CN1271800C

CN1271800C - 宽带光纤参量放大器

Info

Publication number: CN1271800C
Application number: CNB2004100252140A
Authority: CN
Inventors: 姜淳; 高明义; 胡卫生
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: CN1595842A

Abstract

一种宽带光纤参量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器及四级依次级联的高非线性光纤构成。第一级光纤的零色散波长与泵浦光波长接近，第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，第三、四级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为负值。泵浦光和信号光经波分复用器耦合后，依次进入四级光纤，在第一级光纤后产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光波长左右成近似对称分布但不平坦，经第二级光纤后增益谱曲线的不平坦度降低，经第三级和第四级光纤后，增益谱得到修正，其平坦度达到0.5dB以内。本发明可以覆盖全波光纤的低损耗窗口，从而可充分利用全波光纤的带宽，推动WDM光纤通信系统的发展。

Description

宽带光纤参量放大器

技术领域

本发明涉及一种宽带光纤参量放大器(FOPA)，尤其涉及一种四级高非线性光纤级联的宽带光纤参量放大器，适用于光纤通信系统和网络。

背景技术

目前，在光传输技术方面，无水峰的全波光纤(低损耗窗口从1280nm到1625nm)已经商用，掺铒光纤放大器(EDFA)仅能提供1530-1625nm波长范围光信号的放大，不能满足密集波分复用(DWDM)系统进一步扩容的要求。采用多波长泵浦的光纤拉曼放大器能提供100nm左右的宽带放大，尽管从理论上分析，采用分带泵浦结构，拉曼放大器的平坦带宽能覆盖全波光纤的整个低损耗窗口，但需要采用全波段的复用器和解复用器，这大大增加了插入损耗，引起系统功率代价升高，降低了系统的传输性能。因此，研究新型宽带光纤放大器，特别是增益带宽覆盖整个全波光纤低损耗窗口的光纤放大器是WDM(波分复用)通信系统的研究主题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种四级高非线性光纤级联的宽带光纤参量放大器，使光纤参量放大器的平坦带宽可以覆盖全波光纤的低损耗窗口。

为了实现这样的目的，在本发明的技术方案中，宽带光纤参量放大器由泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器，信号耦合器、波分复用器、第一级高非线性光纤、第二级高非线性光纤、第三级高非线性光纤和第四级高非线性光纤构成。泵浦激光器的输出经泵浦耦合器连接波分复用器，信号激光器的输出经信号耦合器连接波分复用器，波分复用器的输出端连接到依次级联的四级高非线性光纤。由波分复用器将泵浦光和信号光复用到依次级联的四级高非线性光纤中发生非线性四波混频作用，从而实现了参量放大的效果。其中，第一级光纤的零色散波长与泵浦光波长接近，第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，而第三、第四级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为负值。

泵浦激光器发射出的泵浦光经泵浦耦合器耦合后输入波分复用器，同样信号激光器发射出的信号光经信号耦合器耦合后也输入波分复用器，泵浦光和信号光经波分复用器耦合后，依次进入第一级，第二级，第三级，第四级高非线性光纤。输入信号光和泵浦光进入第一级光纤后将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光波长左右成近似对称分布，但不平坦。然后信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分被抬起，增益谱曲线的不平坦度(最大增益与最小增益之差)降低。经过第三级和第四级光纤后，增益谱得到修正，其平坦度达到0.5dB以内。

本发明的光纤参量放大器的平坦带宽和增益取决于第一级光纤的物理参数如零色散波长、二阶色散和四阶色散、光纤长度以及泵浦光波长和泵浦光功率，第二、第三、第四级光纤的作用在于使第一级光纤产生的增益谱变得平坦。

本发明的光纤参量放大器的第一级光纤、第二级光纤、第三级光纤、第四级光纤的长度在0.1-300米之间，光纤的非线性系数在1-300W^-1.Km^-1之间，四阶色散绝对值小于1.0×10^-4ps⁴km^-1。第一级光纤的零色散波长位于1300-1650nm范围，即覆盖全波光纤的低损耗窗口。第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，而第三、第四级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为负值。

本发明的结构简单，实现容易，通过参数的适当选取，可以得到平坦带宽覆盖全波光纤低损耗窗口的光纤参量放大器，从而可以充分利用全波光纤的带宽，推动WDM光纤通信系统的发展。

附图说明

图1为本发明的宽带光纤参量放大器的结构示意图。

图2为带宽为225nm的宽带光纤参量放大器的增益谱图。

图2中，G₁，G₂，G₃，G₄分别是经过第一，二，三，四级高非线性光纤后的增益谱。

图3为带宽为320nm的宽带光纤参量放大器的增益谱图。

图3中，G₁，G₂，G₃，G₄分别是经过第一，二，三，四级高非线性光纤后的增益谱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的宽带光纤参量放大器的结构如图1所示，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器、第一级高非线性光纤、第二级高非线性光纤、第三级高非线性光纤和第四级高非线性光纤构成。泵浦激光器的输出经泵浦耦合器连接波分复用器，信号激光器的输出经信号耦合器连接波分复用器，波分复用器的输出端连接到依次级联的四级高非线性光纤，由波分复用器将泵浦光和信号光复用到依次级联的四级高非线性光纤中发生非线性四波混频作用，实现参量放大。

