CN102890384A - 一种基于级联结构的提高光纤参量放大器增益的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联结构的提高光纤参量放大器增益的装置，由信号激光器、泵浦激光器、偏振控制器、光耦合器、标准G.652单模光纤、高非线性光纤和光谱分析仪组成，其特征在于在高非线性光纤之间连接标准G.652单模光纤，利用标准G.652单模光纤色散参数的不同补偿光纤参量过程中的相位失配，提高光纤参量放大器的增益。本发明通过采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联的方式，提高了单泵浦光纤参量放大器的增益特性，有利于全光网络中全光放大技术的发展。

Description

一种基于级联结构的提高光纤参量放大器增益的装置

技术领域

本发明涉及一种单泵浦光纤参量放大器，尤其涉及一种采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联实现增益提高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

光纤通信系统因其宽带、低损耗等特点，构成了现代通信网络的主干。其中，波分复用技术能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；波分复用技术实现了高速的数据传输，但是同时伴随着数据传输的衰减问题，因此光放大技术是波分复用光纤传输系统的关键技术之一。而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。基于四波混频效应实现信号放大的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、产生闲频带等显著优点，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。提高放大器的增益特性是研究放大器的重要指标，因此，如何提高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。

申请号为CN200610147217.0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。上述专利采用两段色散系数不同的高非线性光纤的级联，利用两个高非线性光纤色散参数的不同补偿光纤参量放大过程的相位失配来优化系统增益，但是双泵浦光纤参量放大器的系统结构较单泵浦光纤参量放大器的复杂。文章“级联光纤参量放大器带宽拓展的理论研究(李建平等，《中国激光》2009年第8期第36卷，第2052-2056页)”里采用了在色散位移光纤之间周期性插入单模光纤的级联结构，但是色散位移光纤较高非线性光纤的非线性系数低很多，相同条件下需要更长的色散位移光纤来实现信号光的增益提高。

发明内容

本发明在于对现有技术的不足，提出一种采用当今世界上用量最大(约占用纤总量的70％)且低成本的标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联的方式实现增益提高的单泵浦光纤参量放大器系统，在两段除光纤长度不同而其他非线性系数、零色散波长、色散斜率的光纤参数都相同的高非线性光纤之间连接标准G.652单模光纤，补偿光纤参量放大过程中的相位失配，实现单泵浦光纤参量放大器增益的提高。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术装置：

一种基于级联结构的提高光纤参量放大器增益的装置，由信号激光器、泵浦激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光耦合器、第一高非线性光纤、标准G.652单模光纤、第二高非线性光纤和光谱分析仪构成；具体如下：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第一偏振控制器和第二偏振控制器调整其偏振态后，经光耦合器耦合进入第一高非线性光纤上，接着连接到标准G.652单模光纤上，通过单模光纤的色散参数的不同补偿光纤参量放大过程中的相位失配，再连接到第二高非线性光纤上，实现对信号光的进一步放大，然后由光谱分析仪分析系统信号光功率的变化。

经过如上的设计，在高非线性光纤之间连接标准G.652单模光纤，补偿了光纤参量放大过程中的相位失配，调整了泵浦光、信号光和闲频光之间的相对相位关系，进而提高了光纤参量放大器的增益。

本发明具有如下优点：在两段高非线性光纤除光纤长度不同而其他光纤参数都相同的条件下，采用最常用和低成本的标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联的方案补偿光纤参量过程的相位失配，有效地提高了光纤参量放大器的增益，本发明结构简单容易实现，提高了光纤参量放大器的增益特性和系统灵活性。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为(a)泵浦光功率、(b)闲频光功率、(c)信号光功率和(d)sinθ随光纤长度变化的示意图，其中实线为采用标准G.652单模光纤级联装置的变化，点线为没有采用标准G.652单模光纤级联的装置的变化。

图3为泵浦光向信号光和闲频光的能量转换效率随光纤长度变化的关系示意图，其中实线为采用标准G.652单模光纤级联装置的能量转换效率，点线为没有采用标准G.652单模光纤级联装置的能量转换效率。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明系统由信号激光器、泵浦激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光耦合器、第一高非线性光纤、标准G.652单模光纤、第二高非线性光纤和光谱分析仪构成。

信号激光器可以产生波长为1550nm的信号光，泵浦激光器可以产生波长为1556nm的泵浦光，信号激光器产生的信号光和泵浦激光器产生的泵浦光，分别经过第一偏振控制器和第二偏振控制器调整其偏振态后耦合进入光耦合器，在光纤长度为200m，零色散波长λ₀＝1556nm，高非线性系数γ＝18W^-1km^-1，色散斜率为0.031ps/nm²/km的第一高非线性光纤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，t(z)为每个光波的相位。由公式(1)-(3)可以看出，如果sinθ＞0，表明能量从泵浦光向信号光和闲频光转移，但是如果sinθ＜0，表明能量从信号光和闲频光向泵浦光转移。

