CN207116906U

CN207116906U - 一种三阶拉曼放大器的泵浦源

Info

Publication number: CN207116906U
Application number: CN201720875807.9U
Authority: CN
Inventors: 迟荣华
Original assignee: Wuxi Professional College of Science and Technology
Current assignee: Wuxi Professional College of Science and Technology
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-03-16
Anticipated expiration: 2027-07-18

Abstract

本实用新型提出一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其结构简单合理，应用方便，成本低，并且可以获得最优的拉曼增益效果或者最优的系统传输效果，其包括高功率拉曼激光器,可调功率分配器将高功率拉曼激光器输出功率分成两部分，第一部分保持波长不变，在总输出中作为3级泵浦激光器的3级泵浦源使用，第二部分通过增加选频器件形成两个级联拉曼谐振腔：第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔，第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔依次产生2级泵浦光和1级泵浦光，各级泵浦光在增益光纤中，其功率随着距离发生变化。

Description

一种三阶拉曼放大器的泵浦源

技术领域

本实用新型涉及光纤通信技术领域，具体为一种三阶拉曼放大器的泵浦源。

背景技术

光线通信技术中常应用拉曼放大器作为泵浦源，拉曼放大器是利用受激拉曼散射现象实现的光放大器，其光的转移通过拉曼频移实现，所谓拉曼频移即一个高功率泵浦信号λp和一个低功率泵浦信号λs被导入到同一传输光纤中，来自高功率的泵浦光的能量被转移到低功率的光信号中，这样便完成了信号的放大，在典型情况下，λp小于λs，而λp与λs之差被设计成近似等于传输介质的斯托克斯转移。

拉曼频移可用于高阶拉曼效应，高阶拉曼效应也称多次拉曼散射，即位于高频的大功率光子的能量能够经过数次斯托克斯频移，逐级泵浦低频光子。通信光纤多为锗硅光纤，而锗硅光纤的拉曼频移量为440cm-1，根据拉曼光纤第i阶输出波长的计算公式可以计算得知：计算得知：1389.5nm的光发生拉曼频移后,其功率会转移到1480nm的波长上，1480nm的光再次发生拉曼频移后其功率会转移到1550nm波段上。

拉曼放大技术近年来得到越来越广泛的应用：如级联拉曼泵浦激光器，无中继传输技术中应用的高阶拉曼放大器，具体应用如下所述：

(1)级联拉曼泵浦激光器

专利《基于滤波器光纤的级联拉曼光纤激光器系统》(申请号： 201080010155.3)提出了一种光产生和放大系统，包括一段具有折射率分布并且在其工作波长上具有正常色散的激光激活滤波器光纤,该折射率分布抑制在比目标波长更长的波长下的不希望的斯托克斯级。在所述光纤的输入端和输出端处提供一系列嵌套反射器件,并且该系列嵌套反射器件被配置为提供一系列嵌套拉曼腔体,该系列嵌套拉曼腔体在波长上分开大约相应的斯托克斯频移。

专利《单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波装置》(申请号201210047801.4)提供一种通过在泵浦激光器的输出尾纤上使用至少两个或两个以上不同中心波长的来实现可使增益平坦对应多个波长激射的单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波装置。

