CN113213754B - 基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信器件技术领域，更具体地，涉及一种基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置及方法，装置中同时包含光致退火与热致退火两部分，适用于空间星载通信中的光放大器。该装置包括增益光纤、光子灯笼耦合结构、退火泵浦光源和分布式加热光纤，所述增益光纤位于星载光放大器中呈环状分布，所述光子灯笼耦合结构位于最内环增益光纤的某点处；退火泵浦光源并列排布于光子灯笼耦合结构的前端，分布式加热光纤位于增益光纤的最外环，多模光纤作为退火泵浦光源的输出光纤，直接插入光子灯笼耦合结构中，光子灯笼耦合结构的输出端接入增益光纤。

Description

基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置及方法

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，更具体地，涉及一种基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置及方法，装置中同时包含光致退火与热致退火两部分，适用于空间星载通信中的光放大器。

背景技术

在辐射环境下，光纤的芯层和包层中会形成电子空穴对，而这些电子和空穴在光纤自身缺陷和杂质的位置上很容易被俘获，产生新的缺陷中心，这种缺陷中心通常被称为“色心”。色心效应导致光纤的缺陷增多并使光纤对抽运光和信号光的吸收增加，以至于光纤的损耗增加。高能辐射在固体中产生的缺陷可以在晶格中运动，此时辐射造成损伤可以随着缺陷的运动而减轻。

光致退火中，高功率的退火光为晶格中的缺陷提供了更多的动能，加速了晶格的恢复速度；且增益光纤中的铒离子可以吸收退火光并使光纤纤芯的温度升高，导致材料中的粒子热运动更加剧烈，提升了载流子的复合速率，最终使晶格中因辐照造成的损耗更容易得到恢复。随着光功率的增强和波长的变短，光退色的效果会变得更明显。所以可以用大功率的976nm泵浦光作为退火光加快被辐照光纤的光退色恢复速度，以此抑制光纤在空间辐射环境下形成的色心。

热致退火中，是将辐射后的光纤置于高温环境中，使光纤中的缺陷恢复过程加快。热致退火用高温加快了光纤中因辐射而产生的载流子的运动和复合，从而加快了退火的进程，并且高温使光纤中自由的载流子增多，加快损伤的恢复。

光子灯笼是一种将单模波导与多模波导通过一个锥形过渡区相连接的低损耗器件，通常将单模光纤嵌入到基底材料中熔融拉锥制作。光子灯笼作为一种锥形合束器，其特殊的结构特点使包层与纤芯的芯径等比例缩小，因而具有模式传播稳定、结构紧凑、传输效率高等诸多优势。

发明内容

本发明所用的光子灯笼中，将多根多模光纤和一根单模光纤组成的光纤束进行拉锥后，输出光纤收缩成为单根单模光纤。多点侧向泵浦技术指将大功率泵浦光通过多模光纤通入，从侧方向经过锥形过渡区耦合到输出光纤中。

星载光纤放大器作为星际卫星光通信中的核心光器件，对空间辐射非常敏感。通常情况下，当掺杂增益光纤受到的总辐射剂量到达krad量级时，光放大器的工作性能就会受到较大影响。光致退火技术和热致退火技术可以抑制光纤内形成的色心结构，起到提升光纤放大器抗辐照性能的作用。

本发明旨在将光致退火与热致退火两种技术同时应用于星载光放大器的退火过程，实现一种可以增强退火效果、提升光放大器抗辐照性能的退火增强装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，该装置包括增益光纤、光子灯笼耦合结构、退火泵浦光源和分布式加热光纤，所述增益光纤位于星载光放大器中呈环状分布，所述光子灯笼耦合结构位于最内环增益光纤的某点处；退火泵浦光源并列排布于光子灯笼耦合结构的前端，分布式加热光纤位于增益光纤的最外环，多模光纤作为退火泵浦光源的输出光纤，直接插入光子灯笼耦合结构中，光子灯笼耦合结构的输出端接入增益光纤；退火泵浦光源直接耦合接入光子灯笼耦合结构的输入端，光子灯笼耦合结构的输出端与增益光纤相连，增益光纤的最外环为分布式加热光纤；

退火泵浦光源产生的大功率泵浦光借助光子灯笼耦合结构进入增益光纤中，合束光经过最外环的增益光纤时通过分布于外环的分布式加热光纤。

本技术方案进一步的优化，所述光子灯笼耦合结构包括多模光纤、第一双包层单模光纤、锥形过渡区和第二双包层单模光纤，多根多模光纤和第一双包层单模光纤位于锥形过渡区的前端，第二双包层单模光纤位于锥形过渡区的后端。

