CN1233868A - 高效带宽加倍及增益整平石英光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
一种宽带光放大器,包括一对信号传输及放大臂,一个用于用于携载一短光波长带中的短波长信号而另一个用于携载一长光波长带中的长波长信号,各臂中的一放大器,用于放大其中携载的各信号,和一波分光复用器,用于将这些放大的信号组合入一单个光纤,该放大器没有一循环器。
Description
本发明涉及宽带基于光纤的光放大器。
掺饵光纤放大器(EDFA)时当前使用的最多的放大微弱的光信号的光放大装置，光信号的减弱是例如由传输光纤中的衰减所引起的。EDFA在短和长程光通信网络中，以及CATV广播网络中得到大量的使用。最新的波分复用(WDM)系统要求更加多地使用EDFA，因为由同一光纤同时携载支持多个信道的多波长光。在光的不同的波长中共用这些EDFA的放大增益。
常规的EDFA具有约35nm的一可用带宽。假定一WDM信道间隔50GHz(.4nm)，该带宽允许高达80个信道共用被用于对在光纤中信号传播所导致的损失进行补偿的放大器的增益。尽管该信道间隔可被变窄以增加传送的信道数，主要由于信道串扰而使信号检测系统(接收机)更加复杂。它也使例如紧凑波分复用器/解复用器的WDM无源器件的制做困难。非常窄的信道间隔引起例如传输光纤中的四光子混合的非线性效应，劣化系统性能。
己知常规的EDFA可通过使用一长的掺铒光纤且通过采用1530nm抽运来放大例如大约1585nm的更长波长光。然而，由于所需的两阶抽运处理(980至1530nm，1530nm至1585nm)而使效率非常低。为获得合理的放大增益，不得不使用例如通过使用一MOPA(主振荡器功率放大器)激光器，或4或更多个980nm及/或1480nm抽运激光器的组合而获得的大量的抽运能量。已得知使用总共500mW抽运能量可获得20db增益，在两放大带(1545nm和1585nm)之间有大于10dB的增益差。循环器连同反射光栅一起被使用以组合更短和更长的波长带。这些构成或者需要昂贵且短寿命的器件，或者通过使用许多有源抽运激光器，系统要求复杂的电子监视电路且具有潜在的高错误率。
根据本发明的一实施例，使用掺铒光纤作为放大介质的一光纤放大器被以980或1480nm抽运激光器进行抽运，且可提供一多波长输入光信号的75nm带宽上的放大。在一成功的实验室样机中，在该带宽上提供20dB并行放大增益仅需总共200mW抽运能量，及最多在980或1480nm工作的两个抽运激光器。应注意到该75nm放大的带宽约是由常规的EDFA提供的两倍。不需要循环器。替代地仅需要一宽带通过滤波器，被形成为一附加/引入(add/drop)复用器/解复用器。该增益在两窗的各个中基本上是平坦的，1545nm和1585nm之间的增益差小于1dB。
本发明的一优选实施例采用两个子放大器，总抽运能量的1/4被使用来放大1530至1560nm之间的第一带子放大器中的信号。其余的抽运能量的3/4被用来放大第二带子放大器中的1560-1620nm之间的信号。
采用两个光纤光栅，一个用来整平在1530nm的标称1545nm第一子放大器增益峰值，第二个用来增压1530nm信号，该1530nm信号被用作为抽运光用于在第二子放大器中标称1585nm窗中生成增益。
使用一基于带通滤波器的附加/引入复用器/解复用器以组合或分离来自该两放大带的信号不会引起如在使用循环器或其他耦合装置时引起的插入损耗。这样来自不同的子放大器的信号的组合和分离具备在这些子放大器中获得的高增益的最小损耗和守恒。
