CN110429458B - 基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，主要应用于光纤通信系统中。其特征是：它由输入单模光纤1、1×6光纤耦合器2、单模传输光纤3、泵浦光源端口4、光纤合束器5、扇入耦合器6、七芯光纤7、中空六芯多掺杂光纤8、级联的特殊多芯多掺杂光纤9、拉锥耦合器10、输出单模光纤11组成。其中，级联的特殊光纤可以由中空六芯多掺杂光纤、缺边芯多芯多掺杂光纤、带气孔的多芯多掺杂光纤、带有长周期光纤光栅的多芯多掺杂光纤等组成。本发明可用于光纤宽带通信系统中，解决光信号的中继放大问题。该放大器具有成本低、兼容性好、可靠性高等特点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，主要作用是实现光纤信号的宽带放大，属于光纤通信技术领域。
(二)背景技术
在过去的十几年中，互联网和计算机技术飞速发展，给人们生产生活带来了巨大的效益，同时也极大的促进了通信技术发发展。目前，长距离网络通信的主要介质是光纤，但现有通信光纤在容量上仍无法满足发展的需求，在这个背景下使用波分复用技术是解决以上困难的主要途径，随之而来的问题则是如何解决光纤中宽带信号的中继放大问题。现有的通信系统中主要使用掺铒光纤来放大信号，由于其光谱特性，目前只能放大C带和部分L带，无法满足现有需求。正是在这样的背景下，本发明专利提出了一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，目的是解决光纤通信中宽带信号的放大问题。
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CN102073189A中公开了一种用光环行器保护泵浦激光器的两级联高功率光纤放大器，在此放大器中级联结构主要用来解决两级联泵浦激光器的烧毁问题，在结构上没有多芯多掺杂的结构，在输出光谱上也没有宽带特性。
专利CN2265548中公开了一种分配泵浦级联光纤放大器，在此光纤放大器中，级联结构主要解决光纤放大器中的泵浦问题，不涉及宽带放大，也没有涉及到多芯多掺杂结构。
专利CN2631132中公开了一种混合型宽带光纤放大器，在此专利将拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器进行了级联，扩展了光谱。在结构上集成度不够高，没有涉及多芯结构，也没有涉及多种稀土材料掺杂。
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，也没有设计几种光纤级联来解决不同纤芯增益不相等的问题。
综上所述，为了解决光纤通信中对宽带信号的中继放大问题，同时又存在成本、兼容性、可靠性等考虑，在目前技术上还没有现存方案，因此超宽带光纤信号的放大是一个亟待解决的问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器。
本发明的目的是这样实现的：
该基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器是由输入单模光纤1、1×6光纤耦合器2、单模传输光纤3、泵浦光源端口4、光纤合束器5、扇入耦合器6、七芯光纤7、中空六芯光纤8、级联的特殊多芯光纤9、拉锥耦合器10、输出单模光纤11组成。其中，级联的特殊光纤由掺杂有稀土离子的几种光纤组成，包括中空六芯光纤、缺边芯多芯光纤、带气孔的多芯光纤、带有长周期光纤光栅的多芯光纤等。输入信号由所述的单模光纤1输入，经过1×6光纤耦合器2分束为六路光信号，经单模传输光纤3和扇入耦合器6耦合至后端的七芯光纤，光纤耦合器2的每个输出端对应着七芯光纤7相应的边缘芯，单模光纤1输入的光信号被分束耦合至七芯光纤7的各个边缘芯。除光纤耦合器2输出的光束外，扇入合束器还连接有多个泵浦光端口4和光纤合束器5。其中多个泵浦源输入的不同波长的泵浦光经由光纤合束器5合束至单模传输光纤，经扇入耦合器6耦合至七芯光纤7的中央芯。七芯光纤7后端熔接有中空六芯多掺杂光纤8和级联的特殊多芯光纤9，七芯光纤7的中央芯连接了后端的中空六芯多掺杂光纤8，居于中央的泵浦光将会以包层多模的形式对边缘芯进行泵浦，实现信号放大的功能。通过级联的特殊多芯光纤后，不同波段的信号于各自纤芯中进行调节，再经过拉锥耦合器10的绝热耦合过程，光纤后端六个边缘纤芯中的光信号进行合束，输出至单模光纤11。
光信号在级联的特殊多芯光纤9中实现了多个波段的非均等增益，实现该功能的方式在于每根纤芯中掺杂有不同材料的稀土材料以及特定纤芯特定长度的气孔、缺芯和长周期光纤光栅的损耗特性。专利中涉及的稀土材料主要包括Bi2O3/ZrO2/SbO2/GeO2/Al2O3/La2O3/Er2O3，每个纤芯中掺有其中一种或者几种稀土材料，相对应的是每根纤芯增益了不同波段的光信号，将多根不同掺杂的纤芯光波合束后才能达到超宽带的增益谱线，放大带宽可达75nm(从1525nm到1600nm)，在小信号情况下，信号增益可达20dB以上，噪声平均为5.6dB。
