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CN116598874A - 一种单芯光纤传感系统及其低噪声双向光纤放大器 - Google Patents

一种单芯光纤传感系统及其低噪声双向光纤放大器 Download PDF

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CN116598874A
CN116598874A CN202310618695.9A CN202310618695A CN116598874A CN 116598874 A CN116598874 A CN 116598874A CN 202310618695 A CN202310618695 A CN 202310618695A CN 116598874 A CN116598874 A CN 116598874A
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CN
China
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division multiplexer
optical fiber
wavelength division
erbium
fiber
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Application number
CN202310618695.9A
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李楚瑞
金瑞
王超
贾波
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Dongguan Advanced Optical Fiber Application Technology Research Institute Co ltd
Guangdong Fu'an Technology Development Co ltd
Fudan University
Original Assignee
Dongguan Advanced Optical Fiber Application Technology Research Institute Co ltd
Guangdong Fu'an Technology Development Co ltd
Fudan University
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Publication date
Application filed by Dongguan Advanced Optical Fiber Application Technology Research Institute Co ltd, Guangdong Fu'an Technology Development Co ltd, Fudan University filed Critical Dongguan Advanced Optical Fiber Application Technology Research Institute Co ltd
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Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，公开了一种单芯光纤传感系统及其低噪声双向光纤放大器，低噪声双向光纤放大器包括第一单芯传感光纤、第二单芯传感光纤、第一泵浦光源、第二泵浦光源、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第五波分复用器、第六波分复用器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、第三掺铒光纤、第一滤波器以及第二滤波器。本发明采用直线型结构实现了对系统中传输信号光的双向放大的功能，不仅结构简单，而且可以对双向输入的光实现相同的增益大小，同时减小放大后信号光中的噪声，提高了传输信号的信噪比。

Description

一种单芯光纤传感系统及其低噪声双向光纤放大器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种单芯光纤传感系统及其低噪声双向光纤放大器。
背景技术
光纤放大器在光纤通信和光纤传感等多个领域都有着广泛的应用。信号光在光纤中传输时会发生衰减，而使用光纤放大器可以提升光纤的铺设距离，降低了误码率。常用的光纤放大器为单向掺铒光纤放大器(EDFA)，其原理是利用石英光纤中掺杂的铒离子的受激辐射来实现光放大。信号光和泵浦光通过波分复用器耦合进掺铒光纤，泵浦光使基态上的铒离子发生受激吸收，实现布居数反转，当信号光入射进掺铒光纤时，会发生受激辐射，产生与输入的信号光频率、传播方向、相位和偏振态均一致的光子，从而实现信号光的放大。