(2)无中继传输技术中应用的高阶拉曼放大器

随着无中继传输技术的发展，要求超过400km的传输段落越来越多，拉曼放大技术，遥泵放大技术都逐渐被采用，但是随着传输距离的进一步增加，高阶拉曼放大器由于具有更高的增益和更低的噪声逐渐得到青睐。但是3阶拉曼放大器的泵浦源结构非常复杂，成本非常高。如图1所示一个商用的3阶拉曼放大器泵浦源的结构图，这个泵浦源是由两个独立的控制机框(1U机框*2)构成的，之所以选用两个机框是因为所采用的泵浦激光器类型完全不同，无法在一个机框内完成光路设计及电路软件控制。其中一个机框内包含有若干个半导体激光器，至少包括3个半导体激光器：至少一个波长为1370nm附近的半导体激光器，波长通常为100mW以内，至少包括3个波长为1425～1465nm之间的半导体激光器，输出功率为100～300mW之间。另外一个机框由波长更短三级激光器构成，通常功率为数瓦，功率如此高的半导体激光器尚没有研发出来，所以需要选用高功率光纤拉曼激光器。这种激光器就是前述的由多个拉曼级联谐振腔和增益光纤构成的。输出功率5W以上。多个半导体激光器构成的1+二级拉曼泵浦源电路驱动控制非常复杂[专利《一种二阶拉曼放大器及其控制方法》申请号:CN201510863985.5]。实际应用起来实现激光安全和无光关泵功能因为要涉及两块单板，变得非常麻烦。同时每个机框都需要远程控制，不同机框(机制)的拉曼泵浦源要实现无光关泵或者增益/功率模式联动控制，也是非常不容易。

如图1所示的商用的3阶拉曼的泵浦源中，通常需要3.5～5W的三级泵浦源，波长为1270～1280nm；通常需要二级的拉曼激光器作为种子源，波长为1370～ 1380nm，功率为几十毫瓦；此外还需要至少3个一级的泵浦光，其波长分别为 1425nm,1445nm,1465nm。功率为100～200mW之间。如此搭配可以获得较为平坦的增益和较低的噪声指数，实现某些仅有1阶和2阶拉曼放大器无法胜任的场合。例如超长跨距无中继传输距离超过400公里的场合。但是以上由若干半导体激光器和高阶拉曼激光器构成的3阶拉曼泵浦源成本非常之高。

从上述例子可以看出，拉曼激光器输出功率很高，通常可以达到10W以上，波长越短(频率越高)，越容易得到高功率的输出，其制作原理一般是级联拉曼激光器的原理。众所周知，拉曼激光器在生产过程中一般以光-光转化效率为终极目标。以光-光转换效率为设计目标,其结果就是级联拉曼激光器都是将高频的拉曼功率转移到低频泵浦光上去。在激光器输出功率中一般只有残留的少量的高频拉曼激光功率(而且成品激光器为了获得良好的激光输出谱特性，还会将高阶的激光滤掉)，大部分高阶激光功率都通过斯托克频移效应转移到低阶(低频) 光上去了。如图2所示一个三级的拉曼级联激光器的功率转移过程，纵坐标表示激光器的功率，在这个过程中，λ3^rd(高频三级)的功率首先转移到它的斯托克斯波长λ2^rd上，当达到二级激射阈值的时候，λ2^rd上的功率又转移到下一个斯托克斯频移即λ1^rd中。一级斯托克斯光最后转移给需要放大的光信号。级联拉曼激光器的输出特点是所有的泵浦功率都转化到最后一级(频率最低的一级)上。

综上所述，可见，在实际拉曼放大器的研究和使用过程，高阶拉曼放大器各级激光器泵浦配置具有其独特的特点，以3阶拉曼放大器为例，其拉曼泵浦源配置的特点：三级最大，3.5W～5W，二级最小，只有几十毫瓦，一级功率居中，为100mW～200mW之间，这种功率配置方式一般要求三阶拉曼放大器的泵浦源的构成中必须包括若干个半导体激光器和若干个高功率激光器构成，成本非常之高。

实用新型内容

针对现有技术中拉曼放大器存在的结构复杂，应用不方便，成本非常高等问题，本实用新型提出一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其结构简单合理，应用方便，成本低，并且可以获得最优的拉曼增益效果或者最优的系统传输效果。

一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其包括高功率拉曼激光器,其特征在于：可调功率分配器将所述高功率拉曼激光器输出功率分成两部分，第一部分保持波长不变，在总输出中作为3级泵浦激光器的3级泵浦源使用，其产生的3级泵浦光直接进入宽带合波器的一个输入端；第二部分通过增加选频器件形成两个级联拉曼激光谐振腔：第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔，由可调功率分配器分出的3级泵浦光作为输入泵浦光，在第一级联拉曼激光谐振腔内由高频3级泵浦光向低频2级泵浦光转化，在第二个级联拉曼激光谐振腔内，第一级联拉曼激光谐振腔生成的2级泵浦光向1级泵浦光转换，所述第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔依次产生2级泵浦光和1级泵浦光，各级泵浦光在增益光纤中，其功率随着距离发生变化，3级泵浦光，2级泵浦光及1级泵浦光在谐振腔内的反馈及传输过程用如下的方程来描述：

