CN1975551A

CN1975551A - 两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器

Info

Publication number: CN1975551A
Application number: CN 200610147217
Authority: CN
Inventors: 王芳华; 张晓晨; 高明义; 姜淳
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2007-06-06

Abstract

本发明涉及一种两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器，由两个泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器及依次级联的两级高非线性光纤构成。光纤的二阶色散系数为0至5.0×10^－2ps²km^－1，四阶色散系数为－4.0×10^－4ps⁴km^－1至1.0×10^－4ps⁴km^－1，光纤非线性系数为1km^－1W^－1至60km^－1W^－1，泵浦光波长为1400－1700nm。两泵浦光和信号光经波分复用器耦合后，依次进入二级光纤，经第一级光纤后输出的增益谱在泵浦光中心波长左右成钟形分布，经第二级光纤修正后增益谱曲线的不平坦度降低，带宽增加。本发明相对于四级和三级光纤级联结构，降低了损耗，而制作更为容易。

Description

两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器

技术领域

本发明涉及一种超宽带光纤参量放大器，尤其涉及一种两级高非线性光纤级联的双泵浦超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

目前的光纤通信系统广泛使用波分复用技术(WDM)，它能有效地利用光纤的带宽实现大容量、长距离光纤通信，能在用户分配系统中增加业务数量。在这些波分复用技术的应用中，需要较大的带宽的多个放大器级联同等水平地补偿各个信道的损耗，从而实现了多波长超长距离传输。然而传统的掺铒光纤放大器(EDFA)仅能提供1530-1625nm波长范围光信号的放大，不能满足DWDM(密集波分复用)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理论上能覆盖全波光纤的整个低损耗窗口(从1250nm到1650nm)，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波分复用通信系统的研究主题。光纤参量放大器利用四波混频效应放大光信号，能够在任意波段提供一个宽带放大，此外它的噪声系数低于3dB的量子极限，可以用做宽带光放大器、波长转换器、归零码脉冲发生器、光时分复用开关和全光信号采样器等。单泵浦单级光纤参量放大器在实验室已获得200nm的增益带宽，但增益平坦性很差，使它难以应用到波分复用系统中。申请号为200410025214.0和200410067334.7的中国发明专利中分别提出使用四级级联的高非线性光纤构成单泵浦光纤参量放大器和三级级联的高非线性光纤构成双泵浦光纤参量放大器，此类放大器所使用的高非线性光纤级数较多，增加了熔接损耗，而且制作工艺也较为复杂。

因此，研究宽带光纤参量放大器，特别是实现工艺较为方便的光纤放大器是WDM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，并充分考虑当前的制造工艺条件，提出一种两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器，在能够实现参量放大、获得宽带平坦的增益谱的前提下，减少高非线性光纤级数，降低损耗，而制作工艺更为简单。

为了实现这样的目的，在本发明的技术方案中，双泵浦宽带光纤参量放大器由两个泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器及依次级联的两级高非线性光纤构成。两个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两级高非线性光纤。

两个泵浦激光器发射出的泵浦光波经泵浦耦合器耦合进传输光纤，同样，信号激光器发射出的信号光经信号耦合器也耦合进入传输光纤，然后再通过波分复用器将两个泵浦光和信号光复用到依次级联的二级高非线性光纤中发生四波混频作用，从而实现了参量放大的效果。

两泵浦光和信号光分别经泵浦耦合器和信号耦合器耦合，再经波分复用器复用后，依次进入第一级、第二级高非线性光纤。输入信号光和两泵浦光进入第一级光纤后，其增益谱略呈钟形凸起。经过第二级光纤后，增益谱得到修正，其平坦度达到0.4dB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光纤长度、二阶色散和四阶色散以及两泵浦光波长和泵浦光功率，第二级光纤的作用在于使第一级光纤产生的增益谱变得平坦，有效增益带宽得到增加。本发明的光纤参量放大器的两级光纤的长度处于0.1m至150m范围内，二阶色散系数处于0至5.0×10^-2ps²km^-1范围内，四阶色散系数处于-4.0×10^-4ps⁴km^-1至1.0×10^-4ps⁴km^-1范围内，非线性系数处于1km^-1W^-1至60km^-1W^-1范围内，泵浦光波长位于1400-1700nm范围内。

