CN103064229B - 串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器及方法，其转换器包括信号光发生器、掺铒光纤放大器、多个探测光激光器、连续泵浦激光器和第一合波器，第一合波器输出端通过第三光纤连接有第一分波器，第一分波器输出端连接有第二合波器，第二合波器输出端通过第六光纤连接有第二分波器；其方法包括：选择信号光发生器，形成泵浦信号光，选择多个探测光激光器，泵浦信号光和多个连续探测光耦合，波长转换，输出多个光功率各不相同的探测光，选择连续泵浦激光器，连续泵浦光和多个探测光耦合，增益补偿，输出多个光功率相等的探测光。本发明设计合理，转换速率高，输出信号消光比好，能够实现跨波段和多波长同时转换以及增益平坦。

Description

串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器及方法。

背景技术

从上世纪90年代开始,由于波分复用(WDM)方式在光传输网中的明显优势,其发展异常迅速。随着WDM器件、光放大器和光纤等性能的不断提升,信道数量也在逐渐增加。可想而知，虽然光纤网络的带宽比较宽,但一根光纤中能够复用的波长数量还是有限的,所以可用波长数将大大少于节点数目和用户数量，全光路由以及波长竞争问题也日益突出。试想如果能够采用波长变换技术,让信号在一个节点上从一个波长变换到另一个波长甚至另几个波长,使同一波长在不同的区域中重复使用,这样就解决了波长争用的问题。另外利用波长路由技术，将一个波长作为一个通道，全光地进行路由选择，再在节点上按需加上多路波长转换功能，可以建立端到端的“虚波长通路”，可使通路之间的交换配置变得更加灵活。另外光波长转换器可以用来增加网络的传输带宽和传输距离，可以使网络容量在不影响原有业务的情况下迅速成倍地增加,同时大大提高网络的安全性、降低网络阻塞率，因此,波长变换是WDM全光通信网中非常关键的技术之一，其赋予光网络灵活性和扩容性，在光逻辑，光计算，光互联领域可以得到进一步应用。

光波长变换技术总体可分为采用光-电-光和全光波长变换两种方式。前者较成熟,但面临电子瓶颈问题，装置结构较复杂，成本随速率和元件数增加，功耗较高，对信号格式和调制速率不透明，传输速率受制，这使它在通信系统中的应用受到限制；相比之下,后者是更有前景的发展方向，它主要利用某些介质的非线性效应将输入的光信号直接转移到新的波长上，其有利于系统升级、扩容。

目前全光波长转换的方法很多，主要有：

1.采用基于半导体光放大器中交叉增益调制效应、交叉相位调制效应、交叉偏振调制效应、四波混频效应的波长转换器。

2.基于电吸收调制器中交叉吸收调制效应的波长转换器。

3.基于周期极化铌酸锂波导中的级联和频、差频效应的波长转换器。

4.基于色散位移高非线性光纤中交叉相位调制效应、四波混频效应的波长转换器。

5.基于硅纳米纤中交叉相位调制效应、四波混频效应的波长转换器。

6.基于色散平坦光子晶体光纤中交叉相位调制效应、四波混频效应、交叉偏振调制效应的波长转换器。

等等，这些波长转换器各自拥有优缺点，发展程度不尽相同，有些还处于理论研究阶段，有一些还处于实验室实验阶段，离商业实用化还有一定的距离。归纳起来，全光波长转换器需要克服以下缺点：

