CN102722060A - 过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器，由信号激光器、泵浦激光器、偏振控制器、光耦合器、光滤波器和高非线性光纤组成，其特征在于在两段高非线性光纤之间引入光滤波器对闲频光进行滤波，补偿光纤参量过程中的相位失配，进而提高光纤参量放大器的峰值增益并且拓宽和平坦化光纤参量放大器的增益带宽。本发明通过引入光滤波器对闲频光进行滤波，从而优化了单泵浦光纤参量放大器的增益特性，有利于光纤通信系统中全光放大技术的发展。

Description

过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器

技术领域

本发明涉及一种单泵浦光纤参量放大器，尤其是一种采用光滤波器过滤闲频光实现增益优化的单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

随着光纤通信系统的发展，密集波分复用技术因其可大量增加光纤的传输容量的特性，实现了高速和超高速的数据传输，但是也伴随数据传输的衰减问题，所以光放大器是波分复用光纤传输系统的关键。其中，直接对光信号进行放大的全光放大器能够同时对多个波长进行放大，是光放大器研究发展的趋势。而利用四波混频效应进行信号放大的光纤参量放大器能在任意波长处提供宽带的平坦高增益，是近年来新的研究热点。优化放大器的增益特性是研究放大器的重要指标，因此，如何优化光纤参量放大器的增益特性成为研究光放大器的重要目标。

对于光纤参量放大器增益的优化方法，目前主要有采用双泵浦结构、采用几段零色散波长不同的高非线性光纤级联、提高泵浦光输入功率和增加高非线性光纤非线性系数等方式。

发明内容

本发明在于对现有技术的不足，提出一种采用光滤波器过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器系统，在两段除了光纤长度不同而其余光纤参数都相同的高非线性光纤之间插入光滤波器对闲频光进行滤波，实现单泵浦光纤参量放大器增益的优化。

本发明的目的是通过如下手段来实现的。

过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器，由信号激光器、泵浦激光器、偏振控制器、光耦合器、光滤波器和高非线性光纤构成；包含如下的处理步骤：信号激光器产生的信号光和泵浦激光器产生的泵浦光分别经偏振控制器1和偏振控制器2调整其偏振态后，经光耦合器耦合进入高非线性光纤1，通过高非线性光纤中的参量过程实现闲频光的产生和信号光的放大，接着连接到光滤波器，通过光滤波器对闲频光进行滤波后，再进入高非线性光纤2，实现对信号光的再放大。本发明采用光滤波器对闲频光进行滤波，实现了单泵浦光纤参量放大器增益的优化。

经过如上的设计，在两段高非线性光纤之间采用一个光滤波器过滤闲频光，减少了闲频光的功率，从而调整了泵浦光、信号光和闲频光之间的相对相位关系，进而补偿了第一段光纤参量过程中的相位失配，提高了光纤参量放大器的峰值增益并拓展和平坦化了光纤参量放大器的增益带宽。本发明具有如下优点：在两段高非线性光纤除了光纤长度不同而其余光纤参数都相同的条件下，首次采用光滤波器过滤闲频光的方案补偿光纤参量过程的相位失配，有效地优化了光纤参量放大器的增益，本发明结构简单容易实现，优化了光纤参量放大器的增益特性和系统灵活性。

附图说明如下：

图1为本发明的系统框图。

图2为泵浦光功率、闲频光功率、sinθ和信号光功率随光纤长度变化的示意图，其中实线为采用光滤波器的，点线为没有采用光滤波器的。

图3为泵浦光向信号光的能量转换效率随光纤长度变化的关系示意图，其中实线为采用光滤波器的，点线为没有采用光滤波器的。

图4为信号光增益随信号光波长变化的关系示意图，其中实线为采用光滤波器的，点线为没有采用光滤波器的。

图5为采用光滤波器过滤闲频光后信号光增益与光纤长度和信号光波长变化的三维关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做进一步的描述。

如图1所示，本发明系统由信号激光器、泵浦激光器、偏振控制器1、偏振控制器2、光耦合器、高非线性光纤1、光滤波器和高非线性光纤2构成。

在图1中，信号激光器产生的波长为1588nm的信号光，与泵浦激光器产生的波长为1560nm的泵浦光，分别经过偏振控制器1和偏振控制器2调整其偏振态后耦合进入光耦合器，在光纤长度为160m，零色散波长为1556nm，高非线性系数为20W^-1Km^-1，色散斜率为0.03ps/nm²/Km的高非线性光纤1中产生参量放大过程，产生闲频光并放大信号光。在光纤参量放大过程中泵浦光、信号光和闲频光间的角频率满足2ω_p＝ω_s+ω_i的条件。在各个光波偏振态为线偏振且为连续光的情况下，三个光波间的光功率和相对相位差满足下面的方程：

