CN202362561U - 一种光纤参量放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤参量放大器，包括：输入耦合单元、泵浦光源单元、磁可调非线性光纤单元和光滤波器输出单元，其特征在于，所述的磁可调非线性光纤单元包括磁光非线性光纤、磁场加载装置和可调直流电源，其中，可调直流电源为磁场加载装置提供可调节的电流，磁场加载装置为磁光非线性光纤提供磁场。本实用新型的光纤参量放大器通过可调直流电源为磁场加载装置提供驱动电流，以调节施加到磁光非线性光纤上的磁场，从而实现电磁调节过程，控制参量增益，克服了传统增益调节方式对光纤参量放大器性能的劣化，而且进一步提高了光纤参量放大器的增益性能，满足了较长中继距离的要求。

Description

一种光纤参量放大器

技术领域

本实用新型属于光纤通信技术领域，具体涉及一种光纤参量放大器的设计。

背景技术

随着光纤通信网络的迅速发展，光通信系统对光信息处理技术的需求越来越紧迫，例如要求光放大器具有大增益带宽、高增益水平和饱和输出功率、低噪声系数以及多路信号同时放大能力等。光放大技术在光通信系统扩容和增加传输距离方面具有巨大的优势和潜力，一直是光通信领域研究的热点。传统的掺铒光纤放大器在增益带宽、噪声性能等方面一定程度上已经难以适应未来光网络的发展。

基于光纤四波混频(FWM，Four-Wave Mixing)非线性效应的光纤参量放大器(FOPA，Fiber Optical Parametric Amplifier)越来越受到关注，成为研究的焦点。光纤参量放大器是依靠光纤中的四波混频效应进行光信号放大的新型光放大器，与其它类型的光放大器对比，光纤参量放大器具有许多显著优点：高增益(小信号近似时，与泵浦功率成指数关系)、宽带宽(可在光通信系统中全波段工作)、相敏特性(可实现0dB自发辐射噪声放大)、多路信号同时放大能力以及低噪声指数等。

为了适应光纤通信中长中继距离的要求，或者使有关光纤信息处理器件如光纤参量振荡器等工作在合适的工作状态，往往需要控制光纤参量放大器的增益。光纤参量放大器的增益与泵浦功率有关，所以可采用传统的调节泵浦功率方式来控制光纤参量放大器信号增益的大小。这种传统的增益可调方式在非线性系数较小而有效面积较大的普通光纤中虽然可以调节参量增益的大小，但是所获的增益并不能满足长中继距离的要求，这就需要在两者通信之间增加多个中继器，从而增加了设备的费用，而且泵浦功率影响着四波混频的相位失配，在一定范围泵浦功率时会使相位不能达到匹配条件使四波混频效率降低，从而这种可调方式会劣化信号增益的动态性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的光纤参量放大器存在的上述问题，提出了一种光纤参量放大器。

本实用新型的技术方案是：一种光纤参量放大器，包括：输入耦合单元、泵浦光源单元、磁可调非线性光纤单元和光滤波器输出单元，所述泵浦光源单元发出的泵浦光和输入信号光依次经过输入耦合单元和磁可调非线性光纤单元得到闲频光和信号光，最后经光滤波器输出单元输出输出信号，其特征在于，所述的磁可调非线性光纤单元包括磁光非线性光纤、磁场加载装置和可调直流电源，其中，可调直流电源为磁场加载装置提供可调节的电流，磁场加载装置为磁光非线性光纤提供磁场。

进一步的，所述的磁场加载装置为螺线环式磁场加载装置，或者为螺线管式磁场加载装置。

本实用新型的有益效果：在相同条件下，本实用新型的光纤参量放大器可以在传统的调节泵浦功率方式的基础上进一步提高参量增益的大小；本实用新型光纤参量放大器具有电磁调节方式优点，即通过可调直流电源为磁场加载装置提供驱动电流，以调节施加到磁光非线性光纤上的磁场，从而实现电磁调节过程，控制参量增益。

本实用新型是采用磁光非线性光纤作为参量介质实现增益放大功能，并通过电磁方式实现参量增益的可调功能，不但克服了传统增益调节方式对光纤参量放大器性能的劣化，而且还可以进一步提升传统光纤参量放大器的增益性能，使其满足较长中继距离的要求，而且通过这种调节方式还可以对输出脉冲进行整形功能，可以应用在光纤通信和智能光信息处理等领域。

附图说明

图1是本实用新型光纤参量放大器增益控制装置的原理示意图。

图2是本实用新型泵浦光源单元的示意图。

图3是本实用新型磁可调非线性光纤单元示意图。

图4是本实用新型磁可调非线性光纤单元中螺线环式磁场加载装置示意图。

图5是本实用新型磁可调非线性光纤单元中螺线管式磁场加载装置示意图。

图6是本实用新型光纤参量放大器信号增益随光纤长度周期性变化的示意图。

图7是本实用新型光纤长度为100m时光纤参量放大器信号增益可调范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步的阐述。

