CN101350677B - 用于wdm光传输的光直接放大器 - Google Patents

Abstract

一种用于WDM光传输的光直接放大器，以低成本的简单结构降低了功耗。该放大器包括：光放大介质(例如，光纤)，其响应于激发光源(例如，半导体激光器)的光激发实现光放大功能；温度控制器，用于控制放大介质的温度；散热元件，用于散发由该光源产生的热量；以及热传递调节器(例如，珀尔帖模块)，用于允许热量从该光源流入放大介质并防止热量从放大介质流入该光源。放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加由该光源产生的热量而被加热。

Description

用于WDM光传输的光直接放大器

技术领域

本发明涉及一种光直接放大器，更具体地，涉及一种优选用于波分复用(WDM)光传输的光直接放大器。

背景技术

近年来，对于WDM光传输系统，由于光学元件或装置(例如光互连)的性能增强、旨在实现40Gbit/s光信号传输的光发射机/接收机的运行加速等原因，电功耗不断增加。鉴于此原因，担心WDM光传输系统中使用的各种光学装置的功耗过大。此外，已经有降低功耗的需求，这当中也包括对环境政策的考虑。这样，在WDM光传输系统中，功耗降低的重要性日益上升。

当在利用光中继器的WDM光传输系统中通过光直接放大器发送光信号时，由于使用的光直接放大器的放大频带中的增益偏差，传输特性可能会恶化(即，发生数字误差)。这是由于掺杂稀土元素的光纤(用作光直接放大器的光放大介质)的增益的波长特性具有温度依赖性，并且所述增益的温度依赖性随着环境温度的改变而增加，导致传输特性恶化。因此，存在这样的需要：光放大介质要保持在比其允许温度范围更高的温度上，以避免由增益的波长特性改变所引起的信道之间的增益偏差。为了满足该需要，常规上使用图1中所示的光直接放大器。

图1是具有常规典型结构的现有技术光直接放大器110的透视图，示意性地示出了放大器110的结构。在该放大器110中，光放大介质111由安装在放大器110一侧的加热介质112加热。

光放大介质111由卷盘111a和绕卷盘111a设置的放大用光纤111b形成。温度传感器113安装在光纤111b的附近。加热介质112是电加热器，其响应供电而产生热量。温度控制电路114经由电缆116和117分别电连接到加热介质112和光放大介质111。温度控制电路114总是监控光放大介质111的温度，控制加热介质112，使得光放大介质111的温度保持在比环境温度高的预定温度。

由于现有技术的光直接放大器110具有上述结构，增益具有温度依赖性的光放大介质111(即，光纤111b)的温度能够保持恒定。因此，光纤111b增益的温度偏差的影响被抑制，从而可获得不受环境温度影响的稳定WDM光传输特性。换句话说，光放大介质111的增益-波长特性的温度依赖性可被抑制，从而产生与环境温度无关的增益-波长特性。

另外，在图1的结构中，仅仅在光放大介质111(即，卷盘111a)的一侧设置加热介质112。然而，加热介质112可设置在图1的结构中的光放大介质111(即，卷盘111a)的每一侧。

下面是本发明除了上述现有技术光直接放大器110外的其它相关技术。

2001年公开的专利文献1(日本未审专利公开No.2001-7428)公开了一种光放大器，其能够容易地保持增益平坦。该光放大器用于WDM光传输系统。

专利文献1的光放大器包括：光波导，用于光学放大信号光，其掺杂有能够通过激发光激发的荧光材料(例如，掺杂有荧光材料的放大用光纤)；和激发装置，用于向光波导提供激发光。该光放大器还包括：输出控制装置，用于控制输出，使得从光波导输出的信号光功率保持在目标值；和温度控制装置，用于基于输入到光波导中的信号光功率控制至少一部分光波导的温度。

具体来说，放大用光纤绕由具有极佳导热性的材料(例如，铝)制成的绕线管设置。用于调节光纤温度的珀耳帖(Peltier)元件和用于检测光纤温度的热敏电阻被粘附到该绕线管上。因此，如果输出信号光功率试图随输入信号光功率的波动而改变，则控制光纤的温度，使得输出信号光的功率保持在目标值。因此，光放大性能的退化被抑制，即便输入信号光功率波动。结果，可容易地保持增益平坦。(参见专利文献1的权利要求1、图1以及段落0018-0022。)

