專利名稱：反射型分立式拉曼光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種光放大器，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。
背景技術(shù)：
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(duì)光信號(hào)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(duì)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(duì)復(fù)用后的光信號(hào)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(duì)信號(hào)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。
拉曼放大器是一種基于強(qiáng)泵浦光束通過光纖產(chǎn)生的受激拉曼散射效應(yīng)的新型光纖放大器。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(hào)與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并且弱信號(hào)波長位于泵浦光波的拉曼增益譜帶寬之內(nèi)，則此弱信號(hào)可被該光纖放大。由于FRA增益波長由泵浦光波長決定，因此可以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(duì)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。
分立式光纖拉曼放大器中根據(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。分立式拉曼放大器對(duì)泵浦功率要求很高，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，所以如何提高分立式光纖拉曼放大器的泵浦光利用率、降低成本的問題顯得尤為重要。
在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(huì)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。另一方面，普通的單模摻雜光纖由纖芯和單一包層構(gòu)成，泵浦光和信號(hào)光均在纖芯內(nèi)傳播。由于單模光纖的有效纖芯面積很小，泵浦光直接耦合進(jìn)入纖芯的效率很低。此外，在分立式光纖拉曼放大器中，長達(dá)幾公里的增益介質(zhì)光纖需要置于放大器內(nèi)部，導(dǎo)致器件的體積較大。
因此，對(duì)于分立式拉曼放大器，如何提高泵浦光利用效率，縮小體積，抑制非線性都是需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于包層泵浦技術(shù)的反射型分立式拉曼光纖放大器。利用該結(jié)構(gòu)，可大大提高放大器的總增益，縮小分立式光纖拉曼放大器的體積，降低成本。
技術(shù)方案本發(fā)明采用一段單端面鍍膜的雙包層光纖作為拉曼放大器的增益介質(zhì)，所設(shè)計(jì)的基于包層泵浦技術(shù)的反射型分立式拉曼光纖放大器包括泵浦單元、光環(huán)形器、光耦合器、增益光纖、光隔離器；泵浦單元的輸出端接光隔離器的輸入端，光隔離器的輸出端接光耦合器的輸入端；信號(hào)光輸入端接光環(huán)形器的第一端口，信號(hào)光輸出端接光環(huán)形器的第二端口，光環(huán)形器的第三端口接光耦合器的輸入端；光耦合器的輸出端接增益光纖，增益光纖為一段雙包層光纖，其一端面鍍有金屬膜，雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，折射率沿徑向變化為纖芯大于內(nèi)包層，而內(nèi)包層大于外包層。
利用偏振耦合方案的泵浦單元由半導(dǎo)體激光器、第一偏振耦合器、第二偏振耦合器、合波器組成；半導(dǎo)體激光器為同一波長垂直偏振的半導(dǎo)體激光器，其輸出端接第一偏振耦合器；半導(dǎo)體激光器為同一波長垂直偏振的半導(dǎo)體激光器，其輸出端接第二偏振耦合器；第一偏振耦合器和第二偏振耦合器的輸出端接合波器，合波器的輸出端接泵浦光輸出端。
利用消偏器方案的泵浦單元由半導(dǎo)體激光器、合波器、消偏器組成，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，消偏器的輸出端接泵浦光輸出端。
泵浦激光器可以采用大功率多模半導(dǎo)體激光器?？紤]增益平坦，常采用幾個(gè)波長處的泵浦激光器組成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(hào)光的拉曼增益的偏振相關(guān)性，一般對(duì)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。
增益光纖由一段雙包層光纖構(gòu)成，其中光纖的一個(gè)端面鍍有金屬膜，對(duì)信號(hào)光和泵浦光均形成反射面。信號(hào)光通過光環(huán)形器進(jìn)入雙包層光纖沒有鍍膜的端口，消偏后的泵浦光經(jīng)過WDM與信號(hào)光耦合。泵浦光和信號(hào)光被雙包層光纖的另一個(gè)端口的反射膜反射后再次通過雙包層光纖，放大后的信號(hào)光經(jīng)過光環(huán)形器反向輸出。
