CN103368048A

CN103368048A - 高增益高信噪比保偏光纤放大系统

Info

Publication number: CN103368048A
Application number: CN2013103121516A
Authority: CN
Inventors: 王世伟; 颜硕; 徐剑秋
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其构成包括：信号源、第一光隔离器、光纤环形器、第一光纤合束器、第一段掺镱光纤、光纤光栅、第一泵浦光源、第二光纤隔离器、第二光纤合束器、第二段掺镱光纤、泵浦光剥离器和第二泵浦光源。本发明利用高反的光纤光栅和光纤环形器实现小信号光的双程放大，小信号经放大之后，再由第二级放大获取高强度高信噪比的光脉冲信号，避免窄带光纤激光器放大过程中的带宽展宽，实现光纤内信号光的高增益高信噪比输出。

Description

高增益高信噪比保偏光纤放大系统

技术领域

本发明涉及光纤通讯与光纤激光器技术领域，具体是一种利用环形器与光纤光栅实现双程放大的高增益高信噪比保偏光纤放大系统。

背景技术

目前，常用的光纤放大器有两种：第一种是连续光放大器，第二种是脉冲光放大器。连续光光纤放大器技术比较成熟，目前市场上成熟的产品相对比较多。而脉冲光光纤放大器，一般放大增益比较小，而且信噪比较低。尤其是保偏光纤放大器，受到自增益效应与非线性效应的影响，很难同时实现高增益与高信噪比。当信号光的信号较弱时，高增益的光纤激光器放大一般会引入比较大的噪声，使输出光信号指标难以符合实际需求。

经过对现有技术的检索发现，在美国杂志应用光学（英文版）2006年9月10日第45卷26期上有一篇名为“High-gain,polarization-preserving,Yb-doped fiber amplifier forlow-duty-cycle pulse amplification”（应用于低占空比脉冲放大的高增益保偏掺镱光纤放大器）的论文，它里面介绍了一种经过双程放大实现脉冲光高增益高信噪比放大的系统。但其放大能力有限，放大倍数偏低。而且该系统中使用了法拉第旋转镜和偏振光束分离器去分开输入光与输出光，虽然保证了信号光的线偏振状态，但同时也使得系统无法成为一个全光纤系统。此外，系统中使用了波分复用器来实现系统中泵浦光与信号光的分离，但是波分复用器一般阈值功率比较低，两路光的信噪比也比较低。另外，由于掺杂光纤使用了较短的单包层掺镱光纤，大大限制了系统的放大倍数。最后系统中使用了偏振分束器实现了系统的双程放大后输出，损耗较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种高增益高信噪比保偏光纤放大系统，不仅实现高增益放大，而且抑制小信号在放大过程中的自增益以及非线性效应。

本发明的技术解决方案如下：

一种高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其构成包括：信号源、第一光隔离器、光纤环形器、第一光纤合束器、第一段掺镱光纤、光纤光栅、第一泵浦光源、第二光纤隔离器、第二光纤合束器、第二段掺镱光纤、泵浦光剥离器和第二泵浦光源，上述各元部件的连接关系如下：

所述的信号源的输出端与所述的第一光隔离器的输入端相连，该第一光隔离器的输出端与所述的光纤环形器的第一端口连接，该光纤环形器的第二端口与所述的第一光纤合束器的信号端口连接，所述的第一泵浦光源的输出端与该第一光纤合束器的泵浦端口连接，该第一光纤合束器的第三端口通过第一段掺镱光纤与所述的光纤光栅相连，该光纤光栅的反射光依次经所述的第一段掺镱光纤、第一光纤合束器的第三端口和信号端口、光纤环形器的第二端口和第三端口进入所述的第二光纤隔离器，该第二光纤隔离器的输出端与所述的第二光纤合束器的信号端口连接，所述的第二泵浦光源的输出端与该第二光纤合束器的泵浦端口连接，该第二光纤合束器的第三端口通过第二段掺镱光纤与所述的泵浦光剥离器相连。

所述的光纤隔离器的中心波长为1064nm，工作带宽为±10nm，插入损耗为0.73dB，器件阈值功率为1W，反向隔离度为31dB。

所述的光纤环形器的中心波长为1064nm，第一端口到第二端口的插入损耗为0.74dB，第二端口到第三端口的插入损耗为0.77dB。反向传输时的损耗为25dB,交叉损耗为51dB,器件阈值功率为3W。

所述的光纤合束器的阈值功率为10W，信号光的损耗率为0.23dB。光纤合束器泵浦光的输入光纤纤芯与包层厚度分别为105/125微米，信号光输入与输出光纤为PM1060。

