关键词： 光纤
光纤参量放大器（精选三篇）
光纤参量放大器 篇1
关键词：光纤参量放大器,准相位匹配,高非线性光纤,色散补偿光纤,平坦性
0 引 言
近年来, 基于四波混频 (Four-wave mixing, FWM) 效应的光纤参量放大器 (FOPA) 得到了广泛的研究[1,2]。FOPA是一种基于四波混频的光子器件;通过强光泵浦作用下的非线性相互作用, 信号光获得增益的同时, 产生和信号光共轭的闲频光。简单的单泵浦FOPA能够提供超过200 nm的增益带宽, 但是增益平坦性比较差, 所以不能用于波分复用系统。如何改善单泵浦FOPA的增益谱的带宽和平坦性, 一个有效的方法是采用双泵浦FOPA。最近, 研究者们已经证明利用双泵浦FOPA能够得到超过100 nm的平坦增益[3]。其他方法如利用级联高非线性光纤来提高光参量放大器的增益和增益的平坦性, 啁啾脉冲光参量放大的方法来提高增益的平坦性[4,5], 以及利用色散补偿光纤来实现光参量放大器的相位匹配, 以达到增益平坦的特性等[6]。
本研究探讨双泵浦光纤参量放大器中, 在高非线性光纤 (HNLF) 中使用色散符号相反的色散补偿光纤 (DCF) 来实现准相位匹配, 从而在较宽频带内满足增益平坦的要求, 并研究泵浦光功率对补偿后光纤参量放大器增益的影响。
1 模 型
根据Maxwell理论, 可以写出在HNLF内, 泵浦光、信号光和闲频光振幅沿光纤长度变化的微分方程组:
式中 E1和E2—连续泵浦波包络;E3和E4—信号场与闲频场包络;z—沿光纤的纵向距离;β2—光纤的二阶色散系数;γ—光纤的非线性系数;Δω—信号包络的频带宽度;P1、P2—z=0处入射的泵浦光功率。
相位失配Δβ=β (ω3) +β (ω4) -β (ω1) -β (ω2) 可表示为[7]:
式中 ω1和ω2—泵浦波频率;ω3—信号波频率;ωc—两泵浦光的中心频率, ωc= (ω1+ω2) /2;ωd—两泵浦半频率差, ωd= (ω1-ω2) /2;λ0—零色散波长;λ3—信号波长;λc= (λ1+λ2) /2, λd= (λ1-λ2) /2, 其中λ1和λ2为泵浦波长;β2 (ωc) 、β4 (ωc) —传播常数在ωc处对频率的二阶导数和四阶导数;β2 (ωc) =β3 (ω0) (ωc-ω0) +β4 (ω0) (ωc-ω0) 2/2, 其中ω0是零色散频率[8]。
2 参量放大器的增益
本研究假设将一段长度为L的HNLF分成m+1段, 每段长度均为l=L/ (m+1) , 分别插入m段长度为l′的DCF中, 如图1所示。
在第m+1段HNLF内, 泵浦光、信号光和闲频光振幅沿光纤长度变化的微分方程组为:
式中 α—两连接处的透射率, α=10-0.2LS;LS—插入损耗, 单位为dB。
假设泵浦光的强度远远大于信号光和闲频光的强度, 泵浦光未被耗尽, 由式 (3) 可求得:
式中 E′1, m和E′2, m—第m段色散补偿光纤的输出泵浦光信号幅度。
由式 (4) 可知, 在泵浦光未被耗尽的情况下, 泵浦光仅获得由SPM和XPM引起的相移。为了解式 (3) 的后两式, 引入undefined, 并代入式 (4) 得到:
式中, undefined, 净相位失配κm=Δβ+γαm (P1+P2) +β2Δω2。利用光纤的边界条件, 对式 (5) 进行求解, 可得到第m+1段HNLF输出端的信号场和闲频场:
式中, undefined。undefined为第m+1段HNLF中的参量增益, 其大小取决于泵浦功率和光纤的色散系数。式 (6) 可用矩阵形式表示为:
