CN112563870B - 一种宽光谱光纤放大系统 - Google Patents

一种宽光谱光纤放大系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱光纤放大系统，包括初级和次级级联的放大光路，所述初级放大光路，用于通过纤芯泵浦提高1529nm‑1569nm信号光功率至15dBm以上；所述次级放大光路，用于通过包层泵浦将功率在15dBm以上的经初级放大光路放大的1529nm‑1569nm信号光的功率提升至30dBm以上。所述初级放大光路依次包括：初级泵浦光源、初级放大光纤和初级隔离器；所述次级放大光路依次包括次级隔离器、次级放大光纤和次级泵浦光源。本发明能实现在宽光谱范围内信号光的高功率输出和高信噪比输出。

Description

一种宽光谱光纤放大系统
技术领域
本发明属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种宽光谱光纤放大系统，尤其是涉及一种宽光谱发射信号放大系统。
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，实现光信号的功率放大。EDFA具有低噪声、放大带宽较宽、饱和输出功率高、人眼安全等优点，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。在掺铒光纤中掺杂镱离子Yb3+，让更多的铒离子Er3+以离子对(Er3+/Yb3+)的形式存在，能更有效地抑制铒离子对(Er3+/Er3+)的上转换过程，使铒离子Er3+亚稳态能级的粒子数大大增加，能量转换更加有效，铒镱共掺光纤放大器能提供更大的增益。
然而现有的掺铒光纤放大器，在发射信号放大系统中，实现高功率和高信噪比的信号光输出，能支持的信号光波长范围有限，在输出功率大于27dBm下很难达到较宽的工作波段，一般工作波段在1540nm～1565nm。因此在工作波长小于1540nm或者大于1565nm时输出功率较低且信噪比不高。当应用于宽谱扫描信号，例如宽谱激光雷达的前置信号放大器时，在工作波长小于1540nm和工作波长大于1565nm时不能获得有效的输出功率，无法满足例如激光雷达前置信号放大器的工作需求。
另外作为宽谱激光雷达的前置信号放大器时，需要多个信号放大通道的放大功率相当，目前尚无法解决多通路的放大功率及信噪比一致性问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种宽光谱光纤放大系统，其目的在于解决实现信号光高功率和高信噪比输出下，支持的信号光波长范围有限，以及无法解决多通路的放大功率及信噪比一致性的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种宽光谱光纤放大系统，包括初级和次级级联的放大光路，所述初级放大光路，用于通过纤芯泵浦提高1529nm-1569nm信号光功率至15dBm以上；所述次级放大光路，用于通过包层泵浦将功率在15dBm以上的经初级放大光路放大的1529nm-1569nm信号光的功率提升至30dBm以上。
优选地，所述宽光谱光纤放大系统，其所述初级放大光路包括初级放大光纤，其对1530nm的纤芯吸收系数为5dB/m-40dB/m，总吸收量为60dB-70dB。
优选地，所述宽光谱光纤放大系统，其所述次级放大光路包括次级放大光纤，其对915nm的包层吸收系数为0.5dB/m-4.5dB/m，总吸收量为11dB-13dB。
优选地，所述宽光谱光纤放大系统，其所述初级放大光路依次包括：初级泵浦光源、初级放大光纤和初级隔离器；
所述初级放大光纤优选为单包层掺铒光纤；其掺杂均匀性在250m吸收系数波动在2.5％以内，芯包同心度在0.3μm以下，光纤背景损耗在10dB/km以下；
所述初级隔离器为单极隔离器；
所述初级泵浦光源优选为波长974nm或976nm的单模泵浦激光器。
优选地，所述宽光谱光纤放大系统，其所述初级隔离器在宽光谱下的隔离度大于20dB；所述初级泵浦光源为带制冷蝶形封装泵浦激光器，最大输出功率为400mW。