随着社会的进步，光纤中的单向信号光传输难以满足一些特殊应用的需求，往往在一根光纤中需要传输不同信道不同方向的信号光，因此，传统的单向光纤放大器不再适用，需要使用双向光纤放大器。单向光纤放大器的结构中具有单向传输的光隔离器，光隔离器可以降低光纤中瑞利散射光在光纤放大器中产生的噪声，因此单向光纤放大器具有良好的噪声性能。双向光纤放大器因为没有光隔离器的存在，放大器中的噪声会更高，影响其放大性能。
目前已有的关于双向掺铒光纤放大器的研究中主要分为三种结构类型：无隔离器的双向掺铒光纤放大器，基于光耦合器或光环形器结构的两段式双向掺铒光纤放大器，基于光环形器结构的单段式双向掺铒光纤放大器。第一种结构只使用了单芯光纤来实现EDFA，但由于没有光隔离器等器件的加入，噪声性能较差；后两种方案虽然对噪声特性方面有所改善，但结构的复杂性大幅提高，且在结构中形成了一定的谐振腔，当泵浦功率以及信号光功率较大时，容易产生谐振激发现象，从而造成传输的信号失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单芯光纤传感系统及其低噪声双向光纤放大器，以同时解决传统双向掺铒光纤放大器存在的结构复杂和信号失真的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种低噪声双向光纤放大器，包括：第一单芯传感光纤，第二单芯传感光纤，第一泵浦光源、第二泵浦光源、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第五波分复用器、第六波分复用器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、第三掺铒光纤、第一滤波器以及第二滤波器；
所述第一单芯传感光纤的一端作为双向信号光的正向输入输出端，所述第一单芯传感光纤的另一端与所述第一波分复用器的信号光波长输入输出端相连接，所述第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的泵浦光波长输入输出端相连接，所述第一波分复用器的合波输入输出端与所述第一掺铒光纤的一端相连接，所述第一掺铒光纤的另一端与所述第二波分复用器的合波输入输出端相连接，所述第二波分复用器的信号光波长输入输出端与所述第一滤波器的一端相连接，所述第一滤波器的另一端与所述第三波分复用器的信号光波长输入输出端相连接，所述第二波分复用器的泵浦光波长输入输出端与所述第三波分复用器的泵浦光波长输入输出端相连接；
所述第三波分复用器的合波输入输出端与所述第二掺铒光纤的一端相连接，所述第二掺铒光纤的另一端与所述第四波分复用器的合波输入输出端相连接，所述第四波分复用器的信号光波长输入输出端与所述第二滤波器的一端相连接，所述第二滤波器的另一端与所述第五波分复用器的信号光波长输入输出端相连接，所述第四波分复用器的泵浦光波长输入输出端与所述第五波分复用器的泵浦光波长输入输出端相连接；
所述第五波分复用器的合波输入输出端与所述第三掺铒光纤的一端相连接，所述第三掺铒光纤的另一端与所述第六波分复用器的合波输入输出端相连接；
所述第六波分复用器的泵浦光波长输入输出端与所述第二泵浦光源的输出端相连接，所述第六波分复用器的信号光波长输入输出端与第二单芯传感光纤的一端相连接，所述第二单芯传感光纤的另一端作为双向信号光的反向输入输出端。
可选的，所述第二掺铒光纤的长度大于所述第一掺铒光纤和所述第三掺铒光纤的长度。
可选的，所述第一掺铒光纤和所述第三掺铒光纤的长度相等。
可选的，所述第一掺铒光纤、第二掺铒光纤和第三掺铒光纤具体为掺杂了铒离子的石英光纤。
可选的，所述第一泵浦光源和所述第二泵浦光源的输出光功率相等。
可选的，所述第一泵浦光源和第二泵浦光源具体为泵浦光波长为980nm的泵浦激光器。
可选的，所述第一单芯传感光纤和所述第二单芯传感光纤具体为用于传感功能的能够同时传输收发两个方向的光信号的单芯石英光纤。
可选的，所述第一滤波器和第二滤波器具体为光带通滤波器，允许通过的带宽内包含信号光所在波长。
可选的，所述第一单芯传感光纤，第二单芯传感光纤，第一泵浦光源、第二泵浦光源、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第五波分复用器、第六波分复用器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、第三掺铒光纤、第一滤波器以及第二滤波器中，任意相互连接的两者之间通过单模光纤连接。
一种单芯光纤传感系统，包括：系统前端设备，系统尾端设备，以及如以上任一项所述的低噪声双向光纤放大器；
