專利名稱：基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，是一種采用新型增益介質(zhì)的喇曼光纖放大器。
背景技術(shù)：
喇曼光纖放大器主要包括泵浦源和增益介質(zhì)，通常采用大功率LD(半導(dǎo)體激光二極管)作為泵浦源和采用單模光纖作為增益介質(zhì)。
近幾年來(lái)，隨著大功率半導(dǎo)體激光器制造技術(shù)的成熟，喇曼光纖放大器開(kāi)始商用。喇曼光纖放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，例如增益不限于任何特定波長(zhǎng)區(qū)，能用于摻鉺光纖放大器(EDFA)增益帶寬范圍之外的頻帶；利用多波長(zhǎng)泵浦技術(shù)，可以得到寬的增益帶寬(～100nm)，最重要的是，由于喇曼光纖放大器的增益介質(zhì)可以是普通的單模光纖，因而特別適合作分布放大，從而顯著改善信號(hào)的光信噪比(OSNR)。正是這一低噪聲分布放大特性，使喇曼光纖放大器(RFA)在電信網(wǎng)的骨干網(wǎng)傳輸領(lǐng)域有了廣闊的應(yīng)用前景。
但這種傳統(tǒng)的喇曼光纖放大器仍有不足之處采用普通單模光纖作增益介質(zhì)，其增益系數(shù)只有1.2e-8(m/W)，因此光信號(hào)很難得到高增益放大，泵浦光信號(hào)和弱光信號(hào)在經(jīng)過(guò)普通單模光纖時(shí)，為了獲得一定的增益通常需要采用數(shù)百甚至數(shù)千米長(zhǎng)的光纖，不利于器件的小型化還增加了產(chǎn)品成本，而為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)損耗傳輸，則需要較高的泵浦功率(1W左右)，然而，高泵浦功率可能會(huì)對(duì)光傳輸系統(tǒng)造成硬件損傷，例如燒損接頭、焊點(diǎn)、造成光纖的慢性損傷等，而且隨著泵浦功率的增大，損傷出現(xiàn)的概率也將變高；傳統(tǒng)的喇曼光纖放大器利用了分布放大，噪聲系數(shù)極低的特點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)從分立式摻鉺光纖放大器(discrete-EDFA)到分布式喇曼光纖放大器(distributed-RFA)的過(guò)渡，不僅成本高昂，技術(shù)復(fù)雜，難度更高，而且使系統(tǒng)魯棒性下降，不易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑升級(jí)。
因此，亟需研發(fā)一種既能繼承傳統(tǒng)喇曼光纖放大器優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)高增益和分布式放大的喇曼光纖放大器，來(lái)取代傳統(tǒng)的摻鉺光纖放大器(EDFA)和喇曼光纖放大器(RFA)。
光子晶體(Photonic Crystal)的概念由E.Yablonovitch在研究抑制自發(fā)輻射時(shí)首次提出，光子晶體向人們展示了一種新的控制光子的機(jī)制，它完全不同于以往的利用全反射原理來(lái)引導(dǎo)光的傳輸。
光子晶體光纖(PCFphotonic crystal fiber)是基于光子晶體技術(shù)而研制的一種新型光纖，由纖芯和包層構(gòu)成，包層采用石英，包層上規(guī)則地排列著空氣孔，纖芯由一個(gè)破壞包層周期性的缺陷態(tài)構(gòu)成，這個(gè)缺陷態(tài)可以是空氣或者實(shí)心的石英。從光子晶體光纖的端面看，存在周期性的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，并且在光纖的中心有缺陷態(tài)，光便可以沿著缺陷態(tài)在光纖中傳輸。
纖芯是實(shí)心石英缺陷態(tài)的光子晶體光纖，也稱作折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(PCF)。在包層的空氣孔尺度不是太大時(shí)，其光傳輸機(jī)制也是基于全反射，雖然和傳統(tǒng)光纖的導(dǎo)光機(jī)制一樣，但是卻具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的特性，從而給光通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來(lái)新的生機(jī)和活力。
傳統(tǒng)光纖的導(dǎo)光機(jī)制是通過(guò)全內(nèi)反射來(lái)傳輸光，是通過(guò)在石英中摻雜不同的物質(zhì)來(lái)控制包層和纖芯的折射率之差，從而實(shí)現(xiàn)光在光纖中的全內(nèi)反射傳輸。而折射率引導(dǎo)型PCF的導(dǎo)光機(jī)制雖然也是基于全內(nèi)反射效應(yīng)，但包層空氣孔區(qū)域的折射率由空氣和石英的比例決定，可用有效折射率neff來(lái)表示，由于neff小于纖芯石英的折射率，所以會(huì)形成光在光纖中的全內(nèi)反射傳輸。與普通光纖相比，折射率引導(dǎo)型PCF的包層和纖芯完全可以由一種物質(zhì)構(gòu)成，其纖芯和包層的折射率之差可以通過(guò)改變包層中空氣孔來(lái)控制，包括空氣孔的直徑、空氣孔的間距和空氣孔的排列等，可使折射率之差很大，例如達(dá)到0.4。