式中, Mm+1为第m+1段HNLF的转移矩阵:
令总的转移矩阵M=M1M2…Mm+1, 式 (7) 还可以写成以下形式:
第m+1段HNLF输出端的信号功率增益为:
3 FOPA增益平坦性分析
由以上分析可知, FOPA的增益与泵浦光功率和在光纤内周期插入的DCF段数目m等参数有关。本研究通过调节DCF段的插入数目和泵浦光功率来研究FOPA的增益平坦性。
一段HNLF内周期时间插入的DCF段数目m对FOPA增益大小及其平坦性的影响如图2所示。计算过程中, 两泵浦光功率为0.2 W和0.4 W, 波长分别为1 542 nm和1 560 nm, HNLF的零色散波长λ0=1 591 nm, 光纤长度L=300 m, 非线性系数γ=20 W-1km-1, 色散系数分别为:β2 (ω0) =-0.01 ps2/km;β4 (ω0) =-2.85×10-4ps4/km。DCF的色散系数分别为:β′2=2 ps2/km;β′4=3×10-4ps4/km。从图2可以看出, 随着插入色散补偿光纤段数目m的增加, FOPA的增益在带宽内变得越来越平坦。当m=0, 即没有插入色散补偿光纤段时, 信号功率增益起伏比较大, 起伏度约为3.8 dB;当m=4, 即在高非线性光纤内周期插入4段色散补偿光纤时, 增益的带宽变宽, 其增益的起伏得到了明显的改善, 可以在带宽内得到非常平坦的增益谱。但由于插入损耗的存在, 放大器的增益逐渐变小。
在一段HNLF内周期时间插入DCF的情况下, 泵浦光功率对FOPA增益大小及其平坦性的影响如图3所示。在计算过程中, 假设两泵浦波的波长为1 542 nm和1 560 nm, 泵浦光功率分别取0.2 W、0.4 W, 0.4 W、0.4 W和0.4 W、0.6 W三组数据, HNLF长度L=300 m, 色散系数分别为:β2 (ω0) =-0.01 ps2/km;β4 (ω0) =-2.85×10-4ps4/km, 非线性系数γ=20 W-1km-1。DCF的色散系数分别为:β′2=2 ps2/km;β′4=3×10-4ps4/km。
从图3可以看出, 增加光纤参量放大器的泵浦光功率, 其增益也随之增长, 但增益的平坦性会变差, 这是由于随着功率的变大, 相位匹配条件不能得到很好的满足。图3 (a) 中, 在m=4的情况下, 当泵浦光功率为0.2 W和0.4 W时, 可得到一段增益大小为2.72 dB的平坦带宽。当泵浦光功率增加到0.4 W和0.6 W时, 放大器的增益达到了6.93 dB, 增益带宽基本保持不变, 但增益的平坦性变差, 起伏度约为0.8 dB, 这个问题可以通过多插入几段DCF来解决。如图3 (b) 所示, 当m=6时, 其增益的起伏得到了明显的改善。
4 结束语
本研究探讨了在双泵浦光参量放大器中, 利用周期色散补偿来实现FOPA的增益平坦性。首先利用了一组泵浦波、信号波和闲频波的耦合方程, 推导出FOPA的增益解析式, 分析了在周期色散补偿的情况下, 双泵浦光纤参量放大增益平坦性问题。研究结果表明:FOPA的增益与在HNLF内周期插入的DCF段数目m和泵浦光功率有关。随着在一段HNLF内周期插入DCF段m值的增加, FOPA的增益起伏得到了明显的改善, 可以在带宽内得到非常平坦的增益谱。但是由于存在插入损耗, 放大器的增益逐渐变小, 这个问题可以通过增加泵浦光功率来解决;FOPA增益随着泵浦光功率的增加而变大, 但平坦性会变差, 这是由于随着功率增加, 相位匹配条件不能得到很好满足引起的, 可通过多插入几段DCF来解决增益平坦性问题。
