双泵浦宽带光纤参量放大器.pdf

一种双泵浦宽带光纤参量放大器，由两泵浦激光器、泵浦耦合器、信号激光器、信号耦合器、波分复用器及三级依次级联的高非线性光纤构成。第一级光纤的零色散波长与两泵浦光中心波长接近，第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为正值，第三级光纤在两泵浦光的中心波长处的二阶色散为负值。两泵浦光和信号光经波分复用器耦合后，依次进入三级光纤，在第一级光纤后产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光中心波长左右成近似对称分布但不平坦，经第二级光纤后增益谱曲线的不平坦度降低，经第三级光纤后增益谱得到修正。本发明可以覆盖全波光纤的低损耗窗口，从而可充分利用全波光纤的带宽，推动WDM光纤通信系统的发展。

1、  一种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，波分复用器的输出连接到依次级联的三级高非线性光纤，两个泵浦光激光器发射出的泵浦光波经泵浦耦合器耦合进传输光纤，信号光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耦合器将两个泵浦光和信号光复用到依次级联的三级高非线性光纤中发生四波混频作用，实现参量放大。

2、  根据权利要求1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、第二级光纤、第三级光纤的长度在0.1-300米之间，光纤的非线性系数在1-300W^-1.Km^-1之间，四阶色散绝对值小于1.0×10^-4ps4km^-1，第一级光纤的零色散波长与两个泵浦光的中心波长接近，泵浦光波长位于1250-1650nm范围，第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为正值，第三光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为负值。

双泵浦宽带光纤参量放大器
技术领域
本发明涉及一种双泵浦宽带光纤参量放大器(FOPA)，尤其涉及一种三级高非线性光纤级联的双泵浦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的中国发明专利中提出使用四级级联的高非线性光纤构成单泵浦多级光纤参量放大器，该放大器理论上可以提供320nm的带宽，但其带宽还不能覆盖全波光纤的低损耗窗口(1250-1650nm)，同时，该放大器所使用的高非线性光纤级数较多，增加了熔接损耗。
因此，研究宽带光纤参量放大器，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，提出一种双泵浦宽带光纤参量放大器，减少高非线性光纤级数，并使光纤参量放大器的平坦带宽可以覆盖全波光纤的低损耗窗口。
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三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三级高非线性光纤。
两个泵浦激光器发射出的泵浦光波(λ_p1，λ_p2)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(λ_s)经信号耦合器也耦合进入传输光纤，然后再通过波分复用耦合器将两个泵浦光和信号光复用到依次级联的三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。其中，第一级光纤的零色散波长(λ₀)与两泵浦光中心波长(λ_c＝(λ_p1+λ_p2)/2)接近，第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为正值，而第三级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为负值。
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，第三级高非线性光纤。输入信号光和两泵浦光进入第一级光纤后将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光中心波长左右成近似对称分布，但不平坦。然后信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分减小了，增益谱曲线的不平坦度(最大增益与最小增益之差)降低。经过第三级光纤后，增益谱得到修正，其平坦度达到0.2dB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零色散波长、二阶色散和四阶色散、光纤长度以及两泵浦光波长和泵浦光功率，第二、第三级光纤的作用在于使第一级光纤产生的增益谱变得平坦。
本发明的光纤参量放大器的第一级光纤、第二级光纤、第三级光纤的长度在0.1-300米之间，光纤的非线性系数在1-300W^-1.Km^-1之间，四阶色散绝对值小于1.0×10^-4ps⁴km^-1。第一级光纤的零色散波长与两个泵浦光的平均波长接近，泵浦光波长的选择位于1250-1650nm范围，即覆盖全波光纤的低损耗窗口。第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为正值，而第三级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为负值。
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。使用三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超过400nm的增益带宽，相对于四级级联结构，不仅减少了高非线性光纤级数，并通过参数的适当选取，使光纤参量放大器的平坦带宽可以覆盖全波光纤地低损耗窗口(从1250nm到1650nm)，很大程度上增加了WDM的可适用的波长范围，从而可以充分利用全波光纤的带宽，推动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405nm的宽带光纤参量放大器的增益谱图。
图2中，G₁，G₂，G₃分别是经过第一，二，三级高非线性后的增益谱。
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、第二级高非线性光纤和第三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三级高非线性光纤。
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，同样信号光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三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，第一级光纤的零色散波长(λ₀)与泵浦光中心波长(λ_c＝(λ_p1+λ_p2)/2)接近，第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为正值，而第三级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为负值。
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，第三级高非线性光纤，三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将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光中心波长左右近似成对称分布，但不平坦。然后信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分减小，从而减小了第一级光纤所产生的增益抖动。经过第三级光纤后，增益谱得到进一步修正，其平坦度达到0.2dB以内。
实施例：
405nm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＝1440nm，λ_p1＝1460nm，光纤四阶色散系数β₄＝-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＝0ps²km^-1。第二级高非线性光纤长度L₂＝2.6m，二阶色散系数β₂₂＝2.91×10^-2ps²km^-1。第三级高非线性光纤长度L₃＝2.3m，二阶色散系数β₂₃＝-11.29×10^-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三级高非线性光纤参数的最优值。第一级光纤的零色散波长与泵浦光中心波长接近，即在泵浦光中心波长λ₀＝1450nm处二阶色散β₂₁＝0；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；为了满足相位匹配条件，需要使三级光纤的四阶色散β₄为负值，取β₄₁＝β₄₂＝β₄₃-2×10^-6ps⁴km^-1。输入信号光和泵浦光经波分复用耦合器耦合进第一级光纤后将产生闲置光，其输出端的增益谱在泵浦光中心波长左右成近似对称分布，但不平坦，如图2中的增益谱线G₁所示。第二级光纤在泵浦光中心波长处的二阶色散为正值，β₂₂＝2.91×10^-2ps²km^-1，它利用不满足相位匹配条件时在正常色散区产生参量增益，交叉调制的结果会产生一个二次增大的增益，这级光纤长度为2.6m。信号光、泵浦光和闲置光经过第二级光纤后，增益谱中间的凹陷部分减小，增益谱曲线的不平坦度(最大增益与最小增益之差)降低，如图2中的增益谱线G₂所示。第三级光纤的二阶色散为负值，β₂₃＝-11.29×10^-2ps²km^-1，它用于在一个反常色散光纤中提供一个近似方形的增益，从而减小第一级光纤所产生的增益抖动。这级光纤长度为2.3m。所以经过第二级和第三级光纤后，双泵浦宽带光纤参量放大器的增益谱得到进一步修正，其平坦度达到0.2dB以内，如图2中的增益谱线G₃所示。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，其中P₀＝P₁+P₂＝2W。总之，第一级光纤用于产生一个大的增益，后面两级光纤用于拉平增益谱。通过对三级光纤参数的优化设计，最终得到了增益带宽405nm的宽带光纤参量放大器，其增益平坦度小于0.2dB。
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零色散波长、二阶色散和四阶色散、光纤长度以及泵浦光波长和泵浦光功率，第二、第三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，可以得到平坦带宽覆盖全波光纤低损耗窗口的光纤参量放大器，从而可以充分利用全波光纤的带宽，推动WDM光纤通信系统的发展。
表1为带宽405nm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增益带宽。