CN214315276U - 一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，包括光发射机、泵浦激光器、合波器、光隔离器、带阻滤波器、分波器和光接收机。多个光发射机和泵浦激光器接入到合波器的输入端，光发射机发射光纤信号，泵浦激光器发射泵浦光信号；合波器的输出端通过掺Er³⁺碲基光纤与光隔离器相连，用于对光纤信号和泵浦光信号进行耦合，得到耦合信号；光隔离器与带阻滤波器相连，用于隔离反向传输的干扰光信号；带阻滤波器与分波器的输入端相连，用于对耦合信号进行分离，并过滤掉泵浦光信号，保留所述光纤信号；分波器的输出端连接多个光接收机，分波器将分离后的光纤信号拆分为多路，并传输给各个光接收机，不仅结构简单，还有效降低了放大器的噪声。

Description

一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器

技术领域

本实用新型涉及网络通信放大器领域，特别是涉及一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器。

背景技术

未来的第六代移动通信网络(6-Generation，6G)的传输容量更大、速率更快、时延更短，对应的光网络也需要相应的光放大器来实现这一目标，而拉曼光纤放大器(RamanFiberAmplifier，RFA)是选择方案之一。拉曼光纤放大器的原理是光纤中进行受激拉曼散射效应(Stimulated Raman Scattering，SRS)，具有噪声低、响应速度快、增益高和全波段放大等优点，能够弥补当前掺铒光纤放大器放大带宽窄、增益不平坦的缺点。

目前，常用的拉曼光纤放大器主要包括级联结构式拉曼放大器和混合结构式拉曼放大器，其中，级联结构式拉曼放大器需要使用两段光纤进行两次放大，这样会引入更多的噪声。而混合结构式拉曼放大器的系统结构复杂，存在维护困难、成本高昂的问题。

因此，目前亟需一种结构简单且有效降低系统噪声的新型拉曼放大器，以解决级联结构式拉曼放大器需要两段光纤进行两次放大而引入更多噪声的问题，以及混合结构式拉曼放大器的系统结构复杂的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，以掺Er³⁺碲基光纤作为增益物质，采用六路泵浦光前向注入光纤的方式，实现一段光纤一次放大，有效降低系统噪声，提升降噪效果，解决级联结构式拉曼放大器需要两段光纤进行两次放大而引入更多噪声的问题，同时系统结构简单，成本低，维护方便，解决了混合结构式拉曼放大器因系统结构复杂造成的维护难、成本高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，包括光发射机、泵浦激光器、合波器、光隔离器、带阻滤波器、分波器和光接收机；

所述光发射机和所述泵浦激光器分别通过第一光纤接入到所述合波器的输入端，所述光发射机用于发射光纤信号，所述泵浦激光器用于发射泵浦光信号；

所述合波器的输出端通过第二光纤与所述光隔离器相连，用于对所述光纤信号和所述泵浦光信号进行耦合，得到耦合信号；

所述光隔离器通过所述第一光纤与所述带阻滤波器相连，用于隔离反向传输的干扰光信号；

所述带阻滤波器通过所述第一光纤与所述分波器的输入端相连，用于对所述耦合信号进行分离，并过滤掉所述泵浦光信号，保留所述光纤信号；

所述分波器的输出端连接有多个所述光接收机，所述分波器将分离后的所述光纤信号拆分为多路，并传输给各个所述光接收机。

可选的，所述第二光纤为掺Er³⁺碲基光纤，所述掺Er³⁺碲基光纤用于对所述光纤信号进行放大。

可选的，所述第一光纤为不掺杂任何物质的单模光纤或多模光纤。

可选的，所述光发射机设有多个，多个所述光发射机的中心波长不同，且多个所述光发射机输出的多路所述光纤信号覆盖C+L波段。

可选的，所述光发射机的中心波长为1530nm～1630nm，信道间隔1nm。

可选的，所述泵浦激光器设有6个，每个所述泵浦激光器的波长均小于任一所述光发射机的中心波长。

可选的，所述泵浦激光器的波长分别为1383.762nm、1385.419nm、1441.334nm、1412.653nm、1431.272nm和1366.362nm。

