專(zhuān)利名稱(chēng)：光參量放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用非線性光效應(yīng)而參量放大信號(hào)光的光參量放大器。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于高增益和寬帶參量放大的設(shè)計(jì)技術(shù)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，對(duì)具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)信號(hào)光進(jìn)行復(fù)用以通過(guò)一條光纖進(jìn)行傳輸?shù)墓獠ǚ謴?fù)用(WDM)傳輸系統(tǒng)，正投入實(shí)際應(yīng)用。另一方面，近年來(lái)，因諸如增加波長(zhǎng)數(shù)而引起的功耗增加的問(wèn)題，而導(dǎo)致對(duì)增大每波長(zhǎng)的比特率并通過(guò)分時(shí)來(lái)復(fù)用信號(hào)光的光時(shí)分復(fù)用(OTDM)傳輸系統(tǒng)的關(guān)注。
在OTDM傳輸系統(tǒng)中，因?yàn)楸忍芈矢?，所以?duì)不能和在光狀態(tài)下同樣地電處理的高速信號(hào)光的通斷切換進(jìn)行控制的光開(kāi)關(guān)，和用于測(cè)量光脈沖的光采樣系統(tǒng)，成為了關(guān)鍵的基本組件技術(shù)。
近年來(lái)，與過(guò)去相比，已經(jīng)改進(jìn)了光纖的非線性度，并且提出了正面利用光纖的非線性光效應(yīng)的超高速光開(kāi)關(guān)和光采樣技術(shù)的應(yīng)用。上述非線性光效應(yīng)是指這樣的現(xiàn)象，即，其中，例如，當(dāng)具有相對(duì)高功率的光透過(guò)玻璃時(shí)，玻璃的物理屬性隨光功率而改變，并且光響應(yīng)失去線性。
在非線性特別高的高度非線性光纖中發(fā)生的參量放大，是以極高速度發(fā)生的物理光現(xiàn)象。因此，響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于其中介質(zhì)的折射率隨熱光效應(yīng)和電光效應(yīng)而改變的現(xiàn)象的響應(yīng)速度，從而可以無(wú)延遲地對(duì)OTDM中使用的高速光脈沖進(jìn)行響應(yīng)。這樣，光參量放大技術(shù)被認(rèn)為是具有高速響應(yīng)特性的光放大原理，其是構(gòu)成未來(lái)超高速網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。
對(duì)于其中使用了如上所述的參量放大的常規(guī)光放大器，例如，在日本特開(kāi)No.2002-50861中提出了一種寬帶非線性偏光放大器，其中使用了級(jí)聯(lián)拉曼(Raman)放大和光纖中的參量放大的組合或者級(jí)聯(lián)拉曼放大和四波混合(four wave mixing)的組合。在這種常規(guī)技術(shù)中，用于級(jí)聯(lián)拉曼放大的一個(gè)中間順序被設(shè)置成接近于放大光纖的零色散波長(zhǎng)，并且寬帶光放大通過(guò)利用這樣的事實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，對(duì)于波長(zhǎng)長(zhǎng)于零色散波長(zhǎng)的情況，通過(guò)參量放大來(lái)進(jìn)行相位匹配，而對(duì)于波長(zhǎng)短于零色散波長(zhǎng)的情況，通過(guò)四波混合來(lái)進(jìn)行相位匹配。
此外，對(duì)于其中利用了光纖的非線性光效應(yīng)的另一種常規(guī)技術(shù)，例如，在日本特開(kāi)No.2000-180807中也提出了一種系統(tǒng)，其通過(guò)把信號(hào)光以及波長(zhǎng)與多個(gè)不同零色散波長(zhǎng)中的一個(gè)波長(zhǎng)相同的泵浦光注入到各具有不同零色散波長(zhǎng)并且串聯(lián)連接的多個(gè)色散偏移光纖中，而進(jìn)行四波混合，來(lái)執(zhí)行信號(hào)光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
另外，根據(jù)上述常規(guī)光放大器通過(guò)組合級(jí)聯(lián)拉曼放大和參量放大或四波混合來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶的事實(shí)，應(yīng)當(dāng)清楚，對(duì)于參量放大信號(hào)光的光參量放大器，存在的問(wèn)題是，在單獨(dú)利用參量放大來(lái)放大信號(hào)光的情況下，難以實(shí)現(xiàn)所希望的帶寬和增益。
下面，對(duì)光參量放大器的基本工作原理進(jìn)行描述。