第一级光纤的零色散波长与泵浦光波长接近，第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，而第三、第四级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为负值。

泵浦激光器发射出的泵浦光经泵浦耦合器耦合后输入波分复用器，同样信号激光器发射出的信号光经信号耦合器耦合后也输入波分复用器，泵浦光和信号光经波分复用器耦合后，依次进入第一级，第二级，第三级，第四级高非线性光纤。四级高非线性光纤使用光纤连接器连接起来，一般接口损耗在0.6dB左右。输入信号光和泵浦光进入第一级光纤后将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光波长左右成近似对称分布，但不平坦。然后信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分被抬起，从而减小了第一级光纤所产生的增益抖动。经过第三级和第四级光纤后，增益谱得到进一步修正，其平坦度达到0.5dB以内。

以下实施例是对本发明的具体说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

225nm带宽的情形。放大器的参数如表1所示，其中泵浦光功率P₀＝0.5W，光纤四阶色散系数β₄＝-5×10^-6ps⁴km^-1。第一级高非线性光纤长度L₁＝210m，二阶色散系数β₂₁＝0.0ps²km^-1。第二级高非线性光纤长度L₂＝28m，二阶色散系数β₂₂＝2.47×10^-2ps²km^-1。第三级高非线性光纤长度L₃＝112m，二阶色散系数β₂₃＝-1.12×10^-2ps²km^-1。第四级高非线性光纤长度L₄＝11m，二阶色散系数β₂₄＝-5.31×10^-2ps²km^-1。所有光纤的非线性系数γ为20W^-1.Km^-1。本发明首先通过求解非线性薛定谔方程，得到宽带光纤参量放大器的增益函数，然后利用遗传算法来得到这四级高非线性光纤参数的最优值。第一级光纤的零色散波长与泵浦光波长接近，即在泵浦光波长λp＝1550nm处二阶色散β₂＝0；第一级光纤决定了宽带光纤参量放大器增益水平和增益带宽，因此为了产生一个大的增益，取第一级光纤长度为210m；为了满足相位匹配条件，需要使四阶色散β₄为负值，取β₄＝-5×10^-6ps⁴km^-1。输入信号光和泵浦光经波分复用耦合器耦合进第一级光纤后将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光波长左右成近似对称分布，但不平坦，如图2中的增益谱线G₁所示。第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，β₂＝2.47×10^-2ps²km^-1，它利用不满足相位匹配条件时在正常色散区产生参量增益，交叉调制的结果会产生一个二次增大的增益，这级光纤长度为28m。信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分被抬起，增益谱曲线的不平坦度(最大增益与最小增益之差)降低，如图2中的增益谱线G₂所示。第三级光纤的二阶色散为负值，β₂＝-1.12×10^-2ps²km^-1，它用于在一个反常色散光纤中提供一个近似方形的增益，从而减小第一级光纤所产生的增益抖动。这级光纤长度为112m。第四级光纤的二阶色散也为负值，β₂＝-5.31×10^-2ps²km^-1，它用于抑制第三级光纤残留下来的增益抖动，这级光纤长度为11m。所以经过第三级和第四级光纤后，宽带光纤参量放大器的增益谱得到进一步修正，其平坦度达到0.5dB以内，如图2中的增益谱线G₃，G₄所示。除此之外，各级光纤连接处的损耗也是需要考虑的，一般高非线性光纤的接口损耗在0.6dB左右，也就是说功率将损耗13％，所以在计算时第k段光纤入口处泵浦功率应调整为P_k＝P₀·α^(k-1)，α＝0.87，其中P₀＝0.5W。总之，第一级光纤用于产生一个大的增益，后面三级光纤用于拉平增益谱。通过对四级光纤参数的优化设计，最终得到了增益带宽225nm的宽带光纤参量放大器，其增益平坦度小于0.5dB。