优选地，所述宽光谱光纤放大系统，其所述次级放大光路依次包括：次级隔离器、次级放大光纤和次级泵浦光源；
所述次级放大光纤优选为基于包层泵浦的铒镱共掺光纤，吸收泵浦光对经初级放大的信号光实现功率放大；更优选为三包层铒镱共掺光纤，其第二包层为圆形掺氟包层；
所述次级隔离器优选为双极隔离器；
所述次级泵浦光源优选为多模泵浦。
优选地，所述宽光谱光纤放大系统，其所述次级隔离器在宽光谱下的最小隔离度为40dB，隔离器最大承受功率为3W；所述次级泵浦光源泵浦峰值功率为10W。
按照本发明的另一个方面，提供了一种多通道光纤放大器，其包括多个本发明提供的宽光谱光纤放大系统，所述多个宽光谱光纤放大系统的初级放大光路共用同一个初级泵浦光源，所述泵浦光源经分光器将功率均分，分别提供给所述多个宽光谱光纤放大系统的初级放大光路。
优选地，所述多通道光纤放大器，其所述多个宽光谱光纤放大系统的次级放大光路具有相互独立的次级泵浦光源；优选的所述次级泵浦功率可调。
优选地，所述多通道光纤放大器，其所述次级泵浦光源反馈调节，使得所述多路光路输入相同功率的信号光，经过光路放大后，得到相同输出功率的信号光，保证各通路的信号功率相当。
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：
本发明提供的一种宽光谱光纤放大系统，采用两级级联的放大光路，由于信号光功率影响信号放大效率，故经初级纤芯泵浦的信号光，在次级包层泵浦的放大光路中，能够高效的保持信号功率而维持更低水平的噪声功率，实现1529nm-1540nm的短波和1565nm-1569nm的长波信噪比更高；本发明为平衡1529nm-1569nm宽光谱波段的信噪比，配合次级的放大性能优化了初级放大光纤的吸收量，保证了在全工作波段范围内的信噪比；本发明使用的初级隔离器可以满足经纤芯泵浦放大后的信号光光功率，在低插损的条件下提供足够的隔离度，可提高长波的输出功率；使用的次级隔离器可增加隔离度保证短波的输出功率。
本发明提供的一种多通道光纤放大器，多路光路共用同一个初级泵浦光源，泵浦光经分光器后均分提供给所有光路，一方面可以降低成本，另一方面更好的保证信号放大的一致性，实现多个通道的次级泵浦效率相当，而避免全光路的尤其是在长波和短波段的性能差异，实现全波段的性能一致性。
附图说明
图1是短波1529nm的光谱图；
图2是长波1569nm的光谱图；
图3是本发明实施例的光路结构图；
图4是本发明实施例的电路结构图。
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：
4为初级泵浦光源，5为初级泵浦分光器，1为第一输入分光器，2为第一输入光电探测器，3为第一输入双极隔离器，6为第一波分复用器，7为第一初级放大光纤，8为第一初级隔离器，9为第一初级输出分光器，10为第一初级输出光电探测器，11为第一次级隔离器，12为第一次级放大光纤，13为第一光纤合束器，14为第一次级泵浦光源，15为第一输出双极隔离器，16为第一次级输出分光器，17为第一次级输出光电探测器，18为第二输入分光器，19为第二输入光电探测器，20为第二输入双极隔离器，21为第二波分复用器，22为第二初级放大光纤，23为第二初级隔离器，24为第二初级输出分光器，25为第二初级输出光电探测器，26为第二次级隔离器，27为第二次级放大光纤，28为第二光纤合束器，29为第二次级泵浦光源，30为第二输出双极隔离器，31为第二次级输出分光器，32为第二次级输出光电探测器。
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。
