CN1599283B - 高功率、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源 - Google Patents
高功率、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源 Download PDFInfo
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Abstract
高功率、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源，包括第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3、泵浦光、波分复用器、泵浦功率耦合器构成，光纤的光输出端设有光隔离器，从光纤的输入端到输出端分别由第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3串联，第二掺铒光纤EDF2具有斜劈状的输入端，另设有泵浦功率耦合器连接泵浦光输出，并分成两束，一束泵浦光功率P1连接波分复用器用于泵浦第一掺铒光纤EDF1，而第二掺铒光纤EDF2则通过波分复用器连接在EDF1的输入端，它们产生的总输出前向光作为种子光，并联合另一束泵浦光P3共同泵浦EDF3。
Description
技术领域
本发明属于光纤光源，特别是涉及一种高功率、高平坦度的长波段(1570nm～1610nm)掺铒光纤超荧光光源的结构设计。
背景技术
随着光通信和光纤传感(如光纤陀螺(FOG))技术的迅猛发展，人们对宽带光源的要求越来越高。一个好的宽带光源须提供很宽的带宽、低相干长度、低光谱功率密度抖动和高输出功率。传统的LED光源虽然可以提供较宽的光谱，但其光谱稳定度差且输出功率(μW数量级)小。相反，掺铒光纤超荧光光源(Er-SFS)不仅可以提供很宽的稳定光谱，而且可以提供大功率(mW数量级)输出。Er-SFS的这些特点引起了人们的广泛兴趣，其已被应用于光纤无源器件的生产与测试。在光纤光栅(FBG)、密集波分复用(DWDM)薄膜滤波器、稀疏波分复用(CWDM)薄膜滤波器、阵列波导光栅(AWG)等器件的测试中采用Er-SFS与采用白光源或可调谐激光器扫描相比，可提高功效10倍以上，而且操作简单、测试精度高。然而随着DWDM系统的发展，传统的C-band(1520nm～1560nm)宽带光源已经不能满足长波段的光无源器件的测量，因此，研究高功率、高平坦度、低光谱功率密度抖动的长波段超荧光光纤宽带光源(L-band Er-SFS)是十分有意义的。
一般说来，超荧光光源可以分成四大类：单程前向(SPF)、单程后向(SPB)、双程前向(DPF)和双程后向(DPB)。单程转换效率比较低，但不容易引起激射光，与SPF相比较，SPB的输出功率大些，因此它是人们最喜欢使用的单程结构；与单程相比较，双程在转换效率上得到显著提高，可以产生更大的输出功率，提供更好的平均波长稳定性，但容易引起激射，在应用中必须小心防止激光的振荡。传统的L-band Er-SFS是采用SPF(这是因为采用SPB方式时，放大自发辐射(ASE)光主要发生在C-band)，通过掺铒光纤(EDF)的前段部分吸收1480nm波长(或980nm波长)的泵浦光，产生1.55μm波长的ASE，这些ASE被剩余的掺铒光纤所吸收作为以1.58μm为中心的长波段的泵浦光(作为二级泵浦)来实现长波段放大的目的。但这种SPF的L-band Er-SFS工作效率很低，输出功率小，光谱平坦性差。到目前为止，人们提出了各种改善方法，主要有这么几种方法。单段EDF非对称DPF法(Huang W.C.，Wai P.K.A.，Tam H.Y.，Dong X.Y.，Ming Hai and Xie J.P..One-stage erbium ASE source with 80nm bandwidth and low ripples.Electron.Lett.，2002，38(17)：956-957)；单段EDF对称DPF法(Tsai S.C.，Tsai T.C.