一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器

1.本发明涉及一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，属于光纤通信、仪器仪表等领域。


背景技术：

2.随着5g、大数据、云计算等业务的飞速发展，通信系统对于传输容量的需求急剧上升，寻求新的复用技术以提高传输容量迫在眉睫。空分复用技术(sdm)被认为是光纤通信系统升级扩容的关键技术之一，得到的学者们的广泛研究。在光纤通信系统中，光放大器可用于补偿传输过程中所产生的能量损耗，但由于不同模式的传输损耗不同，且放大器对不同信号模式的增益不相同，因此在长距离传输和多级放大后，模式间的能量差异逐渐累积，最终会导致接收端误码率的上升和通信系统中断概率的提高。因此实现空分复用光纤放大器的增益均衡是当前的研究重点。少模光纤放大器的增益均衡是目前研究最为广泛的一种，实现方法包括有源光纤的折射率设计、掺杂设计、以及放大器的泵浦设计。当使用某一确定增益光纤时，仅可通过放大器的泵浦优化以降低模式间的增益差值，实现增益均衡。
3.在诸多泵浦优化的少模光纤放大器方案中，考虑到实际应用、系统集成等多重影响，使用多种不同泵浦模式及功率组合的纤芯泵浦光纤放大器和使用包层泵浦的光纤放大器得到了广泛的应用。论文optics express,vol.19,no.26,pp.b952-b957,2011首次实验验证了少模光纤放大器的性能和设计特点，并证明了光纤结构设计和泵浦调控对放大器增益均衡的必要性，实现了2-lp模式20db左右的信号增益，但仅利用lp
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纤芯泵浦模式，放大器的增益差仍较大，需进一步优化。论文ieee photonics technology letters,vol.26,no.11,pp.1100-1103,2014搭建了一种双向纤芯泵浦少模光纤放大器，对纤芯泵浦条件下的放大器增益性能进行实验验证，通过选取合适的泵浦模式实现了20db以上的信号增益，并在整个c波段上实现4db以内的平坦度，但该放大器实现低增益差同时结合了光纤的特殊结构设计，存在进一步优化空间。论文ofc 2015,pp.tu3c.3,2015中在l波段搭建了一种双向纤芯泵浦的双模掺铒光纤放大器，进一步验证了不同泵浦模式及泵浦方向对信号增益的调控作用。上述几种少模光纤放大器均对纤芯泵浦条件下的泵浦组合进行设计与优化，通过调节各向输入的泵浦模式和功率，实现了不同信号模式间较小的增益差值，但当模式数目大于2-lp模式后，仅通过纤芯泵浦组合优化设计已经无法实现放大器的低增益差，需要结合特殊结构增益光纤以实现增益均衡，且信号光与泵浦光的耦合通常利用空间光透镜组实现，实验结构较为复杂，易受外界环境影响。
4.论文optics express,vol.22,no.23,pp.29008-29013,2014提出了一种基于包层泵浦的少模掺铒光纤放大器，该光纤放大器支持6个空间模式的传输，1534-1565nm波长范围内的平均增益可以达到20db以上，模间增益差值约3db。论文ofc 2014,pp.m2j.2,2014中提出了一种支持四lp模式的包层泵浦少模掺铒光纤放大器，并在1530-1570nm波段处实现了20db以上的信号增益和4db左右的增益差值。包层泵浦与纤芯泵浦结构相比更加具有成本效益，通过使用低成本、高功率的多模泵浦源，为少模光纤放大器提供更好性能和可拓展
性，与此同时基于包层泵浦的少模掺铒光纤放大器可以同时对更多模式进行放大且不依赖于泵浦模式的选择，能够有效降低放大器结构的复杂性。但包层泵浦条件下不同模式间的增益差值较高，通常需要结合特殊设计的少模增益光纤共同使用以实现增益均衡。
5.本发明使用纤芯泵浦和包层泵浦相结合的混合泵浦方式，在少模光纤放大器中实现高信号模式增益和低增益差值，进而实现放大器的增益均衡。本发明提出的光纤放大器主要利用包层泵浦对信号模式进行放大增益，并通过双向纤芯泵浦对模式间的差异进行补偿，通过对双向纤芯泵浦模式进行选择以及各信号源的功率配比进行优化，实现各信号模式的精准放大，既可利用包层泵浦减小放大器对泵浦模式的依赖性、增大放大模式数目，又可利用纤芯泵浦对模式间差异进行补偿、降低增益差值，对于放大器的增益均衡研究有着重要意义。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器结构，利用包层泵浦进行信号模式增益，同时使用双向纤芯泵浦对模式间差异进行补偿，在提高信号模式增益的同时，降低放大器不同模式间的增益差值，实现放大器的增益均衡。
