CN100487507C

CN100487507C - 用以使增益平坦的二级掺铒放大器

Info

Publication number: CN100487507C
Application number: CNB2007101102820A
Authority: CN
Inventors: 叶建宏; 祁甡
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: CN101425850A; CN101086543A

Abstract

一种光放大器具有大致相等的光谱增益，在一范例中，光放大器包括一平面波导，该平面波导包括一基板，该基板包括一区域，该区域掺杂一稀土元素，光放大器还包括一光纤，该光纤包括掺杂稀土元素的核心部，并且光纤以光学方式与该平面波导耦接。

Description

用以使增益平坦的二级掺铒放大器

技术领域

本发明涉及一种光纤场(fields of fiber optics)以及光纤信号扩大(amplification of optical signal)技术，可提供于光纤信号的增益平坦化放大器。

背景技术

光通讯系统中，用以传送单一波长的光通道(optical channel)至一或多条光纤的技术已被大家所熟悉，为了由多点(plural sources)传送数据，时分复用(TDM，time-division multiplexing)常被应用，在时分复用中，特定的时槽(time slot)被分配至每一信号点(signal source)，而完整的信号由与每一时槽有关的部分所构成，若上述用以传送多笔数据源至单一光通道的技术是有效的，则其容量会受到光纤分布的限制，而必须产生高尖峰功率脉冲(high peak power pulses)。

波分复用(WDM，wavelength division multiplex)已被发现，用以作为增加现行光纤网络容量的方法，在波分复用系统中，多个光学信号信道被传送至具有被分配到特定波长的每一信道的单一光纤，因为每一个光通道都可以时分复用的形式作用，所以所有光纤网络中的全部数据传送容量可被大大地提升。

波分复用系统中的光信道通常以硅光纤(silica based optical fiber)被传送，并且相对地具有低耗损，使波长在1520至1580奈米(nm)之间，而波分复用系统中的光学信号信道的波长在此低耗损窗(low loss window)下，可以被传递约50公里而没有过多的能量衰减，然而，超过50公里以上的距离时，需要利用光放大器对光纤损耗做补偿。

已发展的光放大器包括一掺有稀土元素(rare earth element)的增益介质(gain medium)，稀土元素可能为铒(erbium)、镨(praseodymium)、钕(neodymium)以及碲(tellurium)，最常被使用的稀土元素为铒，因为铒可以产生最佳的增益，其波长范围在1520至1580奈米之间，并且，掺铒的介质可在一被选定的波长下通过光抽运(pumped)，举例来说，被选定的波长为980奈米，以提供光纤的波长在低耗损窗下可被放大或增益。

发明内容

根据本发明的原理构造，本发明可被实施且更广泛地解释，本发明的方法以及系统被用以增强光放大器的增益。

本发明的一范例提供一种光放大器包括一平面波导(planarwaveguide)，该平面波导包括一基板，基板包括掺杂了荧光材料的一区域，光放大器还包括一光纤，光纤包括掺杂有荧光材料的核心部(core)，其中，该光纤以光学的方式与平面波导耦接，其中该光放大器用以接收一输入光学信号并且提供由该输入光学信号反应后的一输出光学信号，其中当该输入光学信号的功率为0dBm以及该输入光学信号包括有波长范围在1528nm-1562nm之间的多个光学信号时，该光放大器的多个增益值会大于或等于37dB，并且增益的变化会等于或小于1.1dB。

