專利名稱：兩級(jí)光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦寬帶光纖參量放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超寬帶光纖參量放大器，尤其涉及一種兩級(jí)高非線性光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦超寬帶光纖參量放大器，適用于光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
目前的光纖通信系統(tǒng)廣泛使用波分復(fù)用技術(shù)(WDM)，它能有效地利用光纖的帶寬實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離光纖通信，能在用戶分配系統(tǒng)中增加業(yè)務(wù)數(shù)量。在這些波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用中，需要較大的帶寬的多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)同等水平地補(bǔ)償各個(gè)信道的損耗，從而實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)超長(zhǎng)距離傳輸。然而傳統(tǒng)的摻鉺光纖放大器(EDFA)僅能提供1530-1625nm波長(zhǎng)范圍光信號(hào)的放大，不能滿足DWDM(密集波分復(fù)用)進(jìn)一步擴(kuò)容的要求。采用多波長(zhǎng)泵浦的光纖拉曼放大器能提供100nm左右的寬帶放大，盡管從理論上分析，采用分帶泵浦結(jié)構(gòu)，拉曼放大器的平坦帶寬理論上能覆蓋全波光纖的整個(gè)低損耗窗口(從1250nm到1650nm)，但需要采用全波段的復(fù)用器和解復(fù)用器，這大大增加了插入損耗，引起系統(tǒng)功率代價(jià)升高，降低了系統(tǒng)的傳輸性能。因此，研究新型寬帶光纖放大器，特別是增益帶寬覆蓋整個(gè)全波光纖低損耗窗口的光纖放大器是波分復(fù)用通信系統(tǒng)的研究主題。光纖參量放大器利用四波混頻效應(yīng)放大光信號(hào)，能夠在任意波段提供一個(gè)寬帶放大，此外它的噪聲系數(shù)低于3dB的量子極限，可以用做寬帶光放大器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、歸零碼脈沖發(fā)生器、光時(shí)分復(fù)用開(kāi)關(guān)和全光信號(hào)采樣器等。單泵浦單級(jí)光纖參量放大器在實(shí)驗(yàn)室已獲得200nm的增益帶寬，但增益平坦性很差，使它難以應(yīng)用到波分復(fù)用系統(tǒng)中。申請(qǐng)?zhí)枮?00410025214.0和200410067334.7的中國(guó)發(fā)明專利中分別提出使用四級(jí)級(jí)聯(lián)的高非線性光纖構(gòu)成單泵浦光纖參量放大器和三級(jí)級(jí)聯(lián)的高非線性光纖構(gòu)成雙泵浦光纖參量放大器，此類放大器所使用的高非線性光纖級(jí)數(shù)較多，增加了熔接損耗，而且制作工藝也較為復(fù)雜。
因此，研究寬帶光纖參量放大器，特別是實(shí)現(xiàn)工藝較為方便的光纖放大器是WDM通信系統(tǒng)的研究主題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，并充分考慮當(dāng)前的制造工藝條件，提出一種兩級(jí)光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦寬帶光纖參量放大器，在能夠?qū)崿F(xiàn)參量放大、獲得寬帶平坦的增益譜的前提下，減少高非線性光纖級(jí)數(shù)，降低損耗，而制作工藝更為簡(jiǎn)單。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的目的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，雙泵浦寬帶光纖參量放大器由兩個(gè)泵浦激光器、泵浦耦合器、信號(hào)激光器、信號(hào)耦合器、波分復(fù)用器及依次級(jí)聯(lián)的兩級(jí)高非線性光纖構(gòu)成。兩個(gè)泵浦激光器的輸出經(jīng)泵浦耦合器連接波分復(fù)用器，信號(hào)激光器的輸出經(jīng)信號(hào)耦合器連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出連接到依次級(jí)聯(lián)的兩級(jí)高非線性光纖。