级联的特殊光纤由掺杂稀土材料的中空六芯光纤、缺边芯多芯光纤、带气孔的多芯光纤、带有长周期光纤光栅的多芯光纤等组成。当泵浦光和信号光经七芯光纤7传播到中空六芯多掺杂光纤8时，由于中央芯的缺失，泵浦光将扩散于整个包层中并且以包层多模的形式对后端的多根纤芯进行泵浦。七芯光纤7边缘纤芯输入的光信号在级联区边缘芯中传输时，会在泵浦光的作用下进行受激辐射放大。当中空六芯多掺杂光纤后接有边缘缺芯的多芯多掺杂光纤时，缺芯区域的光信号将会逐渐扩散到包层，无法全部耦合至指定输出纤芯中。从输出光谱上分析，纤芯中经稀土离子放大的信号会同时受激辐射放大和对接损耗两种现象影响，不同长度的缺芯段将会来带不同增益的光信号放大，通过控制缺芯区域的长度就能控制光信号在特定纤芯中的增益情况，进而控制输出光谱中特定波段的增益情况。除缺芯光纤外，带气孔光纤也能实现相同的功能，并且具有更强的损耗特性。此外，为了控制增益谱上的特定波长的增益情况，还可以在中空六芯光纤的某一边芯或者几个边芯上加载一组或几组不同周期的长周期光纤光栅，使特定波长的光波耦合至包层辐射模中，平坦化光谱中的特定波段。
纤芯中掺杂的离子发射谱与其周围的配位体结构密切相关，当Er2O3共掺杂其它氧化物时，其它元素会在铒离子周围的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，材料的发射谱和增益谱都会发生展宽。本发明正是利用了不同掺杂材料与主发射离子间的相互作用产生光谱展宽的现象，将多种光谱拼接起来，实现了超宽带光纤信号放大器的设计。
在本发明中，我们选择了铋和铒作为光谱发射中心，同时掺杂有ZrO2/SbO2/GeO2/Al2O3/La2O3等材料，不仅改变了发射离子周围的晶体场，实现了光谱展宽，同时可以增大对泵浦光的吸收截面，这意味着泵浦区光纤的缩短减小了损耗。根据材料，我们选择的泵浦源波长包括976nm、830nm、1480nm等，经由泵浦端口4和光纤合束器5注入扇入耦合器6的中央芯，实现包层泵浦功能。
除以上所述的七芯光纤和中空六芯多掺杂光纤以及由气孔、缺芯和载有光纤光栅的多芯光纤级联结构外。本发明中涉及的多芯光纤的数量还可以是5芯至19芯中的任意整数，在功能上没有实质性区别，均具有连接在扇入耦合器的N芯光纤和连接其后的N-1芯中空光纤形式，中央芯的缺失是实现包层多模泵浦的关键。在多种特殊光纤级联段，纤芯的数量最大为N-1。多芯多掺杂光纤的一个或几个纤芯可以被去除或者替换为空气孔，接续与前端N-1芯中空光纤后，实现对应于特定掺杂材料的特定波段的光信号放大作用。
本发明提供了一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，可以应用于光纤通信领域。与现有技术相比本发明解决了光信号的中继放大问题，不仅可以生成平坦的宽带增益曲线，同时能根据需求自主设计级联区各段光纤的长度，调节出所需要的非均等的增益曲线，满足了光纤通信中的现实需求。本发明还具有成本低、兼容性好、可靠性高等特点。
(四)附图说明
图1是基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器结构示意图。它由输入单模光纤1、1×6光纤耦合器2、单模传输光纤3、泵浦光源端口4、光纤合束器5、扇入耦合器6、七芯光纤7、中空六芯光纤8、级联的特殊光纤9、拉锥耦合器10、输出单模光纤11组成。其中级联的多种多芯多掺杂特殊光纤9可以由中空六芯多掺杂光纤、缺边芯多芯多掺杂光纤、带气孔的多芯多掺杂光纤、带有长周期光纤光栅的多芯多掺杂光纤等组成。
图2(a)是连接于扇入耦合器6的七芯光纤端面示意图；图2(b)是连接七芯光纤后端的中空六芯多芯多掺杂光纤端面示意图，该图中每个纤芯的掺杂稀土材料是不同种类不同浓度的。与七芯光纤相比，该光纤的中央芯是缺失的。
图3的(a-e)分别是可能用于级联多种特殊光纤9中的几种光纤端面示意图。图3(a)为去除边缘的单芯的中空多芯光纤；图3(b)为去除边缘的双芯的中空多芯光纤端面；图3(c)为去除边缘的三芯的中空多芯光纤端面；图3(d)为将边缘单芯替换为空气孔的中空多芯光纤端面，纤芯中的圆为气孔12；图3(e)为边缘双芯替换为空气孔的中空多芯光纤端面。图3(a-e)中每个纤芯掺杂的稀土材料是不同种类不同浓度的。
图4为连接于扇入耦合器后端的七芯光纤7和中空六芯多芯多掺杂光纤8的连接示意图。
