CN107248689B - 一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，包括光输入端、第一光隔离器、第一波分复用器、耦合器、纤芯泵浦单模光纤、第二光隔离器、第二波分复用器、铒镱双包层光纤、940nm泵浦源、合束器、第三波分复用器和光输出端。信号光从光输入端输入，经过第一光隔离器进入到第一波分复用器，配合后端产生的1064nm光一起进入到纤芯泵浦单模光纤中，进行信号光的预放大；经过预放大的信号光再经过第二光隔离器进入到第二波分复用器，配合后端产生的1064nm光一起进入到铒镱双包层光纤中纤芯传输，信号光得到进一步放大，经过第三波分复用器从光输出端输出。本发明的光纤放大器可以减少泵浦种类、提高泵浦利用率、实现更紧凑的结构和更低的功耗。

Description

一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器

技术领域

本发明涉及光纤放大器技术领域，尤其涉及一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器。

背景技术

光纤放大器一般由信号源、泵浦源、增益介质光纤、光隔离器及耦合系统组成，双包层光纤放大器的增益介质为双包层光纤，由掺杂纤芯、内包层、外包层和保护层组成，与常规光纤相比多了一个可以传输泵浦光的内包层，泵浦光从一端通过耦合系统进入双包层光纤，信号光在另一端耦合进入纤芯，最终获得放大激光输出。双包层光纤放大器采用的是行波放大的原理，纤芯中的掺稀土离子在泵浦光作用下，处于粒子数反转状态，当信号光通过纤芯时，由于信号光频率与双包层光纤的增益谱线相重合，故激发态上的粒子在信号光的作用下产生受激辐射，这种辐射叠加到信号光上而得到放大。

目前常规的大功率窄线宽双包层光纤放大器由于对于输出信噪比的要求较高，一般情况下包括预放级和功放级，如图1所示，预放级以掺铒光纤103作为有源光纤，使用980nm单模泵浦激光器108进行泵浦，泵浦方式为纤芯泵浦，信号光经过第一光隔离器101到达波分复用器102，980nm单模泵浦激光器108输出的泵浦光直接进入波分复用器102，波分复用器102将信号光与泵浦光耦合输出到掺铒光纤103的纤芯中，对信号光进行预放大；在预放级之后的功放级以铒镱双包层光纤106作为有源光纤，使用980nm多模泵浦激光器109进行泵浦，泵浦方式为包层泵浦，预放大的信号光经过第二光隔离器104达到泵浦耦合器105，980nm多模泵浦激光器109输出的泵浦光直接进入泵浦耦合器105，泵浦耦合器105将信号光耦合到输出端的铒镱双包层光纤106的纤芯中传输，将泵浦光耦合到输出端的铒镱双包层光纤106的包层中传输，信号光得到进一步放大，从输出端107输出。这样的大功率窄线宽双包层光纤放大器使用的泵浦激光器种类多，结构不够紧凑，驱动及控制复杂，且泵浦利用率较低，使得功耗较高。因此，有必要发展一种结构更紧凑、泵浦种类更少、泵浦利用率更高、功耗更低的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，可以减少泵浦种类、提高泵浦利用率、实现更紧凑的结构和更低的功耗。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，包括光输入端、第一光隔离器、第一波分复用器、耦合器、纤芯泵浦单模光纤、第二光隔离器、第二波分复用器、铒镱双包层光纤、940nm泵浦源、合束器、第三波分复用器和光输出端；光输入端经过第一光隔离器与第一波分复用器的信号输入端连接；第一波分复用器的泵浦输入端与耦合器的第一输出端连接；第一波分复用器的输出端依次经过纤芯泵浦单模光纤、第二光隔离器与第二波分复用器的信号输入端连接；第二波分复用器的泵浦输入端与耦合器的第二输出端连接；第二波分复用器的输出端经过铒镱双包层光纤与合束器的信号输入端连接；合束器的泵浦输入端与940nm泵浦源连接；合束器的输出端与第三波分复用器的输入端连接；第三波分复用器的泵浦输出端与耦合器的输入端连接；第三波分复用器的信号输出端与光输出端连接。

本发明的信号光从光输入端输入，经过第一光隔离器进入到第一波分复用器，后端产生的1064nm自发辐射光经过耦合器进入到第一波分复用器，第一波分复用器将信号光和1064nm的光输入到纤芯泵浦单模光纤中，进行信号光的预放大；经过预放大的信号光再经过第二光隔离器进入到第二波分复用器，后端产生的1064nm自发辐射光经过耦合器进入到第二波分复用器，第二波分复用器将信号光和1064nm的光输入到铒镱双包层光纤中纤芯传输，信号光得到进一步放大，经过第三波分复用器从光输出端输出；同时，940nm泵浦源输出940nm多模泵浦光，经过合束器把940nm多模泵浦光耦合到铒镱双包层光纤中包层传输，铒镱双包层光纤中镱离子在1064nm附近的自发辐射光经过第三波分复用器传输至耦合器，耦合器把1064nm的光传输至第一波分复用器和第二波分复用器，形成环形腔，供前面所述的1064nm光泵浦使用。

