具有動態增益波動控制的拉曼光纖放大器的製作方法

2023-04-26 02:21:51

專利名稱：具有動態增益波動控制的拉曼光纖放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖放大器，特別是一種具有動態增益波動控制的拉曼光纖放大器。
拉曼光纖放大器的基本機理是泵浦光子被光纖吸收使光纖分子發生機械振動，再發射一個斯託克斯頻率的光子。因為斯託克斯頻率不是一個固定值，所以拉曼光纖放大器可以實現任意波段內的寬帶放大。而1300nm窗口的高速傳輸是非常吸引人的，它能消除非色散位移光纖對色散補償的需要。這樣的標準光纖已廣泛地安裝在通信系統中。以前在這一波長下的放大技術主要採用半導體放大器和摻鐠光纖放大器等技術，而且都是集中在單信道傳輸中。拉曼光纖放大器可以使1300nm波長區的波分復用(WDM)傳輸得以實現，使現有的1300nm通信系統升級，擴大傳輸容量，增加傳輸距離。在第四代的密集波分復用(DWDM)和光孤子通信系統中，工作帶寬包括C波段和L段，摻鉺光纖放大器(EDFA)由於帶寬的限制只能獨立工作在C波段或L波段，而經過優化的拉曼光纖放大器可以同時放大C波段和L波段，並且在放大的帶寬內實現增益平坦。
對於消偏的激勵源，拉曼光纖放大器偏振相關增益不敏感、不同波長的信號之間串擾噪聲較低，良好的飽和輸出功率和很好的噪聲係數，特別是分布式拉曼光纖放大器，由於其增益介質本身就是傳輸光纖，從而可以避免在光纖傳輸中信號光功率降得太低。
儘管拉曼光纖放大器能實現寬帶放大並具有以上良好的特性，但是在單泵浦工作時，拉曼光纖放大器的3dB增益帶寬只有30nm左右，圖2給出了一個典型的單泵浦反向激勵拉曼光纖放大器的特性增益譜線。為了同時放大C波段和L波段，實現寬帶放大，並使它們具有平坦的增益，需要多泵浦激勵的方式來均衡拉曼光纖放大器的增益。
這種擴展和平滑增益譜線的方式需要找出多泵浦的激勵波長和功率的一種優化組合，然而一種優化組合只能針對某一特定的增益目標與帶寬要求，當增益目標變化以後，就需要尋找新的優化組合。而且一種優化組合選定以後，當該拉曼光纖放大器的工作條件發生改變，就可能使原來平滑的增益譜線出現波動。這種工作條件的改變包括很多方面，諸如輸入信號強度的影響、飽和輸出功率的影響、某波段增益目標的變化，甚至工作環境的變化等。從

圖1的拉曼放大部分可以看出，其各個連接部分中包括泵浦陣列和大量的波分復用器件。器件數量越多，光纖放大器的整體穩定性就越差，某一個器件由於環境原因引起的不穩定對整體性能的影響也越難以估計。一個簡單的例子就是由於環境的變化造成某一個或幾個泵浦雷射器波長不確定的漂移，儘管這種漂移幅度不大(按現有的技術指標小於2nm)，但這足以破壞原先的優化條件，使原來平滑的增益譜線出現波動。而且這種波動是動態的，不可確定的。
本發明的技術解決方案如下一種具有動態增益波動控制的拉曼光纖放大器，自光信號輸入至光信號輸出包括依次相連的信號/泵浦波分復用器、拉曼增益光纖和信號/泵浦波分解復用器，其特點是①.在信號/泵浦波分復用器之前設有分光器，在該分光器的分光方向上依次設有信道解復用器和pin管陣列接收檢測器組成信號輸入功率測量裝置；②.在信號/泵浦波分解復用器之後也設有分光器，在該分光器的分光方向上依次設有信道解復用器和pin管陣列接收檢測器組成信號輸出功率測量裝置；③.pin管陣列接收檢測器檢測的電信號都記入泵浦雷射器陣列控制器，該泵浦雷射器陣列控制器據此控制2n個雷射器構成的泵浦雷射器陣列的工作，各泵浦雷射器的雷射功率由泵浦合波裝置耦合在一起經信號/泵浦波分解復用器以反向激勵方式輸入拉曼增益光纖；④.所述信號/泵浦波分復用器還設有微彎洩漏光纖。