1996年公开的专利文献2(日本未审专利公开No.8-173560)公开了一种激光治疗仪以及所用的探头，其能够同时实施激光治疗和温热疗法，用于慢性疼痛治疗，而不会导致半导体激光器的任何热损坏。

专利文献2公开的激光治疗仪所用的探头包括：半导体激光器；热模块(例如，珀耳帖元件)，用于冷却半导体激光器；热敏电阻，用于检测热模块的温度；接触传感器电极，用于检测与人体的接触；陶瓷，发出远红外线；以及探头外壳，用于封闭这些元件。热模块在其中心位置具有开口，半导体激光器的照射口插入该开口中。半导体激光器的散热板固定在热模块的冷却侧上。用于发射远红外线的陶瓷固定在热模块的相对加热侧上。在使用时，陶瓷与人体接触以实施温热疗法。由于上述的结构，半导体激光器能够被强制冷却，并因此增强了可靠性和耐久性。(参见专利文献2的图1和段落0005、0009以及0014-0015。)

然而，如图1所示的现有技术光直接放大器110中，电力不仅对于驱动用于激发光放大介质111(即，放大用光纤111b)的激发光源、对于所述激发光源的温度调节、以及对于驱动控制它们的控制电路是必须的，而且对于驱动加热介质112也是必须的。因此，希望通过低成本的简单结构来降低现有技术光直接放大器110的功耗。

发明内容

做出本发明以满足上述要求，本发明的目的是提供一种光直接放大器，能够以低成本的简单结构降低功耗。

根据下面的说明，本领域技术人员将会清楚上述的以及其它未具体提及的目的。

根据本发明的一种光直接放大器，包括：

激发光源，用于光激发；

光放大介质，响应激发光源的光激发实现光放大功能；

温度控制器，用于控制光放大介质的温度；

散热元件，用于散发由激发光源产生的热量；以及

热传递调节器，设置在光放大介质和散热元件之间，用于允许热量从激发光源流入光放大介质，并防止热量从光放大介质流入激发光源；

其中，光放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加由激发光源产生的热量而被加热。

根据本发明的光直接放大器中，用于光激发光放大介质的激发光源产生的热量被传递到散热元件，然后，其被散发或辐射到所述光直接放大器的外部。此外，用于允许热量从激发光源流入光放大介质并防止热量从光放大介质流入激发光源的热传递调节器设置在光放大介质和散热元件之间。从而，光放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加激发光源产生的热量而被加热。

因此，光放大介质的温度可利用激发光源产生的热量而上升，从而保持光放大介质处于比环境温度高的预定温度。结果，用于加热光放大介质所需的电功率不是必须的，从而所述光直接放大器的功耗可因此降低。

此外，除了现有技术光直接放大器中包括的光放大介质、激发光源以及温度控制器外，提供散热元件和热传递调节器就足够了。此外，散热元件可容易地以具有良好热传导性的刚性元件实现，热传递调节器可容易地通过例如热电效应元件实现。这表明，所述光直接放大器的结构是简单的，且以低成本实现。

由于上述结构被结合到根据本发明的光直接放大器中，显然该放大器不同于专利文献1公开的现有技术光直接放大器与专利文献2公开的激光治疗仪的组合。

在根据本发明的光直接放大器中，例如，热电效应元件可优选用作热传递调节器。然而，任何元件或装置可用于该目的，只要其具有防止热量从光放大介质流入激发光源的功能。

根据本发明的光直接放大器优选用于WDM光传输。然而，该放大器可用于WDM光传输外的任何其他类型的光传输，只要其需要响应于激发光源的光激发来实现光放大功能的光放大介质以及用于控制光放大介质温度的温度控制器，其中光放大介质需要加热。

在根据本发明的放大器的优选实施例中，激发光源固定到散热元件的一个表面上，光放大介质经由热传递调节器固定到散热元件的另一表面上。在该实施例中，存在另外一个优点，即所述放大器的结构更加简单。

