目前的光纤通信系统,通过采用波分复用技术成十上百倍地增加光纤的传输容量,实现高速和超高速的光纤信息传输.在其长距离的传输过程中,通过使用光放大器对光信号进行放大,补偿光纤损耗所带来的信号减小,实现长距离和超长距离的光纤信息传输.因此,光放大器是波分复用光纤传输系统的关键. 目前,光放大器主要有半导体光放大器(SOA),掺铒光纤放大器(EOFA)和光纤拉曼放大器(FRA).传统的光放大器不能提供足够的增益带宽从而不能使全波光纤(AWF)的低损耗窗口1250-1650nm得到充分的利用.而利用四波混频进行信号放大的光纤参量放大器(FOPA)能在任意波长处提供宽带的平坦高增益.而且,FOPA还具有低噪声的特点,对于相位敏感FOPA它能获得低于3 dB量子噪声极限的放大噪声.此外,光纤参量放大器还能用于宽带波长变换器、归零脉冲发生器、光时分复用器、全光采样、光纤延时等.因此,作为一种新型的光纤放大器,光纤参量放大器已经成为新的研究热点.而如何设计新型的超宽带光纤参量放大器则成为该类放大器研究的一个重点.基于此研究背景,本项目结合国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才支持计划项目,致力于研究超宽带光纤参量放大器,其目的是寻找实现超宽带光纤参量放大器的方法并对光纤参量放大器的理论进行深入研究,同时对其噪声特性进行研究,分析影响噪声特性的因素及其可能解决的方案. 论文首先回顾了国内外学者在光纤参量放大器方面的研究成果和研究现状,分析光纤参量放大器两个重要的研究方面:增益带宽和噪声性能.接着从光纤参量放大器的理论模型出发,分析讨论光纤参量放大器的增益带宽及其噪声特性,并通过仿真计算分析光纤参量放大器的配置参数对放大器特性的影响,从而也得到一些重要的相关结论. 光纤参量放大器的带宽优化设计是一个至关重要的研究内容,论文中提出一种新的双泵浦光纤参量放大器,它由两段高非线性光纤级联而成.因为放大器的一些设计参数,例如泵浦功率、泵浦波长、光纤色散系数、光纤非线性系数、光纤长度等,决定了光纤参量放大器的增益特性,所以本文利用遗传算法优化设计这些参数,获得了一系列的优化结果.计算结果表明,遗传算法对于优化光纤参量放大器的上述参数是非常有效的.我们将优化的参数应用到两级高非线性光纤级联双泵浦光纤参量放大器中,在理论上获得346nm带宽、0.2dB增益抖动的20.3dB的平坦增益.这种超宽带光纤参量放大器可用于宽带波分复用光通信系统中,可以同时放大多个波分复用信道信号. 此外,论文还基于色散平坦光纤的色散曲线模型和光纤参量放大器的增益理论模型,分析了随波长改变的光纤色散D<,λ>(λ)引起的放大器增益谱的非对称性.通过比较由不同色散曲线的光纤组成的光纤参量放大器的增益谱,我们发现越低越平坦的光纤色散,得到的光纤参量放大器的增益谱就越宽.在此基础上,我们还设计了具有以上色散特性的光子晶体光纤,通过使用遗传算法对光子晶体光纤的结构参数(A,d<,1>,d<,2>and d)进行优化设计,在一个宽的波长范围上获得了一个所期待的超低超平坦的光子晶体光纤.最后,我们用这个优化的光子晶体光纤构架了一个新的双泵浦光子晶体光纤参量放大器.因为光纤的四阶色散系数对光纤参量放大器的增益谱的影响很大,在进一步的研究中,我们将考虑继续对光子晶体光纤的四阶色散进行优化设计,使它更适合于宽带光纤参量放大器. 另外,对于双泵浦光纤参量放大器而言,两泵浦的中心波长位于光纤的零色散波长附近,目的是为了在比较宽的波长范围内实现相位匹配.但是,光纤损耗、光纤色散、光纤零色散波长波动等会引起相位失配,这些相位失配影响放大器的增益特性.论文从双泵浦光纤放大器小信号增益解析解出发,研究了相位失配对放大器增益特性的影响.分析结果表明,光纤损耗减小了泵浦功率,从而引起了信号增益的减小,并且在光纤纵向导致了相位失配从而在增益谱上产生一个大的增益波动.当考虑光纤损耗时,光纤四阶色散在增益谱上产生一个大的增益抖动,恶化了增益谱的平坦性.此外,光纤零色散波长波动导致了增益谱的改变,长程波动的影响比短程波动的影响更严重,但是光纤损耗和四阶色散对短程波动的影响比长程波动的大.所以即使对于短光纤组成的光纤参量放大器,光纤损耗、光纤四阶色散、光纤零色散波长波动等引起的相位失配也是很明显的,应该仔细考虑. 光纤参量放大器的噪声特性研究也是论文的一个非常重要的方面.论文首先基于光纤参量放大器信号增益的精确分析解,通过仿真优化设计双泵浦光纤参量放大器,得到一些有意义的结论.通过优化放大器参数,当增益开始饱和时,光纤参量放大器的增益最大,平坦的增益带宽最宽,噪声指数最小.然而,随着增益饱和的继续增强,平坦的增益带宽变窄了,噪声指数也增大了.因此,优化设计的原则是调节光纤参量放大器的参数,使放大器达到一个低的增益饱和状态.应该尽量避免增益饱和的持续增强,因为这样会恶化光纤参量放大器的增益和噪声性能. 论文也分析了为了抑制受激布里源散射而使用的泵浦相位调制对光纤参量放大器噪声性能恶化的影响.研究表明,应该优化光纤参量放大器的结构参数平衡高增益和低噪声的矛盾.对于固定结构参数的光纤参量放大器而言,可以通过优化泵浦相位调制设置而减小放大器噪声,例如减小泵浦相位调制频率、调制指数,用多个正弦信号调制泵浦等.在多调制信号的情况下,应该优化各个信号的调制频率,使其平方和最小从而获得低的噪声.噪声指数是评价光纤参量放大器性能的一个重要指标.来自掺饵光纤放大器的放大自发辐射噪声和泵浦源的相对强度噪声对光纤参量放大器的噪声指数有重要的影响.对单泵浦光纤参量放大器而言,随着信号光波和泵浦光波之间的波长间隔的增加,相位失配增加从而引起信号噪声性能的恶化.然而,对于双泵浦光纤参量放大器,信号噪声在平坦增益范围内随信号波长变化很小.减小参量增益的一些方式,如减小泵浦功率、光纤长度、光纤非线性系数等,可以减小光纤参量放大器噪声与理想噪声的偏离.因此,可以优化光纤参量放大器的结构参数以平衡高增益和低噪声的冲突.此外,用高光信噪比(OSNR)的泵浦源也是减小光纤参量放大器噪声的一个有效的方式.论文最后对整个研究工作进行了总结,并提出进一步研究的方向和目标.