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分类号：O437 U D C：D10621-408-(2015)0922-0密级：公开编号：34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 AmplifierAbstractThe 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 引言错误!未定义书签。
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拉曼光纤放⼤器⼀拉曼光纤放⼤器1．拉曼光纤放⼤器出现的背景随着光纤通信技术的进⼀步发展，通信波段由C带（1528-1562nm）向L带（1570-1610nm）和S带（1485-1520nm）扩展。
由于光纤制造技术的发展，可消除在1.37µm附近的损耗⾼峰，因此通信波段有望扩展到从1.2µm-1.7µm的宽⼴范围内。
掺铒光纤放⼤器（EDFA）⽆法满⾜这样的波长范围，⽽拉曼光纤放⼤器却正好可以在此处发挥巨⼤作⽤。
另外拉曼放⼤器因其分布式放⼤特点，不仅能够减弱光纤⾮线性的影响，还能够抑制信噪⽐的劣化，具有更⼤的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放⼤器⾃发辐射噪声低等优点。
随着⾼功率⼆极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，泵浦源问题也得到了较好的解决。
拉曼光纤放⼤器逐渐引起了⼈们的重视，并逐渐在光放⼤器领域占据重要地位，成为光通信领域中的新热点。
2．拉曼光纤放⼤器的⼯作原理受激拉曼散射（SRS）是电磁场与介质相互作⽤的结果。
才能过经典⼒学⾓度解释拉曼散射为：介质分⼦或原⼦在电磁场的策动下做受迫共振，由于介质分⼦具有固有的振荡频率，所以在受迫共振下界将出现频率为策动频率与固有频率的和频和差频振荡，分别对应着反斯v是电磁场的振荡频率，v 是介质分⼦固托克斯分量和斯托克斯分量，如图1所⽰，其中有的振荡频率。
图1 经典拉曼振动谱经典理论⽆法解释反斯托克斯线⽐斯托克斯线的强度弱⼏个数量级且总是先于反斯托克斯线出现的实验结果。
从量⼦⼒学的⾓度能够解释受激拉曼散射。
介质中的分⼦和原⼦在其平衡位置附近振动，将量⼦化的分⼦振动称为声⼦。
⾃发拉曼散射是⼊射光⼦与热声⼦相碰撞的结果。
受激声⼦是在⾃发拉曼散射过程中产⽣的，当⼊射光⼦与这个新添的受激声⼦再次发⽣碰撞时，则再产⽣⼀个斯托克斯光⼦的同时⼜增添⼀个受激声⼦，如此继续下去，便形成⼀个产⽣受激声⼦的雪崩过程。
产⽣受激声⼦过程的关键在于要有⾜够多的⼊射光⼦。
光纤中拉曼放大现象的实验研究宋领赟【摘要】上个世纪末，光纤通信以超出常人的想象的步伐在发展。
光纤传输媒体已经成为一个重要的通信网络。
长途骨干通信系统中必不可少的是信号在光纤中的光学变焦是高容量密集波分复用（DWDM）的传送。
本文主要工作是研究拉曼放大的基本原理及特性，采用信号光波长为1555nm，泵浦光波长分别为1445nm ；1455nm；1535nm 进行实验，得出光谱图及实验数据，对实验结果进行分析，从而实现光纤中的拉曼放大。
【期刊名称】《电子制作》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】2页(P22-22,23)【关键词】拉曼散射;拉曼放大;拉曼光谱【作者】宋领赟【作者单位】绥化学院电气工程学院 152061【正文语种】中文绥化学院校级项目编号K1102003。
光纤是用光导纤维作为信息传输介质，是非线性光学中的主要传输媒介，当同时向光纤射入一个信号光和泵浦光（泵浦光的波长小于信号光）时，由于短波泵浦光在光纤的晶格运动中要消耗一部分功率，泵浦光消耗的功率转换到另一个光束中，这个光束的频率比泵浦光低即波长长。
在这个过程中波长被增长的光称为斯托克斯光。
如果在光纤中输入频率与斯托克斯光相同的光时，就会发现显著的波长转换。
拉曼放大是指当一个波长长的信号光与一个波长短的的泵浦光同时在光纤中传输，并且当信号光波长在传输介质的拉曼增益带宽内，就会使较弱的信号光得到放大，这是因为强的泵浦光能量通过受激拉曼散射能转换的弱的光信号中而实现的。
例如在光纤中传输波长是1550nm的信号光，经光纤传输而光功率衰减，如果在输入端（或输出端）再输入一束强功率的1330nm的泵浦光，则1550nm的信号光的光功率会在很大程度上得到增加。
利用了光纤中的受激拉曼散射现象对光信号进行放大，也是人们在早期就研究过的光学放大方法之一,根据这种方法研制而成光纤拉曼放大器。
拉曼放大器的频谱范围很宽，而且是唯一能在1260nm到1700nm的波长范围内进行放大的器件，现有的掺铒光纤放大器只支持标准的铒窗。
前言：随着通信业务需求的飞速增长，对光纤传输系统的容量和无中继传输距离的要求越来越高。
密集波分复用（DWDM）通信系统的速率和带宽不断提升，以10Gbit/s甚至更高速率为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。
掺铒光纤放大器（EDFA）由于其增益平坦性等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。
而相对于掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器具有更大的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放大器自发辐射噪声低等优点，光纤拉曼放大器是唯一能在1292~1660nm的光谱上进行放大的器件。
并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。
拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman所发现，在此之后就有人提出了利用这种效应来实现光的放大。
但在很长时间内拉曼光纤放大器未能获得广泛应用，甚至在EDFA出现后一度销声匿迹，关键原因在于缺乏合适的大功率泵浦激光器。
由于EDFA的广泛应用，它所用的1480nm大功率泵浦激光器得到了深入的研究和开发，这就使拉曼放大器成为可能。
总体上说解决RFA泵浦源共有3个解决方案：一是大功率LD及其组合，其特点是工作稳定、与光纤耦合效率高、体积小、易集成，是最佳的选择；二是拉曼光纤激光器；三是半导体泵浦固体激光器。
但后二者都存在稳定性及与光纤耦合的问题。
受激拉曼散射原理：在一些非线性介质中，高能量（高频率）的泵浦光散射，将一部分能量转移给另一频率的光束上，频率的下移量是分子的振动模式决定的。
用量子力学可以作如下解释：一个高能量的泵浦光子入射到介质中，被一个分子吸收。
电子先从基态跃迁至虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定的。
然后，虚能级电子在信号光的感应作用下，回到振动态的高能级，同时发出一个和信号光相同频率，相同相位，相同方向的光，我们称之为斯托克斯光子。
从而进行信号光的放大。
拉曼光纤放大器相对于掺铒光纤放大器有明显不同：（1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱；（2）可以利用传输光纤本身作增益介质，此特点使光纤拉曼放大器可以对光信号的放大构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通讯等不方便建立中继站的场合；（3）可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度；（4）具有较低的等效噪声指数，此特点使其与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。
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 AmplifierAbstractThe 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❶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。
❷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。
❸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。
