单光栅高增益平坦l波段掺铒光纤放大器的制造方法
【专利摘要】单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，属于光通信【技术领域】。为了解决现有采用光纤环形镜结构的掺铒光纤放大器的增益强化幅度非均匀，增益平坦性差的问题。可调谐激光器发出L波段光经第一隔离器与第一泵浦源进入第一波分复用器，到第一铒光纤，第一铒光纤输出C波段放大自发辐射光，L波段光、C波段放大自发辐射光和第二泵浦源发出的光经第二波分复用器和光纤光栅注入第二铒光纤，实现L波段光放大；放大的L波段光及残余C波段放大辐射光到达第二隔离器；L波段信号光通过，残余C波段放大辐射光被第二隔离器端面反射回第二铒光纤，至光纤光栅后形成二次反射，再次激发第二铒光纤中的铒离子，实现L波段信号光的二次泵浦。它用于光通信与传感系统中。
【专利说明】单光栅高増益平坦L波段惨巧光纤放大器
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于光通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 渗巧光纤放大器是光通信与传感系统中的关键设备，其性能决定光信号的接收质 量。随着通信容量的不断增长，传统C波段已难W满足用户需求。将渗巧光纤放大器的增益 谱拓展至L波段，实现超宽带光信号传送，对于光纤通讯与传感系统的实际应用具有重要 价值。然而，相比与C波段，L波段位于巧光纤增益谱的末端，巧离子数目的反转度较低，且 伴随较高的放大自发福射噪声与损耗，导致L波段渗巧光纤放大器的输出增益效率降低， 性价比不高，制约了其在相关领域的广泛应用。因此，增益强化是L波段渗巧光纤放大器研 究的热点与焦点问题。
[0003] 研究表明，改善L波段渗巧光纤放大器的输出增益的关键是提高巧离子的累浦效 率。当前主要方法是；由光纤环形镜（或光纤光栅）与环形器构成双通结构渗巧光纤放大 器，通过二次（或多次）累浦光纤内部巧离子的放大自发福射，实现输出光谱的增益强化。 此类方法的缺点在于；1、由于插入损耗、回波损耗及禪合比误差的存在，光纤环形镜的反射 率无法达到最佳值（即100% )，累浦效率的改善程度受限；2、光纤环形镜多需要高双折射 率光纤、偏振控制器和光纤环形器等配合实现，上述器件价格昂贵，系统结构复杂，令方案 的实用性不高；3、光纤环形镜作用下的巧光纤输出增益谱，其增益强化幅度呈现非均匀特 性，增益平坦性能较差。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是为了解决现有采用光纤环形镜结构的渗巧光纤放大器的增 益强化幅度呈现非均匀特性，增益平坦性能较差的问题，本实用新型提供一种单光栅高增 益平坦L波段渗巧光纤放大器。
[0005] 本实用新型的单光栅高增益平坦L波段渗巧光纤放大器，可调谐激光器、第一累 浦源、第二累浦源、第一隔离器、第二隔离器、第一巧光纤、第二巧光纤、第一波分复用器、第 二波分复用器、光纤光栅、光纤光谱仪和光功率计；
[0006] 可调谐激光器发出的L波段信号光入射至第一隔离器，第一隔离器发出的L波段 信号光和第一累浦源发出的激光同时入射至第一波分复用器，第一波分复用器发出的光入 射至第一巧光纤，第一巧光纤同时发出C波段放大自发福射光和L波段信号；所述C波段放 大自发福射光、L波段信号和第二累浦源发出的激光同时入射至第二波分复用器，所述第二 波分复用器发出的光入射至光纤光栅，光纤光栅发出的光入射至第二巧光纤，经第二巧光 纤后发出C波段放大自发福射光和累浦的L波段信号光，所述C波段放大自发福射光和放 大的L波段信号光同时入射至第二隔离器，所述L波段信号光透过第二隔离器后同时入射 至光纤光谱仪和光功率计；所述C波段放大自发福射光经第二隔离器反射后经第二巧光纤 入射至至光纤光栅，经光纤光栅反射后再次入射至第二巧光纤，实现L波段信号光的再次 累浦。
[0007] 光纤光栅与第二隔离器的后端面形成F-P腔结构。
[000引可调谐激光器输出波长为1570nm-1610nm，其输出功率为-20地m ;
[0009] 所述第一累浦源为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为 30mW ；
