一种多模场参量放大方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，涉及多模模场构造下的光纤参量放大增益谱，具体是 指一种多模场光纤参量放大方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着计算机网络和各类新型数据传输业务的迅猛发展，人们对通信容量 和带宽的需求进一步提高。光纤参量放大器（FOPA)日益受到关注，尤其是在高速高容量的 新一代传输网络中具有广阔的应用前景。FOPA之所以越来越受到关注，是因为它跟掺铒光 纤放大器（EDFA)与光纤拉曼放大器（FRA)这两种已经商用的放大器相比，具有以下优势：
[0003] 增益带宽极宽（300nm以上，远远超过C波段，L波段，S波段范围），理论上可实 现全光波长的光放大；信号增益非常高（超过50dB)，如果在小信号近似的情况下，那么增 益与光纤的有效长度、栗浦光功率以及光纤的非线性系数的乘积是成指数关系的；能打破 3dB的量子噪声极限；能够抑制高速光传输码型的相位噪声和幅度噪声，实现信号再生，改 善整个系统的传输性能；能够产生闲频光，进而用于波长转换；对于相位特别敏感，能够通 过相敏光放大器（PSA)完成OdB的自发辐射噪声放大；具有透明于信号光的调制格式与比 特率。
[0004] 因此，光纤参量放大器凭借它自身的优越性，在未来的全光通信领域中具有非常 广阔的应用空间，在它的影响下，光通信领域快速向前发展。
[0005] 基于成本的优势，多模光纤布线系统明显优于单模光纤布线系统。因而，在传输速 率增长需求和较低成本解决方案的共同推动下，基于以太网的数据网络中，多模光纤的应 用将会愈发普遍。随着基于多模光纤的光器件成本的逐步降低和客户对高带宽的需求，多 模光纤将长期被使用且其用量会逐渐增加，全球各地区多模光纤的用量也将与日倶增。而 随着多模光纤的应用也越来越广泛，多模光纤中的参量放大也将向前发展。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种多模场光纤参量放大方法，可以更加精确地研究光纤中的参量放 大。所述的多模场光纤参量放大方法，是一种在多模光纤中多个模式进行耦合的参量放大 方法，基于多模光纤，通过考虑多个模式之间的耦合作用，主要利用多个模式之间的能量传 递和影响，最终得到多模光纤中的参量放大增益。
[0007] 所述的多模场光纤参量放大方法，具体包括如下步骤：
[0008] 第一步，在多模光纤中有η个模式1，2, 3, ···]!，η个模式分别由相应的栗浦光源和 信号光源产生栗浦光和信号光。
[0009] 第二步，栗浦光和信号光通过耦合器耦合进入高非线性光纤，在高非线性光纤中， 不同光场在介质中相互作用，在不同于入射波长处产生新频率的光波，由于四波混频效应 激发出的新频率的光波中有一部分与输入的信号光频率一样，这些新频率的光波累加在注 入的信号光上，完成了光纤中入射信号光的参量放大。而在栗浦光另一侧也产生了很强的 一束光，叫做闲频光。一般情况下，信号光、栗浦光和闲频光之外的其它频率的光波都不是 很强，通常能够略去。由于模式之间有能量传递，所以模式之间是相互影响的。模式耦合的 具体关系为：对于η个模式的情况，对于第m个模式有：
[0011] 其中，Ani(Z)为第m个模式在z处的复振幅，Ak(Z)为第k个模式在z处的复振幅， Pni为第m个模式的传输常数，Knik为第k个模式对第m个模式的耦合系数，m= 1，2,…n， k = 1，2，…n。z为光纤模式的传输距离，z = 0就是光纤模式的起始点。
[0012] 第三步，各个模式经过模式分离器分离开来。栗浦光源发出的栗浦光、信号光源发 出的信号光以及产生的闲频光需要满足相位匹配条件：
