CN102012597B - 一种基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双泵浦光纤参量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、偏振控制器、光滤波器及微结构光纤组成，其特征在于泵浦激光器的输出通过偏振控制器调整其偏振态后经泵浦耦合器连接至信号耦合器，信号激光器的输出通过偏振控制器调整其偏振态后连接到信号耦合器，信号耦合器将泵浦光和信号光耦合到微结构光纤，通过光纤的非线性效应实现对信号光的参量放大，并通过光滤波器将经过参量放大的信号光过滤出来。本发明在相对低泵浦功率下利用一段较短的微结构光纤实现了较高的参量放大，拓展了参量放大器的增益带宽，可以充分利用全波光纤的带宽，有利于波分复用技术的发展。

Description

一种基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器

技术领域

本发明涉及一种宽带高增益光纤参量放大器，尤其是一段较短微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器，适用于光纤通信和非线性光纤光学领域。 

背景技术

光纤通信因其宽带、低损耗、抗电磁干扰等特点成为现在通信网络的主干。而波分复用技术(WDM)能比较充分地利用光纤的传输带宽，是用于骨干网配置的首选方案，波分复用技术中关键环节之一是光放大技术。目前已研究发展出来的光纤光放大器有掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器和光纤参量放大器。其中掺铒光纤放大器只能提供1550nm附近几十纳米波长范围内的放大，不能满足密集波分复用系统扩容的进一步需求。光纤拉曼放大器存在着泵浦要求复杂、增益不高的问题。而光纤参量放大器具有可对任意波长的信号进行放大、对信号的比特率和调制格式完全透明、大带宽、高相敏特性等显著优点，被认为是最适合未来超长距离密集波分复用系统和全光网络的最具前途的光放大技术。 

申请号为200610147217.0的中国专利申请提供了一种两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器，由两个泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器及依次级联的两级高非线性光 纤构成，可以提供400nm的平坦增益带宽。由于上述技术采用的高非线性光纤的长度较长并且是两段级联，会增加系统的光纤长度和光纤的连接损耗，并使制作工艺复杂度增加。 

发明内容

本发明在于对现有技术的不足，提出一种在相对较低的泵浦功率下利用一段较短的微结构光纤来实现高增益和宽带参量放大的光纤参量放大器，降低了系统复杂度，并且通过偏振控制器对信号光和泵浦光的偏振态的调节来减少偏振态对参量放大器的增益特性的影响。 

本发明的目的是通过如下手段来实现的。一种双泵浦光纤参量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、光滤波器及微结构光纤组成，其特征在于泵浦激光器的输出经泵浦耦合器连接至信号耦合器，信号激光器的输出连接到信号耦合器，信号耦合器将泵浦光和信号光耦合到微结构光纤，通过光纤的非线性效应实现对信号光的参量放大，并通过光滤波器将经过参量放大的信号光过滤出来。 

作为改进的方案，可以在上述泵浦激光器与泵浦耦合器之间设置有偏振控制器，信号激光器与信号耦合器之间设置有偏振控制器，偏振控制器用于将三束光的偏振态调整为偏振方向相互平行的线偏振光，如果三束光的偏振态不相同的话将减少参量放大器的峰值增益和增益带宽。另外，本发明所述的微结构光纤可以是保偏微结构光纤。 

本发明的微结构光纤的长度在10m至20m之间，光纤非线性系 数在60W^-1Km^-1至80W^-1Km^-1之间，泵浦光功率在1W至3W之间。信号光波长在1350nm至1850nm范围内，泵浦光波长在零色散波长左右。 

本发明的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器的峰值增益和增益带宽取决于微结构光纤的非线性系数、光纤长度、色散特性和两个泵浦光、一个信号光的输入功率、波长、偏振态等因素，通过优化算法适当的调整这些参数可以得到较高峰值功率和宽带增益带宽的参量放大器，本发明方案实现了峰值增益为62dB增益带宽为440nm的参量放大，较现有技术的增益带宽拓宽了40nm左右。通过分析微结构光纤的四阶色散系数对参量放大效果的影响，可知四阶色散系数对参量放大器的增益带宽影响较大，当四阶色散系数取负值且绝对值较小时能够得到较好的参量放大效果。 

