專利名稱：寬帶光纖參量放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶光纖參量放大器(FOPA)，尤其涉及一種四級高非線性光纖級聯(lián)的寬帶光纖參量放大器，適用于光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
目前，在光傳輸技術(shù)方面，無水峰的全波光纖(低損耗窗口從1280nm到1625nm)已經(jīng)商用，摻鉺光纖放大器(EDFA)僅能提供1530-1625nm波長范圍光信號的放大，不能滿足密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)進一步擴容的要求。采用多波長泵浦的光纖拉曼放大器能提供100nm左右的寬帶放大，盡管從理論上分析，采用分帶泵浦結(jié)構(gòu)，拉曼放大器的平坦帶寬能覆蓋全波光纖的整個低損耗窗口，但需要采用全波段的復(fù)用器和解復(fù)用器，這大大增加了插入損耗，引起系統(tǒng)功率代價升高，降低了系統(tǒng)的傳輸性能。因此，研究新型寬帶光纖放大器，特別是增益帶寬覆蓋整個全波光纖低損耗窗口的光纖放大器是WDM(波分復(fù)用)通信系統(tǒng)的研究主題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種四級高非線性光纖級聯(lián)的寬帶光纖參量放大器，使光纖參量放大器的平坦帶寬可以覆蓋全波光纖的低損耗窗口。
為了實現(xiàn)這樣的目的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，寬帶光纖參量放大器由泵浦激光器、泵浦耦合器、信號激光器，信號耦合器、波分復(fù)用器、第一級高非線性光纖、第二級高非線性光纖、第三級高非線性光纖和第四級高非線性光纖構(gòu)成。泵浦激光器的輸出經(jīng)泵浦耦合器連接波分復(fù)用器，信號激光器的輸出經(jīng)信號耦合器連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出端連接到依次級聯(lián)的四級高非線性光纖。由波分復(fù)用器將泵浦光和信號光復(fù)用到依次級聯(lián)的四級高非線性光纖中發(fā)生非線性四波混頻作用，從而實現(xiàn)了參量放大的效果。其中，第一級光纖的零色散波長與泵浦光波長接近，第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，而第三、第四級光纖在泵浦光波長處的二階色散為負(fù)值。
泵浦激光器發(fā)射出的泵浦光經(jīng)泵浦耦合器耦合后輸入波分復(fù)用器，同樣信號激光器發(fā)射出的信號光經(jīng)信號耦合器耦合后也輸入波分復(fù)用器，泵浦光和信號光經(jīng)波分復(fù)用器耦合后，依次進入第一級，第二級，第三級，第四級高非線性光纖。輸入信號光和泵浦光進入第一級光纖后將產(chǎn)生閑置光，其輸出端的增益譜在泵浦光波長左右成近似對稱分布，但不平坦。然后信號光、泵浦光和閑置光經(jīng)過第二級光纖后，增益譜中間的凹陷部分被抬起，增益譜曲線的不平坦度(最大增益與最小增益之差)降低。經(jīng)過第三級和第四級光纖后，增益譜得到修正，其平坦度達(dá)到0.5dB以內(nèi)。
本發(fā)明的光纖參量放大器的平坦帶寬和增益取決于第一級光纖的物理參數(shù)如零色散波長、二階色散和四階色散、光纖長度以及泵浦光波長和泵浦光功率，第二、第三、第四級光纖的作用在于使第一級光纖產(chǎn)生的增益譜變得平坦。
本發(fā)明的光纖參量放大器的第一級光纖、第二級光纖、第三級光纖、第四級光纖的長度在0.1-300米之間，光纖的非線性系數(shù)在1-300W-1.Km-1之間，四階色散絕對值小于1.0×10-4ps4km-1。第一級光纖的零色散波長位于1300-1650nm范圍，即覆蓋全波光纖的低損耗窗口。第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，而第三、第四級光纖在泵浦光波長處的二階色散為負(fù)值。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，通過參數(shù)的適當(dāng)選取，可以得到平坦帶寬覆蓋全波光纖低損耗窗口的光纖參量放大器，從而可以充分利用全波光纖的帶寬，推動WDM光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。


