光纤光学参量放大器的增益特性研究

1、34何忠蛟:光纤光学参量放大器的增益特性研究激光杂志2007年第28卷第5期LASERJOURNAL(Vol.28.No.5.2007)光纤光学参量放大器的增益特性研究何忠蛟(浙江工商大学信息与电子工程学院,杭州310035提要:介绍了光纤光学参量放大器的理论,基于耦合波方程推导出光纤光学参量放大器的增益表达式。以增益表达式为基础,详细分析了在典型参数下光纤光学参量放大器的性能。在单泵浦情况下,对不同光纤长度、不同泵浦功率及不同泵浦波长的光纤光学参量放大器做了性能分析。在双泵浦情况下,对不同泵浦波长的光纤光学参量放大器做了性能分析。研究结果表明,在典型参数情况下的双泵浦光纤光学参量放大器具有较

2、好的特性。关键词:光纤光学参量放大器:非线性:增益;泵浦中图分类号:TN913.7文献标识码:A文章编号:0253-2743(2007)05-0034-02ResearchongainoffiberopticalparametricamplifiersHEZhong-jiao(InformationandElectronEngineeringCollege,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310035)Abstract:Theoryoffiberopticalparametricamplifiers(FOPAs)isintroducedandtheexp

3、ressionforthegainofisdeducedfromthebasiccoupledwaveequations.Basedontheformulaeofgain,performancesofFOPAsareanalyzedindetail.ThethepedFOPAsisanalyzedfordiffer2entfiberlengths,differentpumppowersorpumpswithdifferentwavelengths.Theoftheforthepumpswithdiffer2entwavelengths.Simulationresultsshowthatbett

4、erperformancecanbeachievedforaKeywords:fiberopticalparametricamplifier;nonlinearity;gain;pump1-5们的极大关注。(号近似时,范围内全波段工作)、声放大)、产生闲频带()6,7。随着研究的深入,光纤光学参量放大器技术得到迅猛发展,利用光纤光学参量放大器,可以实现光通信中绝大部分全光操作,如光信号放大、波长转换、全光抽样、光开关、光脉冲生成、光解复用、脉冲压缩、3R再生、全光缓存等,光纤光学参量放大器在DWDM系统、全光网等领域将有非常广泛而重要的运8,9用。在本文中,我们主要研究了单泵浦及双泵浦情况下光

5、纤光学参量放大器的性能。,这样可以忽略泵浦光的能量损A1A2与P1、P2分别是双泵浦光的振幅与能量,从式(1)可得(P1+2P2)z)A1(z)=P1exp(i(2)(P2+2P1)z)A2(z)=P2exp(i(2)(1),得信号光和闲频光的表达式为(P1+P2)A3+=2idzP1P2A4e3-idA3(P1+P2)A43+=-2iP1P2A3eidz,=(k-3(P1+P2)z。定义增益系数g=P0r)2-2(3)1光纤光学参量放大器的原理光纤光学中含有三阶非线性系数的麦克斯韦耦合波方程的表达式如下:22f11|A1|+2f1k|Ak|A1+2f1234A23A3A4eikz=dzcdA

6、in=dzc=dzc=dzck122,以及总泵浦能量为P0=P1+P2,其3()中,r=2P0P3(z)=P3(0)1+P4(z)=。用能量代替振幅,求解方程(3),可得PPg222sinh(gz)=P3(0)1+1+2sinh2(gz)4g2f22|A2|+2f2k|Ak|k2223A2+2f2134A1A3A4ekziP()PP2(gz)g2=P3(0)1+2sinh2(gz)4g2f33|A3|2+2f3k|Ak|2A3+2f3412A43A1A2eikzk3(4)f44|A4|+2f4k|Ak|k422A4+2f4312A33A1A2ekzi式中sinh(x)=x-x2定义增益。g22

7、(1)k=fijkl=式中,Ai为光波的振幅;c()G=1+P3(0)sinh2(gz)P1P2)2-(5)为相位失谐量;23333()为交叠系数。设交叠系数fijklfijAeff,且非线性系数j=in=,cAeff其中,inN、Aeff、c分别是克尔非线性折射系数、光波角频j、率、光纤有效面积和真空中光速。进一步设泵浦光能量远大收稿日期:2007-04-20作者简介:何忠蛟(1974-),男,毕业于浙江大学信息学院,先后获得学士、硕士学位。现为浙江工商大学信息与电子工程学院讲师。从事光通信技术、光纤光学、非线性导波光学等研究。2,2其中,=k+(P1+P2);k=33+44-1122;闲频

8、光和泵浦光的传播常数。i分别为信号光、泵谱光的中心频率、泵谱光的频率漂移和信号光频率分别为p=、=1-p=p-2和=3-p=p-4。2在p附近的传播常数为()=(-p)2(-p)30+(-p)1+2+3+26(6)因而可得22k=(4+4)+(7)2(+)+124式中,重新定义增益系数g=何忠蛟:光纤光学参量放大器的增益特性研究激光杂志2007年第28卷第5期LASERJOURNAL(Vol.28.No.5.2007)至此,我们从耦合波方程推导出了光纤光学参量放大器的增益表达式。可以看到增益是关于泵浦光频率、泵浦光能量、传播常数、光纤非线性系数与光纤长度的函数。352光纤光学参量放大器的理论分

