專利名稱：低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光通信技術光纖放大器領域，尤其涉及一種低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器。
背景技術：
光通信技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的短波段C-band(1520nm～1560nm)摻鉺光纖放大器(EDFA)增益帶寬已不能滿足密集波分復用系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)運營商正逐步趨向于長波段(1570nm～1605nm)EDFA的研制。長波段EDFA不僅能有效增長信號帶寬，而且還能降低限制色散移位光纖傳輸信號帶寬的非線性失真，因此引起了人們的廣泛興趣。但是，長波段EDFA由于工作在鉺光纖增益譜的尾部，效率很低，存在增益不高、輸出功率不大等缺點。目前，增強波段EDFA增益的方法主要有利用反向放大的自發(fā)輻射(ASE)(J.Lee，U.C.Ryu，S.J.Ahn et al.，Enhancement of power conversion efficiency for a L-band EDFA with a secondarypumping effect in the unpumped EDF section.IEEE Photon.Technol.Lett.，1999，11(1)42-44.)；使用1550nm泵浦光放大(M.A.Mahdi，F(xiàn).R.M.Adikan，P.Poopalan et a1..Long-wavelength EDFA enhancement through 1550nm band signalinection.Opt.Commun.，2000，176(3)125-129.)；還有最近報道的雙程(doublepass)技術(S.W.harun，P. Poopalan，and H.Ahmad Gain enhancement in L-BandEDFA through a Double-pass technique.IEEE Photon.Technol.Lett.，2002，14(3)296-297.)。選用1550nm的泵浦源需要增加額外的泵浦源成本；雙程技術固然可以使噪聲得到改善，但它要用到兩個光環(huán)形器，也增加了產(chǎn)品的成本。因此，采用短波段的ASE作二級泵浦源是最理想的。
圖1是中國專利No.CN 1246641A提出的采用后向ASE作二次泵浦的長波段摻鉺光纖放大器的結構圖。圖中摻鉺光纖6吸收980nm波長的泵浦光5，摻鉺光纖3沒有泵浦源；摻鉺光纖6產(chǎn)生的反向ASE去泵浦摻鉺光纖3，摻鉺光纖3產(chǎn)生的前向ASE又作用于摻鉺光纖6，最后輸出放大的信號光。這種結構僅僅提高了L band EDFA的增益，但未能同時實現(xiàn)增益譜的平坦。此外，這種結構隨著摻鉺光纖6長度的增長，放大的自發(fā)輻射光功率逐漸變大，大量消耗反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)，阻礙放大器的增益和光功率的增長，誘導自發(fā)輻射飽和并降低增益與惡化放大器的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器。
低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器的輸入端的信號光經(jīng)過第一光隔離器到達一波分復用器；泵浦輸出的泵浦光經(jīng)過泵浦耦合器分成兩束后的光按比例分別進入一波分復用器和另一波分復用器；匯合后的光從一波分復用器的輸出端出來后依次進入摻鉺光纖EDF III，第二光隔離器，摻鉺光纖EDF II到達另一波分復用器；匯合后的光從另一波分復用器的輸出端出來后進入摻鉺光纖EDF I到達第三光隔離器，最后到達輸出端。
本發(fā)明可以讓長波段摻鉺光纖放大器同時具有高增益、低噪聲且增益譜平坦的特性。當輸入信號光功率為-20dBm，在1570nm～1605nm波長范圍內(nèi)使增益偏差小于1dB，且增益值高達34dB，噪聲指數(shù)小于3.5dB。在多波長信號光(如1587nm、1589nm和1591nm)同時輸入時三者的增益/噪聲分別是40.3621dB/3.4643dB、40.5005dB/3.3488dB、40.9979dB/3.3133dB，增益最大相差值為0.6358dB，噪聲最大相差值為0.151dB。本發(fā)明也適用于反向泵浦方式及其他泵浦波長，如1480nm泵浦。


