1.1 研究目的及意义

随着全球信息化和工业化水平的不断提高，视频点播、P2P、IPTV网络电视、视频电话会议等高清视频业务广泛普及，同时大数据、物联网、云计算、云存储等信息技术迅速发展，使得对通信网络带宽的需求急剧增加，因此超高速超大容量和超长距离（3U）的光纤传输系统的发展和部署显得极为重要。

随着光纤中的传输波长数目的增加，WDM 光传输系统要求光放大器具有比较宽的增益带宽。传统的光放大器 EDFA 等增益带宽通常为 40nm 左右，一般仅覆盖传统的 C 波段，增益值上限为 60d B 左右。而现有 G.652D 低水峰单模光纤的低损耗窗口有 300nm 左右，并没有得到充分的利用，造成了通信带宽的浪费。此外，EDFA 作为相位不敏感光放大器，即光放大器的增益值与入射光信号的相位无关，其噪声系数具有 3d B 的量子极限。也就是说，即使理想情况下，EDFA 输出光信号的信噪比也只有输入光信号信噪比的一半，即噪声系数为 3d B。相比之下，光纤参量放大器（FOPA）具有其独特的优势，仅仅使用几百米的高非线性光纤，单泵浦 FOPA 增益可以达到 70d B，增益带宽可以超过 200nm，双泵浦结构的光纤参量放大器，具有更大的增益带宽和更高的增益值，适用于超宽带密集波分复用系统。另外，FOPA 既可以作为相位不敏感光放大器，也可以作为相位敏感光放大器。一般的相位不敏感放大器，如 EDFA、拉曼光放大器及相位不敏感光纤参量放大器等具有至少 3d B 的 NF 值，而相位敏感光纤参量光放大器的 NF 理论值可以达到 0d B，即可以用来实现几乎无噪声的光放大。

1.2 国内外研究现状

相比于传统的光放大器 EDFA、RA 等，光纤参量放大器具有高增益、宽增益带宽、低噪声光放大等优点，而且可以对任意波长处信号提供光增益，放大信号光的同时产生闲频光从而实现波长转化，具有飞秒级的响应时间，其全光纤结构和现有多跨距单模光纤通信系统兼容。近年来，随着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 的实用化，光纤参量放大器的性能也逐步地改善。1996 年，M.E. Marhic 等利用峰值功率为 7W 的脉冲泵浦光，实现了 1560nm 波长附近信号光增益值为 10-18d B，增益带宽大于 35nm 的脉冲单泵浦 FOPA。为了使 FOPA 与光纤通信系统兼容，科研人员逐渐将研究重心从脉冲泵浦FOPA转向连续泵浦 FOPA。1996 年，F. S. Yang 等首次实验实现信号光净增益（5d B）和波长转换效率（4d B）均大于 1 的连续光单泵浦 FOPA 。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。

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 0d B 的噪声因子，可以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。1999 年，W. Imajuku 等基于 NFSI 结构的PSA 首次实现了 NF 值小于 3d B 的量子噪声极限。相比于干涉型的 PSA，基于FWM 的PSA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，Zhi Tong 等基于 copier-loss（损耗单元）-PSA 结构，将 NF 进一步降低至 1.1d B, 实现相位敏感增益为 26.5d B 的超低噪声单泵浦非简并 PSA。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本内容

本设计的基本内容是通过MATLAB编程对基于非线性薛定谔方程和分布傅里叶方法的单泵浦相位敏感光放大器进行数值模拟并通过调整信号相位和泵浦光功率观察其特性。MATLAB具有高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来，以及完备的图形处理功能来实现计算结果和编程的可视化。

2.2设计的目标

本设计论文的总体目标就是在理解相位敏感光放大器的原理和特点，并通过MATLAB软件模拟出其对应非线性薛定谔方程的数值解，观察调整其特性参数并研究单泵浦线性敏感光纤参量放大器的相敏放大特性和增益消光比的变化规律。