CN100514170C - 具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器 - Google Patents

Abstract

一种具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器，结构是铒-镱共掺双包层增益光纤的一端连接合波器，铒-镱共掺双包层增益光纤的另一端以及合波器的一个输出端分别对应连接第一和第二单模光纤WDM的一端，在铒-镱共掺双包层增益光纤以及合波器与对应的第一和第二单模光纤WDM之间的单模光纤分别盘绕有第一和第二单模光纤环；两单模光纤WDM中的1550nm分波信号端分别对应连接第一、第二光隔离器，两单模光纤WDM中的1060nm分波信号端或通过光纤断面向自由空间辐射，或分别通过第一、第二光电探测器经光电转换后进入总控制器。本发明起到了抑制1060nm信号放大和激射，又使之与其它部分隔离，实现对光路其它部分的防护。具有与单模光纤体系兼容，制作工艺简单，稳定性好的优点。

Description

具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器

技术领域

本发明涉及一种双包层铒-镱光纤放大器，特别是涉及一种通过单模光纤WDM器件将铒-镱光纤中产生的1060nm信号卸载，起到了将1060nm信号与其它部分隔离的作用，具有与单模光纤体系兼容，制作工艺简单，光路稳定性好，增强了大功率双包层铒-镱光纤放大器稳定性和安全性的具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器。

背景技术

1060nm自发辐射源于镱离子的激发态跃迁，是铒-镱光纤放大器中一种固有的现象，与单纯的掺镱光纤放大器或激光器不同的是，由于有铒离子的存在，镱离子的激发态主要通过转移的方式将能量释放，在铒离子反转水平不高的情况下，1060nm自发辐射通常是可忽略或不重要的。然而，随着铒-镱光纤放大器的泵浦功率增加，更多的镱离子会被激发，由于在铒-镱光纤中镱离子的浓度高于铒离子浓度，因此在一定情况下会出现镱-铒能量转移受限的现象，这一现象将导致更多的1060nm自发辐射出现，并形成1060nm自发辐射放大(ASE)信号甚至激射，使铒-镱光纤放大器出现不稳定甚至毁坏。因此，对可能出现的1060nmASE应采取有效的抑制和防护措施，通过合理的设计确保铒-镱光纤中铒离子反转水平在安全范围固然是必须的，而通过光学硬件及控制软件保护通常也是十分有效的办法。

1060nm信号源于镱离子的自发辐射，在铒-镱共掺双包层增益光纤中产生的1060nm信号有两部分：一部分是在纤芯中传导的芯区导波，由平行于光纤轴向的自发辐射传导-吸收-放大而成，占主要部分；另外，由于双包层光纤内包层的存在，还会有少量其它方向激发的1060nm信号被内包层波导约束成为内包层导波，因此1060nm信号的卸载必须将芯区导波和内包层导波全部分离才能达到好的效果。

在增益光纤两端通过采用滤光片卸载1060nm信号是一种有效的方法，然而采用体光学器件的方法在大功率情况下会增加更多的不可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种对铒-镱光纤放大器中1060nm信号放大或激射的抑制和防护方法，增强大功率双包层铒-镱光纤放大器的稳定性和安全性。通过光学的方法将铒-镱光纤中产生的1060nm信号卸载，起到了将1060nm信号与其它部分隔离的作用，具有与单模光纤体系兼容，制作工艺简单，稳定性好的具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器。

本发明所采用的技术方案是：一种具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器，包括有铒-镱共掺双包层增益光纤，合波器，多模泵浦激光器，第一、第二光隔离器，总控制器，还设置有第一、第二单模光纤波分复用器，其中，铒-镱共掺双包层增益光纤的一端连接合波器，合波器的一个或多个输出连接多模泵浦激光器，多模泵浦激光器由总控制器控制；铒-镱共掺双包层增益光纤的另一端以及合波器的一个输出端分别对应连接第一、第二单模光纤波分复用器的一端，而且，在铒-镱共掺双包层增益光纤以及合波器与对应的第一、第二单模光纤WDM之间的单模光纤上分别盘绕有第一、第二单模光纤环；两单模光纤波分复用器中的1550nm分波信号端分别对应连接第一、第二光隔离器，两单模光纤波分复用器中的1060nm分波信号端分别形成卸载输出端。

所述的两单模光纤波分复用器中的1060nm分波信号输出端采用斜面光纤端面。

所述的两单模光纤波分复用器中的1060nm分波信号输出端还可以连接第一、第二光电探测器，光电探测器输出与总控制器相连。

所述的单模光纤波分复用器是熔锥拉制的WDM器件，其1550nm分波信号的波段范围为1500～1600nm，1060nm分波信号的波段范围为1000～1100nm，波分复用器的隔离度高于20dB。

