一种基于光纤参量放大的高增益放大装置及放大方法与流程

本发明涉及一种基于光纤参量放大的高增益放大装置及放大方法，属于通信光放大。

背景技术：

1、光纤通信系统是全球化信息通信技术产业的核心，超高速、超长距离传输一直是光纤通信所追求的目标，但光纤损耗、色散和非线性效应限制了它的发展。因此，光放大器成为了决定光纤通信系统的能力、特性和性能及其限制的重要部件之一。传统的光放大器，如edfa(erbium-doped fiber amplifier，掺铒光纤放大器)、soa(semiconductor opticalamplifier，半导体光放大器)和拉曼放大器，已经广泛应用于当今的光纤通信系统中。但不断增长的社会需求，新型应用的爆炸性增长激发了对传输容量、处理速度和能力的要求，这些要求对应于光纤通信，则是对更大带宽和更高频谱效率的需求。

2、近年来，随着wdm(wavelength division multiplexing，波分复用)技术的发展，通过开发更多的光带宽，即更多的wdm通道，可以增加可用于数据传输的光谱带宽，从而使链路容量得到实质性的提高。因此，大量wdm信道已经在c波段之外被开发，例如l波段和s波段。然而传统的光放大器，由于自身带宽限制于c波段内，已经无法满足wdm通道的需求，而且其自身附带的ase(amplifier spontaneous emission，放大器自发辐射)噪声也会影响光纤通信系统的传输质量。基于fwm(four-wave mixing,四波混频)的fopa(fiber-opticparametric amplifier,光纤参量放大器)能够根据相位匹配条件，将能量从泵浦转移到指定的信号光或闲频光上，其增益谱的工作带宽可以扩展到几十甚至超过几百纳米，可以覆盖整个s波段、c波段和l波段以及更宽的光谱范围，并且其极低的噪声系数在放大光信号的同时，可以以最低限度引入额外的噪声，非常有利于基于wdm的现代光纤通信系统。随着hnlf(highly nonlinear fiber，高非线性光纤)和波长可调谐窄线宽激光器的实用化，光纤参量放大器的性能也逐步完善，在高增益系数、宽增益谱和低噪声系数等方面均有杰出的表现。尤其是双泵浦光纤参量放大，通过两个泵浦源，可以产生更宽、更平坦的增益谱，这种宽带特性使得双泵浦参量放大器在光通信和光传感等领域中有着广泛的应用。

3、但是在双泵浦光纤参量放大中，当入射光经过hnlf后，由于发生多级fwm，会对入射的光波进行调制，因而出射信号中会出现诸多谐波，这些谐波会影响泵浦光转换为信号光的能量转换效率。尤其是当两个泵浦间隔较小时，多级fwm效果明显，泵浦光的大部分能量会转换到高阶谐波上，使得信号增益出现明显的衰减。而如果将两个泵浦的间隔增大，又难以解决两个泵浦的相位相关问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光纤参量放大的高增益放大装置及放大方法，可以补偿在多波模型下的双泵浦光纤参量放大中，两泵浦间隔较小时产生的增益衰减，并且在小泵浦间隔处，可以更好地实现相位相关，满足相位匹配条件，提升非线性效应效率，以获得更高的参量放大增益。

2、本发明的技术解决方案是：一种基于光纤参量放大的高增益放大装置，包括若干波长可调谐激光器、若干高阶谐波补偿光源、信号光源、若干相位调制器、若干偏振控制器、掺铒光纤放大器、若干带通滤波器、若干二合一光耦合器、wdm耦合器、高非线性光纤；

3、波长可调谐激光器、相位调制器、偏振控制器依次连接，构成第一子光路，两个第一子光路并联，其后依次连接二合一光耦合器、掺铒光纤放大器和带通滤波器，构成第一光路；其中，波长可调谐激光器用于提供泵浦光源并输出至相位调制器；相位调制器用于调制泵浦光源并输出至偏振控制器，抑制后续进入高非线性光纤时的受激布里渊散射；偏振控制器，用于调节泵浦光、信号光以及高阶谐波补偿光的偏振方向，保证其偏振方向一致，获得最大的四波混频效率；二合一光耦合器用于将来自两路光合并到一路光纤中；