所述的掺镱光纤为双包层掺镱光纤，纤芯的直径为6微米，内外包层直径分别为105/125微米，光纤泵浦的吸收效率为0.6±0.2dB/m，第一段掺镱光纤的长度为7.5m，第二段掺镱光纤的长度为8m。

所述的光纤光栅的半高带宽为0.02nm，光纤光栅反射率大于99%，光纤光栅的中心波长为1064.00nm，光纤光栅的光纤类型为PM980。

所述的泵浦光剥离器输出光纤的类型为PM1060，泵浦光剥离效率高于20dB,信号光损耗为0.2dB，操作波长为800-2000nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）使用了窄带光纤光栅实现输出光的窄线宽。

（2）双包层的掺杂光纤使整个放大系统的放大能力得到了很大的提高。

（3）利用光纤环形器提高了输出信号光的信噪比。

（4）利用高功率的泵浦光剥离器来滤除系统中的泵浦光。

（5）在光纤环形器的输出端设计了一个新的放大系统，放大系统通过隔离器与上级放大系统分开，大大有效的增加了整个系统的放大能力，同时也成功的抑制了两个放大系统的ASE。

（6）避免窄带光纤激光器放大过程中的带宽展宽，实现光纤内信号光的高增益高信噪比输出。

（7）实现了放大系统的全光纤结构，提高了系统的工作稳定性。

附图说明

图1是本发明高增益高信噪比保偏光纤放大系统的结构示意图。

图2是本发明高增益高信噪比保偏光纤放大系统的实施例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请先参阅图1，图1是本发明高增益高信噪比保偏光纤放大系统的结构示意图，如图所示，一种高增益高信噪比保偏光纤放大系统由第一光路和第二光路组成，第一光路包括第一光纤隔离器2、光纤环形器3、第一光纤合束器4、第一段掺镱光纤5、光纤光栅6、第一泵浦光源7。经光纤环形器输出之后的第二光路包括：第二光纤隔离器8、第二光纤合束器9、第二端掺镱光纤10、泵浦光剥离器11、第二泵浦光源12。其中，第一光路的输入端接收窄线宽单纵模脉冲周期信号，第二光路的输出端输出瓦级高能窄线宽脉冲周期信号。

信号源1的输出端与所述的第一光隔离器2的输入端相连，该第一光隔离器2的输出端与所述的光纤环形器3的第一端口31连接，该光纤环形器3的第二端口32与所述的第一光纤合束器4的信号端口41连接，所述的第一泵浦光源7的输出端与该第一光纤合束器4的泵浦端口42连接，该第一光纤合束器4的第三端口43通过第一段掺镱光纤5与所述的光纤光栅6相连，该光纤光栅6的反射光依次经所述的第一段掺镱光纤5、第一光纤合束器4的第三端口43和信号端口、光纤环形器3的第二端口14和第三端口15进入所述的第二光纤隔离器8，该第二光纤隔离器8的输出端与所述的第二光纤合束器9的信号端口91连接，所述的第二泵浦光源12的输出端与该第二光纤合束器9的泵浦端口92连接，该第二光纤合束器9的第三端口93通过第二段掺镱光纤10与所述的泵浦光剥离器11相连。

图2是本发明高增益高信噪比保偏光纤放大系统的实施例，如图所示，将窄线宽单纵模激光器接入到本发明第一光路之输入端；将SMA9051连接头13接入第二光路之输出端。其中窄线宽单纵模激光器的输出脉冲光谱宽度小于1MHz，平均功率为80μW左右，脉冲重复率为10KHz,单脉冲宽度为100ns；当脉冲输入到第一光纤隔离器2后，光信号强度损耗将近0.73dB，第一光纤隔离器2可以避免第一级放大系统产生自激震荡，也可以避免光源被返回去的光打坏，保护光源。此后光进入光纤环形器3的第一端口31，光信号强度损耗将近0.77dB，从光纤环形器3的第二端口输出的信号光经光纤输入到第一光纤合束器4的信号端41，该第一光纤合束器4的泵浦端42与第一泵浦光源相连，受限于后边光纤光栅的阈值功率，这里泵浦光源允许的最高输出泵浦功率为1.2W。信号光与泵浦光一起被输入到第一段掺镱光纤内，信号光将被放大；放大后的信号光、泵浦光以及自激产生的光（一般情况下不会产生）被传输到光纤光栅6内，超过99%的信号光被反射回来，而泵浦光和自激光将会被传输出去。光纤光栅的输出端面被切成8°角，防止系统产生自激震荡。