1.系统结构庞大、复杂，转换效率低，对待转换信号光要求高，比如基于半导体和光纤中的四波混频效应的波长转换器。

2.转换波长稳定性差，容易受周围环境影响，比如分布布拉格反射激光二极管型波长转换器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、实现方便且成本低、具有严格的传输透明性的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：包括用于输出信号光的信号光发生器、用于对信号光发生器输出的信号光进行放大形成泵浦信号光的掺铒光纤放大器、用于输出多个连续探测光的多个探测光激光器和用于输出连续泵浦光的连续泵浦激光器，以及用于对所述泵浦信号光和多个连续探测光进行耦合的第一合波器，所述信号光发生器的输出端通过第一光纤与所述掺铒光纤放大器的输入端连接，所述掺铒光纤放大器的输出端通过第一光纤与所述第一合波器的输入端连接，多个所述探测光激光器的输出端分别对应通过多根第二光纤与所述第一合波器的输入端相接，所述第一合波器的输出端通过用于通过受激拉曼散射放大过程来进行波长转换的第三光纤连接有用于输出波长转换后的多个探测光的第一分波器，所述第一分波器的输出端通过多根第四光纤连接有用于对所述连续泵浦光和波长转换后的多个探测光进行耦合并输出功率各不相等的信号光的第二合波器，所述连续泵浦激光器通过第五光纤与所述第二合波器的输入端相接，所述第二合波器的输出端通过用于对所述第二合波器输出的功率各不相等的信号光进行增益补偿的第六光纤连接有用于输出光功率值相等的转换信号光的第二分波器，多个所述探测光激光器的中心波长各不相同且多个所述探测光激光器中任意一个的中心波长λ_i均大于所述信号光发生器的中心波长λ₁，且的取值范围为280cm^-1～490cm^-1，所述连续泵浦激光器的中心波长λ_P等于所述信号光发生器的中心波长λ₁，其中，i为信道数且i的取值为2～N，N为信道总数且为整数，所述第三光纤和第六光纤为在相同频移范围内拉曼增益谱曲线走势相反的光纤。

上述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：所述信号光发生器由依次电连接的脉冲激光器、伪随机序列发生器和马增调制器构成。

上述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：所述第三光纤为石英光纤，所述第六光纤为掺磷光纤。

上述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：所述第三光纤的有效作用长度L与所述第六光纤的有效作用长度L′满足计算公式：其中，k₁为第三光纤内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为1.80×10^-16m·cm/w，k₂为第六光纤内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为-2.66×10^-16m·cm/w，e为自然对数，α₁为第三光纤的线性衰减系数，L₁为第三光纤的物理长度。

本发明还提供了一种转换速率高、输出信号消光比好、可以实现跨波段转换和多波长同时转换、能够实现增益平坦的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、选择中心波长为λ₁的信号光发生器，信号光发生器输出信号光并经过第一光纤传输给掺铒光纤放大器；

步骤二、通过掺铒光纤放大器对信号光发生器输出的信号光进行功率放大形成泵浦信号光，使得所述泵浦信号光的功率达到或超过受激拉曼散射效应的阈值，并将所述泵浦信号光通过第一光纤传输给第一合波器；

步骤三、根据频移计算公式Δv＝(1/λ₁)—(1/λ_i)选择多个中心波长各不相同的探测光激光器，其中λ_i为多个所述探测光激光器中任意一个的中心波长，多个所述探测光激光器输出多个连续探测光并经过多根第二光纤传输给第一合波器；其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为280cm^-1～490cm^-1；

步骤四、通过合波器将第一光纤传输的所述泵浦信号光和多根第二光纤分别传输的多个连续探测光耦合输入到第三光纤中；

步骤五、第三光纤根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{1i}=P_i(t-z/u)\·e^{-\mathrm{\αz}}\·e^{-G_{1i}},i=2...N\\ G_{1i}=-\frac{k}{{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{MA}}({\tilde{v}}_1-{\tilde{v}}_i)\·P_1(t-z/u)\·\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v_1}\·L,i=2...N\\ L=\frac{1-e^{-\mathrm{\αz}}}{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

