专利名称：基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤通信技术领域，是一种采用新型增益介质的喇曼光纤放大器。
背景技术：
喇曼光纤放大器主要包括泵浦源和增益介质，通常采用大功率LD(半导体激光二极管)作为泵浦源和采用单模光纤作为增益介质。
近几年来，随着大功率半导体激光器制造技术的成熟，喇曼光纤放大器开始商用。喇曼光纤放大器有许多优点，例如增益不限于任何特定波长区，能用于掺铒光纤放大器(EDFA)增益带宽范围之外的频带；利用多波长泵浦技术，可以得到宽的增益带宽(～100nm)，最重要的是，由于喇曼光纤放大器的增益介质可以是普通的单模光纤，因而特别适合作分布放大，从而显著改善信号的光信噪比(OSNR)。正是这一低噪声分布放大特性，使喇曼光纤放大器(RFA)在电信网的骨干网传输领域有了广阔的应用前景。
但这种传统的喇曼光纤放大器仍有不足之处采用普通单模光纤作增益介质，其增益系数只有1.2e-8(m/W)，因此光信号很难得到高增益放大，泵浦光信号和弱光信号在经过普通单模光纤时，为了获得一定的增益通常需要采用数百甚至数千米长的光纤，不利于器件的小型化还增加了产品成本，而为了实现信号的无损耗传输，则需要较高的泵浦功率(1W左右)，然而，高泵浦功率可能会对光传输系统造成硬件损伤，例如烧损接头、焊点、造成光纤的慢性损伤等，而且随着泵浦功率的增大，损伤出现的概率也将变高；传统的喇曼光纤放大器利用了分布放大，噪声系数极低的特点，但实现从分立式掺铒光纤放大器(discrete-EDFA)到分布式喇曼光纤放大器(distributed-RFA)的过渡，不仅成本高昂，技术复杂，难度更高，而且使系统鲁棒性下降，不易实现系统的平滑升级。
因此，亟需研发一种既能继承传统喇曼光纤放大器优点，又能实现高增益和分布式放大的喇曼光纤放大器，来取代传统的掺铒光纤放大器(EDFA)和喇曼光纤放大器(RFA)。
光子晶体(Photonic Crystal)的概念由E.Yablonovitch在研究抑制自发辐射时首次提出，光子晶体向人们展示了一种新的控制光子的机制，它完全不同于以往的利用全反射原理来引导光的传输。
光子晶体光纤(PCFphotonic crystal fiber)是基于光子晶体技术而研制的一种新型光纤，由纤芯和包层构成，包层采用石英，包层上规则地排列着空气孔，纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成，这个缺陷态可以是空气或者实心的石英。从光子晶体光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，并且在光纤的中心有缺陷态，光便可以沿着缺陷态在光纤中传输。
纤芯是实心石英缺陷态的光子晶体光纤，也称作折射率引导型光子晶体光纤(PCF)。在包层的空气孔尺度不是太大时，其光传输机制也是基于全反射，虽然和传统光纤的导光机制一样，但是却具有明显优于传统光纤的特性，从而给光通信技术的发展和应用带来新的生机和活力。
传统光纤的导光机制是通过全内反射来传输光，是通过在石英中掺杂不同的物质来控制包层和纤芯的折射率之差，从而实现光在光纤中的全内反射传输。而折射率引导型PCF的导光机制虽然也是基于全内反射效应，但包层空气孔区域的折射率由空气和石英的比例决定，可用有效折射率neff来表示，由于neff小于纤芯石英的折射率，所以会形成光在光纤中的全内反射传输。与普通光纤相比，折射率引导型PCF的包层和纤芯完全可以由一种物质构成，其纤芯和包层的折射率之差可以通过改变包层中空气孔来控制，包括空气孔的直径、空气孔的间距和空气孔的排列等，可使折射率之差很大，例如达到0.4。
结构上的差异使折射率引导型PCF和普通光纤相比有其自身的一些特点，可以通过改变其波导参数，如空气孔直径d和调制周期(两空气孔园心间的间距)Λ，以及空气孔的排列方式，实现对色散、传输模式和偏振的控制。通过增大d/Λ，减小纤芯的芯径，一方面可以提高对光的局限，减小光的泄漏损耗，另一方面可以增大纤芯截面上单位面积上的光功率密度，使得光在折射率引导型光子晶体光纤中传输时，易于产生各种非线性效应，如四波混频、受激喇曼散射、自相位调制、交叉相位调制等。
实用新型内容本实用新型通过分析当前喇曼光纤放大器的发展现状，以及折射率引导型光子晶体光纤的一些特殊性质，将折射率引导型光子晶体光纤应用到喇曼放大器上。
本实用新型的目的是提供一种基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器，通过将折射率引导型光子晶体光纤应用到喇曼光纤放大器上，来提高喇曼光纤放大器的性能，使之既能继承传统喇曼光纤放大器的优点又能实现高增益和分立式放大的放大器，使所需的增益介质从数百、数千米降至数十米，从而可以大大减小器件的体积。
