Performance of Distributed Fiber Raman Amplifier Based on Hybrid Cladding Photonic Crystal Fiber

Abstract

This article presents a feasibility study for using a hybrid cladding photonic crystal fiber as a distributed fiber Raman amplifier based transmission link with negligible confinement losses and flattened dispersion characteristics. The simulation results clearly indicate that a bit error rate of 10^?9 can be maintained at the end of a (4 × 170)-km distributed fiber Raman amplifier link operating with 40 Gbps and 0.6 dBm transmit power if 20 dBm of pump power is used for each span.     

S波段光纤拉曼放大器中级联受激布里渊散射串扰的实验研究

研究了光纤激光器前向抽运的S波段分布式光纤拉曼放大器中级联的受激布里渊散射(SBS)串扰现象。用窄光谱带宽(<100MHz)的可调谐激光二极管作为信号源,通过S波段分布式光纤拉曼放大器,当被放大的信号功率超过单模光纤受激布里渊散射的阈值时,出现了前向受激布里渊散射,这是传导声波布里渊散射在光纤放大器中放大的现象。随着拉曼放大器抽运功率的提高,在斯托克斯区,出现了两阶受激布里渊散射线,在实验中观测到偶数阶的受激布里渊散射谱线功率大于奇数阶的布里渊一瑞利散射线。当进一步增加拉曼放大器的抽运功率,出现了前向级联的多阶受激布里渊散射现象,拉曼放大器的增益下降,被放大的信号功率转换为受激布里渊散射,噪声变大。受激布里渊散射的串扰破坏了拉曼放大器的特性,使拉曼放大器无法在密集波分复用光纤传输系统中使用,因此需要严格地控制入纤的信号功率和放大器的抽运功率。在实验中还观测到在光纤拉曼放大器中被放大的信号光和受激布里渊散射线两侧的伴线。     

抽运方式对混合拉曼光纤放大器性能的影响

通过实验比较了前向抽运拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器组成的混合放大器、后向抽运拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器组成的混合放大器的性能。实验采用75km标准单模光纤作为增益介质。采用20信道(符合ITU-T建议的波分复用信号)，波长为1537．377～1560．605nm，作为混合放大器的测试信号。20信道总功率-2．86dBm，每一信道用2．5Gb／s、码长2^7-1的非归零码通过电吸收调制器(EA)进行外调制。实验结果表明，前向抽运方式混合放大器的性能优于后向抽运方式的混合放大器，其中噪声系数的改善值为2．28～6．55dB。采用前向抽运时，各信道的增益同后向抽运相比，增加值均大于5dB。但不论采取那种抽运方式，采用混合放大的形式，各信道的光信噪比均大于26．9dB。     

布里渊放大器中Stokes光的高增益放大

微小Stokes信号光在布里渊放大器中得到放大,当Stokes信号光强度为015mj时,增益系数达到67。Stokes光增益决定于Stokes信号光强度及放大池中泵光与Stokes光的耦合程度,小信号Stokes光将得到较大的增益,并能得到较好的相位共轭效果     

1410 nm波段分布式光纤拉曼增益放大器的研究

讨论了分布式光纤拉曼增益放大器的工作原理,采用1320nm固体激光器作为抽运源,获得了1410nm波段附近的光放大,在单模GI光纤长度为23km时,初步研究了拉曼放大器增益与光纤作用长度的关系,抽运脉冲峰值功率分别为50W、30W时,光纤的有效作用长度分别为15．5km和10.5km;研究了在不同的光纤有效作用长度时,拉曼放大器增益与抽运功率的关系;从光纤拉曼光谱图估算了光纤拉曼放大器的光谱宽度为50nm或250cm^-1。     

拉曼光纤放大器增益谱特性研究

分析了影响拉曼光纤放大器增益谱的几个因素。在四抽运激光器抽运时，模拟了多抽运激光器抽运时的拉曼增益谱特性。实验中，采用增益平坦滤波器和功率分配两种方法实现增益谱平坦，指出了功率分配方法的优势。     

Modulation Frequency Characteristics of Erbium-Doped Fiber Amplifier

The modulation frequency characteristics of an erbium-doped fiber amplifier are analyzed theoretically and experimentally for various values of modulation frequency. The theoretical predictions by the approximate equations in the low and high frequency modulation and that by the Runge-Kutta method for all modulation frequencies are in good agreement with the experimental results. In the low frequency modulation, the population inversion is depleted because of the saturation effect due to the instantaneous power of the incident light, and a distorted output is obtained without phase delay. In the high frequency modulation, the linear amplification is obtained with the gain depletion determined by the time averaged power of the incident signal. In the intermediate frequency modulation, the highly distorted output is obtained with phase delay.     

