CN105259727A - 一种多模场参量放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模场参量放大方法，属于通信技术领域。在多模光纤中，n个模式分别由相应的泵浦光源和信号光源产生泵浦光和信号光，泵浦光和信号光通过耦合器耦合进入高非线性光纤，各个模式经过模式分离器分离开来；最终通过光带通滤波器将信号光提取出来，送入接收机。本发明将参量放大运用到多模光纤中，能够节约光纤系统的成本；通过考虑多模光纤模式之间的耦合作用，提供一种更加精确地研究多模光纤参量放大的方法。

Description

一种多模场参量放大方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及多模模场构造下的光纤参量放大增益谱，具体是指一种多模场光纤参量放大方法。

背景技术

近年来，随着计算机网络和各类新型数据传输业务的迅猛发展，人们对通信容量和带宽的需求进一步提高。光纤参量放大器(FOPA)日益受到关注，尤其是在高速高容量的新一代传输网络中具有广阔的应用前景。FOPA之所以越来越受到关注，是因为它跟掺铒光纤放大器(EDFA)与光纤拉曼放大器(FRA)这两种已经商用的放大器相比，具有以下优势：

增益带宽极宽(300nm以上，远远超过C波段，L波段，S波段范围)，理论上可实现全光波长的光放大；信号增益非常高(超过50dB)，如果在小信号近似的情况下，那么增益与光纤的有效长度、泵浦光功率以及光纤的非线性系数的乘积是成指数关系的；能打破3dB的量子噪声极限；能够抑制高速光传输码型的相位噪声和幅度噪声，实现信号再生，改善整个系统的传输性能；能够产生闲频光，进而用于波长转换；对于相位特别敏感，能够通过相敏光放大器(PSA)完成0dB的自发辐射噪声放大；具有透明于信号光的调制格式与比特率。

因此，光纤参量放大器凭借它自身的优越性，在未来的全光通信领域中具有非常广阔的应用空间，在它的影响下，光通信领域快速向前发展。

基于成本的优势，多模光纤布线系统明显优于单模光纤布线系统。因而，在传输速率增长需求和较低成本解决方案的共同推动下，基于以太网的数据网络中，多模光纤的应用将会愈发普遍。随着基于多模光纤的光器件成本的逐步降低和客户对高带宽的需求，多模光纤将长期被使用且其用量会逐渐增加，全球各地区多模光纤的用量也将与日俱增。而随着多模光纤的应用也越来越广泛，多模光纤中的参量放大也将向前发展。

发明内容

本发明提供一种多模场光纤参量放大方法，可以更加精确地研究光纤中的参量放大。所述的多模场光纤参量放大方法，是一种在多模光纤中多个模式进行耦合的参量放大方法，基于多模光纤，通过考虑多个模式之间的耦合作用，主要利用多个模式之间的能量传递和影响，最终得到多模光纤中的参量放大增益。

所述的多模场光纤参量放大方法，具体包括如下步骤：

第一步，在多模光纤中有n个模式1，2，3，…n，n个模式分别由相应的泵浦光源和信号光源产生泵浦光和信号光。

第二步，泵浦光和信号光通过耦合器耦合进入高非线性光纤，在高非线性光纤中，不同光场在介质中相互作用，在不同于入射波长处产生新频率的光波，由于四波混频效应激发出的新频率的光波中有一部分与输入的信号光频率一样，这些新频率的光波累加在注入的信号光上，完成了光纤中入射信号光的参量放大。而在泵浦光另一侧也产生了很强的一束光，叫做闲频光。一般情况下，信号光、泵浦光和闲频光之外的其它频率的光波都不是很强，通常能够略去。由于模式之间有能量传递，所以模式之间是相互影响的。模式耦合的具体关系为：对于n个模式的情况，对于第m个模式有：

$\frac{{\mathrm{dA}}_m\left(z\right)}{dz}={\mathrm{i\β}}_m{A}_m\left(z\right)+\underset{k\≠m}{\overset{n}{\Σ}}{K}_{mk}{A}_k\left(z\right)$

