CN1595277A - 反射型分立式拉曼光纤放大器 - Google Patents

Abstract

反射型分立式拉曼光纤放大器是一种光放大器，尤其是分立式拉曼光纤放大器，该放大器包括泵浦单元(1)、光环形器(2)、光耦合器(3)、增益光纤(4)、光隔离器(5)；泵浦单元的输出端接光隔离器的输入端，光隔离器的输出端接光耦合器的输入端；信号光输入端(6)接光环形器的第一端口(21)，信号光输出端(7)接光环形器的第二端口(22)，光环形器的第三端口(23)接光耦合器(3)的输入端；光耦合器的输出端接增益光纤，增益光纤为一段双包层光纤，其一端面镀有金属膜(4.1)，双包层光纤由纤芯、内包层和外包层构成，折射率沿径向变化为纤芯大于内包层，而内包层大于外包层。

Description

反射型分立式拉曼光纤放大器

                          技术领域

本发明是一种光放大器，尤其是分立式拉曼光纤放大器，属于光纤通信技术领域。

                          技术背景

光放大器技术是新一代光纤通信***中必不可少的关键技术，它具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能。该技术既解决了光纤损耗对光网络传输距离的限制，又开创了波分复用技术，为实现超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输等奠定了重要的技术基础。

光放大器一般由增益介质、泵浦源和输入输出耦合结构组成，其功能是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继***或无再生***的光缆传输距离。目前有几种典型的光放大器，包括掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)。

典型的EDFA主要由泵浦激光器(工作波长为980nm或1480nm)、光合波器、光隔离器和掺铒光纤构成。EDFA利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光作用下，形成粒子数反转，产生受激辐射，从而对信号光提供光增益。常规EDFA的工作范围是1530～1565nm，增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm。这种由其工作机制限定的窄带宽范围已渐渐不能满足当今通信***进一步提高通信容量的需求。

拉曼放大器是一种基于强泵浦光束通过光纤产生的受激拉曼散射效应的新型光纤放大器。受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到频率比其低的斯托克斯波上，如果一个弱信号与一个强泵浦光同时在光纤中传输，并且弱信号波长位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。由于FRA增益波长由泵浦光波长决定，因此可以为任何波长提供增益，这使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段实现放大，对于开发光纤的整个低损耗区1270～1670nm具有无可代替的作用。

光纤拉曼放大器可以分为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传输光纤本身作为增益介质，主要辅助EDFA用于DWDM通信***性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。分立式拉曼放大器所用的光纤增益介质比较短，泵浦功率要求很高，可产生40dB以上的高增益，主要用于EDFA无法放大的波段，如1300nm、1400nm或者S波段。

分立式光纤拉曼放大器中根据特定的增益要求选择增益光纤和泵浦源，一般选用多个泵浦波长以实现增益平坦。分立式拉曼放大器对泵浦功率要求很高，由于只有部分泵浦光被利用，剩余部分都通过隔离器滤掉，因此，泵浦光的利用效率很低，所以如何提高分立式光纤拉曼放大器的泵浦光利用率、降低成本的问题显得尤为重要。

在分立式拉曼放大器中为达到其高增益的要求，往往采用稀土粒子掺杂浓度较高(如锗)、有效纤芯面积A较小(典型值为10～20μm²)的硅基光纤作为增益介质。这种增益光纤的非线性折射率n₂/A非常大，导致SPM、XPM、FWM等非线性作用增强。同时，小的有效纤芯面积会增加双向瑞利散射，从而引起多路干扰(MPI)恶化，降低***性能。此外，这种增益光纤的负色散很大，典型值约在-20～-30ps/nm/km。大色散的光纤虽然有助于抑制FWM效应，但在色散管理***中是不利的。另一方面，普通的单模掺杂光纤由纤芯和单一包层构成，泵浦光和信号光均在纤芯内传播。由于单模光纤的有效纤芯面积很小，泵浦光直接耦合进入纤芯的效率很低。此外，在分立式光纤拉曼放大器中，长达几公里的增益介质光纤需要置于放大器内部，导致器件的体积较大。

因此，对于分立式拉曼放大器，如何提高泵浦光利用效率，缩小体积，抑制非线性都是需要解决的问题。

                          发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器。利用该结构，可大大提高放大器的总增益，缩小分立式光纤拉曼放大器的体积，降低成本。