本发明的双泵浦光纤参量放大器不但可以提供一个宽带平坦的增益谱，而且能够克服由于泵浦光抖动引起的闲置光谱线加宽，还可以使用两正交偏振的泵浦光而获得偏振独立的特性。使用二级高非线性光纤级联结构的双泵浦光纤参量放大器可以提供400nm或更宽的平坦增益带宽，平均输出增益达到10dB上下。相对于四级和三级的级联结构，减少了高非线性光纤级数，降低了损耗，对于目前的制作工艺而言，更容易实现，推动了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110nm的宽带光纤参量放大器的增益谱图。

图2中，圈号线和加号线分别是信号光经过第一，二级高非线性光纤后的增益谱。

图3为带宽为400nm的宽带光纤参量放大器的增益谱图。

图3中，虚线和实线分别是信号光经过第一，二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。

本发明的两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器的结构如图1所示，由两个泵浦激光器、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和第二级高非线性光纤构成。两个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两级高非线性光纤。

两个泵浦光激光器发射出的泵浦光波(λ_p1，λ_p2)经泵浦光耦合器耦合进传输光纤，同样信号激光器发射出的信号光(λ_s)经信号光耦合器也耦合进入传输光纤，然后再通过波分复用器将两个泵浦光和信号光复用到依次级联的二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，两级光纤的长度处于0.1m至150m范围内，二阶色散系数处于0至5.0×10^-2ps²km^-1范围内，四阶色散系数处于-4.0×10^-4ps⁴km^-1至1.0×10^-4ps⁴km^-1范围内，非线性系数处于1km^-1W^-1至60km^-1W^-1范围内，泵浦光波长位于1400-1700nm范围内。

两泵浦光和信号光分别经泵浦耦合器和信号耦合器耦合，再经波分复用器复用后，依次进入第一级、第二级高非线性光纤，两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。输入信号光和两泵浦光进入第一级光纤后，其输出端的增益谱呈钟形分布，中间略有凸起。经过第二级光纤后，由于光纤的四阶色散为负值，增益谱得到修正，其平坦度达到0.4dB以内，增益带宽也得到增加，达到400nm。

实施例1：

110nm带宽的双泵浦宽带光纤参量放大器。其中两泵浦光功率P₁＝P₂＝0.5W，两泵浦光波长λ_p1＝1491nm，λ_p2＝1609nm，光纤二阶色散系数β₂₁＝β₂₂＝0，光纤非线性系数γ＝18km^-1W^-1。第一级高非线性光纤长度L₁＝105m，四阶色散系数β₄₁＝5.98×10^-5ps⁴km^-1；第二级高非线性光纤长度L₂＝14m，四阶色散系数β₄₂＝-34.92×10^-5ps⁴km^-1。本发明首先通过求解非线性薛定谔方程，得到双泵浦宽带光纤参量放大器的增益函数，然后利用遗传算法获得二级高非线性光纤参数的最优值。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。输入信号光和泵浦光经波分复用器耦合进第一级光纤后，由于光纤的二阶色散等于零，四阶色散大于零，其输出端的增益谱略呈钟形分布，如图2中的圈号线所示。第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散等于零，四阶色散小于零，其增益谱成凹陷形，这级光纤的长度为14m，信号光和泵浦光经过第二级光纤后，其增益谱线恰好得到了修正，平坦度增加，达到0.17dB以内，有效带宽拓展，达到110nm，如图2中的加号线所示。故在本实施例中，光纤参量放大器的两级光纤中的第一级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为零，四阶色散为正值；而第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为零，四阶色散为负值。

表1为带宽110nm的双泵浦宽带光纤参量放大器的最优化参数，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，P₁，P₂为两泵浦光功率，γ为光纤非线性系数，λ_p1，λ_p2为两泵浦光波长，λ₀为光纤的零色散波长，bandwidth为得到的宽带光纤参量放大器的有效增益带宽。

表1

光纤	第1级	第2级
光纤	第1级	第2级	L(m)	105	14
β₄(×10^-5ps⁴km^-1)	5.98	-34.92	L(m)	105	14
β₄(×10^-5ps⁴km^-1)	5.98	-34.92	P₁＝P₂＝0.5W，β₂＝0ps²km^-1，γ＝18km^-1W^-1，λ_p1＝1491nm，λ_p2＝1609nm，λ₀＝1550nm，bandwidth＝110nm.

