波分复用(WDM)光纤通信系统正朝着更多的信道、更高的码速、更宽的带宽方向发展，同时对光放大器提出了愈来愈高的要求。光纤拉曼放大器(FRA)以其全波段放大特性、增益介质为传输光纤本身、噪声系数低等特点正越来越受到人们的重视。然而，FRA的实用化强烈地依赖两个方面：大功率的半导体泵浦源和足够平坦的增益谱。随着大功率半导体泵浦激光器制作工艺日趋成熟，增益谱的平坦特性己成为FRA设计中考虑的首要问题。 本文对多波长泵浦宽带拉曼放大器(MRA)的优化设计进行了深入研究。首先，在深入研究了FRA的稳态功率耦合方程的基础上，提出了高效的数值求解方法；接着，重点对MRA的增益谱进行了优化设计，提出了MRA增益谱的快速优化算法；对Raman/EDFA混合放大系统，运用该算法进行优化同样也获得了非常平坦的混合增益谱。最后，基于耦合非线性薛定谔方程，提出了多信道拉曼放大WDM系统的仿真模型，并进行了数值模拟。本文取得的具体研究结果如下： 1.提出了一种指数形式的龙格库塔(RK)数值迭代法，可快速求解FRA功率耦合方程。该算法综合考虑了泵浦、信号之间的相互作用以及瑞利散射、ASE噪声等因素，求解过程没有做任何的近似。仿真结果与发表的结果进行了比较，在相同精度条件下，速度大大提高，较传统的直接积分法提高了三个数量级；与通常的平均功率法相比，速度也要高得多，计算时间仅为前者的五分之一。接着考虑到光纤中信号、泵浦功率变化的不均匀性，提出了一种自适应的龙格库塔求解方法。迭代过程中，合理选择每一步的步长，既保证了精度要求，又减少了计算工作量。与RK法比较，在相同精度下，计算速度又提高了1倍。 2.提出了MRA宽带增益谱设计的快速优化算法。首先，从MRA功率耦合方程出发，基于广义损耗系数的思想建立了MRA的一个简化分析理论模型。接着，对传统模拟退火(SA)算法的退火策略、新解产生机制以及Metropolis稳定性原则等进行了改进，引入了一种记忆指导的退火迭代方法，能够利用已知信息指导迭代过程，提高算法的搜索效率。该优化算法特别适用于多目标、多峰值问题的寻优，将其应用于MRA的优化，取得了理想的结果。最后，针对模拟退火算法局部搜索能力弱，而Powell法具有当迭代初值在其最优值的某个邻域时可以很快收敛到最优解的特点，提出了将模拟退火算法与Powell法相结合的新方法，两者互相取长补短，并首次将该混合优化算法应用到了宽带MRA的优化设计中，优化结果与单纯用SA法优化进行了比较，结果显示混合算法具有更强的搜索能力，更有利于找到全局最优。 3.提出了Raman/EDFA混合放大系统的优化设计方法。从FRA和EDFA混合放大器的数值分析模型出发，提出了通过固定EDFA的增益谱，直接对拉曼增益谱进行优化的设计新思路。使得优化的拉曼增益谱与EDFA增益谱很好地“配合”，最终获得了平坦的总增益谱。在不牺牲优化带宽的基础上，简化了优化过程，提高了优化速度。研究并仿真了FRA、EDFA以及混合放大器的噪声特性，仿真结果表明：FRA显著改善了混合放大器的噪声性能，混合放大器的噪声系数主要依赖于第一级FRA的噪声性能。 4.基于耦合非线性薛定谔方程，提出了一种新的拉曼放大WDM传输系统仿真算法。结合稳态拉曼功率耦合方程的数值解法、拉曼增益谱的优化算法以及分步傅立叶法，对耦合非线性薛定谔方程进行了求解。该算法可以对拉曼分布放大过程中的色散、ASE、SRS、SPM、XPM等效应引起的信号码型失真及其接收性能进行分析模拟。在保证精度的前提下，大大简化了模拟的复杂程度，提高了计算速度。研究了不同信号功率、不同传输距离下系统的接收性能，与实验系统结果的比较表明，一致性非常好。该仿真算法可以对级联宽带拉曼放大系统的传输性能进行较准确的模拟和预测，对于系统的设计和性能评估具有重要的意义。