專利名稱：基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光放大器，尤其是分立式拉曼光纖放大器，屬于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。
二、技術(shù)背景光放大器技術(shù)是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，它具有對光信號進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、寬帶、高增益、低噪聲、低功耗以及波長、速率和調(diào)制方式透明的直接放大功能。該技術(shù)既解決了光纖損耗對光網(wǎng)絡(luò)傳輸距離的限制，又開創(chuàng)了波分復(fù)用技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用(WDM)、密集波分復(fù)用(DWDM)、全光傳輸?shù)鹊於酥匾募夹g(shù)基礎(chǔ)。
光放大器一般由增益介質(zhì)、泵浦源和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成，其功能是對復(fù)用后的光信號進(jìn)行光放大，以延長無中繼系統(tǒng)或無再生系統(tǒng)的光纜傳輸距離。目前有幾種典型的光放大器，包括摻鉺光纖放大器(EDFA)和光纖拉曼放大器(FRA)。
典型的EDFA主要由泵浦激光器(工作波長為980nm或1480nm)、光合波器、光隔離器和摻鉺光纖構(gòu)成。EDFA利用摻鉺光纖中摻雜的稀土離子在泵浦光作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，從而對信號光提供光增益。常規(guī)EDFA的工作范圍是1530～1565nm，增益譜比較平坦的部分是1540～1560nm。這種由其工作機(jī)制限定的窄帶寬范圍已漸漸不能滿足當(dāng)今通信系統(tǒng)進(jìn)一步提高通信容量的需求。
拉曼放大器基于強(qiáng)泵浦光束通過光纖傳輸產(chǎn)生的受激拉曼散射效應(yīng)。受激拉曼散射將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上，如果一個(gè)弱信號與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并且弱信號波長位于泵浦光波的拉曼增益譜帶寬之內(nèi)，則此弱信號可被該光纖放大。由于FRA增益波長由泵浦光波長決定，因此可為任何波長提供增益，這使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段實(shí)現(xiàn)放大，對于開發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)1270～1670nm具有無可代替的作用。
光纖拉曼放大器可以分為分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。分布式拉曼放大器利用傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。分立式拉曼放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短，泵浦功率要求很高，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，主要用于EDFA無法放大的波段，如1300nm、1400nm或者S波段。
分立式拉曼放大器中根據(jù)特定的增益要求選擇增益光纖和泵浦源。一般選用多個(gè)泵浦波長以實(shí)現(xiàn)增益平坦。與分布式拉曼放大器不同，所有的泵浦光能量需要被限制在該分立元件中。由于只有部分泵浦光被利用，剩余部分都通過隔離器濾掉，因此，泵浦光的利用效率很低。而分立式拉曼放大器本身對泵浦功率要求又很高，所以如何提高泵浦光利用率、降低成本的問題顯得更為重要。
分立式拉曼放大器中為達(dá)到其高增益的要求，往往采用稀土粒子摻雜濃度較高(如鍺)、有效纖芯面積A較小(典型值為10～20μm2)的硅基光纖作為增益介質(zhì)。這種增益光纖的非線性折射率n2/A非常大，導(dǎo)致SPM、XPM、FWM等非線性作用增強(qiáng)。同時(shí)，小的有效纖芯面積會增加雙向瑞利散射，從而引起多路干擾(MPI)惡化，降低系統(tǒng)性能。此外，這種增益光纖的負(fù)色散很大，典型值約在-20～-30ps/nm/km。大色散的光纖雖然有助于抑制FWM效應(yīng)，但在色散管理系統(tǒng)中是不利的。
因此，對于分立式拉曼放大器，如何提高泵浦光利用效率，降低多路干擾MPI，抑制非線性都是需要解決的問題。
三、技術(shù)內(nèi)容1、技術(shù)問題本實(shí)用新型的發(fā)明目的是提供一種能實(shí)現(xiàn)單端注入泵浦光獲得雙向泵浦效果，在節(jié)約泵浦源的同時(shí)達(dá)到抑制非線性、減少串?dāng)_、降低噪聲的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器。利用該雙程雙向結(jié)構(gòu)，可大大提高總增益，提高泵浦光利用效率，降低成本。