本发明的另一范例提供波分复用传送系统(wavelength divisionmultiplexing transmission system)，其包括多个传输器，每一传输器用以传送各自的光学信号，而每一个光学信号有各自的波长，波分复用传送系统还包括一复用器以及一光放大系统，复用器用以结合多个光学信号至一光通信路径(optical communication path)上，光放大器可包括一平面波导(planar waveguide)以及一光纤，该平面波导包括一基板，基板包括一区域，该区域掺杂荧光材料，而光纤包括掺杂有荧光材料的核心部(core)，其中，该光纤以光学方式与该平面波导耦接，波分复用传送系统还可包括一去复用器(demultiplexer)以及多个接收器(receivers)，去复用器用以区分具有个别波长的每一光学信号，而接收器用以接受被区分后的光学信号并且将光学信号转换成电信号，其中该光放大器用以接收一输入光学信号并且提供由该输入光学信号反应后的一输出光学信号，其中当该输入光学信号的功率为0dBm以及该输入光学信号包括有波长范围在1528nm-1562nm之间的多个光学信号时，该光放大器的多个增益值会大于或等于37dB，并且增益的变化会等于或小于1.1dB。

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特列举出实施范例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的波分复用传送系统的范例方块图；

图2为本发明的二级光放大器的实施范例的方块图；

图3为本发明的铒掺杂平面波导的实施范例示意图；

图4为本发明的铒掺杂光纤范例示意图；

图5为铒掺杂平面波导放大器的输入信号功率为0以及-25dBm以及波分复用信号波长在1528-1562nm之间时，增益性能以及噪声指数的曲线变化图；

图6为具有10m长的铒掺杂光纤的铒掺杂放大器，其输入信号功率为0以及-25dBm以及波分复用信号波长在1528-1562nm之间，且抽运功率为72mW时，增益性能以及噪声指数的曲线变化图；

图7为增益平坦二级放大器的输入信号功率为0以及-25dBm以及波分复用信号波长在1528-1562nm之间时，增益性能以及噪声指数的曲线变化图；

图8为误码率测试表现图，测试输入信号的波长为1550nm，2.5Gb/s模块系统分别用于背对背式光放大器以及二级放大器系统；

图9为二级光放大器的另一实施范例的方块图；

图10为本发明二级光放大器的另一实施范例的方块图。

附图符号说明

100～波分复用传送系统

110～传输器

120～波分复用器

130～光通信路径

130a～第一光通信路径

130b～第二光通信路径

140、640～光放大器

150～波分复用去复用器

160～接收器

210、610～第一级

211～光隔离器

212～光源

213～第一光耦合器

214～平面波导介质

215～光滤波器

216～第二光隔离器

220、620～第二级

221～光源

222～第二光耦合器

223～铒掺杂光纤

224～光隔离器

305～玻璃基板

310～嵌入式区域

410～核心部

420～外壳

511～第三光隔离器

513～第二光滤波器

514～第一平面波导

515～第一光滤波器

516～第四光隔离器

517～第二平面波导

611～第一光源

711～第二光源

911～光源

912～第三光耦合器

具体实施方式

图1为波分复用(WDM)传送系统100的方块示意图，如图所示，波分复用传送系统100包括多个传输器110、波分复用(WDM)复用器(multiplexer)120、光通信路径(optical communication path)130、至少一光放大器(optical amplifier)140、波分复用(WDM)去复用器(demultiplexer)150以及多个接收器160，一般来说，传送光学信号通过波分复用传送系统100时，每一个传输器110会传送各自不同波长的光学信号，而光通信路径130包括硅光纤，并且该波长在1520至1580nm之间，为光通信路径130的低耗损窗(low loss window)。传输器110包括光源，如发光二极管或激光光，该传输器110可根据二进制输入串流(binary input stream)被调整，每一个从传输器110输出的光学信号都会进入波分复用器120，波分复用器120结合光学信号并且沿着光通信路径130传送结合后的光学信号，光通信路径130包括至少一区段的光纤。

一般而言，至少一光放大器140被设于光通信路径130上，用以放大被传送的光学信号以补偿在光通信路径130上的耗损，以下请参考图2做进一步说明，光学放大器140包括二级放大器(two-stage amplifier)以提供大致均匀的增益。

在沿着光通信路径130传播后，光学信号接着会进入波分复用去复用器150中，利用其个别的波长特征，进而区分已进入的信号，接着，由波分复用去复用器150中输出的信号会进入其对应的接收器160中，该接收器160包括一光电探测器(photodetector)，用以将已接收的光学信号转换成对应的电信号以进行接下来的工艺步骤。

