CN101354516A

CN101354516A - 光放大器动态泵浦耦合方法

Info

Publication number: CN101354516A
Application number: CNA2007100754085A
Authority: CN
Inventors: 甘庆云; 虞爱华
Original assignee: O Net Communications Shenzhen Ltd
Current assignee: O Net Technologies Shenzhen Group Co Ltd
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-28

Abstract

光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：在所需衰减位置熔接一定长度掺杂稀土元素光纤，用以提供与泵浦功率相关的衰减，其对泵浦光功率的衰减量与泵浦输入光功率相关，泵浦输入光功率越小，其衰减量越大。本发明的优点在于：扩展光放大器的动态范围，使光放大器能稳定工作在更小的功率点；在多级光路中，简单灵活的调节泵浦功率分配，使泵源得到充分有效的利用，节省了泵源，改善了放大器的噪声指标；提升了对光放大器的瞬态响应过冲的抑制。

Description

光放大器动态泵浦耦合方法

技术领域

本发明涉及通用的光纤放大器，特别涉及到扩展光放大器动态输出范围，改善小信号工作点稳定度和提高泵浦利用效率的光放大器。

背景技术

在当前光通讯技术领域中，现有光纤放大器的典型结构为采用一只或多只激光二级管LD作为泵源，经波分复用耦合器，对一段稀土掺杂光纤进行正向、反向或双向泵浦，LD波长通常为980nm或1480nm波段。

基于光纤放大器的工作原理，图1给出了增益恒定为20dB的情况下，放大器的信号输入功率与需求的泵浦输入功率的关系曲线。由图1可见，在增益恒定时，需要的泵浦功率随信号输入功率单调递增。因此，放大器的稳定输出范围，直接取决于泵浦激光器的稳定工作范围。在实际使用的泵浦激光器中，由于激光器的工作原理、生产工艺等原因，可使用的激光器的最大输出功率、最小稳定输出功率都有一定的范围限制。例如，对于一只常用的980nm，300mW泵浦激光器，在输出上限为300mW。在小功率，其输出光功率大于20mW时，输出稳定性典型值在4％左右，输出在12-20mW时，则稳定性恶化到10％，低于12mW，激光器基本不能正常工作。因此，该最小稳定输出功率，又限定了激光器可使用的最小工作点，从而也就确定了光放大器的动态增益范围。

通常设计光放大器时，为了在小功率点时避免泵浦工作不稳定时导致输出光的不稳定，主要采用两种方式来解决：

1.根据计算分析，在泵源输出端或主光路上人为通过熔接方式产生一定损耗14，使得泵源的最小工作点提高，其典型熔接位置如图2所示：熔接位置可位于泵源11的尾纤后；如图3所示：熔接位置可位于波分复用器12与掺铒光纤13之间、可位于泵源11与泵浦分光器15之间、可位于泵浦分光器15与波分复用器12之间；如图4所示：熔接位置可位于第一级铒纤13与第二级铒纤131之间以及Bypass光路中。例如，系统分析的最小工作点需要泵源稳定在8mW，而实际满足输出稳定性要求时泵源的工作点在12mW，则在泵源输出熔接10*log(12/8)＝1.76dB损耗。于是，泵源的最小工作点从8mW提高到12mW，满足输出的稳定性要求。此种方案的弊端在于：此方案在提高小功率工作点的同时，也相应提高了高功率工作点，如果不熔接损耗所对应先前的高功率点需要200mW泵浦时，熔接损耗后则需要用到300mW，显然极大的浪费了泵源功率。同时，由于可使用的泵源功率有限，采用此方案使得放大器的高工作点相应降低了许多；

2.脉宽调制泵源。通过外接电路和软件控制产生高频调制波型调制泵源，控制调制波占空比使泵源的平均输出功率为所要求的输出功率。此方案的好处是泵源利用充分，泵源平均功率可以控制到很小。缺点是需要软、硬件结合控制，外接电路复杂，提高了成本，且控制稳定性与软、硬件皆有关。

发明内容

本发明提供了一种可以动态衰减泵浦的方法，能够有效的解决小信号输入时放大器输出的稳定性问题，并将此方案应用到放大器设计中，使得在相同工作条件下泵浦利用效率得到很大提高，从而充分的节省成本，并且，该方案简单易行。

