（光学工程专业论文）光纤喇曼放大器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 当前，光纤通信技术正朝着超高速率、超大容量、超长距离的方向迅速发展，随 着多种信息业务的高速发展。对光纤传输速率、带宽和距离的要求越来越高，对光纤 放大器也提出了更高的要求。传统的掺铒光纤放大器存在带宽较窄、噪声较高等诸多 不足，已不能完全满足需要。光纤喇曼放大器( f r a ，f i b e r r a m a n a m p l i f i e r ) 的放大范围 更宽、噪声指数更低，是满足这些要求的理想产品，是实现高速率、大容量、长距离 光纤传输的关键器件之一。目前喇曼光纤放大器已成为光通信领域中的新热点。 本论文对光纤喇曼放大器进行了详细的理论分析，在此基础上，讨论了光纤喇曼 放大器的光学和电路控制的设计与实现技术，对散热问题提出了新的解决方案，并对 喇曼放大器的性能进行了试验研究。本论文对光纤喇曼放大器的主要研究内容和研究 结果如下： ( 1 ) 阐述了光纤喇曼放大器的理论基础，分析了其光学原理与特性。 ( 2 ) 分析了光纤喇曼放大器的光学设计原理与关键工艺，介绍了相关光学器件的 最新研究成果，并详细讨论了一种新型关键光学器件i p b c d 的原理。 ( 3 ) 对光纤喇曼放大器泵浦源的控制原理和实现方法进行了探讨，给出了控制原 理框图和具体电路。 ( 4 ) 对光纤喇曼放大器实用化中出现的散热问题进行了理论分析，并结合最新的 散热技术给出了解决方案。 ( 5 ) 依据对光纤喇曼放大器的理论分析和实验基础，实现了光纤喇曼放大器的实 用化，并成功的应用于光纤通信系统中。文中给出了详细的测试数据。 关键词：光纤喇曼放大器增益偏振合波消偏器热管 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fe r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) m a k e so p t i c a la m p l i f i c a t i o n c o m et r u ea n di m p r o v e sd w d m s y s t e m s h o w e v e r ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e t ， m u l t i m e d i aa n dc a t vs y s t e m , t h er e q u i r e m e n to fs p e e d ，b a n d w i d t ha n dd i s t a n c eo ff i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e mb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r i ta l s oa s k sf o rh i g h e rp e r f o r m a n c eo f o p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r s t h et r a d i t i o n a le d f ah a ss o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sn a r r o w b a n d w i d t h , h i g hn o i s ef i g u r e ，e t c a n dc a l ln o tf u l f i l lt h en e e d so f t h en e wr e q u i r e m e n t s t h e f i b e rr a m a na m p l i f i e r ( f r a l 、i t hw i d e rb a n d w i d t ha n dl o w e rn o i s ef i g u r ei st h ei d e a l p r o d u c t i o nf o rt h es o l u t i o na n d i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n td e v i c e so f l o n g h a u l ，h i g hs p e e d o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s a tp r e s e n tf r ah a sb e c o m ean e wh o t s p o to fo p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r ya n a l y s i si sd o n eo nt h ef r ad u et ot h ei n c r e a s i n gd e m a n d so f f r ai no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s o nt h eb a s i so f i t ，t h ei m p l