光纤拉曼放大器(FRA)研究(3)

（２１多波长后向泵浦拉曼放大器优化算法设计及仿真研究

设计新型的遗传算法，结合前面提到的多维并行打靶法来优化多波长后向泵浦ＦＲＡ各个泵浦光的波长、功率值，以得到更好的增益平坦度。该遗传算法采用十进制编码（更适合高维搜索），并且引入了遗传算法的最新思想——算术杂交思想和自适应变异思想。然后，在ＭＡＴＬＡＢ下编程实现该遗传算法，并且在数值模拟的基础上，设计、优化了ｃ波段（１５３０～１５７０ｎｍ）以及Ｃ＋Ｌ波段（１５３０～１６１０ｎｍ）增益平坦拉曼放大器。该算法可以自动完成泵浦光优化过程，不需要任何的人为调整。

第四章给出了拉曼光纤激光器（ＲＦＬ）原理和数学分析方法，定性地分析了其优化设计方法。

第五章在针对拉曼放大光纤和泵浦光两方面从理论上分析了拉曼放大器优化方法。然后基于ＰＴＤＳ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＤｅｓｉｇｎＳｕｉｔｅ，德国ＶＰＩ公司的商用光纤通信仿真软件）仿真平台，做了超宽带ＦＲＡ的仿真。同时还通过对一个Ｃ＋Ｌ波段ＦＲＡ放大的光纤通信系统的仿真，讨论了ＦＲＡ对系统性能的影响，给出了相应的优化措施。

第六章总结了全文所做研究得到的结论，并分析了课题所做工作的不足之处，以及因为课题时间限制，还有待深入一步研究的一些问题。

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第二章Ｒａｍａｎ放大器基本原理、特性及应用

如果信号与一个强泵浦光同时传输，并且其频率差位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，那么这个弱信号光可被该光纤放大。由于这种放大的物理机制是受激拉曼散射（ＳＲＳ），所以称之为光纤拉曼放大器。

２．１受激拉曼散射（ＳＲＳ）

受激拉曼散射ＳＲＳ的量子描述为：入射光波的一个光子被介质分子散射成为另一个低频光子（成为Ｓｔｏｋｅｓ光），同时完成分子振动态之间的跃迁，或者说入射光波场引致介质分子的振动散射，调制入射光场成为一个频率下移的宽带Ｓｔｏｋｅｓ光，从而这个较低频率的Ｓｔｏｋｅｓ光场具有了增益特性。石英光纤的这种场致振动频率范围约为４０ＴＨｚ，峰值频率下移量约为１３ＴＨｚ。另外，这种非能级跃迁机理的放大器具有天然的低噪声指数，故成为ｗＤＭ放大器的有力竞争者。

２．１．１ＳＲＳ拉曼增益谱

在连续或者准连续条件满足的情况下，斯托克斯波的初始增长可描述为“…：

警％（ｆ２）Ｉｐｌ

式中，』。是斯托克斯光强，』，是泵

浦光强，ｇ月是拉曼增益系数，它与

自发拉曼辐射的截面面积有关。更准

确地说，ｇ。与三阶非线性极化率的

虚部有关。（２—１）

对于泵清波长九＝１∥ｍ，

图２—１给出了熔石英中的ｇ。与频率

的变化关系。对于不同的泵浦波长，

Ｆｒ＃ｑｕｅｎｃｙｔｈｈｍｆｒＨ对ｇ。与丸成反比。图２—１拉曼增益系数曲线

第二章Ｒａｍｍ＿ｌ放大器基本原理、特性及应用

为了解ＳＲＳ过程是如何产生的，考虑一束频率为∞。的连续光波在光纤内的传输。如果一束频率为。。的探测光在光纤的输入端与泵浦光同时入射，只要频率差ＣＯ，＝０３。一∞，位于图２—１拉曼增益谱的带宽内，探测波就会由于拉曼增益而被放大。如果光纤输入端仅有泵浦光入射，自发拉曼散射产生的信号将起到探测波的作用，并且在传输过程中被放大。因为自发拉曼散射在整个拉曼增益谱宽内产生光子，所以所有频率分量都被放大，可是对应ｇ。最大的频率分量建立最快。对于纯石英光纤，ｇ。的最大值所对应的频率分量是由泵浦频率下移１３．２ＴＨｚ（４４０ｃｍ一１）。已证明当泵浦功率超过某一阈值时，此频率分量近似指数增长。这样，ＳＲＳ将导致斯托克斯光的产生，其频率由拉曼增益峰决定，对应的频移有时被成为拉曼频移或斯托克斯频移。