并通过受激拉曼散射放大过程进行波长转换，将泵浦信号光上所携带的信息转换到多个连续探测光上并传输给第一分波器；其中，P_1i为连续探测光在第三光纤中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第三光纤中的衰减系数，z为光在第三光纤中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第三光纤中的群速度，G_1i为第一信道与第i信道之间的增益，P_i(t-z/u)为探测光在第三光纤传输了距离z后的光功率，e为自然对数，λ₁为泵浦信号光的中心波长，M为保偏系数且M的取值范围为1≤M≤2，A为第三光纤的有效作用面积，k为常数且取k＝1.80×10^-16m·cm/w，v₁为泵浦信号光的光波频率且c为光速且c＝3×10⁸m/s，为第一信道的波数且 为第i信道的波数且 为第一信道的泵浦信号光的波长与第i信道的连续探测光的波长之间的频移且的取值范围为280cm^-1～490cm^-1，为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第三光纤传输了距离z后的光功率，L为第三光纤的有效作用长度，N为信道数量且为整数；

步骤六、所述第一分波器对携带有泵浦信号光上信息且混合在一起的多个连续探测光进行分离，输出波长转换后的多个探测光，多个所述探测光的光功率各不相同；

步骤七、选择中心波长为λ_P的连续泵浦激光器，连续泵浦激光器输出连续泵浦光并经过第五光纤传输给第二合波器；

步骤八、通过第二合波器将第五光纤传输的所述连续泵浦光和多根所述第四光纤分别传输的多个探测光耦合输入到第六光纤中；

步骤九、第六光纤根据公式

$k_{1}L+k_2{e}^{-{\mathrm{\α}}_1{L}_1}{L}^{\′}=0$

并通过受激拉曼散射放大过程进行增益补偿，使得多个所述探测光的光功率相等并传输给分波器；其中，k₁为第三光纤内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为1.80×10^-16m·cm/w，k₂为第六光纤内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为-2.66×10^-16m·cm/w，e为自然对数，α₁为第三光纤的线性衰减系数，L₁为第三光纤的物理长度；L为第三光纤的有效作用长度，L′为第六光纤的有效作用长度；

步骤十、所述分波器对混合在一起的多个光功率相等的探测光进行分离，输出波长转换后的多个光功率相等的探测光。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明拉曼多波长转换器的结构简单，设计合理，实现方便。

2、本发明拉曼多波长转换器较普通光-电-光波长转换器在波长转换中保留着信号光波的相位和振幅信息，具有严格的传输透明性。

3、本发明拉曼多波长转换器的实现成本低，造价要比普通光-电-光波长转换器低的多，能够将信号光所携带的信息转换到多个不同连续探测光上。

4、本发明在波长转换过程中，拉曼多波长转换器的自发噪声低，能实现啁啾反转。

5、本发明拉曼多波长转换方法实现简单，转换速率高，输出信号消光比好，转换范围宽，而且可以实现跨波段转换，

5、本发明在进行波长转换的同时实现了对待转换波长信号的放大，并且能够对多波长转换后的信号光进行增益补偿，使得最终输出的信号光功率相等，实现增益平坦，且增益平坦度小，增益频谱宽，适用于波分复用系统。

6、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计合理，实现方便且成本低，转换速率高，输出信号消光比好，可以实现跨波段转换和多波长同时转换，能够实现增益平坦，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明全光多路波长转换器的原理框图。

图2为本发明拉曼多波长转换方法的方法流程图。

图3为本发明泵浦信号光的光功率示意图。

图4a为本发明第一探测光激光器输出的第一连续探测光的光功率示意图。

图4b为本发明第二探测光激光器输出的第二连续探测光的光功率示意图。

图4c为本发明第三探测光激光器输出的第三连续探测光的光功率示意图。

图4d为本发明第四探测光激光器输出的第四连续探测光的光功率示意图。

图5为本发明进行波长转换后泵浦信号光的光功率示意图。

图6a为本发明进行波长转换后第一连续探测光的光功率示意图。

图6b为本发明进行波长转换后第二连续探测光的光功率示意图。

图6c为本发明进行波长转换后第三连续探测光的光功率示意图。

图6d为本发明进行波长转换后第四连续探测光的光功率示意图。

图7为本发明连续泵浦激光器输出的连续泵浦光的光功率示意图。

图8a为本发明进行增益补偿后第一连续探测光的光功率示意图。

图8b为本发明进行增益补偿后第二连续探测光的光功率示意图。

图8c为本发明进行增益补偿后第三连续探测光的光功率示意图。

图8d为本发明进行增益补偿后第四连续探测光的光功率示意图。

附图标记说明:

