CN100454689C - 光放大器和控制该光放大器的方法 - Google Patents

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Abstract

在本发明的光放大器中，输入至输入连接器的一部分信号光由一个光耦合器分出，其功率由一个光接收装置探测。根据光接收装置所探测的输入信号光功率，由温度控制部分通过珀尔帖装置对放大光纤温度加以控制。另外，从输出连接器输出的一部分信号光由一个光耦合器分出，其功率由一个光接收装置探测。通过输出控制部分(162)控制从泵浦光源(152)提供给放大光纤的泵浦光功率，使得由光接收装置所探测的输出信号光功率处在既定的目标值。

Description

光放大器和控制该光放大器的方法
本发明涉及一种可以对光学传输系统中具有在一起的多个信号光波长的信号光进行光学放大的光放大器，并且涉及一种控制该光放大器的方法。
光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，和泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光；并且该光放大器设置在光学传输系统的中继站或类似装置中。
参考文献1《用于32×10Gb/s、SMF传输系统的宽动态范围波分复用光放大器》(“Wide-dynamic-Range WDM Optical Fib铒Amplifi铒s for 32×10Gb/s，SMF Transmission Systems”，S.Kinoshita等人，OSA TOPS Vol.25，PP.280-283(1998))中公开的光放大器设有具有可调衰减量的光衰减器，以便在保持增益均匀性的同时调节其增益。另一方面，参考文献2《采用激发态陷波没有动态增益晃动的EDFA》(“EDFA without dynamic gain tilt using excite-state trapping”，M.J.Yadlowsky，OSA TOPS Vol.25，PP.24-27(1998))中公开的光放大器设有一个用于输出将荧光材料(铒元素)引发至其激发能级的控制光(具有977.5nm的波长)的光源，该光源与用于输出泵浦光(具有1470nm的波长)的泵浦光源相分离，以便在保持增益均匀性的同时调节其增益。
为了克服上述例子中的问题，本发明的目的在于提供一种光放大器和光放大器控制方法，即使在输入信号光功率波动时也可以抑制其光放大性能的恶化并且易于保持增益的均匀。
根据本发明的光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号先进行光学放大；泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光；输出控制装置，用于控制从光波导输出的信号光，使得信号光的功率处在既定的目标值；和温度控制装置，用于根据输入至光波导的信号光的功率控制至少一部分光波导的温度。
根据本发明的光放大器控制方法采用一个光放大器，该光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，和泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光，从而控制从光波导输出的信号光，使得信号光的功率处在既定的目标值，并且根据输入至光波导的信号光的功率控制至少一部分光波导的温度。优选地，为了控制光波导的温度，令G(单位：dB)表示由温度控制装置加以控制的部分光波导中净增益调节范围的设定中心值，且A(单位：1/K)表示常数，则光波导温度的目标值(单位：K)根据输入至该光波导的信号光功率的变化量ΔP(单位：dB)改变ΔP/(A·G)。
根据该光放大器和光放大器控制方法，从光波导输出的信号光功率(可以是整个信号光或者是信号光的特定波长)被控制成具有既定的目标值，并且根据输入至该光波导的信号光功率(可以是整个信号光或者是信号光的特定波长)对至少部分光波导的温度加以控制。因此，即使在输入信号光功率波动时，也可以抑制光放大性能的恶化，从而易于保持增益的均匀。
在另一个方面，根据本发明的光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大；泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光；输出控制装置，用于控制从光波导输出的信号光，使得信号光的功率处在既定的目标值；和温度控制装置，用于根据光波导中的光放大增益控制至少一部分光波导的温度。
在另一个方面，根据本发明的光放大器控制方法采用一个光放大器，该光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，和泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光，从而控制从光波导输出的信号光，使得信号光的功率处在既定的目标值，并且根据光波导中的光放大增益控制至少一部分光波导的温度。优选地，为了控制光波导的温度，令G(单位：dB)表示由温度控制装置加以控制的部分光波导中净增益调节范围的设定中心值，且A(单位：1/K)表示常数，则光波导温度的目标值(单位：K)根据增益的变化量ΔG(单位：dB)改变-ΔG/(A·G)。
根据该光放大器和光放大器控制方法，从光波导输出的信号光功率(可以是整个信号光或者是信号光的特定波长)被控制成具有既定的目标值，并且根据该光波导中的光放大增益对至少部分光波导的温度加以控制。因此，即使在输入信号光功率波动时，并且甚至在该波动是有波数的波动引起时，也可以抑制光放大性能的恶化，从而易于保持增益的均匀。此处，可以通过探测各输入信号光功率和输出信号光功率并计算其比值来确定增益，或者通过前一级光放大器的输出信号光功率与本级光放大器的输入信号光功率之比来确定增益。
在再一个方面，根据本发明的光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大；泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光；输出控制装置，用于控制从光波导输出的信号光，使得信号光的功率处在既定的目标值；和温度控制装置，用于根据从光波导输出的至少两个波长信号光的相应功率之差控制至少一部分光波导的温度。
在再一个方面，根据本发明的光放大器控制方法采用一个光放大器，该光放大器包括一光波导，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，和泵浦装置，用于向所述光波导提供泵浦光，从而控制从光波导输出的信号光，使得信号光的功率处在既定的目标值，并且根据从光波导输出的至少两个波长信号光的相应功率之差控制至少一部分光波导的温度。
根据该光放大器和光放大器控制方法，从光波导输出的信号光功率(可以是整个信号光或者是信号光的特定波长)被控制成具有既定的目标值，并且根据从光波导输出的至少两个波长的相应功率之差对至少部分光波导的温度加以控制。因此，即使在输入信号光功率波动时，也可以抑制光放大性能的恶化，从而易于保持增益的均匀。并且，由于光波导的温度是反馈控制的，所以可以实现光放大的稳定工作。
在上述各个根据本发明的光放大器和光放大器控制方法中，光波导可以分成多个部分，温度控制装置可以保持光波导中最上游部分的恒定温度。在此情况下，可以在光放大器中整体上避免由温度改变所引起的光波导噪声特性的恶化。
在上述各个根据本发明的光放大器和光放大器控制方法中，荧光材料可以是铒元素。在此情况下，可以在光通信系统中通常采用的信号光波段1.53至1.60nm范围内对信号光进行光学放大。特别地，优选其中在1574至1601nm范围内光波导对信号光进行光学放大的光通信系统。在这种情况下，即使输入信号光功率波动，也可在25nm或更高的宽带范围保持增益的均匀。
图1表示根据第一实施例的光放大器的结构图；
图2表示对于各输入信号光功率值，根据第一实施例的光放大器中放大光纤的增益光谱的曲线图；
