基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大器、方法及系统

本发明涉及光纤放大和光通信，尤其涉及一种基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大器、方法及系统。

背景技术：

1、随着云计算、人工智能、数据中心互联以及机器间通信业务的持续发展，光纤通信系统对传输容量和可用光谱带宽提出了更高要求。现有商用光纤通信系统主要采用掺铒光纤放大器对c波段和l波段信号进行放大，而标准石英光纤的低损耗传输窗口还包括o波段、e波段和s波段。为了在不更换既有光纤传输基础设施的情况下进一步提升单根光纤的可用带宽，需要对传统掺铒光纤放大器难以有效覆盖的波段进行光信号放大。

2、现有非c波段和l波段光放大技术主要包括拉曼光纤放大、半导体光放大、光纤参量放大以及掺杂光纤放大。拉曼光纤放大器可以通过调节泵浦波长改变工作波段，但通常需要较高的泵浦功率，且系统结构和噪声控制较为复杂；半导体光放大器体积较小，但存在输出功率、噪声、偏振敏感性及非线性失真等方面的限制；光纤参量放大器能够获得较宽的工作带宽，但需要高功率泵浦以及严格的相位匹配条件。相比之下，铋相关活性中心具有较宽的近红外吸收带和发射带，采用铋掺杂光纤作为增益介质，能够在1.4微米附近形成相应的光增益，为e波段和s波段信号光的放大提供增益基础。

3、按照泵浦光的注入方式，铋掺杂光纤放大器主要分为纤芯泵浦型和包层泵浦型。纤芯泵浦型放大器通常通过波分复用器将单模泵浦光和待放大信号光共同耦合至铋掺杂光纤的纤芯，使泵浦光、待放大信号光和铋相关活性中心具有较高的空间重叠度。该种泵浦方式能够获得较高的泵浦利用率，但通常依赖特定波长的高亮度单模泵浦源，泵浦源的输出功率、成本和供应条件会限制放大器的功率扩展。部分宽带放大方案还需要设置多个不同波长的泵浦源，或者采用双向泵浦、双程放大及多级放大结构，增加了光学器件数量和光路复杂程度。

4、包层泵浦型放大器采用双包层铋掺杂光纤，将多模泵浦光耦合至双包层铋掺杂光纤的内包层，将待放大信号光耦合至双包层铋掺杂光纤的纤芯。多模泵浦光在内包层中传播并多次经过纤芯，逐步被纤芯中的铋相关活性中心吸收，从而对在纤芯中传播的待放大信号光进行受激辐射放大。该种泵浦方式能够采用输出功率较高的多模半导体激光器，但由于内包层的有效面积大于纤芯面积，多模泵浦光与纤芯中铋相关活性中心的平均空间重叠度较低，需要根据双包层铋掺杂光纤的包层吸收特性合理设置增益光纤长度。增益光纤长度过短时，部分多模泵浦光可能未被充分吸收；增益光纤长度过长时，则可能增加传输损耗、非线性效应以及光纤盘绕和封装难度。

5、在包层泵浦放大过程中，双包层铋掺杂光纤的输出端还可能存在未被吸收的残余包层泵浦光。若残余包层泵浦光继续进入后续输出光路，可能造成泵浦光泄漏及输出端局部热量积累。与此同时，双包层增益光纤与普通单模输出光纤在纤芯直径、模场直径、数值孔径及包层结构等方面可能存在差异，直接连接容易产生模场失配和附加传输损耗，并可能激发高阶模式。输出端的端面反射或外部反馈还可能沿光路返回增益光纤，对放大过程产生干扰。因此，包层泵浦光放大链路还需要同时处理残余包层泵浦光剥除、双包层光纤与单模输出光纤之间的模场过渡以及输出端反射光隔离等问题。现有方案对上述器件的连接顺序和协同配置考虑不足，难以在同一连续全光纤放大链路中兼顾残余泵浦管理、传输模式过渡和输出光单向传输。