[0013] Ak = ks+ki-2kp= (n s ω ^ni ω ~2ην ω ρ) /c = 0,
[0014] 其中，ks、kp kp分别为信号光、闲频光、栗浦光的波矢，η s、η;、ηρ分别为信号光、闲 频光、栗浦光在高非线性光纤中的折射率，《s、ωι、ωρ分别为信号光、闲频光、栗浦光在高 非线性光纤中的频率，c为光速。
[0015] 即需要严格控制频率、折射率等条件使Ak达到零，这时候是严格的相位匹配。
[0016] 第四步，最终通过光带通滤波器将信号光提取出来，送入接收机。
[0017] 本发明的优点在于：
[0018] 1.将参量放大运用到多模光纤中，能够节约光纤系统的成本。
[0019] 2.通过考虑多模光纤模式之间的耦合作用，提供一种更加精确地研究多模光纤参 量放大的方法。
【附图说明】
[0020] 图1为两个模式耦合的参量放大传输系统示意图；
[0021] 图2为参量放大模场构造流程图；
[0022] 图3为多个（6个）模式耦合的参量放大传输系统图。
【具体实施方式】
[0023] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面的例子会对本发明进一 步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0024] 在一个带有参量放大器的多模光纤传输系统中，考虑2个模式的耦合。整个传输 系统如图1所示。所述系统包括两个模式下的栗浦光源和信号光源、三个耦合器、高非线性 光纤（HNLF)和光带通滤波器。栗浦光源发出栗浦光，信号光源发出信号光。模式1中的栗 浦光和信号光经过第一耦合器耦合，模式2中的栗浦光和信号光经过第二耦合器耦合，两 路耦合后的光经过第三耦合器耦合，通过高非线性光纤HNLF进行参量放大，然后经过光带 通滤波器，得到被放大的信号光。各阶段对应的栗浦光和信号光的直观信号强度表示如图 1所示。
[0025] 下面是多模光纤参量放大器FOPA传输系统中模式耦合放大的具体过程，结合图 2,具体步骤为：
[0026] 步骤一、多模式下栗浦光和信号光产生。
[0027] 多个模式下的栗浦光源（简称栗浦源）和信号光源（简称信号源）分别产生特定 频率和功率的栗浦光和信号光。如图3所示，模式1由栗浦源301产生栗浦光，信号源201 产生信号光；模式2由栗浦源302产生栗浦光，信号源202产生信号光；......，模式6由栗 浦源306产生栗浦光，信号源206产生信号光。
[0028] 步骤二、多模式下栗浦光和信号光耦合。
[0029] 每个模式下的栗浦光和信号光分别由親合器親合到一起。親合器101将模式1的 栗浦光和信号光親合到一起，親合器102将模式2的栗浦光和信号光親合到一起，......，親 合器106将模式6的栗浦光和信号光親合到一起。
[0030] 步骤三、多个模式的光耦合。
[0031] 親合器4将多个模式的光親合到一起。
[0032] 步骤四、高非线性光纤中的参量放大。
[0033] 经过耦合器4耦合后的栗浦光和信号光进入高非线性光纤HNLF，在高非线性光纤 中，这些光场在介质中相互作用，在不同于入射波长处由于四波混频效应激发产生新频率 的光波，新频率的光波中有一部分与输入的信号光频率一样，这部分新频率的光波累加在 注入的信号光上，完成了光纤中入射信号光的参量放大。而在栗浦光另一侧也产生了很强 的一束光，叫做闲频光。一般情况下，信号光、栗浦光和闲频光之外的其它频率的光波都不 是很强，通常能够略去。由于模式之间有能量传递，所以模式之间是相互影响的。根据模式 耦合理论，任意两个模式1和模式2的耦合关系为：