e m e n to f o p t i c sa n de l e c t r i c s f i r ed i s c u s s e da n dam e c h a n i c a ld e s i g ni sp r o v i d e d a f t e rt h ee x p e r i m e n ts t u d y , t h eu s a g ea n d f o r e g r o u n do f f r a i si n t r o d u c e d t h ed e t a i l ss h o wa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i ct h e o r yo ff r ai si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h eo p t i c a lt h e o r y a n d p e r f o r m a n c e ( 2 ) t h eo p t i c a ld e s i g no ff r ai sd i s c u s s e da n ds o m en e w e s tr e s e a r c hr e s u l t sa n d d e v i c e sa r ei n t r o d u c e d t h et h e o r yo f l p b c d ，an e wo p t i c a ld e v i c e ，i sd e t a i l e d ，t o o r 3 ) t h ee l e c t r i c a lc o n t r o lo f r p m i sd i s c u s s e da n dt h es c h e m a t i ci sp r o v i d e d ( 4 ) t h et h e o r yo fh e a tp i p ei sd i s c u s s e da n daf u l lt e m p e r a t u r er a d i a t o rs o l u t i o ni s s h o w n ( 5 ) t h ef i n i s h e dp r o d u c to ff r ab a s e do nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n ti su s e di nt h e o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h et e s td a t ai sl i s t e d k e yw o r d s ：f i b e rr a m a na m p l i f i e r g a i ni p b c dh e a tp i p e 独创性声明 y 1 0 1 6 7 0 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：抖屯峭 同期：扣。6 年o 月与d 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密盛。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：。占 必 日期：m 年( o 月日 指导教师签名： 日期 础 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 光传输网的现状和发展趋势 实现超高速率、超大容量、超长距离光纤传输是光纤通信技术的发展趋势。目前 的商用光传输系统速率已达到了1 0 g b ，s ，短短2 0 年，它的增长速度甚至超过了由摩尔 定律定义的微电子技术集成度的增长速度。但是信道速率提高不可能是无限的，采用 密集型波分复用( d w d m ) 技术，在一根光纤中同时传输多个波长的光信号，是实现 超大容量光传输的理想出路。一根光纤能够同时传输数字信号的容量，1 9 9 9 年为1 t b s ， 2 0 0 0 年提高至3 t b s ，2 0 0 1 年在提高至1 0 t b s ，令人信服地表明光纤通信技术确实是 在快速跃进。光的d w d m 技术还表明：通信网为了适应快速增长的通信业务量而加大 网络容量，只有从电通信网进化为光通信网才有可能真证达到目的，所以w d m d w d m 技术还要继续发挥作用。目前，传输总容量为1 6 t b s ( 1 6 0 x 1 0 g w s ) 的w d m 系统已 经开始商用：1 0 9 2 t b s ( 2 7 3 x 4 0 g b s ) 和1 0 2 t b s ( 2 5 6 x 4 0 g b s ) 的两项实验刷新了 传输容量的世界纪录。 2 0 世纪9 0 年代，光纤放大器的出现改变了传统的光电光中继放大方式，有效的 克服了电子技术的速率瓶颈，使得我们可以直接在光纤传输线路上对信号进行在线放 大，光信号的无电中继传输距离得到极大的延长。光纤放大器解决了光纤自身衰减对 光网络传输距离的限制，使密集波分复用与远距离传输成为可能。目前商用的光纤放 大器从类型上主要分为两类：掺铒光纤放大器( e d f a ) 与光纤喇曼放大器( f r a ) 。 ( 1 ) 掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器( e d f a ) 从1 9 9 4 年开始商用，现己成为d w d m 系统的关键器件， 推动了光纤通信向远距离多波道方向的发展。在e d f a 放大器中，泵浦源提供高能量 的光功率，泵浦的能量通过掺铒光纤在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 区域产生增益，从而对1 5 5 0 n m 的光信号实现放大”1 1 2 1 。在光信号放大过程中，所有在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 区域的信号光波 长同时得到增益，因此e d f a 放大器是一种可靠的系统。e d f a 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、噪声系数低、放大特性与系 统比特率和数据格式无关，同时放大多路波长信号等一系列的特性，在长距离波分复 华中科技大学硕士学位论文 用传输系统中得到了广泛的应用。 ( 2 ) 光纤喇曼放大器 与e d f a 放大器不同，喇曼放大器( f r a ) 可以在整个光谱带宽上对信号进行有效的 放大，放大的光谱范围是由泵浦源光波长决定。增益波长由泵浦光波长决定，不受其 它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光，喇曼 放大器是唯一能在1 2 9 2 n m 到1 6 6 0 n m 的光谱上进行放大的器件。喇曼散射效应在所有 类型的光纤上都存在，增益介质为普通的光纤，与各类光纤系统具有良好的兼容性， 包括早己铺设的各种光纤链路和新建的光纤链路。除此以外，喇曼放大器的串扰小、 噪声低、频谱范围宽、响应速度快、温度稳定性好，喇曼放大器可以为长途光传输网 络提供宽带增益。喇曼放大器的以上特性，使其在超远距离光传输系统与长途大容量 系统中扮演着重要的角色。 随着通信业务需求的快速增长，系统运营商对带宽的需求愈来愈大。目前的通信 系统中普遍采用复用技术以增加光纤中可传输信息的容量和传输距离。在各种复用技 术中，电时分复用和波分复用相结合( e ) m + w d m ) 的方法较为成熟并获得了大量 的应用。一方面对电信号时分复用，单信道的电信号速率由2 5 g b s 一1 0 g b s - - 4 0 g b s ； 另一方面，复用的信道数不断提升，1 6 波- - 3 2 波- - 4 0 波- - 8 0 波一1 6 0 波这样就可 以极大限度的提高传输速率。 但是随着传输系统容量和传输速率的大幅度提高，系统对o s n r 的要求也越来越 高，传统的通信器件已经不能满足要求，通信设备制造商亟需寻找能够改善信噪比的 新方法、新器件。分布式光纤喇曼放大器正好可以解决这一难题。 1 2 光纤喇曼放大器简介 喇曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应受激喇曼散射( s r s ) 。喇 曼现象早在1 9 2 8 年就被c h a n d r a s e k h a r ar a m a n 爵士所发现。目前对s r s 效应的研究已 形成一套比较完整的理论体系。在早期单模光纤中首先测得了石英光纤中的喇曼增益 谱，其增益谱的典型特征是具有较宽的带宽，可在很宽的范围内获得喇曼增益。对于 一定的喇曼增益，输出端的喇曼散射光强与泵浦光功率和有效放大长度成正比，与光 纤的有效截面积成反比。进一步的研究发现，泵浦光与斯托克斯色散光的偏振方向是 2 华中科技大学硕士学位论文 否一致对喇曼过程影响很大，因而该放大过程是偏振相关的。 1 9 6 2 年在观察到s r s 效应后不久，有关喇曼光纤放大器的研究便开始了。1 9 7 2 年s t o l e n 等在单模光纤的受激喇曼散射实验中测得了石英光纤的喇曼增益系数谱1 3 0 1 ， 初期的研究主要侧重于研制喇曼光纤激光器1 3 1 ；8 0 年代在光纤通信应用的推动下丌始 研究喇曼光纤放大器。1 9 8 1 年i k e d a 采用1 0 1 7 m 的泵浦光放大1 0 6 4t lm 的信号光， 经1 3 k m 单模光纤放大获得了3 0 d b 小信号增益 4 1 ；1 9 8 3 年d e s u r v k e 等用2 4 k m 的单 模光纤放大1 2 4 | im 的光信号，获得4 5 d b 的小信号增益【5 l ；1 9 8 6 年o l s s o n 用喇曼光 纤放大器作为光纤通信系统接收机的前置放大器【6 】；1 9 8 7 年e d a g a w a 研究了喇曼光纤 放大器的宽带多信道放大特性 7 1 ；1 9 9 9 年喇曼光纤放大器成功的应用于d w d m 系统， b e l l 试验室演示了喇曼放大结合e d f a 的4 0 x 4 0 g b i t s ( 1 6 t b i 体) 1 0 0 k m 的传输系纠引。 从此，喇曼光纤放大器所固有的全波段可放大特性和可利用传输光纤在线放大的优点 使其进一步受到广泛关注。2 0 0 2 年1 月底，应用分布式喇曼放大技术，阿尔卡特公司成 功地实现了1 2 8 x 4 0 0 b i t s ( 在c 和l b a n d 上) 1 5 0 0 k m 的远程传输系统试验。 