图3表示对于各输入信号光功率值，根据第一实施例的光放大器的增益相对于在输入信号光总功率为-11dBm时(在30℃的温度)所得增益的变化的曲线图；
图4表示对于各输入信号光功率值，根据第一实施例的光放大器中放大光纤紧前方测量的噪声因子的波长依赖特性；
图5A为说明信号光各波长状态的图示；
图5B为说明在输入信号光各个波长一致改变的情况下功率波动状态的图示；
图5C为说明在输入信号光某个波长的功率改变不同于输入信号光其它波长功率的情况下功率波动的图示；
图6表示根据第二实施例的光放大器的结构图；
图7表示根据第三实施例的光放大器的结构图；
图8表示根据第四实施例的光放大器的结构图；
图9表示根据第五实施例的光放大器的结构图；
图10表示根据第五实施例的光放大器中增益均衡器的损耗光谱图；
图11表示对于各输入信号光功率值，根据第五实施例的光放大器中从放大光纤531至放大光纤536的增益光谱图；
图12表示对于各输入信号光功率值，根据第五实施例的光放大器的增益相对于在输入信号光总功率为-7.5dBm时(在25℃的温度)所得增益的变化的曲线图；
图13表示根据第六实施例的光放大器的结构图；
图14表示对于各输入信号光功率值，根据第六实施例的光放大器中从放大光纤531至放大光纤536的增益光谱图；
图15表示对于各输入信号光功率值，根据第六实施例的光放大器中放大光纤531紧前方测量的噪声因子的波长依赖特性；以及
图16表示根据第七实施例的光放大器的结构图。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在对附图的说明中，彼此相同的构件以相同的数标表示，并且不再重复其交叠的说明。
(第一实施例)
首先说明根据本发明第一实施例的光放大器和光放大器控制方法。图1表示根据第一实施例的光放大器100的结构图。第一实施例光放大器100根据所输入信号光的功率对至少部分放大光纤的温度进行控制。
在根据本实施例的光放大器100中，从输入连接器101至输出连接器102，依次互相串联有光耦合器111、光隔离器121、光耦合器112、放大光纤131、光耦合器113、光隔离器122和光耦合器114。并且，在根据本实施例的光放大器100中，光接收装置141与光耦合器111相连，泵浦光源151与光耦合器112相连，泵浦光源152与光耦合器113相连，以及光接收装置142与光耦合器114相连。另外，根据本实施例的光放大器100设有一个温度控制部分161和一个输出控制部分162。
光耦合器111使一部分来自输入连接器101的信号光分流向光接收装置141，并且使其余部分由之传输向光隔离器121。光接收装置141例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器111分出的部分信号光，并且输出表示输入信号光功率的电信号。光隔离器121沿着从光耦合器111至光耦合器112的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器112将来自光隔离器121的信号光输出至放大光纤131，并且将从泵浦光源151输出的泵浦光输出至放大光纤131。泵浦光源151例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤131的荧光材料的泵浦光。
放大光纤131是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源151、152输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤131缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴132上。在该线轴132上固定有用于调节放大光纤131温度的珀尔帖装置(Peltier device)133，和用于探测该放大光纤131温度的热敏电阻134。
光耦合器113将从放大光纤131输出的信号光输出至光隔离器122，并且将从泵浦光源152输出的泵浦光输出至放大光纤131。泵浦光源152例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤131的荧光材料的泵浦光。光隔离器122沿着从光耦合器113至光耦合器114的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器114使一部分来自光隔离器122的信号光分流向光接收装置142，并且使其余部分由之传输向输出连接器102。光接收装置142例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器114分出的部分信号光，并且输出表示输出信号光功率的电信号。
根据光接收装置141所探测的输入信号光的功率，温度控制部分161通过珀尔帖装置133对放大光纤131的温度加以控制，同时监控由热敏电阻134得到的温度测量结果。另一方面，输出控制部分162控制由泵浦光源152向放大光纤131提供的泵浦光功率，使得由光接收装置142探测到的输出信号光功率处在既定的目标值。
根据本实施例的光放大器100工作过程如下。从泵浦光源151输出的泵浦光通过光耦合器112向前提供给放大光纤131，而从泵浦光源152输出的泵浦光通过光耦合器113反向提供给放大光纤131。输入至输入连接器101的信号光依次通过光耦合器111、光隔离器121，和光耦合器112，从而输入至放大光纤131中并被光学放大。在放大光纤131中被光学放大并输出的信号光依次通过光耦合器113、光隔离器122，和光耦合器114，从而由输出连接器102输出。
输入至输入连接器101的一部分信号光由光耦合器111分出，使得其功率由光接收装置141探测。根据光接收装置141所探测的输入信号光功率，由温度控制部分161通过珀尔帖装置133对放大光纤131的温度进行控制。另一方面，从输出连接器102输出的一部分信号光由光耦合器114分出，使得其功率由光接收装置142探测。而且，从泵浦光源152提供给放大光纤131的泵浦光功率由输出控制部分162加以控制，使得由光接收装置142探测到的输出信号光功率处在既定的目标值。
更具体地说，根据本实施例的光放大器100构造如下。放大光纤131是一个石英型光纤，其芯层掺杂有铒元素和Al元素，具有3700wt.ppm的铒元素掺杂浓度，15mm的长度，1.1μm的截止波长，并且在1.53μm波长具有约50dB/m的吸收率。用于向前提供泵浦光给放大光纤131的泵浦光源151为一个半导体激光源，输出波长为1.48μm的激光，从而向放大光纤131提供具有97mW功率的泵浦光。用于反向提供泵浦光给放大光纤131的泵浦光源152为一个半导体激光源，输出波长为1.48μm的激光，并且提供给放大光纤131的泵浦光由输出控制部分162加以控制，使得由光接收装置142探测到的输出信号光功率处在既定的目标值。
令具有在L波段即1574至1601nm波长范围内的多个波长的信号光被输入至输入连接器101，信号光各波长的功率以相同的方式波动，并且总功率在-13至-9dBm的范围内波动。令输入信号光总功率为-11dBm时放大光纤131的温度为30℃，此状态定义为基准状态。
则，当输入信号光的总功率由于温度控制部分161根据光接收装置141所得输入信号光功率探测结果而进行的温度控制从基准状态增加ΔP(单位：dB)时，放大光纤131的温度升高温差ΔT(单位：K)，由下式表示：
ΔT＝ΔP/(A·G)        (1)
此处，G(单位：dB)为放大光纤131中净增益调节范围的设定中心值，在此例中为放大光纤131在30℃时的光放大增益值。另外，A(单位：1/K)为常数，决定于放大光纤131的成分和信号光波段，在此例中其值为2.6×10-3/K。
此处，当输入信号光总功率是-13dBm时，放大光纤131的温度设定为0℃。当输入信号光总功率是-11.67dBm时，放大光纤131的温度设定为20℃。当输入信号光总功率是-11dBm时，放大光纤131的温度设定为30℃。当输入信号光总功率是-10.33dBm时，放大光纤131的温度设定为40℃。当输入信号光总功率是-9dBm时，放大光纤131的温度设定为60℃。