本实用新型提出的光纤参量放大器，包括输入耦合单元、泵浦光源单元、磁可调非线性光纤单元、光滤波器输出单元。本实用新型是基于磁光效应和四波混频相互作用的新机理，通过磁控方式来调节两者耦合作用的。耦合的信号光和泵浦光在磁可调非线性光纤单元中发生四波混频效应，且在调节外加磁场的作用下磁光非线性光纤中磁光效应将会发生改变，进而影响着磁光非线性光纤中的椭圆双折射，椭圆双折射可以看作是由磁光效应引起的磁圆双折射和线双折射的叠加。由于四波混频效率是和导波光的偏振态相关的，而磁光非线性光纤中椭圆双折射的改变影响着导波光在磁光非线性光纤中传输的偏振态，这种偏振态的转换是由磁光效应引起的，并且可用磁光耦合系数κ_m来度量，磁光耦合系数κ_m等于Verdet常数V_B和磁感应强度B的乘积，即κ_m＝V_BB。所以通过外加磁场来实现磁可控装置，使系统的磁光非线性光纤的椭圆双折射发生改变，从而控制光纤参量过程中信号增益。基于这种磁光效应和光纤非线性的磁光光纤已应用在光纤传感、光栅和磁光开关等中，同时也已经实现了磁光非线性光信息处理功能，如磁光效应和自相位调制(SPM)或交叉相位调制(XPM)的耦合作用产生的频率啁啾可用于压缩光脉冲，以及交叉相位调制(XPM)磁光开关等。

相对于无外加磁场时的情形，将磁控条件下能够获得的最大信号增益改变定义为参量增益的可调范围。

下面以参量增益可调范围为9dB的单通道光纤参量放大器为例，进行具体说明。

如图1所示的光纤参量放大器，包括输入耦合单元、泵浦光源单元、磁可调非线性光纤单元、光滤波器输出单元。泵浦光源单元发出的泵浦光和输入信号光经输入耦合单元输入到磁可调非线性光纤单元，在磁可调非线性光纤单元中通过磁光效应的可调性来调节四波混频的效率，最后经光滤波器输出单元输出输出信号，实现信号光和闲频光的分离。

这里，输入耦合单元包括偏振控制器(PC，Polarization Controller)和耦合器，偏振控制器作用是使输入信号光和泵浦光转换为所需的光偏振态。

这里，光滤波器输出单元的功能是实现信号光和闲频光的分离，在此对于如图1所示的单通道光纤参量放大器，由于要通过光滤波器输出单元的光为两束信号光和闲频光，所以光滤波器输出单元可为光带通滤波器，则将闲频光阻挡使信号光输出；对于多通道光纤参量放大器，光滤波器输出单元也可为光带通滤波器或者梳状滤波器。

这里，泵浦光源单元如图2所示，具体包括泵浦激光器和光放大器，或者采用其它的高功率激光源；当输出泵浦功率比较大时，所述泵浦光源单元还包括受激布里渊散射(SBS，Stimulated Brillouin Scattering)抑制模块，受激布里渊散射抑制模块主要包括相位调制器、余弦波信号发生器等，其输出的泵浦光是经相位调制后产生的。由于在光纤中存在受激布里渊散射效应，当输入泵浦光功率大于受激布里渊散射阈值时，受激布里渊散射效应会产生后向散射，从而使泵浦光功率下降影响参量增益，而相位调制则是提高受激布里渊散射阈值的方法。

这里，磁可调非线性光纤单元如图3所示，具体包括磁光非线性光纤、磁场加载装置、可调直流电源，其中，可调直流电源为磁场加载装置提供可调节的电流，磁场加载装置为磁光非线性光纤提供磁场。这里采用磁光非线性光纤作为参量介质，在适当的准相位匹配或完全匹配条件下实现磁光四波混频参量增益放大作用。通过磁场加载装置产生的磁场影响着导波光在磁光光纤中偏振态的演化分布，进而影响着四波混频效率达到控制光纤参量增益的目的。即可根据可调直流电源来调节电流的大小，实现磁场加载装置内磁光效应的可调性，用以控制磁光非线性光纤中的导波光的传输特性，进而调节磁光非线性光纤中四波混频的效率，达到提高参量增益的目的。

一方面，通过改变磁场加载装置产生磁场大小实现磁光非线性光纤的磁可调处理，使磁光效应对光纤中导波光的传输影响不同；另一方面，由于磁光非线性光纤中还存在线双折射，由磁光效应引起的磁圆双折射和线双折射的叠加形成了磁光非线性光纤中的椭圆双折射。因此通过磁可调特性改变了磁光非线性光纤的椭圆双折射，进而影响着四波混频的效率。

这里的磁可调非线性光纤单元中磁光非线性光纤长度的选取影响着参量增益，进而在不同光纤长度时磁可调性对参量增益的作用将表现出不同的特性，同时根据需要固定光纤长度时，可以展现出磁可调性对参量增益的影响。