技術(shù)效果本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種基于包層泵浦技術(shù)的反射型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)雙包層光纖端面反射膜的存在，使信號(hào)光和泵浦光均往返兩次經(jīng)過增益光纖。由于泵浦光和增益光纖的利用效率大大提高，放大器的總增益可提高2到4倍。
(2)采用包層泵浦技術(shù)。與單模光纖相比，明顯地降低了由于信號(hào)光的放大導(dǎo)致的泵浦光沿縱向的衰減，從而進(jìn)一步增大放大器的增益。另一方面，不再要求泵浦光是單模激光，可以使用大功率多模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。
(3)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。
(4)成本較低，設(shè)計(jì)簡便。
因此，本發(fā)明所提供的基于包層泵浦技術(shù)的反射型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)。
本發(fā)明提供的基于包層泵浦技術(shù)的反射型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。


圖1為基于包層泵浦技術(shù)的反射型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、WDM耦合器3、增益光纖4、金屬膜4.1、光隔離器5。信號(hào)光輸入端6，信號(hào)光輸出端7。
圖2為利用偏振耦合方案的泵浦單元的組成示意圖(以選用兩個(gè)波長的泵浦光為例)，其中包括半導(dǎo)體激光器1.11-1.14、偏振耦合器1.3、1.4、合波器1.5，泵浦光輸出端1.6。
圖3為利用消偏器方案的泵浦單元的組成示意圖(以選用兩個(gè)波長的泵浦光為例)，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，泵浦光輸出端1e。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的反射型分立式拉曼光纖放大器，由泵浦單元、增益光纖所組成，該放大器包括泵浦單元1、光環(huán)形器2、光耦合器3、增益光纖4、光隔離器5；泵浦單元1的輸出端接光隔離器5的輸入端，光隔離器5的輸出端接光耦合器3的輸入端；信號(hào)光輸入端6接光環(huán)形器2的第一端口21，信號(hào)光輸出端7接光環(huán)形器2的第二端口22，光環(huán)形器2的第三端口23接光耦合器3的輸入端；光耦合器3的輸出端接增益光纖4，增益光纖4為一段雙包層光纖，其一端面鍍有金屬膜4.1，雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，折射率沿徑向變化為纖芯大于內(nèi)包層，而內(nèi)包層大于外包層。
利用偏振耦合方案的泵浦單元1由半導(dǎo)體激光器1.11～1.14、第一偏振耦合器1.3、第二偏振耦合器1.4、合波器1.5組成；半導(dǎo)體激光器1.11、1.12為同一波長垂直偏振的半導(dǎo)體激光器，其輸出端接第一偏振耦合器1.3；半導(dǎo)體激光器1.13、1.14為同一波長垂直偏振的半導(dǎo)體激光器，其輸出端接第二偏振耦合器1.4；第一偏振耦合器1.3和第二偏振耦合器1.4的輸出端接合波器1.5，合波器1.5的輸出端接泵浦光輸出端1.6。
利用消偏器方案的泵浦單元1由半導(dǎo)體激光器1a、1b、合波器1c、消偏器1d組成，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的輸出端接泵浦光輸出端1e。
采用一段單端面鍍有金屬膜4.1的增益光纖4作為拉曼放大器的增益介質(zhì)。泵浦單元1由大功率多模半導(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1.13、1.14。半導(dǎo)體激光器1.11、1.12和半導(dǎo)體激光器1.13、1.14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，最后由泵浦光輸出端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，最后由泵浦光輸出端1e輸出。
增益光纖4為一段雙包層光纖，其一端面鍍有金屬膜4.1(如金膜)，對(duì)信號(hào)光和泵浦光均形成反射面，反射率大于90％。雙包層光纖纖芯的摻稀土離子可為Yb3+、Nd3+等。
信號(hào)光由信號(hào)光輸入端6進(jìn)入光環(huán)形器2，再經(jīng)過WDM耦合器3進(jìn)入增益光纖4的未鍍膜的端口。泵浦單元1發(fā)出的泵浦光經(jīng)過光隔離器5后，進(jìn)入WDM耦合器3與信號(hào)光耦合。其后，信號(hào)光和泵浦光經(jīng)過雙包層的增益光纖4，然后均被另一端面鍍有金屬膜4.1的反射。最后，放大后的信號(hào)光經(jīng)過光環(huán)形器2由信號(hào)光輸出端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。
工作原理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=gRapPpPs-αsPs--(1.1)]]>dPpdz=υpυsgRasPpPs-αpPp--(1.2)]]>式中，ap和as分別為泵浦光和信號(hào)光的橫截面，αp和αs分別為泵浦波長和信號(hào)波長處的光纖損耗，υp和υs分別為泵浦光和信號(hào)光頻率，Pp和Ps分別為泵浦光和信號(hào)光功率。
小信號(hào)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)apLeff-αsL]--(1.3)]]>式中Leff=1αp[1-exp(αpL)]]]>為考慮光纖損耗對(duì)泵浦吸收時(shí)的有效長度。因此，拉曼放大器的小信號(hào)增益為GA=Ps(L)Ps(0)exp(-αsL)=exp(g0L)--(1.4)]]>其中，