6、此外，双包层光纤与单模光纤之间的结构和材料差异会增加异种光纤熔接的难度。熔接参数设置不当容易造成熔接区域插入损耗增大、机械强度降低或包层泵浦光向外泄漏。较长的双包层铋掺杂光纤在盘绕和封装过程中还可能出现局部弯曲、光纤交叉、轴向拉伸以及应力集中，放大过程中产生的热量也可能在增益光纤、包层泵浦光剥除器及熔接区域积累，从而影响全光纤放大链路的长期运行状态。

7、现有铋掺杂光纤放大器大多针对连续弱信号的小信号增益、噪声系数或通信传输性能进行设计。对于由多个随机超短子脉冲组成的类噪声脉冲信号光，其自相关曲线通常包括窄相干尖峰和承载该窄相干尖峰的宽基底，在增益光纤中传播时会同时受到增益谱、增益饱和、自相位调制、色散以及放大自发辐射等因素影响。现有技术尚缺少一种结构相对简单的单级、单程全光纤放大链路，既能够对e波段或s波段的连续单模信号光进行放大，又能够对类噪声脉冲信号光进行受激辐射放大和非线性光谱展宽。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中铋掺杂光纤放大器依赖特定波长的高亮度单模泵浦源，难以兼顾多模包层泵浦光的有效吸收、残余包层泵浦光剥除、双包层光纤与单模光纤之间的模场过渡及输出反射光隔离，并且难以利用单级、单程的全光纤放大链路兼容连续单模信号光与类噪声脉冲信号光放大的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大器，包括：

3、放大信号输入端、多模半导体激光器、泵浦信号合束器、标准双包层光纤、双包层铋掺杂光纤、包层泵浦光剥除器、模场适配器、输出光隔离器以及放大信号输出端；

4、所述泵浦信号合束器包括合束器泵浦输入端、合束器信号输入端和合束器公共输出端，所述多模半导体激光器与所述合束器泵浦输入端连接，所述放大信号输入端与所述合束器信号输入端连接，所述合束器公共输出端与所述双包层铋掺杂光纤的输入端连接；

5、所述泵浦信号合束器、所述双包层铋掺杂光纤、所述包层泵浦光剥除器和所述模场适配器沿光信号传输方向依次设置，相邻两者之间通过标准双包层光纤连接，所述模场适配器的输出端与所述输出光隔离器的输入端连接，所述输出光隔离器的输出端与所述放大信号输出端连接，构成全光纤放大链路；

6、所述双包层铋掺杂光纤包括纤芯、包围所述纤芯的内包层以及包围所述内包层的外包层，所述合束器公共输出端通过标准双包层光纤分别与所述纤芯和所述内包层光耦合，所述泵浦信号合束器用于将经所述合束器信号输入端输入的待放大信号光耦合至所述纤芯，并将所述多模半导体激光器输出的多模泵浦光耦合至所述内包层；

7、其中，所述多模泵浦光的波长位于所述双包层铋掺杂光纤的包层吸收带内。

8、在本发明的一个实施例中，所述全光纤放大链路为单级、单程的全光纤放大链路，所述待放大信号光在所述全光纤放大链路中单次通过所述双包层铋掺杂光纤；

9、所述纤芯为用于以单模方式传输所述待放大信号光的单模纤芯；

10、所述待放大信号光为连续单模信号光或类噪声脉冲信号光，所述连续单模信号光和所述类噪声脉冲信号光的中心波长位于e波段或s波段。

11、在本发明的一个实施例中，所述包层泵浦光剥除器与所述模场适配器之间通过双包层输出光纤连接，所述模场适配器与所述输出光隔离器之间通过单模输出光纤连接；

12、所述模场适配器包括与所述标准双包层光纤连接的双包层光纤端以及与所述单模输出光纤连接的单模光纤端；

13、所述输出光隔离器的正向传输方向与所述待放大信号光由所述双包层铋掺杂光纤向所述放大信号输出端传输的方向一致。

14、在本发明的一个实施例中，所述双包层铋掺杂光纤与所述标准双包层光纤之间采用电弧熔接方式连接，形成熔接区域，所述双包层铋掺杂光纤与所述标准双包层光纤之间的单个熔接点的插入损耗不高于0.05分贝；