相对于现有技术，本发明采用的结构仅使用940nm多模泵浦源进行泵浦，驱动及控制更简单，且对信号源的线宽没有任何影响；利用铒镱光纤中镱离子的1064nm自发辐射，将其转变为受激辐射，提高了泵浦的利用率，且降低了1064nm自发辐射的不稳定对输出信号功率稳定度的影响，该结构可用于C-band连续信号及脉冲信号的放大。同时，本发明的预放级光纤采用纤芯泵浦单模光纤，与常规掺铒光纤不同的是该光纤使用的泵浦波长为1064nm，而不是980nm；在纤芯泵浦单模光纤的两端加入波分复用器，两个波分复用器使用特定分光比的耦合器进行连接，组成环形腔结构；利用铒镱双包层光纤中镱离子的自发辐射特性以及独特的环形腔结构，可在耦合器的输出端获得一定功率的1064nm波长的激光输出，将这部分功率通过波分复用器耦合作为泵浦，可以对信号进行放大，实现对信号的低噪声大功率放大。

进一步，所述第三波分复用器的泵浦输出端与耦合器的输入端之间连接有带通滤波器。

进一步，所述带通滤波器的工作波长为1064±2nm，最大承载光功率为5W。

进一步，所述第三波分复用器的信号输出端与光输出端之间连接有第三光隔离器。

进一步，所述第三光隔离器为工作波长为1550nm的偏振无关型光隔离器，最大承载光功率≥5W。

进一步，所述第一光隔离器和第二光隔离器均为工作波长为1550nm的偏振无关型光隔离器，最大承载光功率≥300mW。

进一步，所述第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器均为1064/1055波分复用器，最大承载光功率≥300mW。

进一步，所述耦合器的分光比为20/80或5/95，最大承载光功率≥5W。

进一步，所述合束器的最大承载光功率为5W。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为现有的双包层光纤放大器的结构示意图。

图2为实施例的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图2，图2为本实施例的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器的结构示意图。本实施例的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器包括光输入端A、第一光隔离器1、第一波分复用器2、耦合器10、纤芯泵浦单模光纤3、第二光隔离器4、第二波分复用器5、铒镱双包层光纤6、940nm泵浦源9、合束器7、第三波分复用器8、带通滤波器11、第三隔离器12和光输出端B。

光输入端A经过第一光隔离器1与第一波分复用器2的信号输入端连接。信号光从光输入端A输入，然后经过第一光隔离器1进入到第一波分复用器2的信号输入端。第一光隔离器1用于阻止反向光进入信号光源，防止信号光源被干扰或烧坏。

第一波分复用器2的泵浦输入端与耦合器10的第一输出端连接；第一波分复用器2的输出端依次经过纤芯泵浦单模光纤3、第二光隔离器4与第二波分复用器5的信号输入端连接；第二波分复用器5的泵浦输入端与耦合器10的第二输出端连接。从而，第一波分复用器2、纤芯泵浦单模光纤3、第二光隔离器4、第二波分复用器5和耦合器10之间形成一个环形腔，通过耦合器10输出的光以特定的分光比分别进入第一波分复用器2和第二波分复用器5的泵浦输入端，作为泵浦对信号光进行放大。第二光隔离器4用于阻止反向光返回，提高泵浦光的转换效率。

第二波分复用器5的输出端经过铒镱双包层光纤6与合束器7的信号输入端连接；合束器7的泵浦输入端与940nm泵浦源9连接；合束器7的输出端与第三波分复用器8的输入端连接；第三波分复用器8的泵浦输出端经过带通滤波器11与耦合器10的输入端连接。从而，第二波分复用器5、铒镱双包层光纤6、合束器7、第三波分复用器8、带通滤波器11和耦合器10之间形成另一个环形腔，从第二波分复用器5输出的信号光进入铒镱双包层光纤6中纤芯传输，940nm泵浦源9输出的940nm多模泵浦光经过合束器7耦合到铒镱双包层光纤6中包层传输，铒镱双包层光纤6中镱离子在1064nm附近的自发辐射光经过第三波分复用器8的泵浦输出端传输至带通滤波器11，带通滤波器11将1064nm以外的光滤掉，将1064nm的光输出至耦合器10的输入端，耦合器10再将1064nm的光传输至第一波分复用器2和第二波分复用器5的泵浦输入端，供前面所述的泵浦放大使用。

第三波分复用器8的信号输出端经过第三光隔离器12与光输出端B连接。经过放大后的信号光从第三波分复用器8的信号输出端输出，经过第三光隔离器12，最终从光输出端B输出。第三光隔离器12用以使信号光单向传输。