本发明提供的一种宽光谱光纤放大系统，包括初级和次级级联的放大光路，所述初级放大光路，用于通过纤芯泵浦提高1529nm-1569nm信号光功率至15dBm以上，20dBm以下；所述次级放大光路，用于通过包层泵浦将功率在15dBm以上的经初级放大光路放大的1529nm-1569nm信号光的功率提升至30dBm以上。我们发现信号光功率影响信号包层泵浦光功率放大效率，故经实验证实初级纤芯泵浦的信号光以合适的功率进入次级放大光路，在次级包层泵浦的放大光路中，能够高效的保持信号功率而维持更低水平的噪声功率，从而实现1529nm-1540nm的短波和1565nm-1569nm的长波信噪比更高，如图1和图2所示，初级放大和次级放大级联的放大系统中噪声功率的分量明显较单纯单级放大的小，单级放大中即使提高输出功率，由于在长波和短波区域噪声功率的分量居高不下，从而在全工作波段的性能难以满足要求。
所述初级放大光路依次包括：初级泵浦光源、初级放大光纤和初级隔离器；所述次级放大光路依次包括次级隔离器、次级放大光纤和次级泵浦光源；
所述初级放大光纤为基于纤芯泵浦的掺铒光纤，吸收泵浦光对1529nm-1569nm的信号光实现功率放大至次级包层泵浦的敏感功率区间的同时在较宽的波长范围内保持高信噪比；优选为单包层掺铒光纤，单包层光纤更有利于降低熔接损耗，对1530nm的纤芯吸收系数为5dB/m-40dB/m，总吸收量为60dB-70dB。所述初级放大光纤吸收量过大则短波信噪比降低，太小则长波信噪比降低，本发明为平衡全工作波段的信噪比，配合次级的放大性能优化了初级放大光纤的吸收量。优选初级放大光纤，光纤掺杂均匀性在250m吸收系数波动在2.5％以内，芯包同心度在0.3μm以下，光纤背景损耗在10dB/km以内。所述初级隔离器为单级隔离器，用于隔绝后级回光对放大信号光的噪声干扰，实现低噪声放大，在宽光谱下的隔离度大于20dB，隔离器最大承受功率为3W；所述单极隔离器，可以满足经纤芯泵浦放大后的信号光光功率，在低插损的条件下提供足够的隔离度，可提高长波的输出功率。所述初级泵浦光源为波长974nm或976nm的单模带制冷蝶形封装泵浦激光器，最大输出功率为400mW；所述单模激光器能更好地配合纤芯泵浦。
所述次级放大光纤为基于包层泵浦的铒镱共掺光纤，吸收泵浦光对经初级放大的信号光实现功率放大；优选为三包层铒镱共掺光纤，其第二包层为圆形掺氟包层，相对于玻璃包层为不对称包层的双包层放大光纤的熔接稳定性好，相对于涂料包层则功率耐受性好，具有更长的寿命。优选地，所述次级放大光纤对915nm的包层吸收系数为0.5dB/m-4.5dB/m，其总吸收量为11dB-13dB；吸收量过大，1529nm-1540nm的短波性能不佳，信噪比低；吸收量过小，1565nm-1569nm的长波性能不佳，信噪比低。所述次级隔离器为双极隔离器，用于隔绝光纤输出端面的回光、以及次级放大系统的回光，防止对前级PD监测的影响，在高功率的包层泵浦光路中提供良好的隔离度，在宽光谱下的最小隔离度为40dB，隔离器最大承受功率为3W；所述双极隔离器可增加隔离度保证短波的输出功率。所述次级泵浦光源为波长915nm或940nm的多模反向泵浦，配合初级的信号放大，实现高效的功率放大，泵浦峰值功率为10W。短波和长波在初级放大和次级放大级联的放大系统中，初级放大提升待放大的信号光进入次级功率放大系统中的光功率及信噪比。
一种多通道光纤放大器，包括多个宽光谱光纤放大系统，所述多个宽光谱光纤放大系统的初级放大光路共用同一个初级泵浦光源，所述泵浦光源经分光器将功率均分，分别提供给所述多个宽光谱光纤放大系统的初级放大光路；初级泵浦光源所需的功率较次级为低，多个通道共用初级泵浦光源，一方面可以降低成本，另一方面更好的保证信号放大的一致性，实现多个通道的次级泵浦效率相当，而避免全光路的尤其是在长波和短波段的性能差异，实现全波段的性能一致性。
所述多个宽光谱光纤放大系统的次级放大光路具有相互独立的次级泵浦光源；优选的所述次级泵浦功率可调，更优选地，所述次级泵浦光源反馈调节，使得所述多路光路输入相同功率的信号光，经过光路放大后，得到相同输出功率的信号光，保证各通路的信号功率相当。
以下为实施例：
如图3所示，一种多通道光纤放大器，其光路结构包括：第一宽光谱光纤放大系统、第二宽光谱光纤放大系统；
所述第一宽光谱光纤放大系统和第二宽光谱光纤放大系统共用初级泵浦光源4，由初级泵浦分光器5分光后分别接入第一宽光谱光纤放大系统和第二宽光谱光纤放大系统。