已表明本发明可提供一小信号的多于25dB的增益，或对于WDM情况的20dB并行增益。在该情况中的组合的饱和功率大于13dBm，其表示大于10％的绝对抽运效率。
根据本发明的一实施例，一宽带光放大器包括一对信号传输及放大臂，一个用于携载一短光波长带中的短波长信号而另一个用于携载相邻该短光波长带的一长光波长带中的长波长信号，各臂中的一放大器，用于放大其中携载的各信号，和一波分光复用器，用于将这些放大的信号组合入一单个光纤，该放大器没有一循环器。
通过以下结合附图所作的详细描述，将对本发明由更好的理解。
图1为本发明的一优选实施例的概略性视图；
图2为波分复用器的一优选实施例的方框图；
图3为用作为该优选实施例的一元件的一增益整平滤波器的传递功能的图形；
图4为用作为该优选实施例的一元件的一反射光栅的传递功能的图形；
图5A为在复用/解复用之前的，第一子放大器的增益功能的图形；
图5B为在复用/解复用之前的，第二子放大器的增益功能的图形；及
图6为根据本发明的一实施例的宽带放大器的最后增益功能的图形。
如图1所示，设置有两个总体平行的放大器臂，各使用掺铒光纤。一个设置有一增益整平的1545nm带EDFA，而另一个设置有一增益整平的1585nm带EDFA。待由各臂放大的信号经在这些臂的输入端的一基于带通滤波器的波长解复用器被分离，并经在这些臂的输出端的一复用器被组合。
第一抽运激光器的输出端在点3被熔接至一抽运波长分光器2的输入端。在一成功的实施例中，该分光器的分光比为50％-50％。在实验室样机中，该分光器的两输出端的各个可携载约50mW的980nm激光功率。该分光比可根据在980nm的总可用抽运能量而不是50％，且设计者期望在由两子放大器提供的增益之间取得平衡。
分光器2的输出端之一在点5与抽运WDM4的980nm光输入臂相熔接，该抽运WDM一般被用在EDFA中以将在980nm的抽运波长和在1550nm的一信号波长(该信号经该臂子放大器而自一输入端被传送)进行复用。
抽运WDM4的1550nm信号输入臂在点10与一增益整平滤波器相熔接，该增益整平滤波器可是一布喇格光栅9。布喇格光栅9应具有负地对应于EDFA的增益峰值的传递功能，如图3所示。
该布喇格光栅9串联地与一光隔离器11相组合，在点12与其接合，并允许EDFA的增益峰值的衰减以整平该臂的峰值。
抽运WDM4的输出携载980nm抽运光和1550nm信号光两者，其在点7与一段掺铒放大光纤6相熔接。该光纤的长度可根据掺杂浓度而改变，但在实验室样机中，最优地具有用于50mW抽运能量的8米的长度。
该被掺杂的光纤的另一端在点9被熔接至一隔离器8。该隔离器的作用是阻尼来自输出的多反射，且如果没有该隔离器，来自输出的多反射将进入掺铒光纤并导致掺饵光纤6中的激光作用，将另外地导致激光产生。隔离器8可是单级或双级。
上述子放大器提供从约1520nm至1570nm的增益，如图5A所示。
尽管为结构简单而描述了一单抽运级，也可替代地采用两或多抽运级以取得更佳的噪声因数和/或更高的增益。可采用其他的整平增益的技术，例如在抽运级之间或在放大器的输出端插入一增益整平滤波器。
在第二臂中，第二子放大器被形成两部分。
第一部分包含一1530nm信号发生器，其被用作为1585nm带的放大器的抽运源。第一部分最佳地可控制被取得的用于1585nm带信号的最后增益。
在所述的样机中也携载50％的980抽运能量的分光器2的第二输出端口在点14被接合至980nm抽运WDM13的输入端口。携载抽运和输入信号波长光的抽运WDM13的输出端口在点16与一放大掺饵光纤15相接合。掺饵光纤15的另一端经1550nm输入端口在接点18处被熔接至另一抽运WDM17。