在根据本发明的放大器的另一优选实施例中，热电效应元件用作热传递调节器。在该实施例中，存在另外一个优点，即热传递调节器能够以简单且低成本的结构实现。

在根据本发明的放大器的又一优选实施例中，热电效应元件形成为板状，并且该热电效应元件的一个表面紧密接触散热元件，而该热电效应元件的另一表面紧密接触光放大介质。在该实施例中，存在另外一个优点，即热量被有效地从散热元件经由热传递调节器传递到光放大介质。

在根据本发明的放大器的另一优选实施例中，额外设置用于加热光放大介质的加热器。在该实施例中，存在另外一个优点，即，即使由于例如环境温度极低这样的原因而难以利用激发光源产生的热量保持光放大介质处于比环境温度高的预定温度，也可使用所述光直接放大器。

在根据本发明的放大器的又一优选实施例中，光放大介质由光纤形成。在该实施例中，存在另外一个优点，即凸显本发明的优点。

在根据本发明的放大器的另一优选实施例中，温度控制器被配置为保持光放大介质的温度处于比环境温度高的预定温度。在该实施例中，存在另外一个优点，即凸显本发明的优点。

在根据本发明的放大器的又一优选实施例中，所述放大器配置用于WDM光传输。在该实施例中，存在另外一个优点，即凸显本发明的优点。

附图说明

为了本发明能够容易实现，现在将参考附图进行说明。

图1为示意性示出现有技术光直接放大器结构的透视图。

图2为示意性示出根据本发明第一实施例的光直接放大器结构的透视图。

图3为示意性示出根据本发明第一实施例的光直接放大器整体结构的说明图，其中所述放大器用于利用光中继器的WDM光传输系统。

图4为示意性示出根据本发明第二实施例的光直接放大器结构的透视图。

具体实施方式

接下来，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

第一实施例

如图2所示，根据第一实施例的光直接放大器10包括：光放大介质11，响应于用于激发的半导体激光器19(即，激发光源)的光激发，实现光放大功能；以及温度控制电路14，用于控制放大介质11的温度。这点与先前参考图1说明的现有技术光直接放大器110相同。

然而，与现有技术光直接放大器110不同，该直接放大器10还包括：散热基底(即，散热元件)15，用于散发半导体激光器19产生的热量，以及珀尔帖模块12(其是一种热电效应元件)，用于防止热量从放大介质11流入激光器19，其中珀尔帖模块12设置在放大介质11和散热基底15之间。珀尔帖模块12用作热传递调节器，用于允许热量从半导体激光器19流入放大介质11并防止热量从介质11流入激光器19。放大介质11被配置为经由散热基底15和珀尔帖模块12利用由半导体激光器19产生的热量加热。换句话说，从半导体激光器19以热量形式发出的电力和从温度调节元件(未示出)以热量形式发出的电力经由珀尔帖模块12和散热基底15被传送给放大介质11，其中温度调节元件对激光器19进行温度调节。

这里，放大介质11由例如由铝制成的近似圆柱的卷盘11a以及绕该卷盘11a若干次设置的放大用掺铒光纤(EDF)11b形成。然而，也可以使用掺杂任何其它稀土元素的放大用光纤。可使用任何其它类型的光纤，只要其响应于激发光源的光激发实现光放大功能。除了光纤，具有任何其它结构和/或形式的任何光放大介质都可用于该目的。

散热基底15为矩形板，由具有良好导热性的刚性材料制成，例如，不锈钢。

珀尔帖模块12具有矩形板或片状的形状，比散热基底15小。模块12的一个表面固定到散热基底15与模块12相对的一平坦表面上。这是为了确保散热基底15和放大介质11之间的良好导热性，并且减少光直接放大器10的体积以节省空间。为了确保散热基底15和珀尔帖模块12之间的良好导热性，珀尔帖模块12位于散热基底15一侧的整个表面紧密接触基底15的相对表面。珀尔帖模块12位于散热基底15相对侧的整个表面固定到放大介质11的卷盘11a的边缘形(brim-shaped)部分的一个表面上并与之紧密接触。这是为了确保放大介质11和珀尔帖模块12之间的良好导热性。

半导体激光器19是芯片形的，用于激发放大介质11(即，光纤11b)。激光器19的一个表面固定到散热基底15与珀尔帖模块12相对的表面上并与之紧密接触。这是为了确保半导体激光器19和散热基底15之间的良好导热性，从而使得在其工作中，从激光器19发出的热量被有效传递到散热基底15。