所述第一宽光谱光纤放大系统包括第一输入分光器1，第一输入光电探测器2，第一输入双极隔离器3，第一波分复用器6，第一初级放大光纤7，第一初级隔离器8，第一初级输出分光器9，第一初级输出光电探测器10，第一次级隔离器11，第一次级放大光纤12，第一光纤合束器13，第一次级泵浦光源14，第一输出双极隔离器15，第一次级输出分光器16，第一次级输出光电探测器17。
所述第二宽光谱光纤放大系统和第一宽光谱光纤放大系统包含的器件相同，且两个宽光谱光纤放大系统原理一致。
信号光从所述第一输入分光器1的输入端口进入第一宽光谱光纤放大系统中，从第一输入分光器1的低分光比输出端口输出进入到第一输入光电探测器2，从第一输入分光器1的高分光比输出端口输出进入到第一输入双极隔离器3，初级泵浦光源4发射的泵浦光经初级泵浦分光器5分为两路光路，其中第一初级泵浦光与经过第一输入双极隔离器3的信号光进入第一波分复用器6，耦合进入第一初级放大光纤7，放大后的信号光进入第一初级隔离器8，输出后的信号光进入第一初级输出分光器9，其低分光比输出端口输出的信号光进入第一初级输出光电探测器10，其高分光比输出端口输出的信号光进入第一次级隔离器11，第一次级泵浦光源14发射的次级泵浦光经第一光纤合束器13进入第一次级放大光纤12，放大后的信号光经过第一输出双极隔离器15后进入第一次级输出分光器16，其低分光比输出端口输出的信号光进入第一次级输出光电探测器17，其高分光比输出端口输出的信号光连接第一宽光谱光纤放大系统的输出端口。
所述宽光谱光纤放大系统中采用纯光纤结构搭建，各个器件之间，采用光纤熔接方式进行连接。
所述初级泵浦分光器5为1×2结构分光器，分光比为50:50；
所述初级泵浦光源4经初级泵浦分光器5将两等分的泵浦光分别提供给第一宽光谱光纤放大系统和第二宽光谱光纤放大系统，使得两个放大系统输入相同功率的信号光后，得到相同输出功率的信号光；
所述第一输入分光器1为1×2结构分光器，分光比为5:95或者1:99；
所述第一输入光电探测器2用于检测输入光功率大小，当检测到的光功率大于-7dBm时，开启初级泵浦光源4；
所述第一输入双极隔离器3利用非互异性隔绝后方的回光对于信号光的噪声干扰，保证信号光具有较高的光学信噪比，在波长范围1529nm-1569nm下的最小隔离度为40dB，最大承受功率为3W；
所述第一波分复用器6为980/1550nm熔融拉锥型波分复用器，980nm输入端在1550nm的输入损耗大于30dB，1550nm输入端在980nm的输入损耗大于20dB；
所述第一初级放大光纤7为掺铒光纤，对1530nm的纤芯吸收系数为10dB/m，背景损耗为10dB/km；
所述第一初级隔离器8为单级隔离器，用于隔绝后级回光对放大信号光的噪声干扰，实现低噪声放大，在波长范围1529nm-1569nm下的隔离度大于20dB，隔离器最大承受功率为3W；
所述第一初级输出分光器9为1×2结构分光器，分光比为1:99；
所述第一初级输出光电探测器10为mini封装InGaAs光电二极管，分辨率为0.95A/W，当初级泵浦光源4工作正常时，该点的探测功率为17dBm；
所述第一次级隔离器11为双极隔离器，用于确保第一宽光谱光纤放大系统初级放大输出功率不受后级回光的干扰，在波长范围1529nm-1569nm下隔离度大于40dB，隔离器最大承受功率为3W；
当第一初级输出光电探测器10探测到的功率大于等于13dBm时，开启所述第一次级泵浦光源14；
所述第一次级放大光纤12为铒镱共掺光纤，对915nm包层吸收系数为2.9dB/m，背景损耗为15dB/km；
所述第一光纤合束器13为(1+1)×1结构的光纤合束器，一路传输信号光，另一路传输泵浦光；
所述第一输出双极隔离器15用于隔绝光纤输出端面的回光，在波长范围1529nm-1569nm下的最小隔离度为40dB，隔离器最大承受功率为3W；
所述第一次级输出分光器16为1×2结构分光器，分光比为1:99；
所述第一次级输出光电探测器17为mini封装InGaAs光电二极管，分辨率为0.95A/W；
