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光纤拉曼放大器仿真理论分析及算法研究

胡松  
【摘要】:光纤拉曼放大器(FRA)以其宽带、低噪声、增益谱可调等优异特性在大容量、长距离波分复用(WDM)光纤通信系统中占据着越来越重要的地位。利用仿真工具辅助宽带 FRA 的设计以及模拟光纤拉曼放大系统的传输性能是一种经济实效的重要手段。本论文从系统设计流程的角度出发,研究了 FRA 仿真模拟中的几个关键问题,主要内容包括: 1. 对多波长泵浦 FRA 功率传输方程的刚性特性进行了深入分析,找到了限制仿真算法性能的关键因素,并在此基础上提出了一种新型的背向差分算法。该算法能够有效地弥补现存仿真算法的收敛性缺陷,尤其适用于长跨距传输、高功率泵浦等强刚性的情况,满足了当今高速光通信对FRA 设计的要求。 2. 对反向及双向泵浦 FRA 数值仿真中的两点边值问题进行了研究,分析了“纯粹”迭代算法收敛性较差的原因,并在此基础上提出了一种简便精确的信号光功率边值预估方法和一种高效的加权平均方法。该算法在保持较高仿真精度的同时,显示出更为出色的收敛特性,适应了现代光纤传输系统发展对于高功率泵浦、长跨距传输 FRA 的设计需求。 3. 对多波长泵浦 FRA 中的增益谱平坦化问题进行了分析,从工程实际的角度出发提出了一种 FRA 增益谱优化方法——回火退火算法,并详细分析了该算法的性能。该算法能够方便迅速地搜索到全局意义上的优化解,而且具有良好的可扩展性。 4. 对光纤拉曼放大系统的仿真设计进行了详细地分析,将系统设计分为FRA 性能优化和传输特性模拟两个部分进行。在此基础上,结合本组实际条件,并依托国家自然科学基金重大项目——WDM全光网基础研究,将本论文的有关结论应用到 VPI 中,完善了 VPI 的仿真功能,建立了一整套光纤拉曼放大系统仿真设计平台。


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