CN104377535A - 单光栅高增益平坦l波段掺铒光纤放大器 - Google Patents

Abstract

单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，属于光通信技术领域。为了解决现有采用光纤环形镜结构的掺铒光纤放大器的增益强化幅度非均匀，增益平坦性差的问题。可调谐激光器发出L波段光经第一隔离器与第一泵浦源进入第一波分复用器，到第一铒光纤，第一铒光纤输出C波段放大自发辐射光，L波段光、C波段放大自发辐射光和第二泵浦源发出的光经第二波分复用器和光纤光栅注入第二铒光纤，实现L波段光放大；放大的L波段光及残余C波段放大辐射光到达第二隔离器；L波段信号光通过，残余C波段放大辐射光被第二隔离器端面反射回第二铒光纤，至光纤光栅后形成二次反射，再次激发第二铒光纤中的铒离子，实现L波段信号光的二次泵浦。它用于光通信与传感系统中。

Description

单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器

技术领域

本发明属于光通信技术领域。

背景技术

掺铒光纤放大器是光通信与传感系统中的关键设备，其性能决定光信号的接收质量。随着通信容量的不断增长，传统C波段已难以满足用户需求。将掺铒光纤放大器的增益谱拓展至L波段，实现超宽带光信号传送，对于光纤通讯与传感系统的实际应用具有重要价值。然而，相比与C波段，L波段位于铒光纤增益谱的末端，铒离子数目的反转度较低，且伴随较高的放大自发辐射噪声与损耗，导致L波段掺铒光纤放大器的输出增益效率降低，性价比不高，制约了其在相关领域的广泛应用。因此，增益强化是L波段掺铒光纤放大器研究的热点与焦点问题。

研究表明，改善L波段掺铒光纤放大器的输出增益的关键是提高铒离子的泵浦效率。当前主要方法是：由光纤环形镜(或光纤光栅)与环形器构成双通结构掺铒光纤放大器，通过二次(或多次)泵浦光纤内部铒离子的放大自发辐射，实现输出光谱的增益强化。此类方法的缺点在于：1、由于插入损耗、回波损耗及耦合比误差的存在，光纤环形镜的反射率无法达到最佳值(即100％)，泵浦效率的改善程度受限；2、光纤环形镜多需要高双折射率光纤、偏振控制器和光纤环形器等配合实现，上述器件价格昂贵，系统结构复杂，令方案的实用性不高；3、光纤环形镜作用下的铒光纤输出增益谱，其增益强化幅度呈现非均匀特性，增益平坦性能较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用光纤环形镜结构的掺铒光纤放大器的增益强化幅度呈现非均匀特性，增益平坦性能较差的问题，本发明提供一种单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器。

本发明的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，可调谐激光器、第一泵浦源、第二泵浦源、第一隔离器、第二隔离器、第一铒光纤、第二铒光纤、第一波分复用器、第二波分复用器、光纤光栅、光纤光谱仪和光功率计；

可调谐激光器发出的L波段信号光入射至第一隔离器，第一隔离器发出的L波段信号光和第一泵浦源发出的激光同时入射至第一波分复用器，第一波分复用器发出的光入射至第一铒光纤，第一铒光纤同时发出C波段放大自发辐射光和L波段信号；所述C波段放大自发辐射光、L波段信号和第二泵浦源发出的激光同时入射至第二波分复用器，所述第二波分复用器发出的光入射至光纤光栅，光纤光栅发出的光入射至第二铒光纤，经第二铒光纤后发出C波段放大自发辐射光和泵浦的L波段信号光，所述C波段放大自发辐射光和放大的L波段信号光同时入射至第二隔离器，所述L波段信号光透过第二隔离器后同时入射至光纤光谱仪和光功率计；所述C波段放大自发辐射光经第二隔离器反射后经第二铒光纤入射至至光纤光栅，经光纤光栅反射后再次入射至第二铒光纤，实现L波段信号光的再次泵浦。