本实施例使用同一个泵浦光源提供同样的泵浦光，等分比分光器精准控制两个宽光谱光纤放大系统的泵浦光的功率相同，使得两个宽光谱光纤放大系统经过初级放大前的泵浦光和信号光都一样，从源头上控制光纤放大器的两路输入一致，经过两个宽光谱光纤放大系统后，达到两个宽光谱光纤放大系统输出信号光功率一致。
如图4所示，一种多通道光纤放大器工作的电路结构图，包括微处理器及通信电路、初级泵浦驱动器、次级泵浦驱动器、输入光功率探测电路、初级输出光功率探测电路和次级输出光功率探测电路，所述微处理器及通信电路控制宽光谱光纤放大系统中所有有源器件电路。
所述初级泵浦驱动器为恒流源，驱动能力为0～2V可调，0～1A可调；
所述次级泵浦驱动器包括第一次级泵浦驱动器和第二次级泵浦驱动器，驱动能力为0-2V可调，0-10A可调；
所述输入光功率探测电路包括第一输入光功率探测电路和第二输入光功率探测电路，探测范围为-15～5dBm；
所述初级输出光功率探测电路包括第一初级输出光功率探测电路和第二初级输出光功率探测电路，探测范围为-5～20dBm；
所述次级输出光功率探测电路包括第一次级输出光功率探测电路和第二次级输出光功率探测电路，探测范围为0～35dBm。
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 (5)

1.一种应用于产生宽谱扫描信号的多通道光纤放大器，其特征在于，所述多通道光纤放大器包括两个宽光谱光纤放大系统，所述两个宽光谱光纤放大系统的初级放大光路共用同一个初级泵浦光源，所述初级泵浦光源经分光器将功率均分，分别提供给所述两个宽光谱光纤放大系统的初级放大光路；
所述宽光谱光纤放大系统，包括级联的初级放大光路和次级放大光路，所述初级放大光路，用于通过纤芯泵浦提高1529nm-1569nm信号光功率至15dBm以上，20dBm以下；所述次级放大光路，用于通过包层泵浦将功率在15dBm以上的经初级放大光路放大的1529nm-1569nm信号光的功率提升至30dBm以上；
所述初级放大光路所述初级放大光路依次包括：初级泵浦光源、初级放大光纤和初级隔离器；所述初级泵浦光源为波长974nm或976nm的单模泵浦激光器；所述初级放大光纤，为单包层掺铒光纤其对1530nm的纤芯吸收系数为5dB/m-40dB/m，总吸收量为60dB-70dB；
所述次级放大光路依次包括：次级隔离器、次级放大光纤和次级泵浦光源；所述次级泵浦光源为多模泵浦；所述次级放大光纤为基于包层泵浦的铒镱共掺光纤，吸收泵浦光对经初级放大的信号光实现功率放大，其对915nm的包层吸收系数为0.5dB/m-4.5dB/m，总吸收量为11dB-13dB；
使得多通道光纤放大器的两个宽光谱光纤放大系统输入相同功率的信号光后，包含的器件相同，得到相同输出功率的信号光；所述两个宽光谱光纤放大系统的次级放大光路具有相互独立的次级泵浦光源；所述次级泵浦光源功率可调；所述次级泵浦光源反馈调节，使得多路光路输入相同功率的信号光，经过光路放大后，得到相同输出功率的信号光，保证各通路的信号功率相当。
2.如权利要求1所述的应用于产生宽谱扫描信号的多通道光纤放大器，其特征在于，所述初级放大光纤其掺杂均匀性在250m吸收系数波动在2.5％以内，芯包同心度在0.3μm以下，光纤背景损耗在10dB/km以下；
所述初级隔离器为单极隔离器。
3.如权利要求2所述的应用于产生宽谱扫描信号的多通道光纤放大器，其特征在于，所述初级隔离器在宽光谱下的隔离度大于20dB；所述初级泵浦光源为带制冷蝶形封装泵浦激光器，最大输出功率为400mW。
4.如权利要求1所述的应用于产生宽谱扫描信号的多通道光纤放大器，其特征在于，所述次级放大光纤为三包层铒镱共掺光纤，其第二包层为圆形掺氟包层；
所述次级隔离器为双极隔离器。
5.如权利要求1所述的应用于产生宽谱扫描信号的多通道光纤放大器，其特征在于，所述次级隔离器在宽光谱下的最小隔离度为40dB，隔离器最大承受功率为3W。
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