在典型的光參量放大器中，例如，如圖7中的上部所示，將從信號(hào)光源101注入的具有波長(zhǎng)λS的信號(hào)光脈沖S和從泵浦(pump)光源102注入的具有波長(zhǎng)λP的泵浦光脈沖P，經(jīng)由偏光控制器103和104以及耦合器105施加給非線性光纖106，并且使通過(guò)非線性光纖106的光通過(guò)光帶通濾波器107，接著，向外部輸出所得的參量放大后的信號(hào)光S。如圖7中的下部所示，泵浦光波長(zhǎng)λP被設(shè)置為與非線性光纖106的零色散波長(zhǎng)λ0一致(λP＝λ0)。在該圖中，Δλ表示信號(hào)光波長(zhǎng)λS與泵浦光波長(zhǎng)λP之間的距離(分離量)。在具有這種構(gòu)造的光參量放大器中，可以給出下列項(xiàng)，作為控制參量增益生成的因數(shù)。
(i)源于四波混合的因數(shù)(ii)源于信號(hào)光S與泵浦光P之間的偏散(walk-off)的因數(shù)因此，為了實(shí)現(xiàn)參量增益寬帶、高參量增益，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮因數(shù)(i)和(ii)。
具體地說(shuō)，對(duì)于(i)中的因數(shù)，四波混合生成效率和相位匹配條件是重要的。典型地，四波混合效率ηc由下面的公式(1)表示。
ηc＝[[1-exp(-αz)]/α]2exp(-αz)[γPP]2(1)這里，α表示非線性光纖的吸收系數(shù)，γ表示非線性系數(shù)，而PP表示泵浦光脈沖P的光功率。根據(jù)上述公式(1)中的關(guān)系，為了確保所需的四波混合效率，必需抑制吸收系數(shù)α的影響，并增大泵浦光功率PP。
而且，當(dāng)滿(mǎn)足下面的公式(2)時(shí)，相位匹配條件Δβ得到滿(mǎn)足，公式(2)是利用信號(hào)光波長(zhǎng)λS、泵浦光波長(zhǎng)λP、非線性光纖106的零色散波長(zhǎng)λ0以及色散斜度dDc/dλ來(lái)表示的。
Δβ＝-2γPPΔβ=-2πcλ03λP3λS2dDCdλ(λP-λS)2(λP-λ0)---(2)]]>如前所述，在典型的光參量放大器中，進(jìn)行了其中非線性光纖的零色散波長(zhǎng)λ0和泵浦光波長(zhǎng)λP相一致的設(shè)計(jì)。然而，因?yàn)閷?shí)際使用的非線性光纖的零色散波長(zhǎng)λ0不能避免縱向上的波動(dòng)，所以難以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)λ0＝λP的狀態(tài)。如果在泵浦光波長(zhǎng)λP相對(duì)于零色散波長(zhǎng)λ0偏移的狀態(tài)下滿(mǎn)足上述公式(2)的相位匹配條件，則將在特定波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)最大參量增益。即，在λ0＝λP的理想狀態(tài)下的參量增益相對(duì)于寬范圍上的波長(zhǎng)成為恒定的，但是，由于泵浦光波長(zhǎng)λP相對(duì)于零色散波長(zhǎng)λ0的偏移，而導(dǎo)致實(shí)際獲得的參量增益的帶寬特性中出現(xiàn)峰值。該峰值的出現(xiàn)限制了光參量放大器的帶寬。此外，為了以高增益來(lái)放大希望的信號(hào)光，必需把零色散波長(zhǎng)λ0和泵浦光波長(zhǎng)λP設(shè)置成，使得參量增益的峰值波長(zhǎng)表現(xiàn)為接近于信號(hào)光波長(zhǎng)。然而，上述設(shè)計(jì)因零色散波長(zhǎng)λ0的前述波動(dòng)等而不易實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)色散斜度是零(dDc/dλ＝0)時(shí)，公式(2)的關(guān)系不能滿(mǎn)足，由此始終保持相位失配，導(dǎo)致增益減小。
考慮公式(1)和公式(2)之間的關(guān)系，為了在光參量放大器中實(shí)現(xiàn)高增益，例如，利用雙波長(zhǎng)泵浦光的雙波長(zhǎng)激發(fā)是有效的。然而，因?yàn)槔秒p波長(zhǎng)激發(fā)的光參量放大器照字面理解需要雙泵浦光源，所以問(wèn)題在于具有成本劣勢(shì)。
對(duì)于(ii)中的源于偏散的因數(shù)，利用非線性光纖的長(zhǎng)度L，根據(jù)下面的公式(3)獲得信號(hào)光S與泵浦光P之間的偏散(延遲量)Δτ。
Δτ=dDcdλ(λP-λS)2L---(3)]]>圖8例示了參量增益與在信號(hào)光S和泵浦光P之間的偏散Δτ之間的關(guān)系。該關(guān)系表明，當(dāng)偏散Δτ達(dá)到一定值時(shí)，參量增益達(dá)到最大值。在參量增益達(dá)到其最大值之前偏散Δτ比較低的區(qū)域中的增益減小，表示相位失配。另一方面，在參量增益達(dá)到其最大值之后的增益減小，是由信號(hào)光脈沖S與泵浦光脈沖P之間的偏散Δτ增大造成的。這樣，在參量放大中，信號(hào)光脈沖S與泵浦光脈沖P之間的偏散Δτ和相位匹配條件Δβ，是對(duì)增益影響極大的因數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將解決上述問(wèn)題，目的在于提供可以利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益和寬帶的光參量放大器。