g0=gR(Pp(0)ap)(LeffL)≈gRαpL·Pp(0)ap--(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(hào)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。
本發(fā)明提供的基于包層泵浦技術(shù)的反射型分立式拉曼光纖放大器中，利用反射面使信號(hào)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(hào)光和泵浦光之間拉曼作用的距離，可使增益提高至2到4倍。
雙包層光纖由纖芯，內(nèi)包層和外包層構(gòu)成。折射率沿徑向變化為纖芯大于內(nèi)包層，而內(nèi)包層大于外包層。泵浦光在內(nèi)包層中傳播，并以折線方式反復(fù)穿越摻雜纖芯，而信號(hào)光則在摻雜纖芯內(nèi)傳播。較大的內(nèi)包層口徑可以提高泵浦光直接耦合入光纖的效率，并明顯地降低由于信號(hào)光的放大導(dǎo)致的泵浦光沿縱向的衰減從而進(jìn)一步提高放大器的總增益。
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(huì)將泵浦光的功率擾動(dòng)耦合到信號(hào)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(hào)和泵浦光之間的擾動(dòng)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(hào)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。本發(fā)明提供的基于包層泵浦技術(shù)的反射型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。
本發(fā)明采用大橫向尺寸、大數(shù)值孔徑的包層泵浦技術(shù)，提高泵浦光與光纖之間的耦合效率，并可以使用大功率多模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，從而達(dá)到提高泵浦光的入纖功率，降低成本的目的。
本發(fā)明形成的結(jié)構(gòu)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)_、改善噪聲的目的。
權(quán)利要求
1.一種反射型分立式拉曼光纖放大器，由泵浦單元、增益光纖所組成，其特征在于該放大器包括泵浦單元(1)、光環(huán)形器(2)、光耦合器(3)、增益光纖(4)、光隔離器(5)；泵浦單元(1)的輸出端接光隔離器(5)的輸入端，光隔離器(5)的輸出端接光耦合器(3)的輸入端；信號(hào)光輸入端(6)接光環(huán)形器(2)的第一端口(21)，信號(hào)光輸出端(7)接光環(huán)形器(2)的第二端口(22)，光環(huán)形器(2)的第三端口(23)接光耦合器(3)的輸入端；光耦合器(3)的輸出端接增益光纖(4)，增益光纖(4)為一段雙包層光纖，其一端面鍍有金屬膜(4.1)，雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，折射率沿徑向變化為纖芯大于內(nèi)包層，而內(nèi)包層大于外包層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型分立式拉曼光纖放大器，其特征在于利用偏振耦合方案的泵浦單元(1)由半導(dǎo)體激光器(1.11～1.14)、第一偏振耦合器(1.3)、第二偏振耦合器(1.4)、合波器(1.5)組成；半導(dǎo)體激光器(1.11、1.12)為同一波長垂直偏振的半導(dǎo)體激光器，其輸出端接第一偏振耦合器(1.3)；半導(dǎo)體激光器(1.13、1.14)為同一波長垂直偏振的半導(dǎo)體激光器，其輸出端接第二偏振耦合器(1.4)；第一偏振耦合器(1.3)和第二偏振耦合器(1.4)的輸出端接合波器(1.5)，合波器(1.5)的輸出端接泵浦光輸出端(1.6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型分立式拉曼光纖放大器，其特征在于利用消偏器方案的泵浦單元(1)由半導(dǎo)體激光器(1a、1b)、合波器(1c)、消偏器(1d)組成，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)的輸出端接泵浦光輸出端(1e)。
全文摘要
反射型分立式拉曼光纖放大器是一種光放大器，尤其是分立式拉曼光纖放大器，該放大器包括泵浦單元(1)、光環(huán)形器(2)、光耦合器(3)、增益光纖(4)、光隔離器(5)；泵浦單元的輸出端接光隔離器的輸入端，光隔離器的輸出端接光耦合器的輸入端；信號(hào)光輸入端(6)接光環(huán)形器的第一端口(21)，信號(hào)光輸出端(7)接光環(huán)形器的第二端口(22)，光環(huán)形器的第三端口(23)接光耦合器(3)的輸入端；光耦合器的輸出端接增益光纖，增益光纖為一段雙包層光纖，其一端面鍍有金屬膜(4.1)，雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，折射率沿徑向變化為纖芯大于內(nèi)包層，而內(nèi)包層大于外包層。
文檔編號(hào)G02F1/39GK1595277SQ20041004133
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者崔一平, 王著元, 鐘嫄 申請(qǐng)人:東南大學(xué)