兩個(gè)泵浦激光器發(fā)射出的泵浦光波經(jīng)泵浦耦合器耦合進(jìn)傳輸光纖，同樣，信號(hào)激光器發(fā)射出的信號(hào)光經(jīng)信號(hào)耦合器也耦合進(jìn)入傳輸光纖，然后再通過(guò)波分復(fù)用器將兩個(gè)泵浦光和信號(hào)光復(fù)用到依次級(jí)聯(lián)的二級(jí)高非線性光纖中發(fā)生四波混頻作用，從而實(shí)現(xiàn)了參量放大的效果。
兩泵浦光和信號(hào)光分別經(jīng)泵浦耦合器和信號(hào)耦合器耦合，再經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用后，依次進(jìn)入第一級(jí)、第二級(jí)高非線性光纖。輸入信號(hào)光和兩泵浦光進(jìn)入第一級(jí)光纖后，其增益譜略呈鐘形凸起。經(jīng)過(guò)第二級(jí)光纖后，增益譜得到修正，其平坦度達(dá)到0.4dB以內(nèi)。
本發(fā)明的光纖參量放大器的平坦帶寬和增益取決于第一級(jí)光纖的物理參數(shù)如光纖長(zhǎng)度、二階色散和四階色散以及兩泵浦光波長(zhǎng)和泵浦光功率，第二級(jí)光纖的作用在于使第一級(jí)光纖產(chǎn)生的增益譜變得平坦，有效增益帶寬得到增加。本發(fā)明的光纖參量放大器的兩級(jí)光纖的長(zhǎng)度處于0.1m至150m范圍內(nèi)，二階色散系數(shù)處于0至5.0×10-2ps2km-1范圍內(nèi)，四階色散系數(shù)處于-4.0×10-4ps4km-1至1.0×10-4ps4km-1范圍內(nèi)，非線性系數(shù)處于1km-1W-1至60km-1W-1范圍內(nèi)，泵浦光波長(zhǎng)位于1400-1700nm范圍內(nèi)。
本發(fā)明的雙泵浦光纖參量放大器不但可以提供一個(gè)寬帶平坦的增益譜，而且能夠克服由于泵浦光抖動(dòng)引起的閑置光譜線加寬，還可以使用兩正交偏振的泵浦光而獲得偏振獨(dú)立的特性。使用二級(jí)高非線性光纖級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的雙泵浦光纖參量放大器可以提供400nm或更寬的平坦增益帶寬，平均輸出增益達(dá)到10dB上下。相對(duì)于四級(jí)和三級(jí)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，減少了高非線性光纖級(jí)數(shù)，降低了損耗，對(duì)于目前的制作工藝而言，更容易實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)了WDM光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。


圖1為本發(fā)明的寬帶光纖參量放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為帶寬為110nm的寬帶光纖參量放大器的增益譜圖。
圖2中，圈號(hào)線和加號(hào)線分別是信號(hào)光經(jīng)過(guò)第一，二級(jí)高非線性光纖后的增益譜。
圖3為帶寬為400nm的寬帶光纖參量放大器的增益譜圖。
圖3中，虛線和實(shí)線分別是信號(hào)光經(jīng)過(guò)第一，二級(jí)高非線性光纖后的增益譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的兩級(jí)光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦寬帶光纖參量放大器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)泵浦激光器、泵浦耦合器、信號(hào)激光器，信號(hào)耦合器、波分復(fù)用器、第一級(jí)高非線性光纖和第二級(jí)高非線性光纖構(gòu)成。兩個(gè)泵浦激光器的輸出經(jīng)泵浦耦合器連接波分復(fù)用器，信號(hào)激光器的輸出經(jīng)信號(hào)耦合器連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出連接到依次級(jí)聯(lián)的兩級(jí)高非線性光纖。
兩個(gè)泵浦光激光器發(fā)射出的泵浦光波(λp1，λp2)經(jīng)泵浦光耦合器耦合進(jìn)傳輸光纖，同樣信號(hào)激光器發(fā)射出的信號(hào)光(λs)經(jīng)信號(hào)光耦合器也耦合進(jìn)入傳輸光纖，然后再通過(guò)波分復(fù)用器將兩個(gè)泵浦光和信號(hào)光復(fù)用到依次級(jí)聯(lián)的二級(jí)高非線性光纖中發(fā)生非線性四波混頻作用，從而實(shí)現(xiàn)了參量放大的效果。其中，兩級(jí)光纖的長(zhǎng)度處于0.1m至150m范圍內(nèi)，二階色散系數(shù)處于0至5.0×10-2ps2km-1范圍內(nèi)，四階色散系數(shù)處于-4.0×10-4ps4km-1至1.0×10-4ps4km-1范圍內(nèi)，非線性系數(shù)處于1km-1W-1至60km-1W-1范圍內(nèi)，泵浦光波長(zhǎng)位于1400-1700nm范圍內(nèi)。