图2为二级光放大器140范例的方块示意图，如图所示，光放大器140包括第一级210以及第二级220，此两阶一般包括了铒掺杂增益介质(erbiumdoped gain medium)，用以放大光学信号。另外一般而言，第一级210一般包括铒掺杂平面波导介质(erbium doped planar waveguide medium)214，第二级220一般包括铒掺杂光纤(erbium doped fiber)，如下更进一步地详细讨论，铒掺杂增平面波导介质214可包括一基板、相对来说较为小型，而铒掺杂光纤一般为数米至数十米的长度。此外，本实施例亦可将包括有铒掺杂平面波导介质的第一级210与包括有铒掺杂光纤的第二级220的位置调换。或者，由于用半导体工艺所致，所以光放大器140可使用具有铒掺杂平面波导介质或是铒掺杂光纤的二级形式(two-stage)(包括第一级210以及第二级220)串联而得。

请再参考图2，已进入的波分复用信号包括光学信号的复合信道，每一光学信号具有不同波长，复合通道被应用于位于光放大器140的第一级210中的光隔离器(isolator)211，光隔离器211一般为被动装置，大致用以防止光通信路径130中的反射，举例来说，光隔离器211可使在第一级210中被产生的放大自发性辐射(amplified spontaneous emission，ASE)光，避免沿着光通信路径130被传播，部分的光通信路径130可能会将放大自发性辐射光反射回到第一级210中并且增加噪声。

在通过光隔离器211后，波分复用信号(例如第一输入光学信号)会在第一光耦合器213中与一第一抽运光(first pump light)结合，另外，举例来说，第一光耦合器213可能包括一熔融光纤耦合器(fused fiber coupler)或一薄膜滤光器(thin film filter)，而第一光耦合器213通过第一光通信路径130a与平面波导介质(planar waveguide medium)214的输入端耦合连接，第一抽运光一般由光源212中被输出，例如一激光或一发光二极管，且其波长大致等于980nm，而其它已知的抽运光波长(pump wavelength)，如1480nm也可能被使用。

被结合后的第一抽运光以及波分复用信号会通过第一光通信路径130a被传至平面波导介质214的输入端，请参考图3，平面波导介质214包括一平面波导，也可能包括一硅基板或是玻璃基板305，该硅基板或玻璃基板305具有一嵌入式区域(embedded region)310，该嵌入式区域310具有一相对较高的折射率(与周围的基板相比)，故在嵌入式区域310上的光线会被局限在基板305的某一部分，嵌入式区域310可能由离子交换工艺(ion exchangeprocess)或溅镀工艺(sputtering)的方式形成，平面波导介质214相对较小，并且可降低极化灵敏度(Polarization dependence)以及串扰(cross-talk)。

由光源212输出的抽运光会刺激位于嵌入式区域310中的铒原子(erbium atoms)，例如，当铒原子在低能量状态时通过诱发性放射(stimulated emission)，该光线在一个或多个波分复用信号波长被放射，因此提供放大效果至输入波分复用信号，由平面波导介质214输出的放大后波分复用信号接着会到达光滤波器215，该滤波器215与平面波导介质214的输出端耦接，并且适度地阻挡没有被平面波导介质214所吸收的抽运光的传递，在通过与光滤波器215耦接的第二光隔离器216后，波分复用信号由第一级210被输出到第二级220。

第二级220可能包括一光源221以输出第二抽运光、一波分复用光耦合器(WDM coupler)(又称第二光耦合器222)、铒掺杂光纤223以及光隔离器224，而输入至第二级220的波分复用信号(又称作第二输入光学信号)会与由光源221发出的第二抽运光结合，并且该光源221具有第二光耦合器222，该第二光耦合器222与第一光耦合器213的结构近似，结合后的第二抽运光与波分复用信号会通过第二光通信路径130b进入铒掺杂光纤223中。

