CN1234042C - 掺铒光纤放大器增益特性的监控装置 - Google Patents

Abstract

一种掺铒光纤放大器增益特性的监控装置，其特点是它包括具有长周期光纤光栅的光纤和具有均匀腰部的双锥型光纤，在一设有弧型块的平板上，该弧型块的形状与双锥型光纤的锥型腰部的形状一致，该双锥型光纤的腰部密切贴合弧型块固定放置，所述的写有长周期光栅的光纤紧靠该双锥型光纤放置在平板上，两光纤的包层紧贴；整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里，从长方形盒子引出的两光纤的输出端口各分别接一个连接器。本发明装置的优点是：一种无损耗检测装置，对系统不附加任何插入损耗；非侵入式检测结构，充分利用了长周期光栅损耗的能量，不消耗线路中信号光的能量；响应度高；回波损耗高。

Description

掺铒光纤放大器增益特性的监控装置

技术领域：

本发明涉及掺铒光纤放大器，特别是一种掺铒光纤放大器增益特性的监控装置，主要应用于在线监控利用长周期光纤光栅作增益平坦的的增益特性。

背景技术：

掺铒光纤放大器(以下简称EDFA)是光纤通信系统中的核心器件之一，它的出现大大提高了光传输系统的无中继距离，使光中继变得十分简单，推进了波分复用系统(WDM)的发展。

EDFA的主要优点是工作波段与通信波段一致，与光纤线路的耦合损耗低、稳定性好，对不同调制速率传输信号具有全透明性并可实现双向放大等。主要缺点是在工作带宽内增益曲线不够平坦，从而各个信道增益不平衡，这既限制了无中继跨接距离，也造成了接收端误码率的增大。因此，EDFA的增益平坦化技术已成为目前国内外通信领域的研究热点之一。通常采用两种方法，一是在EDFA中加入增益均衡器，二是改变铒光纤的基质材料或在铒光纤中掺入其它物质。而长周期光纤光栅(LPG)是一种较好的EDFA增益均衡器[《Long-period fiber-grating-based gain equalizers》，Ashish M.Vengsarkar et.al，Optics letters，Vol21(5)，1996，P336-338]，它对EDFA有较好的增益平坦效果，已被大量应用。在监控EDFA是否达到增益平坦效果时，需要监控信道中各信号光强度的变化，通常是提取部分信号光能量，由光功率计探测。这就需要一种分光器件，常见的全光纤分光器件有光纤tap耦合器[http：//www.socnb.com/product/hproduct_e/coupler_appnote01.html]，这是一种基于瞬逝场耦合的器件。Tap耦合器的接入增加了系统的插入损耗，且消耗了部分信号光的能量，是一种侵入式监控方案。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种掺铒光纤放大器增益平坦特性的监控装置，它应是一种非侵入式的无损耗监控装置，制备简单，成本低。

本发明的技术方案的要点是：

一种掺铒光纤放大器增益特性的监控装置，其特点是它包括具有长周期光纤光栅的光纤和具有均匀腰部的双锥型光纤，在一设有弧型块的平板上，该弧型块的形状与双锥型光纤的锥型腰部的形状一致，该双锥型光纤的腰部密切贴合弧型块固定放置，所述的写有长周期光栅的光纤紧靠该双锥型光纤放置在平板上，两光纤的包层紧贴；整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里，从长方形盒子引出的两光纤的输出端口各分别接第一连接器和第二连接器，该第二连接器的输出端接光功率计，该光功率计经反馈回路再与信号光源和泵浦光源相连。

所述的掺铒光纤放大器增益特性的监控装置的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)选用具有光敏性的光纤，采用紫外激光辐照的工艺制作长周期光栅；

(2)双锥型光纤的制作：选用与制作长周期光栅相同的光纤，事先根据长周期光栅的谐振峰值波长，采用有限差分法计算出双锥型光纤的均匀腰部直径大小和长度；然后采用移动热源的熔融拉锥法将光纤无损耗拉锥至腰部直径等于计算所得的直径大小，并满足具有所需的均匀腰部长度要求；