4、高阶谐波补偿光源、相位调制器、偏振控制器依次连接，构成第二子光路，两个第二子光路并联，其后连接二合一光耦合器，构成第二光路；其中，高阶谐波补偿光源用于补偿光的偏振方向；

5、信号光源、偏振控制器连接构成第三光路；其中，信号光源用于提供待放大的信号光波；

6、第一光路、第二光路、第三光路并联，其后依次连接wdm耦合器、高非线性光纤、带通滤波器；其中，wdm耦合器用于将三束光纤中不同波长的光合束到一束光纤中；高非线性光纤用于对输入的光产生四波混频的非线性效应；带通滤波器用于滤除由掺铒光纤放大器引入的放大器自发辐射噪声。

7、一种根据所述的一种基于光纤参量放大的高增益放大装置实现的高增益放大方法，包括：

8、根据多波光纤参量放大模型，通过相位调制器抑制高非线性光纤中的受激布里渊散射；

9、预先在高阶谐波注入能量，补偿泵浦光、信号光和高阶谐波之间的非线性效应，将泵浦光、信号光和高阶谐波经耦合器送入高非线性光纤发生多级四波混频效应；

10、由偏振控制器调节泵浦光、信号光以及高阶谐波补偿光的偏振方向；

11、由带通滤波器滤除噪声以获得最终的放大信号。

12、进一步地，所述多波光纤参量放大模型，多波光纤参量放大模型为七波模型，具体为

13、

14、

15、

16、

17、

18、

19、

20、其中，a0是信号光，a1、a2为泵浦光，a3、a4、a5、a6为高阶谐波，α为光纤的衰减常数，γ为非线性系数，z为光纤长度，i为虚数单位，＊表示复共轭，δβ为光纤色散引起的线性相位失配，δβ的多个不同下标表示七波模型中与相位匹配有关的光束编号。

21、进一步地，所述光纤色散引起的线性相位失配为

22、δβ0012＝β(ω0)+β(ω0)-β(ω1)-β(ω2)

23、其中，β(ω0)为初始信号光频率ω0对色散系数β进行泰勒展开，分别得到色散系数β(ω1)、色散系数β(ω2)；0012表示频率为ω0的光和频率为ω1和ω2的光发生四波混频作用。

24、进一步地，高阶传播常数通过光纤的色散系数进行计算，为

25、

26、

27、

28、其中，λ为对应光波的波长，d为光纤色散系数，dλ为光纤色散斜率，c为光速。

29、进一步地，所述预先在高阶谐波处注入能量，包括：

30、预先在高阶谐波a5、a6注入能量，首先，产生发生于a5、a0、a6之间的四波混频效应，实现对信号光a0的光纤参量放大；

31、其次，进入高非线性光纤时产生发生于a5、a3、a1和a6、a4、a2之间的四波混频效应，实现对高阶谐波a3和a4的参量放大作用。

32、进一步地，当高阶谐波a3和a4具有一定能量后，促进43、a0、a4之间的四波混频效应，实现对信号光a0的光纤参量放大，以及补偿对泵浦光a1、a2的能量损失，实现a1、a2、a0之间对信号光的参量放大。

33、进一步地，所述预先在高阶谐波处注入能量，包括：

34、预先在高阶谐波a3、a4注入能量，首先产生高阶谐波a3、a4与信号光a0之间的四波混频效应，实现对信号光a0的光纤参量放大；

35、进一步地，进入高非线性光纤时发生于a3、a1、a0和a4、a2、a0之间的四波混频效应，对信号光a0的实现参量放大，以及补偿对泵浦光a1、a2的能量损失，实现a1、a2、a0之间对信号光的参量放大。

36、进一步地，所述预先在高阶谐波处注入能量，包括：

37、同时预先在高阶谐波a3、a4、a5、a6中注入能量，补偿泵浦光、信号光和高阶谐波之间的四波混频效应，实现对信号光a0的高增益参量放大。

38、本发明与现有技术相比的优点在于：

39、(1)补偿基于多波模型下，双泵浦参量放大在小泵浦间隔处的增益衰减；

40、(2)通过合理设置实验参数，可以在小泵浦间隔处获得更高的信号增益，实现高增益光纤参量放大；

41、(3)更小的泵浦间隔可以更好地实现相位相关，满足相位匹配条件，以提升非线性效应效率。