7.采用的具体方案如下：
8.包括单模泵浦源一、单模泵浦源二、多模泵浦源、模式转换器一、模式转换器二、双包层增益光纤、波长耦合器一、波长耦合器二、波长耦合器三。
9.单模泵浦源一连接至模式转换器一的输入端，模式转换器一的输出端与波长耦合器一的泵浦输入端连接，波长耦合器一的输出端与波长耦合器二的信号输入端相连，多模泵浦源与波长耦合器二的泵浦输入端相连，波长耦合器二的输出端连接增益光纤的左侧端口，增益光纤的右侧端口连接波长耦合器三的输出端，单模泵浦源二连接模式转换器二的输入端，模式转换器二的输出端连接至波长耦合器三的泵浦输入端。待放大信号通过波长耦合器一的信号输入端耦合进光纤链路中，放大后从波长耦合器三的信号输入端反向输出。其中，波长耦合器一正向使用，左侧信号输入端为放大器的输入端口，波长耦合器三反向使用，右侧的信号输入端作为放大器的输出端口。
10.本发明提出的一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器方案，主要通过包层泵浦进行信号放大，并利用双向纤芯泵浦对信号模式增益差异进行补偿，所属增益光纤为实现高的包层泵浦效率，主要采用双包层光纤，包含双包层掺铒光纤、双包层掺镱光纤、铒镱共掺光纤、掺铥光纤以及其他可以为信号模式提供增益的双包层光纤。
11.本发明所具有的效果如下：
12.提出了一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，该放大器主要利用包层泵浦进行信号增益，并通过双向纤芯泵浦进行模式差异的补偿，可以实现不同模式较高的信号增益和模式间较低的增益差值。首先选择一段合适长度的双包层增益光纤作为增益介质，再使用波长耦合器一、波长耦合器二和波长耦合器三，分别将前向纤芯泵浦、包层泵浦、后向纤芯泵浦耦合进双包层有源光纤中，其中前向纤芯泵浦通过模式转换器一进行模式转换，后向纤芯泵浦通过模式转换器二进行模式转换，三个泵浦级联，通过调节不同泵浦源的功率，控制耦合进双包层增益光纤中的泵浦模式和功率配比，进而实现放大器不同信号模式间的精准增益。此外，使用不同的双包层增益光纤可以在一定程度上实现不同模式
数目的共同放大，控制增益光纤的长度可以调整信号的增益倍数。
附图说明
13.图1为一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器的结构示意图。
14.图2为一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器的部分模式转换器示意图，图(a)为空间相位片，图(b)为光子灯笼，图(c)为长周期光纤光栅。
15.图3为一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器的部分波长耦合器示意图，图(a)为空间透镜组，图(b)为光纤型wdm器件，图(c)为侧边泵浦耦合器。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图一中示出，其中自始至终相同的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的原件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，并不能理解为对本发明的限制。
17.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
18.实施方式一
19.一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，如图1所示，它包括单模泵浦源一01、多模泵浦源02、单模泵浦源二03、模式转换器一04、模式转换器二05、双包层增益光纤06、波长耦合器一07、波长耦合器二08、波长耦合器三09。