F和B分别代表前、后传输方向；P代表功率，P_p3,P_p2,P_p1，分别代表3级泵浦功率，2级泵浦光功率，1级泵浦光功率；α为拉曼光纤损耗；g为拉曼光纤拉曼增益系数。强泵浦情况下，拉曼光纤中的自发拉曼散射效应(ASE)通常非常弱，因此在上式中忽略了ASE。

在z＝0,z＝L处的边界条件分别为：

其进一步特征在于：

所述第一级联拉曼激光谐振腔包括选频器件2级布拉格高反射光栅(FBG2), 增益光纤与2级可调布拉格光栅(FBG3)；

所述第二级联拉曼激光谐振腔包括选频器件1级布拉格高反射光栅(FBG1) 与1级可调布拉格宽带光栅(FBG4)；

所述选频器件的反射率可调，1级泵浦光和2级泵浦光输出光功率及比例通过调节选频器件光纤光栅的反射率来实现。进一步的，可调功率分配器的分配比例也是可调的，可以平衡1级泵浦光,2级泵浦光，3级泵浦光的泵浦功率及其各自的比例；

进一步的，

可以现场通过调节可调功率分配器的比例及可调布拉格光栅的反射率，获得最优的拉曼增益效果或者最优的系统传输效果；

所述的高功率激光器输出功率5W以上，波长为1260～1280nm之间，所述高功率激光器类型可以是光纤拉曼激光器或者其他类型的高功率激光器；

所述的可调功率分配器,能将高功率的激光器的输出功率分成两部分，每部分的功率分配比例是可以调节的，调节范围10～90％之间。而且调谐比例是可以通过上位机来现场实现的；通过调节分配比例，能够调整3级泵浦光与1级泵浦光,2级泵浦光的功率占比；

所述的2级布拉格高反射光栅位于信号输入端，反射波长1360～1380nm，反射带宽5～10nm，其反射率大于95％；所述的2级可调布拉格光栅位于信号输出端，反射波长1360～1380nm，反射带宽5～10nm,其反射率是可调的，调节范围在5～90％之间；所述的1级布拉格高反射光栅位于信号输入端，反射波长1420～1480nm, 反射带宽为20～40nm，反射率>95％；位于信号输出端的1级布拉格可调光栅也是宽带光栅，反射波长1420～1480nm,其反射带宽为20～40nm，其反射率是可调的，调节范围在5～90％之间。

所述的增益光纤为锗硅光纤，具有高拉曼增益系数的特点，斯托克斯频移为440cm-1。

将本实用新型应用于光纤信号传输系统中，高功率激光器被可调功率分配器分开为两部分：第一部分作为三级泵浦激光器的泵浦光直接进入宽带合波器的第一输入端，第二部分构成一个两级的级联拉曼泵浦激光器的谐振腔，两个级联拉曼激光谐振腔依次产生一级泵浦激光器、2级泵浦激光器的一级泵浦光和二级泵浦光；放大器实际需要的一级泵浦光功率和二级泵浦光功率及其比例，通过调节一级可调布拉格光栅的反射率FBG4及二级可调布拉格光栅FBG3的反射率实现，可调功率分配器调谐比例通过上位机来现场实现的，通过调节分配比例来调整三级泵浦光与一级,二级光的功率占比，从而获得最优的拉曼增益效果或者最优的系统传输效果；本实用新型中仅用一个拉曼激光器即可代替传统的三阶拉曼泵浦激光器泵浦组合，不仅简化了放大器的泵浦源结构，而且大大降低了激光器成本，另外通过设计一级泵浦光的谐振腔，同时实现了拉曼放大器增益带宽宽而且平坦的要求。

