摘 要

本文对单泵浦相位敏感光纤参量放大器的原理、特性进行了深入研究，光纤参量放大器是根据四波混频原理对信号光进行参量放大的光放大器，光纤参量放大器可以根据其四波混频类型分为两类：相位不敏感的光纤参量放大器和相位敏感的光纤参量放大器，其区别在于闲频光在前者的系统中作为额外产出的光，而在后者的系统中，闲频光则作为输入光之一加入到了系统中。后者比前者的优势在于，前者的噪声系数具有3dB的量子极限，而后者的噪声系数理论上可以达到0dB。而相位敏感光纤参量放大器则在全光集中放大、归零码生成、光时分复用、透明全光波长转换、3R再生、全光抽样、脉冲整形、量子噪声抑制等方面都有广泛的潜在用途^[18]。

本文还介绍了由基本耦合波方程推导出四波混频的过程和分步傅里叶变换解非线性薛定谔方程的方法，并通过MATLAB软件对其进行了数值仿真，求出了其数值解。根据小信号相位敏感光纤参量放大器的模型，对其相敏增益特性、以及不同参数对光纤参量放大器的相敏特性的影响进行了理论分析与仿真研究，最后对信号光功率太大时的饱和放大现象进行简单探究。所得结果与理论结果基本一致，其对研究光放大器在光通信中的应用具有极重要的意义。

关键词：光纤参量放大器；相位敏感；四波混频；分布傅里叶方法；MATLAB

Abstract

In this paper, the principle and characteristics of a single-pumped phase-sensitive fiber-optic parametric amplifier are studied in detail. The fiber-optic parametric amplifier is an optical amplifier that performs parametric amplification of the signal light according to the principle of four-wave mixing. The fiber-optic parametric amplifier can be based on its four-wave mixing type. Divided into two categories: phase-insensitive fiber-optic parametric amplifiers and phase-sensitive fiber-optic parametric amplifiers. The difference is that idler light is used as an additional output in the former system, while in the latter system, idler light is Added as input to the system. The advantage of the latter over the former is that the noise figure of the former has a quantum limit of 3 dB, while the noise figure of the latter can theoretically reach 0 dB. Phase-sensitive fiber-optic parametric amplifiers for all-optical focus amplification, ultra-fast all-optical processing, return-to-zero code generation, optical time division multiplexing, transparent all-optical wavelength conversion, all-optical limiting, 3R regeneration, all-optical sampling, pulse shaping, quantum noise suppression, soliton interactions and other aspects have a wide range of potential applications.
This paper also introduces the process of deriving four-wave mixing from the fundamental coupled wave equation and the method of solving the nonlinear Schrodinger equation with the split-step Fourier transform. The numerical simulation of the nonlinear Schrödinger equation is performed by MATLAB software and its numerical solution is obtained. According to the model of the small-signal phase-sensitive fiber parametric amplifier, the phase-sensitive gain characteristics and the influence of different parameters on the phase-sensitivity of the fiber parametric amplifier are theoretically analyzed and simulated. Finally, the saturation amplification of the signal optical power is too large. A simple exploration of the phenomenon. The obtained results are basically consistent with the theoretical results, which is of great significance for the study of the application of optical amplifiers in optical communications.

Key　Words: fiber optic parametric amplifier ; phase sensitive ; four-wave mixing; distributed Fourier method ;MATLAB

目录

１　绪论 1

1.1　研究光纤参量放大器的意义 1

1.2　国内外研究现状 1

1.3　论文结构 2

2 光纤参量放大器基本理论 3

2.1 绪论 3

2.2 四波混频 4

2.3 相位不敏感或相位敏感的参数放大 5

2.4 相位敏感增益的特性研究 6

3. 相位敏感光纤参量放大器的模型构建 10

3.1 引言 10

3.2 光纤参量放大器的MATLAB构建 10

3.2.1 实现方案 10

3.2.2 非线性薛定谔方程与分步傅里叶方法 11

4 实验结果及分析 14

4.1 相位敏感光放大器的实现 14

4.2相位敏感特性研究 15

4.2.1 最大增益点的相位敏感 15

4.2.2 一般波长的相位敏感特性研究 16

4.3光纤参数对相位敏感特性的影响 19

4.3.1 泵浦光功率对相位敏感增益的影响 19

4.3.2 光纤长度对相位敏感增益的影响 20

4.3.3 泵浦光功率和光纤长度对相位敏感增益的联合影响 21

4.4 饱和放大现象 21

4.5 本章小结 22

5 总结 24

参考文献 26

致 谢 27

１　绪论

1.1　研究光纤参量放大器的意义

当今世界，工业化水平和全球信息化程度不断提高，网络电视、P2P、直播行业、视频电话会议等高清视频业务广泛普及，大数据、物联网、云计算、云存储等信息技术也迅速发展了起来，这要求我们有更加强大的通信网络来支撑其发展。因此，超高速、超大容量和超长距离的光纤传输系统的发展显得极为重要^[18]。