参考文献
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光纤参量放大器 篇2
关键词：光纤拉曼放大器 噪声分类 噪声系数
掺铒光纤放大器（EDFA）是目前发展最为成熟的光纤放大器，在1530～1565nm波段（C波段）具有高增益、低噪声和可多路放大的优点。但是C波段仅占光纤低损耗频谱的一小部分，因此人们开发了L波段（1570～1620nm）的EDFA和S波段（1480～1530nm）的TDFA等其它波段的光放大器。然而，这当中最为引人注目的是光纤拉曼放大器（FRA），因为它是唯一一种光纤基全波段放大器。光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射（SRS）效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光得到放大。
光纤拉曼放大器在SDH系统中的应用主要是针对超长跨距的光纤传输系统，例如跨海通信、陆地长距离光纤传输。在这些情况下，将分布式光纤拉曼放大器用作前置光纤放大器，凭借其低噪声特性，提高系统的整体接收灵敏度，从而延长传输距离或提高系统设计余量。由于分布式光纤拉曼放大器的特殊性，必须考虑使用的安全性、可靠性、合理性。从实际使用的要求看，应该满足这些要求：1.具有信号光功率监控和无光自动关断的功能；2.泵浦输出功率稳定，尽可能采用硬件电路死循环控制的恒定功率输出方式；3.在信号波长处具有足够大的有效增益。4.应充分考虑实际光缆的衰减系数和整个跨段的衰耗。
一、光纤拉曼放大器的噪声分类
拉曼放大器的噪声组成除了ASE外，还会有其他的噪声源也会对拉曼放大器的噪声系数作贡献。这就是我们在下面分析等效噪声系数的时候说明把ASE作为唯一计算噪声源具有局限性的原因。一般认为拉曼放大器中的噪声源主要有3个来源：（1）ASE噪声（2）双瑞利散射（3）泵浦-信号串话噪声。
1. ASE噪声
ASE噪声的产生机理是这样的：自拉曼散射光会与信号一起同时被放大从而构成对放大信号的干扰而产生噪声。这里我们应该说明的是实际上我们测量的ASE噪声应该包括放大信号注入噪声、ASE注入噪声、信号ASE自拍频噪声和ASE拍频噪声四个部分。
2. 双瑞利散射
当拉曼放大器具有较大的净增益，而且信号的输入功率较大，或者光纤的有效截面积较小，瑞利散射系数较大的情况下，注入信号在双瑞利散射将会引起放大器性能的严重恶化，这表明双瑞利散射信号是伴随着信号而产生的，会和信号发生相互干扰。由于双瑞利散射噪声和信号在同一个频带内，因此双瑞利散射无法在接受端通过滤器器将其去除。
3. 泵浦信号串扰噪声
由于拉曼散射的响应时间非常快，因此泵浦功率的波动往往会引起拉曼增益的波动，这样就会使得输出信号的光功率发生波动，这样就会导致放大波段信道的相对强度噪声（RIN）比泵浦光源的相对强度噪声还差。研究表明，由于RIN下降，对于单段NDSF来说将会导致0.1dB的功率代价（此时泵浦的RIN在前向泵浦的为-110dB/Hz，后向泵浦为-29dB/Hz）。当泵浦激光器的RIN超过这个限度时，会使得系统性能迅速恶化。
二、光纤拉曼放大器的噪声系数
噪声是放大器的关键参数，当评估拉曼放大器的系统性能时必须将噪声的影响考虑在内。在拉曼放大器的噪声组成中，放大的自发辐射（ASE）和瑞利散射（DRS）是主要的噪声来源。我们下面将对它们进行分析，并分析它们对噪声系数的贡献。