[0010] 所述第一巧光纤的长度为11米，工作区域为C波段，实现C波段放大自发福射；
[OCm] 所述第二累浦源为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为 70加；
[0012] 所述光纤光栅的周期均匀，其中屯、波长为1529. 4nm，其带宽为Inm，其反射率为 99% ；
[0013] 所述第二巧光纤的长度为40米，工作区域为C波段，实现L波段信号光放大。
[0014] 所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。
[0015] 本实用新型的有益效果在于，设计了一种基于单光纤光栅的双累浦级联渗巧光纤 放大器，它可在提高L波段输出增益的同时有效改善增益谱的平坦度，并具有结构简单，成 本低廉的优点。本实用新型的特点在于；1、采用双累浦级联巧光纤工作方式，利用C波段高 输出增益特性提高L波段渗巧光纤放大器的累浦转换效率；2、利用高反射率光纤光栅6反 射光纤内残余的巧离子放大自发福射，形成二次累浦，提高L波段渗巧光纤放大器的累浦 转换效率；3、基于增益猜制效应，利用光纤光栅6与光纤隔离器构成弱谐振腔，实现L波段 增益谱的非均匀衰减，压缩放大器输出增益的不平坦度。
[0016] 经测试，上述二次累浦过程使得1570nm-16 lOnm范围内信号光的平均增益从Gm。= 25. 2地提高至Gmi= 28. 9地；且在1600nm-1610皿波段的增益强化效果较明显，增益改善达 5. 4地。依据公式GI = "'1 尸-…。(1)，光放大器的平均增益改善为9. 47%。由于光纤光栅6 的中屯、波长远离L波段，注入信号光在所形成的F-P腔内形成弱谐振。基于增益猜制效应， 1570nm-1585皿处的信号光增益被不同程度地衰减了 0-2. 7地，1585nm-1610皿处的信号光 增益则基本无影响，该使得整个输出信号光的增益谱平坦性得到显著改善。此结构下光放 大器输出增益谱的不平坦度被限制在±0.4地W内。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型的单光栅高增益平坦L波段渗巧光纤放大器的原理示意图。
[0018] 图2为单光纤光栅级联结构信号光增益的曲线示意图。
[0019] 图3为无光纤光栅级联结构信号光增益的曲线示意图。
[0020] 图4为非级联放大结构信号光增益的曲线示意图。
[0021] 图5为单光纤光栅级联结构、无光纤光栅级联结构和非级联放大结构的增益与增 益平坦性能比较的曲线示意图。
【具体实施方式】
[0022] 结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的单光栅高增益平坦L波段渗 巧光纤放大器，所述渗巧光纤放大器包括可调谐激光器1、第一累浦源9和第二累浦源10、 第一隔离器2和第二隔离器8、第一巧光纤4和第二巧光纤7、第一波分复用器3和第二波 分复用器5、光纤光栅6、光纤光谱仪11和光功率计12 ;
[0023] 其中，第一累浦源9、第一波分复用器3和第一巧光纤4形成第一级光放大，第二累 浦源10、第二波分复用器5、光纤光栅6和第二巧光纤7形成第二级光放大。所选隔离器为 C+L波段光隔离器，输出信号光的光谱特性和增益特性由光纤光谱仪11和光功率计12观察 得到。两个隔离器的工作区域均在C+L波段，第一隔离器2的功能在于防止累浦源、C波段 放大自发福射和L波段信号光反射进入可调谐激光器1，造成干扰；第二隔离器允许被放大 的L波段信号光和部分残留C波段放大自发福射单向通过，;剩余部分C波段放大自发福射 则被第二隔离器的后端面反射回第二巧光纤，并在光纤光栅与第二隔离器形成的F-P腔中 谐振。F-P腔中屯、工作波长位于1530皿波段，远离L波段，因此对于1570nm-1585皿波段光 谱产生弱增益猜制效应，非均匀衰减对应L波段信号光的增益，改善输出增益谱的平坦性。