(3)将所制作的具有均匀腰部的双锥型光纤固定在一带有弧型块的平板上，该弧型块的形状与双锥型光纤腰部的锥型区的形状一致，使双锥型光纤密切贴合弧型块放置，用环氧树脂或紫外胶固定其两端，然后将写有长周期光栅的光纤紧靠双锥型光纤放置在平板上，调节长周期光栅的位置，使双锥型光纤的均匀腰部侧面并排放置在长周期光栅后，在接触区，两光纤的包层紧贴；用环氧树脂或紫外胶固定长周期光栅的两端，整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里；

(4)从长方形盒子引出的两光纤的输出端口各分别接第一连接器和第二连接器，该第二连接器的输出端接光功率计，该光功率计经反馈回路再与信号光源和泵浦光源相连。

所述的长方形的盒子选取负温度系数或对温度不敏感的材料制作。

所述的长周期光栅光纤可选用普通单模光纤经过高压载氢后的光纤，或是高掺锗光敏光纤来制作。

所述的双锥型光纤可选用制作长周期光栅相同的光纤，也可以是普通单模光纤来制作。

本发明的基于长周期光纤光栅与双锥型光纤能量耦合用于EDFA增益平坦特性的在线监控装置的工作原理如下：

长周期光纤光栅将纤芯基模的能量耦合到特定波长范围内的包层模，从而在纤芯中损失了该波长范围内的能量，其谐振波长λL_l满足下式：

${\mathrm{\λ}}_L^l=(n_{\mathrm{effcore}}-n_{\mathrm{effclad}}^l)\mathrm{\Λ}----\left(1\right)$

这里n_effcore是纤芯基模的有效折射率，n_effclad ^l是第i个包层模的有效折射率，Λ是长周期光栅的周期。光栅的周期和在制作过程中由紫外光诱导的折射率的调制深度决定谐振波长及能量损耗大小，而光栅长度决定透射光谱的带宽。根据EDFA的光谱特性，设计长周期光栅的透射谱曲线，在1531nm处的损耗高于在1546nm和1557nm处的损耗。

双锥型光纤是经熔融拉锥制作的光纤直径逐渐变化的光纤，在中间区域直径最小，称为腰部。随着纤芯直径的减小，光纤所支持的模式也由纤芯基模向包层模转变，若光纤直径沿纵向的变化满足关系式 $\left|\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{dz}}\right|<<\frac{\mathrm{\&rho;}}{z_b}$ (ρ为光纤的半径，z_b为光纤前两个模式的拍长)，则在光纤中传输的模式可保持无损耗演化，即从纤芯基模演化为包层模再演化为纤芯基模，其能量保持不变。为在两光纤之间达到有效的能量耦合，设计的双锥型光纤具有均匀的腰部，且腰部所支持的模式具有与长周期光栅峰值谐振波长相同的传输常数。将双锥型光纤的均匀腰部从侧面紧贴着放在长周期光栅的后面，如图1所示。当光从光纤2入射，经长周期光栅31在该光纤中激发出波长λlL的包层模，该包层模在两根光纤的接触区域32内传播，在双锥型光纤1的腰部激发出具有相同传输常数的包层模，包层模在双锥型光纤1中演化为纤芯基模输出，从而长周期光栅包层模所携带的能量转移到双锥型光纤1中，由光功率计4接收。光功率计探测到的能量的大小直接送入反馈回路反馈给系统以调节信号光或泵浦光的能量，从而达到监控EDFA增益平坦的作用。根据两波导之间瞬逝场的耦合理论可推导出光功率计接收到的能量为：

$p_{\mathrm{port}3}=\frac{C_{12}^2}{{\mathrm{\&gamma;}}^2}\frac{{\mathrm{\&kappa;}}^2}{{\mathrm{\&kappa;}}^2+{\mathrm{\&delta;}}^2}{\sin }^2\left(\mathrm{\&gamma;}{L}_C\right){\sin }^2\left(L_G\sqrt{{\mathrm{\&kappa;}}^2+{\mathrm{\&delta;}}^2}\right)P_0----\left(2\right)$