对于噪声的评价，我们通常采用噪声系数作为噪声性能评价指标。对于一个具有增益为G的两端口器件其噪声系数定义为输入信噪比[WTBX]（SNRi）和输出信噪比（SNRo）之间的比值（两者都是电域的信噪比）。
但是因为拉曼放大器是分布式放大的，其拉曼增益和ASE噪声的产生也是随着传输光纤分布的。因此为了评价放大器的性能，我们通常使用有效噪声系数作为分布式拉曼放大器的噪声评价。等效噪声系数的定义如图所示。
三、结论
在光纤拉曼放大器中，增益和噪声是两个相互矛盾的因素，增益越大，信号输出功率越大，但噪声功率也越大，结果使得信噪比恶化。因此，在实际应用当中应在不在保证一定的信噪比的情况下提高增益，尽量减少几种主要噪声源的影响。实际上在拉曼放大器中还存在其它的噪声影响，如非线性效应产生的噪声等，在应用中也应该加以考虑。
参考文献：
[1]S.A.E.Lewis，S.V.Chernikov，J.R.Taylor “Characterization of double Rayleigh scatter noise in Raman Amplifiers”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.12，Issue 5，MAY 2000.
[2]刘颂豪，郝光先.《强光光学及应用》广东科技出版社，2005.
[3]乔桂红.《光纤通信》人民邮电出版社，2009.
光纤参量放大器 篇3
关键词：光参量放大,准相位匹配,周期极化铌酸锂,周期极化磷酸氧钛钾
早在上世纪60年代激光出现以后, 人们就对包括二阶非线性过程在内的非线性光学现象产生了浓厚的兴趣。光参量放大过程是一种非常重要的二阶非线性光学效应, 光参量放大和光参量振荡是产生高功率、宽调谐激光的重要手段, 对其进行系统、深入的研究有着重要的意义。光参量放大的优点有:增益带宽很宽, 可达到100nm以上;噪声很低, 没有传统激光增益介质的放大自发辐射 (ASE) 噪声, 从而避免了脉冲前沿预脉冲的出现;单通增益很高, 避免了采用多通和再生放大结构对光束空间质量的影响;相比于传统的储能式放大过程, 光参量放大是一个即时的过程, 能量不在非线性晶体中储存, 没有低量子效率引起的热效应, 因而可以得到很高的能量和重复率;最后, 由于光参量放大中闲频光的补偿作用, 泵浦光的空间特性会转化到闲频光而不是信号光上, 即使泵浦光的M2因子很大, 只要泵浦光没有耗尽, 信号光的强度和空间位相分布都不会改变。所以, 光参量放大非常适合于啁啾脉冲放大, 具有替代传统的多通或再生放大器的潜力。自从上个世纪90年代初高压电场极化法出现以后, 基于准相位匹配 (QPM) 技术的周期极化晶体的制备变得越来越容易, 且制造出的晶体的性能也越来越稳定、成熟。自此, 准相位匹配技术在光参量放大领域的应用开始受到人们更多的关注。与双折射晶体相比, 在光参量过程中使用QPM晶体, 如周期极化铌酸锂 (P P L N) 晶体、周期极化K T P (PPKTP) 晶体等不仅可以克服由玻印亭矢量走离所引起的信号光质量的降低, 而且调谐范围几乎覆盖了晶体的整个通光波段, 最重要的是能够利用晶体的最大二阶非线性系数, 这样就可获得更高的增益和更大的转换效率。因此, 本文着重对准相位匹配技术在光参量放大过程中的应用作了说明, 分析了基于准相位匹配技术的光参量放大的基本原理, 对基于准相位匹配技术的光参量放大过程研究现状作了介绍, 指出了准相位匹配技术在此领域中应用的前景和意义。