抽运WDM17还具有在点19与第二抽运激光器20输出端熔接的一980nm输入端口，自其接收980nm光。掺饵光纤15的长度应被最优化以接受来自两激光器1和20的980nm抽运光。在样机中，光纤15的长度约为15米。
这样，来自抽运泵1的抽运能量以正向的方向抽运光纤15，来自抽运激光器20的更高的抽运能量相反地抽运掺杂的光纤15以在正向信号传输方向上生成更有效地被放大的自发发射(ASE)。该部分然后抽运第二部分以产生1585nm带中的增益。
由于ASE在正向和反向传播方向上总是被生成，一反射滤波器25(例如反射布喇格光栅)通过自点26的熔接被插入在第二子放大器输入端。该滤波器反射1560nm以下的波长的光并以准一零插入损耗传输1560nm以上的波长的光。该反射滤波器可由带有负地对应于EDFA ASE峰轮廓的一轮廓的布喇格光栅组成(见图4中样机的其传递功能)。
由于大多数反向传输的ASE被反射回掺饵光纤15，该级高度饱和地工作，且因此有效地发射1545nm带中的高功率ASE，主要居中在1530nm的峰中。在样机中，功率电平约为50mW。
为避免多反射，最好通过在点28与反射滤波器25熔接而在输入端插入一隔离器27。该较长的波长带中的输入信号被施加至隔离器27的输入端。
抽运WDM17的1550nm输出臂携载自总共150mW抽运能量(来自抽运泵1的50mW和来自抽运泵20的100mW)中的，由掺饵光纤15生成的约50mW的ASE功率，且与较长的掺饵光纤21相接触，在点22处熔接。总的掺杂光纤的长度依据于吸收系数而定，但在样机中最好是常规EDFA中使用的掺饵光纤长度的约5至10倍。光纤21的长度最优约为80米以提供整个1585nm带宽上的平坦的增益。在第一部分中生成的1530nmASE在光纤21中被吸收以放大具有比1560nm长的波长的信号(1585nm带)。
光纤21的另一端在点24被熔接至一隔离器23。隔离器23可以是居中在1585m的单级标准隔离器，或双级标准1550nm隔离器。
在图5B中示出该1585nm带子放大器的增益轮廓。
两个基于带通滤波器的波分复用器/解复用器(WDM)30和31被使用以分别将两臂耦合至一输入端和一输出端。参照图1和2，WDM30公共端口是宽带放大器的输入端口。附加/引入端口是常规的带通滤波器输入端口，在点28与第一子放大器输入端相熔接。一WDM通过端口(pass port)在点29与第二子放大器输入端相熔接。
常规的带通滤波器中不存在通过端口。为能将其用作为一复用器/解复用器，该通过端口被附加以收集由带通滤波器拒绝的带外光。当来自公共端口的信号包含1545nm和1585nm两带中的信号时，1545nm中的信号通过该滤波器到附加/引入端口并引至第一子放大器，且被放大。由滤波器拒绝的1585nm带中的信号由该通过端口所收集并被引至第二子放大器且被放大。该通过端口和公共端口在入射光和反射光之间是光学地对称的。
在各子放大器中分离地被放大后，1545nm带中的被放大的信号传送到WDM31的附加/引入端口，该附加/引入端口在点32被熔接至隔离器8。该信号传送过WDM31并被引至WDM31的公共端口用于输出。
WDM31的通过端口在点33被熔接至隔离器23的输出端。1585nm带中被放大的信号传入WDM31的通过端口，并由于该装置的对称性，被滤波器拒绝且被公共端口所收集。
结果，WDM31的公共端口输出包含1545nm和1585nm两者中被放大的信号的光。