技术方案：本发明采用一段单端面镀膜的双包层光纤作为拉曼放大器的增益介质，所设计的基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器包括泵浦单元、光环形器、光耦合器、增益光纤、光隔离器；泵浦单元的输出端接光隔离器的输入端，光隔离器的输出端接光耦合器的输入端；信号光输入端接光环形器的第一端口，信号光输出端接光环形器的第二端口，光环形器的第三端口接光耦合器的输入端；光耦合器的输出端接增益光纤，增益光纤为一段双包层光纤，其一端面镀有金属膜，双包层光纤由纤芯、内包层和外包层构成，折射率沿径向变化为纤芯大于内包层，而内包层大于外包层。

利用偏振耦合方案的泵浦单元由半导体激光器、第一偏振耦合器、第二偏振耦合器、合波器组成；半导体激光器为同一波长垂直偏振的半导体激光器，其输出端接第一偏振耦合器；半导体激光器为同一波长垂直偏振的半导体激光器，其输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输出端接合波器，合波器的输出端接泵浦光输出端。

利用消偏器方案的泵浦单元由半导体激光器、合波器、消偏器组成，半导体激光器的输出端接合波器，合波器的输出端接消偏器，消偏器的输出端接泵浦光输出端。

泵浦激光器可以采用大功率多模半导体激光器。考虑增益平坦，常采用几个波长处的泵浦激光器组成LD阵列，具体泵浦波长及功率根据放大器的增益要求进行选择。为了减小信号光的拉曼增益的偏振相关性，一般对两个波长接近的激光器进行偏振耦合，使增益介质中相互垂直的两个电场方向的泵浦功率大致相等。但这种方法增加了泵浦激光器的个数，加大了***成本。因此也可采用单泵浦激光器加消偏器的方案。

增益光纤由一段双包层光纤构成，其中光纤的一个端面镀有金属膜，对信号光和泵浦光均形成反射面。信号光通过光环形器进入双包层光纤没有镀膜的端口，消偏后的泵浦光经过WDM与信号光耦合。泵浦光和信号光被双包层光纤的另一个端口的反射膜反射后再次通过双包层光纤，放大后的信号光经过光环形器反向输出。

技术效果：本发明所设计的一种基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器，具有以下几个明显的优点：

(1)双包层光纤端面反射膜的存在，使信号光和泵浦光均往返两次经过增益光纤。由于泵浦光和增益光纤的利用效率大大提高，放大器的总增益可提高2到4倍。

(2)采用包层泵浦技术。与单模光纤相比，明显地降低了由于信号光的放大导致的泵浦光沿纵向的衰减，从而进一步增大放大器的增益。另一方面，不再要求泵浦光是单模激光，可以使用大功率多模半导体激光器作为泵浦源。

(3)泵浦光的反射实现了单端注入泵浦光而获得双向泵浦方式的效果，节约了泵浦激光器的数量，同时达到了抑制非线性、减少串扰、改善噪声的目的。

(4)成本较低，设计简便。

因此，本发明所提供的基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器，具有高增益、非线性作用影响小、串扰小、噪声低等特性以及成本低、设计简便等优点。

本发明提供的基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器中，利用反射膜，仅在单端注入泵浦光就获得了双向泵浦方式的效果。

                         附图说明

图1为基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器的结构示意图，其中包括泵浦单元1、光环形器2、WDM耦合器3、增益光纤4、金属膜4.1、光隔离器5。信号光输入端6，信号光输出端7。

图2为利用偏振耦合方案的泵浦单元的组成示意图(以选用两个波长的泵浦光为例)，其中包括半导体激光器1.11-1.14、偏振耦合器1.3、1.4、合波器1.5，泵浦光输出端1.6。

图3为利用消偏器方案的泵浦单元的组成示意图(以选用两个波长的泵浦光为例)，其中包括不同波长处的半导体激光器1a-1b、合波器1c、消偏器1d，泵浦光输出端1e。

                        具体实施方式

本发明的反射型分立式拉曼光纤放大器，由泵浦单元、增益光纤所组成，该放大器包括泵浦单元1、光环形器2、光耦合器3、增益光纤4、光隔离器5；泵浦单元1的输出端接光隔离器5的输入端，光隔离器5的输出端接光耦合器3的输入端；信号光输入端6接光环形器2的第一端口21，信号光输出端7接光环形器2的第二端口22，光环形器2的第三端口23接光耦合器3的输入端；光耦合器3的输出端接增益光纤4，增益光纤4为一段双包层光纤，其一端面镀有金属膜4.1，双包层光纤由纤芯、内包层和外包层构成，折射率沿径向变化为纤芯大于内包层，而内包层大于外包层。