目前关于喇曼放大器应用于宽带放大的很多，总结起来主要有三种情况1 2 7 】。一是 喇曼放大器独立使用，采用多波长泵浦，形成宽带放大；二是喇曼放大器和e d f a 构 成混合放大器，再加上增益均衡器平坦增益以获得高增益的宽带放大【2 即；三是用喇曼 放大器制成有源无损器件或动态均衡器件。 现在，国内外一些大的通信厂商都在积极研究开发喇曼放大器在波分复用系统中 的功能与作用。从目前的应用实例和实验结果表明，将喇曼放大器和e d f a 结合而形 成的混合放大器具有明显的优势，采用混合放大器更能够显著提高线路的o s n r l 2 9 1 。 s i e m e n s 公司的1 6 0 1 0 g b i t s 系统在不采用喇曼放大器仅采用前向纠错功能时的工程 设计规则为1x 3 2 、5 x 2 6 、1 2 x 2 0 ( g 6 5 2 光纤) ，而在前向纠错的基础上加上喇曼放 大器后系统则改善到1 3 8 、5 x 3 2 、1 2 x 2 6 ( g 6 5 2 光纤) 。l u c e n t 公司采用对应s 、 c 、l 的3 b a n d 喇曼放大器，成功地将4 0 1 0 g b i t s 的数据容量传输到了6 0 0 k m 以外。 s y c a m o r e 公司采用喇曼放大与前向纠错设计的最长无中继距离为4 0 0 0 k m 。而采用了喇 曼放大器之后a l c a t e l 公司的3 2x4 0 g b i t l s 系统单段传输距离可达2 5 0 k m 。喇曼放大器 的市场规模已从1 9 9 9 年的8 8 0 万美元增到2 0 0 4 年的7 5 亿美元。随着技术的成熟和 华中科技大学硕士学位论文 产品成本的下降，喇曼放大器将在通信市场上得到广泛的应用。 1 3 光纤喇曼放大器的原理和特点 喇曼放大是光纤非线性效应所引起的受激喇曼散射现象的应用。当光强很高时， 光纤的非线性效应逐渐明显，高能量( 波长较短) 的泵浦光发生散射，将- 4 , 部分入 射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为 喇曼效应。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于 泵浦光的喇曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大。它的能级结构如图1 1 所示。这 种基于受激喇曼散射机制的光放大器称为喇曼光纤放大器。 图1 - 1受激喇曼散射的能级图 喇曼放大有以下一些特点： ( 1 ) 增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以对任意波长 的信号实现放大。这样喇曼光纤放大器可以放大e d f a 所不能放大的波段，使用多个 泵源还可得到比e d f a 宽得多的增益带宽( 后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只 有8 0 r i m ) 。 ( 2 ) 增益介质可以为传输光纤本身。它可以对光信号进行在线放大，构成分布式放 大，实现长距离的无中继传输或远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中 继器的场合。由于放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比 较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频( f w m ) 效应的干扰。 ( 3 ) 噪声指数低。它与常规e d f a 混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传 输跨距。 ( 4 ) 喇曼放大器的饱和功率高；增益调整的方式多样( 可通过选择泵浦波长和强度) ； 喇曼放大的作用时间短( 亚皮秒级) ，可实现对超短脉冲的放大。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文主要讨论的内容 本课题作为湖北省重点科技攻关项目之一，获得了国家8 6 3 计划的项目资金资助， 也是烽火科技1 6 t b i t s 系统研究中的主题之一。 本论文的主要内容包括： ( 1 ) 喇曼放大的原理与应用； ( 2 ) 喇曼放大器的设计； ( 3 ) 喇曼放大器中重要光器件的介绍； “) 分布式喇曼放大器的试验和分析； 论文的写作过程也是作者的学习过程。文中涉及许多国内外学者和工程人员的研 究成果，也有作者的一些观点。文中若有错误，恳请各位不吝指正。 华中科技大学硕士学位论文 2 光纤喇曼放大器的理论研究 2 1 喇曼放大的原理 2 1 1 斯托克斯波的产生 在许多非线性光学介质中，高能量( 波长较短) 的泵浦光散射，将- - d , 部分入射 功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为喇 曼效应 9 1 。量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子， 同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生成为斯托克斯波、反斯托克 斯波的频谱光。