CN105261920A - 一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，包括：种子脉冲、第一泵浦源、第二泵浦源、第一耦合器、第一波分复用器、第一掺饵光纤、第一滤波器、第二滤波器和激光控制环路；所述激光控制环路由环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、可调衰减器、第二耦合器、第三波分复用器、第二掺饵光纤和第二波分复用器一次相连构成。本发明的低重频短短脉冲光纤放大器置主要用于光纤传感领域中的1550nm波段的脉冲功率放大场合，如OTDR(光时域反射计)、DTS(分布式光纤温度传感系统)、BOTDA(布里渊光时域分析仪)等。

Description

一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器

技术领域

本发明涉及一种光纤放大器置，特别涉及一种一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器。

背景技术

在光纤分布式传感日趋成熟、市场应用越来越广泛的背景下，如何提高传感系统的测量精度和测量长度是研究人员所关心的重点。而作为核心器件之一的光脉冲放大器，其技术指标的好坏直接关系到系统性能是否能够得到提升。EDFA是一种用在1550nm波段的全光纤结构的宽带放大器，由于其良好的耦合效率、高可靠性及结构紧密等特性，在光脉冲放大中得到了广泛的应用。目前，在连续光和低速光脉冲放大的应用中，EDFA的噪声控制技术已较为成熟。但当种子光脉冲的宽度达到百ps至几ps数量级时，尤其是在占空比较小的情况下，即使脉冲的峰值功率很大，但整个周期的平均功率非常低，普通的EDFA如果用在这里将会产生诸多噪声，包含了：(1)自发辐射的散弹噪声；(2)自发辐射的不同频率光波间的差拍噪声；(3)信号光和自发辐射光之间的差拍噪声；(4)信号光的散弹噪声。其中，EDFA固有的放大自发辐射(ASE)噪声的影响尤为明显。一方面，小信号放大时泵浦效率较低，信号光并不足以使亚稳态能级上的反转粒子完全受激辐射跃迁从而产生信号增益；另一方面，在无信号光输入的时间里，反转粒子也会因寿命耗尽产生自发辐射，显著扩大了放大器的噪声水平，不利于信号光的增益和泵浦效率的提升。因此如何对低重频、窄脉宽的脉冲信号进行低噪的高增益放大，是值得深入研究和探讨的问题。

人们为此也提出了很多种方案用以解决超窄脉冲在大功率放大时的噪声、非线性、色散等问题，比如有人采用同步泵浦的方式，在种子脉冲进入放大器的时候才输出泵浦激光，最大限度的减小无种子脉冲时候的ASE噪声，但也存在电路复杂、增益介质反转粒子数积累少导致的增益倍数有限等问题；有人采用多级泵浦的方式，对不同能量的脉冲分级放大，并在各级之间插入隔离器以减小反向ASE噪声的影响，虽然能使脉冲得到较大的功率放大，但并没有从根本上解决噪声问题；还有人在放大器中引入偏振控制器，通过偏振消光作用来降低ASE噪声，但是偏振器件也会引入一定的噪声，且偏振控制的稳定性是否可靠还在两可之间。

发明内容

发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，主要用于光纤传感领域中的1550nm波段的脉冲功率放大场合，如OTDR(光时域反射计)、DTS(分布式光纤温度传感系统)、BOTDA(布里渊光时域分析仪)等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，包括：种子脉冲、第一泵浦源、第二泵浦源、第一耦合器、第一波分复用器、第一掺饵光纤、第一滤波器、第二滤波器和激光控制环路；

所述激光控制环路由环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、可调衰减器、第二耦合器、第三波分复用器、第二掺饵光纤和第二波分复用器一次相连构成；

所述种子脉冲与第一波分复用器相连；所述第一泵浦源的输出激光经过第一耦合器分成两束，第一束的激光通过第一波分复用器进入第一掺铒光纤对种子脉冲进行第一次放大；第一次放大后的信号光经过环形器和第二波分复用器在第二掺饵光纤进行第二次放大后经过第三波分复用器、第二耦合器和第二滤波器输出，其中所述第二次放大由第一泵浦源和第二泵浦源共同作用形成双向泵浦源，所述第一泵浦源通过第一耦合器与第二波分复用器相连，所述第二泵浦源与第三波分复用器相连；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅分别选择波长在光纤放大器增益带宽中两侧增益较低的区域，经过选择后的双波长激光沿激光控制环路逆时针方向运转。

优选的，所述种子脉冲与第一波分复用器之间连接有第一隔离器；所述第二耦合器与第二滤波器之间连接有第二隔离器。

优选的，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅选择的波长分别位于1525nm附近和1565nm附近。