Langevin Treatment of Atomic Coherence Effect on Hybrid Erbium-doped Fiber Amplification

The effects of atomic coherence on hybrid erbium-doped fiber amplifier (HEDFA) pumped simultaneously by two diode lasers with different frequencies are studied by using Langevin quantum theory. The expressions of coherence and incoherence gain are derived. The theoretical results show that HEDFA has a near flat bandwidth response from 1531 to 1568 nm and large coherence gain under the conditions of low temperature and small detuning.     

光纤参变放大器光纤长度的优化设计

随着高输出功率掺铒光纤放大器和高非线性光纤的出现和使用,光纤参变放大器(OPAs)中出现了越来越多的增益饱和现象,这是光放大器中应该尽量避免的。对此,提出了依据光纤参变放大器的光纤非线性系数、抽运光功率、信号输入功率等参量对光纤长度进行优化设计的解决思路。明确提出最佳光纤长度的概念,即在其他参量一定的情况下使信号增益或信号输出功率达到最大所需的最小光纤长度,而且最佳光纤长度有利于提高光纤参变放大的增益带宽和波长转换带宽。通过数值积分求解描述光纤参变放大过程的非线性耦合方程,并运用控制变量法深入研究了最佳光纤长度与光纤非线性系数、抽运光功率、信号输入功率的关系。最后用最小二乘法进行数据拟合确定系数,得到简洁、实用的最佳光纤长度解析表达式。与已有实验结果比较表明,该解析式可很好地用来计算和优化光纤参变放大的光纤长度。     

Langevin Treatment of Atomic Coherence Effect on Hybrid Erbium doped Fiber Amplification

１　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｏｒｑｕａｎｔｕｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｈａｓａｄｖａｎｃｅｄｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔｓｏｆｌａｓｅｒｗｉｔｈｏｕｔｉｎｖｅｒｓｉｏｎ［１,４］,ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｉｎｄｕｃｅｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ［２］,ｅｎｈａｎｃｅｄｉｎｄｅｘｏｆｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ［３］,ａｎｄｏｔｈｅｒｓ［５,６］．Ａｔｏｍｉｃｃｏｈｅｒｅｎｃｅａｎｄｌａｓｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔ…     

双频激光泵浦光纤放大器中的原子相干效应

用密度矩阵的方法从理论上分析了不同频率的两个激光场混合泵浦的光纤放大器中，由光场诱导的原子相干效应。并由此引入相干修正因子，通过修正的速率方程讨论了两光场与原子的相干作用对放大器增益的影响。     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

喇曼光纤放大器结构对性能的影响

详细分析了拉曼光纤放大器的结构对性能的影响.基于受激喇曼散射效应中泵浦光与信号光之间相互作用的常微分方程,进行了数值模拟.模拟结果表明,喇曼光纤放大器结构对性能有着非常大的影响作用.后向泵浦结构,输出信号的光功率相对高于前向泵浦输出信号的光功率.当不考虑泵浦波动时,前向泵浦结构输出信号的信噪比高于后向输出信号的信噪比.在任何一种泵浦结构中都可获得高于41dB信噪比.设计了一种后向泵浦、增益平坦的放大器.该放大器可以实现90km、40×10Gbit/s复用信号的无损传输,增益波动小于1.2dB.     

色散位移光纤中拉曼散射与参量放大增益谱

由斯托克斯波和反斯托克斯波所满足的耦合微分方程,考虑泵浦波是线偏振光,其偏振方向沿x轴,推导出了同偏振方向受激拉曼散射和参量放大同时作用下,斯托克斯波和反斯托克斯波的增益谱.引入平行拉曼散射增益系数的洛伦兹模型,研究了色散位移光纤中斯托克斯波和反斯托克斯波的增益谱随相关参数的变化关系.结果表明,斯托克斯波与反斯托克斯波...     

