專利名稱：應(yīng)用量子相干實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光放大技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用量子相干效應(yīng)實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法。
背景技術(shù)：
摻鉺光纖放大器(EDFA)已經(jīng)成為高速長距離光纖通信系統(tǒng)中不可分割的重要組成部分，在整個放大器帶寬內(nèi)采用密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)大幅度提高光纖系統(tǒng)的傳輸容量是目前光纖通信領(lǐng)域的最主要的研究方向之一。摻鉺光纖放大器增益譜的不平坦性是影響其在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用的主要制約因素。近年來，摻鉺光纖放大器增益譜平坦化技術(shù)的研究受到了廣泛的重視并提出了多種實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的技術(shù)方案。
現(xiàn)有的摻鉺光纖放大器的增益平坦化技術(shù)有采用輔助設(shè)備實現(xiàn)EDFA的增益均衡，這類方法有EDFA粒子數(shù)強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)法、濾波法、衰減法、光纖光柵均衡法；研究本身具有增益平坦的EDFA，這類方法有特種光纖放大器法、增益互補(bǔ)法。EDFA粒子數(shù)強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)法、衰減法、濾波法、光纖光柵均衡法都是針對EDFA對不同波長不平坦的增益特性而采取的均衡方法，往往以犧牲放大器的部分功率為代價來獲取增益的均衡，而增益互補(bǔ)法和特種光纖放大器則是讓整個放大器本身的增益平坦。所以，適用范圍大，具有較好的前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用量子干涉效應(yīng)實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法。
本專利涉及電磁感應(yīng)光透明技術(shù)和摻鉺光纖放大器平坦化的增益互補(bǔ)法，是屬于首次把量子相干效應(yīng)應(yīng)用到光放大技術(shù)中，從而實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益譜平坦化的一種新方法。
量子相干效應(yīng)的實質(zhì)是由一束或多束相干光的作用導(dǎo)致物質(zhì)本身的能級狀態(tài)發(fā)生改變，由此影響另一束光的吸收、色散、或非線性折射率的狀態(tài)。如，Hanle效應(yīng)、電磁感應(yīng)光透明、相干粒子數(shù)束縛、無吸收高折射率、及無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光放大等等。電磁感應(yīng)光透明，是通過一個外加強(qiáng)相干場將原子躍遷的其中一個能級與另一個能級耦合，從而改變原子躍遷的吸收線型，在雙光子共振點處出現(xiàn)吸收減少，甚至透明的一種技術(shù)。這一現(xiàn)象在非線性光學(xué)及光電子器件等方面有著潛在的應(yīng)用價值。
電磁感應(yīng)光透明就是利用原子相干控制原子對光的吸收和色散特性，一般來講它所控制的是原子對某一個探測場的吸收過程。1991年5月Harris等人發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁感應(yīng)光透明的實驗文章，將電磁感應(yīng)光透明的研究帶入了實驗階段，隨后這些年，理論和實驗方面有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。