可选的，所述泵浦激光器的功率分别为0.287W、0.982W、0.220W、0.565W、0.224W和0.825W。

可选的，所述掺Er³⁺碲基光纤的长度为4.5m。

可选的，所述光接收机和所述光发射机的数量相等。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

1、本实用新型在合波器的输入端设置多个光发射机和多个泵浦激光器，在分波器的输出端设置多个光接收机，并在合波器和分波器之间依次设置掺Er³⁺碲基光纤、光隔离器和带阻滤波器，实现了使用一段光纤进行一次放大，有效降低了放大器的噪声，解决了级联结构式拉曼放大器两段光纤进行两次放大而引入更多的噪声的问题，并且系统结构简单，成本低、便于维护，解决了混合结构式拉曼放大器结构复杂、维护困难和成本高昂的问题。

2、本实用新型在多泵浦拉曼放大器中加入掺Er³⁺碲基光纤，掺Er³⁺碲基光纤的拉曼增益谱带宽范围很大，明显拓宽了拉曼频移，使得放大带宽达到100nm，而且掺Er³⁺碲基光纤的拉曼增益谱的峰值增益很高，高出硅基光纤3个数量级，能够提高放大器的平均增益，并且仅需4.5米就能产生足够的非线性效应，而硅基光纤往往需要几十公里，因此，掺Er³⁺碲基光纤可有效缩小系统体积，降低成本。

3、本实用新型采用多泵浦技术，使多个泵浦激光器发出的拉曼增益谱叠加，达到增益平坦的目的。不同于分布式拉曼光纤放大器，本实用新型能够作为一种分立式的拉曼放大器灵活应用在未来的6G全光网络中，对提高系统容量和优化系统性能具有很好的效果。

4、本实用新型提出的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，以掺Er³⁺碲基光纤作为增益物质，采用六路泵浦光前向注入光纤的方式，实现覆盖C+L波段共100nm带宽信号光的平坦光放大，可通过优化算法对泵浦光信号的中心波长和功率进行优化配置，可实现高增益、低增益平坦度和低噪声的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的掺Er³⁺碲基光纤的拉曼增益谱示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的各路光纤信号的输出增益示意图；

图4为本实用新型实施例1提供的各路光纤信号的噪声增益示意图。

附图标记说明：

1-光发射机，2-泵浦激光器，3-合波器，4-光隔离器，5-带阻滤波器，6-分波器，7-光接收机，8-第一光纤，9-第二光纤。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，以掺Er³⁺碲基光纤作为增益物质，采用六路泵浦光前向注入光纤的方式，实现一段光纤一次放大，有效降低系统噪声，提升降噪效果，解决级联结构式拉曼放大器需要两段光纤进行两次放大而引入更多噪声的问题，同时系统结构简单，成本低，维护方便，解决了混合结构式拉曼放大器因系统结构复杂造成的维护难、成本高的问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例示出了一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，包括光发射机1、泵浦激光器2、合波器3、光隔离器4、带阻滤波器5、分波器6和光接收机7。

其中，所述光发射机1和所述泵浦激光器2分别通过第一光纤8接入到所述合波器3的输入端，所述光发射机1用于发射光纤信号，所述泵浦激光器2用于发射泵浦光信号。

所述合波器3的输出端通过第二光纤9与所述光隔离器4相连，所述合波器3用于对所述光纤信号和所述泵浦光信号进行耦合，得到耦合信号。

所述光隔离器4通过所述第一光纤8与所述带阻滤波器5相连，所述光隔离器4用于隔离反向传输光，所述反向传输光是指传输方向与所述耦合信号传输方向相反的干扰光信号，从而防止光路中的反向传输光对光源和光路系统产生不良影响。

所述带阻滤波器5通过所述第一光纤8与所述分波器6的输入端相连，所述带阻滤波器5用于对所述耦合信号进行分离，并过滤掉所述泵浦光信号，保留所述光纤信号，从而达到“去泵浦光、留信号光”的目的。

所述分波器6的输出端连接有多个所述光接收机7，所述分波器6将分离后的所述光纤信号拆分为多路，并传输给各个所述光接收机7。

本实施例中，所述第一光纤8为不掺杂任何物质的单模光纤或多模光纤。而所述第二光纤9为掺Er³⁺碲基光纤，所述掺Er³⁺碲基光纤用于通过受激拉曼散射效应来对所述光纤信号进行放大。