利用偏振耦合方案的泵浦单元1由半导体激光器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组成；半导体激光器1.11、1.12为同一波长垂直偏振的半导体激光器，其输出端接第一偏振耦合器1.3；半导体激光器1.13、1.14为同一波长垂直偏振的半导体激光器，其输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的输出端接合波器1.5，合波器1.5的输出端接泵浦光输出端1.6。

利用消偏器方案的泵浦单元1由半导体激光器1a、1b、合波器1c、消偏器1d组成，半导体激光器1a、1b的输出端接合波器1c，合波器1c的输出端接消偏器1d，消偏器1d的输出端接泵浦光输出端1e。

采用一段单端面镀有金属膜4.1的增益光纤4作为拉曼放大器的增益介质。泵浦单元1由大功率多模半导体激光器LD阵列组成(以选用两个泵浦波长λ₁和λ₂为例)。若采用偏振耦合的方案消偏，则泵浦单元包括工作在λ₁处且偏振方向互相垂直的半导体激光器1.11、1.12和工作在λ2处且偏振方向互相垂直的半导体激光器1.13、1.14。半导体激光器1.11、1.12和半导体激光器1.13、1.14发出的泵浦光分别经过偏振耦合器1.3、1.4耦合后，再通过合波器1.5耦合，最后由泵浦光输出端1.6输出。若采用消偏器(以能同时适用于几个波长的消偏器为例)的方案，则泵浦单元包括λ1处的半导体激光器1a和λ₂处的半导体激光器1b。1a和1b发出的泵浦光经合波器1c合成后，再经过消偏器1d消偏，最后由泵浦光输出端1e输出。

增益光纤4为一段双包层光纤，其一端面镀有金属膜4.1(如金膜)，对信号光和泵浦光均形成反射面，反射率大于90％。双包层光纤纤芯的掺稀土离子可为Yb₃₊、Nd₃₊等。

信号光由信号光输入端6进入光环形器2，再经过WDM耦合器3进入增益光纤4的未镀膜的端口。泵浦单元1发出的泵浦光经过光隔离器5后，进入WDM耦合器3与信号光耦合。其后，信号光和泵浦光经过双包层的增益光纤4，然后均被另一端面镀有金属膜4.1的反射。最后，放大后的信号光经过光环形器2由信号光输出端7反向输出。

光隔离器5的作用是防止反射后的泵浦光进入泵浦单元1。

工作原理：

光纤拉曼放大器基于光纤中的受激拉曼散射机制。在连续波情况下，泵浦波和斯托克斯波的相互作用过程，可用下列耦合方程分析：

$\frac{{\mathrm{dP}}_s}{\mathrm{dz}}=\frac{g_R}{a_p}{P}_p{P}_s-{\mathrm{\α}}_s{P}_s--\left(1.1\right)$

$\frac{{\mathrm{dP}}_p}{\mathrm{dz}}=\frac{{\mathrm{\υ}}_p}{{\mathrm{\υ}}_s}\frac{g_R}{a_s}{P}_p{P}_s-{\mathrm{\α}}_p{P}_p--\left(1.2\right)$

式中，a_p和a_s分别为泵浦光和信号光的横截面，α_p和α_s分别为泵浦波长和信号波长处的光纤损耗，υ_p和υ_s分别为泵浦光和信号光频率，P_p和P_s分别为泵浦光和信号光功率。

小信号放大情况下，忽略(1.2)式右边泵浦光的第一项损耗，可解得拉曼放大器的输出功率为：

$P_s\left(L\right)=P_s\left(0\right)\exp [g_R\frac{P_p\left(0\right)}{a_p}{L}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\α}}_{s}L]--\left(1.3\right)$

式中 $L_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_p}[1-\exp \left({\mathrm{\α}}_{p}L\right)]$ 为考虑光纤损耗对泵浦吸收时的有效长度。因此，拉曼放大器的小信号增益为：