图5为级联的特殊光纤的两种示意图。(a)为六芯多掺杂光纤、边缘气孔的多芯光纤、边缘单芯替换为气孔的中空多芯多掺杂光纤级联示意图。(b)中空六芯多掺杂光纤、边缘双芯替换为气孔的中空多芯多掺杂光纤、加载长周期光纤光栅的多芯多掺杂光纤级联示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1是基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器的结构示意图。其中级联的特殊多芯多掺杂光纤9的实施例由图5(a-b)给出。现在以图5(a)作为级联段阐述本发明专利的实现过程。当光信号注入单模光纤1中，经光纤耦合器2将信号分束至六根单模传输光纤3中。同时，泵浦光经过泵浦端口4和光纤合束器5将泵浦光合束至单模传输3。信号光和泵浦光在通过扇入耦合器6之后分别注入七芯光纤7的中央芯和边缘芯。图4给出了七芯光纤7和中空六芯多掺杂光纤的连接示意图，泵浦光由七芯光纤的中央芯传输至中空六芯多掺杂光纤时，中央芯的缺失使得泵浦光扩散到光纤包层中，对边缘六芯中传输的信号产生了放大作用。在中空六芯光纤8和级联特殊光纤段9中，各个纤芯掺杂有不同浓度不同材料的稀土氧化物，每根纤芯都有着特定的增益波段，而后端的级联特殊光纤9(以图5(a)为例)由多段光纤组成，每段都有特定的功能与作用。中空六芯多掺杂光纤为级联特殊光纤的前段，六根纤芯中传输的光信号，不同纤芯将会在泵浦光的作用下，放大输入信号中匹配材料增益波段的部分。当放大后的信号传输至边缘气孔多芯光纤段时，光波在气孔区域会发生扩散现象。能量会逐步耦合至包层，而由于数值孔径匹配其余纤芯会无损耗的进行传播与放大，这会导致不同纤芯段具有不同的放大系数，对应于不同纤芯的掺杂稀土材料，呈现在输出光谱上则会有一特定波段具有与其它波段不同的增益系数。在边缘气孔多芯光纤之后仍接续有一段缺芯光纤，其功能也类似，同样是利用缺芯导致的能量扩散控制特定纤芯中光波信号的增益。缺芯或者气孔结构均能将纤芯能量扩散至包层，从而减小后端的信号增益情况，通过控制缺芯或者气孔段的长度则可以控制增益的大小，正是本发明的实现思路。经过增益控制的多个光信号在经过拉锥耦合区域10之后，输出到一根单模光纤中，可重新续接至通信系统中。
如图5(b)所示，除气孔和缺芯结构外，本发明还利用长周期光纤光栅来控制特定波段的增益情况。与气孔和缺芯结构相比，长周期光纤光栅能更精确的控制特定波长的增益情况，可用来平坦化特定波长的尖峰等。
级联特殊光纤段9由中空六芯光纤、缺芯光纤、边缘气孔光纤等组成。几种可能的纤芯或气孔分布由图3给出，与中空六芯光纤相比，缺芯光纤的纤芯分布相同，只是其中单芯或几芯被移除，而边缘气孔光纤则是将纤芯替换为气孔，缺芯及气孔的位置可根据实际需求改变。
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 (6)
1.一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，其特征是：它由输入单模光纤(1)、光纤耦合器(2)、单模传输光纤(3)、泵浦光源端口(4)、光纤合束器(5)、扇入耦合器(6)、七芯光纤(7)、中空六芯多掺杂光纤(8)、级联的特殊多芯多掺杂光纤(9)、拉锥耦合器(10)、输出单模光纤(11)组成，系统中输入信号由所述的输入单模光纤(1)输入，经过光纤耦合器(2)分束为六路光信号，经单模传输光纤(3)和扇入耦合器(6)耦合至后端的七芯光纤，光纤耦合器(2)的每个输出端对应着七芯光纤(7)相应的边缘芯，输入单模光纤(1)输入的光信号被分束耦合至七芯光纤(7)的各个边缘芯，除光纤耦合器(2)输出的光束外，扇入合束器还连接有多个泵浦光源端口(4)和光纤合束器(5)，其中多个泵浦源输入的不同波长的泵浦光经由光纤合束器(5)合束至单模传输光纤，经扇入耦合器(6)耦合至七芯光纤(7)的中央芯，七芯光纤(7)后端熔接有中空六芯多掺杂光纤(8)和级联的特殊多芯多掺杂光纤(9)，七芯光纤(7)的中间芯连接了后端中空六芯多掺杂光纤(8)，居于中央的泵浦光将会以包层多模的形式对边缘芯进行泵浦，实现信号放大的功能，通过级联的特殊多芯光纤后，不同波段的信号于各自纤芯中进行调节，再经过拉锥耦合器(10)的绝热耦合过程，光纤后端六个边缘纤芯中的光信号完成合束后，输出至输出单模光纤(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，其特征是：级联的特殊多芯多掺杂光纤由掺杂稀土离子的光纤组成，包括中空多芯光纤、缺边芯多芯光纤、带气孔的多芯光纤、带有长周期光纤光栅的多芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，其特征是：光纤芯由多种材料进行掺杂，每个纤芯掺杂下列材料的一种或者几种，具体的材料为：Bi2O3/ZrO2/SbO2/GeO2/Al2O3/La2O3/Er2O3。