图2表示对于各输入信号光功率值，根据第一实施例的光放大器100中放大光纤131的增益光谱的曲线图。图3表示对于各输入信号光功率值，根据第一实施例的光放大器100的增益相对于在输入信号光总功率为-11dBm时(在30℃的温度)所得增益的变化的曲线图。
从这些图中可以看出，相对于输入信号光功率为-11dBm(在30℃的温度)的情况，当输入信号光功率改变-2dB(-13dBm，在0℃的温度)时增益改变约+2dB，当输入信号光功率改变-0.67dB(-11.67dBm，在20℃的温度)时增益改变约+0.67dB，当输入信号光功率改变+0.67dB(-10.33dBm，在40℃的温度)时增益改变约-0.67dB，当输入信号光功率改变+2dB(-9dBm，在60℃的温度)时增益改变约-2dB。
因此，在根据本实施例的光放大器100中，即使在输入信号光功率波动时，输出信号光功率也能达到既定的目标值，并且增益光谱的形状保持恒定。特别地，在1574至1601nm的波段内，信号光单个波长的输出功率波动在±0.1dB以内。虽然在上述参考文献2公开的光放大器中随着增益的增加其增益光谱的不稳定性也增大，但是在根据本实施例的光放大器100中即使增益增加其增益光谱的不稳定性也不会增大，从而使增益光谱的形状保持恒定。也就是说，当采用在1574至1601nm波段内的信号光时，即使输入信号光功率在-11±2dBm范围内波动，根据本实施例的光放大器100也可以使输出信号光单个波长的功率保持恒定，从而保持均匀的增益。
图4表示对于各输入信号光功率值，根据第一实施例的光放大器100中放大光纤131紧前方测量的噪声因子的波长依赖特性。从该图中可以看出，由于信号光不被光衰减器衰减，所以能够抑制噪声因子的大幅增加以及光放大性能的恶化而无须降低泵浦效率。
在本实施例中，如前所述，即使输入信号光功率波动，也可以抑制光放大性能的恶化，从而可以容易地保持增益的均匀性。与相关背景技术部分所述参考文献1中所公开的光放大器相比，在本实施例中不必提供一个可调光衰减器，因此可以消除光放大器中信号光的不必要损耗而提高泵浦效率。另外，与相关背景技术部分所述参考文献2中所公开的光放大器相比，在本实施例中不必提供一个用于输出控制光的光源，因此降低了成本并且改善了可靠性。
尽管前述放大光纤131的温度是在30℃±30K的范围内变化的，但是对应于输入信号光功率的更宽范围波动，也可以在更宽的温度范围调节放大光纤131的温度。而且，在具有图1所示结构的光放大器100中，由于光接收装置142不仅探测输出信号光的功率，也探测ASE光的功率，所以严格意义上说输出信号光功率不是恒定的。
另外，在前面假定了输入信号光单个波长一致改变的情况，如图5A和5B(从图5A至图5B)所示。然而，由于光源等方面的问题，也存在输入信号光某个波长的功率改变不同于输入信号光其它波长功率的情况(从图5A至图5C)。在后一情况下，放大光纤的温度最好如第二至第四实施例中根据所需增益加以控制，这在后面将加以说明，而不是如第一实施例中根据输入信号光的总功率对放大光纤的温度加以控制。
(第二实施例)
下面说明根据本发明的第二实施例光放大器和光放大器控制方法。图6表示根据第二实施例的光放大器200的结构。根据本实施例的光放大器200由输入信号光功率与输出信号光功率之比确定放大光纤中光放大的增益，并且根据该增益控制至少一部分放大光纤的温度。
在根据本实施例的光放大器200中，从输入连接器201至输出连接器202，依次互相串联有光耦合器211、光隔离器221、光耦合器212、放大光纤231、光耦合器213、光隔离器222和光耦合器214。并且，在根据本实施例的光放大器200中，光接收装置241与光耦合器211通过带通滤波器243相连，泵浦光源251与光耦合器212相连，泵浦光源252与光耦合器213相连，以及光接收装置242与光耦合器214通过带通滤波器244相连。
另外，根据本实施例的光放大器200设有一个温度控制部分261和一个输出控制部分262。
光耦合器211使一部分来自输入连接器201的信号光分流向带通滤波器243，并且使其余部分由之传输向光隔离器221。光接收装置241例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器211分出并通过带通滤波器243的部分特定波长的信号光，并且输出表示该特定波长输入信号光功率的电信号。光隔离器221沿着从光耦合器211至光耦合器212的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器212将来自光隔离器221的信号光输出至放大光纤231，并且将从泵浦光源251输出的泵浦光输出至放大光纤231。泵浦光源251例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤231的荧光材料的泵浦光。
放大光纤231是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源251、252输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤231缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴232上。在该线轴232上固定有用于调节放大光纤231温度的珀尔帖装置233，和用于探测放大光纤231温度的热敏电阻234。
光耦合器213将从放大光纤231输出的信号光输出至光隔离器222，并且将从泵浦光源252输出的泵浦光输出至放大光纤231。泵浦光源252例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤231的荧光材料的泵浦光。光隔离器222沿着从光耦合器213至光耦合器214的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器214使一部分来自光隔离器222的信号光分流向带通滤波器244，并且使其余部分由之传输向输出连接器202。光接收装置242例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器214分出并通过带通滤波器244的部分特定波长的信号光，并且输出表示该特定波长输出信号光功率的电信号。此处，带通滤波器243和244具有彼此相同的传输特性。并且，所述特定波长例如是1571nm。
根据光接收装置241和242所探测的特定波长输入信号光的相应功率，温度控制部分261计算放大光纤231中的光放大增益。然后，根据该增益，温度控制部分261通过珀尔帖装置233对放大光纤231的温度加以控制，同时监控由热敏电阻234得到的温度测量结果。另一方面，输出控制部分262控制由泵浦光源252向放大光纤231提供的泵浦光功率，使得由光接收装置242探测到的输出信号光功率处在既定的目标值。
根据本实施例的光放大器200工作过程如下。从泵浦光源251输出的泵浦光通过光耦合器212向前提供给放大光纤231，而从泵浦光源252输出的泵浦光通过光耦合器213反向提供给放大光纤231。输入至输入连接器201的信号光依次通过光耦合器211、光隔离器221，和光耦合器212，从而输入至放大光纤231中并被光学放大。在放大光纤231中被光学放大并输出的信号光依次通过光耦合器213、光隔离器222，和光耦合器214，从而由输出连接器202输出。
输入至输入连接器201的一部分信号光由光耦合器211分出，其特定波长成分通过带通滤波器243，从而其功率由光接收装置241探测。另一方面，从输出连接器202输出的一部分信号光由光耦合器214分出，其特定波长成分通过带通滤波器244，从而其功率由光接收装置242探测。然后，根据光接收装置241和光接收装置242所探测的特定波长信号光的相应功率，由温度控制部分261计算放大光纤231中光放大的增益，并且根据该增益通过珀尔帖装置233对放大光纤231的温度进行控制。而且，从泵浦光源252提供给放大光纤231的泵浦光功率由输出控制部分262加以控制，使得由光接收装置242探测到的特定波长输出信号光功率处在既定的目标值。
