CN101141824A - 光信号复制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光信号复制系统，它是一种新的光信号有源复制系统，主要特点是采用了低噪声系数和低增益的光增幅机构，并且结合窄带光滤波技术。低噪声系数的光增幅效应是通过对掺铒光纤放大机制的优化设计得到，其显著作用是降低噪声的累积速率；进一步结合窄带光滤波可以有效抑制掺铒光纤增益过程中产生的自发辐射噪声的累积放大，减少环路中的噪声总量；采用掺铒光纤放大有利于消除偏振态影响。通过这些手段的实施，有效解决现行有源复制技术中存在的噪声串扰大、偏振态影响大的不足之处。

Description

光信号复制系统

技术领域

本发明涉及一种光信号处理系统，特别是一种光信号复制系统。

背景技术

光信号复制技术用以将单个光信号转换为具有特定时域分布与强度分布的同类光信号序列，与高速电脉冲信号复制技术相比，由于光纤具有宽带、低损耗、低色散的传输特性，可获得比诸如同轴电缆、电荷耦合器件、声表面波器件等电信号延迟媒质大得多的延迟时间带宽积，采用光载体可以实现更短脉冲的高精度复制。另外，由于光纤传输具有很好的电磁兼容性和抗干扰能力，采用光学方式实现信号的延时复制具有安全可靠的特点，在国民经济建设和国防建设等领域具有非常重要的应用价值。

光脉冲复制技术可分为无源复制和有源复制两大类。无源复制主要有树形复制器和前馈式复制器两种。

其中树形复制器的工作原理是，由1个1×N光纤耦合器将输入的光脉冲信号在空间分为N路，在对各路信号进行不同的光纤延迟后，再以另一个倒置的1×N光纤耦合器将空间N路脉冲信号合并成1路，从其输出端依次输出，从而得到时域上分开的N个复制光脉冲。各脉冲的时间间隔由各路光纤延迟线的长度差决定。此类技术的优点是脉冲的分路和延迟可独立调节，缺点是当脉冲复制数量较大时，1×N光纤耦合器的插入损耗较大，且均匀性较差。另外，精确控制N个延迟线的长度有较大的难度。相关报告有：1)陈宇晓，酆达，李铮等.光脉冲光纤周期复制技术研究.激光技术.2005，29(6)：604-607。

无源复制的另一种主要技术是前馈式复制器，由2×2光纤耦合器和不等臂光纤级联组成的一个m级延迟线结构，每级由一个2×2耦合器和2条上下臂光纤延迟线构成。整个复制器共有m+1个耦合器，m对不等臂光纤，共输出N＝2^m个周期光脉冲。输出脉冲序列的时间间隔和幅度可通过控制2×2耦合器的分光比以及控制二输出端光纤的长度差来实现。比较树形复制器，此类技术的优点是插入损耗小，需要精确控制长度的延迟线组少，实现难度相对降低。缺点是，部件数量甚多，脉冲的分路和延迟不能独立调节，难以实现任意脉冲间隔的组合，另外对于2×2耦合器的分光比偏差造成的输出脉冲的不等幅，无法实现简单地补偿，在实际应用中不可避免地会产生幅度非均匀的脉冲输出。相关报告有：2)Deng K L，Kang K I，Glesk I，et al.Opticalpacket compressor for ultra-fast packet-switched optical networks.Electron Lett.1997，33(14)：1237-1239.3)酆达，李铮，陈宇晓.光纤光脉冲分路——延迟器及其优化研究.中国激光.2005，32(2)：216-220。

有源复制技术的基本原理是采用一个可循环使用的延时环路，由于光信号每经历一次循环会发生固定的损耗，因此在系统中引入了光放大器以补偿固定损耗。按不同的光功率损耗补偿器件划分，有光纤喇曼放大型和半导体光放大型两类。