所述的泵浦雷射器陣列為一具有n個波長的共2n個泵浦雷射器組成的陣列，對每一波長由兩個波長和功率相同的泵浦雷射器以偏振態正交的方式構成。
所述的泵浦合波裝置的構成，包括n個偏振合波器，每個偏振合波器的後端級聯一相應波長的隔離器，再通過多級馬赫一曾特波分復用器將各對不同波長的泵浦雷射器的泵浦能量耦合在一起。
所述的波分復用器，還可採用熔融拉錐雙信道合波器，也可採用薄膜濾波的波分復用器。
所述的拉曼增益光纖採用色散補償光纖。
所述的信號/泵浦波分解復用器採用薄膜濾波Y型波分復用器。
所述的泵浦雷射器陣列控制器包括n(波長數)個模數轉換器(A/D)和微處理器(MCU)，其增益反饋控制的具體步驟如下一、信號增益的測量①.信號輸入功率測量裝置和信號輸出功率測量裝置測得各波長(n個波長)輸入、輸出信號的即時光功率，並輸出相應的電信號；②.泵浦雷射器陣列控制器的A/D轉換器將各波長與光功率相應的電信號由模擬量轉化為數位訊號；③.經微處理器處理，求得每個波長信號的增益，即獲得增益譜；二、微調每一泵浦雷射器的泵浦功率，測量它對信號增益的影響①.泵浦雷射器陣列控制器控制各泵浦雷射器的功率；②.分別略微增加或減小泵浦雷射器陣列中某一個泵浦雷射器的功率，利用第一步中所述的增益測量方法測得該泵浦雷射器功率增加和功率減小時相應的二個信號增益譜，並存儲，測量完畢恢復該泵浦雷射器的功率；③.對其餘的泵浦雷射器重複②的步驟，獲得每個泵浦雷射器的泵浦功率對信號增益譜的影響，並存儲；三、在出現增益波動時，根據每個泵浦雷射器對信號增益的影響，由泵浦雷射器陣列控制器對各泵浦雷射器功率進行調整，不斷測量，不斷調整，以保持增益的動態平滑，保證各波長的增益處於增益目標範圍內。
本發明的技術效果①.本發明採用泵浦雷射器陣列反向激勵方式來均衡寬帶光譜內的信號增益，激勵源反向輸入可以減小增益拉曼光纖內信號光功率的變化，有利於避免信號光功率過大而造成較大的非線性效應；②.本發明採用兩個波長相同和功率相同的泵浦雷射器以偏振態正交的方式接入一個偏振合波器，可以減少信號增益與泵浦的偏振態的相關性；③.而且在每一個偏振合波器之後端級聯一個相應波長的隔離器，這樣可避免泵浦雷射器因反射光引起的啁啾和受到反射光的損傷，有利於減少輸出增益譜線波動因素，有利於增益譜線的平滑；④.採用薄膜濾波Y型波分復用器作信號/泵浦波分解復用器，既可將合波後的泵浦雷射耦合進拉曼增益光纖，同時信號光又可通過它從光纖中耦合輸出，而且具有較寬的帶寬；⑤.採用色散補償光纖作拉曼增益光纖，既能進行色散補償，又具有大的拉曼增益。
圖2是本發明拉曼光纖放大器泵浦合波裝置連接關係示意圖。
圖3是已有的普通單泵浦反向激勵拉曼光纖放大器的特性增益譜線。
圖4是本發明拉曼光纖放大器的特性增益譜線。圖中1—分光器2—信號/泵浦波分復用器3—拉曼增益光纖4—信號/泵浦波分解復用器 5—分光器6、12—信號解復用器7、13—pin管接收陣列8—泵浦雷射器控制器9—泵浦雷射器陣列 10—泵浦合波裝置 101—偏振合波器(N個)102—隔離器(N個) 103—波分復用器11—微彎洩漏光纖參考圖1，在拉曼放大部分，本發明採用多泵浦陣列反向激勵的方式來均衡寬帶的信號增益。激勵源反向輸入可以減小增益光纖3內信號光功率的變化，有利於避免信號光功率過大而造成較大的非線性效應。本發明採用了多個泵浦雷射器(Laser Diode)構成源陣列，通過一個泵浦合波裝置10把各泵浦源的功率耦合在一起。