附图说明

图1为商用三阶拉曼放大器的泵浦源构成示意图；

图2级联拉曼激光器的泵浦能量转移示意图；

图3本实用新型的构成示意图；

图4本实用新型的三阶拉曼泵浦源的1+2级拉曼激光器的结构示意图；

图5为理论模拟的各级泵浦光功率在激光器谐振腔中功率随着距离的变化关系曲线图；

图6为级联拉曼激光器中各级泵浦转化及调节原理曲线图；

图7为各级泵浦功率调整方法及步骤流程图；

图8运用本实用新型实现拉曼放大器的增益谱图；

图9本实用新型应用于拉曼放大器中的正向泵浦结构实施案例示意图；

图10本实用新型应用于拉曼放大器中的反向泵浦结构实施案例示意图；

图11本实用新型应用于拉曼放大器中的双向泵浦结构实施案例示意图；

图12本实用新型应用于遥泵放大器的实施案例示意图。

具体实施方式

如图3至图12所示，一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其包括高功率拉曼激光器1,可调功率分配器2，高功率激光器1的输出功率5W以上，波长为 1260～1280nm之间，其类型可以是光纤拉曼激光器或者其他类型的高功率激光器；可调功率分配器2的分配比例也是可调的，其能将高功率的激光器的输出功率分成两部分，且每部分的功率分配比例是可以调节的，调节范围在10～90％之间，调谐比例是可以通过上位机来现场实现的，可调功率分配器2将高功率拉曼激光器1的输出功率分成两部分，第一部分保持波长不变，在总输出中作为3级泵浦激光器4的泵浦源使用，其产生3级泵浦光，第二部分通过增加选频器件形成两个级联拉曼激光谐振腔3：第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔，第一级联拉曼激光谐振腔包括选频器件2级布拉格高反射光栅(FBG2)、增益光纤6与2级可调布拉格光栅(FBG3)，2级布拉格高反射光栅(FBG2)位于信号输入端，反射波长1360～1380nm，反射带宽5～10nm，其反射率大于95％；2级可调布拉格光栅(FBG3)位于信号输出端，反射波长1360～1380nm，反射带宽5～10nm, 其反射率是可调的，调节范围在5～90％之间；增益光纤6为锗硅光纤，具有高拉曼增益系数的特点，斯托克斯频移为440cm-1。

第二级联拉曼激光谐振腔包括选频器件1级布拉格高反射光栅(FBG1)与1 级可调布拉格宽带光栅(FBG4)，1级布拉格高反射光栅(FBG1)位于信号输入端，反射带宽为20～40nm，反射率>95％；位于信号输出端的1级布拉格可调光栅 (FBG4)也是宽带光栅，其反射带宽为20～40nm；

由可调功率分配器2分出的3级泵浦激光器4的3级泵浦光作为输入泵浦光，直接进入宽带合波器5的一个输入端，在第一级联拉曼激光谐振腔内由高频3 级泵浦光向低频2级泵浦光转化，在第二个级联拉曼激光谐振腔内，第一级联拉曼激光谐振腔生成的2级泵浦光向1级泵浦光转换，第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔依次产生2级泵浦光和1级泵浦光，3级泵浦光，2级泵浦光及1级泵浦光的泵浦功率及其各自的比例通过可调功率分配器2实现平衡，各级泵浦光在增益光纤6中，其功率随着距离发生变化。

其工作原理如下所述：将本实用新型应用于光纤信号传输系统中，用可调功率分配器2将高功率激光器1分开为两部分：第一部分作为三级泵浦激光器4 的泵浦光直接进入宽带合波器5的第一输入端，第二部分构成一个两级的级联拉曼泵浦激光器3的谐振腔，两个级联拉曼泵浦激光器3的谐振腔依次产生二级泵浦光、一级泵浦光；放大器实际需要的一级泵浦光功率和二级泵浦光功率及其比例，通过调节一级可调布拉格光栅FBG4的反射率及二级可调布拉格光栅FBG3 的反射率实现，可调功率分配器2调谐比例通过上位机来现场实现的，通过调节分配比例来调整三级泵浦光、二级泵浦光和一级泵浦光的功率占比。

