转变为一有约束非线性规划问题,以序列二次规划（SQP）法作为优化算法进行求解。该方法可快速地确定实现增益和噪声平坦所需的最佳泵浦波长和功率配置。研究结果表明,与常见的以遗传算法为基础的优化方法相比,该方法的优化速度平均提高了约9倍。4.首次从理论上提出了一种对光纤喇曼放大器的增益谱进行保形调整的方法并进行了实验验证。该方法可在保持增益谱的形状基本不变的情况下,通过适当调整各泵浦波长的功率实现对放大器增益大小的调节。5.成功研制出国内首台分立式色散补偿型C+L波段宽带光纤喇曼放大器样机一台并对其进行了实验研究和性能测试。研究结果表明,该样机工作带宽为75 nm （1530-1605 nm）,可提供10 dB以上的净增益;在平均净增益为10 dB时,工作带宽内增益起伏约0.9 dB,噪声指数低于7 dB。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 历史背景
• 1.2 光放大器的研究与发展
• 1.2.1 半导体光放大器
• 1.2.2 掺稀土元素光纤放大器
• 1.2.3 基于非线性效应的光纤放大器
• 1.3 为什么要采用喇曼放大
• 1.3.1 喇曼放大可以提高光纤通信系统的传输容量
• 1.3.2 喇曼放大有利于降低光纤通信系统运营和维护的成本
• 1.4 光纤喇曼放大器的发展状况
• 1.5 课题来源和本论文的主要研究内容
• 第二章 光纤喇曼放大器理论研究
• 2.1 概述
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 主要的性能评价指标
• 2.1.3 光纤喇曼放大器的三种泵浦方式及其特点
• 2.1.4 光纤喇曼放大器的分类、特点及应用
• 2.2 光纤喇曼放大器的理论模型
• 2.2.1 单泵浦光纤喇曼放大器
• 2.2.2 多波泵浦宽带光纤喇曼放大器
• 2.3 宽带光纤喇曼放大器的增益特性
• 2.4 宽带光纤喇曼放大器的噪声
• 2.4.1 ASE 噪声
• 2.4.2 瑞利散射噪声
• 2.5 本章小节
• 第三章 光纤喇曼放大器的仿真与优化设计技术研究
• 3.1 概述
• 3.2 光纤喇曼放大器的仿真方法研究
• 3.2.1 常规打靶法及其缺点
• 3.2.2 对初值校正方法的改进－牛顿下山法
• 3.2.3 对雅可比矩阵计算过程的简化－Broyden 秩1 法
• 3.2.4 总结与讨论
• 3.3 光纤喇曼放大器的优化设计
• 3.3.1 增益优化
• 3.3.2 增益优化结果与讨论
• 3.3.3 噪声优化
• 3.4 光纤喇曼放大器增益谱的保形调整技术
• 3.5 本章小节
• 第四章 宽带色散补偿型光纤喇曼放大器样机的设计与实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 宽带色散补偿型分立式光纤喇曼放大器样机的设计
• 4.2.1 设计目标
• 4.2.2 增益光纤的选取及其关键参数测定
• 4.2.3 泵浦波长的选取与优化设计结果
• 4.2.4 样机设计
• 4.3 实验研究与讨论
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 放大器的增益特性
• 4.3.3 放大器的噪声特性
• 4.3.4 传输性能
• 4.4 本章小节
• 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