喇曼散射的能级如图2 1 所示。 l p l v 图2 1喇曼散射能级图 2 1 2 受激喇曼放大的原理和特点 介质分子将一部分入射光功率转移到另一频率下移的光波，频率下移量由介质的振 动模式决定的过程称为喇曼散射。1 9 6 2 年人们用很强的光泵浦并观察到介质中斯托克 斯波的迅速增长，以至大部分泵浦能量转移到斯托克斯波上，此现象称为受激喇曼散 射( 反斯托克斯光发生的概率较低，以致在试验中几乎观察不到) 。 对于自发散射，由于散射粒子的运动是无规则的，因此散射光子是非相干的；受 激散射则情况不同。斯托克斯散射过程可以这样来描述：入射的相干光子与一个无规 则运动的粒子碰撞，产生一个斯托克斯光子及一个受激态粒子；此受激态粒子再与入 射光子碰撞又产生一个斯托克斯光子及一个受激态粒子。新产生的受激态粒子继续与 入射光子碰撞产生斯托克斯光子。此过程不断继续下去，形成一个产生斯托克斯散射 光子及受激态粒子的雪崩过程。在受激散射过程中新产生的斯托克斯散射光子及受激 态粒子同原斯托克斯散射光子及受激态粒子是同相位的。因此这是一个受激放大过程。 6 华中科技大学硕士学位论文 与普通喇曼散射相比，受激喇曼散射具有以下一些独特的性质： ( 1 ) 阈值特性。仅当入射光强超过一定的激励阂值后才能发生受激喇曼散射效应。 ( 2 ) 良好的方向性。受激喇曼散射光的空间发散角明显变小，可达到与入射激光束 相近的发散角。 ( 3 ) 高的光谱单色性。受激喇曼散射光的光谱宽度明显变窄，可达到与入射激光相 当或更窄的程度。 ( 4 ) 高亮度特性。受激喇曼散射光强度可以达到与入射激光束光强相比拟的程度。 ( 5 ) 响应时间短。受激喇曼散射的响应时间只有亚皮秒数量级，因此，受激喇曼散 射光的时间变化规律与入射激光的时间变化规律相似。 ( 6 ) 双向散射。受激喇曼散射光强度在与入射激光传输方向相同和相反的方向上同 时取得最大。 ( 7 ) 偏振特性。受激喇曼散射光的偏振方向与入射激光相同时，两者作用最强烈； 二者方向垂直时，两者不发生作用。 2 1 3 光纤的喇曼增益谱和多级斯托克斯波 石英光纤中的喇曼增益可在很宽的范围内连续的产生，增益有一个很宽的频率范 围( 达4 0 t h z ) ，并且在1 3 2 t h z 附近有一个很宽的主峰。因为这一特性，光纤可用作 宽带放大器。图2 2 为相对于1 4 5 5 n m 的泵浦波长( 泵浦几乎完全消偏，偏振度 # 黑y | 插针 图3 1 0i p b c d 原理示意图 华中科技大学硕士学位论文 l m ，| i l f l 岚v 鹾v0 l 一 一 诚长o n ( a ) 泵浦激光器光谱 j l 1纛。 i 、! 、刍 r 、1 置 1i ；i2 、k r va ￥vv v ”蚺 ( b ) 经过i p b c d 后的泵浦光偏振度与晶体长度艾系曲线 图3 - 11i p b c d 对泵浦光的消偏效果 i p b c d 的合波是利用了晶体的双折射现象。通过插针的调节，在进入透镜之前两 束光的偏振态被调节到相互垂直，再通过晶体( 楔角片) 合为一束光，即实现了合波。 然后将这束仍然带有偏振态的光射入另一块长度为l 的晶体，完成消偏。i p b c d 对泵 浦光的消偏效果如图( 3 1 1 ) 所示。 3 2 3 信号、泵浦合波器( w d m ) 该器件基于介质薄膜技术，用于连接泵浦光模块和传输光纤，从而构成分布式喇 曼放大器。它的工作带宽应包括信号波长带和泵浦波长带，并在二者问设立。个隔离 保护带。常用w d m 器件如图3 1 2 所示。 图3 1 2w d m 外观图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 喇曼泵浦模块( r p m ) 的设计 一般说来，喇曼泵浦模块包括光路和电路两个部分。光路部分主要用来尽可能高效 率( 能量转换效率) 的将泵浦能量耦合进光纤，同时还需对信号和泵浦光的有无进行 在线监测( 见图3 1 3 ) ；电路部分包括激光器的驱动和制冷电路，驱动、制冷电流和温 度的检测电路，放大器行为异常处理电路等。同时，放大器一般提供通用的控制接口 ( 如r s 2 3 2 ) ，用户可以对放大器进行调试、远程控制和监控它的运行情况。 泉浦监控i参数设置象浦监控2信号光监控 输 ；- - - - _ - - - - - - - - o 图3 1 3 喇曼泵浦模块典型光路图 3 3 1 光路设计 在实际中，作为增益介质的传输光纤是给定的。器件供应者提供的是喇曼泵浦模 块，它的作用是将泵浦光耦合进光纤，从而构成分布式喇曼放大器。 放大器设计依赖于系统的具体要求，它自身的设计要针对不同的网络结构、不同 的传输光纤类型和系统整体传输容量等。至今，光放大器的设计尚未标准化，而且很 可能以后一段时间仍然是这种情况。 为获得更好的性能，分布式喇曼放大器现在采用了泵浦偏振复用和波长复用相结 合的方案，从而产生了更复杂结构的多级光放大器( 参见图3 - 1 4 ) 。当然，结构的设计 是为性能服务的，简单的设计结构若能实现系统要求，既节省了成本，也简化了放大 器的制作和维护。 华中科技大学硕士学位论文 目前，制做多级放大器需要的一系列光无源器件已基本实用化。泵浦稳频器、偏 振复用合波器、波长复用合波器、泵浦信号合波器、增益平坦滤波器( g f f ) 等绝大 多数器件可以适应不同的放大器结构设计，满足9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 泵浦e d f a 和c 、l 、 s 波段喇曼放大器的具体参数要求。 