实施例2：

346nm带宽的双泵浦宽带光纤参量放大器。其中两泵浦光功率P₁＝P₂＝1W，两泵浦光波长λ_p1＝1490nm，λ_p2＝1510nm，光纤四阶色散系数β₄₁＝β₄₂＝-2×10^-6ps⁴km^-1，光纤非线性系数γ＝60km^-1W^-1。第一级高非线性光纤长度L₁＝25m，二阶色散系数β₂₁＝0；第二级高非线性光纤长度L₂＝2.93m，β₂₂＝4.29×10^-2ps²km^-1。本发明首先通过求解非线性薛定谔方程，得到双泵浦宽带光纤参量放大器的增益函数，然后利用遗传算法获得二级高非线性光纤参数的最优值。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25m。输入信号光和泵浦光经波分复用器耦合进第一级光纤后，由于光纤的二阶色散等于零，四阶色散小于零，其输出端的增益谱为双峰曲线，如图3中的实线所示。第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散大于零，而四阶色散小于零，其增益谱在中央呈现一个平坦峰值区域，这级光纤的长度为2.93m，信号光和泵浦光经过第二级光纤后，其增益谱线恰好得到了修正，平坦度增加，达到0.2dB以内，有效平坦带宽拓展，达到346nm，如图3中的虚线所示。

表2为带宽346nm的双泵浦宽带光纤参量放大器的最优化参数，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，P₁，P₂为两泵浦光功率，γ为光纤非线性系数，λ_p1，λ_p2为两泵浦光波长，λ₀为光纤的零色散波长，bandwidth为得到的宽带光纤参量放大器的有效增益带宽。

表2

光纤	第1级	第2级
光纤	第1级	第2级	L(m)	25	2.93
β₂(×10^-2ps²km^-1)	0	4.29	L(m)	25	2.93
β₂(×10^-2ps²km^-1)	0	4.29	P₁＝P₂＝1W，β₄＝-2×10^-6ps⁴km^-1，γ＝60km^-1W^-1，λ_p1＝1490nm，λ_p2＝1510nm，λ₀＝1500nm，bandwidth＝346nm.

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。总之，第一级光纤用于产生一个大的增益，后面一级光纤用于拉平增益谱。通过对两级光纤参数的优化设计，最终可以得到有效增益带宽达到400nm或更宽的宽带光纤参量放大器，其增益平坦度小于0.4dB。

本发明的双泵浦宽带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光纤长度、二阶色散和四阶色散以及泵浦光波长和泵浦光功率，第二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，可以得到宽带光纤参量放大器，从而减小损耗，简化工艺，推动WDM光纤通信系统的发展。

Claims

1、一种两级光纤级联的双泵浦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、波分复用器及高非线性光纤组成，其特征在于两个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，波分复用器将两个泵浦光和信号光复用到依次级联的第一级、第二级共两级高非线性光纤中，并通过四波混频作用，实现参量放大；其中，两级光纤的长度处于0.1m至150m范围内，二阶色散系数处于0至5.0×10^-2ps²km^-1范围内，四阶色散系数处于-4.0×10^-4ps⁴km^-1至1.0×10^-4ps⁴km^-1范围内，光纤非线性系数处于1km^-1W^-1至60km^-1W^-1范围内，泵浦光波长位于1400-1700nm范围内。

2、根据权利要求1的两级光纤级联的双泵浦宽带光纤参量放大器，其特征在于所述第一级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散系数为零，四阶色散系数为正值；第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散系数为零，四阶色散系数为负值。