更具体地说，根据本实施例的光放大器200构造如下。本实施例的放大光纤231类似于第一实施例的放大光纤131。并且本实施例的泵浦光源251、252基本类似于第一实施例的泵浦光源151、152。
令具有在L波段即1574至1601nm波长范围内的多个波长的信号光被输入至输入连接器201。并且令通过带通滤波器243、244并由光接收装置241、242接收的特定波长信号光为具有1571nm波长的信号光。令Pr1(单位：dBm)表示由光接收装置241接收的特定波长信号光的功率，Pr2(单位：dBm)表示由光接收装置242接收的特定波长信号光的功率。则对于该特定波长信号光的光放大增益G(单位：dB)由下式表示：
G＝Pr1-Pr2           (2)
在本实施例中，在泵浦光源252中，提供给放大光纤231的泵浦光由输出控制部分262加以控制，使得由光接收装置242探测的特定波长输出信号光功率Pr2处在既定的目标值。并且，当对于该特定波长信号光的增益G为所需值时，则将放大光纤231的温度设定为30℃，定义为基准状态。
则，当特定波长信号光的增益由于温度控制部分261根据增益计算结果而进行的温度控制从基准状态增加ΔG(单位：dB)时，放大光纤231的温度升高温差ΔT(单位：K)，由下式表示：
ΔT＝-ΔG/(A·G)        (3)
此处，G(单位：dB)为放大光纤231中净增益调节范围的设定中心值，在此例中为放大光纤231在30℃时的光放大增益值，即26dB。并且，A(单位：1/K)为常数，决定于放大光纤231的成分和信号光波段，在此例中其值为2.6×10-3/K。
本实施例中同样得到类似于图2至4所示相应图示的特性。也就是说，不仅在输入信号光总功率波动的情况下，而且在输入信号光特定波长的功率改变不同于输入信号光其它波长功率的情况下，都可以使输出信号光功率达到既定的目标值，并且增益光谱的形状保持恒定。特别地，在1574至1601nm的波段内，信号光单个波长的输出功率波动在±0.1dB  内。当采用在1574至1601nm波段内的信号光时，即使输入信号光功率在-11±2dBm范围内波动，根据本实施例的光放大器200也可以使输出信号光单个波长的功率保持恒定，从而保持均匀的增益。并且，在根据本实施例的光放大器200中，由于信号光不被光衰减器衰减，所以不会降低泵浦效率，而能够抑制噪声因子的增加以及光放大性能的恶化。
(第三实施例)
下面说明根据本发明的第三实施例光放大器和光放大器控制方法。图7表示根据第三实施例的光放大器300的结构。根据本实施例的光放大器300由前级光放大器中的输出信号光功率和本级光放大器的输入信号光功率来确定放大光纤中光放大的增益，并且根据该增益控制至少一部分放大光纤的温度。
在根据本实施例的光放大器300中，从输入连接器301至输出连接器302，依次互相串联有光耦合器315、光耦合器311、光隔离器321、光耦合器312、放大光纤331、光耦合器313、光隔离器322、光耦合器314和光耦合器316。并且，在根据本实施例的光放大器300中，光接收装置341与光耦合器311相连，泵浦光源351与光耦合器312相连，泵浦光源352与光耦合器313相连，以及光接收装置342与光耦合器314相连。另外，根据本实施例的光放大器300设有一个温度控制部分361、一个输出控制部分362和一个监控部分363。
光耦合器315对来自输入连接器301的光进行去复用，从而向监控部分363输出既定波长的监控光，并且向光耦合器311输出信号光。光耦合器311使一部分来自光耦合器315的信号光分流向光接收装置341，并且使其余部分由之传输向光隔离器321。光接收装置341例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器311分出的部分信号光，并且输出表示输入信号光功率的电信号。光隔离器321沿着从光耦合器311至光耦合器312的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器312将来自光隔离器321的信号光输出至放大光纤331，并且将从泵浦光源351输出的泵浦光输出至放大光纤331。泵浦光源351例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤331的荧光材料的泵浦光。
放大光纤331是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源351、252输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤331缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴332上。在该线轴332上固定有用于调节放大光纤331温度的珀尔帖装置333，和用于探测放大光纤331温度的热敏电阻334。
光耦合器313将从放大光纤331输出的信号光输出至光隔离器322，并且将从泵浦光源352输出的泵浦光输出至放大光纤331。泵浦光源352例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤331的荧光材料的泵浦光。光隔离器322沿着从光耦合器313至光耦合器314的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器314使一部分来自光隔离器322的信号光分流向光接收装置342，并且使其余部分由之传输向光耦合器316。光接收装置342例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器314分出的部分信号光，并且输出表示该输出信号光功率的电信号。光耦合器316将来自光耦合器314的信号光和来自监控部分363的监控光多路复用在一起，并且将该多路复用的信号光和监控光输出至输出连接器302。
监控部分363输入来自光耦合器315的监控光。监控光是根据本实施例的光放大器300的前级光放大器输出的光，用于传送关于前级光放大器输出的信号光功率的信息。根据该监控光信息，监控部分363探测从前级光放大器输出的信号光功率P0(单位：mW)，并且将探测结果传送至各个温度控制部分361和输出控制部分362。
根据监控部分363探测的前级光放大器的输出信号光功率P0和光接收装置341探测的输入信号光功率P1(单位：mW)，温度控制部分361根据下述关系式确定所需增益G(单位：dB)
G＝10·log(P1/P0)        (4)
然后，如同第二实施例，根据增益G的改变量ΔG，温度控制部分361通过珀尔帖装置333对放大光纤331的温度加以控制，同时监控由热敏电阻334得到的温度测量结果。
并且，根据监控部分363探测的前级光放大器的输出信号光功率P0和光接收装置341探测的输入信号光功率P1，输出控制部分362控制由泵浦光源352向放大光纤331提供的泵浦光功率，使得由光接收装置342探测到的输出信号光功率处在既定的目标值P2(单位：mW)，由下式表示：
P2＝(P1/P0)·(P0+F)         (5)
此处，F(单位：mW)为由光放大器300噪声特性所决定的常数，大约为1mW。
根据本实施例的光放大器300工作过程如下。从泵浦光源351输出的泵浦光通过光耦合器312向前提供给放大光纤331，而从泵浦光源352输出的泵浦光通过光耦合器313反向提供给放大光纤331。输入至输入连接器301的信号光依次通过光耦合器315、光耦合器311、光隔离器321，和光耦合器312，从而输入至放大光纤331中并被光学放大。在放大光纤331中被光学放大并输出的信号光依次通过光耦合器313、光隔离器322、光耦合器314，和光耦合器316，从而由输出连接器302输出。
在输入至输入连接器301的光中，特定波长的监控光由光耦合器315去复用，从而输入至监控部分363。根据该监控光，监控部分363获取从前级光放大器输出的信号光功率P0。输入至输入连接器301的一部分信号光由光耦合器311分出，从而功率P1由光接收装置341探测。另一方面，从输出连接器302输出的一部分信号光由光耦合器314分出，从而其功率由光接收装置342探测。