光纤光栅与第二隔离器的后端面形成F-P腔结构。

可调谐激光器输出波长为1570nm-1610nm，其输出功率为-20dBm；

所述第一泵浦源为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为30mW；

所述第一铒光纤的长度为11米，工作区域为C波段，实现C波段放大自发辐射；

所述第二泵浦源为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为70mW；

所述光纤光栅的周期均匀，其中心波长为1529.4nm，其带宽为1nm，其反射率为99％；

所述第二铒光纤的长度为40米，工作区域为C波段，实现L波段信号光放大。

所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

本发明的有益效果在于，设计了一种基于单光纤光栅的双泵浦级联掺铒光纤放大器，它可在提高L波段输出增益的同时有效改善增益谱的平坦度，并具有结构简单，成本低廉的优点。本发明的特点在于：1、采用双泵浦级联铒光纤工作方式，利用C波段高输出增益特性提高L波段掺铒光纤放大器的泵浦转换效率；2、利用高反射率光纤光栅6反射光纤内残余的铒离子放大自发辐射，形成二次泵浦，提高L波段掺铒光纤放大器的泵浦转换效率；3、基于增益箝制效应，利用光纤光栅6与光纤隔离器构成弱谐振腔，实现L波段增益谱的非均匀衰减，压缩放大器输出增益的不平坦度。

经测试，上述二次泵浦过程使得1570nm-1610nm范围内信号光的平均增益从G_m0＝25.2dB提高至G_m1＝28.9dB；且在1600nm-1610nm波段的增益强化效果较明显，增益改善达5.4dB。依据公式光放大器的平均增益改善为9.47％。由于光纤光栅6的中心波长远离L波段，注入信号光在所形成的F-P腔内形成弱谐振。基于增益箝制效应，1570nm-1585nm处的信号光增益被不同程度地衰减了0-2.7dB，1585nm-1610nm处的信号光增益则基本无影响，这使得整个输出信号光的增益谱平坦性得到显著改善。此结构下光放大器输出增益谱的不平坦度被限制在±0.4dB以内。

附图说明

图1为本发明的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器的原理示意图。

图2为单光纤光栅级联结构信号光增益的曲线示意图。

图3为无光纤光栅级联结构信号光增益的曲线示意图。

图4为非级联放大结构信号光增益的曲线示意图。

图5为单光纤光栅级联结构、无光纤光栅级联结构和非级联放大结构的增益与增益平坦性能比较的曲线示意图。

具体实施方式

结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器包括可调谐激光器1、第一泵浦源9和第二泵浦源10、第一隔离器2和第二隔离器8、第一铒光纤4和第二铒光纤7、第一波分复用器3和第二波分复用器5、光纤光栅6、光纤光谱仪11和光功率计12；

其中，第一泵浦源9、第一波分复用器3和第一铒光纤4形成第一级光放大，第二泵浦源10、第二波分复用器5、光纤光栅6和第二铒光纤7形成第二级光放大。所选隔离器为C+L波段光隔离器，输出信号光的光谱特性和增益特性由光纤光谱仪11和光功率计12观察得到。两个隔离器的工作区域均在C+L波段，第一隔离器2的功能在于防止泵浦源、C波段放大自发辐射和L波段信号光反射进入可调谐激光器1，造成干扰；第二隔离器允许被放大的L波段信号光和部分残留C波段放大自发辐射单向通过，；剩余部分C波段放大自发辐射则被第二隔离器的后端面反射回第二铒光纤，并在光纤光栅与第二隔离器形成的F-P腔中谐振。F-P腔中心工作波长位于1530nm波段，远离L波段，因此对于1570nm-1585nm波段光谱产生弱增益箝制效应，非均匀衰减对应L波段信号光的增益，改善输出增益谱的平坦性。

由可调谐激光器1发出的L波段信号光，经第一隔离器2后与第一泵浦源9发出的光共同进入第一波分复用器3，到达第一铒光纤4，激发第一铒光纤4中的铒离子，使其产生具有高输出增益的C波段放大自发辐射光；进而，L波段信号光、C波段放大自发辐射光及第二泵浦源10发出的光经第二波分复用器5和光纤光栅6共同注入到第二铒光纤7中，激发第二铒光纤7中的铒离子，实现L波段注入信号光的受激放大。

被放大的L波段信号光及残余的C波段放大辐射光到达第二隔离器8，L波段信号光通过，残余的C波段放大辐射光则被隔离器端面反射回第二铒光纤7，到达光纤光栅6后形成二次反射，再次激发第二铒光纤7中的铒离子，实现L波段信号光的二次泵浦，提高泵浦增益效率。

