CN213602175U

CN213602175U - 一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器

Info

Publication number: CN213602175U
Application number: CN202022948156.6U
Authority: CN
Inventors: 成纯富; 陈文嘉; 欧艺文
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2030-12-08

Abstract

本实用新型提供一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，包括包括第一光环形器、第一光隔离器、第一泵浦光源、第一波分复用器、第二光环行器、线性腔、第三光环行器、第二光隔离器、第一滤波器、第一光衰减器、第四光环形器、第三光隔离器、第二泵浦光源、第二波分复用器、第四光隔离器、第二滤波器、第二光衰减器。采用单根铒纤对衰荡腔中顺时针、逆时针方向传输的两束光进行双向放大和增益钳制，提供了稳定、平坦的增益，且保证了正反向光具有相同的增益特性，克服了传统掺铒光纤放大器增益大、噪声大所带来的增益不稳定的问题，提升了传感系统的灵敏度、稳定度和精度，在空域有源光纤腔衰荡传感系统中具有很好的应用前景和实用价值。

Description

一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域，具体涉及一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器

背景技术

在光纤传感技术领域，空域光纤腔衰荡技术作为一种新兴的光纤传感技术，已经受到了越来越多研究者的青睐^[1-2]。它通过测量连续光在光纤衰荡腔内的衰减速度来获得待测参量的大小，不需要脉冲激光器或外部调制器，也不需要高速数据采集仪和快速探测器，大大降低了传感系统的成本。此外，该技术采用差分探测消除干涉信号中的直流噪声，提高了系统的信噪比。但是空域光纤腔衰荡传感系统的灵敏度与传统的时域腔衰荡技术一样，取决于光纤衰荡腔的固有损耗。固有损耗越大，系统的灵敏度越低。受光纤的吸收损耗、光纤耦合器的插入损耗、光纤的传输损耗和光纤熔接点损耗等等影响，固有损耗一般在0.3～0.5dB，很难进一步降低。为了提高系统的灵敏度，必须对衰荡腔内的固有损耗进行补偿。最简单可行的方法是采用掺铒光纤放大器对信号光进行放大，使损耗尽可能的降低，但必须注意增益不能超过衰荡腔的衰减系数，以防止激光产生。

掺铒光纤放大器具有高增益、宽带宽、偏振不敏感等优点，已广泛应用于光纤通信系统和光纤传感系统等领域^[3]。传统的掺铒光纤放大器属于单向光纤放大器，具有增益高的优点，特别适用于光纤通信系统中的中继放大。但对于光纤传感系统，这种高增益的掺铒光纤放大器所携带的自发辐射噪声(ASE)噪声较大，严重影响了传感系统的传感性能。比如将这种放大器用于时域有源光纤腔衰荡传感系统中时^[4-5]，其高噪声会导致基线漂移、增益不稳定，无法拟合衰荡曲线或拟合精度很低，从而大大降低系统的测量精度。于是有人设计了一种基于环形腔的增益钳制单向掺铒光纤放大器^[6]，使增益稳定性得到了一定程度的改善，但其仍存在ASE噪声大的缺点。因此，基于单向掺铒光纤放大器的时域有源光纤腔衰荡传感系统的传感性能，如灵敏度、稳定性和精度等，仍然达不到实用的要求。