1—信号光发生器；   2—掺铒光纤放大器； 3—探测光激光器；

4—连续泵浦激光器； 5—第一合波器；     6—第一光纤；

7—第二光纤；       8—第三光纤；       9—第一分波器；

10—第四光纤；      11—第二合波器；    12—第五光纤；

13—第六光纤；      14—第二分波器。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：包括用于输出信号光的信号光发生器1、用于对信号光发生器1输出的信号光进行放大形成泵浦信号光的掺铒光纤放大器2、用于输出多个连续探测光的多个探测光激光器3和用于输出连续泵浦光的连续泵浦激光器4，以及用于对所述泵浦信号光和多个连续探测光进行耦合的第一合波器5，所述信号光发生器1的输出端通过第一光纤6与所述掺铒光纤放大器2的输入端连接，所述掺铒光纤放大器2的输出端通过第一光纤6与所述第一合波器5的输入端连接，多个所述探测光激光器3的输出端分别对应通过多根第二光纤7与所述第一合波器5的输入端相接，所述第一合波器5的输出端通过用于通过受激拉曼散射放大过程来进行波长转换的第三光纤8连接有用于输出波长转换后的多个探测光的第一分波器9，所述第一分波器9的输出端通过多根第四光纤10连接有用于对所述连续泵浦光和波长转换后的多个探测光进行耦合并输出功率各不相等的信号光的第二合波器11，所述连续泵浦激光器4通过第五光纤12与所述第二合波器11的输入端相接，所述第二合波器11的输出端通过用于对所述第二合波器11输出的功率各不相等的信号光进行增益补偿的第六光纤13连接有用于输出光功率值相等的转换信号光的第二分波器14，多个所述探测光激光器3的中心波长各不相同且多个所述探测光激光器3中任意一个的中心波长λ_i均大于所述信号光发生器1的中心波长λ₁，且的取值范围为280cm^-1～490cm^-1，所述连续泵浦激光器4的中心波长λ_P等于所述信号光发生器1的中心波长λ₁，其中，i为信道数且i的取值为2～N，N为信道总数且为整数，所述第三光纤8和第六光纤13为在相同频移范围内拉曼增益谱曲线走势相反的光纤。

本实施例中，所述信号光发生器1由依次电连接的脉冲激光器1-1、伪随机序列发生器1-2和马增调制器1-3构成。

本实施例中，所述第三光纤8为石英光纤，所述第六光纤13为掺磷光纤。石英光纤在280cm^-1～490cm^-1的频移范围内，拉曼增益谱曲线是上升的，掺磷光纤在280cm^-1～490cm^-1的频移范围内，拉曼增益谱曲线是下降的。

本实施例中，所述第三光纤8的有效作用长度L与所述第六光纤13的有效作用长度L′满足计算公式：其中，k₁为第三光纤8内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为1.80×10^-16m·cm/w，k₂为第六光纤13内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为-2.66×10^-16m·cm/w，e为自然对数，α₁为第三光纤8的线性衰减系数，L₁为第三光纤8的物理长度。

结合图2，本发明所述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、选择中心波长为λ₁的信号光发生器1，信号光发生器1输出信号光并经过第一光纤6传输给掺铒光纤放大器2；本实施例中，选择中心波长λ₁＝1455nm的信号光发生器1；

步骤二、通过掺铒光纤放大器2对信号光发生器1输出的信号光进行功率放大形成泵浦信号光，使得所述泵浦信号光的功率达到或超过受激拉曼散射效应的阈值，并将所述泵浦信号光通过第一光纤6传输给第一合波器5；本实施例中，所述泵浦信号光的光功率示意图如图3所示；图3中，横坐标表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W；“1”码功率为5W；

