CN100444539C - 一种基于高非线性光纤的光脉冲序列光谱展宽器 - Google Patents

Abstract

本发明是基于高非线性光纤的光脉冲序列光谱展宽器，其设有不同长度的高非线性光纤(1)、(3)，在它们之间熔接了一根标准单模光纤(2)；其作为波分复用的40GHz高脉冲重复频率的宽带相干光源。对于40GHz这种高脉冲重复频率的脉冲序列，脉冲峰值功率放大受限的情况下，本发明光谱展宽器采用啁啾脉冲压缩技术，通过提高HNLF的光谱展宽效率实现了脉冲光谱进一步有效展宽，即在相同的抽运脉冲输入和使用相同长度的HNLF条件下，脉冲光谱展宽会有显著提高。

Description

一种基于高非线性光纤的光脉冲序列光谱展宽器

技术领域

本发明涉及光纤通信中的器件，特别是一种基于高非线性光纤的40GHz光脉冲序列光谱展宽器，以提供作为波分复用(WDM)的高脉冲重复频率的宽带相干光源。

背景技术

随着国际互联网(INTERNET)和IP技术的飞速发展与广泛应用，各种新型带宽业务不断涌现，社会对信息量的需求呈指数增长，光纤通信系统由于具有巨大的带宽潜力，在通信系统中占有的比例将越来越大。以密集波分复用(DWDM)技术为主体的全光网络已被公认为缓解日益增长的通信容量难题的有效方式，利用WDM技术提高通信容量的常用途径是增加通信系统中参与复用的波长数目以及每个波长信道的数据率。在以40Gb/s传输速率为基础的超高速、超宽带通信系统中，WDM技术和光时分复用(OTDM)以及光码分复用(OCDM)技术结合应用，进一步提高系统容量，需要用到多波长高脉冲重复率的超短脉冲光源，对超连续谱进行谱切片就是实现这种光源的方法。

如图2所示：超连续谱(Supercontinuum，简称SC)的产生是指强度较高而光谱宽度有限的短脉冲在通过非线性介质后，其光谱中产生许多新的频率成分，光谱宽度远大于入射光的光谱。利用对SC谱进行谱切片的方法，可以从中提取出任意线宽的多个中心波长不同的短脉冲，其中每个中心波长信道都具有与源脉冲光源相同的脉冲重复率，由此实现脉冲光源的多波长扩展。由于常用的非线性介质是和波长滤波器一样的无源器件光纤，所以相对于由多个离散光源构成的多波长光源而言，不但成本低，而且稳定性好。SC谱切割法提供了一种实现廉价、稳定的多波长脉冲光源的途径，每个波长通道的脉冲序列质量好坏取决于SC谱的特性。展宽光谱的平滑性、宽度和相干性(即纵模调制深度)是衡量SC谱三个最重要的特征。

SC谱的特性除了与所使用的抽运脉冲有关外，还决定于用于光谱展宽的非线性光纤的类型和不同特性光纤的组合连接方式，使用不同的光纤和将不同光纤按不同组合形式连接都可以构成不同的脉冲光谱展宽器。SC的产生主要有三种途径：利用高阶孤子压缩效应的色散位移光纤(DSF)；利用绝热孤子压缩的色散递减光纤(DDF)；利用自相位调制(SPM)效应的正常色散光纤。第一种方法利用脉冲在DSF的零色散点附近的反常色散区形成高阶孤子以压缩脉冲，扩展频谱。其主要问题在于脉冲在光纤的反常色散区传播时，SC谱的相干性会受到调制不稳定的影响而劣化，而且所展光谱在抽运脉冲中心波长附近有明显的深陷。第二种方法采用的光纤其群速度延迟(GVD)常数沿光纤从反常值(β₂＜0)变为正常值(β₂＞0)，脉冲在该光纤中传播时，在反常色散区通过绝热孤子压缩提高峰值功率后在正常色散区展谱。这种方法要求光纤输入端的抽运脉冲要满足基态孤子的条件，这就限制了输入脉冲的功率不能更高，脉冲的光谱展宽后会导致过低的功率谱密度，不利于提高信噪比；而且光纤色散必须是绝热递减，通常使用的光纤长度很长(＞1km)，对光纤制作工艺要求过高。相对于前面两种方法，第三种方法具有明显的优点，因而得到广泛的应用。