Optimization of a Raman/EDFA hybrid amplifier based on dual-order stimulated Raman scattering using a single-pump

Based on dual-order stimulated Raman scattering (SRS) of a single 1395 nm Raman fiber laser in 75 km single mode fiber and its corresponding dispersion compensation module, a hybrid Raman/Erbium doped fiber amplifier (EDFA) for long wavelength band (L-band) amplification is realized by inserting a segment of EDF within the span. By comparing the performance of gain and noise in four hybrid amplifiers with different span configurations, we find that the distribution of the secondary L-band amplification obtained from the EDF along the link has a great influence on the performance of the hybrid amplifier. Both gain and noise performance of hybrid amplifier can be improved significantly by optimizing the location of the EDF. Moreover, we can extend the flat gain bandwidth from L-band to central wavelength band (C-band) plus L-band by recycling the residual first-order SRS to pump a segment of EDF with proper length.     

反向抽运光纤喇曼放大器增益特性分析

将打靶法和龙格库塔法两种数值计算方法相结合,对反向抽运光纤喇曼放大器中信号光和抽运光相互作用的耦合微分方程进行数值求解.在分别选取不同参量且取不同值的条件下,详细分析了光纤长度、初始信号光功率、初始抽运光功率、光纤有效面积、喇曼增益系数及光纤对信号光与抽运光的损耗等参量对增益的影响,最后提出了有效提高增益的方法.     

双向抽运拉曼光纤放大器性能的研究

对双向抽运拉曼光纤放大器(RFA)的噪声特性、增益饱和及抽运功率转换效率进行了详细研究。结果表明,双向抽运拉曼光纤放大器的噪声特性介于前向抽运与后向抽运之间,但主要取决于前向抽运方式所导致的噪声特性;双向抽运方式的饱和功率低于单向抽运方式的饱和功率,同前向抽运与后向抽运提供的增益比例有关;双向抽运方式的抽运功率转换效率同信号光功率及前、后向抽运提供的增益有关,当信号光功率较低时,增加前向抽运的比例可取得较高的抽运功率转换效率,而信号光功率较高时,增加后向抽运的比例可取得较高的抽运功率转换效率。研究一种配置(情况3)的双向抽运拉曼光纤放大器,可以完全补偿100km传输线路的损耗(包括无源器件的损耗),最低光信噪比为30．21dB。     

相位调制信号对窄线宽光纤放大器线宽特性和受激布里渊散射阈值的影响

高功率窄线宽光纤放大器的输出功率主要受限于受激布里渊散射(SBS)效应,通过相位调制进行线宽展宽可以有效抑制SBS效应.基于窄线宽光纤放大器中的SBS动力学模型,研究了正弦信号、白噪声信号和伪随机编码信号(PRBS)对窄线宽光纤放大器光谱特性与SBS阈值的影响.研究发现,采用不同信号进行相位调制时,调制频率和调制深度等参数对调制后激光光谱的谱线间隔、谱线数目与光谱平整度的影响存在较大差异,进而影响放大器的线宽特性和SBS阈值.通过对比分析,给出了调制信号的类型选择和参数优化原则,能够为窄线宽光纤放大器的相位调制系统设计提供参考.     

掺铒光纤放大器的增益特性

采用980nm无铝InGaAs/InGAsP/InGaP高功率量子阱激光器泵浦掺铒光纤放大器。在泵浦功率为20mW时,增益为33dB,最大增益系数6．7dB/mW,饱和输出功率为6dBm,并给出掺铒光纤长度和泵浦功率与增益特性的关系。以及输出功率与增益特性的关系。     

光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统的影响

报道了光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA)的影响. 实验表明,光脉冲编码能够在保证较高空间分辨率的同时减小布里渊频移的不确定性. 实验实现了49.6 km传感距离, 在整段传感光纤上温度分辨率1 ℃,空间分辨率2.5 m. 本文实验测量并分析了系统的信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼散射 布里渊增益 布里渊光时域分析系统(BOTDA)