光纤喇曼放大型复制技术的主要优点是，增益带宽很宽、且峰值波长可调，放大的自发辐射噪声低，可实现光放大器快速开关，以及可以用标准单模光纤和色散位移光纤来实现。主要缺点是，泵浦功率的阈值很高，在喇曼频移波长处需要高功率激光源，以及由泵浦强度噪声引起的泵浦光与信号光之间的串扰很大等。相关的报告有：4)Desurvire E，Digonnet M J F，ShawH J.Raman amplification of recirculating pulses in a reentrant fiberloop.Optics Lett.1985，10(2)：83。

半导体光放大型复制技术的主要优点是，具有亚纳秒级的增益动态特性，除了补偿循环损耗外，半导体光放大器的快速响应还能对光纤存储器进行开关控制。主要缺点是半导体光放大器的偏振敏感性，需要控制光信号的偏振态或采用保偏光纤。相关的报告有：5)0lsson N A.15,000km fibre-optictransmission using a linear repeater.Electron.Lett.1987，23(12)：659；6)酆达，李铮，郑铮等.基于光纤延迟的光脉冲有源复制器.北京航空航天大学学报.2005，31(2)：212-217。

发明内容

本发明是针对现有有源复制技术中存在的噪声串扰大、偏振态影响大的问题而提出的一种新的光信号复制系统，采用了低噪声系数和低增益的光增幅机构，并且结合窄带光滤波技术，有效减少环路中的噪声总量并消除偏振态影响。

本发明的技术方案为：一种光信号复制系统，所述系统包括电子开关、1550nm光源、10us级光开关、3dB耦合器、1550nm解调器、100us级光开关、第一1550nm隔离器、第二1550nm隔离器、1550nm窄带滤波器、1550nm可调衰减器、第三耦合器、时序控制器、光增益放大机构、输入光纤、输出光纤和环行波导；连接方式：信号源通过电子开关进入1550nm光源，输入光纤的一端与1550nm光源连接、另一端与3dB耦合器的一个输入端连接，两端之间串通接入10us级光开关，输出光纤的一端与3dB耦合器的一个输出端连接、另一端与1550nm解调器连接，环行波导由一根前部石英光纤和一根后部石英光纤构成，前部石英光纤的一端与3dB耦合器的另一个输出端连接、另一端与光增益放大机构的一端连接、两端之间串通接入100us级光开关和第一1550nm隔离器，后部石英光纤的一端与3dB耦合器的另一个输入端连接、另一端与光增益放大机构的另一端连接、两端之间串通接入第二1550nm隔离器、1550nm可调衰减器、第三耦合器和1550nm窄带滤波器，时序控制器分别与所述电子开关、10us级光开关和100us级光开关的电路输入端连接。

所述光增益放大机构包括一根掺铒光纤、一个泵浦光源、第一耦合器、第二耦合器、一个1550nm功率伺服器，所述掺铒光纤对1550nm波长维持单模，所述泵浦光源的波长为980nm且光功率可调，所述两个耦合器均具有980nm波长完全交叉耦合、1550nm波长完全平行耦合的特性，所述掺铒光纤的一端与第一耦合器的一个输出端连接、另一端与第二耦合器的一个输入端连接，第一耦合器的一个输入端与泵浦光源连接、另一端作为所述光增益放大机构的输入端，第二耦合器的一个输出端空置、另一端作为所述光增益放大机构的输出端，所述1550nm功率伺服器的光学输入端与所述第三耦合器的一个输出端连接、其电子输出端与所述泵浦光源连接。所述光增益放大机构的增益不大于10dB、且噪声指数不大于3dB。

