專利名稱：基于折射率引導型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖通信技術領域，是一種采用新型增益介質的喇曼光纖放大器。
背景技術：
喇曼光纖放大器主要包括泵浦源和增益介質，通常采用大功率LD(半導體激光二極管)作為泵浦源和采用單模光纖作為增益介質。
近幾年來，隨著大功率半導體激光器制造技術的成熟，喇曼光纖放大器開始商用。喇曼光纖放大器有許多優點，例如增益不限于任何特定波長區，能用于摻鉺光纖放大器(EDFA)增益帶寬范圍之外的頻帶；利用多波長泵浦技術，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)在電信網的骨干網傳輸領域有了廣闊的應用前景。
但這種傳統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，其增益系數只有1.2e-8(m/W)，因此光信號很難得到高增益放大，泵浦光信號和弱光信號在經過普通單模光纖時，為了獲得一定的增益通常需要采用數百甚至數千米長的光纖，不利于器件的小型化還增加了產品成本，而為了實現信號的無損耗傳輸，則需要較高的泵浦功率(1W左右)，然而，高泵浦功率可能會對光傳輸系統造成硬件損傷，例如燒損接頭、焊點、造成光纖的慢性損傷等，而且隨著泵浦功率的增大，損傷出現的概率也將變高；傳統的喇曼光纖放大器利用了分布放大，噪聲系數極低的特點，但實現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)的過渡，不僅成本高昂，技術復雜，難度更高，而且使系統魯棒性下降，不易實現系統的平滑升級。
因此，亟需研發一種既能繼承傳統喇曼光纖放大器優點，又能實現高增益和分布式放大的喇曼光纖放大器，來取代傳統的摻鉺光纖放大器(EDFA)和喇曼光纖放大器(RFA)。
光子晶體(Photonic Crystal)的概念由E.Yablonovitch在研究抑制自發輻射時首次提出，光子晶體向人們展示了一種新的控制光子的機制，它完全不同于以往的利用全反射原理來引導光的傳輸。
光子晶體光纖(PCFphotonic crystal fiber)是基于光子晶體技術而研制的一種新型光纖，由纖芯和包層構成，包層采用石英，包層上規則地排列著空氣孔，纖芯由一個破壞包層周期性的缺陷態構成，這個缺陷態可以是空氣或者實心的石英。從光子晶體光纖的端面看，存在周期性的二維光子晶體結構，并且在光纖的中心有缺陷態，光便可以沿著缺陷態在光纖中傳輸。
纖芯是實心石英缺陷態的光子晶體光纖，也稱作折射率引導型光子晶體光纖(PCF)。在包層的空氣孔尺度不是太大時，其光傳輸機制也是基于全反射，雖然和傳統光纖的導光機制一樣，但是卻具有明顯優于傳統光纖的特性，從而給光通信技術的發展和應用帶來新的生機和活力。
傳統光纖的導光機制是通過全內反射來傳輸光，是通過在石英中摻雜不同的物質來控制包層和纖芯的折射率之差，從而實現光在光纖中的全內反射傳輸。而折射率引導型PCF的導光機制雖然也是基于全內反射效應，但包層空氣孔區域的折射率由空氣和石英的比例決定，可用有效折射率neff來表示，由于neff小于纖芯石英的折射率，所以會形成光在光纖中的全內反射傳輸。與普通光纖相比，折射率引導型PCF的包層和纖芯完全可以由一種物質構成，其纖芯和包層的折射率之差可以通過改變包層中空氣孔來控制，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，例如達到0.4。
結構上的差異使折射率引導型PCF和普通光纖相比有其自身的一些特點，可以通過改變其波導參數，如空氣孔直徑d和調制周期(兩空氣孔園心間的間距)Λ，以及空氣孔的排列方式，實現對色散、傳輸模式和偏振的控制。通過增大d/Λ，減小纖芯的芯徑，一方面可以提高對光的局限，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型光子晶體光纖中傳輸時，易于產生各種非線性效應，如四波混頻、受激喇曼散射、自相位調制、交叉相位調制等。
實用新型內容本實用新型通過分析當前喇曼光纖放大器的發展現狀，以及折射率引導型光子晶體光纖的一些特殊性質，將折射率引導型光子晶體光纖應用到喇曼放大器上。
本實用新型的目的是提供一種基于折射率引導型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，通過將折射率引導型光子晶體光纖應用到喇曼光纖放大器上，來提高喇曼光纖放大器的性能，使之既能繼承傳統喇曼光纖放大器的優點又能實現高增益和分立式放大的放大器，使所需的增益介質從數百、數千米降至數十米，從而可以大大減小器件的體積。
實現本實用新型目的的技術方案是一種基于折射率引導型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，包括由半導體激光器構成的泵浦源和由光纖構成的增益介質，泵浦源連接增益介質，其特征在于所述的增益介質是折射率引導型光子晶體光纖。
所述的折射率引導型光子晶體光纖，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。
本實用新型通過與光耦合器、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。
本實用新型充分利用了折射率引導型PCF的特點，并通過增大包層空氣孔直徑與調制周期之比(d/Λ)，將其應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是折射率引導型光子晶體光纖(PCF)橫截面結構示意圖；圖2是將本實用新型喇曼光纖放大器應用于前向泵浦方式的結構示意圖；圖3是將本實用新型喇曼光纖放大器應用于后向泵浦方式的結構示意圖；圖4是將本實用新型喇曼光纖放大器應用于雙向泵浦方式的結構示意圖；圖5是將本實用新型喇曼光纖放大器應用于對弱信號放大時的電路結構圖。
具體實施方式
本實用新型將傳統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型光子晶體光纖代替。本實用新型所使用的應用于喇曼光纖放大器中的折射率引導型光子晶體光纖的結構如圖1中所示。
應用于喇曼放大器的折射率引導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，如石英，但纖芯12中有摻雜，纖芯摻雜物質為鍺。圖中，d是包層空氣孔的直徑，Λ是調制周期，即兩空氣孔園心間的間距。讓d/Λ增大，如d/Λ＝0.9時可以獲得最佳的喇曼增益效果。對于確定的d/Λ，當纖芯12摻雜區域邊界內切第一圈空氣孔時，可以獲得最大的增益。
圖2至5中示出應用于各種泵浦方式的喇曼光纖放大器的結構。對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。