吉林大學(xué)高錦岳教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組1998年夏天在鈉蒸汽中首次觀察到了電磁感應(yīng)雙光子光透明現(xiàn)象；2000年的夏天，該研究小組與意大利比薩高等師范Bassani領(lǐng)導(dǎo)的科研小組合作，在銣蒸汽中詳細(xì)觀測了電磁感應(yīng)雙光子光透明現(xiàn)象；1997年，Yang Zhao等人首次在紅寶石中觀察到了電磁感應(yīng)光透明，實現(xiàn)在固體中的電磁感應(yīng)光透明，緊接著B.S.Ham領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在稀土晶體中也觀察到電磁感應(yīng)光透明的現(xiàn)象。本發(fā)明是利用量子相干效應(yīng)實現(xiàn)摻鉺光纖放大器的增益平坦化的一種新的技術(shù)。
本發(fā)明把量子相干和光放大的技術(shù)結(jié)合起來，從而實現(xiàn)放大器的增益平坦化。即用量子干涉的方法改變放大器的增益線形，讓信號光連續(xù)通過三個在不同的的相干泵浦和非相干泵浦控制下的放大器，通過增益互補(bǔ)法使其在更寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)增益平坦化。我們不但使放大器的增益平坦化，而且可根據(jù)實際工作中的需要通過調(diào)節(jié)相干泵浦和非相干泵浦的泵浦率和失諧來改變增益峰峰值的位置和高度。即利用本發(fā)明所述的方法，放大器輸出譜的平坦范圍和增益大小是可以調(diào)諧的。
本發(fā)明根據(jù)Er3+離子的能級結(jié)構(gòu)提出了一個全新的模型，把光放大和量子相干結(jié)合起來，并且把量子相干效應(yīng)的方法應(yīng)用到光通信中去，需要用到信號光光源、三段摻鉺光纖，三個非相干泵浦、三個相干泵浦、三個光耦合器。每段光纖在一個非相干泵浦和一個相干泵浦的作用下，成為一個增益線形不同的放大器，信號光依次通過三個放大器和三個光耦合器，每段光纖經(jīng)相干場及非相干場作用以后，能級結(jié)構(gòu)沒有變化，但輸出信號增益線形是很不相同的，從而實現(xiàn)輸出增益平坦化的目的。本發(fā)明所用的信號光源是波長在1500-1600nm范圍可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器，Er3+摻雜的氟化光纖(Er3+離子的摻雜濃度為0.5at.％的ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF即ZBLAN玻璃，其組成成分是57at.％ZrF4、35.5at.％BaF2、3at.％LaF3、4at.％AlF3、和0.5at.％ErF3，單位體積里的Er3+離子濃度是8.264*1025m-3)，也可為其他濃度的Er3+摻雜光纖，但三段光纖必須具有相同的摻雜與成份。所用的三個相干泵浦是泵浦波長為1693.77nm的半導(dǎo)體激光器，三個非相干泵浦是泵浦波長為976nm的半導(dǎo)體二極管，三個光耦合器是具有有四個光纖接口的星型光耦合器。利用增益互補(bǔ)法可以在更寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)放大器的增益平坦化，所需的光纖及半導(dǎo)體二極管及半導(dǎo)體激光器都可以購買得到。
如附圖1所示我們考慮的是一個封閉的四能級系統(tǒng)，其能級機(jī)制與Er3+離子摻雜的氟化玻璃(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF即ZBLAN玻璃)相關(guān)。
在這個系統(tǒng)中，能級4I13/2是一個亞穩(wěn)態(tài)，用一個非相干泵浦Λ把粒子從能級4I15/2泵浦能級4I11/2，然后從能級4I11/2通過非輻射躍遷快速地躍遷到4I13/2，所以能級4I13/2上可以聚集大量的粒子。在能級4I13/2和能級4I9/2加一個相干泵浦Ec，其Rabi頻率為Ωc，一個信號光Rabi頻率為Ωp加在能級4I15/2和能級4I13/2。Γ4是能級4I9/2的自發(fā)輻射馳豫速率，Γ3是能級4I11/2的自發(fā)輻射馳豫速率，Γ2是能級4I13/2的自發(fā)輻射馳豫速率。