信號/泵浦波分解復用器4將合波後的泵浦光耦合進拉曼增益光纖3，同時信號光通過信號/泵浦波分解復用器4從增益光纖3中耦合出去。
理論上所有的光纖都有受激拉曼效應，都可以作為拉曼增益光纖。本發明作為分布式光纖放大器採用了色散補償光纖(DCF)，這樣既能進行色散補償、又有大的拉曼增益。分布式拉曼光纖放大器的特徵是其增益光纖就是傳輸光纖，它一般採用色散位移光纖(DSF)和非零色散位移光纖(NZ-DSF)，如果使用標準光纖(SMF)需要進行色散補償。無論對於哪一種光纖，在本發明的光纖放大器中都可以實現對寬帶增益的平滑以及對增益波動的控制。
在拉曼增益光纖的輸入端，輸入的信號光通過一個1∶99分光器1後，99％的信號光功率送入一個的信號/泵浦波分復用器2，耦合進拉曼增益光纖3。同時剩餘泵浦功率通過該信號/泵浦波分解復用器耦合出來，並利用光纖的微彎損耗洩漏掉剩餘的泵浦功率。
本發明的增益反饋控制裝置包括信號輸入輸出功率測量和泵浦雷射器控制器兩個部分。信號輸入輸出功率測量部分包括2組1∶99分光器、信號解復用器和p-i-n管接收陣列，分別用來測量輸入信號和輸出信號的光功率。輸入信號通過1∶99分光器後，分支出的1％的輸入信號光通過一個信號解復用器，分離出各個輸入信號波長的光信號，再由p-i-n光電二極體的接收機陣列檢測各個波長輸入光信號的功率，並輸出相應的電信號。同樣地在輸出端檢測各個波長輸出光信號的功率，並輸出相應的電信號。泵浦雷射器控制器根據與輸入和輸出各波長信號光相應的電信號，即可得出相應的各波長信號在通過該光放大器後的增益；泵浦雷射器控制器根據各波長信號增益控制每一路泵浦雷射器強度。
圖2給出了結構圖中泵浦合波裝置的具體連接方式。本發明採用了多個泵浦雷射器(Laser Diode)構成源陣列，構成源陣列的波長數越多，對增益譜線的平滑程度的控制就越好，但是泵浦合波裝置的結構和泵浦控制就越複雜，因此要在性能和價格比上作出一定的選擇。由於泵浦雷射器輸出為線偏振光，為了減少信號增益與泵浦的偏振態相關，本新型採用兩個波長與功率相同的泵浦雷射器以偏振態正交的方式接入一個偏振合波器(PMBC)，消除該波長泵浦源的線偏振態。對於具有n個波長的源陣列需要N＝2n個泵浦雷射器。
為了避免泵浦雷射器因反射光引起的強度噪聲和受到反射光的損傷，每個PMBC的後端級聯一個相應波長的隔離器。
本發明採用馬赫-曾特波分復用器(MZI-WDM)將各對不同波長的泵浦源耦合在一起。MZI-WDM是基於MZ濾波器利用光的幹涉來選擇波長的。泵浦合波還可根據實際要求採用其它的波分復用器件來實現，例如利用熔融拉錐技術的雙信道合波器(DCPC)，其特徵是結構簡單，價格低廉，但其要求各泵浦源的波長間隔相等。為了適應本發明對增益均衡的要求，需要採用波長間隔不等的泵浦源和馬赫-曾特波分復用器。此外，還可以利用薄膜濾波技術的波分復用器(MWDM)進行泵浦合波，其特徵是具有較寬的帶寬。