然后，根据前级光放大器的输出信号光功率P0和本级光放大器300的输入信号光功率P1，根据式(4)确定所需增益G。另外，温度控制部分361根据如此确定的所需增益计算放大光纤331中光放大的增益，并且通过珀尔帖装置333根据该增益对放大光纤331的温度进行控制。
而且，根据前级光放大器的输出信号光功率P0和本级光放大器300的输入信号光功率P1，输出控制部分362根据式(5)确定输出信号光功率的目标值P2。另外，输出控制部分362对泵浦光源352提供给放大光纤331的泵浦光功率加以控制，使得由光接收装置342探测到的输出信号光功率处在既定的目标值P2。
根据本实施例的光放大器300不仅具有根据第二实施例的光放大器的效果，而且可以更精确地使输出信号光功率保持恒定。
(第四实施例)
下面说明根据本发明的第四实施例光放大器和光放大器控制方法。图8表示根据第四实施例的光放大器400的结构。根据本实施例的光放大器400提供了一个光学反馈环路，使得输出信号光的功率达到既定的目标值，并且根据放大光纤中的光放大增益对控制至少一部分放大光纤的温度。
在根据本实施例的光放大器400中，从输入连接器401至输出连接器402，依次互相串联有光耦合器411、光耦合器415、光隔离器421、光耦合器412、放大光纤431、光耦合器413、光隔离器422、光耦合器416和光耦合器414。并且，在根据本实施例的光放大器400中，光接收装置441与光耦合器411通过带通滤波器443相连，泵浦光源451与光耦合器412相连，泵浦光源452与光耦合器413相连，以及光接收装置442与光耦合器414通过带通滤波器444相连。另外，根据本实施例的光放大器400设有一个温度控制部分461、一个可调光衰减器471、一个带通滤波器472，和一个导引光输出控制部分473。
光耦合器411使一部分来自输入连接器401的信号光分流向带通滤波器443，并且使其余部分由之传输向光隔离器415。光接收装置441例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器411分出并通过带通滤波器443的部分特定波长的信号光，并且输出表示该特定波长输入信号光功率的电信号。光耦合器415将来自光耦合器411的信号光输出至光隔离器421，并且将来自可调光衰减器471的光输出至光隔离器421。光隔离器421沿着从光耦合器415至光耦合器412的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器412将来自光隔离器421的信号光输出至放大光纤431，并且将从泵浦光源451输出的泵浦光输出至放大光纤431。泵浦光源451例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤431的荧光材料的泵浦光。
放大光纤431是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源451、252输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤431缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴432上。在该线轴432上固定有用于调节放大光纤431温度的珀尔帖装置433，和用于探测放大光纤431温度的热敏电阻434。
光耦合器413将从放大光纤431输出的信号光输出至光隔离器422，并且将从泵浦光源452输出的泵浦光输出至放大光纤431。泵浦光源452例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤431的荧光材料的泵浦光。光隔离器422沿着从光耦合器413至光耦合器416的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器416使一部分来自光隔离器422的信号光分流向带通滤波器472，并且使其余部分由之传输向光耦合器414。光耦合器414使一部分来自光耦合器416的信号光分流向带通滤波器444，并且使其余部分由之传输向输出连接器402。光接收装置442例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器414分出并通过带通滤波器444的部分特定波长的信号光，并且输出表示该特定波长输入信号光功率的电信号。此处，带通滤波器443和444具有彼此相同的传输特性。
根据光接收装置441和442所探测的特定波长输入信号光的相应功率，温度控制部分461计算放大光纤431中的光放大增益G(单位：dB)。然后，如同第二实施例，根据该增益G的改变量ΔG，温度控制部分461通过珀尔帖装置433对放大光纤431的温度加以控制，同时监控由热敏电阻434得到的温度测量结果。
带通滤波器472将来自光耦合器416的光中具有特定波长(例如1603nm)的光由之传输通过。可调光衰减器471输入通过带通滤波器472的特定波长光，使之产生一个衰减量L(单位：dB)，并将该结果输出至光耦合器415。因此，从光耦合器415通过放大光纤431至光耦合器416的光路，和从光耦合器416通过带通滤波器472和可调光衰减器471至光耦合器415的返回光路形成了一个光学反馈环路，用于对通过带通滤波器472的特定波长光的激光谐振。
根据光接收装置441和442所探测特定波长信号光的相应功率，导引光输出控制部分473对放大光纤431中的光放大增益G进行计算。并且，导引光输出控制部分473提前在其中存储光耦合器412、413、415和416以及光隔离器421和422的总损耗L0(单位：dB)。然后，导引光输出控制部分473将可调光衰减器471的衰减量L设定在按下式计算出的值：
L＝G-L0           (6)
根据本实施例的光放大器400工作过程如下。从泵浦光源451输出的泵浦光通过光耦合器412向前提供给放大光纤431，而从泵浦光源452输出的泵浦光通过光耦合器413反向提供给放大光纤431。输入至输入连接器401的信号光依次通过光耦合器411、光耦合器415、光隔离器421，和光耦合器412，从而输入至放大光纤431中并被光学放大。在放大光纤431中被光学放大并输出的信号光依次通过光耦合器413、光隔离器422、光耦合器416，和光耦合器414，从而由输出连接器402输出。
输入至输入连接器401的一部分信号光由光耦合器411分出，其特定波长成分通过带通滤波器443，从而其功率由光接收装置441探测。另一方面，从输出连接器402输出的一部分信号光由光耦合器414分出，其特定波长成分通过带通滤波器444，从而其功率由光接收装置442探测。然后，根据光接收装置441和光接收装置442所探测的特定波长信号光的相应功率，由温度控制部分461计算放大光纤431中光放大的增益，并且根据该增益通过珀尔帖装置433对放大光纤431的温度进行控制。
并且，根据光接收装置441和442所探测的特定波长信号光的相应功率，导引光输出控制部分473对放大光纤431中的光放大增益G进行计算，并且根据式(6)计算出可调光衰减器471的衰减量L。可调光衰减器471由导引光输出控制部分473设定在所述的衰减量L。
在本实施例中，由于上述光学反馈环路的作用，使得从输出连接器402输出的信号光功率保持恒定。因此，从泵浦光源451、452提供给放大光纤431的泵浦光功率可以保持恒定。
根据本实施例的放大光纤400不仅具有根据第二实施例的光放大器所达到的效果，而且可以更精确地使输出信号光功率保持恒定。
(第五实施例)
下面说明根据本发明的第五实施例光放大器和光放大器控制方法。图9表示根据第五实施例的光放大器500的结构图。在根据本实施例的光放大器500中，放大光纤具有两级结构，并且对C波段波长范围的信号光进行光学放大。
