光纤参量放大器及其应用研究

发布时间：2017-05-31 01:02

  本文关键词：光纤参量放大器及其应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着光纤通信三十多年的高速发展,人们对通信网络的速度和稳定性提出了更高的要求,迫使光通信系统的传输容量和传输范围更进一步地提高和扩大。在这种情况下,应运而生的密集波分复用(Dense Wave Division Multiplexing, DWDM)技术极大的提高了光通信系统的性能,同时,这种长距离、多信道的传输技术需要一种能与之相匹配的全光放大器,因此对光纤参量放大器(Fiber Optical Parametric Amplifier, FOPA)的性能及其应用研究对未来光通信的发展具有十分重要的意义。本论文主要对基于高非线性光纤(Highly Nonlinear Fiber, HNLF)的相位不敏感光纤参量放大器(Phase Insensitive-Fiber Optical Parametric Amplifier, PI-FOPA)和相位敏感光纤参量放大器(Phase Sensitive-Fiber Optical Parametric Amplifier, PS-FOPA)的增益及其应用进行理论和实验研究。本论文首先回顾了国内外学者在FOPA和相位敏感参量放大器方面的研究工作,接着建立了PI-FOPA仿真和实验系统,理论分析了光纤长度、信号光功率、泵浦光功率及波长对PI-FOPA的增益谱的影响,其研究结果为级联非简并PS-FOPA的研究提供了重要依据；基于PI-FOPA实验系统,实验分析了泵浦光功率和波长、相位不敏感放大器(Phase Insensitive Amplifier, PI A)部分和相位敏感放大器(Phase Sensitive Amplifier, PSA)部分使用不同光纤长度时对级联非简并PS-FOPA增益谱的影响,这些研究结果对基于级联非简并PS-FOPA的应用提供了一定的依据。为了将级联非简并PS-FOPA有效地应用到DWDM光通信系统中,本论文提出了一种基于色散补偿光纤(Dispersive Compensation Fiber, DCF)的级联非简并PS-FOPA输出功率均衡方案,并进行了仿真研究,结果表明：当取15 m单模光纤(Single Mode Fiber, SMF)连接PIA部分与PSA部分时,插入125 m的DCF补偿SMF所带来的色散使得级联非简并PS-FOPA实现了16个信道信号的均衡放大,且放大的带宽达到了15 nm。此外,光频率梳在DWDM光通信系统中起到了至关重要的作用,本论文仿真研究了非简并PS-FOPA在基于无源谐振腔的光频率梳发生器中的应用。仿真研究结果表明：当泵浦光功率为33.5 dBm时,非简并PS-FOPA使初始光谱平坦度为8.9 dB的光频率梳光谱平坦度达到1.9 dB,而PI-FOPA提高光谱平坦度达到1.58 dB,且非简并PS-FOPA相比于PI-FOPA具有4.77 dB增益优势。这些研究结果为非简并PS-FOPA应用到DWDM光通信系统中提供了理论依据。振幅键控(Amplitude Shift Keying, ASK)是应用在光通信系统中的一种基本调制格式,研究PI-FOPA对其的应用是非常有意义的。本论文应用PI-FOPA将两个ASK光信号合成,实现了一个4-ASK信号,理论和实验研究了泵浦光的功率与信号光的功率和消光比对4-ASK信号的相对消光比(Relative Extinction Ratio, REX)的影响。实验得出：输入信号光的消光比与泵浦光的功率对输出4-ASK光信号产生了很大影响,而输入信号光的功率对其几乎没有影响。这些研究结果对基于FOPA的光码分多址-自由空间光(Optical Code Division Multiple Access-Free Space Optics, OCDMA-FSO)通信系统接收机的研究探索了技术方案。为了使OCDMA-FSO通信系统接收机回避光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)解调OCDMA信号方案的结构复杂和限制,可在电域上灵活地改变编码序列长度以适应OCDMA-FSO通信系统复杂多变的外界天气条件,本论文设计了一种基于PI-FOPA/级联非简并PS-FOPA的OCDMA-FSO通信系统接收机新方案,定义并推导了其噪声容限(Noise Tolerance, NT),分析了泵浦光的功率和消光比与信号光的功率和消光比对NT的影响。仿真研究表明：当提高泵浦光功率到5 W、编码序列长度到256时,基于PI-FOPA/级联非简并PS-FOPA的OCDMA-FSO通信系统接收机NT值分别被提高了18.77 dB和21.65 dB。本论文最后对整个研究工作进行了总结,并指出存在的不足之处及其改进措施。
【关键词】：四波混频 光纤参量放大器 相位敏感型光纤参量放大器 光频率梳 自由空间光 光码分多址
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN722;TN929.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 参量放大概述12-13
• 1.2 光纤参量放大器的研究13-17
• 1.3 相位敏感参量放大器的研究17-20
• 1.4 论文结构安排20-21
• 参考文献21-26
• 第二章 PS-FOPA的增益及其机理26-48
• 2.1 参量过程26-33
• 2.2 PS-FOPA的增益33-39
• 2.2.1 简并PS-FOPA35-37
• 2.2.2 非简并PS-FOPA37-39
• 2.3 级联非简并PS-FOPA的增益39-45
• 2.4 本章小结45
• 参考文献45-48
• 第三章 基于HNLF的级联非简并PS-FOPA研究48-70
• 3.1 PI-FOPA的增益特性48-57
• 3.1.1 增益特性的仿真分析48-51
• 3.1.2 增益特性的实验验证51-57
• 3.2 级联非简并PS-FOPA增益的实验分析57-61
• 3.3 级联非简并PS-FOPA的功率均衡61-67
• 3.3.1 基于DCF功率均衡原理62-64
• 3.3.2 功率均衡仿真设置64-65
• 3.3.3 DCF对功率均衡的影响65-67
• 3.4 本章小结67-68
• 参考文献68-70
• 第四章 非简并PS-FOPA在光频率梳中的应用70-82
• 4.1 光频率梳70-71
• 4.2 基于FOPA的光频率梳71-73
• 4.3 非简并PS-FOPA放大光频率梳的研究73-79
• 4.3.1 适用于非简并PS-FOPA的光频率梳73-74
• 4.3.2 基于PI-FOPA/非简并PS-FOPA放大光频率梳的仿真设置74-76
• 4.3.3 泵浦光功率对光频率梳光谱的影响76-79
• 4.4 本章小结79
• 参考文献79-82
• 第五章 级联非简并PS-FOPA在OCDMA-FSO通信系统中的应用82-110
• 5.1 4-ASK信号生成83-88
• 5.1.1 4-ASK信号的REX与实验设置83-85
• 5.1.2 信号与泵浦光对4-ASK信号REX的影响85-88
• 5.2 基于PI-FOPA的OCDMA-FSO通信系统接收机88-100
• 5.2.1 OCDMA-FSO通信系统88-91
• 5.2.2 基于PI-FOPA的OCDMA-FSO通信系统接收机原理91-94
• 5.2.3 接收机性能仿真设置94-96
• 5.2.4 信号与泵浦光对接收机性能影响96-100
• 5.3 基于级联非简并PS-FOPA的OCDMA-FSO通信系统接收机100-106
• 5.3.1 接收机原理及仿真设置101-102
• 5.3.2 信号与泵浦光对接收机性能影响102-106
• 5.4 本章小结106-107
• 参考文献107-110
• 第六章 总结与展望110-114
• 附录1 对NT定义的解释及推导过程114-120
• 附录2 缩略语120-122
• 致谢122-124
• 攻读博士学位期间承担的科研项目与主要成果124

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