本实施例中，光输入端A为跳线，信号光从跳线进入，跳线波长为1550nm，光纤为coring SMF-28e的FC/APC接口。第一光隔离器1和第二光隔离器4的工作波长为1550nm，最大承受功率为300mW。第一波分复用器2、第二波分复用器5和第三波分复用器8均为1064/1055波分复用器，最大承载光功率为300mW。纤芯泵浦单模光纤3的长度为5m，优选fibercore df1500y。铒镱双包层光纤6的长度为5m，优选fiber core cp1500y。合束器8的最大承载光功率为5W。带通滤波器11的工作波长为1064±2nm，最大承载光功率为5W。耦合器10优选为5/95耦合器。第三光隔离器12的工作波长为1550nm，最大承受功率为5W。

本实施例的具体连接方式及工作原理如下：

波长为1550nm、功率为1mW的信号光从跳线A进入，经过第一光隔离器1，与1064/1550波分复用器2的1550端连接；同时，5/95耦合器10的5％端口传出的1064nm光与1064/1550波分复用器2的1064nm端口连接；从而，1064/1550波分复用器2将1050nm信号光和1064nm光一起输入到纤芯泵浦单模光纤3中，1064nm光作为泵源对1550nm信号光进行预放大，放大倍率为15dB。

预放大后的信号光通过第二光隔离器4，进入到1064/1550波分复用器5的1550端口；同时，5/95耦合器10的95％端口传出的1064nm光与1064/1550波分复用器5的1064nm端口连接；从而，1064/1550波分复用器5将预放大后的1050nm信号光和1064nm光一起输入到铒镱双包层光纤6的纤芯，1064nm光作为泵源对1550nm信号光进行进一步放大；进一步放大后的1550信号光从1064/1550nm波分复用器8的1550nm端口输出，经过第三光隔离器12，从光输出端B输出，功率为30dbm。

同时，940nm泵浦源9产生的940nm泵浦光经过合束器8，传入到铒镱双包层光纤6包层，产生1064nm自发辐射光，这部分自发辐射光经过合束器8传入到1064/1550nm波分复用器8的1064nm端口，继而传入到带通滤波器11，带通滤波器11把1064±2nm以外的光全部滤出，剩余1064nm±2nm的光传入5/95耦合器10，供前面所述的1064nm光泵浦使用。

相对于现有技术，本发明采用的结构仅使用940nm多模泵浦源进行泵浦，驱动及控制更简单，且对信号源的线宽没有任何影响；利用铒镱光纤中镱离子的1064nm自发辐射，将其转变为受激辐射，提高了泵浦的利用率，且降低了1064nm自发辐射的不稳定对输出信号功率稳定度的影响，该结构可用于C-band连续信号及脉冲信号的放大。同时，本发明的预放级光纤采用纤芯泵浦单模光纤，与常规掺铒光纤不同的是该光纤使用的泵浦波长为1064nm，而不是980nm；在纤芯泵浦单模光纤的两端加入波分复用器，两个波分复用器使用特定分光比的耦合器进行连接，组成环形腔结构；利用铒镱双包层光纤中镱离子的自发辐射特性以及独特的环形腔结构，可在耦合器的输出端获得一定功率的1064nm波长的激光输出，将这部分功率通过波分复用器耦合作为泵浦，可以对信号进行放大，实现对信号的低噪声大功率放大。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：包括光输入端、第一光隔离器、第一波分复用器、耦合器、纤芯泵浦单模光纤、第二光隔离器、第二波分复用器、铒镱双包层光纤、940nm泵浦源、合束器、第三波分复用器、带通滤波器、第三光隔离器和光输出端；光输入端经过第一光隔离器与第一波分复用器的信号输入端连接；第一波分复用器的泵浦输入端与耦合器的第一输出端连接；第一波分复用器的输出端依次经过纤芯泵浦单模光纤、第二光隔离器与第二波分复用器的信号输入端连接；第二波分复用器的泵浦输入端与耦合器的第二输出端连接；第二波分复用器的输出端经过铒镱双包层光纤与合束器的信号输入端连接；合束器的泵浦输入端与940nm泵浦源连接；合束器的输出端与第三波分复用器的输入端连接；第三波分复用器的泵浦输出端通过带通滤波器与耦合器的输入端连接；第三波分复用器的信号输出端通过第三光隔离器与光输出端连接。

2.根据权利要求1所述的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：所述带通滤波器的工作波长为1064±2nm，最大承载光功率为5W。

3.根据权利要求1所述的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：所述第三光隔离器为工作波长为1550nm的偏振无关型光隔离器，最大承载光功率≥5W。

4.根据权利要求1～3中的任一权利要求所述的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：所述第一光隔离器和第二光隔离器均为工作波长为1550nm的偏振无关型光隔离器，最大承载光功率大于或等于300mW。

5.根据权利要求4所述的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：所述第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器均为1064/1055波分复用器，最大承载光功率≥300mW。

6.根据权利要求4所述的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：所述耦合器的分光比为20/80或5/95，最大承载光功率≥5W。

7.根据权利要求4所述的大功率窄线宽全多模泵浦双包层光纤放大器，其特征在于：所述合束器的最大承载光功率为5W。