珀尔帖模块12将从半导体激光器19发出的热量传递到放大介质11；然而，模块12不执行反方向的热传递。这意味着，珀尔帖模块12是一种能够仅允许单向热传导的装置。模块12允许热量从半导体激光器19流入放大介质11，同时，防止热量从放大介质11流入激光器19。因此，有效避免了从放大介质11发出的热量被施加到激光器19、而使激光器19不能正常工作的情况。这里描述的这种单向热传导可容易地实现，例如通过将珀尔帖模块12的发热侧设置在激光器19一侧，并且将模块12的吸热侧设置在放大介质11一侧。

用作温度传感器的热敏电阻13安装在放大介质11(即，绕卷盘11a设置的放大用光纤11b)的外表面上。热敏电阻13经由电缆17电连接到温度控制电路14。珀尔帖模块12也经由电缆16电连接到所述电路14。

温度控制电路14始终通过热敏电阻13监控放大介质11(即，光纤11b)的温度。此外，该电路14以使热敏电阻13的电阻保持常数的方式控制或调节提供给珀尔帖模块12的电流，从而控制放大介质11的温度。这样，放大介质11的温度保持在预定温度(即，选择温度)。该预定的选择温度比放大介质11可安装的环境温度允许范围的最高温度要高。

为了保持放大介质11处于该选择温度，需要施加热量。因而，利用从用于在工作中激发所述介质11的半导体激光器19发出的热量。由于这一原因，不需要包括先前参照图1说明的现有技术光直接放大器110中所设置的加热介质(加热器)112。

由于上述这种结构，在工作中，来自半导体激光器19的热量(过去被散发到空气中)能够用于加热放大介质11。因此，光直接放大器10的功耗可降低。

光纤18的一端连接到半导体激光器19的输出部分。向激光器19供给以预定的驱动电流以产生激光振荡，从而从激光器19的输出部分发出激发用的预定激光。这样输出的激发用激光通过光纤18发送到放大介质11。

当具有上述结构的光直接放大器10应用于利用光中继器的WDM光传输系统时，放大器10具有图3所示的整体结构。

光直接放大器10包括用于信号光传输的光纤33。WDM光波导耦合器34安装在光纤33的输入端子31和输出端子32之间。光纤18的一端被光连接到WDM光波导耦合器34，半导体激光器19的输出光(即，激发光)通过这一端发送到所述光纤18的外部。放大介质11的光纤11b被光连接到光纤33。

WDM光波导耦合器34将通过输入端子31发送到光纤33中的信号光和从半导体激光器19发出的激发光耦合，同时，波分复用如此耦合的信号光和激发光。如此产生的波分复用信号和激发光通过光纤33向输出端子33传输。在该传输过程中，波分复用激发光进入放大介质11的光纤11b并激发该光纤11b，从而导致所述光纤11b中的预定光放大操作。由于所述光放大操作，在光纤33中传播的波分复用信号光的波形被放大，此后，如此放大的波分复用信号光从输出端子32发出。

根据本发明第一实施例的光直接放大器10中，如上所述，由用于光激发光放大介质11(即，放大用光纤11b)的半导体激光器19产生的热量，被传递到散热基底15，然后，散发或辐射到光直接放大器10的外部。此外，允许热量从激光器19流入放大介质11并防止热量从放大介质11流入激光器19的珀尔帖模块12设置在放大介质11和散热基底15之间。因此，放大介质11通过经由散热基底15和珀尔帖模块12施加由激光器19产生的热量(所述热量过去被散发到大气中)而被加热。

因此，利用激光器19产生的热量，放大介质11的温度可上升，从而保持放大介质11处于比环境温度高的预定温度。结果，不必需要加热放大介质11所需的电功率，因而能够降低第一实施例的光直接放大器10的功耗。

此外，除了现有技术光直接放大器110包括的放大介质111、半导体激光器(图1未示出)以及温度控制电路114，只需再为放大器10提供散热基底15和珀尔帖模块12就足够了。另外，散热基底15可容易地用具有良好导热性的刚性构件实现，珀尔帖模块12可容易地利用公知的热电效应元件实现。这表明，根据第一实施例的光直接放大器10的结构是简单的，并在低成本下实现。

