[发明专利]基于超连续谱的宽带光信号放大方法

说明书

本文提供了一种基于超连续谱的宽带光信号放大方法，通过泵浦光在非线性光纤产生的超连续谱实现光信号的放大技术。对于具有适宜的非线性和色散特征的非线性光纤，当信号光与泵浦光同步输入到光纤中产生超连续谱时，信号光在超连续谱的产生过程中被各种非线性效应所放大，从而实现超宽的增益带宽，使得超宽带的信号光可以被放大。本发明克服了其它光纤放大器在放大带宽等方面的局限性，极大地提升了光信号放大器的带宽。

技术领域

本发明属于激光和光通信领域，涉及一种基于超连续谱的宽带光信号放大方法。

背景技术

随着激光和通信技术的快速发展，光放大技术在激光和光通信领域发挥着越来越重要的作用。目前已发明使用的光放大器有掺铒光纤放大器、光纤拉曼放大器、半导体光放大器和光纤参量放大器等。掺铒光纤放大器的工作原理是利用铒离子的受激辐射跃迁实现放大。光纤拉曼放大器的工作原理是利用高功率激光泵浦传输光纤自身的非线性光学效应—受激拉曼散射将光信号放大。光纤参量放大是在光纤中基于四波混频效应对信号光进行放大的过程。

然而上述放大器存在着各自的局限性。掺铒光纤放大器的带宽有限。拉曼放大器增益不平坦。为实现更高效率、更大带宽的放大装置，研究人员利用非线性晶体对信号光进行放大。同时利用基频光和闲置光的和频，抑制光参量放大的逆转换过程(参见申请号202110431643.1的中国专利“一种基于双非线性光学过程的宽带光参量放大装置”)。此方案的缺点是需要经过分束镜、反射镜后通过倍频晶体得到参量放大，无法实现全光纤化。而超连续谱技术的出现为超宽带光信号放大技术提供了新的途径，本发明提出利用超连续谱来进行宽带信号的放大。

超连续谱的产生是基于光纤介质中的各种非线性效应导致出射光脉冲的谱宽极大展宽的物理现象。非线性光纤与光纤激光器的快速发展为超连续谱的产生提供了优良的非线性介质与泵浦源，可以实现具有超宽宽带且光谱平坦、结构紧凑的全光纤化超连续谱光源，使超连续谱光源的光谱范围从可见光拓展到了中远红外。超连续谱光源光谱范围的进一步拓展和输出性能的进一步完善，促使其在光信号放大领域的应用成为可能。

发明内容

本发明针对目前光放大器中的增益带宽受限的问题，提出了一种基于超连续谱的宽带光信号放大方法。旨在克服现有放大器于带宽范围等方面的局限性，拓宽放大系统的适用波长范围。

超连续谱的产生过程可以用广义非线性薛定谔方程来描述：

其中A表示光脉冲在时域上的电场包络，z是传输距离，α表示光纤损耗。β_k是与泵浦脉冲的中心频率ω₀附近的传播常数β(ω)的泰勒级数展开相关的色散系数。该方程式主要涉及了自相位调制、交叉相位调制、调制不稳定性、受激拉曼散射、四波混频、光孤子等各种非线性效应。

上述方程描述的是单个脉冲光场在非线性介质中传输时的非线性效应过程。本发明中，我们考虑到如果让两束光同时在非线性光纤中传输，两束光一强一弱，强的视为泵浦光，弱的视为信号光。随着传输距离的增加，强泵浦光场产生的非线性效应，在光纤中部分泵浦能量受到非线性效应的激励作用转移到信号光波长。光纤介质中的非线性效应可在很宽的范围内连续地产生，只要泵浦和信号光的频率差位于增益带宽内，则信号光就会由于非线性增益而放大。

本发明的技术解决方案：

一种基于超连续谱宽带光信号放大技术的装置，将信号光和泵浦光同时入射到非线性光纤中，泵浦光基于非线性介质产生的各种非线性效应导致超连续谱的产生，同时信号光在超连续谱的产生过程中被各种非线性效应所放大，从而实现超宽的增益带宽。

所述的泵浦光和信号光频率之差位于增益谱的带宽内。

所述的泵浦激光器为单波长脉冲激光器、单波长连续光激光器等。其中泵浦激光器的工作波长靠近或者远离非线性光纤的零色散波长。