实现本实用新型目的的技术方案是一种基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器，包括由半导体激光器构成的泵浦源和由光纤构成的增益介质，泵浦源连接增益介质，其特征在于所述的增益介质是折射率引导型光子晶体光纤。
所述的折射率引导型光子晶体光纤，包层空气孔的直径与空气孔间距之比为0.9。
所述的折射率引导型光子晶体光纤，包层与纤芯均采用石英，纤芯石英中掺杂有锗。
本实用新型通过与光耦合器、光滤波器、光隔离器、偏振控制器等部件的组合，可连接构成前向泵浦方式的喇曼光纤放大器、后向泵浦方式的喇曼光纤放大器和双向泵浦方式的喇曼光纤放大器。
本实用新型充分利用了折射率引导型PCF的特点，并通过增大包层空气孔直径与调制周期之比(d/Λ)，将其应用于喇曼光纤放大器，去替换普通的单模光纤，而大大提高了喇曼光纤放大器的性能，在同等增益下，所需的折射率引导型PCF只需几十米，而可有效减小器件的体积。
图1是折射率引导型光子晶体光纤(PCF)横截面结构示意图；图2是将本实用新型喇曼光纤放大器应用于前向泵浦方式的结构示意图；图3是将本实用新型喇曼光纤放大器应用于后向泵浦方式的结构示意图；图4是将本实用新型喇曼光纤放大器应用于双向泵浦方式的结构示意图；图5是将本实用新型喇曼光纤放大器应用于对弱信号放大时的电路结构图。
具体实施方式
本实用新型将传统喇曼光纤放大器中所使用的普通光纤用新型的折射率引导型光子晶体光纤代替。本实用新型所使用的应用于喇曼光纤放大器中的折射率引导型光子晶体光纤的结构如图1中所示。
应用于喇曼放大器的折射率引导型光子晶体光纤包括包层11和纤芯12，包层11和纤芯12可采用相同的材质，如石英，但纤芯12中有掺杂，纤芯掺杂物质为锗。图中，d是包层空气孔的直径，Λ是调制周期，即两空气孔园心间的间距。让d/Λ增大，如d/Λ＝0.9时可以获得最佳的喇曼增益效果。对于确定的d/Λ，当纤芯12掺杂区域边界内切第一圈空气孔时，可以获得最大的增益。
图2至5中示出应用于各种泵浦方式的喇曼光纤放大器的结构。对于泵浦方式不同的喇曼光纤放大器，都可以引用上述折射率引导型PCF。图中，除特别表明的光子晶体光纤外，其余连接各部件间的光纤皆可用普通光纤。
参见图2，是前向泵浦方式的基于折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器结构，泵源位于折射率引导型光子晶体光纤之前。包括光耦合器21，光滤波器22，折射率引导型光子晶体光纤23和半导体激光器泵源24。25、26分别是基于折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器的光信号输入端及光信号输出端。
参见图3，是后向泵浦方式的基于折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器结构，泵源位于折射率引导型光子晶体光纤之后。包括光隔离器31，光耦合器32，光滤波器33，折射率引导型光子晶体光纤34和半导体激光器泵源35。36、37分别是基于折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器的光信号输入端及光信号输出端。
参见图4，是双向泵浦方式的基于折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器结构，在折射率引导型光子晶体光纤两端均设有泵源，具有双向泵浦作用。包括光隔离器41，第一光耦合器42，第二光耦合器43，第一半导体激光器泵源45，第二半导体激光器泵源46，光滤波器44，和折射率引导型光子晶体光纤47。48、49分别是基于折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器的光信号输入端及光信号输出端。
参见图5，图中示出一个具体的实施例，采用前向泵浦方式。光耦合器51，光滤波器52，折射率引导型光子晶体光纤53，半导体激光器泵源54，偏振控制器55。输入的弱信号光的光波长为1550nm，泵浦光源54的光波长为1450nm，所用的折射率引导型光子晶体光纤53长75m。
经检测，甭浦光和弱信号光经过75m的折射率引导型光子晶体光纤53，增益高达42dB。而如果采用普通光纤的话，在获得同样增益的情况下，则需要几百至几千米长的普通光纤。
上述实施例中，光子晶体光纤与普通光纤存在耦合问题，如光子晶体光纤和阶跃折射率普通单模光纤之间的耦合，这两种光纤耦合存在三种损耗机制，即模场失配、轴向偏差和菲涅尔反射，其中模场失配影响最大。