所述低噪声双向光纤放大器通过所述第一单芯传感光纤与所述系统前端设备连接，通过第二单芯传感光纤与所述系统尾端设备连接。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例采用双向泵浦的方案来实现最高的泵浦效率，同时采用第一掺铒光纤、第二掺铒光纤和第三掺铒光纤进行级联放大；在相邻两级掺铒光纤之间，加入了波分复用器和滤波器，波分复用器是用于传递泵浦光到掺铒光纤中，并且将信号光传输到滤波器内，滤波器则是通过对放大后的信号光进行滤波，去除带外噪声，改善双向光纤放大器的噪声性能，提升信号光的信噪比。通过掺铒光纤长度的设置，可以使该双向光纤放大器成为对称结构，从而可以对两端输入的光实现同等强度的放大；直线型结构避免了谐振腔的形成，不仅结构简单，而且减少了放大器自激对输入光的影响，提高了传输信号的信噪比；该发明既满足了单芯传输的条件，又降低了系统噪声，同时避免了光纤放大器内谐振腔的形成，可以满足实际传感系统的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的低噪声双向光纤放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单芯光纤传感系统的结构示意图；
附图标记说明：
1、第一单芯传感光纤；2、第一泵浦光源；3、第一波分复用器；4、第一掺铒光纤；5、第二波分复用器；6、第一滤波器；7、第三波分复用器；8、第二掺铒光纤；9、第四波分复用器；10、第二滤波器；11、第五波分复用器；12、第三掺铒光纤；13、第六波分复用器；14、第二泵浦光源；15、第二单芯传感光纤；16、系统前端设备；17、低噪声双向光纤放大器；18、系统尾端设备。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决常规双向掺铒光纤放大器存在的结构复杂和信号失真的问题，请参阅图1，本发明实施例提供了一种低噪声双向光纤放大器17，包括：第一单芯传感光纤1，第二单芯传感光纤15，第一泵浦光源2、第二泵浦光源14、第一波分复用器3、第二波分复用器5、第三波分复用器7、第四波分复用器9、第五波分复用器11、第六波分复用器13、第一掺铒光纤4、第二掺铒光纤8、第三掺铒光纤12、第一滤波器6以及第二滤波器10。
具体的，第一单芯传感光纤1的一端与第一波分复用器3的信号光波长输入输出端相连接，第一单芯传感光纤1的另一端作为双向信号光的正向输入输出端；第一泵浦光源2的输出端与第一波分复用器3的泵浦光波长输入输出端相连接；
第一波分复用器3的合波输入输出端与第一掺铒光纤4的一端相连接，第一掺铒光纤4的另一端与第二波分复用器5的合波输入输出端相连接，第二波分复用器5的信号光波长输入输出端与第一滤波器6的一端相连接，第一滤波器6的另一端与第三波分复用器7的信号光波长输入输出端相连接，第二波分复用器5的泵浦光波长输入输出端与第三波分复用器7的泵浦光波长输入输出端相连接；
第三波分复用器7的合波输入输出端与第二掺铒光纤8的一端相连接，第二掺铒光纤8的另一端与第四波分复用器9的合波输入输出端相连接，第四波分复用器9的信号光波长输入输出端与第二滤波器10的一端相连接，第二滤波器10的另一端与第五波分复用器11的信号光波长输入输出端相连接，第四波分复用器9的泵浦光波长输入输出端与第五波分复用器11的泵浦光波长输入输出端相连接；
第五波分复用器11的合波输入输出端与第三掺铒光纤12的一端相连接，第三掺铒光纤12的另一端与第六波分复用器13的合波输入输出端相连接；
第六波分复用器13的泵浦光波长输入输出端与第二泵浦光源14的输出端相连接，第六波分复用器13的信号光波长输入输出端与第二单芯传感光纤15的一端相连接，第二芯传感光纤15的另一端作为双向信号光的反向输入输出端。
其中，第一单芯传感光纤1和第二单芯传感光纤15是用于传感功能的可以同时传输收发两个方向的光信号的单芯石英光纤。单芯传感光纤的传感原理是：当单芯传感光纤所处的环境发生变化时，如压力、温度、电磁场等发生改变，单芯传感光纤内传输的信号光参数也会随之发生变化，通过对信号光的参数变化情况进行测量，则可以得到相应的环境变化信息。
第一掺铒光纤4、第二掺铒光纤8和第三掺铒光纤12可选用掺杂了铒离子的石英光纤。泵浦光通过波分复用器耦合进掺铒光纤中，使基态上的铒离子发生受激吸收，实现布居数反转，当信号光入射进掺铒光纤时，会发生受激辐射，产生与输入的信号光频率、传播方向、相位和偏振态均一致的光子，从而实现信号光的放大。
进一步的，第二掺铒光纤8的长度大于第一掺铒光纤4和第三掺铒光纤12的长度。为了进一步保证结构对称，第一掺铒光纤4和第三掺铒光纤12的长度可设计为相等。基于此，第一掺铒光纤4主要用于实现正向光信号的预放大，第二掺铒光纤8用于实现正向信号光和反向信号光的正式放大，第三掺铒光纤12主要用于实现反向光信号的预放大；当然，第一掺铒光纤4也可以对反向光信号进行一定程度的放大，第三掺铒光纤12也可以对正向信号光进行一定程度的放大。
第一泵浦光源2和第二泵浦光源14用于实现掺铒光纤中的布居数反转，两者的输出光功率可以设计为相等，使得从正向输入的信号光和反向输入的信号光能够拥有相同的增益。示例性的，具体可选用泵浦光波长为980nm的泵浦激光器。
