CN110289539A - 一种宽带多维光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带多维光纤放大器，主要应用于空分复用通信系统中。其包含信号输入端口，泵浦端口，WDM，扇入合束器，多维单/双包层掺杂稀土光纤，扇出合束器，长周期光纤光栅等组合而成。本发明主要解决多芯光纤传输线路的信号中继放大问题。采用本发明技术方案放大后的信号可以再次进入多芯光纤进行传输，直到信号被下载或到达接收端。采用这种放大器建设的传输系统具有兼容性好，成本低，扩容可靠性好的特点。

Description

一种宽带多维光纤放大器
(一)技术领域
本发明涉及光纤通信中的空分复用领域的光纤放大器。
(二)背景技术
空分复用技术的研究最早从日本开始。空分复用技术迅速提高了光纤通信的容量从Tb/s到了Pb/s，为未来的光纤通信奠定了技术基础。根据文献报道，2015年B.J.Puttnam等报道了在22芯光纤里传输了2.15Pb/s的信号，传输距离是31km，打破了单根光纤的传输容量世界纪录。但是目前还没有人报道22芯的掺铒光纤放大器。目前的研究主要集中在7芯掺铒光纤放大器上，由拉锥光纤耦合器进行泵浦和信号的扇入/扇出，由于拉锥匹配了模场，因此光纤熔接的插损降低了，也提高了多芯光纤放大器的实用性。铒在1530nm存在主发射峰，其在C带的放大已经是非常成熟的技术。但是，在现有传输系统中还用到L带的信号。同时由于光纤制造技术的发展，目前的光纤已经完全消除了水峰在1385nm附近的损耗，这样，通信窗口可进一步扩展到S波段。在空分复用技术上目前还很难实现跨三个通信波段的光纤放大器。目前的放大器存在多路信号增益不平坦问题，同时放大器的带宽不够大，导致波分复用的通道数量受到限制。
专利CN104051937A中公开了一种高功率多芯光纤激光器，该激光器由光纤耦合器、掺杂光纤、光纤光栅等组成。其实现的功能是获得高功率光光纤激光，没有涉及到宽带光谱输出，并且该专利的多芯光纤也没有掺杂多种稀土材料。
专利CN101719621A中公开了一种大功率多波段多芯光纤激光器，其特点是在一种多芯多掺杂的光纤两端加载光纤反射光栅或者在该光纤端面镀上高反射率膜，使其形成一个光纤谐振腔，增加泵浦光的泵浦效率。该专利没有对输出光谱的平坦度进行调节，其反射光栅主要是用于选频。
专利CN101771233A中公开了一种大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，其特点是该光纤由多层不同掺杂的材料组成，在不同层实现不同稀土离子的激发。另外在光纤两端加载有针对泵浦光的光纤光栅或光纤端面反射膜，实现提高泵浦效率的功能，但是其没有针对输出光谱平坦度进行调节。
专利CN104035166A中公开了一种基于多芯光纤的高功率激光合束器。该专利实现了多路激光信号的合束功能，与本专利相比不存在多种材料掺杂，实现的功能为将多芯光纤中的多路光束进行合束，得到一个高功率的输出光束，对于输出光谱则没有相应的调节与处理。
专利CN205122987U公开了一种多芯光纤激光器，该激光器由NX1的光纤泵浦耦合器、多芯有源光纤，多芯光纤光栅组成。从机理上看，该器件的多芯有源光纤没有涉及到多种稀土离子掺杂，没有提及宽带放大和增益平坦。
专利CN103682961A公开了一种超宽带光纤光源系统以及光纤光源实现方法，该专利通过掺铒和掺铋的有源光纤进行合束，得到了宽带的超荧光光源。该专利采用两套有源光纤泵浦结构，其器件集成度不足，并且其没有针对光谱平坦度进行设计，也没有揭示采用多芯光纤的串扰理论问题。