而且，一個(gè)目的是，提供可以按高參量增益來(lái)放大希望波長(zhǎng)的信號(hào)光的光參量放大器。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的光參量放大器的一個(gè)方面，是這樣一種光參量放大器，其包括被注入信號(hào)光的非線性放大部和向所述非線性放大部提供泵浦光的泵浦光提供部，該光參量放大器利用泵浦光造成的非線性光效應(yīng)，參量放大通[L1]過(guò)所述非線性放大部傳送的信號(hào)光，并輸出參量放大后的信號(hào)光，其中，所述非線性放大部是通過(guò)按多級(jí)連接多個(gè)非線性放大介質(zhì)來(lái)構(gòu)成的，所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)具有互不相同的零色散波長(zhǎng)和互不相同的色散斜度。在這樣的光參量放大器中，在所述多級(jí)非線性放大介質(zhì)中的每一級(jí)中獲得具有不同波長(zhǎng)特性的參量增益，并且在合計(jì)的參量增益的增益帶寬中參量放大信號(hào)光。
對(duì)于光參量放大器的所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)，優(yōu)選的是，它們的零色散波長(zhǎng)中的每一個(gè)與泵浦光的波長(zhǎng)相比都位于短波長(zhǎng)側(cè)，而相對(duì)位于信號(hào)光輸入側(cè)的非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)，與相對(duì)位于信號(hào)光輸出側(cè)的非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)相比位于長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)。而且，理想的是，相對(duì)位于信號(hào)光輸出側(cè)的非線性放大介質(zhì)的色散斜度陡于相對(duì)位于信號(hào)光輸入側(cè)的非線性放大介質(zhì)的色散斜度。而且，理想的是具有高非線性度，其中，可以有效獲得非線性光效應(yīng)的范圍窄于產(chǎn)生群速度色散的范圍。通過(guò)利用如上所述的多個(gè)非線性放大介質(zhì)，可以在泵浦光波長(zhǎng)附近的寬頻帶上獲得高參量增益。
根據(jù)本發(fā)明的光參量放大器的另一方面，是這樣一種光參量放大器，其包括被注入信號(hào)光的非線性放大介質(zhì)和向所述非線性放大介質(zhì)提供泵浦光的泵浦光提供部，該光參量放大器利用泵浦光造成的非線性光效應(yīng)，參量放大通過(guò)所述非線性放大介質(zhì)傳送的信號(hào)光，并輸出參量放大后的信號(hào)光，其中，所述非線性放大介質(zhì)具有不同于泵浦光波長(zhǎng)的零色散波長(zhǎng)，并且還具有被設(shè)置為使得參量增益的峰值波長(zhǎng)位于信號(hào)光的波長(zhǎng)附近的色散斜度。這種光參量放大器可以獲得與信號(hào)光的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的最高參量增益。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明的參量放大器，即使對(duì)于所述非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)與泵浦光波長(zhǎng)不一致的情況，通過(guò)最優(yōu)化所述多級(jí)非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)以及色散斜度，也可以實(shí)現(xiàn)參量放大的高增益和寬頻帶。而且，通過(guò)考慮到希望信號(hào)光波長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)所述非線性放大介質(zhì)的色散斜度，可以實(shí)現(xiàn)參量放大的高增益，而不造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
根據(jù)下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，將清楚本發(fā)明的其它目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的光參量放大器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的圖。
圖2是解釋第一實(shí)施例中的多級(jí)HNLF的零色散波長(zhǎng)與色散斜度之間的關(guān)系的圖。
圖3是示出非線性放大介質(zhì)的參量增益帶寬特性與色散斜度之間的關(guān)系的圖。
圖4是示意性地示出單根HNLF的參量增益的波長(zhǎng)特性的圖。
圖5是示出當(dāng)多級(jí)化兩根HNLF時(shí)的參量增益的波長(zhǎng)特性的示例的圖。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的光參量放大器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的圖。