优选的，所述第一掺饵光纤采用长度较短的不同掺饵光纤，可将平均功率几mW以下的输入信号低噪声放大至几十至几百mW的平均功率。

优选的，所述第二掺饵光纤采用大模厂掺饵光纤，通过选用合适比例掺杂浓度和较长的长度实现光脉冲的低畸变、高增益的功率放大。

优选的，所述第一滤波器采用以种子脉冲波长为中心波长的窄带滤波器，带宽小于0.1nm。

优选的，所述第一耦合器的分光比为30:70，将激光分成两束，其中30％的激光通过第一波分复用器。

优选的，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅采用相移光栅Bragg光栅(PS-FBG)。

本发明的有益效果是：

1、采用双波长激光控制环路，有效降低放大自发辐射(ASE)噪声，提高泵浦效率；

2、控制环路中采用了特殊设计的相移光纤Bragg光栅作为波长选择器件，使出光波长稳定，提高控制效果；

3、第一级放大后端采用了窄带滤波器，阻止了绝大部分ASE噪声向第二级放大的传输；

4、采用大模场面积的掺饵光纤作为功率放大增益介质，提高了泵浦效率，减小了光纤非线性效应的影响。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器置不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

具体实施方式

实施例1

参见图1所示，本发明的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器置，包括：

种子脉冲1、第一泵浦源2、第二泵浦源3、第一耦合器4、第一波分复用器5、第一掺饵光纤6、第一滤波器7、第二滤波器8和激光控制环路9；

所述激光控制环路9由环形器91、第一光纤光栅92、第二光纤光栅93、可调衰减器94、第二耦合器95、第三波分复用器96、第二掺饵光纤97和第二波分复用器98一次相连构成；

所述种子脉冲1与第一波分复用器98相连；所述第一泵浦源2的输出激光经过第一耦合器4分成两束，第一束的激光通过第一波分复用器5进入第一掺铒光纤6对种子脉冲1进行第一次放大；第一次放大后的信号光经过环形器91和第二波分复用器98在第二掺饵光纤97进行第二次放大后经过第三波分复用器96、第二耦合器95和第二滤波器8输出，其中所述第二次放大由第一泵浦源2和第二泵浦源3共同作用形成双向泵浦源，所述第一泵浦源2通过第一耦合器4与第二波分复用器98相连，所述第二泵浦源3与第三波分复用器96相连；所述第一光纤光栅92、第二光纤光栅93分别选择波长在光纤放大器增益带宽中两侧增益较低的区域，经过选择后的双波长激光沿激光控制环路逆时针方向运转。采用两个泵浦源分别在第一级和第二级进行同向和双向泵浦，调节合适的泵浦功率可以实现最优的信噪比。

更进一步，所述种子脉冲1与第一波分复用器5之间连接有第一隔离器01，用于防止第一次放大的放大自发辐射(ASE)噪声对种子脉冲光源产生干扰；所述第二耦合器98与第二滤波器8之间连接有第二隔离器02。

更进一步，所述第一光纤光栅92与第二光纤光栅93选择的波长分别位于1525nm附近和1565nm附近。

更进一步，所述第一掺饵光纤6采用长度较短的不同掺饵光纤，可将平均功率几mW以下的输入信号低噪声放大至几十至几百mW的平均功率。

更进一步，所述第二掺饵光纤97采用大模厂掺饵光纤，通过选用合适比例掺杂浓度和较长的长度实现光脉冲的低畸变、高增益的功率放大。

更进一步，所述第一滤波器7采用以种子脉冲波长为中心波长的窄带滤波器，带宽小于0.1nm。

更进一步，所述第一耦合器4的分光比为30:70，将激光分成两束，其中30％的激光通过第一波分复用器5。

更进一步，所述第一光纤光栅98和第二光纤光栅93采用相移光栅Bragg光栅(PS-FBG)。

第一泵浦源的输出激光经过第一耦合器(分光比30:70)分成两束，30％的激光通过980/1550的第一WDM进入第一级EDF对种子脉冲进行预防大，第一WDM与种子脉冲之间接有第一Isolator，防止第一级放大的ASE噪声对种子脉冲光源产生干扰。第一次放大中选用普通芯径的第一掺饵光纤和较短的长度，结合同向泵浦方式，实现对种子脉冲的低噪声放大，提升信号的平均功率。第一级窄带滤波器为以种子脉冲波长为中心波长的窄带滤波器，带宽<0.1nm，其作用主要是减小了第一次放大中少量放大自发辐射(ASE)光对第二次放大的影响.

