光纤拉曼放大器仿真研究论文.docx

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光纤拉曼放大器仿真研究论文

摘要

随着通信技术的开展，通信波段由C带〔1528－1562nm〕向L带〔1570－1610nm〕和S带〔1485－1520nm〕扩展。

光纤拉曼放大器〔FiberRamanAmplifier，FRA〕基于受激拉曼散射机制，是唯一能在1270nm到1670nm的全波段上进展光放大的器件。

同时，FRA还具有宽带放大特性、噪声系数低以与可用普通光纤作为增益介质等内在优势。

这使得FRA成为近年来研究的热点，在光通信方面有广泛的、极具吸引力的应用前景。

本论文主要内容为通过使用MATLAB对同向拉曼放大器的阈值问题和增益进展研究。

本文通过参考文献中的一些数值，首先对临界泵浦功率进展求解，再改变信号光功率或者泵浦光功率的情况下，在MATLAB中编程得到实现，通过图形分析得到结论：

同一种光纤的拉曼阈值是固定的，它与输入信号光大小无关；并对不同种类的光纤，求解其阈值。

非线性光纤由于非线性效应对信号光放大后泵浦光功率损耗较大；色散补偿光纤和非线性光纤的性能曲线相差不大，只是色散补偿光纤对信号的放大距离增长，且泵浦功率损耗较小。

关键词：

拉曼光纤放大器；受激拉曼散射；拉曼阈值；拉曼增益

Abstract

Nowadays,themunicationbandwidthhasexpandedfromCband（1528-1562nm）toLband（1570-1610nm）andSband（1458-1520nm）duetotherapiddevelopmentofmunications.OpticalFiberRamanFiberRamanamplifiers（Amplifier,FRA）basedonstimulatedRamanscatteringmechanism,istheonly1270nmto1670nminallthewavelengthsoflightamplificationdevice.Meanwhile,FRAalsohavebroadbandamplificationcharacteristics,whosenoisecoefficientislowandfiberasusemongainmediumandotherinternaladvantage.ThismakesFRAbeethehotresearchpointinrecentyears,withextensive,opticalwithattractiveprospect.

RamanthresholdandRamangainhavebeenresearchedatMatlabinthispaper.

Thisarticlethroughreferencetosomeofthenumerical,firstsolvecriticalpumppower,thenchangeopticalpowerorpumpmodulationsignalinthecircumstances,thepoweroftheMatlabprogrammingimplementedbygraphicsanalysis,theconclusion:

thesamekindoffiberRamanthresholdisfixed,ithasnothingtodowiththeinputsignallightsize;Andthedifferentkindsofopticalfiber,solvingthethreshold.Nonlinearopticalfiberduetononlineareffectonsignallightamplificationpumpmodulationisbigger;thepowerlossThedispersionpensationfiberandnonlinearopticalperformancecurvemuchfewer,justthedispersionpensationfibertosignalamplifierdistancegrowth,andpumpslesspowerloss.

Keywords:

Ramanfiberamplifiers；stimulatedRamanscattering；Ramanthreshold；Ramangain

1绪论

随着计算机网络与数据传输服务的飞速开展，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。

光纤拉曼放大器〔FiberRamanAmplifiers,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。

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异，因此，必须对泵浦光的波长和功率进展优化，使信号光得到均匀放大。

尽管光通信技术已经开展到了一个前所未有的阶段，然而，随着Internet的普与和多媒体业务的出现，我们对通信容量的需求仍在不断增加，尤其是交互式业务和多媒体通信更是需要极高的带宽。

目前的光放大器存在着诸如放大带宽较窄、平坦特性差、噪声特性差、与硅光纤连接困难、耦合效率低、不支持长距离传输等问题。

为了适应未来高速大容量光通信系统的要求，必须研究和开发新一代的光纤放大器。

1.2拉曼放大器的历史与现状

拉曼现象在1928年被ChandrasekharaRaman爵士所发现。

利用光纤中的拉曼增益对光信号进展放大，是人们最早研究的光学放大方法。

从1972年首次在光纤中发现受激拉曼散射现象开始，人们对其进展了大量的研究，并对其可能的应用进展了探索。

其应用主要有两个方面：

拉曼光纤激光器和拉曼光纤放大器。

到了20世纪80年代，因为其在光纤通信中的应用潜力，拉曼光纤放大器获得了广泛的重视。

但是，因为拉曼散射是一种非线性效应，所以需要的泵浦功率比拟高，一般需要大于500mW。

在90年代初期，人们又发明了EDFA，EDFA需要的抽运功率比拟低，在1550nm传输窗口中要获得和拉曼光纤放大器相似的增益只需要100mW，拉曼光纤放大器的研究就陷于停顿。