使用具有正常色散值的光纤作为SC光纤实现脉冲的光谱展宽：脉冲在这种光纤中传输时，SPM和正常色散的GVD引入的频率啁啾相互作用，一方面使脉冲时域展宽，另一方面该线性啁啾的积累可以保证脉冲光谱平坦展宽。其SC产生的效果主要由下面的两个参数描叙：(1)L_D2/L_NL，其中L_D2是二阶色散长度，定义为T₀ ²/|β₂|；L_NL是非线性长度，定义为1/(γP₀)，(2)L_D2/L_D3，其中L_D3是三阶色散长度，定义为T₀ ³/|β₃|。式中，T₀、β₂、P₀、γ、β₃分别为脉冲半宽度、GVD常数、脉冲峰值功率、光纤非线性系数以及三阶色散。实现SC有效产生的规则是；L_D2/L_NL越高，SC谱越宽；同时，L_D2/L_D3要足够小，以保证所展宽的SC谱不致进入光纤的反常色散区而降低SC谱的质量，而且这也是在整个SC脉冲宽度内产生良好线性正啁啾的保证。由此确定选择SC光纤的基本标准是：光纤非线性系数要大；二阶色散值尽量小；三阶色散值相对于二阶色散值越小越好。由上面的两个规则我们还可以看到：增大二阶色散可以抑制三阶色散，其代价可由相应增大非线性系数来补偿。具体到实际应用，适合用于SC产生的光纤有两类：(1)具有正常色散值的色散平坦光纤(DFF)；(2)具有相对大的二阶色散值的正常色散高非线性光纤(HNLF)。色散平坦光纤有两个零色散波长，分别位于1.3μm和1.6μm附近。这样可以实现在1.3μm～1.6μm波长范围总色散都很小，而且色散斜率也很小。目前有实际应用报道的高脉冲重复率(10GHz及以上)SC谱产生采用的主要就是这种光纤。这种SC光纤的优点是：脉冲在光纤中传播时，很小的二阶色散在降低脉冲的展宽速率的同时也减缓了峰值功率下降的速度，保证了主导光谱展宽的SPM的有效作用。然而，这种光纤实现色散平坦的手段是使波导色散曲线具有更大的斜率，或其负色散值随波长变化更陡，以使1.3μm～1.6μm波长范围内波导色散和材料色散较好地抵消。因而这种光纤的折射率分布非常复杂，该结构的光纤制作难度极大，单位长度价格昂贵。不仅如此，已证明实现光谱充分展宽的光纤的最佳长度与色散系数的开方成反比，通常所需光纤的长度在1km以上。而且，色散值越小，展宽光谱的顶端出现的波纹(ripple)越大，实际使用的光纤长度会加长以平坦顶部的振荡和稳定幅度噪声。最近的研究还表明：对于DFF构成的SC光纤，由于二阶色散的绝对值极小，微小的色散偏差和波动也会极大减小SC谱的有用带宽，这就要求在整个脉冲传输的光纤长度色散参数必须严格保持常数。因此该光纤生产精度严重影响其SC谱产生的质量。在目前的工艺水平下，比较现实的解决办法是提高色散的绝对值。综合考虑以上因素，采用具有高正常色散的HNLF作为SC光纤以构成脉冲光谱展宽器是合理选择。