请参考图4，铒掺杂光纤223包括掺杂了铒的一相对较高折射率的核心部(core)410以及一相对较低折射率的外壳(cladding)420，由于核心部410与外壳420之间具有不同的折射率，故抽运光与波分复用信号仍会被限制在核心部410中，该抽运光(例如波长为980nm或1480nm)被设于核心部410中的铒原子所吸收，其过程大致同于上述的图3，当铒原子在基态(groundstate)时，以下将更进一步说明，光线在波分复用信号的一个或多个波长被放射，藉以放大波分复用信号，接着，在波分复用信号被输出至第二级220前，被放大后的波分复用信号通过光隔离器224。

光放大器140的增益性能(gain performance)以及噪声指数(noisefigure，NF)光谱，其通过具有0.05nm的分辨率的可调制波长激光(tunablelaser)以及光谱分析仪来量测，图5显示在第一级210中，输入信号功率(input signal power，Pin)分别为0以及-25dBm，波分复用信号波长在1528-1562nm之间时，增益性能以及噪声指数的曲线变化图，请参考图5，当输入信号功率为0dB，而波长范围在1528-1562之间时，此时增益(G)大于9.5dB，而噪声指数(NF)小于7.5dB，然而，可以注意到波长为1532nm时，最高增益(peak gain)为30.1dB而噪声指数为5.7dB，而当输入信号功率为-25dB，波长范围在1528-1562nm间时，噪声指数分布在5-6.3之间，当波长范围在1528-1562nm间时，可获得的最大增益变化量为4.7dB。

图6显示在第二级220中，输入信号功率(input signal power，Pin)分别为0以及-25dBm，波分复用信号波长在1528-1562nm之间时，增益性能以及噪声指数的曲线变化图，利用10m长的铒掺杂光纤，并且当铒掺杂光纤223在第二级220且980nm的激光抽运二极管功率(laser pump diode power)为72mW，当输入功率为0dBm，波长范围为1528-1562nm间的增益高于14.2dB，而噪声指数范围在6.3-7.1dB之间，同时，36.2dB的最高增益以及4.8dB的噪声指数会出现在1532nm且输入信号功率为-25dBm时，图6中，当波长范围在1528-1562nm间时，可获得的最大增益变化量为12.2dB。

图7显示包括光放大器140的实施例的增益性能以及噪声指数的曲线变化图，该图包括第一级以及第二级，第一级及第二级具有如前述图5及图6所述的增益性能以及噪声指数，当输入信号功率(Pin)为0dB时，最大增益变化量为0.3dB，并且波分复用信号的波长范围在1528-1562nm的每一波长的增益都超过14.8dB，另外在图7中，最大增益(G)为波长为1532nm的37.4dB以及波长为1556nm的37dB，最大增益变化量可在输入信号功率为-25dBm的曲线中看出，本发明的光放大器可使增益平坦化，并且由于光增益饱和效应(gain saturation behavior)，所以可在更大波长下增加增益值，换句话说，因为二级光纤放大器包括二个独立的放大器以串联结构组成，故所述放大器的增益可能被加强或是重迭，直到铒离子的集居量反转(populationinversion)导致光增益饱和才会停止，以上结果证明本发明的光放大器可以达到高增益，如在波长范围为1528-1562nm时，增益会超过35dB，并且光放大器使增益曲线大致平坦，如当输入信号功率为-25dBm时，最大变化量为1.1dB，而二级放大器140的光增益饱和特征会使增益增加到超过较小的增益区，因此，二级光放大器140不但可以平坦化增益光谱的曲线，还可增加增益。

图8为本发明光放大器的误码率(bit error rate，BER)的测试结果，误码率测试可被用来决定在光传输系统中，某一组件可能发生的错误的范围。

请参考图8中误码率测试结果，一测试输入信号，其波长为1550nm，该信号依照具有模式长度(pattern length)231-1的2.5Gb/s的非归零(non-return-to-zero)伪随机二进制序列(pseudo random binary sequence)被调制，该信号被铌酸锂电光调制器(LiNbO3 electro optical modulator)调制，此外2.5Gb/s的光接收器被用来检测被传输的信号，请参考图8，背对背耦接组态(back-to-back configuration)的误码率，背对背耦接组态包括传输器以及接收器，并且图8沿着背对背耦接组态的误码率标绘，背对背耦接组态包括有光放大器140，该光放大器设于传输器以及接收器之间，由该测试结果明显可知，当测试输入信号通过光放大器140时，光功率的损失约为0.4dB。