圖1為本發(fā)明的寬帶光纖參量放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為帶寬為225nm的寬帶光纖參量放大器的增益譜圖。
圖2中，G1，G2，G3，G4分別是經(jīng)過第一，二，三，四級高非線性光纖后的增益譜。
圖3為帶寬為320nm的寬帶光纖參量放大器的增益譜圖。
圖3中，G1，G2，G3，G4分別是經(jīng)過第一，二，三，四級高非線性光纖后的增益譜。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。
本發(fā)明的寬帶光纖參量放大器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信號激光器、信號耦合器、波分復(fù)用器、第一級高非線性光纖、第二級高非線性光纖、第三級高非線性光纖和第四級高非線性光纖構(gòu)成。泵浦激光器的輸出經(jīng)泵浦耦合器連接波分復(fù)用器，信號激光器的輸出經(jīng)信號耦合器連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出端連接到依次級聯(lián)的四級高非線性光纖，由波分復(fù)用器將泵浦光和信號光復(fù)用到依次級聯(lián)的四級高非線性光纖中發(fā)生非線性四波混頻作用，實現(xiàn)參量放大。
第一級光纖的零色散波長與泵浦光波長接近，第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，而第三、第四級光纖在泵浦光波長處的二階色散為負(fù)值。
泵浦激光器發(fā)射出的泵浦光經(jīng)泵浦耦合器耦合后輸入波分復(fù)用器，同樣信號激光器發(fā)射出的信號光經(jīng)信號耦合器耦合后也輸入波分復(fù)用器，泵浦光和信號光經(jīng)波分復(fù)用器耦合后，依次進入第一級，第二級，第三級，第四級高非線性光纖。四級高非線性光纖使用光纖連接器連接起來，一般接口損耗在0.6dB左右。輸入信號光和泵浦光進入第一級光纖后將產(chǎn)生閑置光，其輸出端的增益譜在泵浦光波長左右成近似對稱分布，但不平坦。然后信號光、泵浦光和閑置光經(jīng)過第二級光纖后，增益譜中間的凹陷部分被抬起，從而減小了第一級光纖所產(chǎn)生的增益抖動。經(jīng)過第三級和第四級光纖后，增益譜得到進一步修正，其平坦度達(dá)到0.5dB以內(nèi)。
以下實施例是對本發(fā)明的具體說明，而不是對本發(fā)明的限制。
實施例1225nm帶寬的情形。放大器的參數(shù)如表1所示，其中泵浦光功率P0＝0.5W，光纖四階色散系數(shù)β4＝-5×10-6ps4km-1。第一級高非線性光纖長度L1＝210m，二階色散系數(shù)β21＝0.0ps2km-1。第二級高非線性光纖長度L2＝28m，二階色散系數(shù)β22＝2.47×10-2ps2km-1。第三級高非線性光纖長度L3＝112m，二階色散系數(shù)β23＝-1.12×10-2ps2km-1。第四級高非線性光纖長度L4＝11m，二階色散系數(shù)β24＝-5.31×10-2ps2km-1。所有光纖的非線性系數(shù)γ為20W-1.Km-1。本發(fā)明首先通過求解非線性薛定諤方程，得到寬帶光纖參量放大器的增益函數(shù)，然后利用遺傳算法來得到這四級高非線性光纖參數(shù)的最優(yōu)值。第一級光纖的零色散波長與泵浦光波長接近，即在泵浦光波長λp＝1550nm處二階色散β2＝0；第一級光纖決定了寬帶光纖參量放大器增益水平和增益帶寬，因此為了產(chǎn)生一個大的增益，取第一級光纖長度為210m；為了滿足相位匹配條件，需要使四階色散β4為負(fù)值，取β4＝-5×10-6ps4km-1。輸入信號光和泵浦光經(jīng)波分復(fù)用耦合器耦合進第一級光纖后將產(chǎn)生閑置光，其輸出端的增益譜在泵浦光波長左右成近似對稱分布，但不平坦，如圖2中的增益譜線G1所示。