所述电子开关的响应时间小于30ns，所述1550nm光源的中心波长为1550nm、-3dB谱线宽度小于0.2nm、线性区输入幅度为100mV～1V、动态单纵模范围达到GHz水平、三阶交调CTB小于-60dB，所述10μs级光开关的中心波长是1550nm、开关响应速度小于20μs，所述3dB耦合器的中心波长为1550nm、插入损耗小于3.1dB，所述1550nm解调器的中心波长为1550nm、隔离直流、0dBm信号光输入时的噪声谱密度小于-110dBm/Hz，所述100μs级光开关中心波长是1550nm开关、响应速度小于200μs，所述第一第二1550nm隔离器的阻断中心波长是1550nm、背向隔离度40dB以上、正向通光损耗小于0.3dB，所述1550nm窄带滤波器的中心波长是1550.9nm、-3dB带宽小于1nm，所述1550nm可调衰减器具有连续调节信号光衰减量的特性，所述第三耦合器具有对1550nm波长实现10％交叉耦合的特性，所述时序控制器的时序控制过程可编程执行，所述输入光纤和输出光纤均具有1310nm零色散、1550nm单模的特性，所述环行波导中的前部石英光纤和后部石英光纤均具有1310nm零色散、1550nm单模的特性。

一种光信号复制方法，光信号复制步骤如下：

1、在所述100us级光开关、10us级光开关和电子开关均处切断的状态下，打开所述泵浦光源、信号源、示波器、1550nm光源和1550nm解调器，机器预热30分钟；

2、完成(1)后的任一时刻t₁，打开所述100us级光开关；

3、在较上述时刻t₁延迟了200us后的时刻t₂，打开所述10us级光开关，1550nm波长直流光导通；

4、在较上述时刻t₂延迟了24us后的时刻t₃，打开所述电子开关，所述1550nm光源被来自于外部信号源的连续调制电信号调制，发出1550nm波长的交流信号光；

5、在较上述时刻t₃延迟了1us后的时刻t₄，关闭所述电子开关，得到时间宽度为Δt₀＝t₄-t₃、波长为1550nm的原始光信号A₀；

6、在较上述时刻t₄延迟了9us后的时刻t₅，关闭所述10us级光开关，完成原始光信号的发送；

7、原始光信号经所述3dB耦合器耦合后被等分为两个光信号A₁和B₁，波形与原始光信号的相同，A₁光信号被送往所述1550nm解调器，B₁光信号被送往所述环形波导进行延时和放大，环绕环形波导走行一周再次到达所述3dB耦合器输入端时形成B₀光信号，B₀光信号的功率与A₀光信号的相同，B₀光信号经所述3dB耦合器耦合后被等分，再次产生A₁和B₁两个光信号，完成一次复制，如此重复，得到一系列原始光信号的复制信号；在完成N个信号复制后的任一时刻t₆，关闭所述100us级光开关，复制过程结束。

图2是本发明光信号复制原理示意图，直波导101和环形波导104均为单模光纤，导模的传播常数相等。环形波导104长度为L。3dB定向耦合器102的耦合区域的等效长度为L₀、耦合系数为χ、光强插入损耗系数为γ。模拟调制激光器100发出一个波长为1550nm、振幅为a、时间宽度为Δt₀的光信号A₀：

这里，t₀是光信号的时间平均值，i_m和i₀分别是激光器调制电流的幅值和直流分量，ω_m是调制频率，_m是电流初始位相。A₀信号经3dB定向耦合器102耦合后被等分为A₁和B₁两个光信号，波形与A₀信号相同，A₁光信号被送往光功率计103，B₁光信号被送往环形波导104循环。B₁光信号在长度为L的环形波导中传输一周所费时间为τ，设计要求τ大于信号时间宽度Δt₀，以保证A₀光信号与B₀循环光信号不会在3dB定向耦合器处相遇，此时，A₁、B₁与A₀之间满足以下的定向耦合器的振幅耦合方程

$A_1={(1-\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}\cos \left(\mathrm{\χ}{L}_0\right)A_0,$ $B_1=-j{(1-\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}\sin \left(\mathrm{\χ}{L}_0\right)A_0---\left(2\right)$

A₁和B₁两个光信号的光强为

|A₁|²＝(1-γ)cos²(χL₀)|A₀|²，|B₁|²＝(1-γ)sin²(χL₀)|A₀|²    (3)

