应用量子相干实现掺铒光纤放大器增益平坦化的方法技术

本发明专利技术涉及一种应用量子干涉效应实现掺铒光纤放大器增益平坦化的方法，具体说就是先用第一个光耦合器（４）把信号光（１）、第一个相干泵浦（２）、以及第一个非相干泵浦（３）耦合进入一段掺Ｅｒ＃＋［３＋］的光纤（５）；再用第二个光耦合器（４’）把从第一段光纤出来的光、第二个相干泵浦（２’）、以及第二个非相干泵浦（３’）耦合起来进入第二段掺Ｅｒ＃＋［３＋］的光纤（５’）；最后用第三个光耦合器（４”）把从第二段光纤中出来的光、第三个相干泵浦（２”）、以及第三个非相干泵浦（３”）耦合起来，进入第三段掺Ｅｒ＃＋［３＋］的光纤（５”）。通过调节三个相干场的光强和失谐来控制光放大器的增益大小、增益峰位置，从而实现了掺铒光纤放大器的增益平坦化。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光放大
，具体涉及一种应用量子相干效应实现掺铒光纤放大器增益平坦化的方法。
技术介绍
掺铒光纤放大器(EDFA)已经成为高速长距离光纤通信系统中不可分割的重要组成部分，在整个放大器带宽内采用密集波分复用(DWDM)技术大幅度提高光纤系统的传输容量是目前光纤通信领域的最主要的研究方向之一。掺铒光纤放大器增益谱的不平坦性是影响其在密集波分复用系统中应用的主要制约因素。近年来，掺铒光纤放大器增益谱平坦化技术的研究受到了广泛的重视并提出了多种实现掺铒光纤放大器增益平坦化的技术方案。现有的掺铒光纤放大器的增益平坦化技术有采用辅助设备实现EDFA的增益均衡，这类方法有EDFA粒子数强烈反转法、滤波法、衰减法、光纤光栅均衡法；研究本身具有增益平坦的EDFA，这类方法有特种光纤放大器法、增益互补法。EDFA粒子数强烈反转法、衰减法、滤波法、光纤光栅均衡法都是针对EDFA对不同波长不平坦的增益特性而采取的均衡方法，往往以牺牲放大器的部分功率为代价来获取增益的均衡，而增益互补法和特种光纤放大器则是让整个放大器本身的增益平坦。所以，适用范围大，具有较好的前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用量子干涉效应实现掺铒光纤放大器增益平坦化的方法。本专利涉及电磁感应光透明技术和掺铒光纤放大器平坦化的增益互补法，是属于首次把量子相干效应应用到光放大技术中，从而实现掺铒光纤放大器增益谱平坦化的一种新方法。量子相干效应的实质是由一束或多束相干光的作用导致物质本身的能级状态发生改变，由此影响另一束光的吸收、色散、或非线性折射率的状态。如，Hanle效应、电磁感应光透明、相干粒子数束缚、无吸收高折射率、及无粒子数反转光放大等等。电磁感应光透明，是通过一个外加强相干场将原子跃迁的其中一个能级与另一个能级耦合，从而改变原子跃迁的吸收线型，在双光子共振点处出现吸收减少，甚至透明的一种技术。这一现象在非线性光学及光电子器件等方面有着潜在的应用价值。电磁感应光透明就是利用原子相干控制原子对光的吸收和色散特性，一般来讲它所控制的是原子对某一个探测场的吸收过程。1991年5月Harris等人发表了第一篇关于电磁感应光透明的实验文章，将电磁感应光透明的研究带入了实验阶段，随后这些年，理论和实验方面有了突飞猛进的发展。吉林大学高锦岳教授领导的研究小组1998年夏天在钠蒸汽中首次观察到了电磁感应双光子光透明现象；2000年的夏天，该研究小组与意大利比萨高等师范Bassani领导的科研小组合作，在铷蒸汽中详细观测了电磁感应双光子光透明现象；1997年，Yang Zhao等人首次在红宝石中观察到了电磁感应光透明，实现在固体中的电磁感应光透明，紧接着B.S.Ham领导的研究小组在稀土晶体中也观察到电磁感应光透明的现象。本专利技术是利用量子相干效应实现掺铒光纤放大器的增益平坦化的一种新的技术。本专利技术把量子相干和光放大的技术结合起来，从而实现放大器的增益平坦化。即用量子干涉的方法改变放大器的增益线形，让信号光连续通过三个在不同的的相干泵浦和非相干泵浦控制下的放大器，通过增益互补法使其在更宽的范围内实现增益平坦化。我们不但使放大器的增益平坦化，而且可根据实际工作中的需要通过调节相干泵浦和非相干泵浦的泵浦率和失谐来改变增益峰峰值的位置和高度。即利用本专利技术所述的方法，放大器输出谱的平坦范围和增益大小是可以调谐的。本专利技术根据Er3+离子的能级结构提出了一个全新的模型，把光放大和量子相干结合起来，并且把量子相干效应的方法应用到光通信中去，需要用到信号光光源、三段掺铒光纤，三个非相干泵浦、三个相干泵浦、三个光耦合器。每段光纤在一个非相干泵浦和一个相干泵浦的作用下，成为一个增益线形不同的放大器，信号光依次通过三个放大器和三个光耦合器，每段光纤经相干场及非相干场作用以后，能级结构没有变化，但输出信号增益线形是很不相同的，从而实现输出增益平坦化的目的。