參見圖2，是前向泵浦方式的基于折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器結構，泵源位于折射率引導型光子晶體光纖之前。包括光耦合器21，光濾波器22，折射率引導型光子晶體光纖23和半導體激光器泵源24。25、26分別是基于折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器的光信號輸入端及光信號輸出端。
參見圖3，是后向泵浦方式的基于折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器結構，泵源位于折射率引導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，折射率引導型光子晶體光纖34和半導體激光器泵源35。36、37分別是基于折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器的光信號輸入端及光信號輸出端。
參見圖4，是雙向泵浦方式的基于折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器結構，在折射率引導型光子晶體光纖兩端均設有泵源，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，第一半導體激光器泵源45，第二半導體激光器泵源46，光濾波器44，和折射率引導型光子晶體光纖47。48、49分別是基于折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器的光信號輸入端及光信號輸出端。
參見圖5，圖中示出一個具體的實施例，采用前向泵浦方式。光耦合器51，光濾波器52，折射率引導型光子晶體光纖53，半導體激光器泵源54，偏振控制器55。輸入的弱信號光的光波長為1550nm，泵浦光源54的光波長為1450nm，所用的折射率引導型光子晶體光纖53長75m。
經檢測，甭浦光和弱信號光經過75m的折射率引導型光子晶體光纖53，增益高達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的普通光纖。
上述實施例中，光子晶體光纖與普通光纖存在耦合問題，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制，即模場失配、軸向偏差和菲涅爾反射，其中模場失配影響最大。
光子晶體光纖的模場分布強烈依賴于包層空氣孔直徑d、空氣孔間隔L、和波長λ，而階躍折射率光纖的高斯型模場分布由纖芯與包層的折射率差決定。要克服模場失配造成的耦合損耗，則被耦合的兩個模場應完全重合。通過對光纖模場分布的研究，發現躍折射率光纖的折射率差在一定范圍內，同時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，可使兩種光纖的模場分布重合95％以上。這一研究結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，在進行光子晶體光纖設計時，除了要滿足光纖自身性能的要求以外，還應符合與普通單模光纖耦合的規范。
目前，市場上所銷售的光子晶體光纖產品，因其尾端已經與普通光纖耦合，可以直接將其應用在基于折射率引導型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器中。
本實用新型的基于折射率引導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結構的喇曼光纖放大器比較，采用折射率引導型光子晶體光纖的喇曼光纖放大器，需要的折射率引導型光子晶體光纖長度僅為幾十米，從而具有了實現器件小型化和集成化的優勢，并能取得良好的經濟效益。另外，因為所需光纖很短，還為組建光纖網絡提供了靈活性。
權利要求1.一種基于折射率引導型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，包括由半導體激光器構成的泵浦源和由光纖構成的增益介質，泵浦源連接增益介質，其特征在于所述的增益介質是折射率引導型光子晶體光纖。
2.根據權利要求1所述的放大器，其特征在于所述的折射率引導型光子晶體光纖，包層空氣孔的直徑與空氣孔間距之比為0.9。
3.根據權利要求1所述的放大器，其特征在于所述的折射率引導型光子晶體光纖，包層與纖芯均采用石英，纖芯石英中摻雜有鍺。
4.根據權利要求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輸入端，光耦合器另一輸入端連接半導體激光器，光耦合器輸出端連接折射率引導型光子晶體光纖一端，折射率引導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輸出端。
5.根據權利要求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體激光器間。
6.根據權利要求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輸入端，光隔離器另一端連接折射率引導型光子晶體光纖一端，折射率引導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輸出端。
7.根據權利要求1所述的放大器，其特征在于所述的半導體激光器包括第一半導體激光器和第二半導體激光器；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體激光器，第一光耦合器輸出端連接折射率引導型光子晶體光纖一端，折射率引導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輸出端。
專利摘要本實用新型涉及一種基于折射率引導型光子晶體光纖的分立式喇曼光纖放大器，通過將折射率引導型光子晶體光纖應用到喇曼光纖放大器上，來提高喇曼光纖放大器的性能，使之既能繼承傳統喇曼光纖放大器的優點又能實現高增益和分立式放大的放大器，使所需的增益介質從數百、數千米降至數十米，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體激光器構成的泵浦源和由折射率引導型光子晶體光纖構成的增益介質，泵浦源連接增益介質。本實用新型通過與光耦合器、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G02F1/35GK2713510SQ20042007262
公開日2005年7月27日 申請日期2004年6月25日 優先權日2004年6月25日
發明者李安儉, 馬劍, 侯玉娟, 余重秀 申請人:北京郵電大學