3dB定向耦合器被设计成L₀＝2mπ+π/4，则

${\left|A_1\right|}^2=\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}{\left|A_0\right|}^2,$ ${\left|B_1\right|}^2=\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}{\left|A_0\right|}^2---\left(4\right)$

把式(1)代入式(4)，得到

由于增幅机构105中的两个相同的选择性定向耦合器106被设计成对1550nm波长的信号光发生完全的平行耦合、对980nm波长的泵浦光发生完全的交叉耦合，因此B₁信号光在理想情况下可以无损耗地通过选择性定向耦合器，经增幅机构105增幅后再次到达3dB定向耦合器102的输入端(图2中B₀的位置)。增幅机构的等效光强增益系数设计为2/(1-γ)，经过环形波导104一次循环到达3dB定向耦合器102输入端的光信号强度为

由于A₀信号光与B₀信号光在时间上错开，可以不考虑信号光循环一周引起的光学位相延迟。B₀信号光经3dB定向耦合器耦合后再次产生A₁和B₁两个信号光，耦合方程为：

$B_1={(1-\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}\cos \left(\mathrm{\χ}{L}_0\right)B_0,$ $A_1={-j(1-\mathrm{\γ})}^{\frac{1}{2}}\sin \left(\mathrm{\χ}{L}_0\right)B_0---\left(7\right)$

由于是3dB耦合，得信号光功率

${{|A}_1|}^2=\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}{{|B}_0|}^2,$ ${{|B}_1|}^2=\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}{{|B}_0|}^2---\left(8\right)$

把式(6)代入式(8)，得

比较式(9)与式(5)，显然A₁信号光已被复制，将被第二次送往光功率计。B₁光将再次通过增幅机构105，经2/(1-γ)的光强增益后，到达定向耦合器的输入端构成B₀光，光强为：

式(10)与式(6)完全一样，理想情况下，如此的复制将无限循环。

增幅机构的原理和优化设计：

图3是本发明增幅机构原理示意图，泵浦光源205采用980nm波长的激光，两个选择性耦合器201、203具有980nm波长完全交叉耦合、1550nm波长完全平行耦合的功能。掺铒光纤202在980nm泵浦光205的激励下对1550nm信号光的光强进行放大，主要包含四个过程，分别是泵浦光的受激吸收、信号光的受激吸收、信号光的受激发射以及自发发射。信号光通过受激发射得到功率增益，能量来自于受激吸收的泵浦光205。伴有的自发发射光具有很宽的光谱，对信号构成干扰，是一种不期望的宽带噪声。设光波沿着z方向传输，四个过程的相互竞争现象可以用以下的功率传输联立方程描述：

$\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{\λs}}}{\mathrm{dz}}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_s[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{emi}}\left(v_s\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(v_s\right)]N_t(P_{\mathrm{\λs}}+P_{\mathrm{\λp}})P_{\mathrm{\λs}}}{1+P_{\mathrm{\λs}}(1+R_s)+P_{\mathrm{\λp}}}-[{\mathrm{\Γ}}_s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(v_s\right)N_t+{\mathrm{\α}}_s]P_{\mathrm{\λs}}---\left(11\right)$

$\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{\λp}}}{\mathrm{dz}}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_p{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(v_p\right)N_t(P_{\mathrm{\λs}}+P_{\mathrm{\λp}})P_{\mathrm{\λp}}}{1+P_{\mathrm{\λs}}(1+R_s)+P_{\mathrm{\λp}}}-[{\mathrm{\Γ}}_p{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(v_p\right)N_t+{\mathrm{\α}}_p]P_{\mathrm{\λp}}$

式中，P_λs和P_λp分别是信号光和泵浦光的归一化光功率，v_s和v_p分别是信号光和泵浦光的中心频率，σ_emi(v_s)是与信号光对应的受激发射截面积，σ_abs(v_s)和σ_abs(v_p)分别是与信号光和泵浦光对应的受激吸收截面积，N_t是铒离子总密度，α_s和α_p分别是信号光和泵浦光的传输损耗系数，Γ_s和Γ_p分别是信号光和泵浦光的光功率分布半径与掺铒纤芯的半径的平方比，R_s是σ_emi(v_s)与σ_abs(v_s)的比值。

