CN102109731A - 抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置 - Google Patents

抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置，涉及光电技术领域，该方法包括下列步骤：将光纤参量放大器泵浦源发出的光束，通过密封窗口耦合进填充有非线性气体的空芯光纤，所述密封窗口位于空芯光纤的输入端，空芯光纤的输出端通过熔融拉锥法拉至芯径与单模光纤的芯径接近，再与单模光纤熔接。本发明能够避免引起光纤参量增益的波动，受环境振动和温度的波动影响较小，使用的器件较少且易集成，成本较低，方便推广应用；体积小，整个装置可封装在较小尺寸的模块内，方便携带，且制作简单，同时还具有频谱宽的优点，非常适合应用在光纤参量放大器的泵浦源中。

Description

抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置。
背景技术
FOPA(光纤参量放大器)是未来密集波分复用全光网络的关键器件，它具有高增益、高饱和输出功率、低噪声、工作在任意波长、宽带宽、内在增益反应时间短等诸多优点。目前FOPA的应用还处于研究阶段，存在一些问题需要解决。通过对FOPA的研究表明，使用高功率泵浦源可获得高增益FOPA，但是，当泵浦源功率的增加超过光纤参量放大截止的SBS(Stimulated Brillouin Scattering，受激布里渊散射)阈值时，会引起严重的SBS效应，恶化系统性能。在实际FOPA中，需要提高SBS阈值，以抑制SBS效应的发生。
目前抑制SBS的方法有以下三种：
第一种：对泵浦光进行相位调制或频率调制，以加宽泵浦光的谱宽从而提高SBS值(参考文献：IEEE.J.Lightwave Technol.，2002.20(3)：p.469-476)；
第二种：通过应用沿光纤的压力分布区压缩SBS(参考文献：Electron.Lett，2004.40(19))；
第三种：采用有源声光移频光纤环形腔，作为FOPA泵浦源的处理器，注入单频光，并使单频光工作在自由振荡临界熄灭状态，获得多频输出光，作为FOPA的泵浦光(参考公开号为CN 1299160C的中国专利)。
但是，上述三种方法均存在各自的缺点：
第一种：泵浦光的相位调制会引起光纤参量增益的波动，这种影响的大小是由相位调制上升下降时间和光纤色散斜率决定的，而相位调制上升下降时间和光纤色散斜率是由电子器件和光纤决定的，不可消除，由此引起的光纤参量增益的波动无法避免；
第二种：利用光纤的压力分布区压缩SBS，相对比较复杂，受环境温度、振动等影响较大；
第三种：采用有源声光移频光纤环形腔时，使用的器件和设备较多，相对较复杂，且成本较高，不利于推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置，能够避免引起光纤参量增益的波动，受环境振动和温度的波动影响较小，使用的器件较少且易集成，成本较低，方便推广应用；体积小，整个装置可封装在较小尺寸的模块内，方便携带，且制作简单，同时还具有频谱宽的优点，非常适合应用在光纤参量放大器的泵浦源中。
本发明提供的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法，包括以下步骤：将光纤参量放大器泵浦源发出的光束，通过密封窗口耦合进填充有非线性气体的空芯光纤，所述密封窗口位于空芯光纤的输入端，所述空芯光纤的输出端通过熔融拉锥法拉至芯径与单模光纤的芯径接近，再与单模光纤熔接。
在上述技术方案中，所述光纤参量放大器泵浦源采用脉冲或者连续光源。
在上述技术方案中，所述非线性气体为惰性气体。
在上述技术方案中，所述空芯光纤的内径在5μm～250μm之间。
本发明提供的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，包括光源和空芯光纤，所述空芯光纤的输入端通过密封窗口密封，输出端经过熔融拉锥法形成锥体耦合区，所述锥体耦合区尾部的芯径与单模光纤的芯径接近，所述锥体耦合区的尾部和单模光纤熔接，所述空芯光纤内填充有非线性气体。
在上述技术方案中，所述光源采用固体激光器、气体激光器或半导体激光器中的一种。
在上述技术方案中，所述光源的波长在1500～1700nm之间。
在上述技术方案中，所述密封窗口采用柱透镜、球面透镜、非球面透镜、自聚焦透镜、石英玻璃板或薄膜中的一种。
在上述技术方案中，所述非线性气体为惰性气体。
在上述技术方案中，所述空芯光纤的内径在5μm～250μm之间。
本发明将光纤参量放大器泵浦源发出的光束，通过密装窗口耦合进填充有非线性气体的空芯光纤，利用非线性气体的非线性效应，来展宽光纤参量放大器泵浦源的谱宽。由于SBS的发生只与功率最高的频率分量有关，因此可以通过展宽频谱，使集中在单一频率上的泵浦光功率适当分散到邻频上，从而降低最大功率频谱，来实现抑制SBS。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)与通过泵浦光的相位调制来抑制SBS的方法相比，由于本发明是利用非线性气体的非线性效应来展宽频谱，因此能够避免引起光纤参量增益的波动；