受激拉曼散射效应是指高强度的激光和物质分子发生强烈的相互作用，使散射过程具有受激发射的性质，这种散射光是拉曼散射光，所以这一种非线性光学效应称受激拉曼散射。

本实施例中，所述掺Er³⁺碲基光纤的长度为4.5m。所述掺Er³⁺碲基光纤的长度过短，则不能产生足够的非线性效应，光纤信号就得不到充分的放大。而所述掺Er³⁺碲基光纤的长度过长，由于光纤中的损耗会使信号光功率衰减，使得光纤信号的增益变低。因此，本实施例将所述第二光纤9即掺Er³⁺碲基光纤的长度设置为4.5m这一个优选数值，不仅可使光纤信号得到充分放大，还可保证光纤信号的高增益。

需要说明的是，本实施例中的所述掺Er³⁺碲基光纤的4.5m长度仅是一个优选长度值，该数值并不是唯一的，除4.5m以外的其他长度值也可达到使光纤信号高增益、低噪声的效果，因此，任何关于所述掺Er³⁺碲基光纤的长度数值都应该在本实用新型的保护范围之内，具体长度可根据实际情况确定，可通过使用不同长度的光纤进行仿真验证获得最优长度。

本实施例在合波器3的输入端连接多个光发射机1和多个泵浦激光器2，在分波器6的输出端连接多个光接收机7，并在合波器3和分波器6之间依次设置掺Er³⁺碲基光纤、光隔离器4和带阻滤波器5，实现了使用一段光纤进行一次放大，有效降低了放大器的噪声，解决了级联结构式拉曼放大器两段光纤进行两次放大而引入更多的噪声的问题，并且不同于多段光纤多次放大的结构，本实施例的系统结构简单，成本更低，便于维护，解决了混合结构式拉曼放大器结构复杂、维护难和成本高的问题。

本实施例在多泵浦拉曼放大器中加入掺Er³⁺碲基光纤，掺Er³⁺碲基光纤的拉曼增益谱带宽范围很大，明显拓宽了拉曼频移，使得放大带宽达到100nm，而且掺Er³⁺碲基光纤的拉曼增益谱的峰值增益很高，高出硅基光纤3个数量级，能够提高放大器的平均增益，并且仅需4.5米就能产生足够的非线性效应，而硅基光纤往往需要几十公里，因此，可进一步缩小系统体积，简化系统结构，降低成本。

如图1所示，本实施例中，所述光发射机1设置有100个，分别为光发射机1，光发射机2，……，光发射机100。所述光接收机7的数量和所述光发射机1相等，也为100个，分别为光接收机1，光接收机2，……，光接收机100。而所述泵浦激光器2的数量设置有6个，分别为泵浦激光器1，泵浦激光器2，……，泵浦激光器6。

本实施例中，100个所述光发射机1的中心波长均不相同，所述光发射机1的中心波段的范围为1530nm～1630nm，信道间隔1nm，1530nm～1630nm这个波段是光纤通信中常用的C(1530nm～1565nm)、L(1565nm～1625nm)波段，因此，这样就保证了100个所述光发射机1输出的100路所述光纤信号可全面覆盖C+L波段。

本实施例中，100个所述光发射机1和6个所述泵浦激光器2同时通过第一光纤8连接所述合波器3的输入端，光发射机1传输承载信息的光纤信号，即信号光。而泵浦激光器2则发送泵浦光信号，即泵浦光，所述泵浦光为所述信号光提供能量。本实施例中，所述泵浦光的功率远大于所述信号光，频率也大于所述信号光，因此，能量只会从泵浦光向信号光转移。

图2为本实用新型实施例1提供的掺Er³⁺碲基光纤的拉曼增益谱示意图，如图2所示，该拉曼增益谱示意图中通过在65TeO₂-15Li₂O-20ZnO的碲基光纤中掺入0.2％Er³⁺后构成的碲基光纤。单个泵浦激光器2可以激发出一个拉曼增益谱，多个泵浦激光器可以激发出多个拉曼增益谱并叠加，而泵浦激光器2的功率影响到的是拉曼增益谱的幅度，这样就可以实现增益平坦，但也不能一味地增加泵浦激光器2的个数，同时还需要考虑系统结构的复杂性和成本。因此，本实施例将泵浦激光器2的数量设置为6个，做到了增益平坦、结构复杂程度以及成本等多个因素之间的权衡，不仅实现了高平均增益，而且增益平坦度也很低，还保证了系统结构简单、成本低。