20.单模泵浦源一01与模式转换器04的输入端相连，输出端连接至波长耦合器一07的左侧端口071，待放大光信号从波长耦合器一07的左侧端口072进入，与071端口输入的泵浦光一同经波长耦合器二08的左侧端口082耦合进双包层增益光纤06中，多模泵浦源02与波长耦合器二08的左侧端口081相连，将泵浦光耦合进双包层增益光纤06，单模泵浦源二03与模式转换器二05的输入端连接，输出端连接至波长耦合器三09的右侧端口091，波长耦合器09的左侧端口093连接双包层增益光纤06，单模泵浦源二03输出的泵浦光经波长耦合器三09反向输入到双包层增益光纤06中，放大后的信号经波长耦合器09的右侧端口092输出。调节三个泵浦源的功率配比可以调节不同信号模式的增益倍数，调整光纤长度可以整体改变信号模式的增益。
21.在该实施方式中，所使用的模式转换器一04和模式转换器二05为空间相位片，如图2(a)所示。所使用的波长耦合器一07、波长耦合器二08和波长耦合器三09为空间透镜组，如图3(a)所示。其中双包层增益光纤06为双包层掺铒光纤，支持四个线偏振模传输。
22.实施方式二
23.一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，如图1所示，它包括单模泵浦源一01、多模泵浦源02、单模泵浦源二03、模式转换器一04、模式转换器二05、双包层增益光纤06、波长耦合器一07、波长耦合器二08、波长耦合器三09。
24.单模泵浦源一01与模式转换器04的输入端相连，输出端连接至波长耦合器一07的左侧端口071，待放大光信号从波长耦合器一07的左侧端口072进入，与071端口输入的泵浦光一同经波长耦合器二08的左侧端口082耦合进双包层增益光纤06中，多模泵浦源02与波长耦合器二08的左侧端口081相连，将泵浦光耦合进双包层增益光纤06，单模泵浦源二03与
模式转换器二05的输入端连接，输出端连接至波长耦合器三09的右侧端口091，波长耦合器09的左侧端口093连接双包层增益光纤06，单模泵浦源二03输出的泵浦光经波长耦合器三09反向输入到双包层增益光纤06中，放大后的信号经波长耦合器09的右侧端口092输出。调节三个泵浦源的功率配比可以调节不同信号模式的增益倍数，调整光纤长度可以整体改变信号模式的增益。
25.在该实施方式中，所使用的模式转换器一04和模式转换器二05为模式选择光子灯笼，如图2(b)所示。所使用的波长耦合器一07和波长耦合器三09为空间透镜组，如图3(a)所示，所使用的波长耦合器二08为侧边泵浦耦合器，如图3(c)所示。其中双包层增益光纤06为双包层掺镱光纤，支持五个线偏振模传输。
26.实施方式三
27.一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，如图1所示，它包括单模泵浦源一01、多模泵浦源02、单模泵浦源二03、模式转换器一04、模式转换器二05、双包层增益光纤06、波长耦合器一07、波长耦合器二08、波长耦合器三09。
28.单模泵浦源一01与模式转换器04的输入端相连，输出端连接至波长耦合器一07的左侧端口071，待放大光信号从波长耦合器一07的左侧端口072进入，与071端口输入的泵浦光一同经波长耦合器二08的左侧端口082耦合进双包层增益光纤06中，多模泵浦源02与波长耦合器二08的左侧端口081相连，将泵浦光耦合进双包层增益光纤06，单模泵浦源二03与模式转换器二05的输入端连接，输出端连接至波长耦合器三09的右侧端口091，波长耦合器09的左侧端口093连接双包层增益光纤06，单模泵浦源二03输出的泵浦光经波长耦合器三09反向输入到双包层增益光纤06中，放大后的信号经波长耦合器09的右侧端口092输出。调节三个泵浦源的功率配比可以调节不同信号模式的增益倍数，调整光纤长度可以整体改变信号模式的增益。
29.在该实施方式中，所使用的模式转换器一04和模式转换器二05为长周期光纤光栅，如图2(c)所示。所使用的波长耦合器一07和波长耦合器三09为光纤型wdm器件，如图3(b)所示,，所使用的波长耦合器二08为侧边泵浦耦合器，如图3(c)所示。其中双包层增益光纤06为双包层铒镱共掺光纤，支持六个线偏振模传输。该放大器为全光纤连接型少模光纤放大器。
30.综上所述，本发明利用双向混合泵浦的结构设计，通过包层泵浦进行信号模式增益，同时使用双向纤芯泵浦对模间差异进行补偿，可以极大的降低光纤放大器中不同信号模式间的增益差值，通过调整各泵浦模式及功率配比以实现不同模式的精准放大，降低了放大器对于泵浦模式的依赖性，有利于实现放大器的增益均衡。
31.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，且附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。