(2)与利用光纤的压力分布区压缩SBS的方法相比，由于本发明利用非线性气体的非线性效应来展宽频谱，因此受环境振动和温度的波动影响较小；
(3)与采用有源声光移频光纤环形腔的方法相比，本发明不仅使用的器件较少，而且容易集成，成本较低，方便推广应用；
(4)本发明所提供的装置，体积小，整个装置可封装在较小尺寸的模块内，方便携带，且制作简单，同时还具有频谱宽的优点，非常适合应用在光纤参量放大器的泵浦源中。
附图说明
图1是本发明的装置实施例1的结构示意图；
图2是本发明的装置实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法，包括以下步骤：将光纤参量放大器泵浦源(脉冲或者连续光源)发出的光束，通过密封窗口耦合进填充有非线性气体(最好为惰性气体)的空芯光纤，空芯光纤的内径在5μm～250μm之间。密封窗口位于空芯光纤的输入端，密封窗口(可以是柱透镜、球面透镜、非球面透镜、自聚焦透镜、石英玻璃板或薄膜中的一种)将激光耦合进空芯光纤的同时，也将空芯光纤中的气体密封。空芯光纤的输出端，通过熔融拉锥法拉至芯径与单模光纤的芯径接近，再与单模光纤熔接。单模光纤起到密封气体的作用，同时方便与后续器件连接。由于空芯光纤中的非线性气体激发激光SPM(自相位调制)的发生，可以有效的展宽频谱，从而抑制受激布里渊散射的发生。
本发明实施例提供的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，包括光源和空芯光纤，所述空芯光纤的输入端通过密封窗口密封，输出端经过熔融拉锥法形成锥体耦合区，所述锥体耦合区尾部的芯径与单模光纤的芯径接近，所述锥体耦合区的尾部和单模光纤熔接，所述空芯光纤内填充有非线性气体。其中，光源可以是脉冲或连续光源，可以是固体激光器、气体激光器、半导体激光器等各种激光器。光源的波长在光纤参量放大器的泵浦波段，可以在1500～1700nm之间。密封窗口采用透光率高、吸收率低的各种光学介质或器件，可以是柱透镜、球面透镜、非球面透镜、自聚焦透镜、石英玻璃板、薄膜等。空芯光纤的内径在5μm～250μm之间。
下面通过2个具体实施例对本发明提供的装置进行详细说明。
装置实施例1
参见图1所示，本发明实施例1提供的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，包括光源101、密封窗口102、空芯光纤103、锥体耦合区104和单模光纤105，空芯光纤103的输入端通过密封窗口102密封，输出端经过熔融拉锥法形成锥体耦合区104，锥体耦合区104尾部的芯径与单模光纤105的芯径接近，锥体耦合区104的尾部和单模光纤105熔接。空芯光纤103内填充有惰性气体，例如He、Ne、Ar、Kr、Xe等，光源101输出的泵浦光经密封窗口102耦合，进入空芯光纤103。空芯光纤103内径在5μm～250μm之间。
装置实施例2
参见图2所示，本发明实施例2提供的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，包括光源201、密封窗口202、空芯光纤203、锥体耦合区204、单模光纤205、掺铒光纤放大器206、信号光源207、偏振控制器208、合束器209、高非线性光纤210和分束器211，空芯光纤203的输入端通过密封窗口202密封，输出端经过熔融拉锥法形成锥体耦合区204，锥体耦合区204尾部的芯径与单模光纤205的芯径接近，锥体耦合区204的尾部和单模光纤205一端熔接，单模光纤205另一端通过掺铒光纤放大器206与合束器209相连，信号光源207通过偏振控制器208与合束器209相连，合束器209通过高非线性光纤210与分束器211相连。
光源201发出的光，经过密封窗口202耦合进充满惰性气体的空芯光纤203，然后经过锥体耦合区204输出，进入单模光纤205，经过单模光纤205后，再通过掺铒光纤放大器206放大功率，并与由信号光源207发出后再经过偏振控制器208的信号光通过合束器209合束，合束后的光束经过高非线性光纤210使参量放大，之后经过分束器211，其中的一小部分光经衰减进入光谱分析仪，大部分光进入功率计进行功率检测。
本发明实施例的原理详细阐述如下：
本发明实施例的空芯光纤中填充的非线性气体可以选择惰性气体(包括He、Ne、Ar、Kr、Xe等)，惰性气体可以是纯的，也可是是混杂的，视所需要的非线性系数而定。惰性气体的压强与密封窗口有关，视封装窗口与非线性气芯光纤之间的最大可承受气压而定，最大可承受数个大气压。
