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光纤参量放大器及其应用研究

夏民  
【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。


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