CN112448255A - 一种高性能的保偏edfa光路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能的保偏EDFA光路，为单级泵浦放大系统，其输出尾纤绕制呈圆环状。本发明提供的一种高性能的保偏EDFA光路，采用一级放大结构，通过将光纤缠绕成圆盘状，保持信号光的偏振态，实现高消光比的信号输出，从而减少了光器件个数，光路结构简单，节省了光路的成本，缩减了光路的尺寸。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种高性能的保偏EDFA光路。
背景技术
掺铒光纤放大器(EDFA)以掺铒石英光纤作为增益介质，利用铒对应于光纤通信第三窗口的发光，实现信号光的功率放大。EDFA具有低噪声、工作带宽宽、饱和输出功率高、低噪声等优点，与密集波分复用技术相结合，大大推进了光纤通信向大容量、高速率、长距离的方向发展。
当前正在加速推进的超高速、低延时的5G建设，让激光雷达领域蓬勃发展。在气象测速等应用中，通常采用相干多普勒技术，实现测量距离长达上百公里的复杂勘测。在相干多普勒测速中，利用保偏光纤偏振态的外界环境不敏感的特性，可以实现较好地避免周围环境的影响，使测试系统具有较高的精度及灵敏度。考虑到大气衰减因素，通常由光源发出的光会经过保偏放大器进行功率的放大，然后通过调制系统进入自由空间传输。由于1550nm是人眼安全波长，因此保偏EDFA是相干多普勒应用中的重要放大器。
然而现有的保偏EDFA存在以下技术问题：要实现高功率的输出信号光放大，需要采用多级放大系统，光路结构相对复杂、光器件个数多。同时，多个光器件的引入，会对保偏系统的消光比产生影响，降低光纤在外界环境干扰下对于传输信号光振特性的保持能力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高性能的保偏EDFA光路，其目的在于解决实现高功率的信号光放大和高消光比的信号光输出，所需光路结构复杂、光器件个数多的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种保偏EDFA光路，其为单级泵浦放大系统，其输出尾纤绕制呈圆环状，不包括其他提高消光比的光学器件。
优选地，所述保偏EDFA光路，其所述输出尾纤沿圆环中轴并行绕制，使得径向外部应力均匀。
优选地，所述保偏EDFA光路，其所述输出尾纤绕制呈的圆环，其直径在14cm以下，优选9cm以下，6cm以上。
优选地，所述保偏EDFA光路，其所述保偏光纤所述输出尾纤优选为熊猫型保偏光纤，为其拍长≤5.0mm，优选光纤在4m典型长度下的消光比大于30dB。
优选地，所述保偏EDFA光路，其所述输出尾纤与放大光隔离器连接，所述放大光隔离器为单轴隔离器。
优选地，所述保偏EDFA光路，其所述单级泵浦放大系统的泵浦激光器，输出功率大于23dBm，优选为多模泵浦激光器。
优选地，所述保偏EDFA光路，其输出功率为20～30dBm，信号光的消光比20dB以上。
优选地，所述保偏EDFA光路，其所述单级泵浦放大系统中，所述掺铒光纤输入端与合束器相连，所述合束器的输入端分别连接经过信号光隔离器的信号光和泵浦激光器；所述掺铒光纤的输出端与放大光隔离器相连，所述放大光隔离器与输出尾纤相连。
优选地，所述保偏EDFA光路，其信号光隔离器为偏振工作模式为双轴工作。
优选地，所述保偏EDFA光路，其采用的掺铒光纤，优选为铒镱共掺保偏光纤，优选为915nm的包层吸收系数0.5dB/m～3.5dB/m，拍长≤6mm的铒镱共掺光纤，尤其是熊猫型双包层铒镱共掺光纤。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的一种高性能的保偏EDFA光路，采用一级放大结构，通过将光纤缠绕成圆盘状，保持信号光的偏振态，实现高消光比的信号输出，从而减少了光器件个数，光路结构简单，节省了光路的成本，缩减了光路的尺寸。