9、析设泵浦光的总能量是恒量P0,当两个泵浦光具有相等的能量时,可得到较大的增益,增益系数(3P0+k)(P0-k)(8)g=2当-3P0kP0时,增益系数为正,这样就确定了增益波段。当泵浦中心波长正好是零色散波长时,有k=(4+4),忽略高阶色散常数,得124-444浦功率情况下的增益情况。图2给出了不同泵浦功率(P0=5W,P0=10W,P0=15W,P0=20W)的FOPAs对应的增益曲线。可以看出,随着泵浦功率的增加,增益G提高,相对来讲,P0=5W时的增益比较平坦。如图2a所示,我们采用的典型计算参数表示如下:光纤的零散射波长0=1539.3nm,光纤的非线性系数=210-3m-1,光纤

10、的其他参数10-40s3m-1,3=1.24=2.5-554-110sm,3是用来计算2=3(p-0)的;光纤长度L=200m,泵浦功率P0=5W。对于上述参数的光纤参量放大器,我们考虑不同泵浦波长偏移量情况下的增益情况。图2a给出了相对应于不同泵浦波长偏移量(OPAs的增益曲线:p-0)的F-0.6nm,-0.4nm,-0.2nm,0nm,0.2nm,0.4nm,0.6nm。(9)上式有两个关键点:,增益的波段增加。这表示光纤光学参量放大器比掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器具有更大的增益波段,因为掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的增益波段在某些区域会被限制。其次是泵浦波长的变化会导致增益波段恶化

11、,并且使用双泵浦光时,相位匹配会更加困难。零色散波长的情况下得出的;,也会找到增益波段增强的情况。从式(8)=-时,增益系数达到最大值,P0量足够大,有Gexp(0,光纤光学参量放,这是比掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的性能要好的另一点。(p-0)的光参量放大器的增益图2bp-0=0时,对每个泵浦的波长距平均泵浦波长的不同偏移量(p1-p)的光参量放大器的增益3性能分析在这个章节,我们给出了不同参数情况下的光纤参量放大器的性能分析。在下文所给出的模拟结果中,每个图的横坐标代表信号波长距光纤参量放大器中光纤零色散波长的波长距离,纵坐标代表相应光纤参量放大器获得的增益,途中每个点代表特点输入信号获

12、得的增益,不同曲线代表光纤参量放大器不同参数下的增益。3.1单泵浦情况下光纤光学参量放大器的性能分析如图1a所示,我们采用的典型计算参数表示如下:光纤的零散射波长0=1539.3nm,光纤的非线性系数=2-3-110m,光纤的其他参数10-40s3m-1,3=1.24=2.5-554-110sm,3是用来计算2=3(p-0)的;泵浦功率P0=5W。对于上述参数的光纤参量放大器,我们考虑不同光纤长度情况下的增益情况。图1a给出了在不同光纤长度(L=200m,L=400m,L=800m,L=1600m)时FOPAs对应的增益曲线。可以看出,随着光纤长度的增加,增益G提高,相对来讲,L=200m时的

13、增益比较平坦。图1a对不同光纤长度(200m、400m、图1b对不同泵浦功率(5W、10W、15W800m、1600m)的光参量放大器的增益、20W)的光参量放大器的增益。如图1b所示,我们采用的典型计算参数表示如下:光纤的零散射波长0=1539.3nm,光纤的非线性系数=2-3-110m,光纤的其他参数10-40s3m-1,3=1.24=2.5-554-110sm,3是用来计算2=3(p-0)的;光纤长度L=200m。对于上述参数的光纤参量放大器,我们考虑不同泵3.2双泵浦情况下光纤光学参量放大器的性能分析如图2b所示,我们采用的典型计算参数表示如下:光纤的零散射波长0=1539.3nm,光

14、纤的非线性系数=2-3-110m,光纤的其他参数10-40s3m-1,3=1.24=2.5-554-110sm,3是用来计算2=3(p-0)的;光纤长度L=200m,两个泵浦功率都是P0=3W,p=p-0=0。我们考虑,当平均的泵浦波长恰好位于光纤零色散波长的时候,当每个泵浦波长偏移中心波长不同量的时候,FOPAs的增益情况。图2b给出了当p-0=0时,相对于不同的p1-p值的FOPAs的增益曲线:10nm,20nm,30nm。如图3a所示,我们采用的典型计算参数表示如下:光纤的零散射波长0=1539.3nm,光纤的非线性系数=2-3-110m,光纤的其他参数10-40s3m-1,3=1.24