对于每段高非线性光纤中，单泵浦时的线性相位失配为：

$\mathrm{\Δ\β}=\{{\mathrm{\β}}^{\left(3\right)}({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}_0)+\frac{{\mathrm{\β}}^{\left(4\right)}}{2}[{({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}_0)}^2+\frac{1}{6}{({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}_s)}^2\left]\right\}{({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}_s)}^2---\left(6\right)$

其中，β⁽³⁾和β⁽⁴⁾分别为零色散波长处的第三阶色散系数和第四阶色散系数。此处取值分别为β⁽³⁾＝0.49×10^-40s³/m和β⁽⁴⁾＝-5.8×10^-56s⁴/m。

接着在高非线性光纤1输出端连接一个长度为5m的标准G.652单模光纤，其中标准G.652单模光纤的参数同标准ITU-T G.652中一致，在波长1500nm处的色散值D＝17ps·nm^-1km^-1，而二阶色散系数β⁽²⁾≈22ps²km^-1。相对于高非线性光纤而言，标准单模光纤中的β⁽²⁾值较大，所以其他高阶色散系数的影响可以忽略，则有标准G.652单模光纤中的线性波矢失配为：

Δβ_S＝β⁽²⁾(ω_s-ω_p)²                                 (7)

Δβ_s是标准单模光纤中相互作用的光波的线性波矢失配，因此可以通过标准G.652单模光纤的正的并且绝对值较大的线性波矢失配补偿前一段高非线性光纤的波矢失配，调整光波间的相对相位差，则连接第二段长度为110m的第二高非线性光纤后又可以进一步对信号光进行参量放大，实现信号光功率的进一步提高。其中第二高非线性光纤与第一高非线性光纤除光纤长度不同外，其他光纤参数性质都一致。

图2说明了是否采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联时的(a)泵浦光功率、(b)闲频光功率、(c)信号光功率和(d)sinθ随光纤长度变化的关系。可以看出，输入功率为2W的泵浦光和输入功率为0.1mW的信号光经过第一高非线性光纤后，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，在没有采用与标准G.652单模光纤级联方案时，在输出端泵浦光功率仅减少到1.978W，对应着信号光功率只提高到0.011W。当引入标准单模光纤级联后，在输出端的信号光从无标准G.652单模光纤级联的0.011W提高到0.195W。从图2(d)中可以看出，连接标准G.652单模光纤后，sinθ的绝对值增大，伴随着图2(c)中信号光的功率快速提高。因此，采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联的光纤参量放大过程与单段高非线性光纤参量放大过程相比，前者可以提高信号光的功率，进而提高系统的增益。并且，通过采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤的级联，泵浦光向信号光和闲频光的能量转换效率也明显提高了。定义泵浦光向信号光和闲频光的能量转换效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{P_s\left(z\right)-P_s\left(0\right)+P_i\left(z\right)}{P_p\left(0\right)}---\left(8\right)$

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，P_i(z)是输出的闲频光功率。如图3所示，采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联后，在输出端泵浦光向信号光的能量转换效率从级联前的1.10％提高到级联后的19.41％，总的能量转换效率提高了18.31％。可见，采用标准G.652单模光纤与高非线性光纤级联后，泵浦光向信号光和闲频光的能量转换效率得到了明显提高。

应说明的是：以上所陈述的仅仅是本发明的技术装置而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术装置进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术装置的范围(比如改变泵浦光和信号光的输入功率和波长时，改变常规单模光纤的长度时，改变高非线性光纤的非线性系数和光纤长度时，改变光纤级联的段数时)也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于级联结构的提高光纤参量放大器增益的装置，由信号激光器、泵浦激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光耦合器、第一高非线性光纤、标准G.652单模光纤、第二高非线性光纤和光谱分析仪组成，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，经第一偏振控制器和第二偏振控制器调整其偏振态后经光耦合器连接到第一高非线性光纤上，第一高非线性光纤连接到标准G.652单模光纤上，标准G.652单模光纤连接到第二高非线性光纤上，第二高非线性光纤的输出连接光谱分析仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的提高光纤参量放大器增益的装置，其附加的技术特征为：在只改变光纤长度，而不改变光纤非线性系数、零色散波长、色散斜率的情况下，将标准G.652单模光纤连接于第一高非线性与第二高非线性之间，利用标准G.652单模光纤的色散参数的不同补偿光纤参量过程中的相位失配。

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