本技术方案更进一步的优化，多模光纤输入端口位于第一双包层单模光纤输入端口周围呈对称式分布。

本技术方案更进一步的优化，所述锥形过渡区的输入端面上，第一双包层单模光纤输入端口位于锥形过渡区的输入端面的几何中心点。

本技术方案更进一步的优化，所述多模光纤数量为M，M＝4。

本技术方案更进一步的优化，所述多模光纤和第一双包层单模光纤通过锥形过渡区完成与第二双包层单模光纤的耦合。

本技术方案进一步的优化，所述分布式加热光纤包括增益光纤、合金加热丝和松套管，合金加热丝紧贴增益光纤环绕分布，最外层设有松套管。

本技术方案更进一步的优化，所述合金加热丝数量为N根，N＝6。

本技术方案更进一步的优化，所述增益光纤位于合金加热丝排列位置的中心，合金加热丝紧贴增益光纤呈环绕分布。

本技术方案进一步的优化，所述退火泵浦光源的波长为976nm。

基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强方法，采用上述的星载光放大器光热退火增强装置，该方法包括如下步骤：

在退火系统开始工作时，退火泵浦光源产生M束大功率的泵浦光，各束泵浦光从侧方向通过光子灯笼耦合结构2与信号光合束后从单模输出光纤10输出，进入星载光放大器环形分布的增益光纤1内。大功率的退火泵浦光与增益光纤1发生高效率的能量转化，实现光致退火。

退火系统工作阶段，分布式加热光纤5开始通电加热，合金加热丝8紧贴增益光纤1呈环绕式分布，与增益光纤1之间完成高效率的热量传递，增益光纤1的温度迅速上升，实现热致退火。

本技术方案更进一步的优化，所述单模光纤为双包层单模光纤

本技术方案更进一步的优化，所述单模输出光纤为双包层单模光纤。

区别于现有技术，上述技术方案有益效果如下：

本发明提出了一种基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，利用光子灯笼耦合结构的高效率泵浦光多点侧向耦合以及分布式加热光纤的快速光纤加热实现对星载光纤放大器的高质量光热退火。该装置可以同时实现光致退火和热致退火两个过程，实现两种技术的叠加退火，最终的退火效果将得到较大程度的增强。光子灯笼耦合结构具有耦合效率高、传输损耗低的特点，可以保证泵浦光与增益光纤之间的充分作用，提升光致退火增强效果。分布式加热光纤中合金加热丝与增益光纤之间紧贴分布，温度提升速率快且加热温度高，可以有效增强热致退火的效果。此外，由于装置结构简单、无机械结构，集成化程度很高，对于提高星载光纤放大器抗辐照性能具有较高的应用价值。

附图说明

图1为基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置结构示意图；

图2为本发明中多点侧向泵浦光子灯笼耦合装置的结构示意图；

图3为本发明中分布式加热光纤的结构示意图。

附图标记说明：

1.增益光纤，2.光子灯笼耦合结构，3.退火泵浦光源，4.多模光纤，5.分布式加热光纤，6.双包层单模光纤，7.锥形过渡区，8.合金加热丝，9.松套管,10.单模输出光纤。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1所示，本发明优选一实施例基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置结构示意图。该装置包括增益光纤1、光子灯笼耦合结构2、退火泵浦光源3和分布式加热光纤5。星载光放大器中的增益光纤1呈环状分布，光子灯笼耦合结构2位于最内环增益光纤的某点处，退火泵浦光源3并列排布于光子灯笼耦合结构2的前端，分布式加热光纤5位于增益光纤1的最外环。退火泵浦光源3直接耦合接入光子灯笼耦合结构2的输入端，光子灯笼耦合结构2的输出端与增益光纤1相连，增益光纤1的最外环为可自加热的分布式加热光纤5。退火泵浦光源3产生的大功率泵浦光借助光子灯笼耦合结构2进入增益光纤1中，合束光经过最外环的增益光纤1时通过分布于外环的分布式加热光纤5。

退火泵浦光源3产生的大功率泵浦光从侧方向通过光子灯笼耦合结构2与信号光合束，合束光从输出端进入增益光纤1内，退火泵浦光与增益光纤1发生高效率的能量转化，实现光致退火。当合束光通过分布于外环增益光纤的分布式加热光纤5时，被合金丝加热的增益光纤温度较高，实现热致退火。

如图2所示，该实施例用于侧向泵浦的光子灯笼耦合结构示意图。光子灯笼耦合结构2包括多模光纤4、第一双包层单模光纤6、锥形过渡区7和第二双包层单模光纤10。多根多模光纤4和第一双包层单模光纤6位于锥形过渡区7的前端，第二双包层单模光纤10位于锥形过渡区7的后端。多模光纤4和第一双包层单模光纤6通过锥形过渡区7完成与第二双包层单模光纤10的耦合。在锥形过渡区7的输入端面上，第一双包层单模光纤6输入端口位于输入端面的几何中心点，多模光纤4输入端口位于双包层单模光纤6输入端口周围呈对称式分布。信号光和放大泵浦光在第一双包层单模光纤6中传播，退火泵浦光在多模光纤4中传播，经过锥形过渡区7后合束至第二双包层单模光纤10继续传播。多模光纤4数量为M根，该实施例取M＝4。单模输出光纤10为双包层单模光纤，输入端与输出端之间为锥形耦合区，保证低损耗的侧向泵浦光耦合。