15、=2.5-554-110sm,3是用来计算2=3(p-0)的;光纤长度L=200m,两个泵浦功率都是P0=3W,p=p-0=-0.4nm。我们考虑,当平均的泵浦波长恰好偏移光纤零色散波长-0.4nm的时候,当每个泵浦波长偏移中心波长不同量的时候,FOPAs的增益情况。图3b给出了当p-0=-0.4nm时,相对于不同的p1-p值的FOPAs的增益曲线:0nm,10nm,20nm,30nm。如图3b所示,我们采用的典型计算参数表示如下:光纤的零散射波长0=1539.3nm,光纤的非线性系数=2-3-110m,光纤的其他参数10-40s3m-1,3=1.24=2.5-554-110sm,3是用来计算

16、2=3(p-0)的;光纤长度L=200m,两个泵浦功率都是P0=3W,p=p-0=0.4nm。我们考虑,当平均的泵浦波长恰好偏移光纤零色散波长0.4nm的时候,当每个泵浦波长偏移中心波长不同量的时候FOPAs的增益情况。图3b给出了当p-0=0.4nm时,相对于不同的p1-p值的FOPAs的增益曲线:0nm,10nm,20nm,30nm。从图3a,图3b中可以看到,p1-p的变化对增益有较大的改变。当p-0=0.4nm时,能够发现增益比较大,并且增益曲线比较平坦。由此看来,平均泵浦波长的选择对于获得高增益、高平坦度的FOPAs具有重要意义。(下转第37页)杨开勇等:单层介质膜全反射棱镜光学相位

17、延迟器的设计激光杂志2007年第28卷第5期LASERJOURNAL(Vol.28.No.5.2007)镜半波片的。2.2光线在玻璃中的入射角对光学相位延迟的影响373结论与讨论从上面的分析可以看出,通过选择适当的参数,可以设计出各种反射棱镜式相位延迟器件,而且设计的光学相位延迟器件没有光能量损失,这对实际应用将大有益处。图2a介质膜厚度对反射相位延迟的影响图3a膜层厚度误差引起的相位延迟误差图3b折射率误差引起的相位延迟误差图2b假设石英玻璃基底的折射率为为2.35,介质膜厚度为,定的参数,3。因此我们选择44。相位延迟与入射角之间的关系如图2b所示。从图2b可见:(1)曲线穿越90相位延迟

18、线和180相位延迟线,因此可以选择适当的厚度值设计单层介质膜全反射棱镜“四分之一波片”和“半波片”。(2)曲线没有穿过零相位延迟线,因此在给定的参数条件下,单靠改变入射角是不能设计出保偏全反射棱镜的。但是由于实际镀膜过程中不可能保证膜层厚度和折射率能够完全镀制准确,因此下面我们以四分之一波片为例来说明由如果假设石英玻璃基底的折射率为1.457,2.35,光线在石英45,8nm,从图2a可以看到,176.90,即为四分之一波片。0.01,则由于折射率3b所示。,而从图3a和图3b可以看到,在给定的控制误差条件下,相位延迟的误差都在2以内,这在很多应用中已经足够,而在某些高级应用中,我们还可以通过

19、一些镀膜技巧来进一步控制相位延迟的误差。因此,本文介绍的相位延迟器件设计方法具有较强的实用性。参考文献1李景镇.光学手册M.西安:陕西科学技术出版社,1986,561-584.2王政平等.单层介质膜反射棱镜式光学相位延迟器件研究J.光子学报,1997,26(6):555-560.3雷肇棣.物理光学导论M.成都:电子科技大学出版社,1993,4雷肇棣.物理光学导论M.成都:电子科技大学出版社,1993,158-163.41-67.(上接第35页)参考文献1柳强.王月珠,王骐.发展中的光学参量振荡技术J.激光杂志,1999,20(2):11-14.2柳强,巩马理,闫平等.光学参量振荡器的相位匹配J

20、.激光杂志,2002,23(2):1-3.3StolenRH,BjorkholmJE.Parametricamplificationandfrequencycon2versioninopticalfibersJ.IEEEJ.QuantumElectron,1992,18(4):1062-1072.4HansrydJ,AndreksonPA.Broad-bandcontinuous-wave-pumped图3ap-0=-0.4nm时,对每个泵浦的波长距平均泵浦波长的不同偏移量(p1-p)的光参量放大器的增益图3bp-0=0.4nm时,对每个泵浦的波长距平均泵浦波长的不同偏移量(p1-p)的光参量

21、放大器的增益fiberopticalparametricamplifierwith49-dBgainandwavelength-con-versionefficiencyJ.IEEEPhoton.Technol.Lett.,2001,13(1):194-196.5ShenpingL,DmitriVK.Anoveldispersionmonitoringtechniquebasedonfour-wavemixinginopticalfiberJ.IEEEPhoton.Technol.()Lett.,2004,163:942-944.6ZhangW,WangC,ShuJ.Designoffiber-opticalparametricampli2fiersbygeneticalgorithmJ.IEEEPhoton.Technol.Lett.,2004,16(7):1652-1654.7TakashiS,Aki