图3 一1 4 分布式喇曼放大器示意图 图3 1 5 是我们结合目前的市场情况研制的1 台c - - b a n d 喇曼光纤放大器泵浦模块 样机。 圈3 1 5 喇曼光纤放大器泵浦源( r p m ) 3 3 2电路设计 从光纤喇曼放大器的光学设计中可以看出，激光器是最为核心的器件。激光器的 控制水平将直接影响泵浦源的波长稳定性、谱线宽度、功率稳定性以及使用寿命，直 华中科技大学硕士学位论文 接决定了光纤喇曼放大器的性能好坏。因此，如何稳定、可靠的控制每一个激光器是 整个电路设计的关键。 ( 1 ) 光纤喇曼放大器泵浦源的线性驱动电路 泵浦源的驱动采用线性驱动方式进行。使用大功率三极管f z t 8 6 9 。该三极管的最 大可持续电流为7 a ，已经足够满足激光器驱动电流( 2 a ) 要求。 图3 1 6 所示为我们使用的一种泵浦源驱动电路。u l 是高速、低噪声的单电源供电 运算放大器。r 2 是l q i 的精密电阻，额定功率为2 w ，最大可以通过2 a 以上的电 流。c i 是滤波电容，以减少电路噪声的干扰；c 2 ，c 3 的作用是滤波和储能。电阻r 3 ，r 4 用来分压以提高电流控制的精度，需选用精密电阻。 + w 图3 - 1 6 泵浦源的线性驱动电路 由电路分析可知，流经泵浦源的电流大小为： i = v 髟r 2 ( 3 - 4 ) 通过控制v s e t 即可实现对泵浦电流的调节。这种线性驱动的优点是：电路控制简 单，成本较低；易于实现，通过选取合适的电路搭配，很容易实现大电流驱动；电流 分辨率高；电路纹波较低，利于泵浦源的稳定。 ( 2 ) 光纤喇曼放大器泵浦源的激光器温度控制 激光器的温度通过t e c ( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ，热电制冷器) 控制实现。典型的 华中科技大学硕士学位论文 激光器t e c 电路如图3 1 7 所示。 其中，r 抽是激光器的热敏电阻，用来探测激光器的管芯( c h i p ) 温度；r - r v _ c 是激 光器的制冷器内阻，制冷器用来调节l d 温度。p i d 的电路作用是调节反馈速度，使电 路可以稳定的工作。v 4 0 9 6 是一个4 0 9 6 v 的电压基准；v 2 0 4 8 是一个2 0 4 8 v 的电压 基准。 图3 - 1 7 激光器制冷( t e c ) 电路 这套t e c 制冷电路的优点是：电路结构简单，效率高，且温控反馈速度快，精度 高。使用这一套电路，管芯温度的控制水平可以达到0 0 5 c ，足够满足光纤喇曼放大 器对泵浦源管芯温度的控制要求。 由原理可知，r l 阻值决定了管芯温度控制点。选择r l = 1 0 k ，可以将管芯温度控 制在2 5 。如果需要实现激光器管芯温度可调，只需要知道相应温度下的激光器热敏 电阻值，更换r l 阻值与该热敏电阻阻值相同就可以实现。 ( 3 ) 光纤喇曼放大器泵浦源的控制框图 光纤喇曼放大器的电路控制，除了激光器的控制之外，还需要完成其他的一些工 作，比如工作参数的监控，工作模式的调节，以及与外界的通讯等等。因此，要完成 这些功能，我们还需要增加相关的电路模块。 下图是比较典型的光纤喇曼放大器泵浦源控制框图： 华中科技大学硕士学位论文 圈3 - 1 8 光纤喇曼放大器电路控制框图 图中，d a 为数模转换器，用来输出一个线性电压，以控制泵浦驱动电流大小。 理论上需要为每一个泵浦单独配置一套完整的驱动电路( d a + 驱动单元) 。a d 为模数 转换器，主要用来进行各监控量的采集。因为需要采集的监控量较多，最好选用多通 道a d 转换芯片，以简化电路设计，同时也可以降低电路成本。为了进行光功率监控， 我们一般采用光电探测器p i n 及相应的放大电路来实现。对于要求不高的系统，我们 一般只监控总光口的光功率。但随着通信系统的发展，对光纤喇曼放大器的功能要求 也不断增多，例如，图3 1 4 所示的光路结构中，就额外增加了回光损耗监控p i n 和泵 浦功率监控p i n 。随着光学结构和功能的复杂，监控点也将越来越多，但是它们的原 理都是一样的。 整个电路中最核心的部分是单片机( m c u ) 控制单元。m c u 负责内部流程的执行， 通过数据总线控制d a 和m d 芯片的工作，完成激光器电流的设置和数据采集，必要 时还需要根据收集到的数据对r p m 进行工作状态的相应调整；同时，m c u 还要响应 外界( 网管、p c 机等) 通讯，上报r p m 状态信息，接受外界指令并执行。因此，电 路设计中必须保证m c u 单元电路的可靠。 3 3 3 结构设计 前面我们已经知道，喇曼泵浦模块是一个高功耗器件。特别是在极限工作条件下 华中科技大学硕士学位论文 ( 寿命终了时与高温环境中) ，功耗会迅速增大，发热量也会显著上升。因此，散热设 计成为光纤喇曼放大器机械设计中最为重要的环节。根据计算，一台典型的光纤喇曼 放大器的总功耗约为3 6 w ，其中只有约o 8 w 转换为光能量( 泵浦电一光转换) ，其余 的都转化为了热量。发热量约为3 5 2 w ( = 3 6 w - 0 8 w ) 。如此巨大的发热量，对于系 统的散热提出了很高的要求。