所述的铒-镱共掺双包层增益光纤、合波器与相对应连接的单模光纤波分复用器是通过光纤熔接方式相连，所述的第一、第二单模光纤环是分别在两个熔接点与两个单模光纤波分复用器之间盘绕而成。

所述的第一、第二单模光纤环的直径小于15cm。

所述的合波器采用光纤合波器。

所述的合波器采用微光学器件结构的合波器。

所述的微光学器件结构的合波器是由在两个自聚焦透镜中间加有介质膜滤波片所构成，其中，一个自聚焦透镜远离介质膜滤波片的一侧分别连接铒-镱共掺双包层增益光纤和在单模光纤波分复用器一侧盘绕的第二单模光纤环，另一个自聚焦透镜远离介质膜滤波片的一侧连接多模泵浦激光器。

本发明的具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器中，针对消除铒-镱光纤放大器中1060nmASE和可能的激射，采用在铒-镱光纤两侧的单模光纤通道上增加两只单模光纤WDM器件的办法，将铒-镱光纤中产生的1060nm信号卸载，起到了将1060nm信号与其它部分隔离的作用，因此本发明具有以下优点：

1)采用双端单模光纤WDM器件既形成了对内部有源区的双向1060nm回波隔离，又实现了对光路其它部分的防护；

2)采用单模光纤WDM器件制做工艺简单，稳定性高，成本低；

3)单模光纤WDM器件与光纤放大器单模体系兼容性更好。

附图说明

图1是本发明的光路结构示意图；

图2是单模光纤WDM的波长信号分离原理示意图；

图3是单模光纤环多模传导光的耗散示意图；

图4是单模光纤环多模传导光路图示意图；

图5是本另一实施例的光路结构示意图；

图6是反射式泵浦合波器原理结构示意图。

其中：

1：铒-镱共掺双包层增益光纤                2：单模光纤-双包层光纤熔接点

3：合波器                                 4.1：第一单模光纤WDM

4.2：第二单模光纤波分复用器(WDM)          5.1：第一单模光纤环

5.2：第二单模光纤环                       6.1：第一光隔离器

6.2：第二光隔离器                         7.1：第一光电探测器

7.2：第二光电探测器                       8：泵浦激光器

9：总控制器                               10：1060nm信号

10.1：涂敷层中的1060nm信号                10.2：辐射到空气中的1060nm信号

11：1550nm信号                            12：微光学器件结构的合波器

12.1：介质膜滤波片                        12.2、12.3：自聚焦透镜

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器做出详细说明。

如图1所示，本发明的具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器，包括有铒-镱共掺双包层增益光纤1，合波器3，多模泵浦激光器8，第一光隔离器6.1，第二光隔离器6.2，总控制器9，还设置有第一单模光纤WDM4.1和第二单模光纤WDM 4.2。所述的合波器3可以采用光纤合波器，还可以采用微光学器件结构的合波器12。在本发明第一种实施例中的合波器采用光纤合波器。

其中，铒-镱共掺双包层增益光纤1的一端连接合波器3，合波器3的一个或多个输出连接多模泵浦激光器8，多模泵浦激光器8由总控制器9控制；铒-镱共掺双包层增益光纤1的另一端对应连接第一单模光纤WDM 4.1的一端，合波器3的一个输出端对应连接第二单模光纤WDM 4.2的一端，而且，在铒-镱共掺双包层增益光纤1与对应的第一单模光纤WDM 4.1之间的单模光纤上盘绕有第一单模光纤环5.1，在合波器3与对应的第二单模光纤WDM 4.2之间的单模光纤上盘绕有第二单模光纤环5.2；第一单模光纤WDM 4.1和第二单模光纤WDM 4.2中的1550nm分波信号端分别对应连接第一光隔离器6.1、第二光隔离器6.2，第一单模光纤WDM 4.1和第二单模光纤WDM 4.2中的1060nm分波信号端分别形成卸载输出端。此输出端可以采用斜面光纤端面，或者是在端面涂有匹配胶，以实现1060nm分波信号的高回损，对1060nm信号起到卸载和隔离的作用。

