CN1410824A - 低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器。低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器的输入端的信号光经过第一光隔离器到达一波分复用器；泵浦输出的泵浦光经过泵浦耦合器分成两束后的光按比例分别进入一波分复用器和另一波分复用器；汇合后的光从一波分复用器的输出端出来后依次进入掺铒光纤EDF III，第二光隔离器，掺铒光纤EDF II到达另一波分复用器；汇合后的光从另一波分复用器的输出端出来后进入掺铒光纤EDF I到达第三光隔离器，最后到达输出端。本发明可以让长波段掺铒光纤放大器同时具有高增益、低噪声且增益谱平坦的特性。当输入信号光功率为－20dBm，在1570nm～1605nm波长范围内使增益偏差小于1dB，且增益值高达34dB，噪声指数小于3.5dB。

Description

低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器

                         技术领域

本发明属于光通信技术光纤放大器领域，尤其涉及一种低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器。

                         背景技术

光通信技术的迅猛发展，传统的短波段C-band(1520nm～1560nm)掺铒光纤放大器(EDFA)增益带宽已不能满足密集波分复用系统的要求。系统运营商正逐步趋向于长波段(1570nm～1605nm)EDFA的研制。长波段EDFA不仅能有效增长信号带宽，而且还能降低限制色散移位光纤传输信号带宽的非线性失真，因此引起了人们的广泛兴趣。但是，长波段EDFA由于工作在铒光纤增益谱的尾部，效率很低，存在增益不高、输出功率不大等缺点。目前，增强波段EDFA增益的方法主要有：利用反向放大的自发辐射(ASE)(J.Lee，U.C.Ryu，S.J.Ahn et al.，Enhancement of power conversion efficiency for a L-band EDFA with a secondarypumping effect in the unpumped EDF section.IEEE Photon.Technol.Lett.，1999，11(1)：42-44.)；使用1550nm泵浦光放大(M.A.Mahdi，F.R.M.Adikan，P.Poopalan et a1..Long-wavelength EDFA enhancement through 1550nm band signalinection.Opt.Commun.，2000，176(3)：125-129.)；还有最近报道的双程(doublepass)技术(S.W.harun，P. Poopalan，and H.Ahmad Gain enhancement in L-BandEDFA through a Double-pass technique.IEEE Photon.Technol.Lett.，2002，14(3)：296-297.)。选用1550nm的泵浦源需要增加额外的泵浦源成本；双程技术固然可以使噪声得到改善，但它要用到两个光环形器，也增加了产品的成本。因此，采用短波段的ASE作二级泵浦源是最理想的。

图1是中国专利No.CN 1246641A提出的采用后向ASE作二次泵浦的长波段掺铒光纤放大器的结构图。图中掺铒光纤6吸收980nm波长的泵浦光5，掺铒光纤3没有泵浦源；掺铒光纤6产生的反向ASE去泵浦掺铒光纤3，掺铒光纤3产生的前向ASE又作用于掺铒光纤6，最后输出放大的信号光。这种结构仅仅提高了L band EDFA的增益，但未能同时实现增益谱的平坦。此外，这种结构随着掺铒光纤6长度的增长，放大的自发辐射光功率逐渐变大，大量消耗反转的粒子数，阻碍放大器的增益和光功率的增长，诱导自发辐射饱和并降低增益与恶化放大器的噪声。

                         发明内容

本发明的目的是提供一种低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器。

低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器的输入端的信号光经过第一光隔离器到达一波分复用器；泵浦输出的泵浦光经过泵浦耦合器分成两束后的光按比例分别进入一波分复用器和另一波分复用器；汇合后的光从一波分复用器的输出端出来后依次进入掺铒光纤EDF III，第二光隔离器，掺铒光纤EDF II到达另一波分复用器；汇合后的光从另一波分复用器的输出端出来后进入掺铒光纤EDF I到达第三光隔离器，最后到达输出端。