當(dāng)非相干泵浦A＝0，很明顯這個系統(tǒng)是一個三能級的T模型的電磁感應(yīng)光透明的系統(tǒng)，由能級4I15/2、4I13/2、4I9/2組成。當(dāng)相干場的Rabi頻率Ωc＝0，這個系統(tǒng)是一個傳統(tǒng)的有反轉(zhuǎn)的光放大的系統(tǒng)，由能級4I15/2、4I13/2、4I11/2組成。非相干泵浦的作用是把離子數(shù)從能級4I15/2泵浦到能級4I11/2，通過一個從能級4I11/2快速的非輻射躍遷過程，在能級4I13/2上聚集大量離子數(shù)，再通過輻射躍遷可使信號光可以得到放大。相干泵浦的作用是不僅把離子數(shù)從能級4I13/2泵浦到能級4I9/2削弱信號光的放大，而且把能級4I13/2劈裂成兩個綴飾子能級，減少光纖對信號光的吸收。因此我們可以用相干泵浦來控制信號光的增益線形和調(diào)節(jié)信號光增益峰值的位置和大小。
如附圖2所示，各部分為信號光(1)，三段摻鉺光纖(5、5’、5”)，三個非相干泵浦(3、3’、3”)、三個相干泵浦(2、2’、2”)、三個光耦合器(4、4’、4”)。本發(fā)明所述的用量子相干效應(yīng)實現(xiàn)摻鉺光纖增益平坦化的方法是首先用第一個光耦合器(4)把信號光(1)、第一個相干泵浦(2)、以及第一個非相干泵浦(3)耦合進(jìn)入一段摻Er3+的氟化光纖(5)；其次再用第二個光耦合器(4’)把從第一段光纖出來的光、第二個相干泵浦(2’)、以及第二個非相干泵浦(3’)耦合起來進(jìn)入第二段摻Er3+的氟化光纖(5’)；最后用第三個光耦合器(4”)把從第二段光纖中出來的光、第三個相干泵浦(2”)、以及第三個非相干泵浦(3”)耦合起來，進(jìn)入第三段摻Er3+的氟化光纖(5”)。
我們可以根據(jù)放大性質(zhì)的要求調(diào)節(jié)相干場和非相干泵浦的強(qiáng)度改變信號光的平坦范圍和增益的大小。本發(fā)明所述方法中非相干泵浦的泵浦率可以在能級4I13/2的馳豫速率Γ2的8倍至12倍之間，但三個非相干泵浦的泵浦率相同；而第一個和第二個相干泵浦的Rabi頻率可以在10Γ2-30Γ2之間，再大些也可以，失諧在5Γ2-30Γ2之間，可根據(jù)放大的性質(zhì)而選取具體的值，而第三個相干泵浦的Rabi頻率可以在1.0Γ2-3Γ2之間，失諧為0。并且第一個相干泵浦(2)和第二個相干泵浦(2’)必須是Rabi頻率相等，失諧相反。
本發(fā)明擬致力于稀土晶體光放大器的增益平坦化。提出這種放大器增益平坦化在機(jī)理和結(jié)構(gòu)方面的實現(xiàn)條件，從而為其走向器件化和實用化提供了依據(jù)。此器件可以工作在1.5-2.0μm光譜范圍，可應(yīng)用于光通訊系統(tǒng)，是實現(xiàn)光放大器平坦化的一種比較有效的方法，并且具有增益大小和平坦范圍可調(diào)諧等優(yōu)良效果。


圖1本發(fā)明所述的Er3+摻雜光纖的能級結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明所述方法的工作原理圖；圖3相干泵浦Rabi頻率Ωc1＝Ωc2＝10.0Γ2、Ωc3＝1.92Γ2的放大器輸出譜圖；圖4相干泵浦Rabi頻率Ωc1＝Ωc2＝15.0Γ2、Ωc3＝1.5Γ2的放大器輸出譜圖。
最佳實施方式圖3中，我們所使用的三個非相干泵浦(即半導(dǎo)體二極管)(3、3’、3”)的泵浦率是相同的都為A＝10Γ2；但是三個相干泵浦光卻有不相同之處，它們的Rabi頻率是分別是的第一個相干泵浦(2)的Rabi頻率Ωc1＝10.0Γ2、失諧(即相干泵浦光頻率的變化)是5.0Γ2；第二個相干泵浦(2’)的Rabi頻率Ωc2＝10.0Γ2、失諧卻是-5.0Γ2；第三個相干泵浦(2”)的Rabi頻率Ωc3＝1.92Γ2、失諧是0。信號光單獨通過第一段光纖后，其增益線形特點是在信號光中心頻率附近和左側(cè)增益較小，而在信號光中心頻率的右側(cè)較大，如圖3中的曲線b所示。信號光單獨通過第二段光纖，其增益線形特點是在信號光中心頻率附近和右側(cè)增益較小，而在信號光中心頻率的左側(cè)較大，如圖3中的曲線c所示。信號光單獨通過第三段光纖，其增益線形特點是在信號光中心頻率附近增益較大，而在信號光中心頻率的兩側(cè)較小，如圖3中的曲線d所示。圖3中的曲線a所示的是平坦化技術(shù)之前的放大器的增益線形。當(dāng)我們讓信號光連續(xù)通過這三段光纖后，使用增益互補(bǔ)法使信號光通過三段光纖以后在更寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)了摻鉺光纖放大器的增益平坦化，如圖3中的曲線e所示，和曲線a比較起來，曲線e更為平坦，而且我們可以得到在20Γ2范圍內(nèi)的增益為0.06的平坦化的摻鉺的氟化光纖放大器。