15、所述熔接区域外部包覆低折射率胶，所述低折射率胶与所述熔接区域处的光纤外包层相接触，所述低折射率胶固化后的折射率为1.31至1.35。

16、在本发明的一个实施例中，所述双包层铋掺杂光纤在所述包层吸收带内具有包层吸收系数；

17、所述双包层铋掺杂光纤在所述合束器公共输出端与所述包层泵浦光剥除器之间连续设置，所述双包层铋掺杂光纤的长度根据所述包层吸收系数确定。

18、在本发明的一个实施例中，所述多模半导体激光器为中心波长为808纳米的多模泵浦半导体激光器，所述多模泵浦半导体激光器的最大泵浦功率为36瓦；

19、所述泵浦信号合束器为（2+1）×1型泵浦信号合束器，所述（2+1）×1型泵浦信号合束器包括两个所述合束器泵浦输入端、一个所述合束器信号输入端和一个所述合束器公共输出端。

20、在本发明的一个实施例中，还包括光纤盘和散热块，所述光纤盘设置于所述散热块上，所述双包层铋掺杂光纤逐圈盘绕于所述光纤盘内，所述双包层铋掺杂光纤的盘绕直径不小于所述双包层铋掺杂光纤允许的最小弯曲直径，相邻光纤圈在所述光纤盘内依次排列。

21、基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大方法，利用所述基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大器实现，包括：

22、将待放大信号光经放大信号输入端输入泵浦信号合束器的合束器信号输入端，将多模半导体激光器输出的多模泵浦光输入所述泵浦信号合束器的合束器泵浦输入端，其中，所述多模泵浦光的波长位于双包层铋掺杂光纤的包层吸收带内；

23、通过所述泵浦信号合束器将所述待放大信号光和所述多模泵浦光输出至标准双包层光纤，经所述标准双包层光纤传输后，将所述待放大信号光耦合至所述双包层铋掺杂光纤的纤芯，将所述多模泵浦光耦合至所述双包层铋掺杂光纤的内包层；

24、所述待放大信号光在所述纤芯中以单模方式传播，使所述多模泵浦光在所述内包层中传播并多次经过所述纤芯，由所述纤芯中的铋相关活性中心吸收所述多模泵浦光，对所述待放大信号光进行受激辐射放大，得到放大后信号光；

25、所述放大后信号光依次经标准双包层光纤传输至所述包层泵浦光剥除器和所述模场适配器，并通过所述输出光隔离器后经所述放大信号输出端输出；

26、其中，所述待放大信号光在全光纤放大链路中单次通过所述双包层铋掺杂光纤。

27、在本发明的一个实施例中，所述待放大信号光为中心波长位于1.4微米波段的类噪声脉冲信号光，所述类噪声脉冲信号光由多个随机超短子脉冲组成，所述类噪声脉冲信号光的自相关曲线包括窄相干尖峰以及承载所述窄相干尖峰的宽基底；

28、所述类噪声脉冲信号光在所述纤芯中单次通过所述双包层铋掺杂光纤，在所述多模泵浦光的包层泵浦下进行受激辐射放大和非线性光谱展宽。

29、本发明还提供了一种宽带光放大系统，包括所述基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大器。

30、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

31、本发明所述的基于双包层铋掺杂光纤的包层泵浦宽带光放大器，通过泵浦信号合束器将多模泵浦光耦合至双包层铋掺杂光纤的内包层，并将待放大信号光耦合至纤芯，利用波长位于包层吸收带内的多模泵浦光实现对待放大信号光的受激辐射放大，降低了对特定波长高亮度单模泵浦源的依赖；通过根据包层吸收特性确定双包层铋掺杂光纤的长度，有利于提高包层泵浦光的利用程度；通过在双包层铋掺杂光纤输出侧依次设置包层泵浦光剥除器、模场适配器和输出光隔离器，对残余包层泵浦光、输出模场及反射反馈进行协同管理，并采用单级、单程的全光纤放大链路简化光路结构；同时，通过低损耗熔接、低折射率胶封装以及光纤盘绕散热结构，提高长段双包层铋掺杂光纤的传输和运行稳定性，使同一全光纤放大链路能够兼容e波段或s波段的连续单模信号光和类噪声脉冲信号光，并可对类噪声脉冲信号光进行受激辐射放大和非线性光谱展宽。