本发明披露具有以光学方式串联地耦接第一级210以及第二级220的增益平坦放大器140，在此披露的运算数据(operational data)证明运算输入信号波长的范围在1528-1562nm之间时，增益会大于35dB，而噪声指数会在5.5-6.7dB之间，并且当输入信号功率为-25dBm时，最大增益变化量为1.1dB，因此，本发明的光放大器140不仅提供了大致平坦且光谱均匀的增益，更增加波长范围在1528-1562nm之间的增益值，另外，波长范围与波分复用信号有关联。

以上描述用以说明附图，并不用以作为本发明的外型的限制或用以限制其它实施例，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，仍可作若干的的更改与修饰。例如，请参考图9，一可选择的抽运光源共享第一级210以及第二级220之间的耦接组态，而第三光耦合器912的输入端与光源911(如激光或发光二极管)耦接，并且第三光耦合器912的第一及第二输出端与第一光耦合器213以及第二光耦合器222耦接，第一输出端用以提供第一抽运光到达第一光耦合器213，而第二输出端用以提供第二抽运光到达第二光耦合器222，第一及第二抽运光由光源911中输出，并且通过第一光耦合器213以及第二光耦合器222分别地传递至平面波导介质214以及铒掺杂光纤223中。因此，本实施例有别于利用二抽运光源来提供第一及第二抽运光，图9中的光放大器140仅具有一个光源911，并且通过该光源911提供第一及第二抽运光。

此外，从另一方面来看，铒掺杂光纤223也可以被设置在可接收到输入波分复用信号的第一级中，包括铒掺杂平面波导介质214的第一级可能被设在用以输出放大后的波分复用信号的第二级中。如之前所述，光放大器140可使用具有铒掺杂平面波导介质或是铒掺杂光纤的二级形式(two-stage)(包括第一级210以及第二级220)串联而得。此外，虽然铒被描述为平面波导介质214以及铒掺杂光纤223中的荧光材料(fluorescentmaterial)，但仍可使用其它具有对应不同抽运波长的荧光材料，例如其它稀土元素(rare earth element)。

请参考图10，该图的实施例大致同于图9，其不同处在于本实施例的光放大器640包括第一级610以及第二级620，第一级610与第二级620的内部组件与图9的实施例略有差异，其中第一级610中设置一第一光源611于第一光隔离器211与第一光耦合器213之间，而第一平面波导514与第一光滤波器515依序设置于第一光耦合器213与第二光隔离器216之间，而第二级620的结构与第一级610大致相同，包括第三光隔离器511、第二光源711、第二光耦合器222、第二平面波导517、第二光滤波器513以及第四光隔离器516依序连接，此外，应注意的是第一光通信路径130a以及第二光通信路径130b分别与第一及第二平面波导514以及517耦接。

虽然本发明已以实施例披露如上，但其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，仍可作若干的更改与修饰，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求为准。

Claims

1.一种光放大器，包括：

一平面波导，包括一基板，该基板包括一区域，该区域掺杂一荧光材料；以及

一光纤，包括一核心部，该核心部掺杂该荧光材料，该光纤以光学的方式耦接该平面波导，

其中该光放大器用以接收一输入光学信号并且提供由该输入光学信号反应后的一输出光学信号，其中当该输入光学信号的功率为0dBm以及该输入光学信号包括有波长范围在1528nm-1562nm之间的多个光学信号时，该光放大器的多个增益值会大于或等于37dB，并且增益的变化会等于或小于1.1dB。