优选方案，结合泵浦激光器泵浦功率的提升、铒镱共掺的保偏光纤的采用，实现信号光功率放大的同时消光比与多级EDFA放大光路相当，输出信号光功率可达20～30dBm，消光比达到20dB以上。
附图说明
图1是本发明的一种高性能的保偏EDFA光路；
图2是本发明的掺铒光纤的能级结构及泵浦能量利用示意图；
图3是本发明实施例的光纤盘的结构示意图；
图4是本发明的不同保偏光纤盘绕直径条件下的消光比对比图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为第一分光器，2为第一光电探测器，3为信号光隔离器，4为泵浦激光器，5为光纤合束器，6为掺铒光纤，7为放大光隔离器，8为光纤盘，9为第二分光器，10为第二光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的高性能的保偏EDFA光路，为单级泵浦放大系统，其输出尾纤绕制呈圆环状，光路结构中不增加仅用于提高消光比的光学器件，例如保偏光栅。
所述输出尾纤沿圆环中轴并行绕制，使得径向外部应力均匀。光纤绕制时产生的外部应力会影响保偏光纤的衰减系数，不均匀的外部应力会影响光信号不可控的衰耗。
所述输出尾纤绕制呈的圆环，其直径在14cm以下，优选9cm以下，6cm以上。实验显示：当光纤绕制的圆环直径增加的时候，最终输出光信号的消光比总体上呈降低趋势，因此当光纤绕制的圆环直径在14cm以下时，消光比可达20dB以上，达到对保偏EDFA光路结构的性能要求；在弯曲直径小于6cm时，消光比及输出功率皆呈下降趋势，光路性能开始恶化。
所述输出尾纤，其拍长≤5.0mm，光纤在4m典型长度下的消光比大于30dB，配合其绕制呈的圆环状态，能平衡消光比和衰耗，满足保偏EDFA的性能需求。实验显示在拍长相同的情况下，不同类型的保偏光纤中，熊猫型保偏光纤相对于领结型保偏光纤和椭圆形保偏光纤，在本发明提供的EDFA光路中具有更加良好的偏振态保持能力，消光比更高。这可能是由于熊猫型保偏光纤具有良好的集合对称性，熔接损耗小。同时由于熊猫型保偏光纤易于搭建纯光纤结构的EDFA光路，整体的消光比更高。
所述输出尾纤与放大光隔离器连接，所述放大光隔离器为单轴隔离器，其快轴阻断、慢轴工作。
所述单级泵浦放大系统的泵浦激光器，输出功率大于20dBm，优选为多模泵浦激光器，保偏EDFA电光效率偏低，单级泵浦放大光路需要达到目前多级放大的光路的功率，优选采用多模泵浦激光器，其电光效率较高，同时输出功率为瓦量级，可以提升放大光路的输出功率，与多级保偏EDFA的输出功率相当。
但通常泵浦激光器的功率越大，增益倍数越大的时候，光路中的噪声及偏振光耦合的不稳定性也会被同时放大，为了在高功率输出的同时保持较好地光学特性，因此保偏EDFA光路结构多采用多级放大。本发明为简化光路结构，采用单级泵浦结构，配合绕制呈环状的输出尾纤，在不增加提高消光比的光学器件的前提下，将多级泵浦结构简化为单级泵浦结构。本发明提供的保偏EDFA光路输出功率可达30dBm，信号光功率为0dBm时，输出消光比可达25dB以上，噪声系数3.178dB。
其采用的掺铒光纤，优选为铒镱共掺保偏光纤，以实现较大的信号增益，优选为915nm的包层吸收系数0.5dB/m～3.5dB/m，拍长≤6mm的铒镱共掺光纤，可以实现30dB增益的信号放大，尤其是熊猫型双包层铒镱共掺光纤，与熊猫型的输出尾纤配合，搭建纯光纤结构，消光比更高。
所述单级泵浦放大系统中，所述掺铒光纤输入端与合束器相连，所述合束器的输入端分别连接经过信号光隔离器的信号光和泵浦激光器；所述掺铒光纤的输出端与放大光隔离器相连，所述放大光隔离器与输出尾纤相连。
本发明的一种高性能的保偏EDFA光路中各个器件之间，采用光纤熔接方式进行连接；
本发明的一种高性能的保偏EDFA光路结构，采用单级放大结构，减少了光器件个数，实现20～30dBm功率的信号光输出，信号光的消光比20dB以上，与现有的多保偏EDFA光路相当。