专利CN200320112294.4公开了一种超宽带光纤光源，它包括光纤、半导体激光器、光隔离器、掺铒光纤、反射器、波分复用耦合器。从结构上来说，该专利利用前向泵浦和后向泵浦以及反射镜增加了泵浦效率。输出光谱的平坦范围为65nm。该专利从放大器结构上进行了创新，但是在掺杂创新和多芯放大方面没有涉及。
专利CN201310560042.6公开了一种基于铒铥钕共掺的超宽带光源，该专利中的光纤由铒铥钕三种稀土元素共同掺杂制备，通过泵浦光的激发，产生基于自发辐射的超宽带输出光波，波长范围为1280nm-1625nm，其没有针对光谱平坦做出相应设计，结构上也只具有单个光纤纤芯。该专利没有揭示采用多芯光纤的串扰问题，没有考虑高增益问题。
专利CN201380044137.0公开了一种多芯光纤放大器。其描述了一个多芯掺杂的光纤在泵浦光作用下可以实现放大的功能。其可以实现多芯放大和多芯多个模式的放大。但是该专利没有揭示多芯光纤串扰问题，没有揭示掺杂稀土元素的机理得到一个宽带的放大作用，且没有采用增益平坦技术。
综上所述，为了解决空分复用和宽带波分复用相结合的传输系统的中继放大问题，需要克服串扰问题和宽带的放大及增益平坦问题等，在目前技术上还没有现存方案，因此，如何实现宽带多维光纤放大是一个亟待解决的问题。
(三)发明内容
本发明的目的是制造一种宽带多维光纤放大器，主要应用于空分复用通信系统中。其采用多个纤芯设计，每个纤芯共掺杂氧化物是ZrO2/SbO2/Yb2O3/Al2O3/La2O3/Er2O3中的一种或几种，不同纤芯的掺杂浓度严格相同。这个设计是希望在相同的长度下产生的信号增益通过长周期光纤光栅后基本一致。信号从输入端口进入，通过扇入合束器输入到多芯掺稀土光纤，同时泵浦光也是通过扇入合束器耦合到多芯掺稀土光纤，多芯掺稀土光纤连接扇出合束器，其后面接长周期光纤光栅等组合而成。整个系统的方案有两种：方案一是多芯双包层掺稀土光纤，其有N-1个纤芯，中心没有纤芯，仅作为泵浦能量接受端。N-1个信号光通过N-1个纤芯的扇入合束器(最中心一个芯是纯二氧化硅)与多芯双包层掺稀土光纤连接。而多个多模激光泵浦源通过双包层的扇入合束器输入到多芯双包层掺稀土光纤。多芯双包层掺稀土光纤连接扇出合束器，其后面接长周期光纤光栅。方案二是N个信号通过N根单模光纤，N个单模泵浦通过N个WDM一起输入到N个纤芯的扇入合束器，扇入合束器与多芯单包层掺稀土光纤连接，其后再连接扇出合束器，再接长周期光纤光栅。扇出合束器也是N根单模光纤，其每根单模光纤是对准多芯单包层掺稀土光纤的每一个纤芯。这里我们说的N个纤芯，N是介于7～37的任意一个整数。
铒离子的荧光发射宽度与其周围配位体的结构密切相关。当Er2O3共掺杂其它氧化物时，由于在铒离子周围晶体场诱导铒能级发生分裂，产生新的小能级结构。首先是上能级的分裂，产生的小能级结构。其次是基态能级的分裂，产生的小能级结构。由于电子跃迁发生在上能级到基态能级的跃迁，当每个能级分裂的小能级越多，电子跃迁的多态越多，这就是发射谱展宽的机理。相比普通型掺铒光纤放大器，本发明的光谱宽度达到75nm，从1525nm到1600nm。
我们选择Er2O3共掺杂ZrO2/SbO2/Yb2O3/Al2O3/La2O3氧化物，首先是改变铒离子周围晶体场。其次，可以增大对泵浦光的吸收截面，吸收截面的增大，可以缩短光纤长度，减少损耗。
针对空分复用技术，目前研究最成熟的是7芯，但是随着容量扩展的需要不断增大，我们设计的多芯放大光纤最大可以到37芯结构，这样可以支持通信容量最大扩大37倍。宽带多维光纤放大器可以采用单模泵浦，则其数量不小于纤芯数量。如果采用多模大功率泵浦，则可以将泵浦激光器数量大幅度减少。但是这个放大器同时放大N路(单包层)和N-1路(双包层)信号，且可以防止信号间产生串扰。