本发明实施例采用充有惰性气体的装置展宽频谱以抑制SBS，相对于DSF(Dispersion Shifled Fiber，色散位移光纤)和普通空芯光纤也具有优势。在DSF中，泵浦光脉冲在光纤中的零色散点附近的反常色散区，容易形成高阶孤子以压缩脉冲，扩展频谱。但是DSF接受不了高功率脉冲，当功率达到一定程度时，会损伤光纤，同时增加光的损耗。相对于DSF来说，本发明实施例的装置由于具有更大的芯径，因此可以承受更高的功率。由于惰性气体具有较高的三阶非线性系数，例如氩气Ar的n2＝9.8×10-24m2/W·bar×P，氪气Kr的n2＝2.78×10-23m2/W·bar×P(Opt.Commun 56，67(1985))，其中，P为气体压强，一般取1bar，相当于1个大气压。相对于普通空芯光纤来说，本发明实施例中填充有惰性气体的装置的非线性系数更高。由于SPM(自相位调制)效应来自于非线性引起的额外的折射率，而总的非线性相移φNL＝n2k0L(|E1|2+|E2|2)，其中，n2为非线性折射率系数，k0为光束的波矢，L为光束走过的距离，|E1|2代表光束自身的光强，|E2|2代表共同传输的光波的光强。又因为频率啁啾：
Figure BSA00000438038900071
其中，ω为频率，φNL为总的非线性相移，t为时间，所以SPM将会导致频率啁啾，引起频谱展宽。
本发明实施例的空芯光纤的内径与束腰有关，当束腰是空芯光纤内径的0.64倍时，耦合效率最高，接近于1；且高阶模的损耗比基模大，空芯光纤的长度越长，损耗越大，因此这种空芯光纤可天然的滤掉高阶模(参考文献：Appl.Phys.B 65，189，96(1997))。一般情况下，空芯光纤的内径可以在5μm～250μm的范围之间。
本发明实施例的空芯光纤的长度由非线性长度LNL和色散长度Ld共同决定，非线性长度LNL＝1/(γP0)，色散长度其中，P0为输入光脉冲的峰值功率，T0为脉冲的半高全宽，γ为非线性系数，且γ＝n2ω0/cAeff，其中，ω0为激光的中心频率，c为真空中的光速，n为介质折射率，Aeff为有效模场面积。β2为充有非线性气体的空芯光纤的GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)。空芯光纤的最佳长度是GVD和SPM作用最优利用的长度，具体为Lopt≈(6LNLLd)1/2(参考文献：J.Opt.Soc.Am.B 1，139(1984))。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法，其特征在于包括以下步骤：将光纤参量放大器泵浦源发出的光束，通过密封窗口耦合进填充有非线性气体的空芯光纤，所述密封窗口位于空芯光纤的输入端，所述空芯光纤的输出端通过熔融拉锥法拉至芯径与单模光纤的芯径接近，再与单模光纤熔接。
2.如权利要求1所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法，其特征在于：所述光纤参量放大器泵浦源采用脉冲或者连续光源。
3.如权利要求1所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法，其特征在于：所述非线性气体为惰性气体。
4.如权利要求1至3任一项权利要求所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法，其特征在于：所述空芯光纤的内径在5μm～250μm之间。
5.一种抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，包括光源和空芯光纤，其特征在于：所述空芯光纤的输入端通过密封窗口密封，输出端经过熔融拉锥法形成锥体耦合区，所述锥体耦合区尾部的芯径与单模光纤的芯径接近，所述锥体耦合区的尾部和单模光纤熔接，所述空芯光纤内填充有非线性气体。
6.如权利要求5所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，其特征在于：所述光源采用固体激光器、气体激光器或半导体激光器中的一种。
7.如权利要求5所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，其特征在于：所述光源的波长在1500～1700nm之间。
8.如权利要求5所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，其特征在于：所述密封窗口采用柱透镜、球面透镜、非球面透镜、自聚焦透镜、石英玻璃板或薄膜中的一种。
9.如权利要求5所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，其特征在于：所述非线性气体为惰性气体。
10.如权利要求5至9任一项权利要求所述的抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的装置，其特征在于：所述空芯光纤的内径在5μm～250μm之间。
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