单纯采用HNLF构成的脉冲光谱展宽器结构很简单：光脉冲经EDFA放大后，直接进入特定长度的高正常色散的HNLF实现光谱展宽。这种脉冲光谱展宽器的展谱特性是：入脉冲峰值功率一定时，光纤长度越长，光谱展宽越宽，但展宽程度会显著减小；继续增加光纤长度，脉宽展宽，光谱展宽极微，只是光谱的包络形状更光滑。这是由于脉冲在高正常色散值的HNLF中传输时，脉冲会很快展宽，峰值功率随之下降导致主导光谱展宽的SPM效应迅速减弱，此后，展谱几乎停止，色散起主导作用。可见，作为SC产生的HNLF，输入脉冲条件一定时，有效展谱长度存在极限值，单纯依靠增加HNLF长度，不能有效展宽脉冲的光谱。另一方面，对于输入的脉冲而言，在脉冲宽度一定的情况下，显然其峰值功率越高，则展谱效果越好。脉冲通过EDFA放大可以提高其峰值功率，但是放大的效果与脉冲重复率成反比，对于40GHz的脉冲序列，脉冲峰值功率受到EDFA的饱和输出功率限制也不能有效提高。因此，普通方案中的HNLF构成的脉冲光谱展宽器的对于40GHz的高脉冲重复频率的脉冲光谱展宽效率不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于高非线性光纤的40GHz光脉冲序列光谱展宽器，以克服普通方案中的HNLF构成的脉冲光谱展宽器对于40GHz的高脉冲重复频率的脉冲光谱展宽效率偏低的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供的光脉冲序列光谱展宽器，其基于具有高正常色散值的高非线性光纤；其设有两段不同长度的高非线性光纤，在它们之间熔接了一根标准单模光纤；其采用啁啾脉冲压缩技术，实现40GHz光脉冲的压缩和脉冲功率的放大。

本发明提供的光脉冲序列光谱展宽器，用于产生波分复用的40GHz高脉冲重复频率的宽带相干光源。

本发明是一种新型脉冲光谱展宽器，与现有技术相比具有以下主要优点：

对于40GHz这种高脉冲重复频率的脉冲序列，脉冲峰值功率放大受限的情况下，新型脉冲光谱展宽器采用啁啾脉冲压缩技术，通过提高HNLF的光谱展宽效率实现了脉冲光谱进一步有效展宽，即在相同的抽运脉冲输入和使用相同长度的HNLF条件下，脉冲光谱展宽会有显著提高。与采用一段150mHNLF的光谱展宽器相比，10dB光谱展宽可从10nm提高到约30nm。

附图说明

图1为本发明基于高非线性光纤的脉冲光谱展宽器示意图；

图2为本发明实现的超连续谱作为多波长高脉冲重复率的超短脉冲光源示意图。

具体实施方式

本发明是一种新型脉冲光谱展宽器，具体涉及利用具有高正常色散值的高非线性光纤(HNLF)，构成40GHz光脉冲序列光谱展宽器，以提供作为波分复用(WDM)的高脉冲重复频率的宽带相干光源。对于40GHz这种脉冲峰值功率放大受限的脉冲序列，新型脉冲光谱展宽器采用啁啾脉冲压缩技术，通过提高该HNLF的超连续谱(Supercontinuum，简称SC)的产生效率，实现了脉冲光谱展宽的显著的提高。

本发明脉冲光谱展宽器的构建原理是：首先，根据输入脉冲和使用的高非线性光纤(HNLF)特性，确定标准单模光纤(SMF)和两段HNLF的长度。HNLF长度的是根据该HNLF光谱有效展宽的极限值确定。SMF光纤长度由啁啾脉冲补偿的最佳点，其最佳补偿点也是脉冲峰值功率最高点。

其次，将选定长度的光纤依序进行熔接，为方便将其接入SC产生光路，可在两段HNLF的外端焊接上斜断面光纤连接跳线，实际使用的脉冲光谱展宽器结构图如图1所示。

主动锁模脉激光器超短脉冲光源(PSL-40-1-TS)产生的40GHz的脉冲序列，其中心波长在1550nm，脉冲宽度为1.2ps，并经大功率EDFA(BT2-C-30-PB-FA)，将脉冲序列的平均功率放大到约27dBm。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明是基于高非线性光纤的光脉冲序列光谱展宽器，由三段光纤构成，具体结构如图1所示：设有不同长度的高非线性光纤1、3，在它们之间熔接了一根标准单模光纤2。