在通信系统中，串扰总是导致误码率增大，因此是必须抑制的现象。但是针对空分复用中，要完全消除串扰是不大可能的，我们可以通过模拟仿真获得优化设计的参数，使纤芯之间的串扰系数小于-45dB/100m。
在空分复用通信系统中，放大信号需要平坦，且多个纤芯增益要相同。这里，我们针对每个纤芯放大的信号连接一根定制化的长周期光纤光栅，以实现信号平坦的作用。要保证多个纤芯增益要相同，首先每个纤芯的掺杂浓度需要相同，其次，需要让每个纤芯的吸收达到饱和吸收，多芯掺杂稀土光纤有一个优化的长度，使得宽带多维光纤放大器每一个纤芯的增益和平坦性接近一致。
采用单级放大器设计，在优化泵浦参数条件下，ASE光谱的宽度可以达到90nm。当小信号功率为-30dBm情形下，输出信号增益平均为20.7dB，噪声平均为5.6dB。放大带宽达到75nm(从1525nm到1600nm)。
宽带多维光纤放大器是空分复用通信系统中不可或缺的一个重要环节，其主要在多芯光纤传输线路中承担信号中继放大作用。完成放大后的信号再次进入多芯光纤进行传输，直到信号被下载或到达接收端。这种传输系统中，可以支持密集波分复用、振幅-相位正交复用、偏振复用、时分复用和空分复用，最大可支持超过Pb/s的系统传输容量(1Pb/s＝1000Tb/s＝1000000Gb/s)。采用这种放大系统建设的传输系统具有兼容性好，成本低，扩容可靠性好的特点。
(四)附图说明
图1是7芯掺杂稀土光纤的剖面图，其中1表示纤芯。2表示纤芯的包层。3表示纤芯的下凹包层。4表示二氧化硅包层。4外层涂覆常规涂料(图中未画)就是多芯单包层掺稀土光纤。4外层涂覆低折射率涂料(图中未画)就是多芯双包层掺稀土光纤。
图2是19芯掺杂稀土光纤的剖面图，其中5表示纤芯。6表示纤芯的包层。7表示纤芯的下凹包层。8表示二氧化硅包层。8外层涂覆常规涂料(图中未画)就是多芯单包层掺稀土光纤。8外层涂覆低折射率涂料(图中未画)就是多芯双包层掺稀土光纤。
图3多维并行放大的超宽带高增益放大方案。其中9多模泵浦端口。10是单模信号端口，共N-1个。11是双包层扇入合束器。12是多芯双包层掺稀土光纤，其中心没有纤芯，共N-1个纤芯。13是扇出合束器。14是长周期光纤光栅,共有N-1根。其中N是7～37之间的任意一个整数。A-A是剖面侧向视图，可以看到多芯双包层掺稀土光纤中心没有纤芯，只有N-1个纤芯。
图4是多芯单包层掺稀土光纤放大器方案。其中，其中15单模泵浦端口，共N个。16是单模信号端口，共N个。17是信号和泵浦的WDM，共N个。18是扇入合束器。19是多芯单包层掺稀土光纤，有N个纤芯。20是扇出合束器。21是长周期光纤光栅，共有N根。N是介于7～37的任意一个整数。
图5是宽带多维光纤放大器的增益谱和噪声谱，其放大带宽达到75nm以上(从1525nm到1600nm)。
(五)具体实施方式
以下进一步详细说明实施例。
一个7芯单包层光纤的宽带放大器：7根普通单模光纤作为信号端口，连接7个980/1550nm的WDM，7个单模泵浦从WDM的泵浦端口接入。7芯单包层掺杂稀土光纤的纤芯间距是41μm，100测试串扰是-52.5dB。每个纤芯中掺杂的稀土是ZrO2/Yb2O3/Al2O3/Er2O3，将得到的均匀掺杂稀土预制棒进行拉伸，切割得到7根小预制棒，7根小预制棒再堆叠形成7芯单包层掺杂稀土光纤。这样保证了每个纤芯的掺杂浓度的一致性。7芯扇入合束器是串扰值是-50.5dB，最大插损为1.1dB，7芯扇出合束器是串扰值是-51.2dB，最大插损为1.2dB。7根定制的长周期光纤光栅将输出的光谱进行平坦化滤波，全谱增益差别为±1.3dB。