波分复用器是一种无源光器件，在本实施例中的主要功能是耦合或分离泵浦光和信号光，波分复用器具有三个输入输出端口，泵浦光波长输入输出端口仅可通过泵浦光；信号光波长输入输出端仅可通过信号光；合波输入输出端可以通过全部波长的光。
滤波器通过对放大后的信号光进行滤波，去除带外噪声，改善双向光纤放大器的噪声性能，提升信号光的信噪比。
本实施例采用双向泵浦的方案实现最高的泵浦效率，同时采用第一掺铒光纤4、第二掺铒光纤8和第三掺铒光纤12进行级联放大，第一掺铒光纤4和第三掺铒光纤12的长度相等，从而实现对称结构，同时，第一泵浦光源2和第二泵浦光源14的输出光功率相等，使得从正向输入的信号光和反向输入的信号光可以拥有相同的增益。在各级掺铒光纤之间，通过波分复用器和滤波器的组合来分别传输信号光和泵浦光，信号光通过波分复用器耦合进滤波器中，滤波器可以对放大后的信号光进行滤波，滤除带外噪声，降低放大器中放大自发辐射噪声的影响，直线型结构避免了谐振腔的形成，减少了放大器自激对输入光的影响，提升双向光纤放大器的信噪比。
另外，第一单芯传感光纤1，第二单芯传感光纤15，第一泵浦光源2、第二泵浦光源14、第一波分复用器3、第二波分复用器5、第三波分复用器7、第四波分复用器9、第五波分复用器11、第六波分复用器13、第一掺铒光纤4、第二掺铒光纤8、第三掺铒光纤12、第一滤波器6以及第二滤波器10，任意相连接的两者之间具体通过单模光纤连接。
上述低噪声双向光纤放大器17的工作原理如下：
本实施例中，第一泵浦光源2中输出的正向泵浦光经过第一波分复用器3耦合进第一掺铒光纤4中，实现第一掺铒光纤4中的布居数反转，然后从第二波分复用器5中输出，经第三波分复用器7耦合进第二掺铒光纤8中，实现第二掺铒光纤8中的布居数反转，然后从第四波分复用器9中输出，经第五波分复用器11耦合进第三掺铒光纤12中，实现第三掺铒光纤12中的布居数反转，经过各级光纤的受激吸收和衰减作用，经过第三掺铒光纤12之后的正向泵浦光功率已经较低，从而可以被第六波分复用器13滤除。
另外，第二泵浦光源14中输出的反向泵浦光经过第六波分复用器13耦合进第三掺铒光纤12中，实现第三掺铒光纤12中的布居数反转，然后从第五波分复用器11中输出，经第四波分复用器9耦合进第二掺铒光纤8中，实现第二掺铒光纤8中的布居数反转，然后从第三波分复用器7中输出，经第二波分复用器5耦合进第一掺铒光纤4中，实现第一掺铒光纤4中的布居数反转，经过各级光纤的受激吸收和衰减作用，经过第一掺铒光纤4之后的反向泵浦光功率已经较低，从而可以被第一波分复用器3滤除。
本实施例中，正向输入的信号光经第一单芯传感光纤1输入，其输出端与第一波分复用器3相连接，该第一波分复用器3起到耦合作用，将输入信号光耦合进第一掺铒光纤4中，从而达到第一级放大，经过第一级放大后的信号光中含有ASE噪声，因此通过第二波分复用器5将放大后的信号光传输进第一滤波器6中，滤除带外噪声，提高信号光的信噪比，滤波后的信号光经过第三波分复用器7耦合进第二掺铒光纤8中，达到第二级放大，第二级放大后的信号光通过第四波分复用器9耦合进第二滤波器10中，滤除带外噪声，之后经过第五波分复用器11耦合进第三掺铒光纤12中，实现第三级放大，经过三级放大后的正向信号光通过第六波分复用器13传输进第二单芯传感光纤15中，从第二单芯传感光纤15的另一端输出。
另外，反向输入信号光经第二单芯传感光纤15输入，其输出端与第六波分复用器13相连接，该第六波分复用器13起到耦合作用，将输入信号光耦合进第三掺铒光纤12中，从而达到第一级放大，经过第一级放大后的信号光中含有ASE噪声，因此通过第五波分复用器11将放大后的信号光传输进第二滤波器10中，滤除带外噪声，提高信号光的信噪比，滤波后的信号光经过第四波分复用器9耦合进第二掺铒光纤8中，达到第二级放大，第二级放大后的信号光通过第三波分复用器7耦合进第一滤波器6中，滤除带外噪声，之后经过第二波分复用器5耦合进第一掺铒光纤4中，实现第三级放大，经过三级放大后的正向信号光通过第一波分复用器3传输进第一单芯传感光纤1中，从第一单芯传感光纤1的另一端输出。
基于同样的发明构思，如图2所示，本发明实施例还提供了一种单芯光纤传感系统，包括：系统前端设备16，低噪声双向光纤放大器17，系统尾端设备18。
其中，低噪声双向光纤放大器17如上所述，可以实现单芯光纤内的双向光放大功能。低噪声双向光纤放大器17通过第一单芯传感光纤1与系统前端设备16连接，通过第二单芯传感光纤15与系统尾端设备18连接。
本实施例设计了一种对称的直线型结构以实现双向光纤放大器，保证从两端输入的光都可以获得相同的增益，通过引入波分复用器和滤波器的组合，在多级放大的过程中滤除信号光的带外噪声，提升双向光纤放大器的信噪比。
本发明的优点在于：