取泵浦光输入功率为100mW，1550nm波长B₁信号光输入功率为0.4355mW，信号增幅的数值仿真结果示于图4。如果计及实际光路的各种损耗以及下一轮循环的3dB耦合损失，B₀信号光的功率值至少应达到1.6mW，数值仿真显示，与信号光功率增强至1.6mW对应的掺铒光纤长度约为16.5m，该长度远离饱和长度，属于低增益工作区域。这个结果预示，若将光环路涉及的各种损耗控制在较低水平，可以采用低增益方式实现光信号的循环复制。

光放大后产生的噪声主要有放大后的信号光引起的散粒噪声、被放大的自发发射光引起的散粒噪声、信号光与自发发射光之间的拍频噪声以及自发发射光之间的拍频噪声。它们对信噪比的影响程度用噪声指数来反映。由于自发发射光是宽谱噪声，可以用窄带滤波来抑制，此时的噪声指数NF可表示为：

$\mathrm{NF}=\frac{G\left(\frac{P(v_s,z=0)}{{\mathrm{hv}}_s}\right)+2(G-1)n_{\mathrm{sp}}\mathrm{\Δ}{v}_f+2G(G-1)n_{\mathrm{sp}}\left(\frac{P(v_s,z=0)}{{\mathrm{hv}}_s}\right)+2{(G-1)}^2{n}_{\mathrm{sp}}^2\mathrm{\Δ}{v}_f}{G^2\left(\frac{P(v_s,z=0)}{{\mathrm{hv}}_s}\right)}---\left(12\right)$

式中，G是放大增益，Δv_f是光学滤波器的带宽，n_sp是粒子数分布反转因子，h是普朗克常数。噪声指数用dB表示时，可记为

NF_dB＝10log(NF)    (13)

单级放大的系统噪声指数以及粒子数分布反转因子的数值仿真结果由图5给出，与信号光功率增强至1.6mW的掺铒光纤长度16.5m对应，单级放大的系统噪声指数NF_dB为2.46dB。这是非常低的噪声指数，系统只有处在远离饱和的低增益区域才有可能实现，这是本发明涉及的优化设计的基本依据。图5中还可以看出，此时粒子数分布反转因子n_sp维持在1附近，表明掺铒光纤处于良好的粒子数完全反转的状态。

本发明的有益效果在于：采用了低增益、低噪声指数技术结合窄带滤波手段，从机理上改进了现行光信号复制方法的不足。复制的光信号序列的噪声累积速率十分缓慢，经历高达500次的反复增益循环，得到的复制信号仍然可以很好地满足实用需求。另外，本发明采用的低增益、低噪声指数技术结合窄带滤波手段是在掺铒光纤放大机制上实现，光信号复制不受光波偏振态的影响。