圖3給出了一個典型的單泵浦反向激勵時拉曼光纖放大器的特性增益譜線。早在1928年，印度物理學家C.V.RAMAN首先發現了拉曼散射現象；1972年，光纖中的受激拉曼散射效應被發現。受激拉曼散射是指在一些非線性介質中，高能量(高頻率)的泵浦光由於非彈性散射，將一部分能量轉移給另一頻率的光束上，頻率的下移量是分子振動的模式決定的。用量子力學可以作如下解釋一個高能量的泵浦光子入射到介質中，被一個分子吸收。電子先從基態躍遷至虛能級，虛能級的大小是由泵浦光的能量決定的。然後，虛能級電子在信號光的感應作用下，回到振動態的高能級，同時發出一個和信號光頻率相同，相位相同和振動方向相同的光子，稱之為斯託克斯光子。如果泵浦光功率超過閾值，光增益大於光損耗，則信號光被放大。根據能量守恆，有hvs＝hvp-Eh或者Es＝Ep-Eh。hvs、Es表示發出的信號光的能量；hvp，Ep表示泵浦光的能量；Eh表示分子振動的高能級能量。斯託克斯光子的頻率是由分子的振動能級決定的。用光纖作放大介質，它的分子振動能級是分立的能帶，所以拉曼增益具有很寬的頻譜，並在13.2THz附近有一個主峰。如果一個弱信號和強泵浦光同時傳輸，並且弱信號在放大頻譜內，那麼泵浦光將一部分能量轉移給信號光，從而實現信號的放大。基於這種原理的放大器就是拉曼光纖放大器。
參考圖4，它給出了某一特定的工作條件和增益目標下，一組優化泵浦組合所激勵的拉曼光纖放大器的平滑增益譜線。在多泵浦激勵的情況下，不但存在著每個泵浦源對各路信號的拉曼效應，還包括泵浦之間複雜的拉曼耦合效應。由於泵浦源的功率比信號功率大得多，因此這種效應對各泵浦源在光纖中的功率分布以至於對信號增益都會產生很大的影響。不能把信號的增益看作各個泵浦源單獨激勵時他們各自增益的線性疊加。每個泵浦的改變由於複雜的耦合關係都會影響到整個波段的信號增益。因此本發明根據實測的信號增益，逐漸的調整泵浦源的強度，最終達到平滑增益，減小波動的目的。
作為例子，一個工作於圖4所示的平滑增益譜線時的放大器，由於工作條件的某種改變，在1550nm附近的信號增益有一個突然的下降。為了補償這一波段內的信號增益，可以調整泵浦陣列中某幾個泵浦源的輸出強度獲得，由於上述原因每個泵浦的功率改變會影響整個波段內的信號增益，所以在調整泵浦源輸出強度的過程中，增益實測裝置不斷的測量每個泵浦源功率的改變對整個波段信號增益的影響，最後綜合各個泵浦源對信號增益的影響，決定泵浦陣列中的各泵浦源強度的漸變，然後根據漸變效果做下一次的增益實測和泵浦調整。最終實現對1550nm附近信號的增益補償，同時保證其他波長處的增益仍然在增益目標的範圍內。
當然，在不違背本發明精神和發明範圍的條件下，還可以有很多其它的實施例。例如，實際應用中對該光纖放大器的信號增益幅度和工作帶寬有了一個新目標要求，這就要求整體的泵浦源陣列的輸出功率根據實測增益和要求增益作整體的改變。
權利要求
1.一種具有動態增益波動控制的拉曼光纖放大器，自光信號輸入至光信號輸出包括依次相連的信號/泵浦波分復用器(2)、拉曼增益光纖(3)和信號/泵浦波分解復用器(4)，其特徵在於①.在信號/泵浦波分復用器(2)之前設有分光器(1)，在該分光器(1)的分光方向上依次設有信道解復用器(12)和pin管陣列接收檢測器(13)組成信號輸入功率測量裝置；②.在信號/泵浦波分解復用器(4)之後也設有分光器(5)，在該分光器(5)的分光方向上依次設有信道解復用器(6)和pin管陣列接收檢測器(7)組成信號輸出功率測量裝置；③.pin管陣列接收檢測器(7)和(13)檢測的電信號都記入泵浦雷射器陣列控制器(8)，該泵浦雷射器陣列控制器(8)據此控制2n個雷射器構成的泵浦雷射器陣列(9)的工作，各泵浦雷射器的雷射功率由泵浦合波裝置(10)耦合在一起經信號/泵浦波分解復用器(4)以反向激勵方式輸入拉曼增益光纖(3)；④.所述信號/泵浦波分復用器(2)還設有微彎洩漏光纖(11)。
