专利名称：用自发辐射光源为辅助泵浦的增益位移型掺铥光纤放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤放大器；具体地说，涉及增益位移型掺铥光纤放大器的泵浦波长选择和光路设计。
背景技术：
目前，光传输系统向着更大容量、更高速率的方向发展；相应光放大器的研究也已经延伸到短波段(S-Band，1450-1520nm)和超长波段(UL-Band，1610-1670nm)。其中，S-Band内信号有低损耗(＜0.25dB/km)、低色散的特点，因此引起了人们的广泛重视。
目前，实现S-Band放大的光纤放大器主要有3种掺铥光纤放大器(TDFA)、掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)。铒离子的本征发射带宽为普通波段(C-Band，1530-1560nm)，因此作S-Band设计时需对EDFA的波导结构进行重新考虑；FRA能实现宽带放大，但泵浦转换效率较低，成本较高。
TDFA增益高，输出功率大以及可以接受的噪声指数，是实现S-band放大的首选方案。TDFA根据增益波段分为两种普通型掺铥光纤放大器(TDFA，放大范围是1455-1485nm，即S+-band)和增益位移型掺铥光纤放大器(GS-TDFA，放大范围是1480-1510nm，即S-band)。由于硅基光纤在S-band的色散和损耗低于S+-band，因此GS-TDFA已成为目前S-band放大器的主要研究方向。
实现GS-TDFA的泵浦组合方式有很多。其中，1400nm+1560nm是一种主要的应用方式。目前，1400nm泵浦激光器的制作工艺已很成熟；但1560nm泵浦激光器在市场上还比较匮乏，限制了这一泵浦组合的实际应用。
发明内容
实验中发现与只使用1400nm泵浦相比，采用1400nm与1560nm组合泵浦的S-band光放大器能获得更优良的噪声特性；用C-Band ASE(自发辐射)光源作辅助泵浦的TDFA可以弥补这一缺陷；实现GS-TDFA有很多种泵浦组合方式。为了获得高增益、低噪声的特性，采用新泵浦波长的组合，在获得性能优良的同时也简化了光路结构的设计。因此本发明的目的就是弥补市场上大功率1560nm半导体泵浦激光器匮乏的不足，提供一种用自发辐射光源为辅助泵浦的增益位移型掺铥光纤放大器(即一种用ASE光源为辅助泵浦的GS-TDFA)。
本发明的目的是这样实现的通过使用C-band ASE光源辅助泵浦，提高四能级Tm3+系统的基态吸收，从而提高粒子的反转度，改善GS-TDFA的噪声指数。在提高产品性能的同时也降低了产品的制造成本。
(1)理论分析Tm3+是一个四能级系统，能级结构图见图1。
其中3H4→3F4的受激辐射跃迁产生S-band放大。
在双波长泵浦时，1560nm泵浦使3H6→3F4，接着1400 nm泵浦使3F4→3H1。调节两泵浦波长的能量以控制Tm3+在各能级的分布，TDFA的放大带宽由S+-band移到S-band。
结合Tm3+的能级图，可以看出要想得到放大的S-band(1450~1500nm)信号输出，一般情况要分两步来实现第一步，通过基态吸收(GSA)使Tm3+跃迁到3F4；第二步，通过激发态吸收(ESA)使3F4上的Tm3+跃迁到更高的激发态3H4，实现上下能级的粒子数翻转(3H4-3F4)。
目前，实现S-band TDFA的泵浦波长组合方式有很多。不同的泵浦波长、不同的光路结构可能导致不同的泵浦转换效率和噪声特性。当TDF纤芯的掺Tm3+浓度约6000ppm时，由于掺杂浓度高，Tm3+靠得很近。处于3H4能级的Tm3+在自发辐射至3F4的过程中会把能量转移给与其邻近的基态Tm3+，而基态的Tm3+由于吸收能量被激发到3F4能级，即所谓的交叉弛豫过程。交叉弛豫使处于3F4能级的粒子数增多，低粒子数反转态得于形成，使增益谱向长波方向移动。使用高掺杂光纤时，主要采用1400nm(1047nm)主泵浦加1560nm辅助泵浦的组合方式。
试验中发现当辅助泵浦波长在1540nm-1560nm之间变化时，GS-TDFA的性能并没有明显的变化；同时，目前1560nm附近的半导体泵浦激光器技术还不够成熟。因此，我们在以上理论的指导下，设计了利用C-band ASE光源作为辅助泵浦的GS-TDFA。
(2)具体方案通常单级结构S-Band GS-TDFA的光路结构如图3所示，由输入信号A、输出信号B、光隔离器1、信号/泵浦合波器2、掺铥光纤3、泵浦合波器4、主泵浦5、辅助泵浦6组成。
这里采用的1400nm和1560nm泵浦激光器均是采用同向泵浦方式，当然也可采用反向泵浦或双向泵浦的方式。
辅助泵浦6的波长在1540nm-1560nm之间变化时，GS-TDFA的性能并没有明显的变化。
本发明的技术方案是①C-Band ASE泵源采用了掺铒光纤的ASE输出光作为泵浦。其典型结构由一个980nm或1480nm半导体泵浦激光器与合适长度的铒纤构成，具体结构如图4所示，由泵浦8、掺铒光纤9、耦合器10、反射镜11、输出泵浦12组成。
