单泵浦光纤参量放大器增益谱的宽带调谐

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1、单泵浦光纤参量放大器增益谱的宽带调谐MichelE.Marhic,SeniorMember,IEEE,KennethKin-YipWong,Member,IEEE,andLeonidG.Kazovsky,Fellow,IEEE摘要：通过适当选取光纤的参数和在零色散点附近调节泵浦波长，理论上可以产生很多不同的单泵浦光纤参量放大器的增益谱。既有广带的单个增益谱，也有远离泵浦波长的两个对称窄增益区。我们用实验验证了以上结论。用高度非线性光纤进行实验，我们推断出存在400nm宽的单个增益区，并测量到了最高65dB的开关增益。利用普通的色散位移光纤实验，我们在高于泵浦波长200nm处得

2、到了宽度小于1nm的窄带增益区间。通过降温到0℃我们成功将这些增益区间移动了几个纳米。关键词：参量放大器可调放大器可调滤波器1、介绍文献[1]中首次研究了单泵浦光纤参量放大器增益谱的具体形状。文中指出增益谱在泵浦频率两侧是对称的，形状主要由偶数阶的色散系数β2、β4决定。由于β2可以通过在零色散波长周围改变泵浦波长来调节，因此原则上可以用这种方式来优化增益谱。文献[1]的核心在于得到单宽带增益区并且预测100nm量级的增益带宽可以用通常的色散位移光纤(DSF)和几瓦特的泵浦功率得到。早先的测量实验证明了这一结论，实验中得到了35nm的增益带宽，仅受限于实验装置中所使用的掺铒光

3、纤放大器(EDFA)的增益带宽。高度非线性光纤(HNLFs)的出现使更大的增益带宽成为可能，其非线性系数是色散位移光纤的数十倍。随后文献[2]报导了200nm带宽的实现，近来已实现了360nm的增益带宽。文献[4]中的理论研究表明：如果

4、λp-λ0

5、增大到超出宽带放大所需后，增益谱将分裂成两个关于泵浦波长对称的窄带脉冲形增益谱，而且随着远离泵浦波长带宽变窄。同时在泵浦波长附近也有一个低增益区，但不引人关注。这些新的增益区间意味着新的应用。如果增益区带宽小于1nm，就可用于有增益的窄带滤波器，而且其中心波长在数十纳米甚至更大范围内是可以调节的。这可能被用于光接收机上。如果增益区

6、带宽达到数十纳米，可被用于制造诸如S波段和O波段的放大器，所需的C波段的泵浦是容易实现的。这样远离泵浦波长的窄带放大区之前已经在用于光纤参量放大器(OPA)实验的标准单模光纤中观察到了，但是在很宽区域上是不可调的。我们的工作首次研究了单泵浦光纤参量放大器的发展演化、由单一放大区分裂成远离泵浦波长的对称的两个窄带放大区。我们首先提出了相关理论，展示了对于DSF和HNLF的实验结果，揭示了这两种光纤的重要区别，特别是发现HNLF中λ0的纵向变化要比DSF差两个数量级，这提出了OPA设计中的一个难题。我们也测量了两种不同温度下的增益谱，阐明在一些应用中进行温控的必要。2、理论A、基

7、本假设考虑一个单泵浦光纤参量放大器，泵浦波、信号、闲频的角频率分别为ωp、ωs、ωi，满足2ωp=ωs+ωi。设想这三个波在整个光纤中有相同的线偏振态。如果满足-4γP0<∆β<0，则会有稳定增益，其中γ是光纤的非线性系数，P0是泵浦功率，∆β=βs+βi-2βp是传播常数失配。因此增益区的边界对应于∆β=0和∆β=-4γP0。与文献[1]一致，我们定义增益区的带宽为这两个波长之间的距离。最大增益在∆β=-2γP0时取得。小信号功率转换效率由下式给出：Gi,max=sinh2(γP0L)(1)增益谱的形状由色散特性决定。我们使用∆β的一个只包含二阶和四阶色散系数的模型来分析增

8、益区间的位置和宽度。考虑到∆ωs=ωs-ωp，做泰勒展开∆β=β2∆ωs2+β4∆ωs412(2)式中βm表示β(ω)在ωp处的m阶导数。对于给定的光纤，可以通过在ω0附近调节ωp的值来使β2在较大区间上变化，因为近似地有β2=β3(ωp-ω0)。另一方面，β4可以认为是常数，在下面的讨论中我们令β4<0，和我们试验中所使用的光纤的色散特性一致。图1为∆β∕γP0关于u=∆ωs2的函数图象。它们是一族原点处斜率等于β2的抛物线。在最大值处有相同的曲率β4∕6。图1，∆β∕γP0关于u=∆ωs2，对于不同的β2。假定β4为负，其中(a)β2<0,(b)β2=0,(c)、(d)β

9、2>0容易看出当β2=0时，增益谱是最宽的。半宽度等于∆ω4=2

10、3γP0β4

11、1/4(3)当β2的取值通过0时，增益谱的形状变化很快，但是两侧都相当稳定。如果β2负向增大(反常色散区)这个单个增益区间的宽度变小。如果β2正向增大(正常色散区)，增益区间分裂成两块，中心区宽度减小，另一块增益区间逐渐远离u=0，其宽度逐渐减小[见情况(d)]。通过调整ωp，理论上可以随意移动这一放大区。接下来我们详细研究对应于情况(d)的增益谱的主要特征，这将引出OPA一些尚未预想到的应用。我们以接近实验中所使用的OPA