CN111952828B - 一种采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置，所述双芯双泵浦光纤参量放大器，包括双泵浦光调整系统、信号光调整系统和耦合系统；所述提高光通信系统中信号光增益的方法，采用两个独立的激光器输出的泵浦光经偏振控制器、相位调制器、再经过光偏振控制器及掺铒光纤放大器放大后，与经过偏振控制器及光衰减器调整的信号激光器产生的信号光，通过光耦合器将两路泵浦光和信号光耦合到双芯高非线性光纤，在高非线性光纤中通过四波混频效应实现信号光的放大。本发明在较低的泵浦光输入功率下通过双芯高非线性光纤中光波的强耦合，从而实现了提升光放大器容量的同时，兼容高增益、高带宽且平坦度良好的参量放大，有利于大容量全光通讯网络的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种高增益、宽带宽且高平坦的光纤参量放大器，尤其涉及一种双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的方案及装置，适用于全光纤通信，骨干网传输等领域。
背景技术
随着5G技术和云服务等信息技术的快速发展，全网的数据量已经有了爆炸式的增长的趋势。光放大器在光纤通信系统中发挥越来越重要的作用。目前的光纤通信系统，通过采用波分复用技术成十上百倍地增加光纤的传输容量，实现高速和超高速的光纤信息传输，在其长距离的传输过程中，通过使用光放大器对光信号进行放大，补偿光纤损耗所带来的信号减小，实现长距离和超长距离的光纤信息传输。因此，光放大器是波分复用光纤传输系统的关键。
同时光传送网对具有大增益带宽、高增益水平和饱和输出功率、低嗓声系数以及多路信号同时放大能力的光放大器的需求越来越迫切。目前大规模使用的掺辑光纤放大器已经不能够适应以上要求。近年来，基于光纤非线性效应的技术得到了广泛的研究，其中喇曼光纤放大器由于其超宽的增益带宽和在线放大的能力，已经逐步运用于光通信系统中，但也还存在着泵浦要求复杂、增益不高的问题。因此，基于三阶非线性效应——四波混频技术的光纤参量放大成为了人们关注的焦点。
光纤参量放大器具有可对任意波长信号放大、对信号的比特率和调制格式完全透明、低噪声和高相敏等独特的优势。
光纤参量放大器包括单泵浦光纤参量放大器和双泵浦光纤参量放大器，单泵浦光纤参量放大器相对于双泵浦光纤参量放大器而言，虽然其结构更为简单，在不考虑偏振相关性的情况下，但单泵浦光纤参量放大器的增益特性逊色于双泵浦光纤参量放大器，且现有的对单泵浦光纤参量放大器增益方法的研究也相对偏少。而双泵浦光纤参量放大器是由两段高非线性光纤级联而成，其增益性较好，且对其进行增益操作的方法较多，因此，对单泵浦光纤参量放大器的增益特性研究具有重要意义。
目前，主要研究基于高非线性光纤的光纤参量放大器的增益特性。申请号为CN201510810481.7的中国发明专利中提供了一种光参量增益方法及系统，使用温度对系统增益进行调节。但是上述专利所披露的增益方法较为复杂，多参数相互影响，难以得到较好的增益谱效果。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提出一种采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的方案及装置，所述双芯双泵浦光纤参量放大器，包括第一泵浦光调整系统、第二泵浦光调整系统、相位调制及耦合系统、信号光放大系统和信号光接收检测系统；所述对光纤参量放大器进行优化增益的方法，采用双芯高非线性光纤，分别进行双泵浦的光纤参量放大过程并且纤芯之间由于场强的影响相互耦合，然后可以通过改变耦合系数来调控信号光增益谱；另一方面，通过第三相位调制器和第四相位调制器改变两纤芯中信号光相对相位差，进而对信号光的增益做出调控。通过以上两种调控方式，在采用双芯双泵浦光纤参量放大器的装置中，从而实现了高增益、高带宽且平坦度良好的信号光放大，有利于波分复用系统容量的提升及全光通讯网络的发展等。