其中 $\mathrm{\&gamma;}=\sqrt{{({\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_2)}^2+4C_{12}{C}_{21}}/2,$ β₁和β₂分别为两包层模的传输常数；C₁₂和C₂₁为两包层模的耦合系数，其值的大小取决于两光纤之间的距离，两光纤靠得越近，瞬逝场的叠加越大，C₁₂和C₂₁也越大；κ为长周期光栅的耦合系数；δ为长周期光栅的失谐参数；P₀为光纤2中的初始输入功率。当接触区域32的长度L_C满足γL_C＝mπ/2(m为奇数)，长周期光栅中包层模的能量完全转移到双锥型光纤中，最短的距离为L_C＝π/(2γ)。在实际应用中只需要探测器可以探测到能量即可，从而接触区的长度可以小于L_C，即双锥型光纤均匀腰部的长度可以很短，这在制作过程中很容易实现，从而使该装置具有实际的可行性。

图2是根据原理图1在实验中由光谱仪所测得的从两根光纤分别输出的光功率谱曲线。实验中用的长周期光栅为普通光栅，长4厘米，周期为450微米；双锥型光纤均匀腰部的长度约为3毫米。

本发明的基于长周期光纤光栅与双锥型光纤能量耦合用于EDFA增益平坦特性的在线监控装置的优点是：

(1)这是一种无损耗检测方法，对系统不附加任何插入损耗；

(2)非侵入式检测结构，充分利用了长周期光栅损耗的能量，不消耗线路中信号光的能量；

(3)响应度高；

(4)回波损耗高。

附图说明：

图1是本发明掺铒光纤放大器增益特性的监控装置——长周期光纤光栅与双锥型光纤瞬逝场能量耦合的原理图。

图2是实验测得的根据原理图1所示的从两光纤分别输出的光功率谱曲线。

图3是本发明掺铒光纤放大器增益特性的监控装置实施例的示意图。

图4、基于长周期光纤光栅与双锥型光纤之间瞬逝场耦合用于在线监控EDFA增益平坦特性的具体实施示意图。

具体实施方式：

先请参阅图3，图3是本发明的掺铒光纤放大器增益特性的监控装置示意图，它包括具有长周期光纤光栅31的光纤2和具有均匀腰部32的双锥型光纤1，在一设有弧型块34的平板3上，该弧型块34的形状与双锥型光纤1的锥型腰部的形状一致，该双锥型光纤1的腰部密切贴合弧型块34而固定放置，所述的写有长周期光栅31的光纤2紧靠该双锥型光纤1放置在平板3上，两光纤的包层紧贴；整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里，从长方形盒子引出的两光纤的输出端口分别各接第一连接器5和第二连接器6。

本发明的基于长周期光纤光栅与双锥型光纤能量耦合用于EDFA增益平坦特性的监控装置的具体制备方法：

(1)本发明的长周期光纤光栅31，可采用多种具有光敏性的光纤2，例如普通单模光纤经过高压载氢后的光纤，或是高掺锗光敏光纤等；光栅采用紫外激光辐照的工艺制作；在制作过程中，写入事先根据掺铒光纤放大器的增益谱特性所设计的在不同波长处损耗峰值不一样的长周期光栅。

(2)本发明的双锥型光纤1，可采用与制作长周期光栅相同的光纤，或普通单模光纤；在制作过程中，事先根据长周期光栅31的谐振峰值波长，采用有限差分法计算出双锥型光纤的均匀腰部直径大小；然后采用移动热源的熔融拉锥法将光纤无损耗拉锥至腰部直径等于计算所得的直径大小；双锥型光纤的均匀腰部长度可以从几个毫米到几个厘米；双锥型光纤的形状只需满足具有所需的均匀腰部长度即可。

(3)如图3所示，将所制作的具有均匀腰部的双锥型光纤1固定在一带有弧型块34的平板3上，弧型块34的形状与双锥型光纤1的锥型区的形状一致，双锥型光纤1可以密切贴合弧型块34放置，用环氧树脂或紫外胶33固定其两端，然后将写有长周期光栅31的光纤2紧靠双锥型光纤1放置在平板3上，调节长周期光栅31的位置，使双锥型光纤1的均匀腰部紧接着侧面并排放置在长周期光栅31后，在接触区32，两光纤的包层紧贴；用环氧树脂或紫外胶固定长周期光栅的两端，整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里，该盒子最好选取负温度系数或对温度不敏感的材料制作，从长方形盒子引出的两光纤的输出端口分别接第一连接器5和第二连接器6。