附图说明

图1是本发明光信号复制系统方框示意图；

图2是本发明光信号复制原理示意图；

图3是本发明增幅机构原理示意图；

图4是本发明信号增幅的的数值仿真结果示意图；

图5是本发明噪声指数和粒子数分布反转因子的数值仿真结果示意图；

图6是本发明输入光信号波形示意图；

图7是本发明复制光信号的波形示意图。

具体实施方式

如图1所示本发明光信号复制系统方框示意图，电子开关2采用了双4路模拟电子开关，开关响应时间为25ns，用以截取来自于信号源1的原始电信号。1550nm光源3采用直接调制式分布反馈激光器，中心波长为1550.9nm，-3dB谱线宽度为0.15nm，线性区输入幅度为100mV～1V，动态单纵模范围达到GHz水平，三阶交调CTB为-60dB，用以在原始电信号源1调制下产生原始光信号。10us级光开关4采用磁光效应，中心波长是1550nm，开关响应速度是15us，用以控制所述1550nm光源3的作用时间。3dB耦合器7的中心波长为1550nm，插入损耗为3.01dB，用以将输入光信号等分为两个输出光信号。1550nm解调器9采用InGaAs-PIN光电二极管作为光功率接收器，隔离直流，0dBm信号光输入时的噪声谱密度为-130dBm/Hz，用以解调探测来自于所述3dB耦合器7的一个输出端的复制光信号。环形波导12由石英光纤和掺铒光纤16连接组成，石英光纤具有1310nm零色散、1550nm单模的特性，长度为10439m，1550nm波长的传输损耗为0.19dB/km。掺铒光纤16长度为14.54m。100us级光开关11采用磁光效应，中心波长是1550nm，开关响应速度是200us，用以控制所述环行波导的作用时间。两个1550nm隔离器14、23的阻断中心波长是1550nm，背向隔离度40dB以上，正向通光损耗0.3dB，用以阻断光波的反向传输。放大机构采用的泵浦光源13是波长980nm激光器，输出功率可调。耦合器15和耦合器17均为选择性耦合器，具有980nm波长完全交叉耦合、1550nm完全平行耦合的特性，过剩损耗小于0.2dB。1550nm窄带滤波器18的中心波长是1550.9nm，-3dB带宽为0.8nm，用以控制信号光的波长范围。耦合器20是非等分耦合器，具有对1550nm波长实现10％交叉耦合的特性。1550nm功率伺服器22用以监视回路中信号光的功率大小，伺服控制泵浦光源13的驱动电流。1550nm可调衰减器21具有连续调节信号光衰减量的特性，用以微调整信号光的功率。时序控制器6用以控制电子开关2、10us级光开关4和100us级光开关11的开关时间，可编程执行。

掺铒光纤16、泵浦光源13、耦合器15、耦合器17、1550nm功率伺服器22构成光增益放大机构200，掺铒光纤16的一端与耦合器15的一个输出端连接、另一端与耦合器17的一个输入端连接，耦合器15的一个输入端与泵浦光源13连接、另一端作为光增益放大机构200的输入端，耦合器17的一个输出端空置、另一端作为光增益放大机构200的输出端，1550nm功率伺服器22的光学输入端与耦合器20的一个输出端连接、其电子输出端与泵浦光源13连接。

系统的连接方式：信号源1通过电子开关2进入1550nm光源3，所述输入光纤5的一端与1550nm光源3连接、另一端与3dB耦合器7的一个输入端连接、两端之间串通接入所述10us级光开关4，输出光纤8的一端与3dB耦合器7的一个输出端连接、另一端与1550nm解调器9连接，环行波导12由一根前部石英光纤和一根后部石英光纤构成，前部石英光纤的一端与所述3dB耦合器7的另一个输出端连接、另一端与光增益放大机构200的一端连接、两端之间串通接入100us级光开关11和一个1550nm隔离器14，所述后部石英光纤的一端与3dB耦合器7的另一个输入端连接、另一端与光增益放大机构200的另一端连接、两端之间串通接入另一个1550nm隔离器23、1550nm可调衰减器21、耦合器20和1550nm窄带滤波器18，时序控制器6分别与电子开关2、10us级光开关4和100us级光开关11的电路输入端连接。