本发明提供的保偏EDFA光路，典型结构如图1所示，包括信号光隔离器3、泵浦激光器4、光纤合束器5、掺铒光纤6、放大光隔离器7、；其测试平台，还包括：第一分光器1、第一光电探测器2、第二分光器9、第二光电探测器10；
测试用信号光经过第一分光器1后，从低分光比的输出端口进入第一光电探测器2，从高分光比的输出端口输出进入到信号光隔离器3，通过信号光隔离器3后的信号光与泵浦激光器4输出的泵浦光耦合进入光纤合束器5，输出后进入掺铒光纤6中实现信号放大，放大的信号光输出后进入放大光隔离器7，从放大光隔离器7输出的信号光经过缠绕成圆环状的光纤后，进入第二分光器9，从低分光比的输出端口进入第二光电探测器10中，从高分光比的输出端口输出作为所述高性能的保偏EDFA光路的输出。
器件优选如下：
所述第一分光器1和第二分光器9为1×2结构保偏分光器，包括输入端口，高分光比端口和低分光比的端口；连接光电探测其进行功率检测。
所述第一光电探测器2对信号光进行功率检测，从而测定本实施例提供的保偏EDFA光路的放大性能；
所述信号光隔离器3为单向通过的非互异性器件，隔离器最大承受功率为500mW，偏振工作模式为双轴工作，保持输入光的高信噪比并隔离背向回光；
所述泵浦激光器4为波长915/940nm多模泵浦激光器；
所述光纤合束器5为(1+1)×1保偏光纤合束器，一路传输信号光，另一路传输泵浦光；
所述掺铒光纤6是铒镱共掺的保偏光纤，光纤采用双包层结构，吸收高功率的多模泵浦光，对信号光实现功率放大；
所述放大光隔离器7为单向通过的非互异性器件，隔离器最大承受功率为2W，偏振工作模式为单轴工作，保持输出信号光的高消光比并隔离背向回光；
所述放大光隔离器7输出的尾部光纤缠绕成圆盘状，通过弯曲对光纤中传输信号的偏振模式进行控制，如果选择对掺铒光纤进行弯曲，由于前级光路为双轴工作，对偏振模式调控不明显，同时引入额外弯曲损耗，影响光路性能；
所述第二光电探测器10对缠绕成圆盘状的光纤输出的信号光进行检测，根据检测到的光功率调整缠绕成圆盘状的光纤圆盘的半径。
以下为实施例：
如图1所示的一种高性能的保偏EDFA光路，包括第一分光器1、第一光电探测器2、信号光隔离器3、泵浦激光器4、光纤合束器5、掺铒光纤6、放大光隔离器7、第二分光器9、第二光电探测器10和光纤盘8。
信号光从第一分光器1的输入端口1a中进入光路，从低分光比端口1b输出进入第一光电探测器2，通过第一光电探测器2对输入光功率及偏振状况进行检测；信号光从高分光比端口1c输出进入信号光隔离器3，信号光隔离器3为双轴工作隔离器，能保证信号光的全部信息进入光路，同时隔离器的非互异性隔绝后方的回光对信号光的干扰，保证信号光具有较高的光学信噪比；信号光隔离器3的输出端口与光纤合束器5的输入端口5a相连，泵浦激光器4与光纤合束器5的输入端口5b相连，信号光和泵浦光通过光纤合束器5耦合在一起后，从光纤合束器5的输出端口5c进入到掺铒光纤6中，掺铒光纤6在受激辐射过程中对通过光纤的信号光进行信号放大；
掺铒光纤6在波长为915/940nm的泵浦激光器4输出的激光辐射下，如图2所示，光纤中Yb3+吸收泵浦光能量从基态跃迁至上能级2F5/2能级，处于2F5/2能级上的Yb3+将能量传递给处于基态的Er3+，使得Er3+从基态跃迁到4I11/2；处于4I11/2的Er3+粒子寿命相对较短，通过无辐射弛豫过程从4I11/2跃迁到4I13/2；处于4I13/2的Er3+在掺铒光纤中信号光的作用下，通过受激辐射的作用向下跃迁至基态，并发出与信号光相位、波长、偏振态与传播方向相同的信号光，实现信号光的信号放大；通过提升泵浦激光器的泵浦功率，采用一级放大结构，掺铒光纤6实现20～30dBm的信号功率输出。
经过放大的信号光进入放大光隔离器7中，放大光隔离器7为单轴工作隔离器，让信号光单向通过并隔绝后级回光对掺铒光纤6的信号干扰，保持输出信号光的偏振态，实现低噪声放大；