，Law P.C.and Chen Y.K..High Pumping-Efficiency L-Band Erbium-Doped Fiber ASE Source Using Double-PassBidirectional-Pumping Configuration.IEEE Photon.Technol.Lett.，2003，15(2)：197-199.)；利用无用的后向ASE光的二级泵浦法(中国专利No.CN 1248706A；Lee J.H.Ryu U.C.andPark N..Passive erbium-doped fiber seed photon generator for high-power Er3+-doped fiberfluorescent sources with an 80-nm bandwidth.Opt.Lett.，1999，24(5)：279-281.)。方法一使用了两个不同波长的泵浦源和一个宽带反射镜，增加了制作成本，此外其尽管可以获得近80nm的谱宽，但光谱平坦度很差，约为12dB，峰值功率和平均波长主要集中在C-band；方法二作了改进，但仍然需要两个相同波长的泵浦源和反射镜，而且还增加了一个可调光衰减器，同样增加了制作成本；而第三种方法所述一种高功率和宽波段光纤光源：包括第一掺杂稀土光纤；第二掺杂稀土光纤；一个光学耦合器，耦合在第一与第二掺杂稀土光纤之间，并适合于将输入泵浦光传输到第二掺杂稀土光纤；以及一个泵浦源，适合于为光学耦合器提供泵浦光，作为输入泵浦光。如图1所示，只需一个泵浦源，无需反射镜，器件简单，便于制作，从而减小了研发成本，然而通过这种方法获得的泵浦转化效率都低于前面两种，一般不超过23％。其原因在于图1中第二段铒光纤(EDF2)没有泵浦源，它是利用第一段铒光纤EDF1中所产生的无用的后向ASE去泵浦它，其产生的前向ASE光作为种子光并进而泵浦EDF1，这种种子光功率很小，小于从整个光源系统输出的前向光的光功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种高泵浦转换效率的、研发成本经济的、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源。
高功率、高平坦度的长波段(1570nm～1610nm)掺铒光纤超荧光光源，包括第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤、泵浦光、波分复用器、泵浦功率耦合器构成，光纤的光输出端设有光隔离器，从光纤的输入端到输出端分别由第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3串联，第二掺铒光纤EDF2具有斜劈状的输入端，另设有泵浦功率耦合器连接泵浦光输出，并分成两束，一束泵浦光功率P1连接波分复用器用于泵浦第一掺铒光纤EDF1，而第二掺铒光纤EDF2则通过波分复用器连接在EDF1的输入端，它们产生的总输出前向光作为种子光，并联合另一束泵浦光P3共同泵浦EDF3。
第三掺铒光纤EDF3与第一掺铒光纤EDF1之间设有光隔离器。
上述泵浦耦合器为分光耦合器，功率比例分成两束的范围：P1∶P3为80-40∶10-50。
图2为本发明采用的结构框图。其将泵浦光通过泵浦耦合器按一定功率比例分成两束，一束泵浦光功率P1用于泵浦第一掺铒光纤EDF1，而EDF2则通过波分复用器连接在EDF1的输入端，它们产生的总输出前向光作为种子光，并联合另一束泵浦光P3共同泵浦EDF3，另一束泵浦光P3通过波分复用器连至EDF3。图中光隔离器用于避免前后级来自不同EDF的ASE的相互干扰。
本发明特点是：可以让长波段掺铒光纤超荧光光源同时具有高功率、低成本且增益谱平坦的特性。当泵浦光功率为90毫瓦，泵浦比例为1∶1，EDF2长度L2为110米，EDF1长度L1为80米，EDF3L3长度为68.7米时，光源的总输出功率Ptotal为14.68dBm，平均波长λ为1583.32nm，在1570nm～1598nm波长范围内使功率密度大于-1.52dBrn/nm，光谱平坦度ΔP为0.6dB。此外，本发明也适用于其他泵浦变种。
附图说明
图1是现有技术中国专利No.CN 1248706A的结构框图；
图2是本发明的结构框图；