步骤三、根据频移计算公式Δv＝(1/λ₁)—(1/λ_i)选择多个中心波长各不相同的探测光激光器3，其中λ_i为多个所述探测光激光器3中任意一个的中心波长，多个所述探测光激光器3输出多个连续探测光并经过多根第二光纤7传输给第一合波器5；其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为280cm^-1～490cm^-1；即探测光激光器3中任意一个的中心波长λ_i的取值范围为1516.8nm～1566.7nm；本实施例中，取Δv分别为400cm^-1、402.9cm^-1、406.2cm^-1和409.6cm^-1，选择出四个波长等间距的探测光激光器3的中心波长分别为1544.8nm、1545.6nm、1546.4nm和1547.2nm，波长间距为0.8nm，即信道间隔为0.8nm，中心波长为1544.8nm的第一探测光激光器3输出的第一连续探测光的光功率示意图如图4a所示，光功率为恒定的值1×10^-6W；中心波长为1545.6nm的第二探测光激光器3输出的第二连续探测光的光功率示意图如图4b所示，光功率为恒定的值1×10^-6W；中心波长为1546.4nm的第三探测光激光器3输出的第三连续探测光的光功率示意图如图4c所示，光功率为恒定的值1×10^-6W；中心波长为1544.8nm的第四探测光激光器3输出的第四连续探测光的光功率示意图如图4d所示，光功率为恒定的值1×10^-6W；图4a～4d中，横坐标均表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标均表示光功率P，单位为瓦特W；

步骤四、通过合波器将第一光纤6传输的所述泵浦信号光和多根第二光纤7分别传输的多个连续探测光耦合输入到第三光纤8中；

步骤五、第三光纤8根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{1i}=P_i(t-z/u)\·e^{-\mathrm{\αz}}\·e^{-G_{1i}},i=2...N\\ G_{1i}=-\frac{k}{{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{MA}}({\tilde{v}}_1-{\tilde{v}}_i)\·P_1(t-z/u)\·\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v_1}\·L,i=2...N\\ L=\frac{1-e^{-\mathrm{\αz}}}{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

并通过受激拉曼散射放大过程进行波长转换，将泵浦信号光上所携带的信息转换到多个连续探测光上并传输给第一分波器9；其中，P_1i为连续探测光在第三光纤8中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第三光纤8中的衰减系数，z为光在第三光纤8中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第三光纤8中的群速度，G_1i为第一信道与第i信道之间的增益，P_i(t-z/u)为探测光在第三光纤8传输了距离z后的光功率，e为自然对数，λ₁为泵浦信号光的中心波长，M为保偏系数且M的取值范围为1≤M≤2，A为第三光纤8的有效作用面积，k为常数且取k＝1.80×10^-16m·cm/w，v₁为泵浦信号光的光波频率且c为光速且c＝3×10⁸m/s，为第一信道的波数且 为第i信道的波数且 为第一信道的泵浦信号光的波长与第i信道的连续探测光的波长之间的频移且的取值范围为280cm^-1～490cm^-1，为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第三光纤8传输了距离z后的光功率，L为第三光纤8的有效作用长度，N为信道数量且为整数；本实施例中，第一信道的泵浦信号光的波长与第2信道的连续探测光的波长之间的频移的取值为400cm^-1，第一信道的泵浦信号光的波长与第3信道的连续探测光的波长之间的频移的取值为402.9cm^-1，第一信道的泵浦信号光的波长与第4信道的连续探测光的波长之间的频移的取值为406.2cm^-1，第一信道的泵浦信号光的波长与第5信道的连续探测光的波长之间的频移的取值为409.6cm^-1，这样的频移取值能够得到较高的拉曼增益，使波长转换易于发生；所述N的取值为5，所述L的取值为500m，所述α的取值为0.2dB/km，所述A的取值为5.5×10^-11m²，所述M的取值为2，所述u的取值为2.0×10⁸m/s。由于第三光纤8上传输的泵浦信号光的“1”码有很大功率，达到或超过了受激拉曼散射效应的阈值，与多个连续探测光进行作用，而泵浦信号光的“0”码不与多个连续探测光作用或作用很小，这样就把泵浦信号光上携带的信息透明转换到了多个连续探测光上，泵浦信号光的能量由于受激拉曼散射放大将一部分能量传递给了多个连续探测光；进行波长转换后泵浦信号光的光功率示意图如图5所示，图5中，横坐标表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W；与图3泵浦信号光的光功率相比，其“1”码功率减小到2.3W左右，“0”码没有改变，这是由于受激拉曼散射效应，其“1”码将一部分能量传递给了多个连续探测光，“0”码不作用或作用很小；