为了降低光纤腔衰荡传感系统的成本和改善传感系统的稳定性、灵敏度等，近年来人们提出了空域光纤腔衰荡传感技术^[1-2]。对于空域光纤腔衰荡技术而言，在衰荡腔内存在顺时针和逆时针两个方向的两路信号光。两者必须同时放大进行同时补偿，才能补偿衰荡腔内的固有损耗，从而提高系统的灵敏度。因此，单向掺铒光纤放大器无法奏效，必须采用双向掺铒光纤放大器。尽管双向掺铒光纤放大器已有少量的研究和应用^[7-8]，但普遍存在高增益、ASE噪声大的特点，且没有增益钳制功能。因此，设计适合于空域有源光纤腔衰荡传感系统的低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器显得尤为迫切。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提出一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，为空域腔衰荡传感技术提供稳定的增益，获得低噪声特性，提升系统的灵敏度和精度。本实用新型为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：包括第一光环形器1、第一光隔离器2、第一泵浦光源3、第一波分复用器4、第二光环行器5、线性腔6、第三光环行器7、第二光隔离器8、第一滤波器9、第一光衰减器10、第四光环形器11、第三光隔离器12、第二泵浦光源13、第二波分复用器14、第四光隔离器15、第二滤波器16、第二光衰减器17；所述第一光环形器1的输出端与第一光隔离器2相连，第一光隔离器2和第一泵浦光源3与第一波分复用器相连4，第一波分复用器4与第二光环行器5的第一输入端相连，第二光环行器5第一输出端与线性腔6第一输入端相连，线性腔6第一输出端与第三光环行器7的第一输入端相连，第三光环行器7的输出端与第二光隔离器8相连，第二光隔离器8与第一滤波器9相连，第一可变光衰减器10与第四光环形器11相连、第四光环形器11的输出端与第三光隔离器12相连，第三光隔离器12和第二泵浦光源13与第二波分复用器14相连，第二波分复用器14与第三光环行器7的第二输入端相连，第三光环行器7的输出端与线性腔6的第二输入端相连，线性腔6的第二输出端与第二光环行器5的第二输入端相连，第二光环形器5的第二输出端与第四光隔离器15相连，第四光隔离器15与第二滤波器16相连、第二光衰减器17与第一光环行器1相连。

所述线性腔6由第一光纤布拉格光栅6-1、单根掺铒光纤6-2和第二光纤布拉格光栅6-3构成，其反射率大于90％，两光栅形成光栅对，用于实现增益钳制及获得低增益。

所述第一波分复用器4和第二波分复用器14均为1×2波分复用器，用于将正向(反向)传输的波长不同的泵浦光和信号光合为一路。

所述第一光环形器1、第二光环行器5、第三光环行器7、第四光环形器11、用于分离正向和反向传输光，显著降低了正向和反向信号的串扰噪声。

所述线性腔6长度为3m，用于实现低增益，为正向和反向的传输光提供相同的增益。

所述第一滤波器9和第二滤波器16为10GHz带通滤波器，用于降低双向掺铒光纤放大器的自发辐射噪声。

所述第一光衰减器10和第二光衰减器17为可变光衰减器，用于调节增益。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型采用单根铒纤对衰荡腔中顺时针、逆时针方向传输的两束光进行双向放大和增益钳制，提供了稳定、平坦的增益，且保证了正反向光具有相同的增益特性，克服了传统掺铒光纤放大器增益大、噪声大所带来的增益不稳定的问题，提升了传感系统的灵敏度、稳定度和精度，在空域有源光纤腔衰荡传感系统中具有很好的应用前景和实用价值。