本发明可以让长波段掺铒光纤放大器同时具有高增益、低噪声且增益谱平坦的特性。当输入信号光功率为-20dBm，在1570nm～1605nm波长范围内使增益偏差小于1dB，且增益值高达34dB，噪声指数小于3.5dB。在多波长信号光(如1587nm、1589nm和1591nm)同时输入时三者的增益/噪声分别是40.3621dB/3.4643dB、40.5005dB/3.3488dB、40.9979dB/3.3133dB，增益最大相差值为0.6358dB，噪声最大相差值为0.151dB。本发明也适用于反向泵浦方式及其他泵浦波长，如1480nm泵浦。

                         附图说明

图1是中国专利No.CN 1246641A的结构框图；

图2是本发明结构框图；

图3是本发明理论模拟用到的EDF参数α和g*的谱线图；

图4是本发明优化前的ASE谱线与中国专利No.CN 1246641A的比较图，图中实线为本发明EDFA的ASE谱线，虚线为中国专利No.CN 1246641A的EDFA的ASE谱线；

图5是本发明优化后的ASE谱线与中国专利No.CN 1246641A的比较图，图中实线为本发明EDFA的ASE谱线，虚线为中国专利No.CN 1246641A的EDFA的ASE谱线；

图6是本发明的EDFA在输入信号光功率(-20dBm)相同时EDFA增益(噪声)和信号光输入波长的关系曲线图；

图7是本发明的单信道输入时EDFA增益(噪声)和信号光输入功率关系曲线图；

图8是本发明的多信道输入时EDFA增益(噪声)和信号光输入功率关系曲线图，图中曲线1是波长为1587nm光的增益曲线，曲线2是波长为1587nm光的噪声指数曲线，曲线3是波长为1589nm光的增益曲线，曲线4是波长为1589nm光的噪声指数曲线，曲线5是波长为1591nm光的增益曲线，曲线6是波长为1591nm光的噪声指数曲线。

                        具体实施方式

低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器的输入端1的信号光经过光隔离器2到达波分复用器10；泵浦5输出的泵浦光经过泵浦耦合器11分成两束后的光按比例分别进入波分复用器10和波分复用器4；汇合后的光从波分复用器10的输出端出来后依次进入掺铒光纤EDF III 12，光隔离器9，掺铒光纤EDF II3到达波分复用器4；汇合后的光从波分复用器4的输出端出来后进入掺铒光纤EDF I6到达光隔离器7，最后到达输出端8。

所说的掺铒光纤EDF III 12产生的前向放大的自发辐射和掺铒光纤EDF I6产生的后向放大的自发辐射作为二级泵浦源，去泵浦掺铒光纤EDF II 3。通常，取泵浦耦合器11输出的光比例为1∶2～4，光隔离器9为宽带光隔离器，掺铒)光纤EDF III12的长度为5～10米，掺铒光纤EDF II 3的长度为5～10米，掺铒光纤EDF I 6的长度为70～100米。

自从掺铒光纤放大器出现以来，出现了各种各样模拟掺铒光纤放大器的理论模型。原先的模型需要吸收截面、发射截面、模场半径、掺铒半径、掺铒浓度等比较基础的物理量，但这些物理量在实际光纤中并不是均匀的，粘确测量比较困难。后来出现的Giles模型则把几个测量难度大的参数简化成在实验中能较容易测量得到的吸收系数和发射系数，是一个可以和实验符合很好的模型。

基于Giles模型，一些文献用数值计算对EDFA的性能进行过分析，但它们都是把增益和噪声隔离开分析的。而增益和噪声是掺铒光纤放大器最主要的两个性能指标，是相互关联的，同时考虑增益和噪声是必要的。

常温下，EDFA增益介质是以均匀展宽为主，可以用二能级模型来描述。根据Giles模型，考虑了自发辐射后的EDFA的速率方程如下： $\frac{{\mathrm{dP}}_k^{\±}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=\±({\mathrm{\α}}_k+g_k^{*})\frac{\stackrel{\‾}{n_2}}{\stackrel{\‾}{n_1}}{P}_k^{\±}\left(z\right)\±{2g}_k^{*}\frac{\stackrel{\‾}{n_2}}{\stackrel{\‾}{n_1}}{\mathrm{hv}}_k{\mathrm{\Δv}}_k{\mathrm{\μ}}_k({\mathrm{\α}}_k+l_k)P_k^{\±}\left(z\right)---\left(1\right)$ $\frac{\stackrel{\‾}{n_2}}{\stackrel{\‾}{n_1}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{P_k^{\±}\left(z\right){\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{hv}}_k\mathrm{\ζ}}}{1+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{P_k^{\±}\left(z\right)({\mathrm{\α}}_k+g_k^{*})}{{\mathrm{hv}}_k\mathrm{\ζ}}}---\left(2\right)$ 式中，P_k ⁺(z)和P_k ^-(z)分别为带宽Δν_k(计算噪声功率的频率间隔)内沿前向传输和后向传输的光功率；k表示不同波长的光， 表示基态和二能级的总平均粒子数；

