CN109714106B - 基于环状光纤的分布式光多载波发生装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置及工作方法，利用两种不同类型的光纤来激发参量过程：当参量过程调节为更有利于激发闲频光的正向参量过程时，载波数量增多；而参量过程调节为反向参量过程时，载波的功率则会得到放大。本发明通过将两种光纤接入到环状的光纤链路中，实现正向参量过程和反向参量过程的循环，当多载波的数量和功率满足需要时，通过光开关结束循环。本发明能够通过正向参量过程和反向参量过程，能有效提高多载波数目以及载噪比，在传输系统中通过使用多载波光源，可以大大减少激光器的数量；另外，使用环状光纤，通过对两种光纤的循环利用，又极大的减少的系统的成本。

Description

基于环状光纤的分布式光多载波发生装置及工作方法

技术领域

本发明涉及多载波发射技术领域，具体而言涉及一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置及工作方法。

背景技术

随着信息技术一日千里的迅速发展，人们对以视频需求为代表的宽带多媒体的需求日益增加。而光子晶体光纤的出现，为解决这一需求提供了新的可能，这是因为脉冲激光与光子晶体光纤的结合，可以实现用较低成本完成大带宽、超平坦的多载波信号的输出。而要想构建大容量高频谱效率通信系统，我们需要以超信道为基础。在超信道Tb/s传输系统中，有固定频率的多载波光源是一个非常重要的子系统，这是由于其子载波之间没有相对频漂，超信道系统不仅能够使激光器数目得到很大的减少，还可以完全移除保护间隔，使系统能达到更高的频谱效率。又因为多载波光源具有频率或者相位锁定的特点，所以多个同步的接收机之间可以进行联合的DSP平衡，如补偿频偏、相位噪声以及非线性估计等，从而获得更好的均衡效果。与传统的激光器相比，超信道系统具有更宽的光谱范围，并且具有更高的光束质量、亮度以及更好的光谱平坦度。

通常，多载波光源面临的问题是在载波数目增多时，功率会逐渐降低，当功率低于四波混频的阈值时，就不能进一步激发新的载波，所以发生的载波数量有限。所以我们需要对载波进行功率放大，但在增大载波功率后载噪比较差。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置及工作方法，利用两种不同类型的光纤来激发参量过程：当参量过程调节为更有利于激发闲频光的正向参量过程时，载波数量增多；而参量过程调节为反向参量过程时，载波的功率则会得到放大。本发明通过将两种光纤接入到环状的光纤链路中，实现正向参量过程和反向参量过程的循环，当多载波的数量和功率满足需要时，通过光开关结束循环。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，所述装置包括脉冲光源、泵浦光源、掺饵光纤放大器、光子晶体光纤、相位匹配器、耦合器、参量光纤、光开关。

所述光子晶体光纤、相位匹配器、参量光纤均具有一个输入端和一个输出端，所述掺饵光纤放大器、耦合器均具有两个输入端和一个输出端，所述光开关具有一个输入端和两个输出端。

所述掺饵光纤放大器的两个输入端分别连接所述脉冲光源和所述光开关的其中一个输出端，所述掺饵光纤放大器的输出端连接光子晶体光纤的输入端，所述光子晶体光纤的输出端与相位匹配器的输入端连接。

所述耦合器的两个输入端分别连接泵浦光源和所述相位匹配器的输出端，所述耦合器的输出端连接至参量光纤的输入端，所述参量光纤的输出端与光开关的输入端连接。

所述光开关不与掺饵光纤放大器连接的输出端作为整个发生装置的输出端。

所述脉冲光源发出的脉冲光经掺饵光纤放大器进行功率放大后进入光子晶体光纤，发生多载波正向参量过程迭代以生成多个光载波信号。

所述多个光载波信号经相位匹配器进行相位匹配后，与泵浦光源发出的泵浦光耦合，耦合后的混合光信号进入参量光纤发生反向参量效应以完成能量转移；完成能量转移后的光载波信号进入光开关，满足输出条件的直接输出，否则，进入掺饵光纤放大器重复前述过程。