步骤六、所述第一分波器9对携带有泵浦信号光上信息且混合在一起的多个连续探测光进行分离，输出波长转换后的多个探测光，多个所述探测光的光功率各不相同；进行波长转换后第一连续探测光的光功率示意图如图6a所示，进行波长转换后第一连续探测光的光功率示意图如图6b所示，进行波长转换后第一连续探测光的光功率示意图如图6c所示，进行波长转换后第一连续探测光的光功率示意图如图6d所示，图6a～6d中，横坐标均表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标均表示光功率P，单位为瓦特W；图6a进行波长转换后第一连续探测光的光功率与图4a第一探测光激光器3输出的第一连续探测光的光功率相比，其携带了与信号光相同的信息，“1”码功率变为了2.45×10^-6W，“0”码功率变为了0.99×10^-6W；图6b进行波长转换后第一连续探测光的光功率与图4b第二探测光激光器3输出的第二连续探测光的光功率相比，其携带了与信号光相同的信息，“1”码功率变为了2.48×10^-6W，“0”码功率变为了0.99×10^-5W；图6c进行波长转换后第三连续探测光的光功率与图4c第三探测光激光器3输出的第三连续探测光的光功率相比，其携带了与信号光相同的信息，“1”码功率变为了2.495×10^-6W，“0”码功率变为了0.99×10^-6W；图6d进行波长转换后第四连续探测光的光功率与图4d第四探测光激光器3输出的第四连续探测光的光功率相比，其携带了与信号光相同的信息，“1”码功率变为了2.54×10^-6W，“0”码功率变为了0.995×10^-6W；

步骤七、选择中心波长为λ_P的连续泵浦激光器4，连续泵浦激光器4输出连续泵浦光并经过第五光纤12传输给第二合波器11；例如选择中心波长λ_P＝1455nm的连续泵浦激光器4，连续泵浦激光器4输出的连续泵浦光的光功率示意图如图7所示；图7中，横坐标表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W；“1”码功率为5W；

步骤八、通过第二合波器11将第五光纤12传输的所述连续泵浦光和多根所述第四光纤10分别传输的多个探测光耦合输入到第六光纤13中；

步骤九、第六光纤13根据公式

$k_{1}L+k_2{e}^{-{\mathrm{\α}}_1{L}_1}{L}^{\′}=0$

并通过受激拉曼散射放大过程进行增益补偿，使得多个所述探测光的光功率相等并传输给分波器；其中，k₁为第三光纤8内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为1.80×10^-16m·cm/w，k₂为第六光纤13内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为-2.66×10^-16m·cm/w，e为自然对数，α₁为第三光纤8的线性衰减系数，L₁为第三光纤8的物理长度；L为第三光纤8的有效作用长度，L′为第六光纤13的有效作用长度；本实施例中，所述L的取值为500m，所述L′的取值为355m；由于在与第三光纤8不同种类的第六光纤13中加入了中心波长与泵浦信号光不同的连续泵浦光，且由于第六光纤13的拉曼增益系数走势与第三光纤8的拉曼增益系数走势相反，第三光纤8的拉曼增益系数随频移的增大而增大，第六光纤13的拉曼增益系数随频移的增大而减小，因此第六光纤13可以实现放大功率的增益补偿作用，最终达到功率相等效果。