附图说明如下： 

图1是本发明方案的系统框图。 

图2是微结构光纤结构示意图，其中d为气孔直径，Λ为相邻气孔中心的距离。 

图3是双泵浦参量放大过程的能量转移示意图。 

图4是62dB峰值增益440nm增益带宽的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器的增益谱图。 

图5是四阶色散系数不同时的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器的增益谱图，其中实线为β₄＝-1.605×10^-5ps⁴Km^-1的增益谱，划线为β₄＝1.605×10^-5ps⁴Km^-1的增益谱，点线为β₄＝-2×10^-4ps⁴Km^-1的增益谱。

图6是非线性系数不同时的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器的增益谱图，其中实线为γ＝80W^-1Km^-1的增益谱，划线为γ＝60W^-1Km^-1的增益谱。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。 

如图1所示，本发明方案由两个泵浦激光器，一个信号激光器，三个偏振控制器，两个耦合器，一个微结构光纤和一个光滤波器构成。微结构光纤跟普通光纤相比，具有较大的非线性系数，利用其高非线性研制的光纤参量放大器可以大大减小所用光纤的长度，使器件的结构更紧凑。图2为微结构光纤的结构示意图，在微结构光纤中，微结构光纤的有效面积A_eff与空气孔的直径d和相邻气孔中心的距离Λ的关系如公式(1)所示，光纤的非线性系数γ与A_eff的关系如公式(2)所示，通过调整微结构光纤中空气孔的直径d和相邻气孔中心的距离Λ的大小，可使γ较大，其色散曲线可以做到很平坦，并且高阶色散项可以控制。由于微结构光纤的零色散点可以在较宽的频带范围内调节，利用它可以使放大器在较宽的频带内进行放大。 

$A_{\mathrm{eff}}\∝\frac{\mathrm{\Λ}}{d}\×{\mathrm{\Λ}}^2---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{n_2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{cA}}_{\mathrm{eff}}}---\left(\text{2}\right)$

在图1中，两个泵浦激光器输出的波长分别为 

和 

的泵浦光经过偏振控制器1和偏振控制器2调整其偏振态后与信号激光器输出的波长为λ_s信号光(通过偏振控制器3调整其偏振态后)分别经过耦合器1和耦合器2后进入一段光纤长度为L的微结构光纤，通过调整两个泵浦光和信号光的输入功率和波长，生成波长为λ_i的闲频光，实现对信号光的参量放大，然后经过一个光滤波器，得到被放大的信号光。双泵浦参量放大过程的能量转移如图3所示，两个泵浦光的能量分别转移到信号光和闲频光上，使信号光得到参量放大。 

微结构光纤内光波的振幅的演变由一组耦合振幅方程决定： 

$\frac{{\mathrm{dA}}_{p_1}}{\mathrm{dz}}=\mathrm{i\γ}[\left(\right|{A_{p_1}|}^2+2({{|A}_s|}^2+{{|A}_i|}^2+{\left|A_{p_2}\right|}^2))A_{p_1}+2A_s{A}_i{A_{p_2}}^{*}{e}^{\mathrm{i\Δ\βz}}]$

$\frac{d{A}_{p_2}}{\mathrm{dz}}=\mathrm{i\γ}[({\left|A_{p_2}\right|}^2+2({\left|A_s\right|}^2+{{|A}_i|}^2+{\left|A_{p_1}\right|}^2))+A_{p_2}+2A_s{A}_i{A_{p_1}}^{*}{e}^{\mathrm{i\Δ\βz}}]$

$\frac{d{A}_s}{\mathrm{dz}}=\mathrm{i\γ}[({{|A}_s|}^2+2({{|A}_i|}^2+{\left|A_{p_1}\right|}^2+{{|A}_{p_2}|}^2))A_s+2A_i^{*}{A}_{p_1}{A}_{p_2}{e}^{-\mathrm{i\Δ\βz}}]---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{dA}}_i}{\mathrm{dz}}=\mathrm{i\γ}[({{|A}_i|}^2+2({{|A}_s|}^2+{{|A}_{p_1}|}^2+{{|A}_{p_2}|}^2))A_i+2A_s^{*}{A}_{p_1}{A}_{p_2}{e}^{-\mathrm{i\Δ\βz}}]$