2.如权利要求1所述的光放大器，其还包括：

一第一光耦合器，用以结合一第一输入光学信号以及一第一抽运光朝向一第一光通信路径，该第一光通信路径与该平面波导耦接；以及

一第二光耦合器，用以结合一第二输入光学信号以及一第二抽运光朝向一第二光通信路径，该第二光通信路径与该光纤耦接。

3.如权利要求2所述的光放大器，其还包括：

一光源；以及

一第三光耦合器，包括一输入端、第一输出端以及第二输出端，该输入端与该光源耦接，该第一输出端用以提供该第一抽运光到达第一光耦合器，而该第二输出端用以提供该第二抽运光到达第二光耦合器。

4.如权利要求2所述的光放大器，其中该平面波导包括一输出端以及一输入端，该光放大器还包括：

一第一光隔离器，通过该第一耦合器与该平面波导的该输入端耦接；

一光滤波器，被用来适度阻挡该第一抽运光的传递，该光滤波器与该平面波导的该输出端耦接；以及

一第二光隔离器，与该光滤波器耦接。

5.如权利要求2所述的光放大器，其还包括：

一第一光源，用以输出该第一抽运光，该第一光源与该第一光耦合器耦接；以及

一第二光源，用以输出该第二抽运光，该第二光源与该第二光耦合器耦接。

6.如权利要求2所述的光放大器，其中该第一抽运光以及该第二抽运光的波长大致为980nm。

7.如权利要求2所述的光放大器，其中该荧光材料包括一稀土元素。

8.如权利要求7所述的光放大器，其中该稀土元素包括一铒元素。

9.如权利要求1所述的光放大器，其中进入该光放大器的一输入信号被传递至该平面波导中，而该光放大器的一输出信号由该光纤提供。

10.如权利要求1所述的光放大器，其中进入该光放大器的一输入信号被传递至该光纤中，而该光放大器的一输出信号由该平面波导提供。

11.一种波分复用传送系统，包括：

多个传输器，每一传输器用以传送每一对应的光学信号，其中，每一光学信号具有对应的波长；

一复用器，用以结合所述光学信号至一光通信路径；

一光放大器，包括：

一光纤，包括一核心部，该核心部掺杂该荧光材料，该光纤以光学的方式耦接该平面波导；

一去复用器，用以依照对应的波长区分每一光学信号；以及

多个接收器，用以接收区分后的该光学信号，并且将所述光学信号转换成多个电信号，

12.如权利要求11所述的波分复用传送系统，其中该光放大器还包括：

一第一光耦合器，结合一第一输入光学信号以及一第一抽运光进入一第一光通信路径，该第一光通信路径与该平面波导耦接；

一第二光耦合器，结合一第二输入光学信号以及一第二抽运光进入一第二光通信路径，该第二光通信路径与该光纤耦接。

13.如权利要求12所述的波分复用传送系统，其中该光放大器还包括：

一光源；以及

一第三光耦合器，包括一输入端、一第一输出端以及一第二输出端，该输入端与该光源耦接，该第一输出端用以提供该第一抽运光到达第一光耦合器，而该第二输出端用以提供该第二抽运光到达第二光耦合器。

14.如权利要求12所述的波分复用传送系统，其中该光放大器的该平面波导包括一输出端以及一输入端，该光放大器还包括：

一第二光隔离器，与该光滤波器耦接。

15.如权利要求12所述的波分复用传送系统，其还包括：

16.如权利要求12所述的波分复用传送系统，其中该第一抽运光以及该第二抽运光的波长大致为980nm。

17.如权利要求11所述的波分复用传送系统，其中该荧光材料包括一稀土元素。

18.如权利要求17所述的波分复用传送系统，其中该稀土元素包括一铒元素。

19.如权利要求11所述的波分复用传送系统，其中进入该光放大器的一输入信号被传递至该平面波导中，而该光放大器的一输出信号由该光纤提供。

20.如权利要求11所述的波分复用传送系统，其中进入该光放大器的一输入信号被传递至该光纤中，而该光放大器的一输出信号由该平面波导提供。