結(jié)構(gòu)上的差異使折射率引導(dǎo)型PCF和普通光纖相比有其自身的一些特點(diǎn)，可以通過(guò)改變其波導(dǎo)參數(shù)，如空氣孔直徑d和調(diào)制周期(兩空氣孔園心間的間距)Λ，以及空氣孔的排列方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)色散、傳輸模式和偏振的控制。通過(guò)增大d/Λ，減小纖芯的芯徑，一方面可以提高對(duì)光的局限，減小光的泄漏損耗，另一方面可以增大纖芯截面上單位面積上的光功率密度，使得光在折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖中傳輸時(shí)，易于產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，如四波混頻、受激喇曼散射、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型通過(guò)分析當(dāng)前喇曼光纖放大器的發(fā)展現(xiàn)狀，以及折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的一些特殊性質(zhì)，將折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖應(yīng)用到喇曼放大器上。
本實(shí)用新型的目的是提供一種基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，通過(guò)將折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖應(yīng)用到喇曼光纖放大器上，來(lái)提高喇曼光纖放大器的性能，使之既能繼承傳統(tǒng)喇曼光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)又能實(shí)現(xiàn)高增益和分立式放大的放大器，使所需的增益介質(zhì)從數(shù)百、數(shù)千米降至數(shù)十米，從而可以大大減小器件的體積。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是一種基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，包括由半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的泵浦源和由光纖構(gòu)成的增益介質(zhì)，泵浦源連接增益介質(zhì)，其特征在于所述的增益介質(zhì)是折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖。
所述的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖，包層空氣孔的直徑與空氣孔間距之比為0.9。
所述的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖，包層與纖芯均采用石英，纖芯石英中摻雜有鍺。
本實(shí)用新型通過(guò)與光耦合器、光濾波器、光隔離器、偏振控制器等部件的組合，可連接構(gòu)成前向泵浦方式的喇曼光纖放大器、后向泵浦方式的喇曼光纖放大器和雙向泵浦方式的喇曼光纖放大器。
本實(shí)用新型充分利用了折射率引導(dǎo)型PCF的特點(diǎn)，并通過(guò)增大包層空氣孔直徑與調(diào)制周期之比(d/Λ)，將其應(yīng)用于喇曼光纖放大器，去替換普通的單模光纖，而大大提高了喇曼光纖放大器的性能，在同等增益下，所需的折射率引導(dǎo)型PCF只需幾十米，而可有效減小器件的體積。


圖1是折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(PCF)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是將本實(shí)用新型喇曼光纖放大器應(yīng)用于前向泵浦方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是將本實(shí)用新型喇曼光纖放大器應(yīng)用于后向泵浦方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是將本實(shí)用新型喇曼光纖放大器應(yīng)用于雙向泵浦方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是將本實(shí)用新型喇曼光纖放大器應(yīng)用于對(duì)弱信號(hào)放大時(shí)的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型將傳統(tǒng)喇曼光纖放大器中所使用的普通光纖用新型的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖代替。本實(shí)用新型所使用的應(yīng)用于喇曼光纖放大器中的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)如圖1中所示。
應(yīng)用于喇曼放大器的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖包括包層11和纖芯12，包層11和纖芯12可采用相同的材質(zhì)，如石英，但纖芯12中有摻雜，纖芯摻雜物質(zhì)為鍺。圖中，d是包層空氣孔的直徑，Λ是調(diào)制周期，即兩空氣孔園心間的間距。讓d/Λ增大，如d/Λ＝0.9時(shí)可以獲得最佳的喇曼增益效果。對(duì)于確定的d/Λ，當(dāng)纖芯12摻雜區(qū)域邊界內(nèi)切第一圈空氣孔時(shí)，可以獲得最大的增益。
