CN1369733A

CN1369733A - 采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器

Info

Publication number: CN1369733A
Application number: CN 01129557
Authority: CN
Inventors: 姚建铨; 张百钢; 禹延光; 于意仲; 王鹏; 王涛
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2002-09-18

Abstract

采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器,是由WDM耦合器、传输光纤、WDM耦合器、增益平坦滤波器依次顺序设置,分布式光纤拉曼放大器的泵浦源即光学参量振荡器的输出到第二个WDM耦合器。本发明利用光学参量振荡器作为光纤拉曼放大器的泵浦源,只需通过简单的温度调谐或位置调谐,即可产生不同的光纤拉曼放大器所需要的不同波长的泵浦光(1.2μm～1.55μm中某一波长),适应性强。用户可根据所需放大波长,自行调谐。

Description

采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器

本发明涉及一种光放大仪器，特别是一种采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器。

光放大是高速宽带光纤通信系统中一个非常关键的技术。光放大器从原理上可以分为三类：半导体光放大器、掺稀土元素光纤放大器，以及近来人们广泛关注的非线性光学放大器，非线性光学放大器可分为光纤拉曼放大器(FRA)和布里渊光纤放大器(FBA)。

半导体光放大器(SOA)虽然有增益带宽较宽(50-70nm)的优点，但它的插入损耗较大，其功率不能支持长距离传输，而且标准噪声指数也比较高。

掺稀土元素铒的光纤放大器(EDFA)的优点是插入损耗低，增益大，标准噪声指数较低，而且基于光纤的结构也使其易与光纤通信系统的其他器件耦合，更主要的是铒离子发射光的波长位于光纤损耗最小的1.55μm窗口附近。目前，EDFA已广泛应用于现有光通信系统中，但在未来的超宽波段的密集波分复用系统中，它又具有增益带宽相对较窄，放大信号波长单一等问题。

随着Internet网络飞速发展，长距离光纤传输系统对通信容量需求日益膨胀，而光纤制造技术也有了突飞猛进的发展，这就促使人们去寻找比掺铒光纤放大器增益带宽更宽且增益平坦的光纤放大器，而光纤拉曼放大器是满足该要求的较好的选择，其基本机理是光纤中的拉曼散射效应。由于石英光纤中的拉曼增益谱宽达40THz，主峰在13Thz附近，所以利用这一特性，可以制成宽带放大器。光纤拉曼放大器的优点是：只要能得到合适波长的泵浦源，就可以对任何波长的信号进行放大；增益介质是传输光纤，无需其他增益介质；可以进行分布式的放大，避免其他非线性效应(特别是四波混频)的影响。除此而外，还可将光纤拉曼放大器与掺稀土元素光纤放大器(如EDFA等)级联使用，可以大大降低系统噪声指数，得到带宽高于100nm、高输出功率、增益平坦的光放大器。

由于光纤拉曼放大器最主要的问题是光纤受激拉曼散射的高阈值性，从而要求较高的泵浦功率，所以光纤拉曼放大器的关键在于获得一个在1.20-1.55um波段的高功率(如大于200mw)的、稳定的泵浦源。正是因为泵浦源技术上的原因，光纤拉曼放大器还没有大量进入市场，但由于诱人的市场前景，光纤拉曼放大器及其泵浦源正成为世界发达国家竞相研发的热点。

当前，可实用的光纤拉曼放大器的泵浦源一般有两种，一种是Y.Emori等人1998年在《Electronics Letters》第34卷第22期(2145～2146页)中提到的复用半导体激光器，即把多个低功率的半导体激光器耦合在一起，从而得到较大功率的输出。很显然，这种泵浦源的结构复杂，功率利用率低，同时由于相应波长的半导体激光器价格昂贵，造成成本较高。另一种是Vareille等人1998年在《Electronics Letter》第34卷第7期(675～676页)中提到的采用“1.064μm、1.32μm的Nd：YAG激光器”或“半导体激光器泵浦的光纤激光器”，去泵浦级联式的光纤拉曼激光器，作为光纤拉曼放大器的泵浦源。这种方案中，整个波长转换的环节过多，系统稳定性难以提高，为了获得合适的波长，常需要利用多对光纤光栅以实现高阶斯托克斯频移，增大了加工工艺的难度，提高了成本，不易实现光纤拉曼放大器对多种波长泵浦源的要求。

本发明的目的在于提供一种由能量转换效率高，波长转换环节少，输出波长易调节的新型泵浦源泵浦的分布式光纤拉曼放大器。

本发明的目的是这样实现的：采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，是由WDM耦合器、传输光纤、WDM耦合器、分布式光纤拉曼放大器的泵浦源、增益平坦滤波器构成，其特征在于光纤拉曼放大器的泵浦源为光学参量振荡器，具体连接是WDM耦合器、普通传输光纤、WDM耦合器、增益平坦滤器依次顺序设置，分布式光纤拉曼放大器的泵浦源的输出到第二个WDM耦合器。