在根据本实施例的光放大器500中，从输入连接器501至输出连接器502，依次互相串联有光耦合器511、光隔离器521、光耦合器512、放大光纤531、光隔离器522、增益均衡器571、光耦合器513、放大光纤536、光耦合器514、光隔离器523，和光耦合器515。并且，在根据本实施例的光放大器500中，光接收装置541与光耦合器511相连，泵浦光源551与光耦合器512相连，泵浦光源552与光耦合器513相连，泵浦光源553与光耦合器514相连，以及光接收装置542与光耦合器515相连。另外，根据本实施例的光放大器500设有温度控制部分561和562以及输出控制部分563。
光耦合器511使一部分来自输入连接器501的信号光分流向光接收装置541，并且使其余部分由之传输向光隔离器521。光接收装置541例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器511分出的部分信号光，并且输出表示输入信号光功率的电信号。光隔离器521沿着从光耦合器511至光耦合器512的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器512将来自光隔离器521的信号光输出至放大光纤531，并且将从泵浦光源551输出的泵浦光输出至放大光纤531。泵浦光源551例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤531的荧光材料的泵浦光。
放大光纤531是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源551输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤531缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴532上。在该线轴532上固定有用于调节放大光纤531温度的珀尔帖装置533，和用于探测放大光纤531温度的热敏电阻534。
光隔离器522沿着从放大光纤531至增益均衡器571的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。增益均衡器571具有用于补偿放大光纤531和536中信号光增益偏移的损耗光谱，从而使放大光纤500的总增益均匀。光耦合器513将来自增益均衡器571的信号光输出至放大光纤536，并且将从泵浦光源552输出的泵浦光输出至放大光纤536。泵浦光源552例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤536的荧光材料的泵浦光。
放大光纤536是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源552、553输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤536缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴537上。在该线轴537上固定有用于调节放大光纤536温度的珀尔帖装置538，和用于探测放大光纤536温度的热敏电阻539。
光耦合器514将来自放大光纤536的信号光输出至光隔离器523，并且将从泵浦光源553输出的泵浦光输出至放大光纤536。泵浦光源553例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤536的荧光材料的泵浦光。光隔离器523沿着从光耦合器514至光耦合器515的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器515使一部分来自光隔离器523的信号光分流向光接收装置542，并且使其余部分由之传输向输出连接器502。光接收装置542例如是一个光电二极管，用于接收由光耦合器515分出的部分信号光，并且输出表示输出信号光功率的电信号。
根据光接收装置541所探测的输入信号光功率，温度控制部分561通过珀尔帖装置533对放大光纤531的温度加以控制，同时监控由热敏电阻534得到的温度测量结果。并且，根据光接收装置541所探测的输入信号光功率，温度控制部分562通过珀尔帖装置538对放大光纤536的温度加以控制，同时监控由热敏电阻539得到的温度测量结果。另一方面，输出控制部分563对从泵浦光源552、553提供给放大光纤536的泵浦光功率进行控制，使得光接收装置542所探测的输出信号光功率处在既定的目标值。
根据本实施例的光放大器500工作过程如下。从泵浦光源551输出的泵浦光通过光耦合器512向前提供给放大光纤531。另一方面，从泵浦光源552输出的泵浦光通过光耦合器513向前提供给后级放大光纤536，而从泵浦光源553输出的泵浦光通过光耦合器514反向提供给放大光纤536。
输入至输入连接器501的信号光依次通过光耦合器511、光隔离器521，和光耦合器512，从而输入至放大光纤531中并被光学放大。在放大光纤531中被光学放大并输出的信号光通过光隔离器522输入至增益均衡器571，从而取决于根据增益均衡器571损耗光谱的波长产生损耗。从增益均衡器571输出的信号光通过光耦合器513输入至放大光纤536，从而在放大光纤536中被光学放大。在放大光纤536中被光学放大并输出的信号光依次通过光耦合器514、光隔离器523，和光耦合器515，从而由输出连接器502输出。
输入至输入连接器501的一部分信号光由光耦合器511分出，从而其功率由光接收装置541探测。根据光接收装置541所探测的输入信号光功率，由温度控制部分561通过珀尔帖装置533对前级放大光纤531的温度进行控制，由温度控制部分566通过珀尔帖装置538对后级放大光纤536的温度进行控制。
另一方面，从输出连接器502输出的一部分信号光由光耦合器515分出，从而其功率由光接收装置542探测。并且，通过输出控制装置562对泵浦光源552、553提供给后级放大光纤536的泵浦光功率加以控制，使得由光接收装置542探测的输出信号光功率处在既定的目标值。
更具体地说，根据本实施例的光放大器500构造如下。放大光纤531和536都是石英型光纤，其芯层掺杂有铒元素和Al元素，具有1000wt.ppm的铒元素掺杂浓度，1.1μm的截止波长，并且在1.53μm波长具有约7.6dB/m的吸收率。前级放大光纤531的长度是5m，后级放大光纤536的长度是12m。
用于向前提供泵浦光给前级放大光纤531的泵浦光源551为一个半导体激光源，输出波长为0.98μm的激光，从而向放大光纤531提供具有65mW功率的泵浦光。分别用于向前和反向提供泵浦光给后级放大光纤536的泵浦光源552和553为半导体激光源，输出波长为1.48μm的激光，并且提供给放大光纤536的泵浦光由输出控制部分563加以控制，使得由光接收装置542探测到的输出信号光功率处在既定的目标值。
假定位于前级放大光纤531与后级放大光纤536之间的增益均衡器571具有如图10所示形状的损耗光谱。如该图中所示，在1537nm至1559nm的波段范围内，其损耗在波长1537nm附近最低。
令具有在C波段即1537至1559nm波长范围内的多个波长的信号光被输入至输入连接器501，信号光各波长的功率以相同的方式波动，并且总功率在-9.0至-7.5dBm的范围内波动。令输入信号光总功率为-7.5dBm时放大光纤531和536的温度为25℃，此状态定义为基准状态。
则，当输入信号光的总功率由于温度控制部分561、562根据光接收装置541所得输入信号光功率探测结果而进行的温度控制从基准状态增加ΔP(单位：dB)时，放大光纤531、536的温度升高温差ΔT(单位：K)，由上述式(1)表示。此处，G(单位：dB)为放大光纤531和536中净增益调节范围的设定中心值，在此例中为放大光纤531和536在25℃时的光放大增益值，即34dB。另外，A(单位：1/K)为常数，决定于放大光纤531和536的成分和信号光波段，在此例中其值为-9×10-4/K。此处，当输入信号光总功率是-9.0dBm时，放大光纤531和536的温度设定为75℃。