随着光纤中传输光的波长数目增加，波分复用的光传输系统要求光纤参量放大器具有较宽的增益带宽^[18]。传统的掺铒光纤参量放大器等的增益值上限为60 dB左右，增益带宽通常只有40 nm左右，只能覆盖传统的C波段及L波段。而现有的G.652D低水峰单模光纤的低损耗窗口有300 nm左右，光放大器增益带宽的缺失造成了通信带宽的浪费。此外，EDFA作为相位不敏感光放大器，其噪声系数具有3 dB的量子极限。也就是说，即使在理想情况下，EDFA 输出光信号的信噪比也只有输入光信号信噪比的一半。^[18]相比之下，光纤参量放大器(FOPA)有其特有的优势，单泵浦FOPA仅使用几百米的高非线性光纤，增益就能达到70 dB，增益带宽更是可以超过200 nm，如果是双泵浦结构的光纤参量放大器，可以有更大的增益带宽和更高的增益值，非常适合超宽带密集波分复用系统。另外，FOPA 不但用于相位不敏感光放大器，还可以用于相位敏感的光放大器。常见的相位不敏感放大器，如EDFA、拉曼放大器及相位不敏感光纤参量放大器等都有至少3 dB的量子噪声极限，而相位敏感光纤参量光放大器的理论上可以用来实现几乎无噪声的光放大，即噪声系数为0dB^{[3][7][11][18]}。

1.2　国内外研究现状

相比于传统的掺铒光纤放大器、拉曼放大器和半导体放大器等，光纤参量放大器具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，在对信号光产生增益的同时，还可以产生闲频光，其可以对任意波长处的信号提供光放大，实现波长转化。光纤参量放大器的全光纤结构和现有多跨距单模光纤通信系统兼容^[4]。近年来，高非线性色散位移光纤(HNL-DSF)、波长可调谐窄线宽激光器和高功率 EDFA 的发展导致了光纤参量放大器的性能也在逐步地改善。1996年，利用峰值功率为7 W的脉冲泵浦光，M.E.Marhic 等实现了1560 nm波长附近信号光增益值为10-18 dB，增益带宽大于35 nm的脉冲单泵浦 FOPA。科研人员为使 FOPA 与光纤通信系统兼容，逐渐将研究重心由脉冲泵浦FOPA转向连续泵浦 FOPA。1996年，F. S. Yang等首次实验实现了连续光单泵浦 FOPA，其信号光净增益(5 dB)和波长转换效率(4 dB)均大于1。此外，拉曼辅助的 FOPA(RA-FOPA)，即将FOPA 和背向拉曼放大器结合的混合光放大器，可以进一步改进信号光的增益带宽和减小信号增益抖动^{[3][4][11][18]}。

光纤参量放大器也可以工作在相位敏感模式。理想情况下，相位敏感参量放大器具有 0 dB的噪声系数，可实现光信号的无噪声放大。常见的相位敏感光放大器有基于非线性光纤萨格纳克干涉环(NFSI)结构和基于四波混频的相位敏感光放大器。1991年，M.E. Marhic等首次实验实现了基于NFSI结构的相位敏感放大器(PSA)。1999年，W. Imajuku等基于NFSI结构的PSA首次实现了小于3 dB量子噪声极限的NF值。基于FWM 的PSA比干涉型的PSA更适用于WDM光信号，但需要多个频率间距较大的相位锁定光波。1986 年，I. Bar-Joseph等使用声光调制器(AOM)产生三束相位锁定的光波，基于单泵浦非简并 PSA 实验实现了光信号的相位敏感参量放大和衰减。2011年，基于 copier-loss(损耗单元)-PSA 结构，Zhi Tong等将NF进一步降低至1.1 dB, 实现了相位敏感增益为26.5 dB 的超低噪声单泵浦非简并 PSA^[5][6][18]。

1.3　论文结构

本文在光纤参量放大器的工作原理，特性分析等方面做了一些工作，通过MATLAB软件计算出光波演变情况对应非线性薛定谔方程的数值解，分析其增益特性、相位敏感特性。全文共四章，具体结构如下：

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