基于长周期光纤光栅与双锥型光纤之间瞬逝场的能量耦合用于EDFA增益平坦特性的监控装置的具体应用如图4所示。

根据EDFA的增益谱曲线设计特殊的长周期光纤光栅31，根据长周期光栅31的峰值波长设计双锥型光纤1的均匀腰部直径大小以及所需的长度。由熔融拉锥法制作双锥型光纤1，并将其与长周期光栅31按图3所示封装在一个恒温的长方形盒子里。信号光源7的信号光通过隔离器8与由980nm的泵浦光源9输出的泵浦光同时进入波分复用器10，由波分复用器10输出的光进入掺铒光纤11，同时980nm的泵浦光源12输出的泵浦光经波分复用器13进行反向泵浦，从掺铒光纤输出的光进入本发明EDFA的增益平坦监控装置3，增益平坦后从第一连接器5输出信号光，同时从第二连接器6输出的光进入光功率计4探测，并进入反馈回路14，同时控制调整输入信号光源7和泵浦光源9的输出功率，使其维持EDFA的增益平坦特性。

Claims (5)

1、一种掺铒光纤放大器增益特性的监控装置，其特征在于它包括具有长周期光纤光栅(31)的光纤(2)和具有均匀腰部(32)的双锥型光纤(1)，在一设有弧型块(34)的平板(3)上，该弧型块(34)的形状与双锥型光纤(1)的锥型腰部的形状一致，该双锥型光纤(1)的腰部密切贴合弧型块(34)固定放置，所述的写有长周期光栅(31)的光纤(2)紧靠该双锥型光纤(1)放置在平板(3)上，两光纤的包层紧贴；整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里，从长方形盒子引出的两光纤的输出端口分别接第一连接器(5)和第二连接器(6)，该第二连接器(6)的输出端接光功率计(4)，该光功率计(4)经反馈回路(14)再与信号光源(7)和泵浦光源(9)相连。

2、权利要求1所述的掺铒光纤放大器增益特性的监控装置的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)选用具有光敏性的光纤(2)，采用紫外激光辐照的工艺制作长周期光栅(31)；

(2)双锥型光纤(1)的制作：选用与制作长周期光栅(31)相同的光纤，事先根据长周期光栅(31)的谐振峰值波长，采用有限差分法计算出双锥型光纤(1)的均匀腰部直径大小和长度；然后采用移动热源的熔融拉锥法将光纤无损耗拉锥至腰部直径等于计算所得的直径大小，并满足具有所需的均匀腰部长度要求；

(3)将所制作的具有均匀腰部的双锥型光纤(1)固定在一带有弧型块(34)的平板(35)上，该弧型块(34)的形状与双锥型光纤(1)腰部的锥型区的形状一致，使双锥型光纤(1)密切贴合弧型块(34)放置，用环氧树脂或紫外胶(33)固定其两端，然后将写有长周期光栅(31)的光纤(2)紧靠双锥型光纤(1)放置在平板(35)上，调节长周期光栅(31)的位置，使双锥型光纤(1)的均匀腰部侧面并排放置在长周期光栅(31)后，在接触区(32)，两光纤的包层紧贴；用环氧树脂或紫外胶固定长周期光栅(31)的两端，整个结构封装在一个恒温的长方形的盒子里；

(4)从长方形盒子引出的两光纤的输出端口分别接第一连接器(5)和第二连接器(6)，该第二连接器(6)的输出端接光功率计(4)，该光功率计(4)经反馈回路(14)再与信号光源(7)和泵浦光源(9)相连。

3、根据权利要求2所述的掺铒光纤放大器增益特性的监控装置的制备方法，其特征在于所述的长方形的盒子选取负温度系数或对温度不敏感的材料制作。

4、根据权利要求2所述的掺铒光纤放大器增益特性的监控装置的制备方法，其特征在于所述的长周期光栅(31)光纤(2)选用普通单模光纤经过高压载氢后的光纤，或是高掺锗光敏光纤来制作。

5、根据权利要求2所述的掺铒光纤放大器增益特性的监控装置的制备方法，其特征在于所述的双锥型光纤(1)是选用普通单模光纤代替制作长周期光栅(31)相同的光纤。

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