其中，A_m(z)为第m个模式在z处的复振幅，A_k(z)为第k个模式在z处的复振幅，β_m为第m个模式的传输常数，K_mk为第k个模式对第m个模式的耦合系数，m＝1，2，…n，k＝1，2，…n。z为光纤模式的传输距离，z＝0就是光纤模式的起始点。

第三步，各个模式经过模式分离器分离开来。泵浦光源发出的泵浦光、信号光源发出的信号光以及产生的闲频光需要满足相位匹配条件：

Δk＝k_s+k_i-2k_p＝(n_sω_s+n_iω_i-2n_pω_p)/c＝0，

其中，k_s、k_i、k_p分别为信号光、闲频光、泵浦光的波矢，n_s、n_i、n_p分别为信号光、闲频光、泵浦光在高非线性光纤中的折射率，ω_s、ω_i、ω_p分别为信号光、闲频光、泵浦光在高非线性光纤中的频率，c为光速。

即需要严格控制频率、折射率等条件使Δk达到零，这时候是严格的相位匹配。

第四步，最终通过光带通滤波器将信号光提取出来，送入接收机。

本发明的优点在于：

1.将参量放大运用到多模光纤中，能够节约光纤系统的成本。

2.通过考虑多模光纤模式之间的耦合作用，提供一种更加精确地研究多模光纤参量放大的方法。

附图说明

图1为两个模式耦合的参量放大传输系统示意图；

图2为参量放大模场构造流程图；

图3为多个(6个)模式耦合的参量放大传输系统图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面的例子会对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个带有参量放大器的多模光纤传输系统中，考虑2个模式的耦合。整个传输系统如图1所示。所述系统包括两个模式下的泵浦光源和信号光源、三个耦合器、高非线性光纤(HNLF)和光带通滤波器。泵浦光源发出泵浦光，信号光源发出信号光。模式1中的泵浦光和信号光经过第一耦合器耦合，模式2中的泵浦光和信号光经过第二耦合器耦合，两路耦合后的光经过第三耦合器耦合，通过高非线性光纤HNLF进行参量放大，然后经过光带通滤波器，得到被放大的信号光。各阶段对应的泵浦光和信号光的直观信号强度表示如图1所示。

下面是多模光纤参量放大器FOPA传输系统中模式耦合放大的具体过程，结合图2，具体步骤为：

步骤一、多模式下泵浦光和信号光产生。

多个模式下的泵浦光源(简称泵浦源)和信号光源(简称信号源)分别产生特定频率和功率的泵浦光和信号光。如图3所示，模式1由泵浦源301产生泵浦光，信号源201产生信号光；模式2由泵浦源302产生泵浦光，信号源202产生信号光；……，模式6由泵浦源306产生泵浦光，信号源206产生信号光。

步骤二、多模式下泵浦光和信号光耦合。

每个模式下的泵浦光和信号光分别由耦合器耦合到一起。耦合器101将模式1的泵浦光和信号光耦合到一起，耦合器102将模式2的泵浦光和信号光耦合到一起，……，耦合器106将模式6的泵浦光和信号光耦合到一起。

步骤三、多个模式的光耦合。

耦合器4将多个模式的光耦合到一起。

步骤四、高非线性光纤中的参量放大。

经过耦合器4耦合后的泵浦光和信号光进入高非线性光纤HNLF，在高非线性光纤中，这些光场在介质中相互作用，在不同于入射波长处由于四波混频效应激发产生新频率的光波，新频率的光波中有一部分与输入的信号光频率一样，这部分新频率的光波累加在注入的信号光上，完成了光纤中入射信号光的参量放大。而在泵浦光另一侧也产生了很强的一束光，叫做闲频光。一般情况下，信号光、泵浦光和闲频光之外的其它频率的光波都不是很强，通常能够略去。由于模式之间有能量传递，所以模式之间是相互影响的。根据模式耦合理论，任意两个模式1和模式2的耦合关系为：