本发明利用光学参量振荡器作为光纤拉曼放大器的泵浦源，只需通过简单的温度调谐或位置调谐，即可产生不同的光纤拉曼放大器所需要的不同波长的泵浦光(1.2μm～1.55μm中某一波长)，适应性强。对生产者来说，不同的光纤通信系统的光纤拉曼放大器所使用的泵浦源的制作完全相同，仅仅是用户使用时控制的温度和位置不同。如果用户所需放大原波长发生了改变，不必升级或更换设备，可以自行调谐，而且对于温度和位置控制，用户极易操作。保护了用户的投资。

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

图1是本发明整体结构示意图

图2是由光学参量振荡器构成泵浦源的结构示意图

图3是光学参量振荡器中的温度控制装置的结构示意图

如图1所示，采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，是由WDM耦合器2、普通传输光纤3、WDM耦合器4、分布式光纤拉曼放大器的泵浦源5、增益平坦滤波器6构成，其中光纤拉曼放大器的泵浦源5为光学参量振荡器，具体连接是WDM耦合器2、普通传输光纤3、WDM耦合器4、增益平坦滤器6依次顺序设置，分布式光纤拉曼放大器的泵浦源5的输出到第二个WDM耦合器。图中1是被放大光信号输入，7是光信号放大输出，8是剩余泵浦光输出。

WDM耦合2、4器用于把泵浦光耦合入或耦合出传输光纤，性能应满足插入损耗＜11dB，光反射系数＜-40dB，极化相关损耗＜0.4dB，工作波长范围由实际放大的信号波长决定。比如放大1535～1565nm的信号光，需要泵浦光波长在1450nm附近，则WDM耦合器的工作波长范围为1450～1565nm。

增益平坦滤波器6的作用是要使各个信道上的增益偏差处在允许的范围内，原理是利用损耗特性和放大器的增益波长特性相反的增益平坦滤波器6，来抵消增益的不均匀性。可采用2个周期200～400μm的长周期光纤光栅组合，放置在一段感光性光纤中，间隔5cm左右，通过控制紫外光照射量和光栅长度实现增益波长特性相反的增益平坦滤波器。整个滤波器在200℃退火，以保证热稳定性。

光纤拉曼放大器的泵浦源5，即光学参量振荡器是由半导体激光器泵浦的。

如图2所示，光学拉曼放大器的泵浦源，即光学参量振荡器是由带光纤输出的808nm半导体激光器9、半波片10、偏振片11、光学耦合透镜组12、半波片13、凹面镜14、非线性晶体15、调谐装置16、凹面镜17、滤波器18、带光纤输出的耦合透镜组或自聚焦透镜19、去偏器20、依次顺序设置构成，其非线性晶体15采用块状结构的块状晶体或波导结构的周期极化晶体。块状晶体采用KTP或KTA或RTA或MgO：LN或LN或LT，周期极化晶体采用PPLN或PPKTP或PPKTA或PPRTA或PPMgLN。

808nm半导体激光器9的输出光束直径为600μm，输出光束数值孔径0.32，25℃时中心波长808nm。半波片10、13和偏振片11用来控制光学参量器泵浦功率的大小。

光学耦合透镜组12是2～4个薄透镜组成的透镜组，透镜间隔1～5cm，每个焦距2～20cm。把光纤输出的808nm泵浦光耦合入非线性晶体中，要求聚焦光斑直径大小＜3mm，焦深＞10mm，损耗＜10％。

凹面镜14、17的半径为10mm，曲率半径50mm。凹面镜14膜层对808nm泵浦光的透过率＞95％，对信号光(1.2μm～1.55μm)反射率＞99％，对空闲光透过率＞90％，凹面镜17对808nm泵浦光的透过率＞80％，对信号光(1.2μm～1.55μm)反射率约为65％，对空闲光透过率＞90％。

滤波器18对1.2μm～1.55μm的信号光透射，滤掉808nm和空闲光。

带光纤输出的耦合透镜组19把获得的信号光经过整形和聚焦后，由光纤输出，即可作为光纤拉曼放大器的泵浦源。它由2～4个薄透镜和一段30cm普通单模传输光纤组成，透镜间隔1～5cm，每个焦距2～20cm。要求耦合效率＞15％。透镜组也可被自聚焦透镜代替。

去偏器20的作用是使从光纤输出的光去偏振，以抑制拉曼增益的偏振依赖特性，保证增益的平坦。

整个光学参量振荡器的结构要求尽可能紧凑。总体长度25～30cm，横向尺寸不大于15cm。

产生不同的光纤拉曼放大器所需要的不同波长的泵浦光，是通过对光学参量振荡器进行温度调谐或位置调谐来实现的。当对光纤拉曼放大器的泵浦源，即光学参量振荡器进行温度调谐时，非线性晶体采用波导结构或块状结构，采用位置调谐时，晶体采用波导结构。