EDFA很快开展成熟并得到了广泛应用。

近年来，随着高功率二极管抽运激光器和光纤光栅技术的开展，泵浦源的问题得到了很好的解决。

拉曼光纤放大器由于其自身固有的优点，以其丰富的商业价值赢得了人们越来越多的重视，成为了通信技术中的新宠儿。

1.3拉曼放大器的应用前景

拉曼放大器最引人注目的地方是它是目前所开发出来的唯一一种光纤基全波段放大器。

FRA作为超带宽放大的核心技术得到更多的关注，Naito.T等人采用1428nm、1439nm、1470nm、1505nm和1535nm的五个泵浦实现了136.6nm带宽的上30×10.0Gbit/s×120km上的传输〔信道间隔达5nm〕，平均增益为10.5dB，平坦度为2dB，不平坦幅度约占平均增益的20％。

虽然与实际应用还有差距〔需要400km～600km的无中继传输距离〕，但是对超带宽多波长泵浦FRA的开展具有奠基作用。

1.4本文所做工作

本文第一章主要介绍了拉曼放大器的历史，现状与开展，拉曼放大器有着独特的优点而被广泛应用。

第二章因研究要使用Matlab仿真，所以在其中对其进展简单的介绍。

第三章主要是对几种光放大器，包括拉曼放大器进展具体介绍，并分析其优缺点与其具体应用方向。

第四章主要介绍了拉曼阈值的理论分析，包括同向拉曼放大器和反向拉曼放大器。

第五章主要是对第三章公式中的泵浦功率进展求解，以进一步仿真拉曼阈值，同时对不同种类的光纤进展了拉曼阈值求解。

第六章总结实验得到的结论。

2Matlab简介

2.1根本功能

MATLAB是矩阵实验室〔MatrixLaboratory〕的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以与数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大局部。

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以与交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以与非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以与必须进展有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言〔如C、Fortran〕的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

2.2Matlab特点与优势

2.2.1Matlab特点

1、高效的数值计算与符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来;　

2、具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;　

3、友好的用户界面与接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌握;　　

4、功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等）,为用户提供了大量方便实用的处理工具。

〔1〕友好的工作平台和编程环境

　　MATLAB由一系列工具组成。

这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。

包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。

随着MATLAB的商业化以与软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。

而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。

简单的编程环境提供了比拟完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够与时地报告出现的错误与进展出错原因分析。

〔2〕简单易用的程序语言

　　Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。

用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序〔M文件〕后再一起运行。

新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言根底上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。

使之更利于非计算机专业的科技人员使用。

而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究与工程计算各个领域的重要原因。

〔3〕强大的科学计算机数据处理能力

　　MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。

其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。

函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。

在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。

在计算要求一样的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。

MATLAB的这些函数集包括从最简单最根本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。

函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程与偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以与建模动态仿真等。

〔4〕出色的图形处理功能

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进展标注和打印。

高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。

可用于科学计算和工程绘图。

新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改良和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能〔例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等〕方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能〔例如图形的光照处理、色度处理以与四维数据的表现等〕，MATLAB同样表现了出色的处理能力。

同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。

另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面〔GUI〕的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

〔5〕应用广泛的模块集合工具箱

　　MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。

一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。

目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型与半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱〔Toolbox〕家族中有了自己的一席之地。

〔6〕实用的程序接口和发布平台

　　新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。

允许用户编写可以和MATLAB进展交互的C或C++语言程序。

另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。

MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。

工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

MATLAB可以用来进展以下各种工作：

　　●数值分析

　　●数值和符号计算

　　●工程与科学绘图

　　●控制系统的设计与仿真

　　●数字图像处理技术

●通讯系统设计与仿真

　MATLAB的应用X围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以与计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱〔单独提供的专用MATLAB函数集〕扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

