基于高非线性光子晶体光纤的喇曼放大器特性研究

Raman fiber amplifier is one of the key devices for building future transparent photonic networks. The aim of this project is to study the broadband Raman amplifier based on high nonlinear photonic crystal fiber, solve the problems of optical signal attenuation in the ultra-long-haul, ultra-large-capacity and ultra-high-speed optical transmission system, and overcome the defects of traditional fiber amplifier, such as narrow bandwidth, high noise, high power consumption and low response and so on. Based on the wavelength division multiplexing technique, starting from the N-channel forward coupled equations, establish the mathematical model of the stimulated Raman scattering effect in the photonic crystal fiber for the application background of the "3U" transmission system. To find the restrain methods of channel crosstalk and other nonlinear effects when the multiple signals are transmitted at the same time in the fiber, search for the improvement scheme of Raman gain efficiency, reveal the physical mechanism of the stimulated Raman effect in high nonlinear photonic crystal fiber, and explore its application in the design of the novel Raman fiber amplifier.The Raman gain spectrum of high nonlinear photonic crystal fiber is fitted by polynomial. Runge-Kutta method and genetic algorithm are used to optimize and design the broadband and gain-flattened cascading Raman fiber amplifier. According to the results of theoretical analysis, build experimental system, and carry out experimental research, test the dynamic performance parameters of the Raman amplifier, optimize the scheme gradually, and make it meet the requirements of the "3U" optical communication system.

拉曼光纤放大器是构建未来透明光子网络的关键器件之一。本项目拟开展基于高非线性光子晶体光纤的宽带拉曼放大器研究，解决当前超长距离、超大容量、超高速光传输系统中的光信号衰减问题，克服传统光纤放大器带宽窄、噪声大、功耗高、响应慢等缺陷。基于波分复用技术，从N信道前向耦合波方程出发，建立面向“三超”传输系统应用背景下的光子晶体光纤中受激拉曼散射效应的数学模型，寻找多个信号传输时信道间串扰和光纤中其他非线性效应的抑制方案，探寻拉曼增益效率的提升方案，揭示高非线性光子晶体光纤中受激拉曼效应的物理机制，探索其在新型拉曼光纤放大器设计中的应用。对高非线性光子晶体光纤的拉曼增益谱进行多项式拟合，采用龙格库塔法与遗传算法相结合的方案，优化设计宽带增益平坦级联型拉曼光纤放大器。根据理论分析结果搭建实验系统，开展实验研究，测试拉曼放大器的动态性能参数，不断优化方案，使其能够满足“三超”光通信系统的要求。

本项目基于高非线性光子晶体光纤中的受激拉曼散射效应，开展了对宽带拉曼光纤放大器的研究，项目取得的主要研究成果如下：.（1）建立了高非线性光子晶体光纤中多泵浦和级联结构的拉曼光纤放大器的数学模型，对拉曼光纤放大器输出增益及噪声特性进行了深入地理论研究，揭示了各通道光信号间受激拉曼散射效应的物理机理。.（2）通过采用龙格库塔法、打靶法、平均功率法以及机器学习等方法求解拉曼耦合波方程，得到了不同泵浦方式下拉曼放大器的性能参数与泵浦功率、泵浦波长、泵浦数量、光纤长度等参数之间的关系，采用差分进化算法、粒子群算法以及人工蜂群算法等群优化算法对泵浦光参数进行了优化，使输出增益效果进一步提升。.（3）设计并验证了五种采用高非线性光子晶体光纤作为增益介质的分立式拉曼光纤放大器，其中，级联四段光子晶体光纤的拉曼光纤放大器所能达到最大增益带宽为92nm，平均增益超过39.9dB，且增益平坦度低于0.2dB。.（4）设计并验证了多种分布式与分立式的拉曼光纤放大器。其中，以二阶泵浦结构为基础的分布式拉曼光纤放大器最大增益带宽达到100nm，平均增益高达25.9dB,增益平坦度低于1.1dB；设计的分立式拉曼光纤放大器采用硫系光纤、掺锗光纤、碲酸盐光纤等高非线性光纤作为增益介质，其最大增益带宽可达100nm，最大平均增益为39.9dB，增益平坦度低于0.9dB。.（5）研究了被动锁模光纤激光器中锁模的动力学过程，利用色散傅里叶变换技术研究了锁模过程中的各种非线性过程，分析了锁模脉冲的形成的机理。.（6）设计了多孔纤芯的高双折射低损耗太赫兹光子晶体光纤和基于硫族化物的高非线性单偏振单模光子晶体光纤，对放大器性能的提升具有重要参考意义。.本项目着眼“三超”光网络中信号衰减问题，设计基于光子晶体光纤的受激拉曼散射效应设计拉曼光纤放大器，从泵浦参数、放大器结构、优化算法等方面优化拉曼光纤放大器性能，最终实现了多种大带宽，高增益，低噪声的放大器设计。相关成果均以在国内外学术刊物公开发表。