$A_1\left(z\right)=A_1\left(0\right)e^{{\mathrm{i\β}}_{1}z}+A_2\left(0\right)e^{{\mathrm{i\β}}_{1}z}{\∫}_0^z{k}_{12}{e}^{i({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)z}dz$

$A_2\left(z\right)=A_2\left(0\right)e^{{\mathrm{i\β}}_{2}z}+A_1\left(0\right)e^{{\mathrm{i\β}}_{2}z}{\∫}_0^z{k}_{21}{e}^{i\left({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2\right)z}dz$

其中，A₁(z)和A₂(z)分别为第1个模式和第2模式在高非线性光纤上传输位置z处的复振幅，A₁(0)和A₂(0)分别为第1个模式和第2模式在进入高非线性光纤时起始位置的复振幅，β₁和β₂分别为模式1和模式2的传输常数，κ₁₂为模式2对模式1的耦合系数，κ₂₁为模式1对模式2的耦合系数。z为光纤模式的传输距离，z＝0就是光纤模式的起始点。

步骤五、模式分离器将各个模式分离。

泵浦光源发出的泵浦光、信号光源发出的信号光以及产生的闲频光需要满足相位匹配条件：

Δk＝k_s+k_i-2k_p＝(n_sω_s+n_iω_i-2n_pω_p)/c＝0，即需要严格控制频率、折射率等条件使Δk达到零。Δk为波矢失配，k_s、k_i、k_p分别为信号光、闲频光、泵浦光的波矢，n_s、n_i、n_p分别为信号光、闲频光、泵浦光在高非线性光纤中的折射率，ω_s、ω_i、ω_p分别为信号光、闲频光、泵浦光在高非线性光纤中的频率，c为光速。

步骤六、光带通滤波器提取信号光。

光带通滤波器将各个模式中的信号光提取出来。模式1经过光带通滤波器801提取出信号光501，模式2经过光带通滤波器802提取出信号光502，……，模式6经过光带通滤波器806提取出信号光506。

步骤七、信号光送入接收机。

最终经光带通滤波器提取出的信号光501、502、……、506都被送入接收机。

Claims (1)

1.一种多模场参量放大方法，其特征在于：具体包括如下步骤，

第一步，在多模光纤中有n个模式1，2，3，...n，n个模式分别由相应的泵浦光源和信号光源产生泵浦光和信号光；

第二步，泵浦光和信号光通过耦合器耦合进入高非线性光纤，在高非线性光纤中，不同光场在介质中相互作用，在不同于入射波长处由于四波混频效应激发产生新频率的光波，新频率的光波中有一部分与输入的信号光频率一样，这些新频率的光波累加在注入的信号光上，完成了光纤中入射信号光的参量放大；而在泵浦光另一侧产生闲频光，对于n个模式的情况任意两个模式之间的耦合关系为：对于第m个模式有：

$\frac{{\mathrm{dA}}_m\left(z\right)}{dz}={\mathrm{i\β}}_m{A}_m\left(z\right)+\underset{k\≠m}{\overset{n}{\Σ}}{K}_{mk}{A}_k\left(z\right)$

其中，A_m(z)为第m个模式在高非线性光纤中传输到距离z处的复振幅，A_k(z)为第k个模式在高非线性光纤中传输到距离z处的复振幅，β_m为第m个模式的传输常数，K_mk为第k个模式对第m个模式的耦合系数，m＝1，2，...n，k＝1，2，...n；

第三步，各个模式经过模式分离器分离开来；泵浦光源发出的泵浦光、信号光源发出的信号光以及产生的闲频光需要满足相位匹配条件：

Δk＝k_s+k_i-2k_p＝(n_sω_s+n_iω_i-2n_pω_p)/c＝0，

其中，k_s、k_i、k_p分别为信号光、闲频光、泵浦光的波矢，n_s、n_i、n_p分别为信号光、闲频光、泵浦光在高非线性光纤中的折射率，ω_s、ω_i、ω_p分别为信号光、闲频光、泵浦光在高非线性光纤中的频率，c为光速；

第四步，最终通过光带通滤波器将信号光提取出来，送入接收机。