在后面仿真过程中使用到的函数有定义常量函数；绘图函数：

plot函数:

plot是绘制二维图形的最根本函数，它是针对向量或矩阵的列来绘制曲线的。

也就是说，使用plot函数之前，必须首先定义好曲线上每一点的x与y坐标，常用格式为：

〔1〕plot（x）当x为一向量时，以x元素的值为纵坐标，x的序号为横坐标值绘制曲线。

当x为一实矩阵时，如此以其序号为横坐标，按列绘制每列元素值相对于其序号的曲线，当x为m×n矩阵时，就由n条曲线。

〔2〕plot（x,y）以x元素为横坐标值，y元素为纵坐标值绘制曲线。

〔3〕plot（x,y1,x,y2,…）以公共的x元素为横坐标值，以y1,y2,…元素为纵坐标值绘制多条曲线。

注解函数xlabel（'InputValue'）;%x轴注解；ylabel（'FunctionValue'）;%y轴注解；title（'TwoTrigonometricFunctions'）;%图形标题，其中还有自己定义的cormp和Antirmp等函数。

3拉曼放大器

光纤通信系统的传输距离是由光纤损耗和色散所限制的，传统的光纤长途传输系统需要每隔一定距离就增加一个再生中继器以保证信号质量，这种再生中继器的根本功能是进展光一电一光的转换，在光信号转交为电信号时进展再生、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再将电信号转换回光信号．这种方式存在许多缺点，其结构复杂，费用昂贵。

系统稳定性和可靠性不高，特别是在多信道的光纤通信系统中更为突出，而且使系统的传输容量受到一定的限制．

为了适应光纤通信向高速率、大容量、长距离的方向开展，20世纪80年代出现的光放大器（OA）是光纤通信领域的一次革命．光放大器能对光信号进展直接放大，具有实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以与波长、速率和调制方式透明等优点。

使整个系统更加简单灵活，它的出现和实用化在光纤通信开展历史上具有里程碑意义．

3.2光放大器分类

目前宽带光放大器可简单归纳为三种：

（1）稀土掺杂光纤放大器,包括掺铒光纤放大器（EDFA）,掺铥光纤放大器（TDFA）,以与掺镨光纤放大器（PDFA）；

（2）半导体激光放大器（SOA）；（3）拉曼光纤放大器（FRA）。

稀土掺杂光纤放大器是在光纤的纤芯中掺入铒、镨、铥等稀土元素,通过稀土元素离子的能级跃迁,将泵浦激光能量转化到信号光上,实现对信号光的直接放大。

目前最成熟且在光网络中普遍使用的是掺铒光纤放大器（EDFA），图3.1是EDFA的典型结构。

EDFA在1480～1610nm都存在放大的可能性,但由于与放大相关的上能级的反转分布随波长有很大的不同。

图3.1单泵浦EDFA的典型结构

3.2.2半导体光放大器

放大光信号的另一个可行的方法是采用半导体光放大器〔SOA〕技术。

SOA利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实现相干光放大，其原理和结构与半导体激光器相似。

半导体光放大器的功率不支持长距离传输，但半导体光放大器自有其应用前景，因为它可以接收输入的光信号，改变它的频率，输出新波长，并在此过程中将信号放大，即动态波长变换。

SOA目前仅是光纤放大器的一种补充，主要用作集成放大器以与应用在性能要求不高、本钱很低的光链路中。

3.2.3拉曼放大器

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。

图3.2拉曼放大器的工作原理

图3.2为一个频率为

和

的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过受激拉曼散射效应转移给信号光，使信号光得到放大。

其某某号可以同向输入，也可以反向输入，所以存在2种拉曼放大器，同向拉曼放大器和反向拉曼放大器[1]。

3.4光纤拉曼放大器的根本结构

早在1976年，光纤拉曼放大器就研制成功了，到20世纪80年代得到进一步开展。

图3.3为后向泵浦光纤拉曼放大器的根本结构。

在输入端和输出端各有一个光隔离器，它是一种单向光传输器件，目的是消除各种反射光的干扰，使信号光单向传输。

泵浦光源用于提供能量，光耦合器的作用是将信号光和泵浦光耦合进同一传输光纤中。

光滤波器用来消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比。

此外，在FRA的输出端加长周期光纤光栅制成的增益平坦滤波器（GFF）还可以对放大器的宽带增益谱起到平坦的作用。

图3.3后向泵浦光纤拉曼放大器的根本结构

按照泵浦光传播的方向来分，光纤拉曼放大器可以分为前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦等多种泵浦方式。