圖7是示出典型的光參量放大器的結(jié)構(gòu)示例的圖。
圖8是示出參量增益與信號(hào)光相對(duì)于泵浦光的偏散之間的關(guān)系的示例的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖，對(duì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式進(jìn)行描述。貫穿所有附圖，相同標(biāo)號(hào)都表示相同或等同的部分。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的光參量放大器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的圖。
在圖1中，本實(shí)施例的光參量放大器例如包括信號(hào)光源1，其生成信號(hào)光S；泵浦光源2，其生成泵浦光P；偏光控制器3和4，用作偏光控制器件；耦合器5，其對(duì)信號(hào)光S和泵浦光P進(jìn)行耦合；n個(gè)偏光保持高度非線性光纖(下文中，稱(chēng)為HNLF)6-1、6-2，到6-n，用作非線性放大部；以及光帶通濾波器7，用作信號(hào)光提取部。
信號(hào)光源1例如根據(jù)OTDM系統(tǒng)生成具有高速比特率的信號(hào)光脈沖S，并且向偏光控制器3輸出信號(hào)光S。這里，示出了信號(hào)光源1設(shè)置在光參量放大器中的示例。然而，本發(fā)明不限于此，而可以是這樣的結(jié)構(gòu)，即，使得通過(guò)各種光通信系統(tǒng)的光傳輸路徑等的信號(hào)光被輸入至光參量放大器。
為其使用典型的連續(xù)光源或脈沖光源的泵浦光源2，生成具有波長(zhǎng)λP和光功率PP(該波長(zhǎng)λP和光功率PP是在考慮了信號(hào)光波長(zhǎng)和HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)的零色散波長(zhǎng)的情況下而預(yù)先設(shè)置的)的泵浦光P，并且將泵浦光P輸出至偏光控制器4。
偏光控制器3和4分別把來(lái)自信號(hào)光源1的信號(hào)光S和來(lái)自泵浦光源2的泵浦光P轉(zhuǎn)換成線偏振光，并且可變地控制每個(gè)偏振方向，使得信號(hào)光S和泵浦光P在HNLF 6-1的輸入部中具有相同的偏振。這里，將偏光控制器3和4設(shè)置得與信號(hào)光S和泵浦光P相對(duì)應(yīng)。然而，可以針對(duì)信號(hào)光S和泵浦光P中的任一個(gè)來(lái)設(shè)置一個(gè)偏光控制器，以控制相對(duì)偏振方向。
耦合器5對(duì)從偏光控制器3輸出的信號(hào)光S和從偏光控制器4輸出的泵浦光P進(jìn)行耦合，并且把所耦合后的光提供給HNLF 6-1。
HNLF 6-1到6-n串聯(lián)連接在耦合器5的輸出端子與光帶通濾波器7的輸入端子之間，而且，它們的零色散波長(zhǎng)和它們的色散斜度中的每一個(gè)都被設(shè)置成互不相同的值。HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)都比典型參量放大器中使用的非線性光纖具有更高的非線性度，并且非線性光效應(yīng)可以有效地獲得的范圍(非線性范圍)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生群速度色散的范圍(色散范圍)。使用這種HNLF作為非線性放大介質(zhì)，使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有短的長(zhǎng)度的非線性放大介質(zhì)。這里，示出了使用HNLF的示例。然而，適用于本發(fā)明的非線性放大介質(zhì)不限于這些，而是例如，可以使用非線性光學(xué)晶體等。如果可以選擇合適的零色散波長(zhǎng)和色散斜度，則介質(zhì)的形狀等就不是關(guān)鍵的。
下面，參照?qǐng)D2，詳細(xì)描述HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)的零色散波長(zhǎng)和色散斜度的相對(duì)關(guān)系。下面，將HNLF 6-1到6-n的零色散波長(zhǎng)指定為λ01到λ0n，將色散斜度指定為DS01到DS0n，而將光纖長(zhǎng)度指定為L(zhǎng)01到L0n。上述公式(2)中的色散斜度dDc/dλ對(duì)應(yīng)于色散斜度DS01到DS0n。
圖2的中部示出了HNLF 6-1到6-n的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0n與泵浦光波長(zhǎng)λP之間的相對(duì)關(guān)系，其中，水平軸是光纖長(zhǎng)度，而垂直軸是波長(zhǎng)。這樣，按使多級(jí)HNLF 6-1到6-n的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0n朝著HNLF中的較后級(jí)變短的方式進(jìn)行設(shè)置，以滿(mǎn)足相對(duì)關(guān)系λ01＞λ02＞…＞λ0n。第一級(jí)HNLF 6-1的零色散波長(zhǎng)λ01與泵浦光波長(zhǎng)λP相比位于較短波長(zhǎng)側(cè)(λP＞λ01)。