系统的工作流程：

1、在100us级光开关、10us级光开关和电子开关均处切断的状态下，打开泵浦光源、信号源、示波器、1550nm光源和1550nm解调器，机器预热30分钟。

2、在时刻t₁，打开100us级光开关。

3、在较时刻t₁延迟了200us后的时刻t₂，打开10us级光开关，1550nm波长直流光导通。

4、在较时刻t₂延迟了24us后的时刻t₃，打开电子开关。1550nm光源被信号源发出的、频率为ω_m的连续调制电信号调制，发出1550nm波长的交流信号光。

5、在较时刻t₃延迟了1us后的时刻t₄，关闭电子开关。得到时间宽度为Δt₀＝t₄-t₃、信号频率为ω_m、波长为1550nm的原始光信号A₀。

6、在较时刻t₄延迟了9us后的时刻t₅，关闭10us级光开关。完成原始光信号A₀的发送。

7、A₀光信号经3dB耦合器耦合后被等分为两个光信号A₁和B₁，波形与A₀光信号的相同。A₁光信号被送往1550nm解调器，转换为电信号后由示波器显示。B₁光信号被送往环形波导延时和放大，环绕环形波导走行一周再次到达3dB耦合器输入端时形成B₀光信号，B₀光信号的功率与A₀光信号的相同。B₀光信号经3dB耦合器耦合后被等分，再次产生A₁和B₁两个光信号，完成一次复制。如此重复，可以得到一系列A₀光信号的复制信号。

8、在完成N个信号复制后的时刻t₆，关闭100us级光开关。复制过程结束。

掺铒光纤放大机构的增益和噪声指数测定：

使用安捷伦公司的86140A型光谱分析仪以及仪器自带的专用测量程序来测定掺铒光纤放大机构的增益和噪声系数。测量步骤：先将1550nm波长激光器输出的信号光接入光谱分析仪，测量信号光的功率和信噪比。然后在不改变激光器的状态下，在激光器和光谱分析仪之间接入掺铒光纤放大机构，再次测量放大后的信号光的功率和信噪比。最后由光谱分析仪自带软件自动算出掺铒光纤放大机构的增益和噪声系数。经测定，当980nm激光器的泵浦电流为282mA时，放大机构的增益为6.774dB，实测噪声指数是2.923dB。表明在小增益的情况下，掺铒光纤放大机构的噪声系数确实能低于3dB，证实了采用小增益EDFA可以得到较小的噪声系数。

光信号复制实验

实验系统与图1相同，1550.9nm波长激光的平均功率为2.2mW，调制频率是22.86MHz，由10us级光开关截断的光信号如图6(a)所示，信号时间宽度是48.76us。用电子开关从该信号中部截取时间宽度为1us的信号段作为原始输入光信号A₀。图6(b)是光信号A₀在时间轴上延展后观察到的波形。用光接收机直接检测光信号A₀，测得接收机的输出电信号的信噪比为53dB。

图7(a)、(b)、(c)、(d)分别是实测的第50、第100、第200和第500个复制光信号A₁的波形图。由于系统采用了低增益、低噪声指数技术结合窄带滤波手段，循环复制的A₁光信号序列的噪声累积速率十分缓慢，实测的第50个、第100个、第200个和第500个复制光信号的信噪比分别为38dB、36dB、34dB和31dB，很好地满足了实用要求。

Claims (5)

1.一种光信号复制系统，其特征在于所述系统包括电子开关、1550nm光源、10us级光开关、3dB耦合器、1550nm解调器、100us级光开关、第一1550nm隔离器、第二1550nm隔离器、1550nm窄带滤波器、1550nm可调衰减器、第三耦合器、时序控制器、光增益放大机构、输入光纤、输出光纤和环行波导；连接方式：信号源通过电子开关进入1550nm光源，输入光纤的一端与1550nm光源连接、另一端与3dB耦合器的一个输入端连接，两端之间串通接入10us级光开关，输出光纤的一端与3dB耦合器的一个输出端连接、另一端与1550nm解调器连接，环行波导由一根前部石英光纤和一根后部石英光纤构成，前部石英光纤的一端与3dB耦合器的另一个输出端连接、另一端与光增益放大机构的一端连接、两端之间串通接入100us级光开关和第一1550nm隔离器，后部石英光纤的一端与3dB耦合器的另一个输入端连接、另一端与光增益放大机构的另一端连接、两端之间串通接入第二1550nm隔离器、1550nm可调衰减器、第三耦合器和1550nm窄带滤波器，时序控制器分别与所述电子开关、10us级光开关和100us级光开关的电路输入端连接。