2.根據權利要求1所述的拉曼光纖放大器，其特徵在於所述的泵浦雷射器陣列(9)為一具有n個波長的共2n個泵浦雷射器組成的陣列，對每一波長由兩個波長和功率相同的泵浦雷射器以偏振態正交的方式構成。
3.根據權利要求1或2所述的拉曼光纖放大器，其特徵在於所述的泵浦合波裝置(10)的構成，包括n個偏振合波器(101)，每個偏振合波器(101)的後端級聯一相應波長的隔離器(102)，再通過多級馬赫一曾特波分復用器(103)將各對不同波長的泵浦雷射器的泵浦能量耦合在一起。
4.根據權利要求3所述的拉曼光纖放大器，其特徵在於所述的波分復用器(103)，還可採用熔融拉錐雙信道合波器，也可採用薄膜濾波的波分復用器。
5.根據權利要求1所述的拉曼光纖放大器，其特徵在於所述的拉曼增益光纖(3)採用色散補償光纖。
6.根據權利要求1所述的拉曼光纖放大器，其特徵在於所述的信號/泵浦波分解復用器(4)採用薄膜濾波Y型波分復用器。
7.根據權利要求1所述的拉曼光纖放大器，其特徵在於所述的泵浦雷射器陣列控制器(8)包括n(波長數)個模數轉換器(A/D)和微處理器(MCU)，其增益反饋控制的具體步驟如下一、信號增益的測量①.信號輸入功率測量裝置和信號輸出功率測量裝置測得各波長(n個波長)輸入、輸出信號的即時光功率，並輸出相應的電信號；②.泵浦雷射器陣列控制器(8)的A/D轉換器將各波長與光功率相應的電信號由模擬量轉化為數位訊號；③.經微處理器處理，求得每個波長信號的增益，即獲得增益譜；二、微調每一泵浦雷射器的泵浦功率，測量它對信號增益的影響①.泵浦雷射器陣列控制器(8)控制每個泵浦雷射器的功率；②.分別略微增加或減小泵浦雷射器陣列(9)中某一個泵浦雷射器的功率，利用第一步中所述的增益測量方法測得該泵浦雷射器功率增加和功率減小時相應的二個信號增益譜，並存儲，測量完畢恢復該泵浦雷射器的功率；③.對其餘的泵浦雷射器重複②的步驟，獲得每個泵浦雷射器的泵浦功率對信號增益譜的影響，並存儲；三、在出現增益波動時，根據每個泵浦雷射器對信號增益的影響，由泵浦雷射器陣列控制器(8)對各泵浦雷射器功率進行調整，不斷測量，不斷調整，以保持增益的動態平滑，保證各波長的增益處於增益目標範圍內。
全文摘要
本發明涉及一種具有動態增益波動控制的拉曼光纖放大器，其中拉曼放大部分包括一組泵浦雷射器陣列、泵浦合波裝置、一段拉曼增益光纖、信號/泵浦的復用器、信號/泵浦解復用器、信號解復用器；增益反饋控制裝置包括信號輸入輸出功率測量和泵浦雷射器控制器2個部分。作為分立式拉曼光纖放大器，可以採用色散補償光纖來作為拉曼增益介質，實現C+L波段(1428－1604nm)的色散補償。增益反饋控制部分控制著14xxnm的N個泵浦雷射器的輸出功率，由此可實現光信號波段的增益譜的平滑和波動控制。
文檔編號G02F1/35GK1472585SQ03129580
公開日2004年2月4日 申請日期2003年6月27日 優先權日2003年6月27日
發明者蔣鳳仙, 李蘇明, 沈駿 申請人:復旦大學, 上海亨通光電科技有限公司