步骤十、所述分波器对混合在一起的多个光功率相等的探测光进行分离，输出波长转换后的多个光功率相等的探测光。进行增益补偿后第一连续探测光的光功率示意图如图8a所示，进行增益补偿后第二连续探测光的光功率示意图如图8b所示，进行增益补偿后第三连续探测光的光功率示意图如图8c所示，进行增益补偿后第四连续探测光的光功率示意图如图8d所示，图8a～8d中，横坐标均表示时间t，单位为皮秒ps；纵坐标均表示光功率P，单位为瓦特W；从图8a～8d可以看出，经过增益补偿后第一连续探测光的光功率、经过增益补偿后第二连续探测光的光功率、经过增益补偿后第三连续探测光的光功率和经过增益补偿后第四连续探测光的光功率均相等，“1”码功率均为4.9×10^-6W，“0”码功率均为0.995×10^-6W。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：包括用于输出信号光的信号光发生器(1)、用于对信号光发生器(1)输出的信号光进行放大形成泵浦信号光的掺铒光纤放大器(2)、用于输出多个连续探测光的多个探测光激光器(3)和用于输出连续泵浦光的连续泵浦激光器(4)，以及用于对所述泵浦信号光和多个连续探测光进行耦合的第一合波器(5)，所述信号光发生器(1)的输出端通过第一光纤(6)与所述掺铒光纤放大器(2)的输入端连接，所述掺铒光纤放大器(2)的输出端通过第一光纤(6)与所述第一合波器(5)的输入端连接，多个所述探测光激光器(3)的输出端分别对应通过多根第二光纤(7)与所述第一合波器(5)的输入端相接，所述第一合波器(5)的输出端通过用于通过受激拉曼散射放大过程来进行波长转换的第三光纤(8)连接有用于输出波长转换后的多个探测光的第一分波器(9)，所述第一分波器(9)的输出端通过多根第四光纤(10)连接有用于对所述连续泵浦光和波长转换后的多个探测光进行耦合并输出功率各不相等的信号光的第二合波器(11)，所述连续泵浦激光器(4)通过第五光纤(12)与所述第二合波器(11)的输入端相接，所述第二合波器(11)的输出端通过用于对所述第二合波器(11)输出的功率各不相等的信号光进行增益补偿的第六光纤(13)连接有用于输出光功率值相等的转换信号光的第二分波器(14)，多个所述探测光激光器(3)的中心波长各不相同且多个所述探测光激光器(3)中任意一个的中心波长λ_i均大于所述信号光发生器(1)的中心波长λ₁，且的取值范围为280cm^-1～490cm^-1，所述连续泵浦激光器(4)的中心波长λ_P等于所述信号光发生器(1)的中心波长λ₁，其中，i为信道数且i的取值为2～N，N为信道总数且为整数，所述第三光纤(8)和第六光纤(13)为在相同频移范围内拉曼增益谱曲线走势相反的光纤。

2.按照权利要求1所述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：所述信号光发生器(1)由依次电连接的脉冲激光器(1-1)、伪随机序列发生器(1-2)和马增调制器(1-3)构成。

3.按照权利要求1所述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：所述第三光纤(8)为石英光纤，所述第六光纤(13)为掺磷光纤。

4.按照权利要求1所述的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换器，其特征在于：所述第三光纤(8)的有效作用长度L与所述第六光纤(13)的有效作用长度L′满足计算公式：其中，k₁为第三光纤(8)内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为1.80×10^-16m·cm/w，k₂为第六光纤(13)内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为-2.66×10^-16m·cm/w，e为自然对数，α₁为第三光纤(8)的线性衰减系数，L₁为第三光纤(8)的物理长度。

5.一种利用如权利要求1所述拉曼多波长转换器的串联两种光纤实现增益平坦的拉曼多波长转换方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、选择中心波长为λ₁的信号光发生器(1)，信号光发生器(1)输出信号光并经过第一光纤(6)传输给掺铒光纤放大器(2)；