上述的两单模光纤WDM4.1、4.2中的1060nm分波信号输出端还可以分别连到第一光电探测器7.1和第二光电探测器7.2，光电探测器7.1和7.2的输出与总控制器9相连，可实现对1060nm信号强度的监控。即，1060nm分波信号被光电探测器收集后，可以转换成与1060nmASE功率成比例的电信号送至控制器采样端。通过控制器在1060nm自发辐射强度超过阈值时，可迅速降低泵浦激光器驱动功率或关闭泵浦激光器，以免使放大器遭受更大的损坏。

本发明的单模光纤WDM4.1、4.2是熔锥拉制的WDM器件，其1550nm分波信号的波段范围为1500～1600nm，1060nm分波信号的波段范围为1000～1100nm，WDM器件的隔离度高于20dB。所述的铒-镱共掺双包层增益光纤1、合波器3与相对应连接的单模光纤WDM4.1、4.2是通过光纤熔接方式相连，所述的第一单模光纤环5.1、第二单模光纤环5.2是分别在两个熔接点与两个单模光纤WDM4.1、4.2之间盘绕而成，而且所盘绕的第一单模光纤环5.1、第二单模光纤环5.2的直径小于15cm。

如图2所示，单模光纤WDM 4.1、4.2的原理是：1060nm和1550nm的合波信号经过单模光纤WDM器件以后将分别由两个单模光纤端口输出，单模光纤WDM器件是一种成熟的器件，对于相距足够远的两个波长信号，其分波隔离度能达到很高，通常容易实现20dB以上的隔离度，这对于卸载1060nm信号已足够好。在具体的实施中，由于铒-镱共掺双包层增益光纤两端均有1060nm信号出射，必须抑制单模光纤WDM器件中1060信号分波端的回波，因此信号无论是终结于光电探测器还是光纤尾端，都必须具有高回损特性，以免回波再次进入有源区导致振荡激射。

盘绕的单模光纤环可以使有源区激发和借助有源区内包层传导的少量多模区1060nm信号被单模光纤包层吸收，这样可以将单模区以外传导的少量1060nm信号卸载。由于普通单模光纤的涂敷材料为高折射率材料，包层中光信号在单模光纤环中传播时将迅速衰减，图3和图4表示了单模光纤包层中1060nm光信号在盘绕的单模光纤环中传播时逐步进入涂敷层的过程。根据异类介质光折射及全反射的原理，在包层-涂敷层-空气界面体系中，首先，在包层-涂敷层界面，包层中传播的1060nm光信号主要可分为两部分，即入射角θ小于和大于布儒斯特角θ_B1的两部分，θ小于θ_B1的光信号进入涂敷层后将不可能再次进入光纤包层，由于在包层-涂敷层-空气界面体系中涂敷层是高折射率介质，因此这部分光只能在涂敷层内传播；其次，θ大于θ_B1的光信号有一部分透射进入涂敷层，形成涂敷层中的1060nm信号10.1；另一部分反射回包层，透射光之后在涂敷层-空气界面将再次经历透射和反射，只有入射角θ大于涂敷层布儒斯特角θ_B2的光信号才会透射进入空气，形成辐射到空气中的1060nm信号。在涂敷层-空气界面反射的光将再次经历涂敷层-包层透射和反射，如此反复进行，每次在涂敷层-空气界面都会有一定比例的光信号透射出涂敷层。通过盘绕的单模光纤环的弯曲增大包层光信号进入涂敷层和由涂敷层进入空气的入射角，当θ大于θ_B2时，双包层光纤中内包层传导的少量1060nm信号在进入单模光路和光纤环后，可以迅速衰减。

图5所示，是本发明的另一实施例，在双包层铒-镱光纤放大器中采用微光学器件结构的合波器12。

如图6所示，所述的微光学器件结构的合波器12是由一个双芯准直器，一个单芯准直器，两个自聚焦透镜12.2、12.3中间加有介质膜滤波片12.1所构成，其中，自聚焦透镜12.2远离介质膜滤波片12.1的一侧分别连接铒-镱共掺双包层增益光纤1和在单模光纤WDM4.2一侧盘绕的第二单模光纤环5.2，自聚焦透镜12.3远离介质膜滤波片12.1的一侧通过多模光纤连接多模泵浦激光器8。这种泵浦合波器结构使得增益光纤中激发的正向1060nm信号经泵浦合波的滤光片12.1反射后就进入单模体系，然后在单模路径中被下载，1060nm信号不可能进入泵浦激光器8，因此不会对泵浦激光器造成损坏，这是采用光纤束结构的光纤合波器(如图1结构中的光纤合波器3)不可能做到的。然而这种结构对泵浦合波器的WDM滤光片12.1的反射-透射波段有要求，即在1000～1570nm反射，980nm以下透射。