本发明采用啁啾脉冲压缩技术，利用高非线性光纤1、3和标准单模光纤2的结合，实现40GHz光脉冲的压缩和光谱展宽。啁啾脉冲压缩技术是：抽运脉冲首先通过第一段HNLF即高非线性光纤1，得到光谱展宽的线性正啁啾SC脉冲，然后经过相应长度的标准单模光纤2(SMF)进行啁啾补偿压缩，以再次提高脉冲的峰值功率，最后进入第二段HNLF即高非线性光纤3实现脉冲光谱的进一步展宽。所以，本发明充分利用了HNLF良好的线性正啁啾特性(二阶色散远大于三阶色散，可有效抑制三阶色散作用)，从而能与SMF中负线性啁啾有效补偿，补偿的同时脉冲会被压缩，当啁啾补偿完成时，脉冲被压缩至最窄，脉冲峰值功率会重新提高。此时脉冲再进入第二段HNLF时，与脉冲峰值功率成正比的SPM效应作用再次增强，因此光谱随之进一步得到了展宽。

上述的高非线性光纤1、3的长度分别为80～150m和45～85m，或者根据实际情况而定，一般采用100、50m就可以了。可采用由日本住友公司生产的高非线性光纤，其主要的参数如下：非线性系数γ＝21/km/w，1.55μm处损耗为0.53dB/km，色散系数为-12.2ps/km/nm，色散斜率为0.012ps/km/nm²。

标准单模光纤2可采用G.652等品种光纤，其长度为50～100m，或者根据实际情况而定，一般采用70m长就可以了。可采用由武汉长飞光纤公司生产的G.652光纤，其主要参数为：非线性系数γ＝1.34/km/w，1.55μm处损耗为0.32dB/km，色散系数为-18ps/km/nm，色散斜率为0.09ps/km/nm²。

在确定好高非线性光纤1、3和标准单模光纤2三段光纤长度后，切割光纤并按顺序熔接光纤，以及高非线性光纤1、3两端的光纤跳线连接头。这里的关键工艺在于HNLF与G.652光纤的熔接时要控制好焊点的损耗，通过优化光纤熔接条件，该损耗值可以控制在0.1dB甚至更小。

本发明可作为波分复用的40GHz高脉冲重复频率的宽带相干光源。

本发明光谱展宽器的展宽波长范围可达1530～1565nm。

本发明实现的超连续谱作为多波长高脉冲重复率的超短脉冲光源示意图，如图2所示。图中：4.波长轴；5.脉冲源；6.时间轴；7.本发明光谱展宽器；8.超连续谱；9.波长轴；10.波长滤波器；11.多波长光源。

Claims (7)

1.一种光脉冲序列光谱展宽器，其基于具有高正常色散值的高非线性光纤；其设有两段不同长度的高非线性光纤(1，3)，在它们之间熔接了一根标准单模光纤(2)；其采用啁啾脉冲压缩技术，实现40GHz光脉冲的压缩和脉冲功率的放大。

2.根据权利要求1所述的光脉冲序列光谱展宽器，其特征在于所述的高非线性光纤(1，3)，长度分别为80～150m和45～85m。

3.根据权利要求2所述的光脉冲序列光谱展宽器，其特征在于所述的高非线性光纤(1，(3)，长度分别为100、50m。

4.根据权利要求1所述的光脉冲序列光谱展宽器，其特征在于所述的标准单模光纤(2)是G.652光纤，其长度为50～100m。

5.根据权利要求4所述的光脉冲序列光谱展宽器，其特征在于所述的标准单模光纤(2)的长度为70m。

6.一种用于产生波分复用的40GHz高脉冲重复频率的宽带相干光源，其特征在于包括权利要求1所述的光脉冲序列光谱展宽器。

7.根据权利要求6所述的宽带相干光源，其特征在于所述的光脉冲序列光谱展宽器，其展宽波长范围为1530～1565nm。

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