1 准相位匹配光参量放大的基本原理
光学参量放大和光学参量振荡是产生高功率、宽波长范围可调谐激光的重要手段。光参量放大的增益来源与常规激光器的增益来源不同。常规激光器是基于受激辐射跃迁, 其增益由原子、分子或离子能级间的反转粒子数提供;而光参量过程的增益是由各光波在非线性晶体中的能量藕合来提供, 其中没有能级跃迁, 泵浦光直接转换为信号光和闲频光。正是由于这一本质区别, 与常规放大器相比, 光参量放大具有许多优越性, 如较高增益, 较宽的增益带宽, 以及宽调谐等特性。而常规固体激光器受到激光晶体荧光特性的限制, 只能够在特定的波长范围内实现激光运转, 其调谐范围十分有限。而且在常规固体激光器中, 由于使用的是利用粒子数反转产生增益的激光介质, 必然存在放大的自发辐射 (ASE) , 并且ASE在放大系统中往往先于信号脉冲而得到放大。因此, ASE不仅严重降低了信号光的放大系数, 而且给放大的激光脉冲带来很强的背景噪声, 此外放大了的预脉冲和脉冲时间上的边翼也大大降低了其信噪比。而采用准位相匹配技术的光参量放大过程不存在ASE的影响, 更具有非线性系数大、作用距离长、结构简单、易于调谐和晶格可设计等诸多优点。
光参量放大过程实质是一个差频产生的三波混频过程。频率为ωp的强泵浦光和频率为ωs的弱信号光同时输入到周期极化晶体中, 由于二阶非线性电极化强度P (2) (ωi=ωp-ωs) 的作用, 在晶体中产生频率为ωi=ωp-ωs的差频光辐射, 即闲频光波 (idler) , 其振幅正比于泵浦光与信号光振幅的乘积;闲频光波又进一步与泵浦光发生非线性藕合, 并通过二阶非线性电化强度P (2) (ωs=ωp-ωi) 的作用辐射出频率为ωs的信号光波, 其振幅正比于泵浦光与闲频光振幅的乘积。根据曼利伊罗关系可知, 在光参量放大过程中, 每湮灭一个高频光子, 同时要产生两个低频光子, 在此过程中这两个低频波获得增益, 因此可作为他们的放大器。如图1所示。
为进行有效的非线性频率变换, 必须使光参量放大过程中参与相互作用的光波在介质中传播时具有相同的相速度或相等的折射率, 即相位匹配。相位匹配是光参量放大中一个非常重要的概念。只有满足相位匹配, 才能使参量过程的转换效率达到最高。相位匹配条件也称为动量守恒条件。除此之外, 光参量放大过程还必须要满足能量守恒条件。在周期极化晶体中, 动量守恒条件和能量守恒条件分别为, 能量守恒:ωp=ωs+ωi (1) ;动量守恒:kp=ks+ki+km (2) ;式中下标p, s和i分别代表泵浦光、信号光和闲频光。kp, ks和km分别为泵浦光、信号光和闲频光的波矢, 它们的大小为kp, s, i=2πnp, s, i/λp, s, i=np, s, iωp, s, i/c (3) ;km为周期极化晶体的光栅矢量, 大小为可km=2mπ/Λ (4) , 其中Λ为周期极化晶体的极化周期, m通常取1。
由动量守恒条件和能量守恒条件可知, 在周期极化晶体中信号光和闲频光的频率变化与泵浦光的波长、三者在晶体中的折射率和极化晶体的极化周期有关。
基于准相位匹配技术的OPA系统中的相位匹配可分为共线相位匹配和非共线相位匹配两种方式。共线OPA系统结构简单, 调节简便, 由于三个光波在周期极化晶体内的相互作用的距离较长而有着较高的转化效率及较低的损伤阈值, 光束质量好, 在泵浦脉冲较长时 (如皮秒或纳秒量级) , 拥有强大的优越性。但是, 由于受相位匹配增益带宽窄的影响, 采用这种方式输出的参量光脉冲光谱宽度较窄, 因此不能获得脉冲宽度极窄 (<10fs) 的超短脉冲。而且在飞秒 (或亚皮秒) OPA中, 尤其是在紫外和可见光波段, 不仅要考虑三波的相位匹配, 同时还要考虑群速匹配, 而非共线相位匹配方式具有更多的选择余地。非共线相位匹配条件也可以用式 (2) 来表示, 与共线相位匹配相比, 此时 (2) 中的波矢的大小应为式 (3) 和式 (4) 中的值乘以与它们相对应的非共线角度的正弦值或余弦值。