被光纤光栅6反射回来的信号光再次经过第一段掺镱光纤后，被再次放大。放大后的信号光依次经第一光纤合束器4的第三端口41和信号端口41、光纤环形器3的第二端口32和第三端口33后输出到第二光路，作为种子光进入第二光纤隔离器8。该种子光的平均功率将近20mW左右。第二光纤隔离器8同样会产生0.73dB左右的损耗，但可以避免第二级放大系统产生自激震荡，以及避免自增益光损坏环形器；第二光纤合束器9同样会将信号光与第二泵浦光源12光输入到第二段掺镱光纤10中，此时泵浦光的功率可以达到3W左右，从而将输入的信号光强度放大到1W以上，第二段掺镱光纤的长度为8m。最后放大后的激光经过泵浦光剥离器将本发明系统未吸收完的泵浦光损耗掉，通过SMA905连接头输出经过高增益放大的高信噪比强脉冲激光。

试验表明，本发明利用双程放大结构成功的实现了小脉冲信号的高增益高信噪比放大；利用高反的光纤光栅顺利实现了信号光的双程放大，将小信号放大为强度达10mW左右的信号光；利用第二级放大系统，将被双程放大后的信号光强度放大为平均功率高于1W的脉冲光序列。

Claims

1.一种高增益高信噪比保偏光纤放大系统，特征在于其构成包括：信号源（1）、第一光隔离器（2）、光纤环形器（3）、第一光纤合束器（4）、第一段掺镱光纤（5）、光纤光栅（6）、第一泵浦光源（7）、第二光纤隔离器（8）、第二光纤合束器（9）、第二段掺镱光纤（10）、泵浦光剥离器（11）和第二泵浦光源（12），上述各元部件的连接关系如下：

所述的信号源（1）的输出端与所述的第一光隔离器（2）的输入端相连，该第一光隔离器（2）的输出端与所述的光纤环形器（3）的第一端口（31）连接，该光纤环形器（3）的第二端口（32）与所述的第一光纤合束器（4）的信号端口（41）连接，所述的第一泵浦光源（7）的输出端与该第一光纤合束器（4）的泵浦端口（42）连接，该第一光纤合束器（4）的第三端口（43）通过第一段掺镱光纤（5）与所述的光纤光栅（6）相连，该光纤光栅（6）的反射光依次经所述的第一段掺镱光纤（5）、第一光纤合束器（4）的第三端口（43）和信号端口、光纤环形器（3）的第二端口（14）和第三端口（15）进入所述的第二光纤隔离器（8），该第二光纤隔离器（8）的输出端与所述的第二光纤合束器（9）的信号端口（91）连接，所述的第二泵浦光源（12）的输出端与该第二光纤合束器（9）的泵浦端口（92）连接，该第二光纤合束器（9）的第三端口（93）通过第二段掺镱光纤（10）与所述的泵浦光剥离器（11）相连。

2.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的信号源（1）为窄线宽单纵模激光器。

3.根据权利要求2所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的窄线宽单纵模激光器的输出脉冲光谱宽度小于1MHz，平均功率为80μW左右，脉冲重复率为10KHz,单脉冲宽度为100ns。

4.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的第一光隔离器（2）的中心波长为1064nm，工作带宽为±10nm，插入损耗为0.73dB，器件阈值功率为1W，反向隔离度为31dB。

5.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的光纤环形器（3）的中心波长为1064nm，第一端口（31）到第二端口（32）的插入损耗为0.74dB,第二端口（32）到第三端口（33）的插入损耗为0.77dB，反向传输时的损耗为25dB,交叉损耗为51dB,器件阈值功率为3W。

6.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的第一光纤合束器（4）的阈值功率为10W，信号光的损耗率为0.23dB。

7.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的第一泵浦光源（7）的输出端与所述的第一光纤合束器（4）的泵浦端口通过光纤连接，该光纤纤芯与包层直径分别为105/125微米，数值孔径为0.22。

8.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的第一段掺镱光纤和第二段掺镱光纤均为双包层掺镱光纤，其纤芯的直径为6微米，内外包层直径分别为105/125微米，光纤泵浦的吸收效率为0.6±0.2dB/m，第一段掺镱光纤的长度为7.5m，第二段掺镱光纤的长度为8m。

9.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的光纤光栅的半高带宽小于0.02nm，其反射率大于99%，中心波长为1064.00nm，光纤类型为PM980。

10.根据权利要求1所述的高增益高信噪比保偏光纤放大系统，其特征在于，所述的泵浦光源的阈值功率为10W，中心波长为976±3nm。