圖1是中國專利No.CN 1246641A的結構框圖；圖2是本發(fā)明結構框圖；圖3是本發(fā)明理論模擬用到的EDF參數(shù)α和g*的譜線圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)化前的ASE譜線與中國專利No.CN 1246641A的比較圖，圖中實線為本發(fā)明EDFA的ASE譜線，虛線為中國專利No.CN 1246641A的EDFA的ASE譜線；圖5是本發(fā)明優(yōu)化后的ASE譜線與中國專利No.CN 1246641A的比較圖，圖中實線為本發(fā)明EDFA的ASE譜線，虛線為中國專利No.CN 1246641A的EDFA的ASE譜線；圖6是本發(fā)明的EDFA在輸入信號光功率(-20dBm)相同時EDFA增益(噪聲)和信號光輸入波長的關系曲線圖；圖7是本發(fā)明的單信道輸入時EDFA增益(噪聲)和信號光輸入功率關系曲線圖；圖8是本發(fā)明的多信道輸入時EDFA增益(噪聲)和信號光輸入功率關系曲線圖，圖中曲線1是波長為1587nm光的增益曲線，曲線2是波長為1587nm光的噪聲指數(shù)曲線，曲線3是波長為1589nm光的增益曲線，曲線4是波長為1589nm光的噪聲指數(shù)曲線，曲線5是波長為1591nm光的增益曲線，曲線6是波長為1591nm光的噪聲指數(shù)曲線。
具體實施例方式
低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器的輸入端1的信號光經(jīng)過光隔離器2到達波分復用器10；泵浦5輸出的泵浦光經(jīng)過泵浦耦合器11分成兩束后的光按比例分別進入波分復用器10和波分復用器4；匯合后的光從波分復用器10的輸出端出來后依次進入摻鉺光纖EDF III 12，光隔離器9，摻鉺光纖EDF II3到達波分復用器4；匯合后的光從波分復用器4的輸出端出來后進入摻鉺光纖EDF I6到達光隔離器7，最后到達輸出端8。
所說的摻鉺光纖EDF III 12產(chǎn)生的前向放大的自發(fā)輻射和摻鉺光纖EDF I6產(chǎn)生的后向放大的自發(fā)輻射作為二級泵浦源，去泵浦摻鉺光纖EDF II 3。通常，取泵浦耦合器11輸出的光比例為1∶2～4，光隔離器9為寬帶光隔離器，摻鉺)光纖EDF III12的長度為5～10米，摻鉺光纖EDF II 3的長度為5～10米，摻鉺光纖EDF I 6的長度為70～100米。
自從摻鉺光纖放大器出現(xiàn)以來，出現(xiàn)了各種各樣模擬摻鉺光纖放大器的理論模型。原先的模型需要吸收截面、發(fā)射截面、模場半徑、摻鉺半徑、摻鉺濃度等比較基礎的物理量，但這些物理量在實際光纖中并不是均勻的，粘確測量比較困難。后來出現(xiàn)的Giles模型則把幾個測量難度大的參數(shù)簡化成在實驗中能較容易測量得到的吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)，是一個可以和實驗符合很好的模型。
基于Giles模型，一些文獻用數(shù)值計算對EDFA的性能進行過分析，但它們都是把增益和噪聲隔離開分析的。而增益和噪聲是摻鉺光纖放大器最主要的兩個性能指標，是相互關聯(lián)的，同時考慮增益和噪聲是必要的。
常溫下，EDFA增益介質(zhì)是以均勻展寬為主，可以用二能級模型來描述。根據(jù)Giles模型，考慮了自發(fā)輻射后的EDFA的速率方程如下dPk±(z)dz=±(αk+gk*)n2‾n1‾Pk±(z)±2gk*n2‾n1‾hvkΔvkμk(αk+lk)Pk±(z)---(1)]]>n2‾n1‾=ΣkPk±(z)αkhvkζ1+ΣkPk±(z)(αk+gk*)hvkζ---(2)]]>式中，Pk+(z)和Pk-(z)分別為帶寬Δνk(計算噪聲功率的頻率間隔)內(nèi)沿前向傳輸和后向傳輸?shù)墓夤β剩籯表示不同波長的光， 表示基態(tài)和二能級的總平均粒子數(shù)； 表示二能級的粒子數(shù)；α、g*、l分別表示摻鉺光纖的吸收系數(shù)、發(fā)射系數(shù)、本底吸收系數(shù)；方程(1)中的因子2表示自發(fā)輻射的兩個正交偏振態(tài)；ζ是飽和參數(shù)，可以用實驗測得的飽和功率Pksal.