第二实施例

根据本发明的第二实施例的光直接放大器10A具有图4所示的结构。

根据第二实施例的放大器10A的结构与根据第一实施例的上述光直接放大器10相同，除了在放大介质11的卷盘11a与珀尔帖模块12相对的表面上额外安装加热器20。换句话说，放大器10A的结构相当于放大器10的结构和加热器20的组合。因此，这里采取与图2的第一实施例中使用的相同的附图标记，省略了相同结构的说明。

加热器20是一种响应于供电产生热量的电加热器。这里，加热器20的形状为矩形板或片状。该形状是考虑到光放大介质11的卷盘11a的热传导性以及节省空间而确定的。加热器20经由电缆21电连接到温度控制电路14。由于温度控制电路14的工作，加热器20可根据需要工作或激活以产生热量。这样从加热器20产生的热量与半导体激光器19产生的热量一起按需施加到放大介质11。

根据第二实施例的光直接放大器10A中，由于上述结构，除了第一实施例的放大器10的优点，还存在另外的优点，即，即使由于如环境温度极低这样的原因而导致利用半导体激光器19产生的热量难以保持放大介质11处于比环境温度高的预定选择温度，放大器10A也能够使用。

由于第二实施例的放大器10A包括加热器20，如果加热器20工作，功耗将比第一实施例的放大器10大。然而，主要利用由激光器19产生的热量来加热放大介质11。因此，放大器10A的功耗比先前描述的现有技术放大器110低。

其它实施例

上述的第一和第二实施例是本发明的优选实施例。因此，不用说，本发明不限于这些实施例，可对它们做出任何改进。

例如，第一和第二实施例中热敏电阻13用作温度传感器；然而，任何其它类型的温度传感器可用于该目的。

虽然在第一和第二实施例中使用其中绕卷盘11a设置放大用光纤11b的光放大介质11，但本发明不限于此。放大介质11可具有任何其它结构，例如包括绕卷盘11a设置的放大用宽(即，片状)光纤的结构，或者仅仅包括放大用光纤而没有卷盘11b的结构。代替放大用光纤，可使用任何其它类型的光放大介质。

上述实施例中半导体激光器19用作光放大介质11的激发光源。然而，本发明不限于半导体激光器。可使用任何其它类型的激发光源。

作为温度控制电路14，可使用具有任何结构的温度控制电路，只要可与根据本发明类型的光直接放大器一起使用。

在上述实施例中，半导体激光器19固定在散热基底15的一个表面上。然而，本发明不限于此。如果由激光器19产生的热量可传递到基底15，例如通过使用介于激光器19和基底15之间的合适的热传递元件，激光器19可安装成离开基底15。

在上述第二实施例中，使用片状电加热器20。然而，可使用任何其它类型的加热器，只要其能加热光放大介质11。

虽然已经说明了本发明的优选形式，但本领域技术人员不脱离本发明的精神可进行修改。因此，本发明的范围仅由所附权利要求确定。

Claims (8)

1.一种光纤放大器，包括：

激发光源，用于发射激发光；

光放大介质，被配置为响应从激发光源发射的激发光，对信号光进行光放大，所述光放大介质包括光纤；

温度控制器，被配置为控制光放大介质的温度；

耦合器，被配置为将从激发光源发射的激发光输入到光放大介质中；以及

热传送器，设置在光放大介质和激发光源之间，该热传送器允许热量从激发光源流入光放大介质。

2.根据权利要求1的放大器，其中，珀尔帖元件用作热传送器。

3.根据权利要求2的放大器，其中，所述温度控制器被配置为使用珀尔帖元件来控制光放大介质的温度。

4.根据权利要求2的放大器，其中，珀尔帖元件是板状的。

5.根据权利要求1的放大器，其中，光放大介质位于热传送器的一侧，并且激发光源位于热传送器的另一侧。

6.根据权利要求3的放大器，其中，温度控制器被配置为保持光放大介质的温度处于比环境温度高的温度。

7.根据权利要求1的放大器，进一步包括散热元件，所述散热元件被配置为散发由激发光源产生的热量，

其中，所述散热元件位于热传送器和激发光源之间。

8.根据权利要求1的放大器，进一步包括加热器，所述加热器被配置为加热光放大介质。

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