本发明的方案如下：光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：在所需衰减位置熔接一定长度掺杂稀土元素光纤，用以提供与泵浦功率相关的衰减，其对泵浦光功率的衰减量与泵浦输入光功率相关，泵浦输入光功率越小，其衰减量越大。

其中，所需衰减位置可为泵源的输出端。

其中，所需衰减位置可为多级光路放大器的各级泵浦光路径中，调节泵源功率比例。

其中，所需衰减位置可为多级分泵浦光路放大器的各分泵浦光支路中，调节泵源功率比例。

其中，所需衰减位置可为多级Bypass光路放大器的Bypass支路中，调节泵源功率比例。

其中，所述掺杂稀土元素光纤可为掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤。

本发明的优点在于：

1.扩展光放大器的动态范围，使光放大器能稳定工作在更小的功率点。

2.在多级光路中，简单灵活的调节泵浦功率分配，使泵源得到充分有效的利用，节省了泵源，改善了放大器的噪声指标。

3.提升了对光放大器的瞬态响应过冲的抑制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用技术的光路结构进一步说明。

图1为现有技术在dB空间泵浦输出功率和泵浦输入功率之间的关系图。

图2，3，4为现有技术提高放大器小功率输出稳定性的光路结构图。

图5为本发明光放大器动态泵浦耦合方法的第一实施例的光路结构图。

图6为熔接特定长度掺杂光纤的情况下不同泵浦输入功率所对应的衰减曲线，掺杂光纤长度分别为3m，4m，5m，6m。

图7为本发明光放大器动态泵浦耦合方法的第二实施例的光路结构图。

图8为本发明光放大器动态泵浦耦合方法的第三实施例的光路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明增大光放大器动态范围，提高泵浦利用效率的结构作进一步说明。

图5为本发明的第一实施例的光路原理图，如图5所示，在泵浦激光器21尾端熔接一定长度掺稀土光纤22，后经波分复用耦合器23，对EDF24进行正向泵浦，信号光λs从光纤前端输入，经波分复用耦合器23进入EDF 24，从EDF24尾端输出。

为了更好的说明熔接掺稀土光纤后对泵浦输出的影响，图6给出了熔接特定长度掺杂光纤的情况下不同泵浦输入功率所对应的衰减曲线，掺杂光纤长度分别为3m，4m，5m，6m。

在工程应用中，dB和mW之间的换算关系为：dB＝10×log(mW)，在线性空间输出功率和输入功率之间的关系为：Pout(mW)＝Pin(mW)×Gain(倍)；在dB空间输出功率和输入功率之间的关系为：Pout(dBm)＝Pin(dBm)+Gain(dB)，这样，从图6中可以看出，当掺杂光纤长度恒定时，泵浦的损耗随泵浦信号输入功率增大而减小，以5m掺杂光纤为例，当入射泵浦光功率为12mW时，其衰减值为2.3dB，当入射泵浦光功率为20mW时，其衰减值为1.5dB，而当入射泵浦光功率增加到400mW时，其衰减值为0.23dB。

本发明和现有技术图1做比较，图1为现有技术在dB空间泵浦输出功率和泵浦输入功率之间的关系图，假定不考虑其他元器件的损耗，设计要求最大输入光功率Pin为2.0mW(+3.0dBm)，增益恒定Gain为20dB(即100倍)，对应图中输出为上述在dB空间系统输出功率(Pout)和输入功率(Pin)之间的关系为：Pout(dBm)＝Pin(dBm)+Gain(dB)＝3.0+20dBm＝23dBm(以dB为单位)。图1中所需泵浦(Pump)对应为400mW。然而对于400mW泵源，现有技术可得：其泵源(Pump)的输出稳定度：Pump＞20mW时为4％(约0.2dB)，12mW＜Pump＜20mW时为10％(约0.5dB)。假定要求系统输出(Pout)稳定度小于0.2dB，则最小稳定所需泵浦(Pump)为20mW，对应最小输入功率(Pin)为-11.5dBm。因此稳定的输入功率(Pin)动态范围为0.07mW～2.0mW，即稳定输出光功率范围7mW～200mW。