表示二能级的粒子数；α、g^*、l分别表示掺铒光纤的吸收系数、发射系数、本底吸收系数；方程(1)中的因子2表示自发辐射的两个正交偏振态；ζ是饱和参数，可以用实验测得的饱和功率P_k ^sal.来定义 $\mathrm{\ζ}=P_k^{\mathrm{sal}}({\mathrm{\α}}_k+g_k^{*})/{\mathrm{hv}}_k.$

本发明中EDF的α/g*谱如图3示。EDF的基本参数为：α(980nm)＝10.2dB/m；g*(980nm)＝0dB/m；α(1531nm)＝12.39dB/m；本底吸收系数l＝5.68dB/km；ζ＝1.0E+16m¹s¹。噪声的频率间隔v＝125GHz。根据式(1)、(2)以及噪声指数NF $\mathrm{NF}=10{\log }_{10}(\frac{1}{G}+\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{\mathrm{hvG\Δv}})---\left(3\right)$

式中h＝6.626×10^-34J·s，v是信号光的频率，Δv表示信号带宽，P_ASE表示在Δv内产生的ASE噪声，G表示信号的增益

            G＝10log₁₀(P_om/P_in)                      (4)

只需设定好边界条件即可由数值模拟算出相应结构的噪声指数、增益和输出功率等。

本发明在性能价格比优越的EDFA优化设计中必须主要考虑两个问题：1)掺铒光纤的选择；2)泵浦波长的选择及泵浦功率的有效利用。采用了正向泵浦结构。由于以均匀展宽为主的介质，小信号增益谱近似可以由ASE谱线来描述。因此，本发明在下面结构参数优化过程中将通过观察ASE谱线的变化来选定优化参数。采用同样的EDF用于上述两种结构(参见图1、2)的EDFA，泵浦总功率为90毫瓦的980nm泵浦。取其中两种掺铒光纤数据参数进行比较，具体参数详见表1。

表1：图1、2中EDF长度及相应的泵浦光功率

            第一段铒光纤长  第二段铒光纤长  第三段铒光纤长

            度及相应的泵浦  度及相应的泵浦  度及相应的泵浦

            光(980nm)功率   光(980nm)功率   光(980nm)功率

     图1    40米/90毫瓦     5米/0毫瓦       0优化前

     图2    30米/60毫瓦     5米/0毫瓦       10米/30毫瓦

     图1    80米/90毫瓦     5m/0毫瓦        0优化后

     图2    80米/70毫瓦     5m/0毫瓦        5米/20毫瓦

Claims (2)

1.一种低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器，其特征在于

输入端(1)的信号光经过光隔离器(2)到达波分复用器(10)；泵浦(5)输出的泵浦光经过泵浦耦合器(11)分成两束后的光按比例分别进入波分复用器(10)和波分复用器(4)；汇合后的光从波分复用器(10)的输出端出来后依次进入掺铒光纤EDF III(12)，光隔离器(9)，掺铒光纤EDF II(3)到达波分复用器(4)；汇合后的光从波分复用器(4)的输出端出来后进入掺铒光纤EDF I(6)到达光隔离器(7)，最后到达输出端(8)。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声、高增益、高平坦的长波段掺铒光纤放大器，其特征在于所说的掺铒光纤EDF III(12)产生的前向放大的自发辐射和掺铒光纤EDF I(6)产生的后向放大的自发辐射作为二级泵浦源，去泵浦掺铒光纤EDF II(3)。

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