本发明解决技术问题，所采用的技术方案如下：
一种采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的方案及装置，包括第一泵浦光调整系统、信号光调整系统、第二泵浦光调整系统、相位调制及耦合系统、信号光放大系统和信号接收检测系统。所述第一泵浦光调整系统包括第一泵浦激光器、第一偏振控制器、第一相位调制器和第二偏振控制器、第二泵浦激光器、第三偏振控制器、第二相位调制器和第四偏振控制器，所述第一泵浦激光器的输出端连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端连接第一相位调制器的输入端，第一相位调制器的输出端连接第二偏振控制器的输入端，同时第二泵浦激光器的输出端连接第三偏振控制器的输入端，第三偏振控制器的输出端连接第二相位调制器的输入端，第二相位调制器的输出端连接第四偏振控制器的输入端；所述信号光调整系统包括信号激光器、第五偏振器、光衰减器和分光器，信号激光器的输出端连接第五偏振控制器的输入端，第五偏振控制器的输出端连接光衰减器的输入端，光衰减器的输出端连接分光器的输入端；所述的第二泵浦光调整系统包括第三泵浦激光器、第六偏振控制器、第五相位调制器第七偏振控制器、第四泵浦激光器、第八偏振控制器、第六相位调制器和第九偏振控制器，所述第三泵浦激光器的输出端连接第六偏振控制器的输入端，第六偏振控制器的输出端连接第五相位调制器的输入端，第五相位调制器的输出端连接第七偏振控制器的输入端，同时第四泵浦激光器的输出端连接第八偏振控制器的输入端，第八偏振控制器的输出端连接第六相位调制器的输入端，第六相位调制器的输出端连接第九偏振控制器的输入端；所述相位调制及耦合系统包括第三相位调制器、第四相位调制器、第一光耦合器和第二光耦合器，所述的第三相位调制器的输入端与分光器的一束光相连，第四相位调制器的输入端与分光器的另一束光相连，第三相位调制器的输出端与第二偏振控制器和第四偏控制振器的输出端共同接入第一光耦合器的输入端，第四相位调制器的输出端和第七偏振控制器以及第就偏振控制器的输出端共同接入第二光耦合器的输入端；所述信号光放大系统包含双芯高非线性光纤，第一光耦合器和第二光耦合器的输出端与双芯高非线性光纤的输入端连接；信号接收检测系统包含第一光谱分析仪和第二光谱分析仪，双芯高非线性光纤的两个输出端分别与第一光谱分析仪和第二光谱分析仪的输入端相连。
通过如上的设计，可以实现利用双芯双泵浦光纤参量放大器中纤芯之间耦合系数及两信号光之间相位差对增益的调控，进而优化光纤参量放大器的增益特性。本方案及装置较为简单容易实现，提高了光纤参量放大器的能量转换效率和系统灵活性。利用双泵浦的本身的增益优化。
本发明采用上述技术方案，所实现的有益效果是：
本发明提出的一种采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的方案及装置，采用双芯双泵浦光纤参量放大器中纤芯之间耦合系数及两信号光之间相位差对增益的调控，充分利用纤芯耦合的优势，实现了高增益、高带宽且平坦度良好的参量放大前提下，减小高非线性光纤长度，降低损耗，提高了泵浦光向信号光的能量转换效率，且其增益和增益带宽实现区间可调等优良特性。
附图说明
图1是本发明提出的双芯双泵浦光纤参量放大器的系统结构图；
图2是泵浦光功率及信号光相位差对信号光增益谱的调控图；
图3是耦合系数及信号光相位差对信号光增益谱的调控图；