进一步的实施例中，所述光子晶体光纤采用高非线性光纤。

进一步的实施例中，所述光子晶体光纤为双零色散光纤。

进一步的实施例中，所述参量光纤为负色散色散平坦光纤。

进一步的实施例中，所述耦合后的混合光信号进入参量光纤发生反向参量效应以完成能量转移是指，

通过对光载波信号和泵浦光之间相位θ的控制，控制光载波信号和泵浦光在参量光纤中发生反向参量过程时的能量转移方向。

进一步的实施例中，所述通过对光载波信号和泵浦光之间相位θ的控制，控制光载波信号和泵浦光在参量光纤中发生反向参量过程时的能量转移方向是指，

当θ＝-π/2时，能量将从光载波信号转移至泵浦光；在θ＝π/2时，能量从泵浦光转移至光载波信号。

进一步的实施例中，所述相位匹配器的工作过程遵循相位匹配条件κ，所述相位匹配条件满足下述条件：

κ＝Δk_M+Δk_W+Δk_NL＝0

其中Δk_M、Δk_W、Δk_NL分别表示由材料色散、波导色散和非线性效应对相位失配的贡献。

结合图2，基于前述装置，本发明还提及一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置的工作方法，所述工作方法包括：

启动脉冲光源，将脉冲光经掺饵光纤放大器进行功率放大后导入光子晶体光纤中，所述脉冲光在光子晶体光纤中发生多载波正向参量过程迭代以生成新的光载波信号，直至每个光载波信号的功率低于第一功率阈值。

将生成的光载波信号导入相位匹配器进行相位调整，以使光载波信号的相位与泵浦光源发出的泵浦光的相位相匹配。

将调整相位后的光载波信号与泵浦光源发出的泵浦光耦合，耦合后的混合光信号进入参量光纤发生反向参量效应，将泵浦光的能量转移至光载波信号以使光载波信号的功率放大。

将功率放大后的光载波信号导入光开关进行路径选择以判断继续进行前述参量过程循环或者直接输出。

进一步的实施例中，所述方法还包括：

当功率放大后的光载波信号的功率小于第二功率阈值时，将光载波信号发送至光开关与掺饵光纤放大器连接的输出端；否则，将光载波信号发送至光开关的另一个输出端。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)通过正向参量过程和反向参量过程，能有效提高多载波数目以及载噪比，在传输系统中通过使用多载波光源，可以大大减少激光器的数量。

2)使用环状光纤，通过对两种光纤的循环利用，又极大的减少的系统的成本。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置的结构示意图。

图2是本发明的基于环状光纤的分布式光多载波发生方法的方法流程图。

图3是本发明的光子晶体光纤中光载波信号生成示意图。

图4是本发明的光载波信号放大装置示意图。

图5是具体实施例模拟后得到的光谱图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提出一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，所述装置包括脉冲光源S201、泵浦光源S205、掺饵光纤放大器S202、光子晶体光纤S203、相位匹配器S204、耦合器S206、参量光纤S207、光开关S208。

所述光子晶体光纤S203、相位匹配器S204、参量光纤S207均具有一个输入端和一个输出端，所述掺饵光纤放大器S202、耦合器S206均具有两个输入端和一个输出端，所述光开关S208具有一个输入端和两个输出端。

所述掺饵光纤放大器S202的两个输入端分别连接所述脉冲光源S201和所述光开关S208 的其中一个输出端，所述掺饵光纤放大器S202的输出端连接光子晶体光纤S203的输入端，所述光子晶体光纤S203的输出端与相位匹配器S204的输入端连接。

所述耦合器S206的两个输入端分别连接泵浦光源S205和所述相位匹配器S204的输出端，所述耦合器S206的输出端连接至参量光纤S207的输入端，所述参量光纤S207的输出端与光开关S208的输入端连接。

所述光开关S208不与掺饵光纤放大器S202连接的输出端作为整个发生装置的输出端。

所述脉冲光源S201发出的脉冲光经掺饵光纤放大器S202进行功率放大后进入光子晶体光纤S203，发生多载波正向参量过程迭代以生成多个光载波信号。

所述多个光载波信号经相位匹配器S204进行相位匹配后，与泵浦光源S205发出的泵浦光耦合，耦合后的混合光信号进入参量光纤S207发生反向参量效应以完成能量转移；完成能量转移后的光载波信号进入光开关S208，满足输出条件的直接输出，否则，进入掺饵光纤放大器S202重复前述过程。

结合图2，基于前述装置，本发明还提及一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置的工作方法，所述工作方法包括：

启动脉冲光源S201，将脉冲光经掺饵光纤放大器S202进行功率放大后导入光子晶体光纤S203中，所述脉冲光在光子晶体光纤S203中发生多载波正向参量过程迭代以生成新的光载波信号，直至每个光载波信号的功率低于第一功率阈值。

将生成的光载波信号导入相位匹配器S204进行相位调整，以使光载波信号的相位与泵浦光源S205发出的泵浦光的相位相匹配。

将调整相位后的光载波信号与泵浦光源S205发出的泵浦光耦合，耦合后的混合光信号进入参量光纤S207发生反向参量效应，将泵浦光的能量转移至光载波信号以使光载波信号的功率放大。