本实用新型中，二级布拉格高反射光栅FBG2,增益光纤与二级可调布拉格光栅FBG3构成第一个激光谐振腔，在这个谐振腔中，由可调功率分配器2分出的三级泵浦光作为输入泵浦光，在第一个谐振腔内由高频三级光泵浦向低频二级泵浦光转化；

一级布拉格高反射光栅FBG1与一级可调布拉格宽带光栅FBG4构成第二个激光谐振腔。光纤光栅作为选频器件，第一个谐振腔生成的二级泵浦光向一级泵浦光转换。

在上述的两个级联谐振腔内，三级泵浦光，二级泵浦光及一级泵浦光在谐振腔内的反馈及传输过程可以用如下的方程来描述：

F和B分别代表前、后传输方向；P代表功率，P_p3,P_p2,P_p1，分别代表三级泵浦功率，二级泵浦光功率，一级泵浦光功率；α为拉曼光纤损耗；g为拉曼光纤拉曼增益系数。强泵浦情况下，拉曼光纤中的自发拉曼散射效应(ASE)通常非常弱，因此在上式中忽略了ASE。

在z＝0,z＝L处的边界条件分别为：

通过上述的公式和边界条件可以得到各级泵浦光的传输过程模拟结果如图 5所示。各级泵浦光(包括正向和反向)在增益光纤(传输光纤)中，其功率随着距离的变化都可以从图5中看出来。

同时我们也做了相应的实验，在早期的一个试验中我们发现级联拉曼谐振腔中，各级泵浦光的在谐振腔中并不是突然出现或消失的。例如图6表示出一个三级泵浦光注入，到逐渐增强，三级泵浦光到一级泵浦光的功率转移过程。所述的泵浦光为第三级泵浦光，随着注入的泵浦光功率增大，达到二级拉曼阈值3W附近，二级泵浦光开始出现，随着二级泵浦光的出现，三级泵浦光功率逐渐减小，二级泵浦光功率逐渐增大。当外界注入的泵浦光功率进一步增强，二级泵浦光功率增长到一定值，2.9W附近，此时达到一级泵浦光的阈值，一级泵浦光开始产生，一级泵浦光产生后，随着注入泵浦光功率的继续增加，二级泵浦光逐渐减弱，一级泵浦光逐渐增强，达到10W以后，二级泵浦光几乎消失，一级泵浦光继续增强，如果继续注入泵浦光功率，当一级泵浦光功率增长达到一定值达到下一级拉曼阈值，还会产生频率更低的(波长更长的)下一级的斯托克斯频移光。

仔细研究发现：上述的三级泵浦向二级泵浦的转化是在第一个级联拉曼激光谐振腔中完成的，在转化过程中，一级，二级两级泵浦功率是有一个重合区的，但是因为在一个3阶拉曼放大器中，第三级泵浦功率要求最大，所以该重合区无法利用。

由二级泵浦向一级泵浦的功率转化过程是在第二个激光谐振腔中完成的。在由二级泵浦向一级泵浦的转化过程中，存在一个重合区II,我们可以利用这个重合区改变二级泵浦和一级泵浦的功率之比。为了得到合适的各级泵浦光功率，同时又能得到合适的一级和二级泵浦光的比例，本实用新型选用反射率可调布拉格光栅来实现，通过调整一级布拉格光栅反射率达到控制一级和二级泵浦光的比例，同时又能控制各自功率的目的。