本实用新型的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器的工作原理：

在所述合波器3的输入端配置100个光发射机1和6个泵浦激光器2，所述光发射机1与所述泵浦激光器2同向，100个光发射机1输出的被放大的光纤信号的能量由6个泵浦激光器2提供，6个泵浦激光器2所发出的6路泵浦光信号与100个光发射机1发送的100路光纤信号通过所述合波器3耦合到掺Er³⁺碲基光纤中，在所述掺Er³⁺碲基光纤中进行受激拉曼散射效应，实现对光纤信号的放大，即一段光纤一次放大，所述掺Er³⁺碲基光纤末端连接有用于隔离反向传输干扰光信号的光隔离器4，可防止光路中的反向传输光对光源和光路系统产生的不良影响，所述光隔离器4的输出端连接有用于滤除掉所述泵浦激光器2产生的6路泵浦光的带阻滤波器5，达到“去泵浦光，留信号光”的目的，从耦合信号中分离出光纤信号，所述带阻滤波器5的输出端连接有用于输出功率相等信号的分波器6，所述分波器6将分离出的100路光纤信号传输给100个光接收机7，从而分离出所需要的100路光纤信号，即100路信号光。

应说明的是，在信号放大和降噪的过程中，所述泵浦激光器2的波长自始至终都是不变的，这样就可以在所述掺Er³⁺碲基光纤后利用带阻滤波器5将这6路泵浦光滤除。这个过程改变的是所述泵浦激光器2的功率，在所述掺Er³⁺碲基光纤之前，将所述泵浦激光器2的功率设为上述预设值，在所述掺Er³⁺碲基光纤中泵浦光和信号光会发生受激拉曼散射效应，将所述泵浦光中的能量转移给所述信号光，从而实现所述泵浦激光器2为信号光提供能量，进而实现对信号光的放大，因此，这个过程中所述泵浦激光器2的功率会发生变化。

在对光发射机1和泵浦激光器2进行参数配置时，由于100个光发射机1分别具有不同的中心波长λi，i的取值范围为1～100之间的整数，且100个光发射机1的波长均大于6路泵浦激光器2的波长，即每个所述泵浦激光器2的波长均小于任一所述光发射机1的中心波长。设定6路泵浦激光器2的波长分别为λp1、λp2、λp3、λp4、λp5、λp6，设置这些参数的目的是为了使信号光和泵浦光满足光线耦合现象，充分进行耦合，得到耦合信号。

而光发射机1的中心波长和泵浦激光器2的波长之间满足频移计算公式：

Δv＝(1/λp1)-(1/λi)；

Δv＝(1/λp2)-(1/λi)；

Δv＝(1/λp3)-(1/λi)；

Δv＝(1/λp4)-(1/λi)；

Δv＝(1/λp5)-(1/λi)；

Δv＝(1/λp6)-(1/λi)；

其中，Δv为频移量，且Δv的取值范围为225cm^-1～1160cm^-1，i的取值范围为1～100之间的整数。

本实施例中具体参数配置如下：

100个光发射机1的中心波长λi分别为1530nm～1630nm；

6个泵浦激光器2的波长分别设为λp1＝1383.762nm，λp2＝1385.419nm，λp3＝1441.334nm，λp4＝1412.653nm，λp5＝1431.272nm，以及λp6＝1366.362nm；

6个所述泵浦激光器2的功率分别设为p1＝0.287W，p2＝0.982W，p3＝0.220W，p4＝0.565W，p5＝0.224W，以及p6＝0.825W。

需要注意的是，在实际应用中，首先按需确定拉曼光纤放大器的泵浦光的个数、泵浦方式、信号光范围、波长间隔和光纤长度等，然后通过优化算法来对泵浦光的波长和功率进行设置，以实现高增益和低增益平坦度的性能。所述优化算法包括差分进化算法、粒子群优化算法、模拟退火算法和蚁群算法等。不同的泵浦光参数组合下得到的平均增益、增益平坦也不尽相同，在上述优化算法过程中，将适应度函数设置为平均增益与增益平坦度的商，适应度值越大则表示平均增益越高、增益平坦度越低，因此，在优化算法中适应度值较高的泵浦光参数组合就会随着迭代次数的增加保留到最后。本实施例选取的是最终的泵浦光参数组合来配置拉曼光纤放大器。