随着光通信行业对于光器件小型化的需求不断增加，模 块式光纤喇曼放大器的散热问题显得尤为突出。 我们解决散热问题需同时考虑两方面的因素： ( 1 ) 减小自身发热量，提高器件效率。尽量选择小电流、小功耗的芯片，必要时 还可以选择带有休眠功能的芯片，以降低静态功耗。 ( 2 ) 改善散热设计。对于改善散热设计，在我们最初的设计主要是处理散热片， 比如调整散热片高度，改变散热片厚度和材质等等。图3 1 9 是我们根据客户要求设计 的一种光纤喇曼放大器外观示意图。该光纤喇曼放大器模块包含4 个激光器。按照常 规设计方案，模块盒采用铝质材料，以减轻整体重量；同时，为了较少模块发热量， 我们对激光器驱动采用p w m 方式，并在通过机械加工在模块外壳上( 顶部) 制作了 散热片。 图3 一1 9 光纤喇曼放大器的外观 我们通过软件模拟对这种设计进行了热分析。模拟分析条件为：环境温度6 0 ， 风速1 5 m s 。热分析结果如图3 2 0 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 0 常规光纤喇曼放大器模块热分析结果 可以看到，现有状况下，在6 0 的环境中，发热芯片的最高结温接近8 7 度( 激光 器附近区域) ，并且整个散热器的热流分布很不均匀，从而导致散热器的效率很低。即 使在通风良好的环境中，环境温度5 5 时，模块盒温度也超出了8 0 。 热分析和实际使用的结果表明，普通的散热手段是没有办法解决光纤喇曼放大器 模块的散热难题的。为此，我们在后期的改进设计中首次使用了一项新技术一热管1 2 4 1 。 热管( h e a t p i p e ) ，又名热导管或超导管。热管的简单工作原理如图( 3 2 1 ) 。从 热力学的角度看，物体的吸热、放热是相对的，只要有温度差存在，就必然出现热从 高温处向低温处传递的现象，有差别的只是传导速度。热传递有3 种方式：辐射、对 流、传导，其中热传导最快。热管一端受热时，管内工质汽化，从热源吸收汽化热， 汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结，向散热区放出潜热。冷凝液籍毛细力和重力作 用回流，继续受热汽化。这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。由于热管 内热量传递是通过工质相变过程进行的，因此其导热能力比金属高几百倍。这种极佳 的导热性能，可以使热量不会在发热部位堆积，而是均匀地散发到了散热器的各个散 热片上，极大地提高了散热片的导热性能。我们必须注意到，热管本身是不具备散热 能力的，它只能起到导热的功能，因此，热管仍然需要散热片的配合才能实现散热功 能。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 2 1 热管原理不慈图 采用热管进行热量传导具有一些传统结合方式无法比拟的优势： 1 ) 热阻小，传热快。热管在设计功率以内，其热阻是同体积铜柱的几分之一、十 几分之一，甚至几十分之一。热管的热导系数是普通金属的1 0 0 倍以上。通常全功率 工作时，吸热段与放热段间的温差也只有2 、3 c ，因此才敢号称热的“超导体”。 2 ) 传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发端和冷凝端。 3 ) 优良的热响应性。热管内气化的蒸汽能以接近音速的速度传输，从而有效率的 提高了导热效果。 4 ) 接触面积大。热管的吸热段可以内嵌到吸热底内，管壳一周均与周围会属接触， 实际连接面积可大于其底面积；与散热片连接的放热段长度可以达到热管总长度的5 0 以上，连接面积更可达到传统连接方式的数倍以上，且可多点结合，能够直接将热 量扩散到散热片更广的范围上。 5 ) 结构简单，重量轻，体积小，功耗低，维护方便。 通过对散热原理的分析，从吸热、导热、散热三方面同时入手，我们进行了全新 的设计： ( 1 ) 吸热能力：从散热的材质入手，我们选取铜质的散热基底和散热片，取代以 前一体化的铝质模块盒盖；提高铜质散热基底的平整度，散热片与散热基底之间填充 低热阻的导热膏。 ( 2 ) 导热能力：合理分配散热基底的厚度与散热片厚度，保证散热片与散热基底 的接触面积；同时，安装热管，以使导热能力得到最大限度的提升。 通过图3 2 0 热力分析图可知，光纤喇曼放大器温度最高的部分位于激光器附近。 因此我们考虑热管位置必须覆盖这些发热量最大的器件一激光器。 华中科技大学硕士学位论文 考虑到光纤喇曼放大器的具体安装方式以及使用中的系统风向，热管的放置法如图 3 2 2 所示。 ( 3 ) 散热能力：结合实际光纤喇曼放大器在系统中的安装方式和系统风速、风向， 合理分配散热片的安装密度和安装方式。 图3 2 3 是改造完成后的光纤喇曼放大器模块实物照片。 图3 - 2 2 热管安装示意图 图3 2 3 散热片改造后的光纤喇曼放大器模块 华中科技大学硕士学位论文 同样的，我们在环境温度6 0 c ，风速1 5 m s 的条件下，对改造之后的模块进行了 模拟，热分析结果如图( 3 - 2 4 ) 所示。 图3 - 2 4 使用热管之后喇曼放大器模块热分析结果 可以看到，改进之后，在6 0 c 的环境中，发热芯片的最高结温不超过7 8 度，并且 整个散热器的热流分布也得到了改善。在实际应用中也验证了这一点，我们提供的产 品已经通过了客户的高低温测试。 