第一次放大后的信号光经过环形器进入第二次放大，第二次放大由第一泵浦源和第二泵浦源共同作用形成双向泵浦，以实现高增益低噪声放大。其中，增益介质采用了具有大模场面积的第二掺饵光纤，以提高泵浦效率，降低高脉冲峰值功率所引起的光纤非线性效应对脉冲产生的频移、色散等畸变影响。为了控制功率放大时的放大自发辐射(ASE)噪声，使反转粒子数处于合适的水平，在第二级的放大中引入了激光控制环路，分别通过环形器和第二耦合器(分光比5:95)与第二掺饵光纤连接。环路中有第一光纤光栅和第二光纤光栅，波长选择在光纤放大器增益带宽中两侧较低的增益区域，分别位于1525nm和1565nm附近。选择的双波长激光沿逆时针方向运转，与光脉冲信号方向相反。

激光控制噪声效果具体解释如下：放大器刚开始运行时，无种子脉冲输入，此时第一掺饵光纤和第二掺饵光纤经过泵浦之后产生的放大自发辐射(ASE)光同时在光路中正向和反向传输。正向传输的激光光一部分通过第二隔离器输出，另一部分通过激光控制环路耗散掉。反向传输的激光经过环形器后进入激光控制环路，再经过第一光纤光栅、第二光纤光栅、A衰减器和第二耦合器后返回第二掺饵光纤，形成循环，构成一个具有一定损耗的环形腔。此时，由第一光纤光栅和第二光纤光栅选择的两个波长得到放大，形成激光，从而大量消耗反转粒子数，降低无信号脉冲时的放大自发辐射(ASE)噪声，且激光反向运行，并不会经过第二隔离器输出。在调制环形腔损耗水平的时候，同时在第二耦合器的激光输出端和第二滤波器的输出端分别监控激光功率和放大自发辐射(ASE)功率，通过调高环路损耗，使激光运行在较低的功率水平，如果刚好能够消耗掉第二掺饵光纤中亚稳态能级上寿命耗尽的反转粒子，则从第二滤波器输出的放大自发辐射(ASE)噪声应为最小水平，且仍保证了有第二掺饵光纤足够的反转粒子给种子脉冲提供增益。

当种子脉冲经过第一隔离器进入放大器后，首先经过第一级预防大，再通过空间耦合进入第二掺饵光纤，因为此时的脉冲峰值功率较高，且脉冲波长处于第二掺饵光纤较高增益的区域，因此很容易从模式竞争中获得较多的反转粒子数，获得较高的增益，而控制激光则消耗剩余的反转粒子，获得较小的增益，输出功率减小。当前一个光脉冲放大输出、下一个脉冲未进入时，放大器重演上述过程，从而实现降低噪声水平、提高泵浦效率的目的。控制激光的引入还能减小第一级放大中放大自发辐射(ASE)噪声对第二级放大的影响。环路中选择两个激射波长，是为了使这两个波长之间也存在相互竞争处于不稳定的状态，避免单波长稳态运转，对光脉冲的放大不利。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于，包括：种子脉冲、第一泵浦源、第二泵浦源、第一耦合器、第一波分复用器、第一掺饵光纤、第一滤波器、第二滤波器和激光控制环路；

所述激光控制环路由环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、可调衰减器、第二耦合器、第三波分复用器、第二掺饵光纤和第二波分复用器一次相连构成；

所述种子脉冲与第一波分复用器相连；所述第一泵浦源的输出激光经过第一耦合器分成两束，第一束的激光通过第一波分复用器进入第一掺铒光纤对种子脉冲进行第一次放大；第一次放大后的信号光经过环形器和第二波分复用器在第二掺饵光纤进行第二次放大后经过第三波分复用器、第二耦合器和第二滤波器输出，其中所述第二次放大由第一泵浦源和第二泵浦源共同作用形成双向泵浦源，所述第一泵浦源通过第一耦合器与第二波分复用器相连，所述第二泵浦源与第三波分复用器相连；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅分别选择波长在光纤放大器增益带宽中两侧增益较低的区域，经过选择后的双波长激光沿激光控制环路逆时针方向运转。

2.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述种子脉冲与第一波分复用器之间连接有第一隔离器；所述第二耦合器与第二滤波器之间连接有第二隔离器。

3.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述第一光纤光栅与第二光纤光栅选择的波长分别位于1525nm附近和1565nm附近。

4.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述第一掺饵光纤采用长度较短的不同掺饵光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述第二掺饵光纤采用大模厂掺饵光纤。

6.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述第一滤波器采用以种子脉冲波长为中心波长的窄带滤波器，带宽小于0.1nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述第一耦合器的分光比为30:70，将激光分成两束，其中30％的激光通过第一波分复用器。

8.根据权利要求1所述的一种基于特殊相移光纤Bragg光栅控制环的低重频短脉冲光纤放大器，其特征在于：所述第一光纤光栅和第二光纤光栅采用相移光栅Bragg光栅(PS-FBG)。