图3是本发明用到的EDF的α和g*的谱线；
图4是本发明优化前的光谱谱线与中国专利No.CN 1248706A的比较；
图5是本发明在泵浦比例相同、不同EDF2长度下得到的总输出光功率随EDF1长度的变化关系曲线；图中泵浦比例固定为7∶2；
图6是本发明在泵浦比例相同、不同EDF2长度下得到的总铒光纤长度随EDF1长度的变化关系曲线；图中泵浦比例固定为7∶2；
图7是本发明在相同EDF2长度、不同泵浦比例下得到的总输出光功率随EDF1长度的变化关系曲线；图中EDF2长度固定为110米；
图8是本发明在相同EDF2长度、不同泵浦比例下得到的总铒光纤长度随EDF1长度的变化关系曲线；图中EDF2长度固定为110米。
具体实施方式
本发明在设计高性价比的L-band Er-SFS优化设计中必须主要考虑两个问题：1)铒光纤长度的选择；2)泵浦波长的选择及泵浦功率的有效利用。由于使用多个泵浦激光器容易增加成本以及增加电路封装的复杂度，本发明将一个泵浦源，按照一定的比例分配成两束光P1和P3分别用于泵浦相应的铒光纤。考虑到ASE泵浦法是最经济有效的方法，本发明将P1用于泵浦EDF1产生以1580nm为中心的长波段的种子光，为有效利用EDF1的后向无用的ASE，在EDF1泵浦输入端部分接入EDF2，并将由EDF1输出端最后输出的光作为种子光，联合P3去泵浦EDF3。由于SPB输出功率也比较大，光谱稳定，不容易产生激射光，本发明对EDF3采用了反向泵浦结构。由于采用反向泵浦，在泵浦功率比较大时，容易使ASE趋向短波段，因此，在本发明中，供给EDF1的泵浦功率P1和供给EDF3的泵浦功率P3的比例要大于等于1∶1。光隔离器在光输出端，并阻止光再进入。
本发明用到的EDF是商用光纤，它的α/g*谱如图3所示，其他基本参数为，截止波长λc＝842nm，α(980nm)＝4.57dB/m；g*(980nm)＝0dB/m；α(1530nm)＝5.86dB/m；本底吸收系数l＝0.91dB/km。为客观分析比较图1和图2的性能，本发明采用同样的EDF用于上述两种结构，并保持泵浦总功率为90毫瓦。在优化前，任意取泵浦比例和相应铒光纤长度，具体参数详见表1。由图4和表1数据可以明显看出，采用1480nm波长和980nm波长分别泵浦时，本发明得到的总输出功率和光谱平坦度均优于中国专利No.CN1248706A所获得的，而且在保持总功率不变的条件下，本发明节省了铒光纤长度。此外，1480nm泵浦得到的总输出功率要大于980nm泵浦得到的，所以，本发明在后面优化设计中就采用1480nm泵浦。由于图中三段铒光纤长度和泵浦比例是相互影响的，本发明分别讨论了在泵浦比例固定、不同EDF2长度下铒光纤总长度和总输出功率随EDF1的变化关系以及在相同EDF2长度、不同泵浦比例下铒光纤长度和总输出功率随EDF1的变化关系，如图5，6，7，8所示。
泵浦光一般使用半导体激光器。
表1：图1、2中EDF长度L及相应的泵浦光功率P
Claims (1)
1.高功率、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源，由第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3、泵浦源、波分复用器、泵浦功率耦合器构成，所述光源的光输出端设有光隔离器，其特征是从所述光源的输入端到输出端分别由第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3串联，第二掺铒光纤EDF2具有斜劈状的输入端，另设有泵浦功率耦合器连接泵浦源，将泵浦源输出分成两束泵浦光，一束功率为P1的泵浦光连接波分复用器，用于泵浦第一掺铒光纤EDF1，而第二掺铒光纤EDF2则通过所述波分复用器连接在EDF1的输入端，它们产生总输出前向光作为种子光，并联合另一束泵浦光P3共同泵浦EDF3；且第三掺铒光纤EDF3与第一掺铒光纤EDF1之间设有光隔离器；上述泵浦功率耦合器为分光耦合器，分成两束泵浦光P1和P3功率比例的范围：P1∶P3为80-40∶10-50，且P1∶P3≥1∶1。
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