2 基于准相位匹配技术的光参量放大
图2是典型的宽带可调谐光参量放大实验装置图。实验中使用了两块PPKTP晶体, 为了实现共线光参量发生 (OPG) 和非共线光参量放大 (OPA) , 两块晶体的极化周期分别选为28μm (OPG) 和26.3μm (OPA) 。光参量发生和光参量放大过程中的泵浦光都由钛宝石放大器产生, 波长为823nm, 频率为1kHz, 半波全宽为1nm。生成的泵浦光通过12:88的分波器分别对OPG (12%) 和OPA (88%) 进行泵浦。共线光参量发生器可以产生超宽的种子光, 展宽范围为1 0 8 0 n m~3800nm。生成的种子光与泵浦光非共线入射到另一块PPKTP晶体上, 通过光参量放大过程产生可调谐的信号光输出。其中泵浦光和晶体x轴的夹角为22°, 与种子光间的夹角为3.6°。产生的信号光中心波长同OPA泵浦光时延的关系如图3 (a) 所示, 输出光谱图如图3 (b) 所示。从结果中可以看出, 仅通过调节泵浦光时延就可以实现1616nm~1100nm波长范围内的信号光调谐输出。当入射泵浦光的能量为86μJ时, OPA的转换效率为18%。
为了增强光谱控制和减小种子光的光谱带宽, 他们又对实验装置进行了改进, 如图4所示。通过使用零色散装置 (即傅立叶光谱滤波装置M F P) , 信号光可以在1080nm~1650nm范围内连续可调。
a) 放大信号光中心波长与O P (b) 输出光谱 (A泵浦时延间的关系
与共线光参量放大相比, 利用此种非共线的实验装置可以很容易的得到可调谐的信号光输出, 并且对参量光波间的群速度失配也有一定的补偿效果, 这也使得非共线光参量放大受到了人们更多的关注。
3 准相位匹配光参量放大的研究意义和前景
利用Q P M晶体来实现光参量放大是QPM技术的一个重要的应用领域。在传统的光参量放大实现方案中, 人们是利用双折射晶体的双折射效应来进行相位匹配的, 通过三波相互作用过程来实现波长的调谐, 不过这种方案存在着坡印延矢量走离、有效二阶非线性系数低、改变抽运光入射角困难等弱点。与双折射晶体相比, 在光参量过程中使用QPM晶体, 如周期极化铌酸锂 (PPLN) 晶体、周期极化KTP (PPKTP) 晶体等不仅可以克服由玻印亭矢量走离所引起的信号光质量的降低, 而且调谐范围几乎覆盖了晶体的整个通光波段, 最重要的是能够利用晶体的最大二阶非线性系数, 这样就可获得更高的增益和更大的转换效率。利用基于QPM晶体的光参量放大器可以对W D M通信系统中的光信号进行放大;此外还可以利用QPM晶体制备宽带连续可调的激光光源, 特别是超短脉冲光源, 它能为研究物理、化学、生物等学科的超快现象和超快过程以及强场与物质相互作用提供飞秒量级时间分辨率和高强电磁场, 使其在军事、医学、光通信以及光谱学研究等诸多领域都有重要的应用价值。因此, 对基于准相位匹配技术的光参量放大过程进行全面、系统、深入的研究有着非常重要的意义。
参考文献
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