[0024] 由可调谐激光器1发出的L波段信号光，经第一隔离器2后与第一累浦源9发出 的光共同进入第一波分复用器3,到达第一巧光纤4,激发第一巧光纤4中的巧离子，使其产 生具有高输出增益的C波段放大自发福射光；进而，L波段信号光、C波段放大自发福射光 及第二累浦源10发出的光经第二波分复用器5和光纤光栅6共同注入到第二巧光纤7中， 激发第二巧光纤7中的巧离子，实现L波段注入信号光的受激放大。
[0025] 被放大的L波段信号光及残余的C波段放大福射光到达第二隔离器8, L波段信号 光通过，残余的C波段放大福射光则被隔离器端面反射回第二巧光纤7,到达光纤光栅6后 形成二次反射，再次激发第二巧光纤7中的巧离子，实现L波段信号光的二次累浦，提高累 浦增益效率。
[0026] 本实施方式，可调谐激光器发出的L波段信号光的波长位于1570nm-1610nm范围 内。
[0027] 所述光纤光谱仪11工作区域的波长范围为1200nm-1700nm，用于监测信号光输出 增益谱的平坦性。
[002引光功率计12工作区域的波长范围在0. lnW-500mW，用于监测累浦源及输出信号光 的功率与增益。
[0029] 本实施方式，首先确定信号光源、累浦源的特征参量及巧光纤的最优长度，具体方 式如下：
[0030] 选择可调谐激光器1作为信号光源，固定其输出波长为1570nm，输出功率 为-20地m，将其与第一隔离器2连接，并与第一波分复用器3输入端连接。选择具有尾纤结 构的980nm半导体激光器作为第一累浦源9,将其与第一波分复用器3输入端连接。第一波 分复用器3输出端与第一巧光纤4的一端相连接，第一巧光纤4的另一端作为输出端口与 光功率计12连接。选取第一巧光纤4长度10米，并令累浦源工作电流位于阔值W上，调节 工作电流，记录对应输出信号光的数值结果，确定峰值时的累浦源注入功率为103. 7mW。进 而，将第一巧光纤4的长度缩短至9米，观测到信号光输出值随之减小；将第一巧光纤4长 度增加至11米，观测到信号光输出值进一步增加；继续增加第一巧光纤4长度至12米，信 号光输出不再增加，确定第一巧光纤4最佳长度为11米。
[0031] 选取具有尾纤结构的980nm半导体激光器作为第二累浦源10,将第一巧光纤4输 出端、第二累浦源10分别与第二波分复用器5输入端相连接。第二累浦源10输出端与光 纤光栅6 -端相连接，光纤光栅6的另一端则与第二巧光纤7的一端连接。第二巧光纤7 另一端与第二隔离器8连接，第二隔离器8输出端与光功率计12相连。启动可调谐激光器 1，固定其输出波长为1570nm，输出功率为-20地m。令第一累浦源9和第二累浦源10的初 始功率均为50mW，第二巧光纤7初始长度为30米。调节第一、第二累浦源10的功率，记录 光功率计12的数值结果。确定峰值时所对应的第一累浦源9输出功率为30mW，第二累浦 源10输出功率为7〇mW。将第二巧光纤7的长度缩减至29米，观测到信号光输出值随之减 小；将第二巧光纤7长度增加至31米，观测到信号光输出值随之增加。W 3米为间隔，持续 增加第二巧光纤7长度，至40米时信号光输出值达到峰值。确定第二巧光纤7最佳长度为 40米，对应的第一累浦源9功率为30mW，第二累浦源10功率为70mW。
[0032] 本实施方式，在上述的级联结构中插入光纤光栅6,通过测试确定光纤光栅对应的 反射率与中屯、波长，具体方式如下；
[0033] 为实现信号光在第二巧光纤7内的二次累浦，将光纤光栅6置于第二波分复用器5 和第二巧光纤7之间，与第二隔离器8的后端面形成F-P腔结构。鉴于C波段的放大自发 福射在1530nm处于峰值，将光纤光栅6的中屯、波长确定在1530nm波段。进而，选取反射率 分别为99%、90%、80%、70%、60%的五支光纤光栅6进行实验测试。启动第一累浦源9， 令其输出功率为30mW ;启动第二累浦源10,令其输出功率为70mW ;启动可调谐激光器1，固 定其输出波长为1570nm，输出功率为-20地m。记录光功率计12的数值结果，确定光纤光栅 6的反射率R = 99%时信号光具有最大的输出增益。且经光纤光谱仪11实际测量，此光纤 光栅6的中屯、波长为A = 1529. 4皿。
[0034] 本实施方式的光纤光栅6为光纤布拉格光栅。
[0035] 本实施方式，测试比较=种级联结构的放大器的输出增益与光谱平坦度，具体方 式如下：
