光纤喇曼放大器具有高增益、高饱和输出功率、低噪声、宽带宽、光信号功率波动小、结构简单等优点,是超长、超大容量密集波分复用系统的关键器件。本文对集中式光纤喇曼放大器及其设计进行系统的理论和实验研究。论文的主要内容包括:1.理论上系统地研究了光纤喇曼放大器的增益和噪声特性。分析了光纤长度、泵浦方式、信号功率和泵浦功率等参数对放大器增益特性和噪声特性的影响,特别讨论了功率转换效率问题。2.提出了一种高效、稳定、用于优化泵浦功率配置的算法。该算法基于放大器的非线性模型,将放大器的泵浦功率与输出增益特性(包括增益水平和增益平坦性)看作一个非线性模型的输入输出参量。算法以牛顿迭代法为基础,引入延拓法构造混合方法,从而实现全局快速收敛和良好的稳定性。3.提出了一种用于优化集中式放大器泵浦配置的算法。该算法基于放大器的泵浦功率积分模型,能够实现同时优化泵浦波长和功率。应用混合方法搜索最优泵浦波长,用二次规划方法求解最佳泵浦功率积分,从而减小搜索变量的规模。混合方法的快速性和搜索规模的减小使得算法的整体计算速度提高很多。首次提出初始损耗项的修正方法,使基于泵浦功率积分模型的算法能够用于大信号、高增益的集中式放大器。4.详细研究了采用激射光反馈实现增益箝制的技术。首次研究了泵浦光与激射光的方向对双耦合器结构箝制性能的影响,比较了不同箝制结构(双耦合器、双环形器、混合结构)的特点和性能。此外,分析了激射光波长、反馈深度等因素对三种结构箝制性能的影响。基于上述分析结果,提出关于优化箝制结构的建议。5.成功研制国内首台集中式色散补偿型C+L波段宽带光纤喇曼放大器样机并对其进行实验研究和性能测试。将泵浦源的电源和光纤器件集中于样机中,实现样机小型化。首次采用数字、模拟混合型电路实现泵浦激光器的电流调整、数字化监控,为将来放大器的智能化设计打下基础。研究结果表明,该样机工作带宽为75nm(1530-1605nm),可提供10dB以上的净增益;在平均净增益为10dB时,工作带宽内增益起伏约0.9dB,噪声指数低于7dB。