实施例2：

320nm带宽的情形，放大器的参数如表2所示。增益带宽为320nm的宽带光纤参量放大器的具体设计方法同上，所不同的是各级高非线性光纤的优化参数。其中泵浦光功率P₀＝1W，光纤四阶色散系数β₄＝-2×10^-5ps⁴km^-1。第一级高非线性光纤长度L₁＝105m，二阶色散系数β₂₁＝0ps²km^-1。第二级高非线性光子光纤L₂＝15m，二阶色散系数β₂₂＝2.03×10^-2ps²km^-1。第三级高非线性光纤长度L₃＝56m，二阶色散系数β₂₃＝-0.99×10^-2ps²km^-1。第四级高非线性光纤长度L₄＝5m，二阶色散系数β₂₄＝-5.28×10^-2ps²km^-1。所有光纤的非线性系数γ为20W^-1.Km^-1。第一级光纤的零色散波长与泵浦光波长接近，即在泵浦光波长λp＝1550nm处二阶色散β₂＝0；第一级光纤决定了宽带光纤参量放大器增益水平和增益带宽，因此为了产生一个大的增益，取第一级光纤长度为105m；为了满足相位匹配条件，需要使四阶色散β₄为负值，取β₄＝-2×10^-5ps⁴km^-1。输入信号光和泵浦光经波分复用耦合器耦合进第一级光纤后将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光波长左右成近似对称分布，但不平坦，如图3中的增益谱线G₁所示。第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，β₂＝2.03×10^-2ps²km^-1，它利用不满足相位匹配条件时在正常色散区产生参量增益，交叉调制的结果会产生一个二次增大的增益，这级光纤长度为15m。信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分被抬起，增益谱曲线的不平坦度(最大增益与最小增益之差)降低，如图3中的增益谱线G₂所示。第三级光纤的二阶色散为负值，β₂＝-0.99×10^-2ps²km^-1，它用于在一个反常色散光纤中提供一个近似方形的增益，从而减小第一级光纤所产生的增益抖动。这级光纤长度为56m。第四级光纤的二阶色散也为负值，β₂＝-5.28×10^-2ps²km^-1，它用于抑制第三级光纤残留下来的增益抖动，这级光纤长度为5m。所以经过第三级和第四级光纤后，宽带光纤参量放大器的增益谱得到进一步修正，其平坦度达到0.5dB以内，如图3中的增益谱线G₃，G₄所示。除此之外，各级光纤连接处的损耗也是需要考虑的，一般高非线性光纤的接口损耗在0.6dB左右，也就是说功率将损耗13％，所以在计算时第k段光纤入口处泵浦功率应调整为P_k＝P₀·α^(k-1)，α＝0.87，其中P₀＝1W。通过对四级光纤参数的优化设计，最终得到了增益带宽320nm的宽带光纤参量放大器，其增益平坦度小于0.5dB。

本发明的光纤参量放大器的平坦带宽和增益取决于第一级光纤的物理参数如零色散波长、二阶色散和四阶色散、光纤长度以及泵浦光波长和泵浦光功率，第二、第三、第四级光纤的作用在于使第一级光纤产生的增益谱变得平坦。适当的选取这些参数，可以得到平坦带宽覆盖全波光纤低损耗窗口的光纤参量放大器，从而可以充分利用全波光纤的带宽，推动WDM光纤通信系统的发展。

表1为带宽225nm的宽带光纤参量放大器的优化参数，表中L为光纤的长度，β₂为二阶色散系数，β₄为四阶色散系数，P₀为泵浦光功率，γ为光纤非线性系数，bandwidth为得到的宽带光纤参量放大器的增益带宽。

光纤	1	2	3	4
光纤	1	2	3	4	L(m)	210	28	112	11
β₂(×10^-2ps²km^-1)	0	2.47	-1.12	-5.31	L(m)	210	28	112	11
β₂(×10^-2ps²km^-1)	0	2.47	-1.12	-5.31	γ＝20W^-1.Km^-1，P₀＝0.5W，β₄＝-5×10^-6ps⁴km^-1，bandwidth＝225nm

表2为带宽320nm的宽带光纤参量放大器的优化参数，表中L为光纤的长度，β₂为二阶色散系数，β₄为四阶色散系数，P₀为泵浦光功率，γ为光纤非线性系数，bandwidth为得到的宽带光纤参量放大器的增益带宽。

光纤	1	2	3	4
光纤	1	2	3	4	L(m)	105	15	56	5
β₂(×10^-2ps²km^-1)	0	2.03	-0.99	-5.28	L(m)	105	15	56	5
β₂(×10^-2ps²km^-1)	0	2.03	-0.99	-5.28	γ＝20W^-1.Km^-1，P₀＝1W，β₄＝-2×10^-5ps⁴km^-1，bandwidth＝320nm

Claims

1、一种宽带光纤参量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器及非线性光纤组成，其特征在于泵浦激光器的输出经泵浦耦合器连接波分复用器，信号激光器的输出经信号耦合器连接波分复用器，波分复用器的输出连接到依次级联的四级高非线性光纤，由波分复用器将泵浦光和信号光复用到依次级联的四级高非线性光纤中发生非线性四波混频作用，实现参量放大；所述第一级光纤、第二级光纤、第三级光纤、第四级光纤的长度在0.1-300米之间，光纤的非线性系数在1-300W^-1.Km^-1之间，四阶色散绝对值小于1.0×10^-4ps⁴km^-1，第一级光纤的零色散波长与泵浦光波长接近，即位于1300-1650nm范围，覆盖全波光纤的低损耗窗口，第二级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为正值，第三、第四级光纤在泵浦光波长处的二阶色散为负值。