[0036] 对本实用新型采用单光纤光栅级联结构的放大器进行测试，固定第一巧光纤4长 度为11米，固定第二巧光纤7长度为40米，固定光纤光栅6的反射率R = 99%，中屯、波 长入= 1529. 4nm。启动第一累浦源9,输出功率为30mW;启动第二累浦源10,输出功率 为70mW ;固定可调谐激光器1的输出功率为-20地m，设定信号光的初始波长为1570nm， 记录光纤光谱仪11上对应的单光纤光栅级联结构信号光输出增益。旋转波长调谐旋钮， 每间隔4. Onm记录光纤光谱仪11上对应的单光纤光栅级联结构信号光输出增益，至信号 光波长为leiOnm结束。单光纤光栅级联结构信号光增益的数值结果如图2所示，最大 增益29. 3地，最小增益28. 5地，1570nm-1610皿带宽内的平均增益为28. 9地。依据公式
【权利要求】
1. 单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，可调谐激光器（1)、第一泵 浦源（9)、第二泵浦源（10)、第一隔离器（2)、第二隔离器（8)、第一铒光纤（4)、第二铒光纤 (7)、第一波分复用器（3)、第二波分复用器（5)、光纤光栅￠)、光纤光谱仪（11)和光功率计 (12)； 可调谐激光器（1)发出的L波段信号光入射至第一隔离器（2)，第一隔离器（2)发出的 L波段信号光和第一泵浦源（9)发出的激光同时入射至第一波分复用器（3)，第一波分复用 器（3)发出的光入射至第一铒光纤（4)，第一铒光纤（4)同时发出C波段放大自发辐射光和 L波段信号； 所述C波段放大自发辐射光、L波段信号和第二泵浦源（10)发出的激光同时入射至第 二波分复用器（5)，所述第二波分复用器（5)发出的光入射至光纤光栅（6)，光纤光栅（6) 发出的光入射至第二铒光纤（7)，经第二铒光纤（7)后发出C波段放大自发辐射光和泵浦 的L波段信号光，所述C波段放大自发辐射光和放大的L波段信号光同时入射至第二隔离 器（8)，所述L波段信号光通过第二隔离器（8)后同时入射至光纤光谱仪（11)和光功率计 (12)； 所述C波段放大自发辐射光经第二隔离器（8)反射后经第二铒光纤（7)入射至光纤光 栅（6)，经光纤光栅（6)反射后再次入射至第二铒光纤（7)，实现L波段信号光的再次泵浦。
2. 根据权利要求1所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，光纤 光栅（6)与第二隔离器（8)的后端面形成F-P腔结构。
3. 根据权利要求2所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于， 可调谐激光器（1)输出波长为1570nm-1610nm，其输出功率为-20dBm; 所述第一泵浦源（9)为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为 30mff ； 所述第一铒光纤（4)的长度为11米，工作区域为C波段，实现C波段放大自发辐射； 所述第二泵浦源（10)为具有尾纤结构的波长为980nm的半导体激光器，其输出功率为 70mff ； 所述光纤光栅（6)的周期均匀，其中心波长为1529. 4nm，其带宽为lnm，其反射率为 99% ； 所述第二铒光纤（7)的长度为40米，工作区域为C波段，实现L波段信号光放大。
4. 根据权利要求3所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，所述 光纤光栅（6)为光纤布拉格光栅。
5. 根据权利要求2所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，所述 光纤光谱仪（11)工作区域的波长范围为1200nm-1700nm，用于监测信号光输出增益谱的平 坦性。
6. 根据权利要求2所述的单光栅高增益平坦L波段掺铒光纤放大器，其特征在于，光功 率计（12)工作区域的波长范围在0. lnW-500mW，用于监测泵浦源及输出信号光的功率与增 益。
【文档编号】H01S3/067GK204205276SQ201420759467
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】杨九如, 柳春郁 申请人:黑龙江大学