圖2至5中示出應(yīng)用于各種泵浦方式的喇曼光纖放大器的結(jié)構(gòu)。對(duì)于泵浦方式不同的喇曼光纖放大器，都可以引用上述折射率引導(dǎo)型PCF。圖中，除特別表明的光子晶體光纖外，其余連接各部件間的光纖皆可用普通光纖。
參見(jiàn)圖2，是前向泵浦方式的基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器結(jié)構(gòu)，泵源位于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖之前。包括光耦合器21，光濾波器22，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖23和半導(dǎo)體激光器泵源24。25、26分別是基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器的光信號(hào)輸入端及光信號(hào)輸出端。
參見(jiàn)圖3，是后向泵浦方式的基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器結(jié)構(gòu)，泵源位于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖之后。包括光隔離器31，光耦合器32，光濾波器33，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖34和半導(dǎo)體激光器泵源35。36、37分別是基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器的光信號(hào)輸入端及光信號(hào)輸出端。
參見(jiàn)圖4，是雙向泵浦方式的基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器結(jié)構(gòu)，在折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖兩端均設(shè)有泵源，具有雙向泵浦作用。包括光隔離器41，第一光耦合器42，第二光耦合器43，第一半導(dǎo)體激光器泵源45，第二半導(dǎo)體激光器泵源46，光濾波器44，和折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖47。48、49分別是基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器的光信號(hào)輸入端及光信號(hào)輸出端。
參見(jiàn)圖5，圖中示出一個(gè)具體的實(shí)施例，采用前向泵浦方式。光耦合器51，光濾波器52，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖53，半導(dǎo)體激光器泵源54，偏振控制器55。輸入的弱信號(hào)光的光波長(zhǎng)為1550nm，泵浦光源54的光波長(zhǎng)為1450nm，所用的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖53長(zhǎng)75m。
經(jīng)檢測(cè)，甭浦光和弱信號(hào)光經(jīng)過(guò)75m的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖53，增益高達(dá)42dB。而如果采用普通光纖的話，在獲得同樣增益的情況下，則需要幾百至幾千米長(zhǎng)的普通光纖。
上述實(shí)施例中，光子晶體光纖與普通光纖存在耦合問(wèn)題，如光子晶體光纖和階躍折射率普通單模光纖之間的耦合，這兩種光纖耦合存在三種損耗機(jī)制，即模場(chǎng)失配、軸向偏差和菲涅爾反射，其中模場(chǎng)失配影響最大。
光子晶體光纖的模場(chǎng)分布強(qiáng)烈依賴于包層空氣孔直徑d、空氣孔間隔L、和波長(zhǎng)λ，而階躍折射率光纖的高斯型模場(chǎng)分布由纖芯與包層的折射率差決定。要克服模場(chǎng)失配造成的耦合損耗，則被耦合的兩個(gè)模場(chǎng)應(yīng)完全重合。通過(guò)對(duì)光纖模場(chǎng)分布的研究，發(fā)現(xiàn)躍折射率光纖的折射率差在一定范圍內(nèi)，同時(shí)選擇合適的光子晶體光纖歸一化氣孔直徑d/L與歸一化頻率L/λ時(shí)，可使兩種光纖的模場(chǎng)分布重合95％以上。這一研究結(jié)果為光子晶體光纖和普通單模光纖的匹配耦合奠定了基礎(chǔ)，在進(jìn)行光子晶體光纖設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足光纖自身性能的要求以外，還應(yīng)符合與普通單模光纖耦合的規(guī)范。
目前，市場(chǎng)上所銷售的光子晶體光纖產(chǎn)品，因其尾端已經(jīng)與普通光纖耦合，可以直接將其應(yīng)用在基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器中。
本實(shí)用新型的基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器與采用普通光纖的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的喇曼光纖放大器比較，采用折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器，需要的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖長(zhǎng)度僅為幾十米，從而具有了實(shí)現(xiàn)器件小型化和集成化的優(yōu)勢(shì)，并能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，因?yàn)樗韫饫w很短，還為組建光纖網(wǎng)絡(luò)提供了靈活性。