图11表示对于各输入信号光功率值，根据第五实施例的光放大器500中从放大光纤531至放大光纤536的增益光谱图。图12表示对于各输入信号光功率值，根据第五实施例的光放大器500的增益相对于在输入信号光总功率为-7.5dBm时(在25℃的温度)所得增益的变化的曲线图。从这些图中可以看出，相对于输入信号光功率为-7.5dBm(在25℃的温度)的情况，当输入信号光功率改变-1.5dB(-9.0dBm，在75℃的温度)时增益改变约+1.5dB。
因此，在根据本实施例的光放大器500中，即使在输入信号光功率波动时，输出信号光功率也能达到既定的目标值，并且增益光谱的形状保持恒定。特别地，在1547至1555nm的波段内，信号光单个波长的输出功率波动在±0.1dB以内。当采用在1547至1555nm波段内的信号光时，即使输入信号光功率在-9至-7.5dBm范围内波动，根据本实施例的光放大器500也可以使输出信号光单个波长的功率保持恒定，从而保持均匀的增益。
(第六实施例)
下面说明根据本发明的第六实施例光放大器和光放大器控制方法。图13表示根据第六实施例的光放大器600的结构图。在根据本实施例的光放大器600中，放大光纤具有两级结构，并且只对后级放大光纤的温度加以控制以改善噪声因子。
根据第六实施例的光放大器600与根据第五实施例的光放大器500相比，除了省去了珀尔帖装置533、热敏电阻534、温度控制部分561，和增益均衡器571之外，具有相同的结构。在根据本实施例的光放大器600中，前级放大光纤531设定在室温。
更具体地说，根据本实施例的光放大器600构造如下。放大光纤531和536都是石英型光纤，其芯层掺杂有铒元素和Al元素，具有3700wt.ppm的铒元素掺杂浓度，1.1μm的截止波长，并且在1.53μm波长具有约50dB/m的吸收率。前级放大光纤531的长度是4.6m，后级放大光纤536的长度是15m。
用于向前提供泵浦光给前级放大光纤531的泵浦光源551为一个半导体激光源，输出波长为0.98μm的激光，从而向放大光纤531提供具有40mW功率的泵浦光。分别用于向前和反向提供泵浦光给后级放大光纤536的泵浦光源552和553为半导体激光源，输出波长为1.48μm的激光，并且提供给放大光纤536的泵浦光由输出控制部分563加以控制，使得由光接收装置542探测到的输出信号光功率处在既定的目标值。
令具有在L波段即1574至1601nm波长范围内的多个波长的信号光被输入至输入连接器501，信号光各波长的功率以相同的方式波动，并且总功率在-16.5至-12.5dBm的范围内波动。令输入信号光总功率为-14.5dBm时放大光纤536的温度为30℃，此状态定义为基准状态。
则，当输入信号光的总功率由于温度控制部分562根据光接收装置541所得输入信号光功率探测结果而进行的温度控制从基准状态增加ΔP(单位：dB)时，放大光纤536的温度升高温差ΔT(单位：K)，由上述式(1)表示。此处，G(单位：dB)为后级放大光纤536中净增益调节范围的设定中心值，在此例中为后级放大光纤536在30℃时的光放大增益值，即26dB。另外，A(单位：1/K)为常数，决定于放大光纤536的成分和信号光波段，在此例中其值为2.6×10-3/K。此处，前级放大光纤531保持在室温(25℃)。
这里，当输入信号光总功率为-16.5dBm时，放大光纤536的温度设定在0℃。当输入信号光总功率为-15.17dBm时，放大光纤536的温度设定在20℃。当输入信号光总功率为-14.5dBm时，放大光纤536的温度设定在30℃。当输入信号光总功率为-13.83dBm时，放大光纤536的温度设定在40℃。当输入信号光总功率为-12.5dBm时，放大光纤536的温度设定在60℃。
图14表示对于各输入信号光功率值，根据第六实施例的光放大器600中从放大光纤531至放大光纤536的增益光谱图。从该图中可以看出，相对于输入信号光功率为-14.5dBm(在30℃的温度)的情况，当输入信号光功率改变-2dB(-16.5dBm，在0℃的温度)时增益改变约+2dB，当输入信号光功率改变-0.67dB(-15.17dBm，在20℃的温度)时增益改变约+0.67dB，当输入信号光功率改变+0.67dB(-13.83dBm，在40℃的温度)时增益改变约-0.67dB，并且当输入信号光功率改变+2dB(-12.5dBm，在60℃的温度)时增益改变约-2dB。因此，在根据本实施例的光放大器600中，即使在输入信号光功率波动时，输出信号光功率也能达到既定的目标值，并且增益光谱的形状保持恒定。
图15表示对于各输入信号光功率值，根据第六实施例的光放大器600中放大光纤531紧前方测量的噪声因子的波长依赖特性。从该图中可以看出，由于信号光没有被光衰减器或增益均衡器衰减，所以可以抑制噪声因子的增加和光放大性能的恶化而无需降低泵浦效率。与第一实施例(图4)的情况相比，第一实施例中的噪声因子随着放大光纤温度的升高而恶化，而第六实施例中的噪声因子即使在放大光纤536温度升高时恶化也很小。
此处，由于前级放大光纤531的温度设定在室温，所以根据输入信号光功率控制后级放大光纤536的温度可以改善噪声因子。另一方面，根据输入信号光功率控制前级放大光纤531和后级放大光纤536的相应温度可以响应于输入信号光功率的更宽波动。可以根据光放大器的目的选择任一种。
(第七实施例)
首先说明根据本发明第七实施例的光放大器和光放大器控制方法。图16表示根据第七实施例的光放大器700的结构图。本实施例光放大器700根据所输出两个波长信号光之差对放大光纤的温度进行向后反馈控制，而不是象第一至第六实施例中那样对放大光纤的前馈控制。
在根据本实施例的光放大器700中，从输入连接器701至输出连接器702，依次互相串联有光隔离器721、光耦合器711、放大光纤731、光耦合器712、光隔离器722和光耦合器713。并且，在根据本实施例的光放大器700中，泵浦光源751与光耦合器711相连，泵浦光源752与光耦合器712相连，并且光接收装置741、742通过光耦合器714和带通滤波器743、744与光耦合器713相连。另外，根据本实施例的光放大器700设有一个温度控制部分761和一个输出控制部分762。
光隔离器721沿着从输入连接器701至光耦合器711的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器711将来自光隔离器721的信号光输出至放大光纤731，并且将从泵浦光源751输出的泵浦光输出至放大光纤731。泵浦光源751例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤731的荧光材料的泵浦光。
放大光纤731是一个光波导，其芯层掺杂有可以由泵浦光源751、752输出的泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大，并且输出所放大的信号光。掺杂荧光材料优选是稀土元素，更优选是铒元素。优选以铒元素掺杂是因为在1.55μm波段的信号光可以由其光学放大。放大光纤731缠绕在一个由具有优良热传导性材料(例如铝)制成的线轴732上。在该线轴732上固定有用于调节放大光纤731温度的珀尔帖装置733，和用于探测该放大光纤731温度的热敏电阻734。
光耦合器712将从放大光纤731输出的信号光输出至光隔离器722，并且将从泵浦光源752输出的泵浦光输出至放大光纤731。泵浦光源752例如是一个半导体激光源，并且输出其波长可以激发添加至放大光纤731的荧光材料的泵浦光。光隔离器722沿着从光耦合器712至光耦合器713的方向传输光束由之通过，而相反方向则不能。光耦合器713使一部分来自光隔离器722的信号光分流向光耦合器714，并且使其余部分由之传输向输出连接器702。
光耦合器714从来自光耦合器713的信号光中输出不同波长的信号光。例如，光耦合器714将最短波长的信号光输出至带通滤波器743，并将最长波长的信号光输出至带通滤波器744。光接收装置741例如是一个光电二极管，用于探测从光耦合器714输出并通过带通滤波器743的最短波长信号光的功率PS。光接收装置742例如是一个光电二极管，用于探测从光耦合器714输出并通过带通滤波器744的最长波长信号光的功率PL。