[0036] 其中，A1 (z)和A2 (z)分别为第1个模式和第2模式在尚非线性光纤上传输位置z 处的复振幅，A1(O)和A2(O)分别为第1个模式和第2模式在进入高非线性光纤时起始位置 的复振幅，β :和β 2分别为模式1和模式2的传输常数，κ 12为模式2对模式1的親合系 数，κ 21为模式1对模式2的耦合系数。ζ为光纤模式的传输距离，ζ = 0就是光纤模式的 起始点。
[0037] 步骤五、模式分尚器将各个模式分尚。
[0038] 栗浦光源发出的栗浦光、信号光源发出的信号光以及产生的闲频光需要满足相位 匹配条件：
[0039] Ak = ks+ki-2kp= OisCOirHniC^-SnpCopVc = 0,即需要严格控制频率、折射率等条 件使A k达到零。Δ k为波矢失配，ks、kp kp分别为信号光、闲频光、栗浦光的波矢，n s、叫、 np分别为信号光、闲频光、栗浦光在高非线性光纤中的折射率，ω s、ωι、ωρ分别为信号光、 闲频光、栗浦光在高非线性光纤中的频率，c为光速。
[0040] 步骤六、光带通滤波器提取信号光。
[0041] 光带通滤波器将各个模式中的信号光提取出来。模式1经过光带通滤波器801提 取出信号光501，模式2经过光带通滤波器802提取出信号光502，……，模式6经过光带 通滤波器806提取出信号光506。
[0042] 步骤七、信号光送入接收机。
[0043] 最终经光带通滤波器提取出的信号光501、502、……、506都被送入接收机。
【主权项】
1. 一种多模场参量放大方法，其特征在于：具体包括如下步骤， 第一步，在多模光纤中有η个模式1，2,3，. ..n，n个模式分别由相应的栗浦光源和信号 光源产生栗浦光和信号光； 第二步，栗浦光和信号光通过耦合器耦合进入高非线性光纤，在高非线性光纤中，不同 光场在介质中相互作用，在不同于入射波长处由于四波混频效应激发产生新频率的光波， 新频率的光波中有一部分与输入的信号光频率一样，这些新频率的光波累加在注入的信号 光上，完成了光纤中入射信号光的参量放大；而在栗浦光另一侧产生闲频光，对于η个模式 的情况任意两个模式之间的耦合关系为：对于第m个模式有：其中，Α?为第m个模式在高非线性光纤中传输到距离z处的复振幅，Ak(z)为第k个 模式在高非线性光纤中传输到距离z处的复振幅，β"为第m个模式的传输常数，K为第k 个模式对第m个模式的親合系数，m= 1，2, ...n，k= 1，2, ...η; 第三步，各个模式经过模式分离器分离开来；栗浦光源发出的栗浦光、信号光源发出的 信号光以及产生的闲频光需要满足相位匹配条件： Δk=ks+k1-2kp=(nsωs+niωωp)/c =Ο, 其中，ks、kp<分别为信号光、闲频光、栗浦光的波矢，ns、ni、np分别为信号光、闲频光、 栗浦光在高非线性光纤中的折射率，us、ωι、ωρ分别为信号光、闲频光、栗浦光在高非线性 光纤中的频率，c为光速； 第四步，最终通过光带通滤波器将信号光提取出来，送入接收机。
【专利摘要】本发明公开了一种多模场参量放大方法，属于通信技术领域。在多模光纤中，n个模式分别由相应的泵浦光源和信号光源产生泵浦光和信号光，泵浦光和信号光通过耦合器耦合进入高非线性光纤，各个模式经过模式分离器分离开来；最终通过光带通滤波器将信号光提取出来，送入接收机。本发明将参量放大运用到多模光纤中，能够节约光纤系统的成本；通过考虑多模光纤模式之间的耦合作用，提供一种更加精确地研究多模光纤参量放大的方法。
【IPC分类】G02F1/39, G02F1/365
【公开号】CN105259727
【申请号】CN201510778700
【发明人】张丽佳, 忻向军, 刘博 , 张琦, 王拥军, 尹霄丽, 张颖, 田清华, 田凤, 李博文
【申请人】北京邮电大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月13日