将功率放大后的光载波信号导入光开关S208进行路径选择以判断继续进行前述参量过程循环或者直接输出。

本申请提及的是一种基于环状光纤分布式多载波发生方法，其系统组件主要包括以下模块：脉冲光源S201、光子晶体光纤S203、相位匹配器S204、参量光纤S207、光开关S208。

其流程大致如下：

从脉冲光源S201发射出光束进入环状光纤，首先通过光子晶体光纤S203进行多载波正向参量过程迭代，发生更多的载波，然后进行相位匹配后进入参量光纤S207中实现反向参量过程，对载波的功率进行放大。最后通过光开关S208进行路径选择决定是进行再次多参量过程的循环还是直接输出。

结合图1中的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置的结构示意图，该发生装置的具体工作流程如下：

脉冲光源S201中发射出的脉冲光进入环状光纤链路，由于其时域上是周期性连续的，其在频域也呈现出频率梳状态。此时，光频率梳是不平坦的，数量也不够多。经过EDFAS202 放大后，多载波频率梳达到正向参量过程的激发阈值，作为种子光信号在光子晶体光纤S203 中进行多载波正向参量过程迭代。多次谐波混合迭代后，光波数目明显增加，通过有效的设定光子晶体光纤中的色散与非线性系数以及纤芯结构，可以实现宽带、超平坦的多载波光信号，如附图 3 所示。而后，利用相位匹配器S204将所得的光进行相位调整后，再通过耦合器 S206与泵浦光源S205发出的泵浦光耦合，耦合光波进入参量光纤S207中实现反向参量过程，进而实现超低噪的信号放大。最后通过光开关S208进行路径选择，光波数目满足一定的阈值后输出，否则进入环状链路中进行再次循环。

(1)子载波生成：

频率为25GHz、中心波长为1520nm的种子光源S201发射出脉冲光，经过EDFA S202放大到1W后，注入到长度为50m光子晶体光纤S203中。光子晶体光纤S203的色散位于1540nm与1555nm两个位置，是双零色散光纤。由于光子晶体光纤S203具有非线性，一个入射光波会在其他不同频率上发生相位变化，新发生一个波长的光波,这样通过光子晶体光纤S203中的非线性效应就可以得到更多的载波。当多载波光功率低于100mw时，信号的正向参量过程终止。

此部分使用的光子晶体光纤S203为高非线性光纤。两束光满足相位匹配时，当它们在高非线性介质中传输，由于非线性作用发生正向参量过程发生新的波长。如图3所示：信号光 f₁与f₂在高非线性光纤中由于参量过程，发生了低频光和高频光，频率分别为f₃＝2f₁-f₂和f₄＝2f₂-f₁，这里我们假定f₁<f₂。

(2)相位匹配：

光波束通过整形，实现多载波信号的相位变化，从而与泵浦光的相位实现参量匹配。对于相位不匹配的光信号，很难实现高增益、高载噪比的放大。对于多路并行的光载波信号，相位的合理适配是实现其超平坦参量增益的关键。

相位匹配的条件κ＝0可以写为：

κ＝Δk_M+Δk_W+Δk_NL＝0

其中Δk_M、Δk_W、Δk_NL分别表示由材料色散、波导色散和非线性效应对相位失配的贡献。它们中至少有一项必须为负数才能保证κ＝0，从而使得匹配的条件得到满足。可以通过对这三个参量的调节，相位实现匹配。当泵浦光波长大于零色散波长λ_D时，Δk_M变成负值，这样，就允许对入射光波长λ₁实现相位匹配；当λ₁大于λ_D时，可以通过调整泵浦的功率来改变Δk_NL，这样也能实现相位匹配；当λ₁小于λ_D时，采用保偏光纤，让不同的模式的光在光纤中的偏振方向不同，也可实现相位匹配。

总之，入射光波在光纤中满足相位匹配条件时，将发生频率为f₃和f₄的斯托克斯波和反斯托克斯波。

(3)反向参量过程：

频率较低的多载波弱信号光，通过相位匹配后与较强的泵浦光耦合，进入参量光纤S207 后由于反向参量效应，泵浦光有所减弱，而弱的入射信号光得到放大，同时发生频率为两束入射光之差的闲频光。

通过对相位θ的控制，我们就可以控制在参量过程中能量转移的流向，在θ＝-π/2时，能量将从信号光和闲频光转移至泵浦光，就形成参量衰减，而在θ＝π/2时，能量从泵浦光转移至信号光和闲频光，形成了参量放大。如图4所示，我们将信号光和泵浦光同时注入到参量光纤S207，通过适当调节它们的相位，就可以实现参量放大。本发明提出的方案中，采用的光泵浦的注入波长为1520nm，注入的能量为2W。对于参量光纤S207，其整体是负色散平坦光纤。