2、技術(shù)方案本實(shí)用新型采用一段單端面鍍膜的光纖作為拉曼放大器的增益介質(zhì)，所設(shè)計(jì)的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器主要包括增益光纖、泵浦單元、光環(huán)形器、光耦合器和光隔離器。其中光環(huán)形器有三個(gè)端口，一個(gè)端口為信號輸入端，另一個(gè)端口為信號輸出端，還有一個(gè)端口接光耦合器；泵浦單元的輸出端接光隔離器，光隔離器的輸出端接光耦合器；光耦合器也有三個(gè)端口，一個(gè)端口接光環(huán)形器，一個(gè)端口接光隔離器，另一個(gè)端口接增益光纖。增益光纖由一個(gè)正色散光纖和一個(gè)負(fù)色散光纖串聯(lián)熔接而成，正色散光纖的非熔接端接光耦合器，負(fù)色散光纖的非熔接端鍍有金屬膜。
泵浦單元的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體激光器的輸出端接偏振耦合器，半導(dǎo)體激光器的輸出端接另一個(gè)偏振耦合器，兩個(gè)偏振耦合器的輸出端接合波器，合波器的輸出端為泵浦單元的輸出端。
泵浦單元的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體激光器的輸出端接合波器，合波器的輸出端接消偏器，消偏器的輸出端為泵浦單元的輸出端。
泵浦單元中的泵浦激光器可以采用光纖激光器或半導(dǎo)體激光器LD，在本實(shí)用新型中以LD為例。考慮增益平坦，常采用幾個(gè)泵浦激光器組成LD陣列，具體泵浦波長及功率根據(jù)放大器的增益要求進(jìn)行選擇。為了減小信號光的拉曼增益的偏振相關(guān)性，一般對兩個(gè)波長接近的激光器進(jìn)行偏振耦合，使增益介質(zhì)中相互垂直的兩個(gè)電場方向的泵浦功率大致相等。但這種方法增加了泵浦激光器的個(gè)數(shù)，加大了系統(tǒng)成本。因此也可采用單泵浦激光器加消偏器的方案。
增益光纖由一段正色散光纖和一段負(fù)色散光纖熔接構(gòu)成，其中負(fù)色散光纖的另一端面鍍有金屬膜，對信號光和泵浦光均形成反射面。信號光通過光環(huán)形器進(jìn)入增益光纖的正色散光纖端口，消偏后的泵浦光經(jīng)過光耦合器與信號光耦合。泵浦光和信號光被負(fù)色散光纖端口的反射膜反射后再次通過增益光纖，放大后的信號光經(jīng)過光環(huán)形器反向輸出。增益光纖中每段光纖的長度經(jīng)過選擇，使輸出端口的累積色散在信號波段范圍內(nèi)為預(yù)定值。工作原理為光纖拉曼放大器基于光纖中的受激拉曼散射機(jī)制。在連續(xù)波情況下，泵浦波和斯托克斯波的相互作用過程，可用下列耦合方程分析dPsdz=gRαpPpPs-αsPs---(1.1)]]>dPpdz=υpυsgRαsPpPs-αpPp---(1.2)]]>式中，αp和αs分別為泵浦光和信號光的橫截面，αp和αs分別為泵浦波長和信號波長處的光纖損耗，υp和υs分別為泵浦光和信號光頻率，Pp和Ps分別為泵浦光和信號光功率。
小信號放大情況下，忽略(1.2)式右邊泵浦光的第一項(xiàng)損耗，可解得拉曼放大器的輸出功率為Ps(L)=Ps(0)exp[gRPp(0)αpLeff-αsL]---(1.3)]]>式中Leff=1αp[1-exp(αpL)]]]>為考慮光纖損耗對泵浦吸收時(shí)的有效長度。因此，拉曼放大器的小信號增益為GA=Ps(L)Ps(0)exp(-αsL)=exp(g0L)---(1.4)]]>其中，g0=gR(Pp(0)αp)(LeffL)≈gRαpL·Pp(0)αp---(1.5)]]>因此，可以看出，在未飽和范圍內(nèi)，拉曼放大器的小信號增益隨注入泵浦功率近似呈線性關(guān)系，隨泵浦功率增加而增加。
本實(shí)用新型提供的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器中，利用反射面使信號光和泵浦光往返兩次經(jīng)過增益光纖，提高了泵浦光的利用率，延長了信號光和泵浦光之間拉曼作用的距離，可使增益提高近一倍。
3、技術(shù)效果本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的一種基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器，具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)(1)由于負(fù)色散光纖端面反射膜的存在，信號光和泵浦光均往返兩次經(jīng)過增益光纖。因此，泵浦光的利用效率大大增加，信號的總增益可增加近一倍。
(2)泵浦光的反射實(shí)現(xiàn)了單端注入泵浦光而獲得雙向泵浦方式的效果，節(jié)約了泵浦激光器的數(shù)量，同時(shí)達(dá)到了抑制非線性、減少串?dāng)_、改善噪聲的目的。