步骤二、通过掺铒光纤放大器(2)对信号光发生器(1)输出的信号光进行功率放大形成泵浦信号光，使得所述泵浦信号光的功率达到或超过受激拉曼散射效应的阈值，并将所述泵浦信号光通过第一光纤(6)传输给第一合波器(5)；

步骤三、根据频移计算公式Δv＝(1/λ₁)—(1/λ_i)选择多个中心波长各不相同的探测光激光器(3)，其中λ_i为多个所述探测光激光器(3)中任意一个的中心波长，多个所述探测光激光器(3)输出多个连续探测光并经过多根第二光纤(7)传输给第一合波器(5)；其中，Δv为频移量且Δv的取值范围为280cm^-1～490cm^-1；

步骤四、通过合波器将第一光纤(6)传输的所述泵浦信号光和多根第二光纤(7)分别传输的多个连续探测光耦合输入到第三光纤(8)中；

步骤五、第三光纤(8)根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{1i}=P_i(t-z/u)\·e^{-\mathrm{\αz}}\·e^{-G_{1i},i=2...N}\\ G_{1i}=-\frac{k}{{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{MA}}({\tilde{v}}_1-{\tilde{v}}_i)\·P_1(t-z/u)\·\frac{\stackrel{\_}{v}}{v_1}\·L,i=2...N\\ L=\frac{1-e^{-\mathrm{\αz}}}{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

并通过受激拉曼散射放大过程进行波长转换，将泵浦信号光上所携带的信息转换到多个连续探测光上并传输给第一分波器(9)；其中，P_1i为连续探测光在第三光纤(8)中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第三光纤(8)中的衰减系数，z为光在第三光纤(8)中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第三光纤(8)中的群速度，G_1i为第一信道与第i信道之间的增益，P_i(t-z/u)为探测光在第三光纤(8)传输了距离z后的光功率，e为自然对数，λ₁为泵浦信号光的中心波长，M为保偏系数且M的取值范围为1≤M≤2，A为第三光纤(8)的有效作用面积，k为常数且取k＝1.80×10^-16m·cm/w，v₁为泵浦信号光的光波频率且c为光速且c＝3×10⁸m/s，为第一信道的波数且 为第i信道的波数且 为第一信道的泵浦信号光的波长与第i信道的连续探测光的波长之间的频移且的取值范围为280cm^-1～490cm^-1，为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第三光纤(8)传输了距离z后的光功率，L为第三光纤(8)的有效作用长度，N为信道数量且为整数；

步骤六、所述第一分波器(9)对携带有泵浦信号光上信息且混合在一起的多个连续探测光进行分离，输出波长转换后的多个探测光，多个所述探测光的光功率各不相同；

步骤七、选择中心波长为λ_P的连续泵浦激光器(4)，连续泵浦激光器(4)输出连续泵浦光并经过第五光纤(12)传输给第二合波器(11)；

步骤八、通过第二合波器(11)将第五光纤(12)传输的所述连续泵浦光和多根所述第四光纤(10)分别传输的多个探测光耦合输入到第六光纤(13)中；

步骤九、第六光纤(13)根据公式

$k_{1}L=K_2{e}^{-{\mathrm{\α}}_1{L}_1}{L}^{\′}=0$

并通过受激拉曼散射放大过程进行增益补偿，使得多个所述探测光的光功率相等并传输给分波器；其中，k₁为第三光纤(8)内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为1.80×10^-16m·cm/w，k₂为第六光纤(13)内信号光频移范围内的拉曼增益系数拟合直线斜率且取值为-2.66×10^-16m·cm/w，e为自然对数，α₁为第三光纤(8)的线性衰减系数，L₁为第三光纤(8)的物理长度；L为第三光纤(8)的有效作用长度，L′为第六光纤(13)的有效作用长度；

步骤十、所述分波器对混合在一起的多个光功率相等的探测光进行分离，输出波长转换后的多个光功率相等的探测光。