图3.3所示的是后向泵浦拉曼放大器的根本结构，图3.4和图3.5别给出了双向泵浦和前向泵浦拉曼放大器的结构图。

在前向泵浦结构中，泵浦光和信号光从同一端注入传输光纤，信号光和泵浦光的串扰较大，噪声性能较差。

而后向泵浦可以抑制泵浦诱发的高频偏振和强度噪声，并能降低传输末端的泵浦光功率，有效的降低单元噪声以与由此引起的光纤非线性效应。

对于普通单模光纤和色散位移光纤，后向泵浦带来的串扰要比前向泵浦低得多。

因此在实际应用中一般采用后向泵浦的方式。

图3.4双向泵浦光纤拉曼放大器的根本结构

图3.5前向泵浦光纤拉曼放大器的根本结构

3.5光纤拉曼放大器优缺点

与其他光纤放大器相比光纤拉曼放大器具有以下几个突出的优点：

〔1〕拉曼放大是一个非谐振过程，增益谱响应仅依赖于泵浦波长和泵浦功率，只要有适宜的泵浦光源，就可得到任意波长的拉曼放大。

〔2〕和大多数介质中在特定频率上产生拉曼增益情况相反，石英光纤中的拉曼增益可在很宽的X围内连续地产生，因此可用作宽带放大器。

〔3〕通过合理选择泵浦波长，可以准确地确定拉曼增益谱形状和增益带宽，在补充和拓展掺铒光纤放大器的增益带宽方面表现出极其诱人的前景。

〔4〕光纤拉曼放大器可与其它如掺铥光纤放大器（TDFA）、掺镨光纤放大器PDFA）等级联，产生宽带、平坦的增益，可用于超宽带波分复用系统。

当然，FRA也有其缺点：

〔1〕泵浦效率较低：

光纤的拉曼增益系数很小，在泵浦光将能量转移到信号光的同时，在几十公里这样长的传输光纤上也有很大一局部能量同时损耗掉了。

另外，较高的转化效率将会使得泵浦介入噪声变大，也限制了效率的提高；

〔2〕需要高泵浦功率；

〔3〕具有很强的偏振依赖性，这就增加了本钱和系统实现的复杂度。

3.6拉曼光纤放大器的应用

由于拉曼光纤放大器具有以上特性，总的说来它主要有如下几方面的用途：

1、提高系统容量。

提高系统容量主要是增加信道复用数，一方面开辟新的传输窗口可以增加信道复用数。

目前商用EDFA的工作波段在1525nm－1625nm,而可以利用的光纤频带还很宽。

要开辟新的传输窗口，就需要有适宜频带的光放大器，RFA的全波段放大特性正好满足要求。

另一方面可通过减小信道间隔来增加信道复用数，但这样会引起四波混频、交叉相位调制作用增强，信道间串扰等，RFA的低噪声特性可在一定程度上用来减小信道间隔。

2、系统升级。

在接收机性能不变的前提下，增加系统的传输速率要保证接收端的误码率不变就必须增加接收端的信噪比。

可采用与前置放大器相配合的RFA来提高信噪比，从而实现系统升级。

3、增加无中断传输距离。

无中断传输距离主要由信噪比决定。

在长距离传输系统中，由EDFA来放大，产生的自发辐射噪声积累起来，导致信噪比的下降，从而限制了无中继传输的距离。

要保持高的信噪比，必须提高信号光的输入功率，这样会引起较强的非线性效应。

而分布式RFA的噪声指数〔NF〕较小，故可用于长距离传输。

4拉曼阈值理论分析

4.1受激拉曼散射效应

一个入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移局部能量，产生另一个低能和低频光子，称为斯托克斯频移光，而剩余的能量被介以分子振动〔光学声子〕的形式吸收，完成振动态之间的跃迁〔见图4.1〕[2]。

图4.1

斯托克斯频移

，由分子振动能级决定，其值决定了SRS的频率X围，对非晶态石英光纤，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可以在较宽的频差

X围〔40THz〕内通过SRS实现信号光的放大。

光纤中考虑泵浦波和斯托克斯波之间的相互作用。

对于连续波情况，此相互作用遵循以下两个耦合方程[3]：

〔4.1〕

〔4.2〕

式中：

，

分别是泵浦光功率和信号光功率；

，

分别是斯托克斯光和泵浦光的频率；

，

分别为斯托克斯频率和泵浦频率上光纤的损耗系数；

，

分别为泵浦光和信号光的横截面。

由于泵浦光信号的变化只要是由损耗项〔〔4.2〕式中右边的最后一项〕的决定，因此可以忽略〔4.2〕式中右边的第一项的影响，因此〔4.2〕式可以写成：

〔4.3〕