本实施方式，可调谐激光器发出的L波段信号光的波长位于1570nm-1610nm范围内。

所述光纤光谱仪11工作区域的波长范围为1200nm-1700nm,用于监测信号光输出增益谱的平坦性。

光功率计12工作区域的波长范围在0.1nW-500mW,用于监测泵浦源及输出信号光的功率与增益。

本实施方式，首先确定信号光源、泵浦源的特征参量及铒光纤的最优长度，具体方式如下：

选择可调谐激光器1作为信号光源，固定其输出波长为1570nm，输出功率为-20dBm，将其与第一隔离器2连接，并与第一波分复用器3输入端连接。选择具有尾纤结构的980nm半导体激光器作为第一泵浦源9，将其与第一波分复用器3输入端连接。第一波分复用器3输出端与第一铒光纤4的一端相连接，第一铒光纤4的另一端作为输出端口与光功率计12连接。选取第一铒光纤4长度10米，并令泵浦源工作电流位于阈值以上，调节工作电流，记录对应输出信号光的数值结果，确定峰值时的泵浦源注入功率为103.7mW。进而，将第一铒光纤4的长度缩短至9米，观测到信号光输出值随之减小；将第一铒光纤4长度增加至11米，观测到信号光输出值进一步增加；继续增加第一铒光纤4长度至12米，信号光输出不再增加，确定第一铒光纤4最佳长度为11米。

选取具有尾纤结构的980nm半导体激光器作为第二泵浦源10，将第一铒光纤4输出端、第二泵浦源10分别与第二波分复用器5输入端相连接。第二泵浦源10输出端与光纤光栅6一端相连接，光纤光栅6的另一端则与第二铒光纤7的一端连接。第二铒光纤7另一端与第二隔离器8连接，第二隔离器8输出端与光功率计12相连。启动可调谐激光器1，固定其输出波长为1570nm，输出功率为-20dBm。令第一泵浦源9和第二泵浦源10的初始功率均为50mW，第二铒光纤7初始长度为30米。调节第一、第二泵浦源10的功率，记录光功率计12的数值结果。确定峰值时所对应的第一泵浦源9输出功率为30mW，第二泵浦源10输出功率为70mW。将第二铒光纤7的长度缩减至29米，观测到信号光输出值随之减小；将第二铒光纤7长度增加至31米，观测到信号光输出值随之增加。以3米为间隔，持续增加第二铒光纤7长度，至40米时信号光输出值达到峰值。确定第二铒光纤7最佳长度为40米，对应的第一泵浦源9功率为30mW，第二泵浦源10功率为70mW。

本实施方式，在上述的级联结构中插入光纤光栅6，通过测试确定光纤光栅对应的反射率与中心波长，具体方式如下：

为实现信号光在第二铒光纤7内的二次泵浦，将光纤光栅6置于第二波分复用器5和第二铒光纤7之间，与第二隔离器8的后端面形成F-P腔结构。鉴于C波段的放大自发辐射在1530nm处于峰值，将光纤光栅6的中心波长确定在1530nm波段。进而，选取反射率分别为99％、90％、80％、70％、60％的五支光纤光栅6进行实验测试。启动第一泵浦源9，令其输出功率为30mW；启动第二泵浦源10，令其输出功率为70mW；启动可调谐激光器1，固定其输出波长为1570nm，输出功率为-20dBm。记录光功率计12的数值结果，确定光纤光栅6的反射率R＝99％时信号光具有最大的输出增益。且经光纤光谱仪11实际测量，此光纤光栅6的中心波长为λ＝1529.4nm。

本实施方式的光纤光栅6为光纤布拉格光栅。

本实施方式，测试比较三种级联结构的放大器的输出增益与光谱平坦度，具体方式如下：

对本发明采用单光纤光栅级联结构的放大器进行测试，固定第一铒光纤4长度为11米，固定第二铒光纤7长度为40米，固定光纤光栅6的反射率R＝99％，中心波长λ＝1529.4nm。启动第一泵浦源9，输出功率为30mW；启动第二泵浦源10，输出功率为70mW；固定可调谐激光器1的输出功率为-20dBm，设定信号光的初始波长为1570nm，记录光纤光谱仪11上对应的单光纤光栅级联结构信号光输出增益。旋转波长调谐旋钮，每间隔4.0nm记录光纤光谱仪11上对应的单光纤光栅级联结构信号光输出增益，至信号光波长为1610nm结束。单光纤光栅级联结构信号光增益的数值结果如图2所示，最大增益29.3dB，最小增益28.5dB，1570nm-1610nm带宽内的平均增益为28.9dB。依据公式 $\mathrm{GF}=\±\frac{|G_{\max }-\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i|+|G_{\min }-\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i|}{2}---\left(2\right)$ 计算光放大器输出光谱的增益不平坦度，其中，G_max和G_min分别为最大增益和最小增益，n为信道数，i＝1,2…,n，为信道标记。