第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，β2＝2.47×10-2ps2km-1，它利用不滿足相位匹配條件時在正常色散區(qū)產(chǎn)生參量增益，交叉調(diào)制的結(jié)果會產(chǎn)生一個二次增大的增益，這級光纖長度為28m。信號光、泵浦光和閑置光經(jīng)過第二級光纖后，增益譜中間的凹陷部分被抬起，增益譜曲線的不平坦度(最大增益與最小增益之差)降低，如圖2中的增益譜線G2所示。第三級光纖的二階色散為負(fù)值，β2＝-1.12×10-2ps2km-1，它用于在一個反常色散光纖中提供一個近似方形的增益，從而減小第一級光纖所產(chǎn)生的增益抖動。這級光纖長度為112m。第四級光纖的二階色散也為負(fù)值，β2＝-5.31×10-2ps2km-1，它用于抑制第三級光纖殘留下來的增益抖動，這級光纖長度為11m。所以經(jīng)過第三級和第四級光纖后，寬帶光纖參量放大器的增益譜得到進一步修正，其平坦度達(dá)到0.5dB以內(nèi)，如圖2中的增益譜線G3，G4所示。除此之外，各級光纖連接處的損耗也是需要考慮的，一般高非線性光纖的接口損耗在0.6dB左右，也就是說功率將損耗13％，所以在計算時第k段光纖入口處泵浦功率應(yīng)調(diào)整為Pk＝P0·α(k-1)，α＝0.87，其中P0＝0.5W。總之，第一級光纖用于產(chǎn)生一個大的增益，后面三級光纖用于拉平增益譜。通過對四級光纖參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，最終得到了增益帶寬225nm的寬帶光纖參量放大器，其增益平坦度小于0.5dB。
實施例2320nm帶寬的情形，放大器的參數(shù)如表2所示。增益帶寬為320nm的寬帶光纖參量放大器的具體設(shè)計方法同上，所不同的是各級高非線性光纖的優(yōu)化參數(shù)。其中泵浦光功率P0＝1W，光纖四階色散系數(shù)β4＝-2×10-5ps4km-1。第一級高非線性光纖長度L1＝105m，二階色散系數(shù)β21＝0ps2km-1。第二級高非線性光子光纖L2＝15m，二階色散系數(shù)β22＝2.03×10-2ps2km-1。第三級高非線性光纖長度L3＝56m，二階色散系數(shù)β23＝-0.99×10-2ps2km-1。第四級高非線性光纖長度L4＝5m，二階色散系數(shù)β24＝-5.28×10-2ps2km-1。所有光纖的非線性系數(shù)γ為20W-1.Km-1。第一級光纖的零色散波長與泵浦光波長接近，即在泵浦光波長λp＝1550nm處二階色散β2＝0；第一級光纖決定了寬帶光纖參量放大器增益水平和增益帶寬，因此為了產(chǎn)生一個大的增益，取第一級光纖長度為105m；為了滿足相位匹配條件，需要使四階色散β4為負(fù)值，取β4＝-2×10-5ps4km-1。輸入信號光和泵浦光經(jīng)波分復(fù)用耦合器耦合進第一級光纖后將產(chǎn)生閑置光，其輸出端的增益譜在泵浦光波長左右成近似對稱分布，但不平坦，如圖3中的增益譜線G1所示。第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，β2＝2.03×10-2ps2km-1，它利用不滿足相位匹配條件時在正常色散區(qū)產(chǎn)生參量增益，交叉調(diào)制的結(jié)果會產(chǎn)生一個二次增大的增益，這級光纖長度為15m。信號光、泵浦光和閑置光經(jīng)過第二級光纖后，增益譜中間的凹陷部分被抬起，增益譜曲線的不平坦度(最大增益與最小增益之差)降低，如圖3中的增益譜線G2所示。第三級光纖的二階色散為負(fù)值，β2＝-0.99×10-2ps2km-1，它用于在一個反常色散光纖中提供一個近似方形的增益，從而減小第一級光纖所產(chǎn)生的增益抖動。這級光纖長度為56m。第四級光纖的二階色散也為負(fù)值，β2＝-5.28×10-2ps2km-1，它用于抑制第三級光纖殘留下來的增益抖動，這級光纖長度為5m。所以經(jīng)過第三級和第四級光纖后，寬帶光纖參量放大器的增益譜得到進一步修正，其平坦度達(dá)到0.5dB以內(nèi)，如圖3中的增益譜線G3，G4所示。除此之外，各級光纖連接處的損耗也是需要考慮的，一般高非線性光纖的接口損耗在0.6dB左右，也就是說功率將損耗13％，所以在計算時第k段光纖入口處泵浦功率應(yīng)調(diào)整為Pk＝P0·α(k-1)，α＝0.87，其中P0＝1W。通過對四級光纖參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，最終得到了增益帶寬320nm的寬帶光纖參量放大器，其增益平坦度小于0.5dB。