$\frac{{\mathrm{dP}}_p}{\mathrm{dz}}=-4\mathrm{\γ}{\left(P_p^2{P}_s{P}_i\right)}^{1/2}\sin \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dP}}_s}{\mathrm{dz}}=2\mathrm{\γ}{\left(P_p^2{P}_s{P}_i\right)}^{1/2}\sin \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{dP}}_i}{\mathrm{dz}}=2\mathrm{\γ}{\left(P_p^2{P}_s{P}_i\right)}^{1/2}\sin \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dz}}=\mathrm{\Δ\β}+\mathrm{\γ}({2P}_p-P_s-P_i)+\mathrm{\γ}[{(P_p^2{P}_s/P_i)}^{1/2}+{(P_p^2{P}_i/P_s)}^{1/2}-4{\left(P_s{P}_i\right)}^{1/2}]\cos \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中P_p，P_s和P_i分别是泵浦光、信号光和闲频光的光功率，γ是高非线性光纤的非线性系数，Δβ为线性波矢失配系数且Δβ＝β_s+β_i-2β_p。θ(z)是三个光波间的相对相位差，为：

θ(z)＝Δβz+φ_s(z)+φ_i(z)-2φ_p(z)   (5)

其中φ_p，s，i(z)为每个光波的相位。由公式(1)-(3)可以看出，如果sinθ＞0，意味着能量从泵浦光向信号光和闲频光转移，但是如果sinθ＜0，能量从信号光和闲频光向泵浦光转移。

接着在高非线性光纤1输出端连接一个光滤波器，光滤波器过滤闲频光后，补偿了光纤参量过程的相位失配。然后通过长度为43m高非线性光纤2继续对信号光进行参量放大，实现了信号光功率的进一步提高。其中高非线性光纤2与高非线性光纤1除了光纤长度不同外，其余光纤参数性质都一致。图2说明了是否采用光滤波器过滤闲频光时(1)泵浦光、(2)闲频光、(3)sinθ和(4)信号光的功率随高非线性光纤长度变化的关系。可以看出输入功率为1.8W的泵浦光和输入功率为0.1mW的信号光经过高非线性光纤1后，通过光纤参量放大过程产生闲频光，并且泵浦光的能量向信号光和闲频光转移，在光纤长度160m处泵浦光的功率最低减少至0.79W，信号光的功率最大放大到0.505W，如果没有光滤波器的引入，随着光纤长度的增加，信号光的功率反而会继续减少。当引入了光滤波器后，在光纤长度160m处，因为光滤波器对闲频光的滤波作用，如图2(2)中实线所示闲频光的功率从0.505W减少到接近于0。同时如图2(3)所示，没有采用光滤波器时，sinθ的取值在160m后从正值变成了负值，负值代表能量转换方向从信号光和闲频光转向泵浦光；而采用滤波器后，sinθ的取值在整个光纤长度内都是正值，也即是信号光的功率一直在增加的。接着如图2(4)中实线所示，光滤波器的采用使信号光的功率从0.505W进一步提高到0.595W。简言之，通过光滤波器对闲频光滤波提高了信号光的功率，亦是提高了光纤参量放大器的增益。并且，通过光滤波器的引入，泵浦光向信号光的能量转换效率也明显提高了，定义泵浦光向信号光的能量转换效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pump}-\mathrm{signal}}=\frac{P_s\left(z\right)-P_s\left(0\right)}{P_p\left(0\right)}---\left(6\right)$

式中P_s(0)和P_p(0)分别是进入光纤的信号光和泵浦光的初始功率，P_s(z)是输出的信号光功率。如图3所示，加入光滤波器后，泵浦光向信号光的能量转换效率从光纤长度160米处的28％增加到203米处的了33％，而如果没有光滤波器的引入，泵浦光向信号光的能量转换效率会从28％减少到5％。即在输出端，总的能量转换效率提高了28％。

另外，滤波器的采用不仅提高了光纤参量放大器的增益，而且拓展和平坦化了光纤参量放大器的增益带宽。如图4中实线所示，在1558nm到1598nm的波长范围内，不仅信号光的增益提高了平均8dB，并且增益带宽更加平坦和展宽了，增益带宽明显优于没有采用光滤波器的虚线所示的带宽特性。最后，图5中显示了采用光滤波器后信号光增益与光纤长度和信号光波长间的变化关系的三维图，显而易见，因为光滤波器的采用，光纤参量放大器的增益特性得到了优化。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).在光纤参量放大系统的两段高非线性光纤之间引入了光滤波器；2).利用光滤波器对闲频光进行滤波，补偿了光纤参量过程中的相位失配，优化了光纤参量放大器的增益。通过对闲频光进行滤波的系统优化了光纤参量放大器的增益特性，为全光通信系统的全光放大技术提供新的技术方案。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改(比如改变泵浦光和信号光的输入功率和波长时，改变光滤波器的滤波效率时，改变高非线性光纤的非线性系数和光纤长度时)也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器，由信号激光器、泵浦激光器、偏振控制器1、偏振控制器2、光耦合器、高非线性光纤1、光滤波器和高非线性光纤2组成，其特征在于信号激光器输出的信号光与泵浦激光器输出的泵浦光，分别经过偏振控制器1和偏振控制器2调整其偏振态后经光耦合器连接到高非线性光纤1，通过光纤中的参量过程实现闲频光的产生和信号光的放大。高非线性光纤1的输出连接到光滤波器，再由高非线性光纤2继续对信号光进行参量放大，实现信号光增益的进一步优化。

2.根据权利要求1所述的过滤闲频光实现增益优化的单泵浦光纤参量放大器，其特征在于，在两段除了光纤长度不同但其余光纤参数都相同的高非线性光纤之间引入光滤波器对闲频光进行滤波，补偿光纤参量过程中的相位失配，进而优化光纤参量放大器的增益特性。

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