CN103091934B - 增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器及方法，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一段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二段第三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

增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器及方法。

背景技术

波分复用技术是高速宽带大容量光纤通信技术首选技术。在波分复用通信系统的光交叉连接节点中，当不同光纤中两个相同波长信号进入同一光纤中时，就产生了波长阻塞问题。由于系统各种因素限制，每根光纤可复用的波长数目有限，因此在光交叉节点处必然会出现这种情况。解决这一问题的有效方法就是采用波长转换技术，将其一个信号波长转换到其他波长，从而避免OXC中的波长阻塞。波长转换器件的另一个重要用途就是实现不同光网络之间的波长匹配，可以把不同厂商、不同时代生产的不同波长系列产品统一到统一波长标准上，实现网络间的通信。此外，通过波长转换器，可以增强网络重构、网络管理的灵活性、可靠性，配合波分开关可以实现波长路由等功能。

多波长转换器主要用来增加网络的传输带宽和传输距离，并大大降低网络扩容的成本。多波长转换器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。

目前实现波长转换主要有两大方法：

（1）光/电-电/光法，这种方法技术上比较成熟，工作稳定，已经在光纤通信系统中用于波长转换发展，有成熟的商业产品。但其缺点是装置结构复杂，成本随速率和元件数增加，功耗高，这使它在多波长通道系统中的应用受到限制，而且不具备传输码型和速率的透明性，当系统需要升级时，必须更换设备。

（2）全光波长转换法，就是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，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；基于电吸收调制器中交叉吸收调制效应；基于周期极化铌酸锂波导中的级联和频、差频效应；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；基于硅纳米纤中交叉相位调制效应、四波混频效应；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；基于硫化物波导中交叉相位调制效应、四波混频效应，基于碳纳米管复合物中四波混频效应等；但这些方法在系统结构、工作速率、器件成本、波长转换范围、偏振敏感性方面都存在着各自的优缺点。

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增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，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一段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二段第三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和所述连续泵浦激光器的中心波长λ_P，且的取值范围为400cm^-1～450cm^-1，的取值范围为490cm^-1～540cm^-1，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。

上述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，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。

上述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，其特征在于：所述第一段第三光纤和第二段第三光纤均为高非线性光纤，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内非线性系数范围为10W^-1km^-1～37W^-1km^-1，所述高非线性光纤在波长1550nｍ处的非线性系数为36.2W^-1km^-1，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散值范围为0～0.6ps/(nm·km)，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散斜率范围为-0.2～0.2。

上述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，其特征在于：所述第一段第三光纤的有效作用长度L与所述第二段第三光纤的有效作用长度L′满足计算公式：[kP_p(0)L+k′P_p′(0)L′]=0，其中，k为第一段第三光纤频移范围为400cm^-1～450cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，k'为第二段第三光纤频移范围为490cm^-1～540cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为-8.2×10^-3km^-1w^-1/cm^-1，e为自然对数，P_p(0)为所述泵浦信号光在第一段第三光纤中的峰值功率，P_p′(0)为所述连续泵浦光在第二段第三光纤中的峰值功率。

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拉曼光纤波长转换方法，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400cm^-1～450cm^-1；

步骤四、通过第一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一段第三光纤中；

步骤五、第一段第三光纤根据公式

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

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_li为连续探测光在第一段第三光纤中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第一段第三光纤中的衰减系数，z为光在第一段第三光纤中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第一段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)为探测光在第一段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为第一段第三光纤的有效作用面积，k为常数且取k=2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，v₁为泵浦信号光的光波频率且 为第一信道的波数且 为第i信道的波数且c为光速且c=3×10⁸m/s，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400cm^-1～450cm^-1，为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第一段第三光纤传输了距离z后的光功率，L为第一段第三光纤的有效作用长度，i为信道数，N为信道总数且为整数；

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二段第三光纤中；

步骤九、第二段第三光纤根据公式

[kP_p(0)L+k′P_p′(0)L′]=0

并通过受激拉曼散射放大过程进行增益补偿，对多个所述探测光的光功率进行调节，使得多个所述探测光的光功率相等并传输给第二分波器；其中，k为第一段第三光纤频移范围为400cm^-1～450cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，k'为第二段第三光纤频移范围为490cm^-1～540cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为-8.2×10^-3km^-1w^-1/cm^-1，P_p(0)为所述泵浦信号光在第一段第三光纤中的峰值功率，P_p′(0)为所述连续泵浦光在第二段第三光纤中的峰值功率，L为第一段第三光纤的有效作用长度，L′为第二段第三光纤的有效作用长度；