图中：100-第一泵浦光调整系统、200-信号光调整系统、300-第二泵浦光调整系统、相位400-调制及耦合系统、500-信号光放大系统、600-信号接收检测系统；1-第一泵浦激光器、2-第一偏振控制器、3-第一相位调制器、4-第二偏振控制器、5-第二泵浦激光器、6-第三偏振控制器、7-第二相位调制器、8-第四偏振控制器、9-信号激光器、10-第五偏振器、11-光衰减器、12-分光器、13-第三泵浦激光器、14-第六偏振控制器、15-第五相位调制器、16-第七偏振控制器、17- 第四泵浦激光器、18-第八偏振控制器、19-第六相位调制器、20-第九偏振控制器、21-第三相位调制器、22-第四相位调制器、23-第一光耦合器、24-第二光耦合器、25-双芯高非线性光纤、26-第一光谱分析仪和27-第二光谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明的具体实施方式，提出了一种采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的方案及装置。
本发明提出的双芯双泵浦光纤参量放大器的系统结构如图1所示，包括：第一泵浦光调整系统(100)、信号光调整系统(200)、第二泵浦光调整系统 (300)、相位调制及耦合系统(400)、信号光放大系统(500)和信号接收检测系统(600)。
所述第一泵浦光调整系统(100)包括第一泵浦激光器(1)、第一偏振控制器(2)、第一相位调制器(3)和第二偏振控制器(4)、第二泵浦激光器(5)、第三偏振控制器(6)、第二相位调制器(7)和第四偏振控制器(8)，所述第一泵浦激光器(1)的输出端连接第一偏振控制器(2)的输入端，第一偏振控制器(2)的输出端连接第一相位调制器(3)的输入端，第一相位调制器(3) 的输出端连接第二偏振控制器(4)的输入端，同时第二泵浦激光器(5)的输出端连接第三偏振控制器(6)的输入端，第三偏振控制器(6)的输出端连接第二相位调制器(7)的输入端，第二相位调制器(7)的输出端连接第四偏振控制器(8)的输入端；
所述信号光调整系统(200)包括信号激光器(9)、第五偏振器(10)、光衰减器(11)和分光器(12)，信号激光器(9)的输出端连接第五偏振控制器(10)的输入端，第五偏振控制器(10)的输出端连接光衰减器(11)的输入端，光衰减器(11)的输出端连接分光器(12)的输入端；
所述的第二泵浦光调整系统(300)包括第三泵浦激光器(13)、第六偏振控制器(14)、第五相位调制器(15)、第七偏振控制器(16)、第四泵浦激光器(17)、第八偏振控制器(18)、第六相位调制器(19)和第九偏振控制器(20)，所述第三泵浦激光器(13)的输出端连接第六偏振控制器(14)的输入端，第六偏振控制器(14)的输出端连接第五相位调制器(15)的输入端，第五相位调制器(15)的输出端连接第七偏振控制器(16)的输入端，同时第四泵浦激光器(17)的输出端连接第八偏振控制器(18)的输入端，第八偏振控制器(18)的输出端连接第六相位调制器(19)的输入端，第六相位调制器 (19)的输出端连接第九偏振控制器(20)的输入端；
所述相位调制及耦合系统(400)包括第三相位调制器(21)、第四相位调制器(22)、第一光耦合器(23)和第二光耦合器(24)，所述的第三相位调制器(21)的输入端与分光器(12)的一束光相连，第四相位调制器(22)的输入端与分光器(8)的另一束光相连，第三相位调制器的输出端(21)与第二偏振控制器(4)和第四偏控制振器(8)的输出端共同接入第一光耦合器(23) 的输入端，第四相位调制器的输出端(22)和第七偏振控制器(16)以及第就偏振控制器(20)的输出端共同接入第二光耦合器(24)的输入端；
所述信号光放大系统(500)包含双芯高非线性光纤(25)，第一光耦合器 (23)和第二光耦合器(24)的输出端与双芯高非线性光纤(25)的输入端连接；
信号接收检测系统(600)包含第一光谱分析仪(26)和第二光谱分析仪(27)，双芯高非线性光纤(25)的两个输出端分别与第一光谱分析仪(26)和第二光谱分析仪(27)的输入端相连。