2.根据权利要求1所述光信号复制系统，其特征在于所述光增益放大机构包括一根掺铒光纤、一个泵浦光源、第一耦合器、第二耦合器、一个1550nm功率伺服器，所述掺铒光纤对1550nm波长维持单模，所述泵浦光源的波长为980nm且光功率可调，所述两个耦合器均具有980nm波长完全交叉耦合、1550nm波长完全平行耦合的特性，所述掺铒光纤的一端与第一耦合器的一个输出端连接、另一端与第二耦合器的一个输入端连接，第一耦合器的一个输入端与泵浦光源连接、另一端作为所述光增益放大机构的输入端，第二耦合器的一个输出端空置、另一端作为所述光增益放大机构的输出端，所述1550nm功率伺服器的光学输入端与所述第三耦合器的一个输出端连接、其电子输出端与所述泵浦光源连接。

3.根据权利要求1所述光信号复制系统，其特征在于所述电子开关的响应时间小于30ns，所述1550nm光源的中心波长为1550nm、-3dB谱线宽度小于0.2nm、线性区输入幅度为100mV～1V、动态单纵模范围达到GHz水平、三阶交调CTB小于-60dB，所述10μs级光开关的中心波长是1550nm、开关响应速度小于20μs，所述3dB耦合器的中心波长为1550nm、插入损耗小于3.1dB，所述1550nm解调器的中心波长为1550nm、隔离直流、0dBm信号光输入时的噪声谱密度小于-110dBm/Hz，所述100μs级光开关中心波长是1550nm开关、响应速度小于200μs，所述第一第二1550nm隔离器的阻断中心波长是1550nm、背向隔离度40dB以上、正向通光损耗小于0.3dB，所述1550nm窄带滤波器的中心波长是1550.9nm、-3dB带宽小于1nm，所述1550nm可调衰减器具有连续调节信号光衰减量的特性，所述第三耦合器具有对1550nm波长实现10％交叉耦合的特性，所述时序控制器的时序控制过程可编程执行，所述输入光纤和输出光纤均具有1310nm零色散、1550nm单模的特性，所述环行波导中的前部石英光纤和后部石英光纤均具有1310nm零色散、1550nm单模的特性。

4.一种光信号复制方法，其特征在于光信号复制步骤如下：

(1)在所述100us级光开关、10us级光开关和电子开关均处切断的状态下，打开所述泵浦光源、信号源、示波器、1550nm光源和1550nm解调器，机器预热30分钟；

(2)完成(1)后的任一时刻t₁，打开所述100us级光开关；

(3)在较上述时刻t₁延迟了200us后的时刻t₂，打开所述10us级光开关，1550nm波长直流光导通；

(4)在较上述时刻t₂延迟了24us后的时刻t₃，打开所述电子开关，所述1550nm光源被来自于外部信号源的连续调制电信号调制，发出1550nm波长的交流信号光；

(5)在较上述时刻t₃延迟了1us后的时刻t₄，关闭所述电子开关，得到时间宽度为At₀＝t₄-t₃、波长为1550nm的原始光信号A₀；

(6)在较上述时刻t₄延迟了9us后的时刻t₅，关闭所述10us级光开关，完成原始光信号的发送；

(7)原始光信号经所述3dB耦合器耦合后被等分为两个光信号A₁和B₁，波形与原始光信号的相同，A₁光信号被送往所述1550nm解调器，B₁光信号被送往所述环形波导进行延时和放大，环绕环形波导走行一周再次到达所述3dB耦合器输入端时形成B₀光信号，B₀光信号的功率与A₀光信号的相同，B₀光信号经所述3dB耦合器耦合后被等分，再次产生A₁和B₁两个光信号，完成一次复制，如此重复，得到一系列原始光信号的复制信号；在完成N个信号复制后的任一时刻t₆，关闭所述100us级光开关，复制过程结束。

5.根据权利要求1所述光信号复制系统，其特征在于所述光增益放大机构的增益不大于10dB、且噪声指数不大于3dB。

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