步骤十、所述第二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，输出增益补偿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、本发明拉曼光纤波长转换耦合器的结构简单，设计合理，实现方便。

2、本发明拉曼光纤波长转换耦合器较普通光-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、本发明拉曼光纤波长转换耦合器的实现成本低，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、本发明波长转换方法实现简单，转换速率高，输出信号消光比好，而且可以实现跨波段转换。

6、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。

7、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为本发明拉曼波长转换耦合器的原理框图。

图2为本发明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—第一段第三光纤；     9—第一分波器；

10—第四光纤；         11—第二合波器；        12—第五光纤；

13-第二段第三光纤；    14-第二分波器。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，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一段第三光纤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二段第三光纤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和所述连续泵浦激光器4的中心波长λ_P，且的取值范围为400cm^-1～450cm^-1，的取值范围为490cm^-1～540cm^-1，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。

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，所述第一段第三光纤8和第二段第三光纤13均为高非线性光纤，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内非线性系数范围为10W^-1km^-1～37W^-1km^-1，所述高非线性光纤在波长1550nｍ处的非线性系数为36.2W^-1km^-1，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散值范围为0～0.6ps/(nm·km)，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散斜率范围为-0.2～0.2，该光纤色散近乎平坦，能够有效避免不同光对应群速不同所引起的信号之间的走离，有利于泵浦信号光和连续探测光的同步传输；该光纤的拉曼增益谱连续且宽达40THz。

本实施例中，所述第一段第三光纤8的有效作用长度L与所述第二段第三光纤13的有效作用长度L′满足计算公式：[kP_p(0)L+k′P_p′(0)L′]=0，其中，k为第一段第三光纤8频移范围为400cm^-1～450cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，k'为第二段第三光纤13频移范围为490cm^-1～540cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为-8.2×10^-3km^-1w^-1/cm^-1，e为自然对数，P_p(0)为所述泵浦信号光在第一段第三光纤8中的峰值功率，P_p′(0)为所述连续泵浦光在第二段第三光纤13中的峰值功率。

结合图2，本发明所述的波长转换方法，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400cm^-1～450cm^-1，这个取值范围处于拉曼增益谱内拉曼增益较高的区域，该频移范围内的拉曼增益系数较高；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1544.8nm～1556.9nm；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、通过第一合波器5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一段第三光纤8中；

步骤五、第一段第三光纤8根据公式

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

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为连续探测光在第一段第三光纤8中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第一段第三光纤8中的衰减系数，z为光在第一段第三光纤8中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第一段第三光纤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)为探测光在第一段第三光纤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为第一段第三光纤8的有效作用面积，k为常数且取k=2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，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400cm^-1～450cm^-1，为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第一段第三光纤8传输了距离z后的光功率，L为第一段第三光纤8的有效作用长度，i为信道数，N为信道总数且为整数；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1，所述u的取值为2.0×10⁸m/s。由于第一段第三光纤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p s；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；

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0.95×10^-5W，“0”码功率变为了0.1×10^-5W；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0.98×10^-5W，“0”码功率变为了0.1×10^-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1.02×10^-5W，“0”码功率变为了0.1×10^-5W；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1.07×10^-5W，“0”码功率变为了0.1×10^-5W；

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=1436.2nm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二段第三光纤13中；

步骤九、第二段第三光纤13根据公式

[kP_p(0)L+k′P_p′(0)L′]=0

并通过受激拉曼散射放大过程进行增益补偿，对多个所述探测光的光功率进行调节，使得多个所述探测光的光功率相等并传输给第二分波器14；其中，k为第一段第三光纤8频移范围为400cm^-1～450cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，k′为第二段第三光纤13频移范围为490cm^-1～540cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为-8.2×10^-3km^-1w^-1/cm^-1，P_p(0)为所述泵浦信号光在第一段第三光纤8中的峰值功率，P_p′(0)为所述连续泵浦光在第二段第三光纤13中的峰值功率，L为第一段第三光纤8的有效作用长度，L′为第二段第三光纤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121m；由于在与第一段第三光纤8同种类的第二段第三光纤13中加入了中心波长与泵浦信号光不同的连续泵浦光，对连续泵浦激光器4波长的改变使得频移范围得到了改变，使得第二段第三光纤13达到与第一段第三光纤8相反的拉曼增益系数走势，第一段第三光纤8的拉曼增益系数随频移的增大而增大，第二段第三光纤13的拉曼增益系数随频移的增大而减小，使得在第一段第三光纤8中运用第一部分频移范围使得进行波长转换，在第二段第三光纤13中运用第二部分频移范围使得进行放大功率的补偿作用，最终达到相等效果。