本专利技术所用的信号光源是波长在1500-1600nm范围可调谐的半导体激光器，Er3+掺杂的氟化光纤(Er3+离子的掺杂浓度为0.5at.％的ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF即ZBLAN玻璃，其组成成分是57at.％ZrF4、35.5at.％BaF2、3at.％LaF3、4at.％AlF3、和0.5at.％ErF3，单位体积里的Er3+离子浓度是8.264*1025m-3)，也可为其他浓度的Er3+掺杂光纤，但三段光纤必须具有相同的掺杂与成份。所用的三个相干泵浦是泵浦波长为1693.77nm的半导体激光器，三个非相干泵浦是泵浦波长为976nm的半导体二极管，三个光耦合器是具有有四个光纤接口的星型光耦合器。利用增益互补法可以在更宽的范围内实现放大器的增益平坦化，所需的光纤及半导体二极管及半导体激光器都可以购买得到。如附图1所示我们考虑的是一个封闭的四能级系统，其能级机制与Er3+离子掺杂的氟化玻璃(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF即ZBLAN玻璃)相关。在这个系统中，能级4I13/2是一个亚稳态，用一个非相干泵浦Λ把粒子从能级4I15/2泵浦能级4I11/2，然后从能级4I11/2通过非辐射跃迁快速地跃迁到4I13/2，所以能级4I13/2上可以聚集大量的粒子。在能级4I13/2和能级4I9/2加一个相干泵浦Ec，其Rabi频率为Ωc，一个信号光Rabi频率为Ωp加在能级4I15/2和能级4I13/2。Γ4是能级4I9/2的自发辐射驰豫速率，Γ3是能级4I11/2的自发辐射驰豫速率，Γ2是能级4I13/2的自发辐射驰豫速率。当非相干泵浦A＝0，很明显这个系统是一个三能级的T模型的电磁感应光透明的系统，由能级4I15/2、4I13/2、4I9/2组成。当相干场的Rabi频率Ωc＝0，这个系统是一个传统的有反转的光放大的系统，由能级4I15/2、4I13/2、4I11/2组成。非相干泵浦的作用是把离子数从能级4I15/2泵浦到能级4I11/2，通过一个从能级4I11/2快速的非辐射跃迁过程，在能级4I13/2上聚集大量离子数，再通过辐射跃迁可使信号光可以得到放大。相干泵浦的作用是不仅把离子数从能级4I13/2泵浦到能级4I9/2削弱信号光的放大，而且把能级4I13/2劈裂成两个缀饰子能级，减少光纤对信号光的吸收。因此我们可以用相干泵浦来控制信号光的增益线形和调节信号光增益峰值的位置和大小。如附图2所示，各部分为信号光(1)，三段掺铒光纤(5、5’、5”)，三个非相干泵浦(3、3’、3”)、三个相干泵浦(2、2’、2”)、三个光耦合器(4、4’、4”)。本专利技术所述的用量子相干效应实现掺铒光纤增益平坦化的方法是首先用第一个光耦合器(4)把信号光(1)、第一个相干泵浦(2)、以及第一个非相干泵浦(3)耦合进入一段掺Er3+的氟化光纤(5)；其次再用第二个光耦合器(4’)把从第一段光纤出来的光、第二个相干泵浦(2’)、以及第二个非相干泵浦(3’)耦合起来进入第二段掺Er3+的氟化光纤(5’)；最后用第三个光耦合器(4”)把从第二段光纤中出来的光、第三个相干泵浦(2”)、以及第三个非相干泵浦(3”)耦合起来，进入第三段掺Er3+的氟化光纤(5”)。我们可以根据放大性质的要求调节相干场和非相干泵浦的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用量子相干实现掺铒光纤放大器增益平坦化的方法，其特征在于：首先用第一个光耦合器（４）把信号光（１）、第一个相干泵浦（２）、以及第一个非相干泵浦（３）耦合进入一段掺Ｅｒ↑［３＋］的光纤（５）；其次再用第二个光耦合器（４’）把从第一段光纤出来的光、第二个相干泵浦（２’）、以及第二个非相干泵浦（３’）耦合起来进入第二段掺Ｅｒ↑［３＋］的光纤（５’）；最后用第三个光耦合器（４”）把从第二段光纤中出来的光、第三个相干泵浦（２”）；三段掺铒光纤（５、５’、５”）是相同的，三个星型光耦合器（４、４’、４”）是相同的，三个非相干泵浦（３、３’、３”）的泵浦率相同，第一个相干泵浦（２）和第二相干泵浦（２’）的光强相同、失谐相反，第三个相干泵浦（２”）失谐为０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高锦岳，张惠芳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]