可在图6中看到样机放大器的组合的增益曲线。增益曲线的中间的下降是由于基于带通滤波器的1545/1585nmWDM的反射和传输之间的衰减。下降的位置根据该滤波器的选择的带宽可被移向更短或更长的波长。如果仅一1545/1585nmWDM被使用，例如在输出端而不在输入端(分离的带宽信号被以50/50耦合器分开然后被提供给各隔离器11和27的输入端)，下降深度可被降低一半。如果替代WDM31也使用-50/50耦合器，该下降可被完全消除，但各耦合器将引起3dB损失。
从以上所述中可看到除了新的输入和输出WDM30和31外，仅使用常规的光纤器件，而非昂贵的循环器、MOPA激光器、或1530nm高功率DBF激光器。在样机中，带有0dBm总输入功率的总衰减功率大于13dBm，表示大于10％的绝对980nm抽运效率。放大增益曲线在多波长WDM输入位置中是平坦的，带有每信道近似20dB的增益。因此例如，如果在两放大带上均匀地分布100条信道，各信道输入功率为-25dBm，放大器的输出将传输每信道-5dBm的信号电平。该20dB增益表示对于高达160条信道的波分复用系统的超过100千米的传输距离。
本发明中所用的结构也能有效地提供双带宽放大的自发发射ASE，其可具有用于例如元件表征、光纤传感器网络等的应用。
为增强总输出功率，输入WDM30、隔离器11和27及光栅9和25可被省除并由各臂中将反向ASE反射回给子放大器以输出高强度ASE功率的反射器所替换。该样机在整个宽(双)带宽上传输大于25mW的ASE功率。
理解本发明的人现可想到使用上述原理的其他的实施例和增强例。所有这些实施例和增强例被认为是在由后附权利要求限定的精神和范围内。
Claims (20)
1、一种宽带光放大器，包括一对信号传输及放大臂，一个用于用于携载一短光波长带中的短波长信号而另一个用于携载一长光波长带中的长波长信号，各臂中的一放大器，用于放大其中携载的各信号，和一波分光复用器，用于将这些放大的信号组合入一单个光纤，该放大器没有一循环器。
2、根据权利要求1所述的放大器，包括，在第一臂中，第一光信号发生器，用于接收并放大该短光波长带中的信号，在第二臂中，第二光信号发生器，用于接收并放大该长光波长带中的信号，及第三光信号发生器，用于生成该短光波长带中的抽运信号并用于将其作为抽运源施加给第二光信号发生器从而使该第二光信号发生器能接收并放大该长波长带中的信号。
3、根据权利要求2所述的放大器，包括与该第二光信号发生器串联耦合的一反射滤波器，用于将反向发射的ASE光反射回给第二光信号发生器。
4、根据权利要求3所述的放大器，其中该第三光信号发生器由通过一光抽运泵自一光输出传输方向侧被抽运，并通过另一光抽运泵自另一侧被抽运的一掺饵放大光纤组成，该自一和另一抽运泵的抽运光的波长都是相同的或分别是980nm和1480nm，从而在光输出传输方向上在该掺饵放大光纤中生成ASE。
5、根据权利要求4所述的放大器，其中由该一光抽运泵抽运的光的功率大于由该另一光抽运泵抽运的光的功率，从而在该较长的光波长带中在该光输出传输方向上产生增益。
6、根据权利要求5所述的放大器，包括与该第一光信号发生器串联耦合的一反射滤波器，用于将实际上在该第一光信号发生器的放大峰值带中的反向发射的ASE光反射回给第一光信号发生器以使减少所述放大峰值带中该第一光信号发生器的放大。
7、根据权利要求5所述的放大器，包括将所述各放大臂耦合入该组合波分光复用器的隔离器，第一臂中的隔离器具有该短光波长带上的一通带且第二臂中的隔离器具有该长光波长带上的一通带。
8、根据权利要求7所述的放大器，其中该第一和第二光信号发生器各由一掺饵放大光纤组成。
9、根据权利要求8所述的放大器，包括一输入波分复用器，用于接收一输入信号并用于传送所述短波长信号给第一臂和传送所述长波长信号给另一臂。