在图1中，第一泵浦激光器和第三泵浦激光器的波长为λp1＝λp3＝1549.3nm，而第二泵浦激光器和第四泵浦激光器的波长为λp2＝λp4＝1554.0nm。信号光的波长是可调谐的，经光衰减器后最终输出功率为Ps1＝Ps2＝0.02mW。同时通过偏振控制器保持各个波长输出时的偏振方向一致。另一方面，双芯高非线性光纤的色散系数为γ＝30W-1km-1，零色散波长为λ0＝1552.1nm，三阶色散为β3＝1.10×10-40s3m-1，光纤长度L＝64m，耦合系数设为C，纤芯1，2中信号光相位设为φ1，φ2。
此时两个纤芯内八个光波间的复振幅变化过程满足以下的非线性薛定谔方程：
式中up1、up2、up3和up4分别是四个泵浦光的复振幅，us1和us2分别是两个信号光的复振幅，ui1和ui2分别是产生的闲频光的复振幅，并且该复振幅与相位存在关系
β为对应光波的传播常数， Z为双芯高非线性光纤，Δβ为线性波矢失配系数。
通过上式可以发现，信号光的相位、输入的泵浦光功率以及纤芯之间的耦合系数都可以对信号光的增益产生调控。如图2所示，这是在纤芯1中一个信号光相位保持为φ1＝0，另外一个信号光相位φ2分别为0和π的时候，不同输入泵浦光功率下，纤芯二中的信号光增益情况。可以得到，在一定范围内信号光的增益随着泵浦光功率的增加而逐渐增大，泵浦光功率为1.5W时能够达到 45.1dB。同时另一方面，虚线代表相位相同的状态，可以看到在其它参数相同的情况下，相位相同时该放大器的效果有些类似单泵浦的参量放大器，但是相位的改变影响着增益的的变化。实线代表相应的φ2＝π的状态，这时信号光增益谱发生了较大的变化。显著的是其能够提供的合适放大区间也就是平坦性良好的区间大幅提升。而当对泵浦光功率和信号光的相对相位差做出调控时，就能够在信号光增益谱的带宽、峰值增益以及平坦性方面有较大的提升。
接下来还可以看到耦合系数对信号光增益谱做出的调控。如图3所示，这里展示的输入泵浦光功率固定且在两信号光相对相位差分别为0和φ的时候，耦合系数对纤芯2中信号光增益的影响。耦合系数体现的是两个纤芯之间相互影响的程度。首先可以看到图中三条虚线重合了，也就是说当两信号光相位相同时，耦合系数并不能影响信号光的增益。但是当两信号光相对相位差为π时，可以明显看到耦合系数对信号光增益的调控。合适的区间内，随着耦合系数的增加，增益在峰值不变的情况下趋于平坦，但是另一方面带宽也略微有所下降。比如在耦合系数由0.8π/2L增加至1.2π/2L后，峰值增益保持在35.1dB，但是平坦性抖动由3.7dB减小到了0.4dB，同时带宽减小了18nm。
综上所述，本发明具有如下特征：1)信号光放大系统采用的是双芯高非线性光纤；2)双芯高非线性光纤的每个纤芯中都是采用了双泵浦光的泵浦方式； 3)通过调控耦合系数使得信号光拥有高增益，宽带宽和高平坦性的增益谱；4) 对两路信号光的相位做出调控使得信号光在两个纤芯被放大过程中耦合状态发生改变，从而达到提升信号光增益的效果。采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的方案及装置，可以有效地对信号光的增益做出调控，得到高增益、大带宽和高平坦的增益谱，有利于优化光纤参量放大器的特性，为密集波分复用光通信系统的全光放大技术提供新的方案。
Claims (5)
1.采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置，包括第一泵浦光调整系统(100)、信号光调整系统(200)、第二泵浦光调整系统(300)、相位调制及耦合系统(400)、信号光放大系统(500)和信号接收检测系统(600)，其特征在于：所述第一泵浦光调整系统(100)包括第一泵浦激光器(1)、第一偏振控制器(2)、第一相位调制器(3)和第二偏振控制器(4)、第二泵浦激光器(5)、第三偏振控制器(6)、第二相位调制器(7)和第四偏振控制器(8)，所述第一泵浦激光器(1)的输出端连接第一偏振控制器(2)的输入端，第一偏振控制器(2)的