同时调节可调功率分配器可以调整三级泵浦和一级，二级泵浦的功率及比例。如果比例达不到目标，还可以进一步调节二级可调布拉格光栅的反射率来实现。

具体操作过程如图7所示，各个调节步骤可以遵循如下的顺序和过程：

(1)将高功率激光器的输出功率设定为给定目标三级泵浦功率的2倍.可调功率分配器的初始分光比为50:50；

(2)输出端采用功率计，光谱仪等手段监控一级，二级，三级泵浦光功率；

(3)如果一级和二级泵浦比例不符合要求，调节一级布拉格输出光栅的反射率。改变重合区II的一级和二级输出光的功率分配比例。

(4)当一级与二级光的分配比例基本满足要求，观察一级，二级，三级泵浦光的比例是否满足要求；如果不满足要求，微调可调功率分配器的分光比，使一级，二级，三级泵浦光比例满足要求；

(5)微调二级布拉格输出光栅的反射率，使一级，二级，三级泵浦光满足要求；

(6)以上调节可于放大器实施现场或者系统实施现场，结合系统参数来调节可调功率分配器，一级布拉格输出光栅反射率，二级布拉格输出光栅反射率,使一级，二级，三级泵浦光分配率最终满足3阶拉曼放大器的放大要求。

将本实用新型应用于拉曼放大器中的正向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构、遥泵放大器实施案例，具体实施方式如图9至图12所示。

Claims

1.一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其包括高功率拉曼激光器,其特征在于：可调功率分配器将高功率拉曼激光器输出功率分成两部分，第一部分保持波长不变，在总输出中作为3级泵浦激光器的3级泵浦源使用，其产生的3级泵浦光直接进入宽带合波器的一个输入端，第二部分通过增加选频器件形成两个级联拉曼激光谐振腔：第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔，由可调功率分配器分出的3级泵浦光作为输入泵浦光，在第一级联拉曼激光谐振腔内由高频3级泵浦光向低频2级泵浦光转化，在第二个级联拉曼激光谐振腔内，第一级联拉曼激光谐振腔生成的2级泵浦光向1级泵浦光转换，所述第一级联拉曼激光谐振腔、第二级联拉曼激光谐振腔依次产生2级泵浦光和1级泵浦光，各级泵浦光在增益光纤中，其功率随着距离发生变化。

2.根据权利要求1所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述第一级联拉曼激光谐振腔包括选频器件2级布拉格高反射光栅（FBG2）,增益光纤与2级可调布拉格光栅（FBG3）；所述第二级联拉曼激光谐振腔包括选频器件1级布拉格高反射光栅（FBG1）与1级可调布拉格宽带光栅（FBG4）。

3.根据权利要求1所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述选频器件的反射率可调，1级泵浦光和2级泵浦光输出光功率及比例通过调节选频器件光纤光栅的反射率来实现。

4.根据权利要求1所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述可调功率分配器的分配比例可调，可以平衡1级泵浦光，2级泵浦光，3级泵浦光的泵浦功率及其各自的比例。

5.根据权利要求1所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述的高功率激光器输出功率5W以上，波长为1260~1280nm之间，所述高功率激光器类型可以是光纤拉曼激光器。

6.根据权利要求1或4所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述的可调功率分配器,能将高功率的激光器的输出功率分成两部分，每部分的功率分配比例是可以调节的，调节范围10~90%之间，而且调谐比例是可以通过上位机来现场实现的，通过调节分配比例，能够调整3级泵浦光与1级泵浦光,2级泵浦光的功率占比。

7.根据权利要求2所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述的2级布拉格高反射光栅位于信号输入端，反射波长1360~1380nm，反射带宽5~10nm，其反射率大于95%；所述的2级可调布拉格光栅位于信号输出端，反射波长1360~1380nm，反射带宽5~10nm,其反射率是可调的，调节范围在5~90%之间；所述的1级布拉格高反射光栅位于信号输入端，反射波长1420~1480nm,反射带宽为20~40nm，反射率>95%；位于信号输出端的1级布拉格可调光栅也是宽带光栅，反射波长1420~1480nm,其反射带宽为20~40nm，其反射率是可调的，调节范围在5~90%之间。

8.根据权利要求2所述的一种三阶拉曼放大器的泵浦源，其特征在于：所述的增益光纤为锗硅光纤，具有高拉曼增益系数的特点，斯托克斯频移为440cm-1。