$G_A=\frac{P_s\left(L\right)}{P_s\left(0\right)\exp (-{\mathrm{\α}}_{s}L)}=\exp \left(g_{0}L\right)--\left(1.4\right)$

其中，

$g_0=g_R\left(\frac{P_p\left(0\right)}{a_p}\right)\left(\frac{L_{\mathrm{eff}}}{L}\right)\≈\frac{g_R}{{\mathrm{\α}}_{p}L}\·\frac{P_p\left(0\right)}{a_p}--\left(1.5\right)$

因此，可以看出，在未饱和范围内，拉曼放大器的小信号增益随注入泵浦功率近似呈线性关系，随泵浦功率增加而增加。

本发明提供的基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器中，利用反射面使信号光和泵浦光往返两次经过增益光纤，提高了泵浦光的利用率，延长了信号光和泵浦光之间拉曼作用的距离，可使增益提高至2到4倍。

双包层光纤由纤芯，内包层和外包层构成。折射率沿径向变化为纤芯大于内包层，而内包层大于外包层。泵浦光在内包层中传播，并以折线方式反复穿越掺杂纤芯，而信号光则在掺杂纤芯内传播。较大的内包层口径可以提高泵浦光直接耦合入光纤的效率，并明显地降低由于信号光的放大导致的泵浦光沿纵向的衰减从而进一步提高放大器的总增益。

拉曼放大器的泵浦方式可以采用前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦方式。前向泵浦会将泵浦光的功率扰动耦合到信号光上，但ASE噪声比后向泵浦小。后向泵浦方式偏振依赖性小，信号和泵浦光之间的扰动小，但噪声谱极不平坦。采用双向泵浦方式则可同时具备前向和后向泵浦方式的优点。此外，在双向泵浦方式中，由于沿增益光纤信号的功率起伏较小，基本保持不变，因此可以在极大程度上抑制非线性效应，减少串扰和噪声。本发明提供的基于包层泵浦技术的反射型分立式拉曼光纤放大器中，利用反射膜，仅在单端注入泵浦光就获得了双向泵浦方式的效果。

本发明采用大横向尺寸、大数值孔径的包层泵浦技术，提高泵浦光与光纤之间的耦合效率，并可以使用大功率多模半导体激光器作为泵浦源，从而达到提高泵浦光的入纤功率，降低成本的目的。

本发明形成的结构实现单端注入泵浦光获得双向泵浦效果，在节约泵浦源的同时达到抑制非线性、减少串扰、改善噪声的目的。

Claims (3)

1、一种反射型分立式拉曼光纤放大器，由泵浦单元、增益光纤所组成，其特征在于该放大器包括泵浦单元(1)、光环形器(2)、光耦合器(3)、增益光纤(4)、光隔离器(5)；泵浦单元(1)的输出端接光隔离器(5)的输入端，光隔离器(5)的输出端接光耦合器(3)的输入端；信号光输入端(6)接光环形器(2)的第一端口(21)，信号光输出端(7)接光环形器(2)的第二端口(22)，光环形器(2)的第三端口(23)接光耦合器(3)的输入端；光耦合器(3)的输出端接增益光纤(4)，增益光纤(4)为一段双包层光纤，其一端面镀有金属膜(4.1)，双包层光纤由纤芯、内包层和外包层构成，折射率沿径向变化为纤芯大于内包层，而内包层大于外包层。

2、根据权利要求1所述的反射型分立式拉曼光纤放大器，其特征在于利用偏振耦合方案的泵浦单元(1)由半导体激光器(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)组成；半导体激光器(1.11、1.12)为同一波长垂直偏振的半导体激光器，其输出端接第一偏振耦合器(1.3)；半导体激光器(1.13、1.14)为同一波长垂直偏振的半导体激光器，其输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)的输出端接合波器(1.5)，合波器(1.5)的输出端接泵浦光输出端(1.6)。

3、根据权利要求1所述的反射型分立式拉曼光纤放大器，其特征在于利用消偏器方案的泵浦单元(1)由半导体激光器(1a、1b)、合波器(1c)、消偏器(1d)组成，半导体激光器(1a、1b)的输出端接合波器(1c)，合波器(1c)的输出端接消偏器(1d)，消偏器(1d)的输出端接泵浦光输出端(1e)。

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