(3)增益光纖的結(jié)構(gòu)安排和反射膜的存在，使得僅用正、負(fù)色散兩段光纖就實(shí)現(xiàn)了信號光依次經(jīng)過正色散—負(fù)色散—正色散光纖的增益效果，節(jié)約光纖的同時(shí)可大大減輕MPI，進(jìn)一步改善噪聲指數(shù)。
(4)成本低，設(shè)計(jì)簡便。
因此，本實(shí)用新型所提供的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器，具有高增益、非線性作用影響小、串?dāng)_小、噪聲低等特性以及成本低、設(shè)計(jì)簡便等優(yōu)點(diǎn)。
拉曼放大器的泵浦方式可以采用前向泵浦、后向泵浦或雙向泵浦方式。前向泵浦會將泵浦光的功率擾動耦合到信號光上，但ASE噪聲比后向泵浦小。后向泵浦方式偏振依賴性小，信號和泵浦光之間的擾動小，但噪聲譜極不平坦。采用雙向泵浦方式則可同時(shí)具備前向和后向泵浦方式的優(yōu)點(diǎn)。此外，在雙向泵浦方式中，由于沿增益光纖信號的功率起伏較小，基本保持不變，因此可以在極大程度上抑制非線性效應(yīng)，減少串?dāng)_和噪聲。本實(shí)用新型提供的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器中，利用反射膜，僅在單端注入泵浦光就獲得了雙向泵浦方式的效果。
分立式拉曼放大器往往采用有效纖芯面積小的光纖以達(dá)到高增益的要求。但帶來的問題是這種有效纖芯面積小的負(fù)色散光纖使瑞利散射增大，從而導(dǎo)致放大器的多路干擾MPI變得嚴(yán)重。與傳統(tǒng)的(正色散光纖+負(fù)色散光纖)的色散補(bǔ)償結(jié)構(gòu)相比，(正色散光纖+負(fù)色散光纖+正色散光纖)的增益光纖組成，使得在負(fù)色散光纖部分信號經(jīng)歷的拉曼增益變小，從而瑞利散射的總功率減小，進(jìn)而達(dá)到了消除或減弱MPI的目的。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)安排減小了沿光纖線路的色散累積最大值，提高了放大器的信噪比。本實(shí)用新型提供的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器中，僅用正、負(fù)色散兩段光纖就實(shí)現(xiàn)了信號光依次經(jīng)過正色散—負(fù)色散—正色散光纖的增益效果。
四

圖1為基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括泵浦單元1、光環(huán)形器2、光耦合器3、增益光纖4、光隔離器5；增益光纖4包括一段正色散光纖4.1、一段一端面鍍有金屬膜4.3的負(fù)色散光纖4.2；信號輸入端6、信號輸出端7。
圖2為利用偏振耦合方案的泵浦單元的組成示意圖，其中包括半導(dǎo)體激光器1.11、1.12、1.21、1.22偏振耦合器1.3-1.4、合波器1.5、輸出端1.6。
圖3為利用消偏器方案的泵浦單元的組成示意圖，其中包括不同波長處的半導(dǎo)體激光器1a-1b、合波器1c、消偏器1d。輸出端1e。
五具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器由泵浦單元1、光環(huán)形器2、光耦合器3、增益光纖4、光隔離器5所組成，其中光環(huán)形器2有三個(gè)端口，一個(gè)端口為信號輸入端6，另一個(gè)端口為信號輸出端5，還有一個(gè)端口接光耦合器3；泵浦單元1的輸出端接光隔離器5，光隔離器5的輸出端接光耦合器3；光耦合器3也有三個(gè)端口，一個(gè)端口接光環(huán)形器2，一個(gè)端口接光隔離器5，另一個(gè)端口接增益光纖4。增益光纖由一個(gè)正色散光纖4.1和一個(gè)負(fù)色散光纖4.2串聯(lián)熔接而成，正色散光纖4.1的非熔接端接光耦合器3，負(fù)色散光纖的非熔接端鍍有金屬膜4.3。泵浦單元1的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體激光器1.11、1.12的輸出端接偏振耦合器1.3，半導(dǎo)體激光器1.21、1.22的輸出端接另一個(gè)偏振耦合器1.4，兩個(gè)偏振耦合器1.3，1.4的輸出端接合波器1.5，合波器1.5的輸出端1.6為泵浦單元的輸出端。泵浦單元1的另一種結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體激光器1a、1b的輸出端接合波器1c，合波器1c的輸出端接消偏器1d，消偏器1d的輸出端1e為泵浦單元的輸出端。
采用一段單端面鍍有金屬膜4.3的光纖組合4.1-4.3作為拉曼放大器的增益介質(zhì)。