附图说明

图1是双向掺铒光纤放大器结构图；

图2是双向掺铒光纤放大器的增益系数(Gain)、噪声系数(Noise Fiugre)随泵浦功率(pump power)变化的特性图；

图3是增益钳制(with FBG)与未钳制(without FBG)双向掺铒光纤放大器的增益系数、噪声系数对比图；

图4是双向掺铒光纤放大器与普通单向环形腔增益钳制掺铒光纤放大器的噪声系数的对比图；

其中：1-第一光环形器，2-第一光隔离器，3-第一泵浦光源，4-第一波分复用器，5-第二光环行器，6-线性腔，6-1-第一光纤布拉格光栅，6-2-单根掺铒光纤，6-3-第二光纤布拉格光栅，7-第三光环行器，8-第二光隔离器，9-第一滤波器，10-第一光衰减器，11-第四光环形器，12-第三光隔离器，13-第二泵浦光源，14-第二波分复用器，15-第四光隔离器，16-第二滤波器，17-第二光衰减器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其包含的具体器件有：第一光环形器1、第一光隔离器2、第一泵浦光源3、第一波分复用器4、第二光环行器5、线性腔6、第三光环行器7、第二光隔离器8、第一滤波器9、第一光衰减器10、第四光环形器11、第三光隔离器12、第二泵浦光源13、第二波分复用器14、第四光隔离器15、第二滤波器16、第二光衰减器17；其中线性腔6包括：第一光纤布拉格光栅6-1、单根掺铒光纤6-2和第二光纤布拉格光栅6-3。

该低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器的工作过程为：正向信号光通过第一光环形器1、第一光隔离器2，和泵浦光经第一波分复用器4耦合进入第二光环行器5，随后进入线性腔6，在线性腔6中振荡、放大后通过第三光环行器7、第二光隔离器8、第一滤波器9、第一光衰减器10、最后通过第四光环形器11输出。反向信号光也是同样的道理。

本实用新型中的线性腔6由两个高反射率的布拉格光栅构成，由于有多个模式的光波长均落在掺铒光纤放大器的增益波长范围内，这些不同模式的光波同时竞争相同的反转粒子数，掺铒光纤放大器又同时对这些不同模式的光波进行放大，因而使得增益不稳定，并带来了噪声。通过采用两个高反射率的布拉格光栅，控制光栅的中心波长，使得激光在腔中形成激光振荡，控制激光与信号光共同竞争处于激发态的反转粒子数，建立稳定的自激振荡。这种控制消耗了一定的放大信号导致了较小的增益，并将增益钳制在一个固定值，同时由于模式竞争使得很多不被需要的模式被抑制熄灭，这样有效降低了噪声。线性腔相比于环形腔，具有更好的增益钳制特性和噪声特性，并且环形腔结构复杂不易于集成，而线性腔结构简单，特性也较好，具有较好的发展前景。

采用同一根掺铒光纤进行放大，使得正向和反向传输的两束信号光具有相同的增益和噪声特性。由于前段铒纤传输的信号光和ASE噪声都会被后段光纤放大，会导致ASE噪声的迅速累积。另外在空域光纤腔衰荡技术中，整个系统的固有损耗并不是很大，不需要高达几十个dB的增益进行补偿，因此，铒纤长度一般取3m长，便可以获得低增益和最佳噪声系数。

光纤环形器具有单向传输特性，可以使传输信号相互独立、相互隔离。利用四个环形器分离正反向传输的信号光，以降低它们之间的串扰噪声；在光路中加入10GHz带通滤波器来有效滤除自发辐射噪声。

通过上述手段，不但使正反向信号光获得相同的增益特性，而且实现了增益钳制、有效降低了噪声，本实用新型涉及的计算原理如下：

由光信号传播方程：

dP/dz＝{[σ^a(λ)+σ^e(λ)]n(z)-[σ^a(λ)-l(λ)]}P (1)

其中，P为光功率，z为光纤轴向传输距离，λ为信号光波长，σ^a(λ)、σ^e(λ)分别为铒纤的在波长为λ时的吸收系数、发射系数，l(λ)是波长为λ时单位长度光纤上的固有损耗，n(z)是亚稳态反转粒子数，则平均亚稳态反转粒子数

定义为，

其中，L为饵纤长度，当激光发生时，激光波长处的光波往返净增益定义为单位增益，

其中r₁、r₂是FBG₁和FBG₂的反射率，λ_B为布拉格光栅中心波长，l(λ_B)是波长为λ_B时单位长度光纤上的固有损耗，在本实用新型中r₁＝r₂＝97％。由(3)可知，激光钳制的平均亚稳态反转粒子数