步骤十、所述第二分波器14对混合在一起的多个光功率相等的探测光进行分离，输出增益补偿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，进行增益补偿后第一连续探测光的光功率示意图如图8b所示，进行增益补偿后第一连续探测光的光功率示意图如图8c所示，进行增益补偿后第一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p s；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1.21×10^-5W，“0”码功率均为0.13×10^-5W。

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)

1.一种增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，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一段第三光纤(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)，其特征在于：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二段第三光纤(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和所述连续泵浦激光器(4)的中心波长λ_P，且的取值范围为400cm^-1～450cm^-1，的取值范围为490cm^-1～540cm^-1，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。

2.按照权利要求1所述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，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所述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，其特征在于：所述第一段第三光纤(8)和第二段第三光纤(13)均为高非线性光纤，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内非线性系数范围为10W^-1km^-1～37W^-1km^-1，所述高非线性光纤在波长1550nm处的非线性系数为36.2W^-1km^-1，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散值范围为0～0.6ps/(nm·km)，所述高非线性光纤在1370nm～1700nm的波长范围内色散斜率范围为-0.2～0.2。

4.按照权利要求1所述的增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器，其特征在于：所述第一段第三光纤(8)的有效作用长度L与所述第二段第三光纤(13)的有效作用长度L′满足计算公式：[kP_p(0)L+k′P′_p(0)L′]＝0，其中，k为第一段第三光纤(8)频移范围为400cm^-1～450cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，k'为第二段第三光纤(13)频移范围为490cm^-1～540cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为-8.2×10^-3km^-1w^-1/cm^-1，P_p(0)为所述泵浦信号光在第一段第三光纤(8)中的峰值功率，P′_p(0)为所述连续泵浦光在第二段第三光纤(13)中的峰值功率。

5.一种利用如权利要求1所述增益平坦的拉曼光纤波长转换耦合器的波长转换方法，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400cm^-1～450cm^-1；

步骤四、通过第一合波器(5)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一段第三光纤(8)中；

步骤五、第一段第三光纤(8)根据公式

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

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为连续探测光在第一段第三光纤(8)中传输时与泵浦信号光相互作用后的光功率，α为光功率在第一段第三光纤(8)中的衰减系数，z为光在第一段第三光纤(8)中传输的距离，t为传输距离z所用的时间，u为光在第一段第三光纤(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)为探测光在第一段第三光纤(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为第一段第三光纤(8)的有效作用面积，k为常数且取k＝2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，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400cm^-1～450cm^-1，为第一信道的泵浦信号光中的平均光子频率，P₁(t-z/u)为泵浦信号光在第一段第三光纤(8)传输了距离z后的光功率，L为第一段第三光纤(8)的有效作用长度，i为信道数，N为信道总数且为整数；

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二段第三光纤(13)中；

步骤九、第二段第三光纤(13)根据公式

[kP_p(0)L+k′P′_p(0)L′]＝0

并通过受激拉曼散射放大过程进行增益补偿，对多个所述探测光的光功率进行调节，使得多个所述探测光的光功率相等并传输给第二分波器(14)；其中，k为第一段第三光纤(8)频移范围为400cm^-1～450cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为2.0×10^-3km^-1·w^-1/cm^-1，k'为第二段第三光纤(13)频移范围为490cm^-1～540cm^-1内的拉曼增益效率拟合直线斜率且取值为-8.2×10^-3km^-1w^-1/cm^-1，e为自然对数，P_p(0)为所述泵浦信号光在第一段第三光纤(8)中的峰值功率，P′_p(0)为所述连续泵浦光在第二段第三光纤(13)中的峰值功率，L为第一段第三光纤(8)的有效作用长度，L′为第二段第三光纤(13)的有效作用长度；

步骤十、所述第二分波器(14)对混合在一起的多个光功率相等的探测光进行分离，输出增益补偿后的多个光功率相等的探测光。