光子晶体光纤的模场分布强烈依赖于包层空气孔直径d、空气孔间隔L、和波长λ，而阶跃折射率光纤的高斯型模场分布由纤芯与包层的折射率差决定。要克服模场失配造成的耦合损耗，则被耦合的两个模场应完全重合。通过对光纤模场分布的研究，发现跃折射率光纤的折射率差在一定范围内，同时选择合适的光子晶体光纤归一化气孔直径d/L与归一化频率L/λ时，可使两种光纤的模场分布重合95％以上。这一研究结果为光子晶体光纤和普通单模光纤的匹配耦合奠定了基础，在进行光子晶体光纤设计时，除了要满足光纤自身性能的要求以外，还应符合与普通单模光纤耦合的规范。
目前，市场上所销售的光子晶体光纤产品，因其尾端已经与普通光纤耦合，可以直接将其应用在基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器中。
本实用新型的基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器与采用普通光纤的传统结构的喇曼光纤放大器比较，采用折射率引导型光子晶体光纤的喇曼光纤放大器，需要的折射率引导型光子晶体光纤长度仅为几十米，从而具有了实现器件小型化和集成化的优势，并能取得良好的经济效益。另外，因为所需光纤很短，还为组建光纤网络提供了灵活性。
权利要求1.一种基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器，包括由半导体激光器构成的泵浦源和由光纤构成的增益介质，泵浦源连接增益介质，其特征在于所述的增益介质是折射率引导型光子晶体光纤。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述的折射率引导型光子晶体光纤，包层空气孔的直径与空气孔间距之比为0.9。
3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述的折射率引导型光子晶体光纤，包层与纤芯均采用石英，纤芯石英中掺杂有锗。
4.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于还包括一光耦合器和一光滤波器，连接构成前向泵浦方式的喇曼光纤放大器；光耦合器一输入端为喇曼光纤放大器待放大的光信号输入端，光耦合器另一输入端连接半导体激光器，光耦合器输出端连接折射率引导型光子晶体光纤一端，折射率引导型光子晶体光纤另一端连接光滤波器，光滤波器另一端为喇曼光纤放大器放大后的光信号输出端。
5.根据权利要求4所述的放大器，其特征在于还包括一偏振控制器，连接在所述光耦合器另一输入端与半导体激光器间。
6.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于还包括一光隔离器、光耦合器和一光滤波器，连接构成后向泵浦方式的喇曼光纤放大器；光隔离器一端为喇曼光纤放大器待放大的光信号输入端，光隔离器另一端连接折射率引导型光子晶体光纤一端，折射率引导型光子晶体光纤另一端连接光耦合器一输入端，光耦合器另一输入端连接半导体激光器，光耦合器输出端连接光滤波器一端，光滤波器另一端为喇曼光纤放大器放大后的光信号输出端。
7.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于所述的半导体激光器包括第一半导体激光器和第二半导体激光器；还包括一光隔离器、第一光耦合器、第二光耦合器、和一光滤波器，连接构成双向泵浦方式的喇曼光纤放大器；光隔离器一端为喇曼光纤放大器待放大的光信号输入端，光隔离器另一端连接第一光耦合器一输入端，第一光耦合器另一输入端连接第一半导体激光器，第一光耦合器输出端连接折射率引导型光子晶体光纤一端，折射率引导型光子晶体光纤另一端连接第二光耦合器一输入端，第二光耦合器另一输入端连接第二半导体激光器，第二光耦合器输出端连接光滤波器一端，光滤波器另一端为喇曼光纤放大器放大后的光信号输出端。
专利摘要本实用新型涉及一种基于折射率引导型光子晶体光纤的分立式喇曼光纤放大器，通过将折射率引导型光子晶体光纤应用到喇曼光纤放大器上，来提高喇曼光纤放大器的性能，使之既能继承传统喇曼光纤放大器的优点又能实现高增益和分立式放大的放大器，使所需的增益介质从数百、数千米降至数十米，从而可以大大减小器件的体积。该分立式喇曼光纤放大器包括由半导体激光器构成的泵浦源和由折射率引导型光子晶体光纤构成的增益介质，泵浦源连接增益介质。本实用新型通过与光耦合器、光滤波器、光隔离器、偏振控制器等部件的组合，可连接构成前向泵浦方式、后向泵浦方式和双向泵浦方式的喇曼光纤放大器。
文档编号G02F1/35GK2713510SQ20042007262
公开日2005年7月27日 申请日期2004年6月25日 优先权日2004年6月25日
发明者李安俭, 马剑, 侯玉娟, 余重秀 申请人:北京邮电大学