3 4 本章小结 本章详细介绍了光纤喇曼放大器所使用的主要光学器件，光学设计以及电路控制 技术。创新的提出了热管+ 散热片结合的技术，较好的解决了光纤喇曼放大器模块的散 热问题。 华中科技大学硕士学位论文 4 喇曼放大器的试验和分析 4 1光纤的喇曼增益系数测试 由3 1 的介绍可知，喇曼增益系数可以看成是光纤的特性，它是一个相对稳定的量。 要配置好喇曼光纤放大器，就需要对它进行研究。因此，我们对g 6 5 2 光纤的喇曼增 益系数进行了测试。 喇曼 g 6 5 2 或g 6 5 5f i b e r 图4 - l反向配置结构的喇曼放大器测试框图 图4 - 1 表示反向泵浦配置的喇曼放大器结构试验框图。若无另外说明，这也是以 后我们在大部分试验中所采用的设置。其中，光谱仪为安立公司的m s 9 7 1 0 c 型，光源 为安捷伦公司的8 6 1 4 a 型可调谐光源，测试的泵浦波长为1 4 5 5 n m 。 计算公式： 盈；! 呈盟 ( 4 1 ) a 礓p p ( o ) l 功f k p e 卫 、 、 口 e 图4 2 b1 0- 1 21 41 6- 1 8- 2 0 - 2 2 频移间隔( t h z ) 试验测得的g 6 5 2 光纤喇曼增益谱 华中科技大学硕士学位论文 三。是有效放大长度；g 为实际测得的信号增益；k 是偏振因子( 取值范围0 5 1 ) ， 在反向配置结构中，喇曼增益几乎是完全偏振无关的，故取k = i 。 g 6 5 2r c o m i n gs m f - 2 8f i b e r ) 光纤的喇曼增益谱，如图4 - 2 所示。由图可见，在频 移约1 3 t h z 附近确实有增益峰的存在。测量结果与相关文献的结果也有较好的符合口5 1 。 4 2 喇曼增益与输入光功率及波长的关系试验 泵浦源采用的是四个波长不同的高功率1 4 x x 的l d 的合波输出，总的泵浦功率约 为5 5 0 m w ；信号光由可调谐激光器提供。下面的两组曲线是在1 0 0 公里( 3 6 5 2 光纤上 的试验结果。 图4 - 3 不同波长的分布式喇曼光纤放大器的增益输入光功率关系曲线 图4 4 不同输入光功率下分布式喇曼光纤放大器的增益波长关系曲线 图4 - 4 是在四个泵浦l d 的功率基本一致，未作任何调整的情况下测出的曲线，实 际的增益平坦度可以通过合理调节各个泵浦波长的功率得到改善。 华中科技大学硕士学位论文 从图4 3 和图4 - 4 可以发现这样一个重要事实：对于光纤喇曼放大器而言，增益不 容易饱和。在很宽的输入光功率范围内，各个波长处的增益值几乎不变，增益谱的形 状基本与输入信号功率的大小无关，这是喇曼光纤放大器区别于e d f a 的重要特点之 4 3 等效噪声指数测试 4 3 1 波长与噪声指数的关系 信号波长与噪声指数之间没有严格的关系，但通过研究实验结果，我们发现二者之 间存在某种近似的关系：在高泵浦功率的情况下，短波长的噪声指数要比长波长的噪 声指数差。这主要是由于泵浦之f n j 的受激喇曼散射导致了短波长和长波长的不同的喇 曼放大长度：短波长的喇曼放大长度短，而长波长的喇曼放大长度长。二者之间的近 似关系如图4 - 5 所示。 螽 靼 札 棼 1 5 2 51 5 ，5 3 51 5 4 01 5 4 51 5 5 0 1 5 6 51 5 6 01 5 晒 波长n m 图4 - 5 波长与等效噪声指数的关系 4 3 2 增益与等效噪声指数的关系 就同一信号波长而言，增益与等效噪声指数有明显的规律，即增益越大，噪声指 数越低。实验中采用的信号波长为1 5 5 0 n m ，所得到的增益与噪声指数的关系如下图所 示： 华中科技大学硕士学位论文 雩 瓤 靶 机 棼 增益，d b 图4 - 6 增益与等效噪声指数的关系曲线 4 3 3 泵浦功率与喇曼开关增益的关系 测试框图仍然采用图4 - 1 所示的实验装置，对某一波长的信号光( 实验采用的波长 为1 5 5 0 r i m ) 在关泵条件下测量其输出功率，然后在开泵条件下，不断的改变泵浦功率， 观察增益是否有突然变化，但是在整个实验过程中也没有发现喇曼开关增益随泵浦功 率有突然的变化。对实验结果进行分析也没有发现增益随泵浦功率有突变的点，两者 呈现出很好的线性关系( 如图4 7 所示) ，很好的满足了公式： g o n - o f f 。：丽面p a l ) 面唧( 删) 半u ( 4 - 2 )：丽两i 丽础碘q w 百锄 ( 4 - ，1 要 鼎 靼 他 群 泵浦功率，m w 3 ” 泵浦功率与喇曼开关增益的关系 华中科技大学硕士学位论文 可以认为，这个结果说明受激喇曼散射的泵浦阙值是针对受激喇曼散射产生的激 光而言的。但这种想法与测试方法是否j 下确还需要进一步的讨论。 4 4 分布式喇曼光纤放大器的多波长放大测试 在此仍采用图4 1 所示的试验框图。泵浦源采用的是四个波长不同的高功率1 4 x x 的l d 的合波输出，总的泵浦功率约为5 0 0 m w ；信号光由1 6 路可调谐激光器提供。传 输光纤为1 0 0 k mg 6 5 2 光纤，各个信号波长处的光纤损耗平均为2 0 d b 。本部分的试验 目的主要是考察喇曼光纤放大器在多波长放大情况下的动态特性和增益竞争特性。为 此，在泵浦条件不变的情况下，试验测试了三组不同输入光功率条件下喇曼光纤放大 器的输出光谱，还测试了信号去掉8 路的情况下的输出光谱，分别如图4 8 、4 -