而且，圖2的下部示出了HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)的色散斜度DS01到DS0n之間的相對(duì)關(guān)系。這樣，按使多級(jí)HNLF 6-1到6-n的色散斜度DS01到DS0n朝著HNLF中的較后級(jí)變陡的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，以滿(mǎn)足相對(duì)關(guān)系DS01＜DS02＜…＜DS0n。
圖2示出了HNLF 6-1到6-n的相應(yīng)光纖長(zhǎng)度L01到L0n幾乎相同的示例。然而，本發(fā)明中的非線性放大介質(zhì)的長(zhǎng)度可以根據(jù)希望的參量增益帶寬特性而恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)節(jié)。
光帶通濾波器7具有與信號(hào)光波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的通帶。其從通過(guò)HNLF6-1到6-n中的每一個(gè)的光中提取信號(hào)光分量，并且在參量放大之后向外部輸出該信號(hào)光分量，作為信號(hào)光S。
接下來(lái)，對(duì)第一實(shí)施例的操作進(jìn)行描述。
在具有上述構(gòu)造的光參量放大器中，經(jīng)由偏光控制器3和4以及耦合器5在相同偏振狀態(tài)下耦合來(lái)自信號(hào)光源1的信號(hào)光S和來(lái)自泵浦光源2的泵浦光P，并且將耦合后的信號(hào)光S和泵浦光P發(fā)送至HNLF 6-1的輸入端子。向多級(jí)HNLF 6-1到6-n順序傳輸提供至HNLF 6-1的信號(hào)光S和泵浦光P，并且利用泵浦光P在HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)中造成的非線性光效應(yīng)，參量放大信號(hào)光S。
這時(shí)，因?yàn)榘词苟嗉?jí)HNLF 6-1到6-n的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0n朝著HNLF中的較后級(jí)變短和色散斜度DS01到DS0n朝著HNLF中的較后級(jí)變陡的方式進(jìn)行設(shè)置，所以HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)的參量增益的峰值波長(zhǎng)順序地偏向泵浦光的波長(zhǎng)側(cè)(長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè))。因此，在多級(jí)HNLF 6-1到6-n的全部上獲得的參量增益是寬頻帶上的高增益。
具體地說(shuō)，如上所述，如果在參量放大中的非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)λ0與泵浦光波長(zhǎng)λP之間出現(xiàn)偏移，則在參量增益的波長(zhǎng)特性中出現(xiàn)峰值。在前述公式(2)中示出的相位匹配條件Δβ中，對(duì)于2γPP的值恒定的情況，如果零色散波長(zhǎng)λ0相對(duì)于泵浦光波長(zhǎng)λP的偏移變大，增大了值(λP-λ0)，則通過(guò)減小(λP-λS)來(lái)補(bǔ)償增加的值，就可滿(mǎn)足相位匹配條件。即，通過(guò)增大零色散波長(zhǎng)λ0的偏移而可以獲得峰值增益的信號(hào)光波長(zhǎng)λS朝著長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)偏移，并且趨近泵浦光波長(zhǎng)λP。因此，在本光參量放大器中，關(guān)注前述零色散波長(zhǎng)λ0相對(duì)于泵浦光波長(zhǎng)λP的偏移與參量增益的峰值波長(zhǎng)之間的關(guān)系，并且按使HNLF 6-1到6-n的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0n朝著HNLF中的較后級(jí)與泵浦光波長(zhǎng)λP分離并且朝著短波長(zhǎng)側(cè)偏移的方式進(jìn)行設(shè)置。結(jié)果，HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)的參量增益的峰值波長(zhǎng)，越靠HNLF的較后級(jí)，越趨近泵浦光波長(zhǎng)λP。