温度控制部分761输入光接收装置741所探测的最短波长信号光的功率PS以及光接收装置742所探测的最长波长信号光的功率PL，并且根据最短波长信号光功率PS与最长波长信号光功率PL相应值之差通过珀尔帖装置733对放大光纤731的温度加以控制。也就是说，温度控制部分761先将PS＞PL时放大光纤731的温度是升高还是降低存储其中，并且控制放大光纤731的温度以便减小最短波长信号光功率PS与最长波长信号光功率PL相应值之差。例如，在对L波段信号光光学放大的情况下，当PS＞PL和PS＜PL时分别降低和升高放大光纤731的温度。因此，在本实施例中，温度控制部分761对放大光纤731的温度进行反馈控制，而不监控热敏电阻734所得的温度测量结果。
输出控制部分762输入光接收装置741所探测的最短波长信号光的功率PS以及光接收装置742所探测的最长波长信号光的功率PL，并且控制从泵浦光源752提供给放大光纤731的泵浦光，使得最短波长信号光功率PS与最长波长信号光功率PL相应值之和处在既定的目标值。替代地，输出控制部分762也可以控制从泵浦光源752提供给放大光纤731的泵浦光，使得最短波长信号光功率PS与最长波长信号光功率PL相应值之一处在既定的目标值。并且，输出控制部分762可以控制从泵浦光源752提供给放大光纤731的泵浦光，使得输出信号光总功率或者其另一特定波长的功率处在既定的目标值。
根据本实施例的光放大器700工作过程如下。从泵浦光源751输出的泵浦光通过光耦合器711向前提供给放大光纤731，而从泵浦光源752输出的泵浦光通过光耦合器712反向提供给放大光纤731。输入至输入连接器701的信号光依次通过光隔离器721和光耦合器711，从而输入至放大光纤731中并被光学放大。在放大光纤731中被光学放大并输出的信号光依次通过光耦合器712、光隔离器722，和光耦合器713，从而由输出连接器702输出。
从输出连接器702输出的一部分信号光由光耦合器713分出，然后由光耦合器714去复用。由光耦合器714去复用的最短波长信号光通过带通滤波器743，其功率PS由光接收装置741加以探测。另一方面，由光耦合器714去复用的最长波长信号光通过带通滤波器744，其功率PL由光接收装置742加以探测。
然后，温度控制部分761通过珀尔帖装置733对放大光纤731的温度加以控制，以便减小最短波长信号光功率PS与最长波长信号光功率PL相应值之差。另一方面，输出控制部分762控制从泵浦光源752提供给放大光纤731的泵浦光，使得最短波长信号光功率PS与最长波长信号光功率PL相应值之和处在既定的目标值。
根据本实施例的光放大器700不仅具有第一实施例中光放大器的效果，而且由于对放大光纤731温度的反馈控制而可以获得更加稳定的光放大工作。
本发明并不限于上述诸实施例，而可以以不同的方式加以改动。例如，添加至放大光纤的荧光材料不限于铒元素，也可以是其它稀土元素(例如Tm元素、Pr元素、Nd元素等)。并且，代替上述放大光纤，也可以采用掺杂有可由泵浦光激励的荧光材料的平面光波导。
在既设有前级放大光纤也设有后级放大光纤的情况下，不仅可以如上述第六实施例中所述根据输入信号光功率，也可以根据增益或者根据所输出两个或多个波长信号光的相应功率之差，来单独控制后级放大光纤的温度。而且，在设有三个或更多放大光纤的情况下，通过使最上游放大光纤处在室温，可以控制第二级或后面各级任何放大光纤的温度，并且也改善了其噪声因子。
工业应用性
如前面所详细说明，在根据本发明的第一光放大器和光放大器控制方法中，从光波导输出的信号光功率被控制成具有既定的目标值，并且根据输入至光波导的信号光功率对至少部分光波导的温度加以控制。因此，即使在输入信号光功率波动时，也可以抑制光放大性能的恶化，从而可以容易地保持增益的均匀性。
在根据本发明的第二光放大器和光放大器控制方法中，从光波导输出的信号光功率被控制成具有既定的目标值，并且根据光波导中的光放大增益对至少部分光波导的温度加以控制。因此，即使在输入信号光功率波动时，并且甚至在该波动是有波数的波动引起时，也可以抑制光放大性能的恶化，从而易于保持增益的均匀。
在根据本发明的第三光放大器和光放大器控制方法中，从光波导输出的信号光功率被控制成具有既定的目标值，并且根据从光波导输出的两个或更多波长信号光的相应功率之差对至少部分光波导的温度加以控制。因此，即使在输入信号光功率波动时，也可以抑制光放大性能的恶化，从而易于保持增益的均匀。
并且，由于光波导的温度是受反馈控制的，所以可以实现光放大的稳定工作。
在光波导分成多个部分，并且温度控制装置使光波导中最上游部分的温度保持恒定的情况下，可以在光放大器中整体上避免由温度改变所引起的光波导噪声特性的恶化。
在荧光材料是铒元素的情况下，可以在光通信系统中通常采用的信号光波段1.53至1.60nm范围内对信号光进行光学放大。特别地，优选其中在1574至1601nm范围内光波导对信号光进行光学放大的光通信系统。在此情况下，即使在输入信号光功率波动时，也可以在25nm或更高的宽带保持增益的均匀性。

Claims (9)

1.一种光放大器，包括：
一光波导(131，536)，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大；
泵浦装置(151，152，552，553)，用于向所述光波导(131，536)提供泵浦光；
输出控制装置(162，563)，用于控制提供到所述光波导(131，536)的泵浦光的功率，使得从所述光波导(131，536)输出的信号光的功率值变为既定的目标值；和
温度控制装置(161，562)，用于根据输入至所述光波导(131，536)的信号光的功率变化对至少一部分所述光波导(131，536)的温度加以控制，使得当输入信号光的功率波动时，从所述光波导输出的信号光的功率达到所述既定的目标值，并且增益光谱的形状保持恒定。
2.根据权利要求1所述的光放大器，其中所述温度控制装置(161)根据输入至该光波导的信号光功率的变化量ΔP使该光波导温度的目标值改变
Figure C008008040002C1
其中G为由该温度控制装置加以控制的所述部分光波导中净增益调节范围的设定中心值，且A为常数，其中ΔP和G的单位为dB，该光波导温度的目标值的单位为K，A的单位为1/K。
3.如权利要求1所述的光放大器，其中所述光波导(131)分成多个部分，所述温度控制装置(161)控制所述光波导最上游部分的温度。
4.如权利要求1所述的光放大器，其中所述荧光材料是铒元素。
5.一种光放大器控制方法，采用一种光放大器，包括：
一光波导(131)，掺杂有可由泵浦光激发的荧光材料，用于对信号光进行光学放大；所述方法包括使用以下装置的步骤：
泵浦装置(151，152)，用于向所述光波导(131)提供泵浦光；输出装置(162)，控制提供到所述光波导(131)的泵浦光的功率，使得从所述光波导(131)输出的信号光的功率值变为既定的目标值，以及
温度控制装置(161)，根据输入至所述光波导的信号光的功率变化对至少一部分所述光波导(131)的温度加以控制，使得当输入信号光的功率波动时，从所述光波导输出的信号光的功率达到所述既定的目标值，并且增益光谱的形状保持恒定。
6.如权利要求5所述的光放大器控制方法，其中，为了控制所述光波导的温度，根据输入至该光波导的信号光功率的变化量ΔP使该光波导温度的目标值改变
Figure C008008040003C1
其中G为由所述温度控制装置加以控制的所述部分光波导中净增益调节范围的设定中心值，且A为常数，其中ΔP和G的单位为dB，该光波导温度的目标值的单位为K，A的单位为1/K。
7.如权利要求5所述的光放大器控制方法，其中所述光波导分成多个部分，并且其中其最上游部分的温度被保持恒定。
8.如权利要求5所述的光放大器控制方法，其中所述荧光材料是铒元素。
9.如权利要求5所述的光放大器控制方法，其中所述光波导对1574至1601nm波长范围内的信号光进行光学放大。
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