如图3所示，为该实施例分布式加热光纤的结构示意图。分布式加热光纤包括增益光纤1、合金加热丝8和松套管9。合金加热丝8紧贴增益光纤1环绕分布，最外层设有松套管9保护，防止内部光纤折断。分布式加热光纤中合金加热丝环绕分布在增益光纤周围，合金加热丝8共有N根，该实施例取N＝6。增益光纤1位于合金加热丝8排列位置的中心，合金加热丝8紧贴增益光纤1呈环绕分布，与增益光纤1的距离越短加热效果越好。最外层设有松套管9保护，防止内部光纤折断。

该实施例提出的星载光放大器光热退火增强装置是基于多点侧向泵浦的光致退火技术和环绕分布式加热光纤结构。大功率的退火泵浦光从侧方向通过光子灯笼耦合结构2与信号光合束，合束光从单模输出光纤输10出进入环形分布的增益光纤1内，大功率的退火泵浦光与增益光纤1发生高效率的能量转化，实现光致退火。退火泵浦光波长为976nm。分布式加热光纤5中，合金加热丝紧贴增益光纤呈环绕式分布，与增益光纤1之间完成高效率的热量传递，温度提升速率快，实现热致退火。

该实施例中，利用基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置实现对放大器抗辐照性能的提升。在退火阶段，光致退火部分与热致退火部分同时进行工作且互不影响，可以提升整个退火系统的工作质量。退火泵浦光源产生的大功率泵浦光与增益光纤1充分发生作用，实现高质量的光致退火，环绕分布式加热光纤5中的合金加热丝通电加热，提升增益光纤1的温度，实现高质量的热致退火。整个退火系统与放大器的工作系统相互独立，能够进行分时工作，因而可以在对原有工作系统不产生干扰的情况下实现高质量的退火。根据实际需求，可以调整退火泵浦光源的数量以及合金加热丝的数量。

基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强方法：

在退火系统开始工作时，退火泵浦光源产生M束大功率的泵浦光，各束泵浦光从侧方向通过光子灯笼耦合结构2与信号光合束后从单模输出光纤10输出，进入星载光放大器环形分布的增益光纤1内。大功率的退火泵浦光与增益光纤1发生高效率的能量转化，实现光致退火。

退火系统工作阶段，分布式加热光纤5开始通电加热，合金加热丝8紧贴增益光纤1呈环绕式分布，与增益光纤1之间完成高效率的热量传递，增益光纤1的温度迅速上升，实现热致退火。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，该装置包括增益光纤、光子灯笼耦合结构、退火泵浦光源和分布式加热光纤，所述增益光纤位于星载光放大器中呈环状分布，所述光子灯笼耦合结构位于最内环增益光纤的某点处；退火泵浦光源并列排布于光子灯笼耦合结构的前端，分布式加热光纤位于增益光纤的最外环，多模光纤作为退火泵浦光源的输出光纤，直接插入光子灯笼耦合结构中，光子灯笼耦合结构的输出端接入增益光纤；退火泵浦光源直接耦合接入光子灯笼耦合结构的输入端，光子灯笼耦合结构的输出端与增益光纤相连，增益光纤的最外环为分布式加热光纤；

退火泵浦光源产生的大功率泵浦光借助光子灯笼耦合结构进入增益光纤中，合束光经过最外环的增益光纤时通过分布于外环的分布式加热光纤。

2.如权利要求1所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述光子灯笼耦合结构包括多模光纤、第一双包层单模光纤、锥形过渡区和第二双包层单模光纤，多根多模光纤和第一双包层单模光纤位于锥形过渡区的前端，第二双包层单模光纤位于锥形过渡区的后端。

3.如权利要求2所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，多模光纤输入端口位于第一双包层单模光纤输入端口周围呈对称式分布。

4.如权利要求2所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述锥形过渡区的输入端面上，第一双包层单模光纤输入端口位于锥形过渡区的输入端面的几何中心点。

5.如权利要求2所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述多模光纤数量为M，M＝4。

6.如权利要求2所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述多模光纤和第一双包层单模光纤通过锥形过渡区完成与第二双包层单模光纤的耦合。

7.如权利要求1所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述分布式加热光纤包括增益光纤、合金加热丝和松套管，合金加热丝紧贴增益光纤环绕分布，最外层设有松套管。

8.如权利要求7所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述合金加热丝数量为N根，N＝6。

9.如权利要求7所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述增益光纤位于合金加热丝排列位置的中心，合金加热丝紧贴增益光纤呈环绕分布。

10.如权利要求1所述的基于侧向泵浦的星载光放大器光热退火增强装置，其特征在于，所述退火泵浦光源的波长为976nm。

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