远程光纤水听器系统中EDFA/FRA混合光放大技术研究

摘要

近年来，光纤水听器的研究逐渐朝着超远程、超大规模方向延展，其带来的巨大光损耗逐渐成为制约远程大规模光纤水听器系统发展的最主要因素，因此光放大技术成为了远程光纤水听器系统中的一项关键技术。目前广泛使用的掺铒光纤放大器（Erbium-doped fiber amplifier，EDFA）具有增益带宽窄、噪声系数高、仅可分立放大等缺点，而光纤拉曼放大器（Fiber Raman amplifier，FRA）的增益较小，二者均不能较好地满足远程大规模光纤水听器系统的光放大需求。目前将两者优势相结合的 EDFA/FRA混合光放大器已在高速光通信系统中得到广泛应用，本文主要针对 EDFA/FRA混合光放大技术在远程光纤水听器中的应用进行研究。
　　本文基于拉曼功率耦合模型与EDFA的Giles模型建立了用于远程光纤水听器系统的下行与上行混合光放大器的理论模型，对两种放大器的增益与噪声特性进行了仿真分析并进行了实验研究；由于增益的引入，混合光放大器中的 FRA相比无泵浦单模光纤更容易发生受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering， SBS），本文理论研究了FRA中的SBS阈值特性，实验分析了SBS对FRA增益与噪声特性的影响；相位调制是抑制 SBS的有效方法之一，本文深入分析了相位调制法抑制FRA中SBS的物理机理，实验研究了相位调制法用于提高前向泵浦FRA增益饱和功率及其用于抑制前向泵浦FRA中的SBS、降低系统相位噪声。除了SBS，其他噪声源也会影响混合光放大器的性能，实验研究了其对系统相位噪声的影响，并进行了有效抑制。
　　本文主要创新点及研究成果如下：
　　（1）提出相位调制法提高前向泵浦FRA的增益饱和功率的理论模型，实验验证了该理论模型的正确性，由该模型得出在调制系数为0~3.189，调制频率为0~100MHz的实验条件下可将前向泵浦FRA增益饱和功率提高6.45dB，为前向泵浦FRA在光纤水听器系统下行光放大器中的应用奠定了基础；
　　（2）提出将前向泵浦FRA应用于光纤水听器下行光放大中，以施加相位调制后系统所能达到的极小相位噪声为标准进行下行光放大器输入信号功率与泵浦光功率进行匹配，100km单程传输光纤水听器下行光放大器的相位噪声可达为-103dB/Hz1/2。在此基础上搭建了100km往返传输远程光纤水听器系统低噪声混合光放大器，系统相位噪声达-95.78 dB/Hz1/2@1kHz，对实际光纤水听器系统的构建具有一定的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 光纤放大器研究现状

1.2.1 EDFA研究进展

1.2.2 FRA研究进展

1.2.3 EDFA/FRA混合光放大器研究进展

1.3 课题研究内容及意义

第二章 远程光纤水听器系统中EDFA/FRA混合光放大器理论研究

2.1 FRA的理论模型与仿真算法

2.1.1 光纤中的受激拉曼散射

2.1.2 FRA数学模型

2.1.3 FRA仿真算法

2.2 EDFA的理论模型与仿真算法

2.3 不考虑SBS时EDFA/FRA混合光放大器仿真分析

2.3.1 下行―EDFA+前向泵浦FRA‖结构混合光放大器特性仿真分析

2.3.2 上行―后向泵浦FRA+EDFA‖混合光放大器特性仿真分析

2.4 SBS对混合光放大光纤水听器系统的影响

2.4.1 混合放大器中的SBS阈值特性

2.4.2 混合放大器中SBS的抑制——相位调制法

2.5 本章小结

第三章 FRA子放大器实验研究

3.1 FRA增益特性实验研究

3.1.1 增益测试实验系统

3.1.2 增益测试结果与讨论

3.1.3 前向泵浦FRA增益特性的改善——相位调制法

3.2 FRA噪声特性实验研究

3.2.1 前向泵浦FRA的噪声特性研究及其抑制

3.2.2 后向泵浦FRA的噪声特性研究及其抑制

3.3 本章小结

第四章 远程光纤水听器系统中EDFA/FRA混合光放大器实验研究

4.1下行光放大器实验研究

4.1.1 下行光放大器结构讨论

4.1.2 下行光放大器信号-泵浦功率匹配

4.2上行光放大器实验研究

4.3 100km往返传输远程光纤水听器混合放大器实验研究

4.4 本章小结

总结与展望

课题主要创新点与研究成果如下

后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间发表论文情况