②本发明采用图4所示的C-Band ASE辅助泵源7替代图3中的1560nm辅助泵浦6，从而得到如图5所示的光路结构。
由于以C-Band ASE辅助泵源7替代1560nm泵浦6，使3F4上的Tm3+跃迁到更高的激发态3H4，实现上下能级的粒子数翻转(3H1-3F4)。
在以往的设计中，1560nm泵浦激光器可以通过光纤激光器或EDFA放大1560nm信号的方式来实现，这会导致复杂的光路结构和昂贵的成本。采用本发明提出的C-Band ASE辅助泵浦结构的GS-TDFA将使产品更富有竞争力。
同时，与1560nm辅助泵浦相比，C-Band ASE辅助泵浦对放大器的性能不会造成损伤，在适当条件下，还可能会在噪声特性方面有所改进。
测试不同光路结构GS-TDFA的性能，得到输出功率谱和噪声谱参见图6。
试验中采用了掺杂浓度为6500ppm(By weight)的氟化物掺铥光纤，长度为5m。
其中虚线表示486mW的1425nm泵浦和20.7dBm的1560nm泵浦；实线表示486mW的1425nm泵浦和17.95dB的C-band ASE泵浦。
本发明具有以下优点和积极效果
1)C-Band ASE辅助泵源采用很成熟的1480nm半导体泵浦激光器技术，制作简单可靠。
2)本发明光路结构简单，易于实现，在提高产品性能的同时，可以有效降低成本。
3)可以显著改善GS-TDFA的噪声指数特性。
图1为Tm3+的能级结构图；图中所示的泵浦波长对应着Tm3+吸收谱的峰值。
图2为双波长泵浦TDFA的能级图。
图3为采用1400nm与1560nm组合泵浦源的单级结构GS-TDFA的光路结构图。
图4为C-Band ASE辅助泵源光路结构图。
图5为采用1400nm与C-Band ASE组合泵浦源的单级结构GS-TDFA的光路结构图。
图6为使用双波长泵浦源1420nm+1560nm或1420nm+C-band ASE，测量的单级结构GS-TDFA的增益谱和噪声指数图。
其中A-输入信号；B-输出信号；1-光隔离器；2-信号/泵浦合波器；3-掺铥光纤，即氟化物掺铥光纤；4-泵浦合波器；5-主泵浦，或为1400nm(1400nm-1420nm)主泵浦带，或为1050nm主泵浦；6-辅助泵浦，一种1560nm辅助泵浦；7-C-Band ASE辅助泵源；
8-泵浦，或980nm泵浦，或1480nm泵浦9-掺铒光纤，其长度为11m±2m10-耦合器，或为980nm/1550nm耦合器，或为1480nm/1550nm耦合器；11-反射镜；12-输出泵浦。
具体实施例方式
如图3，在单级结构GS-TDFA的光路结构中，用C-band ASE辅助泵源7替代1560nm辅助泵浦6得到图5所示的新型GS-TDFA组合泵浦。
在相同的泵浦方式(均为同向泵浦)和泵浦功率条件下，分别应用图3和图5所示的光路结构进行GS-TDFA测试，所得的结果见图6。其中虚线表示486mW的1425nm泵浦和117mW的1560nm泵浦；实线表示486mW的1425nm泵浦和62mW的C-band ASE泵浦。由比较可见，适当条件下，相对于1560nm泵浦而言，C-bandASE光源辅助泵浦有利于进一步降低GS-TDFA的噪声指数。
同时，我们对辅助泵浦还进行了反向配置的实验。实验发现其作用与1560nm辅助泵浦功能相当。
经过大量的实验验证，本发明的设计方案是切实可行的。
权利要求
1.一种用自发辐射光源为辅助泵浦的增益位移型掺铥光纤放大器，包括通用单级结构S-Band GS-TDFA的光路结构，由输入信号(A)、输出信号(B)、光隔离器(1)、信号/泵浦合波器(2)、掺铥光纤(3)、泵浦合波器(4)、主泵浦(5)、辅助泵浦(6)组成；还包括C-Band ASE辅助泵源(7)，由泵浦(8)、掺铒光纤(9)、耦合器(10)、反射镜(11)、输出泵浦(12)组成；其特征在于用C-Band ASE辅助泵源(7)替代1560nm辅助泵浦(6)；泵浦(8)或为980nm泵浦，或为1480nm泵浦；耦合器(10)或为980nm/1550nm耦合器，或为1480nm/1550nm耦合器；掺铒光纤(9)的长度为11m+2m
全文摘要
本发明公开了一种用自发辐射光源为辅助泵浦的增益位移型掺铥光纤放大器，涉及一种光纤放大器；具体地说，涉及增益位移型掺铥光纤放大器的泵浦波长选择和光路设计。本发明主要利用1400nm(1050)泵浦加C－band ASE辅助泵浦来改善增益位移型掺铥光纤放大器的性能；泵源采用了掺铒光纤的ASE输出光作为泵浦，由一个980nm或1480nm半导体泵浦激光器与长度为11m±2m的铒纤构成，具体结构由泵浦8、掺铒光纤9、耦合器10、反射镜11、输出泵浦12组成；本发明在提高产品性能的同时，并能够有效地降低产品的制造成本与系统的维护费用。
文档编号G02F1/39GK1556438SQ20031011168
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者何万晖, 付成鹏, 印新达, 龙浩, 江山 申请人:武汉光迅科技有限责任公司