温度调谐下的非线性晶体，可以为波导结构，也可为块状结构。以单周期极化铌酸锂波导PPLN和块状掺氧化镁铌酸锂晶体为例，把808nm的半导体激光器9输出光经过聚焦、整形后，耦合入单周期极化PPLN波导或块状掺氧化镁铌酸锂晶体，通过温度控制设备对光学参量过程进行温度调谐，在输出端经过滤波，过滤掉剩余的泵浦光和空闲光，最终获得1.20μm～1.55μm中所需波长的信号光。

温度的控制将是系统中最为关键的部分，选用的温控器为日本RKC理化株氏会社生产的REXC-100型温控器。温度控制精度为±0.1℃。当使用块状晶体时，对晶体的加热和温度控制是通过如图3所示意的结构来实现的。其中，黄铜制的圆柱形夹块25用来夹住晶体，以保证晶体加热的均匀性。电炉丝22用来对黄铜夹块加热，以进一步使晶体得到加热，Pt100(铂电阻)作为温度传感器23。电炉丝22与铂电阻23均插入黄铜夹块25内事先钻好的长孔内。Pt100和电炉丝与温控器相连，由温控器对晶体的加热温度进行精确的控制。整个加热部件放置在硬铝制的垫块26上，以保证对晶体的加热效果。当使用周期极化铌酸锂波导PPLN时，拟采用半导体加温或致冷器配合温控仪来控制温度。

使用PPLN时，需要808nm半导体激光器19的输出功率3～5W，使用块状掺氧化镁铌酸锂晶体时，要求功率10W左右。但由于周期极化铌酸锂波导的成本较块状掺氧化镁铌酸锂晶体高，所以总成本基本一样。

PPLN波导尺寸为0.5mm×10mm×20mm，极化周期为20.5μm。考虑到PPLN由于光折变损伤阈值比较低，很难在室温下工作，一般来说，需要温度控制在373K以上。经计算，在温度为373K、423K、473K、523K时，输出的信号光分别为1.5μm、1.36μm、1.27μm、1.21μm。设备的调谐精度为±0.1℃，输出光波长在整个调谐范围内连续可调。另一方面，由于PPKTP的具有高光折变损伤阈值和高有效非线性系数的优点，所以如果使用PPKTP波导，应能获得更低的工作温度及更高的效率。

块状掺氧化镁铌酸锂晶体的掺杂浓度为5mol％，尺寸为8mm(±0.1mm)×8mm(±0.1mm)×35mm，A＝4.5348。为使工作温度不至于太高，不选用非临界相位匹配，在负的y-z方向切割，切割角度为θ＝48°±5’，计算得此时走离角为2.08°，有效非线性系数为1.71pm/V。在温度134.5℃～178.5℃间连续调谐时，也可获得1.55μm～1.20μm所需波长的信号光输出。

位置调谐的工作原理，本实施例以PPLN为例进行说明。由精密光学调整架控制一多个周期PPLN波导进行横向(如图中3中的双向箭头所示)移动，使得耦合入光学参量振荡器的泵浦光泵浦不同周期的PPLN，进行光学参量振荡，形成不同波长的输出。由于前面所述的PPLN光折变损伤阈值比较低的缺点，在进行位置调谐的同时，还必需进行温度控制(可以采用上述结构)，以控制PPLN工作温度在373K以上。若采用PPKTP，则不需温度控制，室温下即可工作。

当采用一四周期PPLN波导，周期分别为20.5μm、20.6μm、20.9μm、21.26μm，控制在某一温度时，选用其中不同的周期波导，就可以得到不同波长的输出，计算得，当温度为373K时，可分别得到1.5μm、1.41μm、1.3μm、1.21μm的信号光输出。

Claims

1.一种采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，是由WDM耦合器、传输光纤、WDM耦合器、分布式光纤拉曼放大器的泵浦源、增益平坦滤波器构成，具体连接是WDM耦合器、普通传输光纤、WDM耦合器、增益平坦滤器依次顺序设置，分布式光纤拉曼放大器的泵浦源的输出到第二个WDM耦合器，其特征在于光纤拉曼放大器的泵浦源为光学参量振荡器。

2.根据权利要求1所述的采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，其特征在于光纤拉曼放大器的泵浦源，即光学参量振荡器是由半导体激光器泵浦的。

3.根据权利要求2所述的采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，其特征在于光纤拉曼放大器的泵浦源，即光学参量振荡器的非线形晶体为块状结构的块状晶体或波导结构的周期极化晶体，块状晶体采用KTP或KTA或RTA或MgO：LN或LN或LT，周期极化晶体采用PPLN或PPKTP或PPKTA或PPRTA或PPMgLN。

4.根据权利要求1所述的采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，其特征在于产生不同的光纤拉曼放大器所需要的不同波长的泵浦光，是通过对光学参量振荡器进行温度调谐或位置调谐来实现的。

5.根据权利要求4所述的采用新型泵浦源的分布式光纤拉曼放大器，其特征在于对光纤拉曼放大器的泵浦源，即光学参量振荡器进行温度调谐时，非线性晶体采用波导结构或块状结构；采用位置调谐时，非线性晶体采用波导结构。