按照上述参数配置，经测试计算光接收机7输出的各路光纤信号的增益曲线如图3所示，通过对图3中增益曲线计算可得到，光纤信号的平均增益达到35.46dB，增益平坦度为0.85dB。

按照上述参数配置，经测试计算光接收机7输出的各路光纤信号的自发辐射(Amplifier Spontaneous Emission，ASE)噪声和双向瑞利散射(Double RayleighBackscattering，DRBS)噪声增益如图4所示，图4中实线曲线表示自发辐射噪声增益，虚线曲线表示双向瑞利散射噪声增益。从图4中可以看出，光纤信号的自发辐射噪声增益为1.64dB，双向瑞利散射噪声增益为1.58dB。

应说明的是，本实施例中所述光发射机1和所述泵浦激光器2的数量、光发射机1的中心波长数值以及泵浦激光器2的波长、功率等数值均不是唯一的，这些数值都是优选数值，不应作为对本实用新型的保护范围的限定，可视实际情况自行设定其他数值，但都应该在本实用新型保护范围之内。此外，本实施例所提到的各种优化算法都属于现有技术，本实施例不再赘述，通过优化算法设置泵浦光的波长和功率的过程，也需视实际情况而定。

本实用新型提供了一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，在合波器3的输入端连接多个光发射机1和多个泵浦激光器2，在分波器6的输出端连接多个光接收机7，并在合波器3和分波器6之间依次设置掺Er³⁺碲基光纤、光隔离器4和带阻滤波器5，实现了使用一段光纤进行一次放大，有效降低了放大器的噪声。以掺Er³⁺碲基光纤作为增益物质，采用六路泵浦光前向注入光纤的方式，实现覆盖C+L波段共100nm带宽信号光的平坦光放大。采用多泵浦技术，使多个泵浦激光器2发出的拉曼增益谱叠加，达到增益平坦的目的。

不同于分布式拉曼光纤放大器，本实用新型能够作为一种分立式的拉曼放大器灵活应用在未来的6G全光网络中，对提高系统容量和优化系统性能具有很好的效果。可通过优化算法对泵浦光信号的中心波长和功率进行优化配置，可实现高增益、低增益平坦度和低噪声的性能。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，包括光发射机、泵浦激光器、合波器、光隔离器、带阻滤波器、分波器和光接收机；

所述光发射机和所述泵浦激光器分别通过第一光纤接入到所述合波器的输入端，所述光发射机用于发射光纤信号，所述泵浦激光器用于发射泵浦光信号；

所述合波器的输出端通过第二光纤与所述光隔离器相连，用于对所述光纤信号和所述泵浦光信号进行耦合，得到耦合信号；

所述第二光纤为掺Er³⁺碲基光纤，所述掺Er³⁺碲基光纤用于对所述光纤信号进行放大；

所述光隔离器通过所述第一光纤与所述带阻滤波器相连，用于隔离反向传输的干扰光信号；

所述带阻滤波器通过所述第一光纤与所述分波器的输入端相连，用于对所述耦合信号进行分离，并过滤掉所述泵浦光信号，保留所述光纤信号；

所述分波器的输出端连接有多个所述光接收机，所述分波器将分离后的所述光纤信号拆分为多路，并传输给各个所述光接收机。

2.如权利要求1所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述第一光纤为不掺杂任何物质的单模光纤或多模光纤。

3.如权利要求1所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述光发射机设有多个，多个所述光发射机的中心波长不同，且多个所述光发射机输出的多路所述光纤信号覆盖C+L波段。

4.如权利要求3所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述光发射机的中心波长为1530nm～1630nm，信道间隔1nm。

5.如权利要求1所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述泵浦激光器设有6个，每个所述泵浦激光器的波长均小于任一所述光发射机的中心波长。

6.如权利要求5所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述泵浦激光器的波长分别为1383.762nm、1385.419nm、1441.334nm、1412.653nm、1431.272nm和1366.362nm。

7.如权利要求5所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述泵浦激光器的功率分别为0.287W、0.982W、0.220W、0.565W、0.224W和0.825W。

8.如权利要求1所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述掺Er^{3 +}碲基光纤的长度为4.5m。

9.如权利要求1所述的基于掺铒碲基光纤的多泵浦拉曼放大器，其特征在于，所述光接收机和所述光发射机的数量相等。

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