公式(3)中， 

A_p2、A_s、A_i分别为泵浦光1、泵浦光2、信号光、闲频光的振幅，Δβ为波矢失配。 

其中 $\mathrm{\Δ\β}={\mathrm{\β}}_2({({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_c)}^2-{{\mathrm{\ω}}_p}^2)+\frac{1}{12}{\mathrm{\β}}_4({({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_c)}^4-{{\mathrm{\ω}}_p}^4)---\left(4\right)$

公式(4)中，ω为不同波长对应的角频率ω＝2πc/λ， 

β₂和β₄分别为光纤的二阶和四阶色散系数。 

实施例1： 

62dB峰值增益440nm增益带宽的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器。其中两个泵浦光的输入功率P₁＝P₂＝3W，两个泵浦光的波长为 和 

信号光的初始功率为-30dBm，微结构光纤的光纤长度为20m，非线性系数为80W^-1Km^-1，微结构光纤的零色散波长为1550nm，此时其二阶色散系数β₂＝0，四阶色散系数β4＝-1.605×10^-5ps⁴Km^-1，通过调整偏振控制器的偏振态使两个泵浦光输出的线偏振光相互平行，且使两个泵浦光的中心波长等于微结构光纤的零色散波长，如图4所示，得到了峰值增益为62dB增益带宽为440nm的参量放大。 

实施例2： 

四阶色散系数不同时的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器。其中两个泵浦光的输入功率P₁＝P₂＝3W，两泵浦光的波长为 

和 

信号光的初始功率为-30dBm，微结构光纤的光纤长度为20m，非线性系数为80W^-1Km^-1，微结构光纤的零色散波长为1550nm，此时其二阶色散系数β₂＝0，通过调整偏振控制器的偏振态使两个泵浦光输出的线偏振光相互平行，且使两个泵浦光的中心波长等于微结构光纤的零色散波长，本例中通过改变光纤的四阶色散系数，当其取值分别为β₄＝-1.605×10^-5ps⁴Km^-1，1.605×10^-5ps⁴Km^-1和-2×10^-4ps⁴Km^-1时，得到如图5所示的参量放大器的增益谱图(四阶色散系数对参量放大的影响如公式(4)所示)。可见四阶色散系数对参量放大器的增益带宽影响较大，当四阶色散系数取负值且绝对值较小时能够得到较好的参量放大效果。 

实施例3： 

非线性系数不同时的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器。其中两个泵浦光的输入功率P₁＝P₂＝3W，两个泵浦光波长为 

和 

信号光的初始功率为-30dBm，微结构光纤的光纤长度为20m，微结构光纤的零色散波长为1550nm，此时其二阶色散系数β₂＝0，四阶色散系数为β₄＝-1.605×10^-5ps⁴Km^-1，通过调整偏振控制器的偏振态使两个泵浦光输出的线偏振光相互平行，本例中通过改变微结构光纤的非线性系数，当其取值分别60W^-1Km^-1和80W^-1Km^-1时，得到如图6所示的参量放大器的增益谱图。可见非线性系数对参量放大器的增益带宽影响较大，当非线性系数较大时能够得到较好的参量放大效果。 

本发明的基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器的峰值增益和增益带宽取决于微结构光纤的非线性系数、光纤长度、色散特性和两个泵浦光、一个信号光的输入功率、波长，偏振态等因素，适当的调整这些参数可以得到增益带宽拓展到整个低损耗光纤波长的通信窗口，推动光纤通信的发展。 

Claims (1)

1.一种基于微结构光纤的双泵浦光纤参量放大器，由泵浦激光器1和2、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、偏振控制器1，2和3、微结构光纤及光滤波器组成，其特征在于泵浦激光器1和泵浦激光器2产生的泵浦光分别经过偏振控制器1和偏振控制器2调整其偏振态后，通过泵浦耦合器耦合，一起与经过偏振控制器3调整的信号激光器产生的信号光耦合进入信号耦合器，信号耦合器将两个泵浦光和信号光耦合到微结构光纤，通过光纤的参量过程实现对信号光的放大，然后经过光滤波器将放大后的信号光过滤出来，其中，偏振控制器1，2和3用于将三束光的偏振态调整为偏振方向相互平行的线偏振光，所述微结构光纤的长度在10米至20米之间，所述微结构光纤非线性系数在60至80W^-1Km^-1之间，泵浦光功率在1W至3W之间，信号光波长在1350nm至1850nm范围内。

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