泵浦單元1由半導(dǎo)體激光器LD陣列組成(以選用兩個(gè)泵浦波長λ1和λ2為例)。若采用偏振耦合的方案消偏，則泵浦單元包括工作在λ1處且偏振方向互相垂直的半導(dǎo)體激光器1.11、1.12和工作在λ2處且偏振方向互相垂直的半導(dǎo)體激光器1.21、1.22。半導(dǎo)體激光器1.11和1.12、1.21和1.22發(fā)出的泵浦光分別經(jīng)過偏振耦合器1.3、1.4耦合后，再通過合波器1.5耦合，最后由輸出端1.6輸出。若采用消偏器(以能同時(shí)適用于幾個(gè)波長的消偏器為例)的方案，則泵浦單元包括λ1處的半導(dǎo)體激光器1a和λ2處的半導(dǎo)體激光器1b。1a和1b發(fā)出的泵浦光經(jīng)合波器1c合成后，再經(jīng)過消偏器1d消偏，最后由端1e輸出。
增益光纖4由一段正色散光纖4.1和一段負(fù)色散光纖4.2熔接構(gòu)成，其中負(fù)色散光纖4.2的另一端面鍍有金屬膜4.3(如鋁膜)，對信號光和泵浦光均形成反射面，反射率大于90％。正色散光纖4.1的色散典型值約在17-20ps/nm/km，有效纖芯面積大于95μm2。負(fù)色散光纖4.2的有效纖芯面積的典型值約為20-30μm2。正色散光纖4.1和負(fù)色散光纖4.2的長度經(jīng)過選擇，使輸出端口7的累積色散在信號波段范圍內(nèi)為預(yù)定值，如0或0附近的小值。
信號光由輸出端1.6進(jìn)入光環(huán)形器2，再經(jīng)過光耦合器(WDM耦合器)進(jìn)入增益光纖4的正色散光纖4.1。泵浦單元1發(fā)出的泵浦光經(jīng)過隔離器5后，進(jìn)入光耦合器3與信號光耦合。其后，信號光和泵浦光依次經(jīng)過正色散光纖4.1和負(fù)色散光纖4.2，然后均被負(fù)色散光纖4.2端口的反射膜4.3反射，再依次經(jīng)過負(fù)色散光纖4.2和正色散光纖4.1。最后，放大后的信號光經(jīng)過光環(huán)形器2由端口7反向輸出。
光隔離器5的作用是防止反射后的泵浦光進(jìn)入泵浦單元1。
權(quán)利要求1.一種基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器，包括泵浦光源、增益光纖，其特征在于該放大器由泵浦單元(1)、光環(huán)形器(2)、光耦合器(3)、增益光纖(4)、光隔離器(5)所組成，其中光環(huán)形器(2)有三個(gè)端口，一個(gè)端口為信號輸入端(6)，另一個(gè)端口為信號輸出端(5)，還有一個(gè)端口接光耦合器(3)；泵浦單元(1)的輸出端接光隔離器(5)，光隔離器(5)的輸出端接光耦合器(3)；光耦合器(3)也有三個(gè)端口，一個(gè)端口接光環(huán)形器(2)，一個(gè)端口接光隔離器(5)，另一個(gè)端口接增益光纖(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器，其特征在于增益光纖由一個(gè)正色散光纖(4.1)和一個(gè)負(fù)色散光纖(4.2)串聯(lián)熔接而成，正色散光纖(4.1)的非熔接端接光耦合器(3)，負(fù)色散光纖的非熔接端鍍有金屬膜(4.3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器，其特征在于泵浦單元(1)的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體激光器(1.11、1.12)的輸出端接偏振耦合器(1.3)，半導(dǎo)體激光器(1.21、1.22)的輸出端接另一個(gè)偏振耦合器(1.4)，兩個(gè)偏振耦合器(1.3，1.4)的輸出端接合波器(1.5)，合波器(1.5)的輸出端(1.6)為泵浦單元的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器，其特征在于泵浦單元(1)的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體激光器(1a、1b)的輸出端接合波器(1c)，合波器(1c)的輸出端接消偏器(1d)，消偏器(1d)的輸出端(1e)為泵浦單元的輸出端。
專利摘要基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器涉及光放大器，尤其是分立式拉曼光纖放大器，該放大器由泵浦單元1、光環(huán)形器2、光耦合器3、增益光纖4、光隔離器5所組成，其中光環(huán)形器有三個(gè)端口，分別為信號輸入端、信號輸出端，還有一個(gè)端口接光耦合器；泵浦單元的輸出端接光隔離器，光隔離器的輸出端接光耦合器；光耦合器也有三個(gè)端口，一個(gè)端口接光環(huán)形器，一個(gè)端口接光隔離器，另一個(gè)端口接增益光纖。增益光纖由一個(gè)正色散光纖4.1和一個(gè)負(fù)色散光纖4.2串聯(lián)熔接而成，正色散光纖的非熔接端接光耦合器，負(fù)色散光纖的非熔接端鍍有金屬膜4.3。利用該雙程雙向結(jié)構(gòu)，可大大提高總增益，提高泵浦光利用效率，降低成本。
文檔編號G02F1/39GK2638100SQ0327743
公開日2004年9月1日 申請日期2003年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者崔一平, 王著元, 鐘嫄, 呂昌貴, 惲斌峰, 汪弋平, 夏林, 王芳 申請人:東南大學(xué)