本發(fā)明的光纖參量放大器的平坦帶寬和增益取決于第一級光纖的物理參數(shù)如零色散波長、二階色散和四階色散、光纖長度以及泵浦光波長和泵浦光功率，第二、第三、第四級光纖的作用在于使第一級光纖產(chǎn)生的增益譜變得平坦。適當(dāng)?shù)倪x取這些參數(shù)，可以得到平坦帶寬覆蓋全波光纖低損耗窗口的光纖參量放大器，從而可以充分利用全波光纖的帶寬，推動WDM光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。
表1為帶寬225nm的寬帶光纖參量放大器的優(yōu)化參數(shù)，表中L為光纖的長度，β2為二階色散系數(shù)，β4為四階色散系數(shù)，P0為泵浦光功率，γ為光纖非線性系數(shù)，bandwidth為得到的寬帶光纖參量放大器的增益帶寬。

表2為帶寬320nm的寬帶光纖參量放大器的優(yōu)化參數(shù)，表中L為光纖的長度，β2為二階色散系數(shù)，β4為四階色散系數(shù)，P0為泵浦光功率，γ為光纖非線性系數(shù)，bandwidth為得到的寬帶光纖參量放大器的增益帶寬。

權(quán)利要求
1.一種寬帶光纖參量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信號激光器、信號耦合器、波分復(fù)用器及非線性光纖組成，其特征在于泵浦激光器的輸出經(jīng)泵浦耦合器連接波分復(fù)用器，信號激光器的輸出經(jīng)信號耦合器連接波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出連接到依次級聯(lián)的四級高非線性光纖，由波分復(fù)用器將泵浦光和信號光復(fù)用到依次級聯(lián)的四級高非線性光纖中發(fā)生非線性四波混頻作用，實現(xiàn)參量放大。
2.如權(quán)利要求1的寬帶光纖參量放大器，其特征在于所述第一級光纖、第二級光纖、第三級光纖、第四級光纖的長度在0.1-300米之間，光纖的非線性系數(shù)在1-300W-1.Km-1之間，四階色散絕對值小于1.0×10-4ps4km-1，第一級光纖的零色散波長與泵浦光波長接近，即位于1300-1650nm范圍，覆蓋全波光纖的低損耗窗口，第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，第三、第四級光纖在泵浦光波長處的二階色散為負(fù)值。
全文摘要
一種寬帶光纖參量放大器，由泵浦激光器、泵浦耦合器、信號激光器、信號耦合器、波分復(fù)用器及四級依次級聯(lián)的高非線性光纖構(gòu)成。第一級光纖的零色散波長與泵浦光波長接近，第二級光纖在泵浦光波長處的二階色散為正值，第三、四級光纖在泵浦光波長處的二階色散為負(fù)值。泵浦光和信號光經(jīng)波分復(fù)用器耦合后，依次進入四級光纖，在第一級光纖后產(chǎn)生閑置光，其輸出端的增益譜在泵浦光波長左右成近似對稱分布但不平坦，經(jīng)第二級光纖后增益譜曲線的不平坦度降低，經(jīng)第三級和第四級光纖后，增益譜得到修正，其平坦度達(dá)到0.5dB以內(nèi)。本發(fā)明可以覆蓋全波光纖的低損耗窗口，從而可充分利用全波光纖的帶寬，推動WDM光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。
文檔編號H04B10/02GK1595842SQ20041002521
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者姜淳, 高明義, 胡衛(wèi)生 申請人:上海交通大學(xué)