本发明的具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器工作过程具体如下：泵浦激光器的功率通过合波器将泵浦光反向注入到双包层增益光纤中，随着泵浦功率增加，更多的镱离子会被激发，出现镱-铒能量转移受限的现象导致更多的1060nm自发辐射出现，并形成1060nmASE信号甚至激射。较小半径的单模光纤环可以使有源区激发和借助有源区内包层传导的少量多模区1060nm信号被单模光纤包层吸收，这样可以将在单模区以外传导的少量1060nm信号卸载。在铒-镱光纤放大器两端用两个单模光纤WDM器件将有源区激发的单模1060nm信号卸载，卸载的1060nm信号可由光纤断面直接辐射到空气中，也可终结于光电探测器，采用光电探测器可将增益区激发的1060nm信号转换成电信号送到总控制器，实现基于1060nm信号强弱的控制。由于单模光纤WDM器件的对称性，同时也将可能来自其它部分进入有源区的1060nm信号卸载。铒-镱光纤放大器两端的单模光纤WDM器件和单模光纤环既可以隔离有源区激发的1060nm信号向外部光路的辐射，也可以隔离可能的外部1060nm信号或者1060nm信号回波向有源区的辐射，起到了双向隔离器的作用。

Claims (9)

1.一种具有1060nm信号抑制和防护功能的双包层铒-镱光纤放大器，包括有铒-镱共掺双包层增益光纤(1)，合波器(3)，多模泵浦激光器(8)，第一、第二光隔离器(6.1、6.2)，总控制器(9)，其特征在于：还设置有第一、第二单模光纤波分复用器(4.1、4.2)，其中，铒-镱共掺双包层增益光纤(1)的一端连接合波器(3)，合波器(3)的一个或多个输出连接多模泵浦激光器(8)，多模泵浦激光器(8)由总控制器(9)控制；铒-镱共掺双包层增益光纤(1)的另一端以及合波器(3)的一个输出端分别对应连接第一、第二单模光纤波分复用器(4.1、4.2)的一端，而且，在铒-镱共掺双包层增益光纤(1)以及合波器(3)与对应的第一、第二单模光纤波分复用器(4.1、4.2)之间的单模光纤上分别盘绕有第一、第二单模光纤环(5.1、5.2)；两单模光纤波分复用器(4.1、4.2)中的1550nm分波信号端分别对应连接第一、第二光隔离器(6.1、6.2)，两单模光纤波分复用器(4.1、4.2)中的1060nm分波信号端分别形成卸载输出端。

2.根据权利要求1所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的两单模光纤波分复用器(4.1、4.2)中的1060nm分波信号输出端采用斜面光纤端面。

3.根据权利要求1所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的两单模光纤波分复用器(4.1、4.2)中的1060nm分波信号输出端连接第一、第二光电探测器(7.1、7.2)，光电探测器(7.1、7.2)输出端与总控制器(9)相连。

4.根据权利要求1所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的单模光纤波分复用器(4.1、4.2)是熔锥拉制的WDM器件，其1550nm分波信号的波段范围为1500～1600nm，1060nm分波信号的波段范围为1000～1100nm，波分复用器的隔离度高于20dB。

5.根据权利要求1所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的铒-镱共掺双包层增益光纤(1)、合波器(3)与相对应连接的单模光纤波分复用器(4.1、4.2)是通过光纤熔接方式相连，所述的第一、第二单模光纤环(5.1、5.2)是分别在两个熔接点与两个单模光纤波分复用器(4.1、4.2)之间盘绕而成。

6.根据权利要求1或5所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的第一、第二单模光纤环(5.1、5.2)的直径小于15cm。

7.根据权利要求1所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的合波器(3)采用光纤合波器。

8.根据权利要求1所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的合波器(3)采用微光学器件结构的合波器(12)。

9.根据权利要求8所述的双包层铒-镱光纤放大器，其特征在于，所述的微光学器件结构的合波器(12)是由在两个自聚焦透镜(12.2、12.3)中间加有介质膜滤波片(12.1)所构成，其中，一个自聚焦透镜(12.2)远离介质膜滤波片(12.1)的一侧分别连接铒-镱共掺双包层增益光纤(1)和在单模光纤波分复用器(4.2)一侧盘绕的第二单模光纤环(5.2)，另一个自聚焦透镜(12.3)远离介质膜滤波片(12.1)的一侧连接多模泵浦激光器(8)。

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