(4)光开关选择：

实现多载波生成以及参量放大后，可以检测所需要的光是否满足需要，如果满足则可以将光载波输出，如果不满足需要，则可以选择继续进入环状光纤链路中进行再一次的子载波生成和参量放大。通过多次迭代，可以实现载波间隔是25GHz，载波数量大于50、载波功率平坦度正负1dB的多载波光信号。

图5是经过模拟后得到的光谱图，左图显示的是20个子载波，载波间隔为12.5GHz，右图是100个子载波，载波间隔更小。仿真结果证明了本发明提出的基于环状光纤的分布式多载波发生方法的可行性和优良特性。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述装置包括脉冲光源、泵浦光源、掺饵光纤放大器、光子晶体光纤、相位匹配器、耦合器、参量光纤、光开关；

所述光子晶体光纤、相位匹配器、参量光纤均具有一个输入端和一个输出端，所述掺饵光纤放大器、耦合器均具有两个输入端和一个输出端，所述光开关具有一个输入端和两个输出端；

所述掺饵光纤放大器的两个输入端分别连接所述脉冲光源和所述光开关的其中一个输出端，所述掺饵光纤放大器的输出端连接光子晶体光纤的输入端，所述光子晶体光纤的输出端与相位匹配器的输入端连接；

所述耦合器的两个输入端分别连接泵浦光源和所述相位匹配器的输出端，所述耦合器的输出端连接至参量光纤的输入端，所述参量光纤的输出端与光开关的输入端连接；

所述光开关不与掺饵光纤放大器连接的输出端作为整个发生装置的输出端；

所述脉冲光源发出的脉冲光经掺饵光纤放大器进行功率放大后进入光子晶体光纤，发生多载波正向参量过程迭代以生成多个光载波信号；

所述多个光载波信号经相位匹配器进行相位匹配后，与泵浦光源发出的泵浦光耦合，耦合后的混合光信号进入参量光纤发生反向参量效应以完成能量转移；完成能量转移后的光载波信号进入光开关，满足输出条件的直接输出，否则，进入掺饵光纤放大器重复前述过程。

2.根据权利要求1所述的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述光子晶体光纤采用高非线性光纤。

3.根据权利要求1所述的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述光子晶体光纤为双零色散光纤。

4.根据权利要求1所述的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述参量光纤为负色散平坦光纤。

5.根据权利要求1所述的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述耦合后的混合光信号进入参量光纤发生反向参量效应以完成能量转移是指，

通过对光载波信号和泵浦光之间相位θ的控制，控制光载波信号和泵浦光在参量光纤中发生反向参量过程时的能量转移方向。

6.根据权利要求5所述的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述通过对光载波信号和泵浦光之间相位θ的控制，控制光载波信号和泵浦光在参量光纤中发生反向参量过程时的能量转移方向是指，

当θ＝-π/2时，能量将从光载波信号转移至泵浦光；在θ＝π/2时，能量从泵浦光转移至光载波信号。

7.根据权利要求1所述的基于环状光纤的分布式光多载波发生装置，其特征在于，所述相位匹配器的工作过程遵循相位匹配条件κ，所述相位匹配条件满足下述条件：

κ＝Δk M +Δk W +Δk NL ＝0

其中Δk M 、Δk W 、Δk NL 分别表示由材料色散、波导色散和非线性效应对相位失配的贡献。

8.一种基于环状光纤的分布式光多载波发生装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括：

启动脉冲光源，将脉冲光经掺饵光纤放大器进行功率放大后导入光子晶体光纤中，所述脉冲光在光子晶体光纤中发生多载波正向参量过程迭代以生成新的光载波信号，直至每个光载波信号的功率低于第一功率阈值；

将生成的光载波信号导入相位匹配器进行相位调整，以使光载波信号的相位与泵浦光源发出的泵浦光的相位相匹配；

将调整相位后的光载波信号与泵浦光源发出的泵浦光耦合，耦合后的混合光信号进入参量光纤发生反向参量效应，将泵浦光的能量转移至光载波信号以使光载波信号的功率放大；

将功率放大后的光载波信号导入光开关进行路径选择以判断继续进行前述参量过程循环或者直接输出；

当功率放大后的光载波信号的功率小于第二功率阈值时，将光载波信号发送至光开关与掺饵光纤放大器连接的输出端；否则，将光载波信号发送至光开关的另一个输出端。

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