權(quán)利要求1.一種基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，包括由半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的泵浦源和由光纖構(gòu)成的增益介質(zhì)，泵浦源連接增益介質(zhì)，其特征在于所述的增益介質(zhì)是折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于所述的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖，包層空氣孔的直徑與空氣孔間距之比為0.9。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于所述的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖，包層與纖芯均采用石英，纖芯石英中摻雜有鍺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于還包括一光耦合器和一光濾波器，連接構(gòu)成前向泵浦方式的喇曼光纖放大器；光耦合器一輸入端為喇曼光纖放大器待放大的光信號(hào)輸入端，光耦合器另一輸入端連接半導(dǎo)體激光器，光耦合器輸出端連接折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖一端，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖另一端連接光濾波器，光濾波器另一端為喇曼光纖放大器放大后的光信號(hào)輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大器，其特征在于還包括一偏振控制器，連接在所述光耦合器另一輸入端與半導(dǎo)體激光器間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于還包括一光隔離器、光耦合器和一光濾波器，連接構(gòu)成后向泵浦方式的喇曼光纖放大器；光隔離器一端為喇曼光纖放大器待放大的光信號(hào)輸入端，光隔離器另一端連接折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖一端，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖另一端連接光耦合器一輸入端，光耦合器另一輸入端連接半導(dǎo)體激光器，光耦合器輸出端連接光濾波器一端，光濾波器另一端為喇曼光纖放大器放大后的光信號(hào)輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器包括第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器；還包括一光隔離器、第一光耦合器、第二光耦合器、和一光濾波器，連接構(gòu)成雙向泵浦方式的喇曼光纖放大器；光隔離器一端為喇曼光纖放大器待放大的光信號(hào)輸入端，光隔離器另一端連接第一光耦合器一輸入端，第一光耦合器另一輸入端連接第一半導(dǎo)體激光器，第一光耦合器輸出端連接折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖一端，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖另一端連接第二光耦合器一輸入端，第二光耦合器另一輸入端連接第二半導(dǎo)體激光器，第二光耦合器輸出端連接光濾波器一端，光濾波器另一端為喇曼光纖放大器放大后的光信號(hào)輸出端。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，通過(guò)將折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖應(yīng)用到喇曼光纖放大器上，來(lái)提高喇曼光纖放大器的性能，使之既能繼承傳統(tǒng)喇曼光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)又能實(shí)現(xiàn)高增益和分立式放大的放大器，使所需的增益介質(zhì)從數(shù)百、數(shù)千米降至數(shù)十米，從而可以大大減小器件的體積。該分立式喇曼光纖放大器包括由半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的泵浦源和由折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖構(gòu)成的增益介質(zhì)，泵浦源連接增益介質(zhì)。本實(shí)用新型通過(guò)與光耦合器、光濾波器、光隔離器、偏振控制器等部件的組合，可連接構(gòu)成前向泵浦方式、后向泵浦方式和雙向泵浦方式的喇曼光纖放大器。
文檔編號(hào)G02F1/35GK2713510SQ20042007262
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者李安儉, 馬劍, 侯玉娟, 余重秀 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)