一个19芯双包层光纤的宽带放大器：18根普通单模光纤作为信号端口，3个多模泵浦从三个多模泵浦端口接入。18芯单包层掺杂稀土光纤的纤芯间距是30μm，100测试串扰是-48.6dB。每个纤芯中掺杂的稀土是ZrO2/Yb2O3/Al2O3/Er2O3，将得到的均匀掺杂稀土预制棒进行拉伸，切割得到18根小预制棒，18根小预制棒加一根无掺杂芯棒再堆叠形成19芯预制棒，拉制成双包层掺杂稀土光纤，外面涂覆低折射率涂料。这样保证了每个纤芯的掺杂浓度的一致性。18芯扇入合束器是串扰值是-47.5dB，最大插损为1.5dB，18芯扇出合束器是串扰值是-48.2dB，最大插损为1.6dB。18根定制的长周期光纤光栅将输出的光谱进行平坦化滤波，全谱增益差别为±1.3dB。
一个37芯单包层光纤的宽带放大器：37根普通单模光纤作为信号端口，连接37个980/1550nm的WDM，37个单模泵浦从WDM的泵浦端口接入。37芯单包层掺杂稀土光纤的纤芯间距是30μm，100测试串扰是-47.5dB。每个纤芯中掺杂的稀土是ZrO2/Yb2O3/Al2O3/Er2O3，将得到的均匀掺杂稀土预制棒进行拉伸，切割得到37根小预制棒，37根小预制棒再堆叠形成37芯单包层掺杂稀土光纤。这样保证了每个纤芯的掺杂浓度的一致性。37芯扇入合束器是串扰值是-47.6dB，最大插损为2.1dB，37芯扇出合束器是串扰值是-47.2dB，最大插损为1.9dB。37根定制的长周期光纤光栅将输出的光谱进行平坦化滤波，全谱增益差别为±1.5dB。
以上实施例中的设计参数尽管已经优选，上述实施例也对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原料和宗旨情况下可以对这些实施例进行各种变化、修改、替代和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物所限。

Claims (7)

1.一种宽带多维光纤放大器，其包括信号输入、WDM、扇入合束器、多个泵浦激光源、多芯单/双包层掺稀土光纤、扇出合束器、长周期光纤光栅等。
2.如权利要求1所述的多芯单/双包层掺稀土光纤，其有N(N是介于7～37之间的任意一个整数)个纤芯，每个纤芯中的共掺杂氧化物是ZrO2/SbO2/Yb2O3/Al2O3/La2O3/Er2O3其中一种或几种，不同纤芯的掺杂浓度严格相同。
3.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：方案一是双包层掺稀土光纤，石英包层是第一包层，低折射率涂料为第二包层，无需WDM耦合泵浦，多模泵浦直接从扇入合束器/扇出合束器的中心纤芯耦合，输出由扇出合束器熔接长周期光纤光栅组成；方案二是每个纤芯的信号和单模泵浦由WDM耦合，然后从扇入合束器连接单包层掺稀土光纤，该光纤包含石英包层和普通涂层，输出由扇出合束器熔接长周期光纤光栅组成。
4.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：多芯掺稀土光纤的纤芯个数是7～37个，且纤芯之间的串扰系数小于-45dB/100m。
5.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：扇入合束器和扇出合束器都是从N根单模光纤到多芯掺稀土光纤的N个纤芯。
6.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：扇出合束器的N根单模光纤要熔接N根定制的长周期光纤光栅，以平坦N根光纤的增益谱。
7.按权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于：可以支持在传输链路上同时放大N路(单包层)和N-1路(双包层)信号，且可以防止信号间产生串扰。
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