宽带光纤拉曼放大器的优化设计

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1、宽带光纤拉曼放大器的优化设计

2、第1内容加载中...　宽带光纤拉曼放大器的优化设计陶在红，常建华，孙小菡，张明德（东南大学电子工程系，南京　210096）　摘要：研究优化设计宽带光纤拉曼放大器平坦增益带宽的方法。通过研究多波长后向泵浦光纤拉曼放大器的传输方程，分别用模拟煺火算法及四阶阿当方法迭代出各泵浦波频率及输入功率的大小。可设计出满足增益平坦度要求的宽带光纤拉曼放大器。设计了两个光纤拉曼放大器，一个采用双波长泵浦，得到的平坦增益带宽为50nm，增益不平坦度小于1dB。另一个采用四波长泵浦，得到的平坦增益带宽为80nm，增益不平坦度小于1dB

3、。所得结果证明提出的优化设计方法对于设计多波长泵浦平坦增益带宽光纤拉曼放大器是一种有效的方法。关键词：光纤喇曼放大器；平坦增益带宽；模拟煺火算法；后向泵浦随着宽带业务的增长和技术的迅猛发展，人们需要更宽增益带宽的光纤放大器。目前在光网络中使用最多的是掺铒光纤放大器（EDFA），它的工作窗口已日渐不能满足更高带宽的需求。伴随着高功率半导体泵浦源的解决，光纤拉曼放大器（FRA）成为宽带光纤放大器的研究热点。光纤拉曼放大器是利用受激拉曼散射效应以光纤作为增益介质而实现的全光放大器。在实际的应用中，有多个信号波长，并要求各信号光应有同等的增益，所以光

4、放大器的增益平坦度是传输系统设计中的一个重要参数，必须对FRA进行优化设计，使其具有较宽的平坦增益带宽。目前主要采用两种方法拓展放大器的平坦增益带宽：一种是混合光纤放大器［1］。其中最主要的是用EDFA与FRA相结合的方法。通过设计，使FRA的频谱与EDFA的频谱互补，再加上增益均衡器，便可以获得宽平坦增益带宽的光纤放大器。由于EDFA的技术比较成熟，增益高；FRA适合在线放大，二者结合使用，可以减小输入信号的光功率，提高系统的光信噪比。所以混合光纤放大器是一种较好的提高平坦增益带宽的方法。另一种方法就是采用多波长泵浦的FRA。只有将多个不同

5、波长的泵浦激光器合理安排，在合适的泵浦功率分配下，可获得很宽的平坦增益谱。本文研究如何优化设计多波长后向泵浦的FRA，即如何确定各泵浦光的波长及功率大小，使所设计的光纤拉曼放大器具有较好的增益平坦度，并研究泵浦波的多少对增益平坦度的影响。1　理论模型一个完整的多波长泵浦FRA的传输方程为［2］：式中，下标μ，ν表示光频率，上标“＋”与“－”分别表示前向与后向传输波，Pν是在频率ν附近极小的带宽内的光功率，αν是光纤的衰减系数，εν是瑞利散射系数，Aeff是光纤的有效面积，Keff是偏振系数，gμν是频率为ν的光波在频率为μ的光波的泵浦下的拉曼

6、增益，h是普朗克常量，k是玻尔兹曼常量，T是温度。式（1）包括了拉曼增益、泵浦波的损耗、瑞利散射、光纤损耗、自发拉曼散射噪声及温度噪声。可见该方程是一个考虑很全面的方程。但是在设计拉曼放大器时，并不需要考虑所有项，其中光纤损耗和增益项是很重要的。而瑞利散射变化不明显，噪声相对很小，所以这些项对放大器增益谱的形状影响不大。通过以上的分析，在不考虑瑞利散射和噪声的情况下可以把式（1）简化为：且各个波的频率按降序排列。这样便可以得到一个新的方程：对式（3）两边进行积分可得k通道的信号光的增益为：光功率相对泵浦光而言较小，所以信号光之间的相互作用可以

7、忽略不计，这样exp为了要找到一组满足式（5）的νj和Ij，我们采用的是模拟褪火的优化算法［3］。模拟褪火算法是一种模拟金属褪火过程随机搜索方法。模拟褪火过程从第一个“熔解”开始，系统处在一个足够高的温度下，在此温度下几乎所有的随机运动都是可以接受的。接着温度依据“冷凝”规则慢慢下降。在每一个温度点必须经过足够长的时间，系统才能达到稳定状态，最终处在能量最低状态。该算法能很好地解决全局优化问题。