兩泵浦光和信號(hào)光分別經(jīng)泵浦耦合器和信號(hào)耦合器耦合，再經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用后，依次進(jìn)入第一級(jí)、第二級(jí)高非線性光纖，兩級(jí)高非線性光纖使用光纖連接器連接起來(lái)，一般接口損耗在0.6dB左右。輸入信號(hào)光和兩泵浦光進(jìn)入第一級(jí)光纖后，其輸出端的增益譜呈鐘形分布，中間略有凸起。經(jīng)過(guò)第二級(jí)光纖后，由于光纖的四階色散為負(fù)值，增益譜得到修正，其平坦度達(dá)到0.4dB以內(nèi)，增益帶寬也得到增加，達(dá)到400nm。
實(shí)施例1110nm帶寬的雙泵浦寬帶光纖參量放大器。其中兩泵浦光功率P1＝P2＝0.5W，兩泵浦光波長(zhǎng)λp1＝1491nm，λp2＝1609nm，光纖二階色散系數(shù)β21＝β22＝0，光纖非線性系數(shù)γ＝18km-1W-1。第一級(jí)高非線性光纖長(zhǎng)度L1＝105m，四階色散系數(shù)β41＝5.98×10-5ps4km-1；第二級(jí)高非線性光纖長(zhǎng)度L2＝14m，四階色散系數(shù)β42＝-34.92×10-5ps4km-1。本發(fā)明首先通過(guò)求解非線性薛定諤方程，得到雙泵浦寬帶光纖參量放大器的增益函數(shù)，然后利用遺傳算法獲得二級(jí)高非線性光纖參數(shù)的最優(yōu)值。第一級(jí)光纖決定了寬帶光纖參量放大器增益水平和增益帶寬，因此為了產(chǎn)生一個(gè)大的增益，取第一級(jí)光纖長(zhǎng)度為105m。輸入信號(hào)光和泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器耦合進(jìn)第一級(jí)光纖后，由于光纖的二階色散等于零，四階色散大于零，其輸出端的增益譜略呈鐘形分布，如圖2中的圈號(hào)線所示。第二級(jí)光纖在泵浦光中心波長(zhǎng)處的二階色散等于零，四階色散小于零，其增益譜成凹陷形，這級(jí)光纖的長(zhǎng)度為14m，信號(hào)光和泵浦光經(jīng)過(guò)第二級(jí)光纖后，其增益譜線恰好得到了修正，平坦度增加，達(dá)到0.17dB以內(nèi)，有效帶寬拓展，達(dá)到110nm，如圖2中的加號(hào)線所示。故在本實(shí)施例中，光纖參量放大器的兩級(jí)光纖中的第一級(jí)光纖在泵浦光中心波長(zhǎng)處的二階色散為零，四階色散為正值；而第二級(jí)光纖在泵浦光中心波長(zhǎng)處的二階色散為零，四階色散為負(fù)值。
表1為帶寬110nm的雙泵浦寬帶光纖參量放大器的最優(yōu)化參數(shù)，表中L為光纖的長(zhǎng)度，β2為二階色散系數(shù)，β4為四階色散系數(shù)，P1，P2為兩泵浦光功率，γ為光纖非線性系數(shù)，λp1，λp2為兩泵浦光波長(zhǎng)，λ0為光纖的零色散波長(zhǎng)，bandwidth為得到的寬帶光纖參量放大器的有效增益帶寬。
表1

實(shí)施例2346nm帶寬的雙泵浦寬帶光纖參量放大器。其中兩泵浦光功率P1＝P2＝1W，兩泵浦光波長(zhǎng)λp1＝1490nm，λp2＝1510nm，光纖四階色散系數(shù)β41＝β42＝-2×10-6ps4km-1，光纖非線性系數(shù)γ＝60km-1W-1。第一級(jí)高非線性光纖長(zhǎng)度L1＝25m，二階色散系數(shù)β21＝0；第二級(jí)高非線性光纖長(zhǎng)度L2＝2.93m，β22＝4.29×10-2ps2km-1。本發(fā)明首先通過(guò)求解非線性薛定諤方程，得到雙泵浦寬帶光纖參量放大器的增益函數(shù)，然后利用遺傳算法獲得二級(jí)高非線性光纖參數(shù)的最優(yōu)值。第一級(jí)光纖決定了寬帶光纖參量放大器增益水平和增益帶寬，因此為了產(chǎn)生一個(gè)大的增益，取第一級(jí)光纖長(zhǎng)度為25m。輸入信號(hào)光和泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器耦合進(jìn)第一級(jí)光纖后，由于光纖的二階色散等于零，四階色散小于零，其輸出端的增益譜為雙峰曲線，如圖3中的實(shí)線所示。第二級(jí)光纖在泵浦光中心波長(zhǎng)處的二階色散大于零，而四階色散小于零，其增益譜在中央呈現(xiàn)一個(gè)平坦峰值區(qū)域，這級(jí)光纖的長(zhǎng)度為2.93m，信號(hào)光和泵浦光經(jīng)過(guò)第二級(jí)光纖后，其增益譜線恰好得到了修正，平坦度增加，達(dá)到0.2dB以內(nèi)，有效平坦帶寬拓展，達(dá)到346nm，如圖3中的虛線所示。