來定義ζ=Pksal(αk+gk*)/hvk.]]>本發(fā)明中EDF的α/g*譜如圖3示。EDF的基本參數(shù)為α(980nm)＝10.2dB/m；g*(980nm)＝0dB/m；α(1531nm)＝12.39dB/m；本底吸收系數(shù)l＝5.68dB/km；ζ＝1.0E+16m1s1。噪聲的頻率間隔v＝125GHz。根據(jù)式(1)、(2)以及噪聲指數(shù)NFNF=10log10(1G+PASEhvGΔv)---(3)]]>式中h＝6.626×10-34J·s，v是信號光的頻率，Δv表示信號帶寬，PASE表示在Δv內(nèi)產(chǎn)生的ASE噪聲，G表示信號的增益G＝10log10(Pom/Pin) (4)只需設定好邊界條件即可由數(shù)值模擬算出相應結構的噪聲指數(shù)、增益和輸出功率等。
本發(fā)明在性能價格比優(yōu)越的EDFA優(yōu)化設計中必須主要考慮兩個問題1)摻鉺光纖的選擇；2)泵浦波長的選擇及泵浦功率的有效利用。采用了正向泵浦結構。由于以均勻展寬為主的介質(zhì)，小信號增益譜近似可以由ASE譜線來描述。因此，本發(fā)明在下面結構參數(shù)優(yōu)化過程中將通過觀察ASE譜線的變化來選定優(yōu)化參數(shù)。采用同樣的EDF用于上述兩種結構(參見圖1、2)的EDFA，泵浦總功率為90毫瓦的980nm泵浦。取其中兩種摻鉺光纖數(shù)據(jù)參數(shù)進行比較，具體參數(shù)詳見表1。
表1圖1、2中EDF長度及相應的泵浦光功率第一段鉺光纖長 第二段鉺光纖長 第三段鉺光纖長度及相應的泵浦 度及相應的泵浦 度及相應的泵浦光(980nm)功率 光(980nm)功率 光(980nm)功率圖140米/90毫瓦 5米/0毫瓦 0優(yōu)化前圖230米/60毫瓦 5米/0毫瓦 10米/30毫瓦圖180米/90毫瓦 5m/0毫瓦0優(yōu)化后圖280米/70毫瓦 5m/0毫瓦5米/20毫瓦
權利要求
1.一種低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器，其特征在于輸入端(1)的信號光經(jīng)過光隔離器(2)到達波分復用器(10)；泵浦(5)輸出的泵浦光經(jīng)過泵浦耦合器(11)分成兩束后的光按比例分別進入波分復用器(10)和波分復用器(4)；匯合后的光從波分復用器(10)的輸出端出來后依次進入摻鉺光纖EDF III(12)，光隔離器(9)，摻鉺光纖EDF II(3)到達波分復用器(4)；匯合后的光從波分復用器(4)的輸出端出來后進入摻鉺光纖EDF I(6)到達光隔離器(7)，最后到達輸出端(8)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器，其特征在于所說的摻鉺光纖EDF III(12)產(chǎn)生的前向放大的自發(fā)輻射和摻鉺光纖EDF I(6)產(chǎn)生的后向放大的自發(fā)輻射作為二級泵浦源，去泵浦摻鉺光纖EDF II(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器。低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器的輸入端的信號光經(jīng)過第一光隔離器到達一波分復用器；泵浦輸出的泵浦光經(jīng)過泵浦耦合器分成兩束后的光按比例分別進入一波分復用器和另一波分復用器；匯合后的光從一波分復用器的輸出端出來后依次進入摻鉺光纖EDF III，第二光隔離器，摻鉺光纖EDF II到達另一波分復用器；匯合后的光從另一波分復用器的輸出端出來后進入摻鉺光纖EDF I到達第三光隔離器，最后到達輸出端。本發(fā)明可以讓長波段摻鉺光纖放大器同時具有高增益、低噪聲且增益譜平坦的特性。當輸入信號光功率為－20dBm，在1570nm～1605nm波長范圍內(nèi)使增益偏差小于1dB，且增益值高達34dB，噪聲指數(shù)小于3.5dB。
文檔編號G02F1/35GK1410824SQ0214513
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月5日 優(yōu)先權日2002年11月5日
發(fā)明者強則煊, 何賽靈 申請人:浙江大學