撤掉光纤光栅6，将第二波分复用器5输出端与第二铒光纤7直接相连。固定可调谐激光器1的输出功率为-20dBm，其它实验条件不变，重复上述测量步骤，对无光纤光栅级联结构的放大器进行测试，记录无光纤光栅级联结构的信号光从1570nm至1610nm的输出增益，得到如图3的结果，其中最大增益和最小增益分别为32dB和28.5dB。依据公式(2)，计算此结构下光放大器输出光谱的增益不平坦度。

撤掉第一级光放大，令第一隔离器2、第二泵浦源10与第二波分复用器5直接相连，放大器简化为非级联放大结构。固定第二泵浦源10输出功率为100mW，第二铒光纤7长度30米，固定可调谐激光器1的输出功率为-20dBm，其它实验条件不变，重复上述测量步骤，记录非级联放大结构的信号光从1570nm至1610nm的输出增益，得到如图4的结果，其中最大增益和最小增益分别为28dB和23.5dB。

结合图5，依据数值结果可知，非级联放大结构的信号光增益随波长增加呈现单调递减特性，最大增益出现在1570nm附近，最小增益位于1600nm-1610nm波段，平均增益(其中n为信道数，i＝1,2…,n，为信道标记，G_i为信道i的增益)仅为25.2dB，增益差高达4.5dB以上，增益与增益平坦性能不佳。与之相比，级联结构利用C波段放大自发辐射及隔离器/光纤光栅6所形成的二次泵浦，有效提高了L波段光纤放大器的输出增益，计算得到平均增益改善为3.7dB-5.4dB。进一步比较可知，无光纤光栅放大结构的平均增益最大，达30.5dB，但增益不平坦度为±1.32dB；单光纤光栅级联放大结构的平均增益略低，为28.9dB，但其在1570nm-1610nm波段范围内具有更佳的增益平坦特性，增益不平坦度被控制在±0.4dB。

Claims (6)

1.单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，可调谐激光器(1)、第一泵浦源(9)、第二泵浦源(10)、第一隔离器(2)、第二隔离器(8)、第一铒光纤(4)、第二铒光纤(7)、第一波分复用器(3)、第二波分复用器(5)、光纤光栅(6)、光纤光谱仪(11)和光功率计(12)；

可调谐激光器(1)发出的L波段信号光入射至第一隔离器(2)，第一隔离器(2)发出的L波段信号光和第一泵浦源(9)发出的激光同时入射至第一波分复用器(3)，第一波分复用器(3)发出的光入射至第一铒光纤(4)，第一铒光纤(4)同时发出C波段放大自发辐射光和L波段信号；

所述C波段放大自发辐射光、L波段信号和第二泵浦源(10)发出的激光同时入射至第二波分复用器(5)，所述第二波分复用器(5)发出的光入射至光纤光栅(6)，光纤光栅(6)发出的光入射至第二铒光纤(7)，经第二铒光纤(7)后发出C波段放大自发辐射光和泵浦的L波段信号光，所述C波段放大自发辐射光和放大的L波段信号光同时入射至第二隔离器(8)，所述L波段信号光通过第二隔离器(8)后同时入射至光纤光谱仪(11)和光功率计(12)；

所述C波段放大自发辐射光经第二隔离器(8)反射后经第二铒光纤(7)入射至光纤光栅(6)，经光纤光栅(6)反射后再次入射至第二铒光纤(7)，实现L波段信号光的再次泵浦。

2.根据权利要求1所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，光纤光栅(6)与第二隔离器(8)的后端面形成F-P腔结构。

3.根据权利要求2所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，

可调谐激光器(1)输出波长为1570nm-1610nm，其输出功率为-20dBm；

所述第一泵浦源(9)为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为30mW；

所述第一铒光纤(4)的长度为11米，工作区域为C波段，实现C波段放大自发辐射；

所述第二泵浦源(10)为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为70mW；

所述光纤光栅(6)的周期均匀，其中心波长为1529.4nm，其带宽为1nm，其反射率为99％；

所述第二铒光纤(7)的长度为40米，工作区域为C波段，实现L波段信号光放大。

4.根据权利要求3所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，所述光纤光栅(6)为光纤布拉格光栅。

5.根据权利要求2所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，所述光纤光谱仪(11)工作区域的波长范围为1200nm-1700nm,用于监测信号光输出增益谱的平坦性。

6.根据权利要求2所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，光功率计(12)工作区域的波长范围在0.1nW-500mW,用于监测泵浦源及输出信号光的功率与增益。