将由泵浦光源单元发出的功率为50mw、波长为1549nm的泵浦光和输入功率为1mw、波长为1560nm的信号光一起发送到输入耦合单元。此时，泵浦光源单元包括泵浦激光器和光放大器，或者采用其它的高功率激光源；当输出泵浦功率比较大时，泵浦光源单元还包括受激布里渊散射抑制模块，受激布里渊散射抑制模块主要包括相位调制器、余弦波信号发生器等，如图2所示。即使输入的泵浦光功率不能使四波混频的相位达到匹配条件降低四波混频效率，但是通过本实用新型的磁可调性可增加在这种情况下的信号增益。

泵浦光和信号光经过输入耦合单元中偏振控制器转换为所需的光偏振态，然后再经输入耦合单元中光波分复用器作用共同传输到磁可调非线性光纤单元。

磁可调非线性光纤单元包括磁光非线性光纤、磁场加载装置和可调直流电源，如图3所示。

对磁场加载装置，加载的磁场方式多种多样；相对而言采用螺线环的方式来加载磁场比较方便，而且光纤在螺线环中的缠绕容易实现，避免了弯曲度对光纤性能的影响。螺线环产生磁场可以通过单线缠绕，也可以通过双线并绕的方式(通常采用漆包铜线)。

图4示出了双线并绕方式实现的螺线环结构。在磁光非线性光纤中不论导波光是沿磁场方向或逆磁场方向传播，振动面的转向都一样，它由磁场方向决定，即取决于绕线1(A1-B1)和绕线2(A2-B2)连接方式。当端点B1和B2相连，A1和A2分别接在可调直流电源的两极时，可知螺线环内产生的磁场相互抵消，不能实现加载磁场的目的。经过分析可以看出，将端点A2和B1相连后，A1和B2分别接在可调直流电源的两极上，或者A1和A2，B1和B2相连后分别接在可调直流电源的两极上，此时螺线环内的磁场方向一致，使其螺线环内的磁场强度达到最大值。本实施例采用将A1和A2，B1和B2相连后分别接在可调直流电源的两极上实现磁场加载。如图4所示得知加载电流的方向，由安培环路定理可知螺线环内磁场的方向为逆时针方向。

参量增益特性与磁光非线性光纤的长度密切相关。光信号增益随着光纤长度周期性的变化，如图6所示，且随着光纤长度的不同，参量增益的可调范围也将表现出不同的特性。在磁可调非线性光纤单元中，磁光非线性光纤的Verdet常数V_B和非线性系数分别为32rad/(T·m)和1W^-1/km；磁光非线性光纤的长度取为100m，并将其缠绕在螺绕环中，如图4所示。通过调节为磁场加载装置提供驱动电流的可调直流电源来改变施加到磁光非线性光纤上的磁场，可控制磁光非线性光纤中导波光的传输特性，进而调节磁光非线性光纤中四波混频的效率，达到可调参量增益的目的。

磁场加载装置也可以采用螺线管式的磁场加载装置，具体结构如图5所示。为了使螺线管内产生最大的磁场强度，如图所示加载电流方向，由安培环路定理可知螺线管内的磁场方向是从左向右的，对螺线管式的磁场加载装置的操作则和螺线环式的磁场加载装置相同。

对于单通道的光纤参量放大器，光滤波器输出单元可以选择光带通滤波器，参量放大信号经过光带通滤波器输出，对应的参量增益可调范围能够满足9dB的设计要求，如图7所示，同时可以看出，磁光耦合系数在0到0.2rad/m范围时施加磁场还有助于提高信号增益。

本实用新型相对现有光纤参量放大器的优点在于：(1)在相同条件下，本实用新型可以在传统的调节泵浦功率方式的基础上进一步提高参量增益的大小。(2)具有电磁调节方式优点。本实用新型通过可调直流电源为磁场加载装置提供驱动电流，以调节施加到磁光非线性光纤上的磁场，从而实现电磁调节过程，控制参量增益。(3)本实用新型的光纤参量放大器具有灵活可控以及简单和易实现性，可以应用在光纤通信和智能光信息处理等领域。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光纤参量放大器，包括：输入耦合单元、泵浦光源单元、磁可调非线性光纤单元和光滤波器输出单元，所述泵浦光源单元发出的泵浦光和输入信号光依次经过输入耦合单元和磁可调非线性光纤单元得到闲频光和信号光，最后经光滤波器输出单元输出输出信号，其特征在于，所述的磁可调非线性光纤单元包括磁光非线性光纤、磁场加载装置和可调直流电源，其中，可调直流电源为磁场加载装置提供可调节的电流，磁场加载装置为磁光非线性光纤提供磁场。

2.根据权利要求1所述的光纤参量放大器，其特征在于，所述的磁场加载装置为螺线环式磁场加载装置，或者为螺线管式磁场加载装置。

3.根据权利要求1或2所述的光纤参量放大器，其特征在于，所述的光滤波器输出单元为光带通滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的光纤参量放大器，其特征在于，所述的光滤波器输出单元可为梳状滤波器。

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