而且，因?yàn)閰⒘吭鲆娴姆逯挡ㄩL(zhǎng)還取決于色散斜度，所以本光參量放大器正面利用這種特性，以實(shí)現(xiàn)參量增益寬帶和高參量增益。圖3示出了非線性放大介質(zhì)的參量增益帶寬特性(具體地說(shuō)，參量增益相對(duì)于信號(hào)光波長(zhǎng)λS和泵浦光波長(zhǎng)λP的分離量Δλ的特性)與色散斜度之間的關(guān)系。這樣，通過(guò)增大斜度，參量增益帶寬特性的峰值波長(zhǎng)朝著長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)偏移，趨近泵浦光波長(zhǎng)λP。這種特性對(duì)應(yīng)于這樣的事實(shí)，即，在前述公式(2)中示出的相位匹配條件Δβ中，針對(duì)2γPP的值恒定的情況，通過(guò)減小(λP-λS)來(lái)補(bǔ)償色散斜度dDc/dλ的增大，從而滿(mǎn)足相位匹配條件。因此，在本光參量放大器中，按使HNLF 6-1到6-n的色散斜度DS01到DS0n朝著HNLF中的較后級(jí)變陡的方式進(jìn)行設(shè)置。結(jié)果，HNLF 6-1到6-n中的每一個(gè)的參量增益的峰值波長(zhǎng)，越靠HNLF中的較后級(jí)，越趨近泵浦光波長(zhǎng)λP。
圖4是示意性地示出多級(jí)HNLF 6-1到6-n中的一個(gè)HNLF的波長(zhǎng)與參量增益之間的關(guān)系的圖。根據(jù)泵浦光波長(zhǎng)λP、零色散波長(zhǎng)λ0以及信號(hào)光波長(zhǎng)λS的相對(duì)位置來(lái)確定單根HNLF的參量增益的增大特性。如圖4所示，在接近泵浦光波長(zhǎng)λP的波長(zhǎng)區(qū)中，參量增益G與光纖長(zhǎng)度L的平方成比例(G∝(gL)2)，而在遠(yuǎn)離泵浦光波長(zhǎng)λP并且其中完全滿(mǎn)足相位匹配條件的波長(zhǎng)區(qū)中，參量增益G按光纖長(zhǎng)度L的指數(shù)函數(shù)增大(G∝exp(gL))。本光參量放大器旨在通過(guò)利用相對(duì)于波長(zhǎng)的參量增益增大的差別來(lái)產(chǎn)生參量增益的高增益。
圖5示出了當(dāng)多級(jí)連接零色散波長(zhǎng)和色散斜度互不相同的兩個(gè)HNLF時(shí)獲得的參量增益的波長(zhǎng)特性的示例。因單根HNLF而造成的參量增益G1對(duì)應(yīng)于較前級(jí)側(cè)的HNLF，其中，零色散波長(zhǎng)接近于泵浦光波長(zhǎng)λP。因單根HNLF而造成的參量增益G2對(duì)應(yīng)于較后級(jí)側(cè)的HNLF，其中，零色散波長(zhǎng)與泵浦光波長(zhǎng)λP分離。而且，在多級(jí)后獲得的參量增益是增益G1和G2的總和，并且實(shí)現(xiàn)了與針對(duì)單根HNLF的相比更平坦的波長(zhǎng)特性。在本光參量放大器中，如上所述，多級(jí)化n個(gè)HNLF，由此可以在泵浦光波長(zhǎng)λP附近的寬頻帶上獲得高參量增益。
通過(guò)最優(yōu)化上面的多級(jí)HNLF 6-1到6-n中的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0n和色散斜度DS01到DS0n，從而在本光參量放大器中，朝著HNLF 6-1到6-n中的較后級(jí)側(cè)優(yōu)化相位匹配條件，而抑制了因較前級(jí)側(cè)的非線性效應(yīng)造成功率快速增大所導(dǎo)致的信號(hào)光脈沖的劣化，由此使得朝著較后級(jí)能夠獲得高增益。
另外，在本光參量放大器中，使用HNLF作為非線性放大介質(zhì)，旨在縮短光纖長(zhǎng)度。結(jié)果，抑制了如前述公式(3)所示的信號(hào)光S與泵浦光P之間的偏散Δτ，并且還抑制了來(lái)自HNLF的群速度色散(GVD)的影響，由此使得能夠?qū)崿F(xiàn)光參量放大器的更高增益。
如上所述，根據(jù)第一實(shí)施例的光參量放大器，使用HNLF 6-1到6-n作為非線性放大介質(zhì)，將它們串聯(lián)連接以進(jìn)行多級(jí)化，并且最優(yōu)化了HNLF 6-1到6-n的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0n和色散斜度DS01到DS0n的設(shè)置。結(jié)果，即便利用其中使用一個(gè)泵浦光源2的簡(jiǎn)單構(gòu)造，也可以實(shí)現(xiàn)高增益和寬帶參量放大。
接下來(lái)，對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施例進(jìn)行描述。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的光參量放大器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的圖。
在圖6中，本實(shí)施例的光參量放大器包括n級(jí)HNLF 6-1到6-n，其中，串聯(lián)連接圖1中示出的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中的n個(gè)HNLF 6-1到6-n中的m個(gè)(1＜m＜n)HNLF 6-1到6-m，串聯(lián)連接n-m個(gè)HNLF 6-m+1到6-n，并且通過(guò)耦合器8和耦合器9并聯(lián)連接HNLF 6-1到6-m和HNLF6-m+1到6-n。類(lèi)似于第一實(shí)施例的情況，按使HNLF 6-1到6-m和HNLF6-m+1到6-n的零色散波長(zhǎng)λ01到λ0m和λ0m+1到λ0n朝著HNLF中的較后級(jí)變短的方式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，從而具有λ01＞λ02＞…＞λ0m和λ0m+1＞λ0m+2＞…＞λ0n的相對(duì)關(guān)系。而且，類(lèi)似于第一實(shí)施例的情況，按還使HNLF 6-1到6-m和HNLF 6-m+1到6-n的色散斜度DS01到DS0m和DS0m+1到DS0n朝著HNLF中的較后級(jí)變陡的方式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，從而具有DS01＜DS02＜…＜DS0m和DS0m+1＜DS0m+2＜…＜DS0n的相對(duì)關(guān)系。