4.根据权利要求1所述的一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，其特征是：纤芯数量为5～19之间的任意整数。
5.根据权利要求1所述的一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，其特征是：多个波长的泵浦光源通过合束器合束后经多芯光纤的中间芯输入至后端，由于级联段光纤中央芯的缺失，使泵浦光扩散至包层，形成包层多模泵浦。
6.根据权利要求1所述的一种基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器，其特征是：光纤拉锥使多个纤芯中不同波段的光束合束，输出与输入光信号谱线宽度相等，增益相等或不相等的放大信号。
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| CN201910622134.XA CN110429458B (zh) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器 |
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| CN201910622134.XA CN110429458B (zh) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器 |
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| CN110429458A CN110429458A (zh) | 2019-11-08 |
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| CN201910622134.XA Active CN110429458B (zh) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 基于多种光纤级联的超宽带光纤信号放大器 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN101719621A (zh) * | 2009-12-02 | 2010-06-02 | 北京交通大学 | 大功率多波段多芯光纤激光器 |
| CN104051937A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-09-17 | 武汉锐科光纤激光器技术有限责任公司 | 一种高功率多芯光纤激光器 |
| JP2016151716A (ja) * | 2015-02-18 | 2016-08-22 | 株式会社フジクラ | マルチコアファイバ及び光ケーブル |
| CN106025775A (zh) * | 2015-03-26 | 2016-10-12 | 恩耐公司 | 具有级联增益级的纤维源和/或低拼接损耗的多模纤维 |
| CN107771292A (zh) * | 2015-02-28 | 2018-03-06 | 音拂科技股份公司 | 光纤耦合器 |
-
2019
- 2019-07-10 CN CN201910622134.XA patent/CN110429458B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Annular-cladding erbium doped multicore fiber for SDM amplification";Cang Jin, et al.;《OPTICS EXPRESS》;20151116;第23卷(第23期);29647-29659 * |
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Application publication date: 20191108 Assignee: Aifeibo (Ningbo) Optoelectronic Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045807 Denomination of invention: Ultra wideband fiber signal amplifier based on multiple fiber cascades Granted publication date: 20210810 License type: Common License Record date: 20231105 |
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