输出端连接第一相位调制器(3)的输入端，第一相位调制器(3)的输出端连接第二偏振控制器(4)的输入端，同时第二泵浦激光器(5)的输出端连接第三偏振控制器(6)的输入端，第三偏振控制器(6)的输出端连接第二相位调制器(7)的输入端，第二相位调制器(7)的输出端连接第四偏振控制器(8)的输入端；所述信号光调整系统(200)包括信号激光器(9)、第五偏振控制器(10)、光衰减器(11)和分光器(12)，信号激光器(9)的输出端连接第五偏振控制器(10)的输入端，第五偏振控制器(10)的输出端连接光衰减器(11)的输入端，光衰减器(11)的输出端连接分光器(12)的输入端；所述的第二泵浦光调整系统(300)包括第三泵浦激光器(13)、第六偏振控制器(14)、第五相位调制器(15)、第七偏振控制器(16)、第四泵浦激光器(17)、第八偏振控制器(18)、第六相位调制器(19)和第九偏振控制器(20)，所述第三泵浦激光器(13)的输出端连接第六偏振控制器(14)的输入端，第六偏振控制器(14)的输出端连接第五相位调制器(15)的输入端，第五相位调制器(15)的输出端连接第七偏振控制器(16)的输入端，同时第四泵浦激光器(17)的输出端连接第八偏振控制器(18)的输入端，第八偏振控制器(18)的输出端连接第六相位调制器(19)的输入端，第六相位调制器(19)的输出端连接第九偏振控制器(20)的输入端；所述相位调制及耦合系统(400)包括第三相位调制器(21)、第四相位调制器(22)、第一光耦合器(23)和第二光耦合器(24)，所述的第三相位调制器(21)的输入端与分光器(12)的一束光相连，第四相位调制器(22)的输入端与分光器(12) 的另一束光相连，第三相位调制器(21)的输出端与第二偏振控制器(4)和第四偏振控制器(8)的输出端共同接入第一光耦合器(23)的输入端，第四相位调制器(22)的输出端和第七偏振控制器(16)以及第九偏振控制器(20)的输出端共同接入第二光耦合器(24)的输入端；所述信号光放大系统(500)包含双芯高非线性光纤(25)，第一光耦合器(23)和第二光耦合器(24)的输出端与双芯高非线性光纤(25)的输入端连接；信号接收检测系统(600)包含第一光谱分析仪(26)和第二光谱分析仪(27)，双芯高非线性光纤(25)的两个输出端分别与第一光谱分析仪(26)和第二光谱分析仪(27)的输入端相连。
2.根据权利 要求1所述的采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置，其特征在于，信号光放大系统采用的是双芯高非线性光纤，该光纤包层内含有两个纤芯，并且纤芯的非线性系数较高，从而有利于四波混频效应的产生；同时由于两纤芯距离较近，各自的信号光和泵浦光在纤芯中传输的时候会互相干扰产生耦合效应。
3.根据权利 要求2所述的采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置，其特征在于，双芯高非线性光纤的每个纤芯中都是采用了双泵浦光的泵浦方式，即将从分光器输出的信号光经相位调制后和两个经偏振调整后的泵浦光耦合入纤芯中，有效地利用四波混频效应，从而的提高增益峰值、带宽及其平坦性。
4.根据权利 要求2所述的采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置，其特征在于，在纤芯之间的耦合效应发生时，可以通过调控耦合系数使得信号光拥有高增益，宽带宽和高平坦性的增益谱。
5.根据权利 要求2所述的采用双芯双泵浦光纤参量放大器提升信号光增益的装置，其特征在于，信号光在经过分光器(12)后被分为两路，然后会对两路信号光的相位做出调控使得信号光在两个纤芯被放大过程中耦合状态发生改变，从而达到提升信号光增益的效果。
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