此外，本光參量放大器在HNLF 6-m與耦合器9之間具有延遲增加裝置10。該延遲增加裝置10調(diào)節(jié)通過(guò)HNLF 6-1到6-m傳送的信號(hào)光S與通過(guò)6-m+1到6-n傳送的信號(hào)光S之間出現(xiàn)的時(shí)間差。
在具有上述構(gòu)造的光參量放大器中，經(jīng)由偏光控制器3和4以及耦合器5，在相同偏振狀態(tài)下對(duì)來(lái)自信號(hào)光源1的信號(hào)光S和來(lái)自泵浦光源2的泵浦光P進(jìn)行耦合。而且，通過(guò)分路裝置8將耦合后的光分路成兩路，將一個(gè)分路光傳向HNLF 6-1，而將另一分路光傳向HNLF 6-m+1。通過(guò)串聯(lián)連接的HNLF 6-1到6-m順序地傳輸提供至HNLF 6-1的信號(hào)光S和泵浦光P，并且根據(jù)與第一實(shí)施例的情況相同的工作原理，利用泵浦光P在HNLF 6-1到6-m中造成的非線性光效應(yīng)而參量放大信號(hào)光S。類(lèi)似地，通過(guò)串聯(lián)連接的HNLF 6-m+1到6-n順序地傳輸提供至HNLF 6-m+1的信號(hào)光S和泵浦光P，并且對(duì)它們進(jìn)行參量放大。此外，通過(guò)延遲增加裝置10向在HNLF 6-1到6-m中參量放大的信號(hào)光S增加所需的延時(shí)，該延時(shí)修正針對(duì)在HNLF 6-m+1到6-n中參量放大的信號(hào)光S的時(shí)間差。接著，通過(guò)耦合器9耦合從延遲增加裝置10和HNLF 6-n輸出的光，將耦合后的光提供至光帶通濾波器7，從而提取耦合后的光中包含的信號(hào)光分量。結(jié)果，從光帶通濾波器7向外部輸出參量放大后的信號(hào)光S。
如上所述，利用第二實(shí)施例的光參量放大器，也可以獲得與第一實(shí)施例中的情況相同的效果。
在第一和第二實(shí)施例中，示出了這樣的結(jié)構(gòu)示例，其中，使用了多級(jí)HNLF來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和寬帶的光參量放大器。然而，在其中例如如圖7所示地使用單根非線性光纖的光參量放大器中，通過(guò)施加如圖3中所示的參量增益的峰值波長(zhǎng)的色散斜度依賴(lài)性，并且考慮希望的信號(hào)光波長(zhǎng)來(lái)設(shè)置非線性光纖的色散斜度，可以把參量增益的峰值波長(zhǎng)設(shè)置在信號(hào)光波長(zhǎng)的附近。因此，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)其中使用了單根非線性光纖的光參量放大器的色散斜度，也可以實(shí)現(xiàn)高增益，而無(wú)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
權(quán)利要求
1.一種光參量放大器，其包括被注入信號(hào)光的非線性放大部和向所述非線性放大部提供泵浦光的泵浦光提供部，該光參量放大器利用泵浦光造成的非線性光效應(yīng)，參量放大通過(guò)所述非線性放大部傳送的信號(hào)光，并輸出參量放大后的信號(hào)光，其中所述非線性放大部是通過(guò)按多級(jí)連接多個(gè)非線性放大介質(zhì)來(lái)構(gòu)成的，所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)具有互不相同的零色散波長(zhǎng)和互不相同的色散斜度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其中對(duì)于所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)，它們的零色散波長(zhǎng)中的每一個(gè)與泵浦光的波長(zhǎng)相比都位于短波長(zhǎng)側(cè)，而相對(duì)位于信號(hào)光輸入側(cè)的非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)，與相對(duì)位于信號(hào)光輸出側(cè)的非線性放大介質(zhì)的零色散波長(zhǎng)相比，位于長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其中對(duì)于所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)，相對(duì)位于信號(hào)光輸出側(cè)的非線性放大介質(zhì)的色散斜度陡于相對(duì)位