表2為帶寬346nm的雙泵浦寬帶光纖參量放大器的最優(yōu)化參數(shù)，表中L為光纖的長(zhǎng)度，β2為二階色散系數(shù)，β4為四階色散系數(shù)，P1，P2為兩泵浦光功率，γ為光纖非線性系數(shù)，λp1，λp2為兩泵浦光波長(zhǎng)，λ0為光纖的零色散波長(zhǎng)，bandwidth為得到的寬帶光纖參量放大器的有效增益帶寬。
表2

除此之外，各級(jí)光纖連接處的損耗也是需要考慮的，一般高非線性光纖的接口損耗在0.6dB左右，也就是說(shuō)功率將損耗13％，所以在計(jì)算時(shí)第k段光纖入口處泵浦功率應(yīng)調(diào)整為Pk＝P0·α(k-1)，α＝0.87。總之，第一級(jí)光纖用于產(chǎn)生一個(gè)大的增益，后面一級(jí)光纖用于拉平增益譜。通過(guò)對(duì)兩級(jí)光纖參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終可以得到有效增益帶寬達(dá)到400nm或更寬的寬帶光纖參量放大器，其增益平坦度小于0.4dB。
本發(fā)明的雙泵浦寬帶光纖參量放大器的平坦帶寬和增益取決于第一級(jí)光纖的物理參數(shù)如光纖長(zhǎng)度、二階色散和四階色散以及泵浦光波長(zhǎng)和泵浦光功率，第二級(jí)光纖的作用在于使第一級(jí)光纖產(chǎn)生的增益譜變得平坦。適當(dāng)?shù)倪x取這些參數(shù)，可以得到寬帶光纖參量放大器，從而減小損耗，簡(jiǎn)化工藝，推動(dòng)WDM光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種兩級(jí)光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦寬帶光纖參量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信號(hào)激光器、信號(hào)耦合器、波分復(fù)用器及高非線性光纖組成，其特征在于兩個(gè)泵浦激光器的輸出經(jīng)泵浦耦合器連接波分復(fù)用器，信號(hào)激光器的輸出經(jīng)信號(hào)耦合器連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器將兩個(gè)泵浦光和信號(hào)光復(fù)用到依次級(jí)聯(lián)的第一級(jí)、第二級(jí)共兩級(jí)高非線性光纖中，并通過(guò)四波混頻作用，實(shí)現(xiàn)參量放大；其中，兩級(jí)光纖的長(zhǎng)度處于0.1m至150m范圍內(nèi)，二階色散系數(shù)處于0至5.0×10-2ps2km-1范圍內(nèi)，四階色散系數(shù)處于-4.0×10-4ps4km-1至1.0×10-4ps4km-1范圍內(nèi)，光纖非線性系數(shù)處于1km-1W-1至60km-1W-1范圍內(nèi)，泵浦光波長(zhǎng)位于1400-1700nm范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的兩級(jí)光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦寬帶光纖參量放大器，其特征在于所述第一級(jí)光纖在泵浦光中心波長(zhǎng)處的二階色散系數(shù)為零，四階色散系數(shù)為正值；第二級(jí)光纖在泵浦光中心波長(zhǎng)處的二階色散系數(shù)為零，四階色散系數(shù)為負(fù)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩級(jí)光纖級(jí)聯(lián)的雙泵浦寬帶光纖參量放大器，由兩個(gè)泵浦激光器、泵浦耦合器、信號(hào)激光器、信號(hào)耦合器、波分復(fù)用器及依次級(jí)聯(lián)的兩級(jí)高非線性光纖構(gòu)成。光纖的二階色散系數(shù)為0至5.0×10
文檔編號(hào)G02F1/39GK1975551SQ20061014721
公開(kāi)日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者王芳華, 張曉晨, 高明義, 姜淳 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)