放大光隔离器7的输出尾纤缠绕成圆盘状，输出尾纤缠绕至光纤盘8，所述光纤盘8为用于缠绕掺铒光纤的金属圆盘；并排绕制，保证光纤内无打结状态，使得外部应力均匀。
图3为光纤盘8的结构示意图。光路中的第一分光器1，第一隔离器3和光纤合束器5为双轴工作无源光器件。光信号在传输过程中，由于光纤内部的不对称性及外部环境的影响，存在线偏振光从其中一主轴的能量耦合到另一主轴。第二隔离器7为单轴工作隔离器，可以将其中沿某一主轴传输的信号光被阻断，同时，将第二隔离器7的输出尾纤绕制光纤盘8上，利用相互正交的两个偏振模式弯曲损耗的差异，增大其中某个偏振模式的传输损耗，降低信号光在这一主轴的传输功率，实现高消光比的信号输出。
不同光纤盘的直径，即不同输出尾纤绕制呈的圆环直径条件下消光比的测试结果如图4所示。
所述光纤缠绕成圆盘状，利用不同偏振模式在同一弯曲半径下，弯曲损耗不同这一特性，通过调整缠绕成圆盘状的光纤圆盘的半径，增大其中某个偏振模式的传输损耗，降低信号光在这一主轴的传输功率，实现高消光比的信号输出。如图4所示，当缠绕成圆盘状的光纤圆盘的半径增加的时候，最终输出信号光的消光比总体上呈降低趋势。第二分光器9的低分光比输出端口9c连接第二光电探测器10，通过第二光电探测器10的输出光功率检测，在改变缠绕成圆盘状的光纤圆盘的半径过程中，检测到的光功率波动在0.1dB以内。因此，通过减小放大光隔离器7输出尾纤的弯曲半径，在保持总输出功率不变的情况下，实现高消光比的信号光输出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种保偏EDFA光路，其特征在于，为单级泵浦放大系统，其输出尾纤绕制呈圆环状。
2.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，所述输出尾纤沿圆环中轴并行绕制，使得径向外部应力均匀。
3.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，所述输出尾纤绕制呈的圆环，其直径在14cm以下，优选9cm以下，6cm以上。
4.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，所述保偏光纤所述输出尾纤优选为熊猫型保偏光纤，其拍长为≤5.0mm，优选光纤在4m典型长度下的消光比大于30dB。
5.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，所述输出尾纤与放大光隔离器连接，所述放大光隔离器为单轴隔离器。
6.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，所述单级泵浦放大系统的泵浦激光器，输出功率大于23dBm，优选为多模泵浦激光器。
7.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，输出功率为20～30dBm，信号光的消光比20dB以上。
8.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，所述单级泵浦放大系统中，所述掺铒光纤输入端与合束器相连，所述合束器的输入端分别连接经过信号光隔离器的信号光和泵浦激光器；所述掺铒光纤的输出端与放大光隔离器相连，所述放大光隔离器与输出尾纤相连。
9.如权利要求8所述的保偏EDFA光路，其特征在于，信号光隔离器为偏振工作模式为双轴工作。
10.如权利要求1所述的保偏EDFA光路，其特征在于，其采用的掺铒光纤，优选为铒镱共掺保偏光纤，优选为915nm的包层吸收系数0.5dB/m～3.5dB/m，拍长≤6mm的铒镱共掺光纤，尤其是熊猫型双包层铒镱共掺光纤。
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