圖4中，我們還可以根據(jù)放大性質(zhì)的要求調(diào)節(jié)相干場和非相干泵浦的強(qiáng)度改變信號光的平坦范圍和增益的大小。我們所使用的三個非相干泵浦(即半導(dǎo)體二極管)(3、3’、3”)的泵浦率是相同的都為A＝10Γ2；三個相干泵浦光分別為第一個相干泵浦(2)的Rabi頻率Ωc1＝15.0Γ2、失諧是15.0Γ2；第二個相干泵浦(2’)的Rabi頻率Ωc2＝15.0Γ2、失諧卻是-15.0Γ2；第三個相干泵浦(2”)的Rabi頻率Ωc3＝1.5Γ2、失諧是0。圖中曲線e所示的平坦化情況與圖3中是不一樣的，即增益的大小和平坦的范圍不同。
圖3及圖4中橫坐標(biāo)表示信號光頻率失諧，縱坐標(biāo)表示信號光增益系數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用量子相干實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法，其特征在于首先用第一個光耦合器(4)把信號光(1)、第一個相干泵浦(2)、以及第一個非相干泵浦(3)耦合進(jìn)入一段摻Er3+的光纖(5)；其次再用第二個光耦合器(4’)把從第一段光纖出來的光、第二個相干泵浦(2’)、以及第二個非相干泵浦(3’)耦合起來進(jìn)入第二段摻Er3+的光纖(5’)；最后用第三個光耦合器(4”)把從第二段光纖中出來的光、第三個相干泵浦(2”)；三段摻鉺光纖(5、5’、5”)是相同的，三個星型光耦合器(4、4’、4”)是相同的，三個非相干泵浦(3、3’、3”)的泵浦率相同，第一個相干泵浦(2)和第二相干泵浦(2’)的光強(qiáng)相同、失諧相反，第三個相干泵浦(2”)失諧為0。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用量子相干實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法，其特征在于三個非相干泵浦(3、3’、3”)的泵浦率為8Γ2-12Γ2，第一個和第二個相干泵浦的Rabi頻率在10Γ2-30Γ2之間，失諧在5Γ2-30Γ2之間，第三個相干泵浦的Rabi頻率在1.0Γ2-3Γ2之間，其中Γ2是Er3+能級4I13/2的自發(fā)輻射馳豫速率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的應(yīng)用量子相干實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法，其特征在于信號光是波長在1500-1600nm范圍可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器，三個相干泵浦是波長為1693.77nm的半導(dǎo)體激光器，三個非相干泵浦是波長為976nm的半導(dǎo)體二極管，三個光耦合器是具有四個光纖接口的星型耦合器，三段Er3+摻雜的光纖是Er3+離子的摻雜濃度為0.5at.％的ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF氟化光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用量子干涉效應(yīng)實現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法，具體說就是先用第一個光耦合器(4)把信號光(1)、第一個相干泵浦(2)、以及第一個非相干泵浦(3)耦合進(jìn)入一段摻Er
文檔編號G02F1/39GK1448772SQ0311144
公開日2003年10月15日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者高錦岳, 張惠芳 申請人:吉林大學(xué)