10、根据权利要求8所述的放大器，包括一输入波分复用器，用于接收一输入信号并用于传送所述短波长信号给第一臂和传送所述长波长信号给另一臂。
11、根据权利要求1所述的放大器，包括具有被耦合至一分光器的输入端的一输出端的第一光抽运泵，各臂中的第一和第二抽运波分复用器，各复用器用于在一端口接收来自该分光器的一输出光的各自部分并在一第二端口接收各自输入信号且用于在一第三端口输出第一复用信号，被耦合至该第一抽运波分复用器的输出端的第一掺饵放大光纤，用于放大短光波长带中的光，被耦合至该第二抽运波分复用器的输出端的第二掺饵放大光纤，用于以该第二抽运波分复用器的输出光形成一抽运源用于该长波长带中的放大，具有被耦合至第二掺饵放大光纤的一输入端口的第三抽运波分复用器，具有被耦合至第三抽运波分复用器的另一输入端口的一输出端的第二光抽运泵，该第二掺杂的放大光纤的长度被最优化用以接受来自第一和第二光抽运泵两者的抽运光，与第二抽运波分复用器串联耦合的一反射滤波器，用于将该短波长带中的反向发射的放大的自发发射(ASE)反射回入第二掺饵放大光纤，被耦合至第三抽运波分复用器的一输出端口的一第三掺饵放大光纤，具有被最优化以提供该长光波长带上的近似平坦的增益的长度，被耦合至第一和三掺饵放大光纤的各输出端的第一和第二隔离器，和具有被耦合至这些隔离器的各输出端的输入端及一输出端的一输出波分复用器，用于提供一组合的放大的短和长波长带输出信号。
12、根据权利要求1所述的放大器，包括与第一抽运波分复用器串联耦合的一反射滤波器，用于将实质上与第一抽运波分复用器的一放大峰值相一致的一带上的短波长中的反向发射的ASE光反射回入该掺饵放大光纤，以减小第一掺饵放大光纤放大峰值带的放大。
13、根据权利要求11所述的放大器，其中各抽运泵发射在约980nm的光，其中该短光波长带近似为1530nm至1560nm，且其中该长光波长带近似为1565nm至1620nm。
14、根据权利要求11所述的放大器，其中这些反射滤波器由布喇格光栅组成。
15、根据权利要求10所述的放大器，其中该输入波分复用器包括一光带通滤波器，用于将一通带中的光信号传送给一附加或引入端口，和一通过端口，用于收集该通带外的光，该第一和第二臂被各自地耦合至该附加或引入端口及耦合至该通过端口。
16、根据权利要求3所述的放大器，包括一输入解复用器，用于将该短和长波长光信号耦合入各放大臂。
17、根据权利要求12所述的放大器，包括一输入波分复用器，用于接收一输入信号并用于传送所述短波长信号给第一臂及传送所述长波长信号给另一臂。
18、根据权利要求1所述的放大器，包括一输入解复用器，用于将该短和长波长光信号耦合入各放大臂。
19、一种带通滤波器的波分复用器/解复用器，包括一公共端口，用于接收一输入带中的光信号，该输入带比该带通滤波器的波分复用器/解复用器的一通带要宽，一附加/引入端口，用于将来自该公共端口的处于该带通滤波器的波分复用器/解复用器的通带中的信号传送给第一输出端并用于拒绝在该通带外的光信号，和一通过端口，用于将所述拒绝的光信号传送给一第二输出端。
20、一种带通滤波器的波分复用器/解复用器，包括一附加/引入端口，用于接收该带通滤波器的波分复用器/解复用器的通带中的信号并用于将所述通带中的信号传送给一公共端口，一通过端口，用于接收该带通滤波器的波分复用器/解复用器的通带外的信号，由于该带通滤波器的波分复用器/解复用器的对称性，该带通滤波器的波分复用器/解复用器用于拒绝在该通带外的光信号并用于在该公共端口收集这些被拒绝的信号，从而所述通带内和外的信号被传送给该公共端口。
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