２．１．２拉曼阈值

为了得到拉曼阈值，应该考虑泵浦波和斯托克斯波之间的非线性互作用。对连续波情况，此互作用遵循下列两个耦合方程：

ｉｄ］ｓ＝ｇ。１．Ｌ—ｏ［ｓＩ。

≯和＿＾＠１’

式中厶和‘分别为斯托克斯光和泵浦光的强度，孙表示拉曼增益系数，∞，和甜，分别为斯托克斯光和泵浦光波长，口，、口，为斯托克斯光波长和泵浦光波长处的光纤损耗。此方程可由麦克斯韦方程组严格推出。在没有损耗的情况下可以表达为：

旦ｆ立＋生１：０

ｄｚ∞ｓ∞Ｐ（２—３）

此式仅仅说明：在ＳＲＳ过程中，泵浦和斯托克斯光束的光子总数不变。尽管ＳＲＳ的完整描述必须考虑泵浦消耗，但为了估计拉曼闽值可将其忽略。如果忽略方程（２－－２）中表示泵浦消耗的右边的第一项，此方程容易解出。将此解代入方程，可得

ｄｉｓ／ｄｚ＝ｇＲｌｏｅｘｐ（一ａＰＺ）Ｉｓ—ａｓ』ｓ（２—４）

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式中，厶是ｚ＝０处得入射泵浦光强。方程（２－－４）很容易求解，其结果为

‘（三）＝ｌｓ（Ｏ）ｅｘｐ（ｇＪｏ％一ａｓＬ）

三∥＝［１一ｅｘｐ（一（０三）］／ｃｂ（２—５）（２—６）

式（２—６）表明，由于光纤对泵浦的吸收损耗，有效光纤长度由工减至￡醇。使用方程（２—５）需要知道ｚ＝０处的入射光强Ｌ（ｏ）。实际上，ＳＲＳ是从产生于整个光纤长度上的自发拉曼散射建立起来的。Ｓｍｉｔｈ指出，它等价于在入射端每个模式中注入一个假象光子，可以按方程（２—５）考虑每个能量为＾ｍ的频率分量的放大，然后在整个拉曼增益谱范围内积分来计算斯托克斯功率，即

ｐｓ（三）２Ｊ二ｈｃｏｅｘｐ［ｇＲ（∞，一印ｓ）』ｏ三酊一口５Ｌ］ｄｃｏ（２～７）式中，假象光纤只容纳一个模式。靠对频率的依赖关系如图２一ｌ所示。尽管并不知道鲰∞）的函数形式，但可用最速下降方法近似方程（２—７）中的积分，因为积分的主要贡献来自峰值ｍ＝ｍ。附近的一个很窄区域，结果为：

ｐ。（三）＝ｐ嚣ｅｘｐ［ｇ。（Ｑ。）厶％一盯。三】

式中，ｚ＝０处的有效入射功率为：（２—８）

磁＝壳纨％％＝（惫一２ｌ。掰２９ＲＬ－１／。２（２—９）％的物理意义是，峰值增益中心位于Ｑ。＝啡一略处的斯托克斯辐射的有效带宽。尽管％与泵浦光强度以及光纤长度有关，但其数量级大小可由式（２—９）的主峰谱宽估算出。

拉曼阈值定义为，在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵浦功率或

ｐｓ（Ｌ）＝Ｐｐ（三）＝Ｐ。ｅｘｐ（一口，三）（２—１０）式中，Ｐｏ：厶４，是入射泵浦功率，如是有效纤芯面积。假设％ｚ坼，阈值条件

第二章Ｒａｍａｎ放大器基本原理、特性及应用

变为：

ｐｇｅｘｐ（ｇ。Ｐｏｋ白）＝风（２—１１）

式中，磁通过方程（２－－９）也与Ｐｏ有关。方程（２－－１１）给出达到拉曼阈值所需的临界泵浦功率。假设拉曼增益谱为洛伦兹形

似为：

鱼ｐ！．＇ｈＬ垡。１６临界泵浦功率一个较好的近～（２－１２）

对于后向泵浦方式下式（２—１２）中参数１６则取２０。

２．２Ｒａｍａｎ放大器特性

有了上述对ＳＲＳ的理论基础，就可以来分析Ｒａｍａｎ放大器的各个特性参数这些参数主要包括：增益、带宽、噪声以及大功率泵浦特性。

２．２．ＪＲａｍａｎ放大器的增益与饱和特性

在Ｒａｍａｎ放大过程中，信号光通过ＳＲＳ增益从泵浦光得到能量而被放大，同时又被光纤吸收而衰减；而泵浦光通过ＳＲＳ …… 此处隐藏：2254字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……