本发明通过对称结构的设计，实现了双向放大的光纤放大器，从放大器两端输入的信号光均可以得到相同的增益；引入第一滤波器6和第二滤波器10，在信号光通过多级掺铒光纤放大的过程中滤除带外噪声，降低信号光内的噪声，提升放大器的信噪比；直线型结构避免了谐振腔的形成，减少了放大器自激对输入光的影响，提高了传输信号的信噪比。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低噪声双向光纤放大器，其特征在于，包括：第一单芯传感光纤(1)，第二单芯传感光纤(15)，第一泵浦光源(2)、第二泵浦光源(14)、第一波分复用器(3)、第二波分复用器(5)、第三波分复用器(7)、第四波分复用器(9)、第五波分复用器(11)、第六波分复用器(13)、第一掺铒光纤(4)、第二掺铒光纤(8)、第三掺铒光纤(12)、第一滤波器(6)以及第二滤波器(10)；
所述第一单芯传感光纤(1)的一端作为双向信号光的正向输入输出端，所述第一单芯传感光纤(1)的另一端与所述第一波分复用器(3)的信号光波长输入输出端相连接，所述第一泵浦光源(2)的输出端与所述第一波分复用器(3)的泵浦光波长输入输出端相连接，所述第一波分复用器(3)的合波输入输出端与所述第一掺铒光纤(4)的一端相连接，所述第一掺铒光纤(4)的另一端与所述第二波分复用器(5)的合波输入输出端相连接，所述第二波分复用器(5)的信号光波长输入输出端与所述第一滤波器(6)的一端相连接，所述第一滤波器(6)的另一端与所述第三波分复用器(7)的信号光波长输入输出端相连接，所述第二波分复用器(5)的泵浦光波长输入输出端与所述第三波分复用器(7)的泵浦光波长输入输出端相连接；
所述第三波分复用器(7)的合波输入输出端与所述第二掺铒光纤(8)的一端相连接，所述第二掺铒光纤(8)的另一端与所述第四波分复用器(9)的合波输入输出端相连接，所述第四波分复用器(9)的信号光波长输入输出端与所述第二滤波器(10)的一端相连接，所述第二滤波器(10)的另一端与所述第五波分复用器(11)的信号光波长输入输出端相连接，所述第四波分复用器(9)的泵浦光波长输入输出端与所述第五波分复用器(11)的泵浦光波长输入输出端相连接；
所述第五波分复用器(11)的合波输入输出端与所述第三掺铒光纤(12)的一端相连接，所述第三掺铒光纤(12)的另一端与所述第六波分复用器(13)的合波输入输出端相连接；
所述第六波分复用器(13)的泵浦光波长输入输出端与所述第二泵浦光源(14)的输出端相连接，所述第六波分复用器(13)的信号光波长输入输出端与第二单芯传感光纤(15)的一端相连接，所述第二单芯传感光纤(15)的另一端作为双向信号光的反向输入输出端。
2.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第二掺铒光纤(8)的长度大于所述第一掺铒光纤(4)和所述第三掺铒光纤(12)的长度。
3.根据权利要求2所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一掺铒光纤(4)和所述第三掺铒光纤(12)的长度相等。
4.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一掺铒光纤(4)、第二掺铒光纤(8)和第三掺铒光纤(12)具体为掺杂了铒离子的石英光纤。
5.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一泵浦光源(2)和所述第二泵浦光源(14)的输出光功率相等。
6.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一泵浦光源(2)和第二泵浦光源(14)具体为泵浦光波长为980nm的泵浦激光器。
7.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一单芯传感光纤(1)和所述第二单芯传感光纤(15)具体为用于传感功能的能够同时传输收发两个方向的光信号的单芯石英光纤。
8.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一滤波器(6)和第二滤波器(10)具体为光带通滤波器，允许通过的带宽内包含信号光所在波长。
9.根据权利要求1所述的低噪声双向光纤放大器，其特征在于，所述第一单芯传感光纤(1)，第二单芯传感光纤(15)，第一泵浦光源(2)、第二泵浦光源(14)、第一波分复用器(3)、第二波分复用器(5)、第三波分复用器(7)、第四波分复用器(9)、第五波分复用器(11)、第六波分复用器(13)、第一掺铒光纤(4)、第二掺铒光纤(8)、第三掺铒光纤(12)、第一滤波器(6)以及第二滤波器(10)中，任意相互连接的两者之间通过单模光纤连接。
10.一种单芯光纤传感系统，其特征在于，包括：系统前端设备(16)，系统尾端设备(18)，以及如权利要求1至9任一项所述的低噪声双向光纤放大器(17)；
所述低噪声双向光纤放大器(17)通过所述第一单芯传感光纤(1)与所述系统前端设备(16)连接，通过第二单芯传感光纤(15)与所述系统尾端设备(18)连接。
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