可以写成：

其中l_c＝-10log(r₁r₂)/L是单位长度下总固有损耗，σ^a(λ_B)、σ^e(λ_B)分别为铒纤在波长为λ_B时的吸收系数、发射系数。式(4)定义了控制放大器的平均亚稳态反粒子数，它是固有腔损耗和波长的函数。由此可以估计出掺铒光纤放大器的噪声因子n_sp为：

在信号波长λ的钳制增益G(λ)可以表示为

参照图2，图2是增益系数和噪声系数随泵浦功率变化的曲线。可知增益系数随着泵浦功率的增大而增大，当泵浦功率增大到一定值，增益系数基本上不再变化，说明增益达到了饱和状态。而噪声系数随泵浦功率的增大而减小，最终也达到饱和状态。这表明采用中等功率进行泵浦有利于获得低噪声和低增益。

参照图3，图3是本实用新型双向掺铒光纤放大器与未加光栅对的双向掺铒光纤放大器的增益和噪声特性对比图。相对于未加FBG光栅对的双向掺铒光纤放大器，本实用新型双向掺铒光纤放大器采用光栅对形成线性腔获得了稳定的增益，即实现了增益钳制实现了掺铒光纤放大器的增益钳制，使得增益固定在15.35dB，波动不超过2.75dB。此外本实用新型通过控制铒纤长度、设置4个环形器以及带通滤波器，噪声系数仅为3.52dB，获得了良好的噪声特性。

参照图4，图4是本实用新型线性腔双向掺铒光纤放大器与常用的单向环形腔结构掺铒光纤放大器的噪声系数对比图，可见本实用新型采用的线性腔结构相较于环形腔结构的掺铒光纤放大器具有更佳的噪声系数，即具有更低的噪声特性。

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。

参考文献：

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Claims

1.一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：包括第一光环形器、第一光隔离器、第一泵浦光源、第一波分复用器、第二光环行器、线性腔、第三光环行器、第二光隔离器、第一滤波器、第一光衰减器、第四光环形器、第三光隔离器、第二泵浦光源、第二波分复用器、第四光隔离器、第二滤波器、第二光衰减器；所述第一光环形器的输出端与第一光隔离器相连，第一光隔离器和第一泵浦光源与第一波分复用器相连，第一波分复用器与第二光环行器的第一输入端相连，第二光环行器第一输出端与线性腔第一输入端相连，线性腔第一输出端与第三光环行器的第一输入端相连，第三光环行器的输出端与第二光隔离器相连，第二光隔离器与第一滤波器相连，第一可变光衰减器与第四光环形器相连、第四光环形器的输出端与第三光隔离器相连，第三光隔离器和第二泵浦光源与第二波分复用器相连，第二波分复用器与第三光环行器的第二输入端相连，第三光环行器的输出端与线性腔的第二输入端相连，线性腔的第二输出端与第二光环行器的第二输入端相连，第二光环形器的第二输出端与第四光隔离器相连，第四光隔离器与第二滤波器相连、第二光衰减器与第一光环行器相连。

2.如权利要求1所述的一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：所述线性腔由第一光纤布拉格光栅、单根掺铒光纤和第二光纤布拉格光栅构成，其反射率大于90%，两光栅形成光栅对，用于实现增益钳制及获得低增益。

3.如权利要求1所述的一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：所述第一波分复用器和第二波分复用器均为1×2波分复用器，用于将正向、反向传输的波长不同的泵浦光和信号光合为一路。

4.如权利要求1所述的一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：所述线性腔长度为3m，用于实现低增益，为正向和反向的传输光提供相同的增益。

5.如权利要求1所述的一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：所述第一滤波器和第二滤波器为10GHz带通滤波器，用于降低双向掺铒光纤放大器的自发辐射噪声。

6.如权利要求1所述的一种低噪声低增益的增益钳制双向掺铒光纤放大器，其特征在于：所述第一光衰减器和第二光衰减器为可变光衰减器，用于调节增益。