于信號(hào)光輸入側(cè)的非線性放大介質(zhì)的色散斜度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其中所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)具有高非線性度，其中，可以有效獲得非線性光效應(yīng)的范圍窄于產(chǎn)生群速度色散的范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光參量放大器，其中所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)使用偏光保持高度非線性光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其中所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)被串聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其中所述多個(gè)非線性放大介質(zhì)被并聯(lián)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其中所述泵浦光提供部包括泵浦光源，其生成泵浦光；偏光控制器件，其控制信號(hào)光的偏振狀態(tài)和從所述泵浦光源輸出的泵浦光的偏振狀態(tài)中的至少一個(gè)，使得信號(hào)光和泵浦光在所述非線性放大部的信號(hào)光輸入端的偏振方向變得相同；以及耦合器，其對(duì)通過(guò)所述偏光控制器件控制其偏振狀態(tài)的信號(hào)光和泵浦光進(jìn)行耦合，并且將耦合后的信號(hào)光和泵浦光提供給所述非線性放大部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光參量放大器，其包括信號(hào)光提取部，該信號(hào)光提取部從已通過(guò)所述非線性放大部的光中提取信號(hào)光分量。
10.一種光參量放大器，其包括被注入信號(hào)光的非線性放大介質(zhì)和向所述非線性放大介質(zhì)提供泵浦光的泵浦光提供部，該光參量放大器利用泵浦光造成的非線性光效應(yīng)，參量放大通過(guò)所述非線性放大介質(zhì)傳送的信號(hào)光，并輸出參量放大后的信號(hào)光，其中所述非線性放大介質(zhì)具有不同于泵浦光波長(zhǎng)的零色散波長(zhǎng)，并且還具有被設(shè)置為使得參量增益的峰值波長(zhǎng)位于信號(hào)光波長(zhǎng)附近的色散斜度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光參量放大器，其中所述非線性放大介質(zhì)具有高非線性度，其中，可以有效獲得非線性光效應(yīng)的范圍窄于產(chǎn)生群速度色散的范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光參量放大器，其中所述非線性放大介質(zhì)使用偏光保持高度非線性光纖。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光參量放大器，其中所述泵浦光提供部包括泵浦光源，其生成泵浦光；偏光控制器件，其控制信號(hào)光的偏振狀態(tài)和從所述泵浦光源輸出的泵浦光的偏振狀態(tài)中的至少一個(gè)，使得信號(hào)光和泵浦光在所述非線性放大介質(zhì)的信號(hào)光輸入端的偏振方向變得相同；以及耦合器，其對(duì)通過(guò)所述偏光控制器件控制其偏振狀態(tài)的信號(hào)光和泵浦光進(jìn)行耦合，并且將耦合后的信號(hào)光和泵浦光提供給所述非線性放大介質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光參量放大器，其包括信號(hào)光提取部，該信號(hào)光提取部從已通過(guò)所述非線性放大介質(zhì)的光中提取信號(hào)光分量。
全文摘要
本發(fā)明的光參量放大器，包括經(jīng)由耦合器向其注入信號(hào)光和泵浦光的非線性放大部。所述非線性放大部通過(guò)按多級(jí)連接多個(gè)具有互不相同的零色散波長(zhǎng)和互不相同的色散斜度的偏光保持高度非線性光纖來(lái)構(gòu)成。所述偏光保持高度非線性光纖的零色散波長(zhǎng)與泵浦光波長(zhǎng)相比位于短波長(zhǎng)側(cè)，并且朝著所述偏光保持高度非線性光纖的輸出側(cè)變短。而且，按使所述偏光保持高度非線性光纖的色散斜度朝著所述偏光保持高度非線性光纖的輸出側(cè)變陡的方式對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)高增益和寬帶的光參量放大器。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101030692SQ20061010787
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月3日
發(fā)明者小野俊介, 渡邊茂樹(shù) 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社