而在泵源尾纤熔接5m掺杂光纤衰减后，其泵浦稳定输出(Pumpout)范围相当于变成14mW～380mW，对应的稳定泵浦信号输入功率(Pump in)动态范围为0.038mW～1.90mW，即稳定输出光功率范围3.8mW～190mW。可见，通过采用本发明，该放大器将能稳定的工作在更小的输入功率点，其动态范围增加到约1.75倍。

图7为本发明光放大器动态泵浦耦合方法的第二实施例的光路结构图。该实施例为本发明在多级光路中的应用，有效的提高泵浦利用效率、改善放大器的噪声系数指标。如图7所示：在泵浦激光器31尾端熔接一定长度掺稀土光纤321，后经980nm波分复用耦合器33，分成一级放大分路371和二级放大分路372分别和第一EDF341进行正向泵浦以及第二EDFA342进行正向泵浦，所述一级放大分路371和二级放大分路372分别熔接一定长度掺稀土光纤322以及323，信号光λs从光纤前端输入，经波分复用耦合器351进入EDF 341、后经过中间元器件36，经波分复用耦合器352从EDF342尾端输出。

如图7所示：通常放大器在特定增益下要求噪声系数保持不变，而对于相同增益下不同的输入光功率，所要求前后经980nm波分复用耦合器33的第一级放大分路371和第二级放大分路372的分光比不一致。举例说明，假定该系统工作在增益为20dB时的噪声系数要求为5.5dB，对应20dB增益的最大输入为-3dBm，最小输入为-23dBm。经专业仿真软件和实验测试结果表明，在图7的多级光放大器中，输入耦合到第一级放大分路371的泵浦功率主要影响放大器的噪声系数，即耦合的泵浦功率越大，噪声系数越小；耦合到末级铒纤的泵浦功率则直接影响放大器的输出功率。试验测试对应输入为-3dBm时，若要求噪声系数小于5.5dB，第一级放大分路371的泵浦功率应不小于100mW，第二级放大分路372的泵浦功率为200mW，即980nm波分复用耦合器33前端的分光比应不小于100/(100+200)＝33％。同时，对应输入为-23dBm时，若要求噪声系数小于5.5dB，第一级放大分路371的泵浦功率应不小于12mW，第二级放大分路372的泵浦功率为8mW，即980nm波分复用耦合器33前端的分光比应不小于60％。为了同时照顾到高低功率点的噪声要求，因此，必须采用60％的980nm分光器，泵浦功率则需要用到200*100/40＝500mW。

对于上述图7中的多级放大器，本发明将980nm分光器33后端熔接一定长度掺杂光纤，假定仍为5m，其参数关系见图6，如泵浦31选用200mW功率的泵浦对应的损耗约为0.3dB，对13mW功率泵浦的损耗约为2.0dB。则在-3dBm高功率输入点时，要求的泵浦功率变为100mW+214mW，在-23dBm低功率输入点时，要求的泵浦功率变为12mW+13mW。由此，我们可以选择＞48％的分光器即可，对应的高功率点泵浦需求为214*100/52＝411mW，成功的将泵浦功率减少了90mW。如果不减少泵浦功率，则可以选择较大分光比的980nm分光器33，由于第一级放大分路371分得的泵浦功率相对变大，放大器的噪声系数将会得到改善。可见，使用本发明成功的节省了大量泵源功率，从而使得放大器的成本得以降低。

图8为本发明光放大器动态泵浦耦合方法的第三实施例的光路结构图。本实施例是应用于Bypass结构的多级放大器，如图8所示：泵浦多级光路，同理，由于后端加入了该掺杂光纤41，本发明也可以有效改善放大器的噪声系数。因此，对应小功率输入的时候，实际工作的泵浦功率较未使用该技术的泵浦功率要大得多，因此，进入第一级铒纤的泵浦功率相对要大得多，故而能较好的改善放大器的噪声系数。

由于本发明的上述特性，其也可以应用于光电模块的瞬态响应抑制中。对于瞬态响应的上波过程，即当输入光功率突然增大时，要求电路能控制泵浦马上输出到一个很小的值，使系统增益保持不变。实际使用中，由于关闭泵浦输出到再次打开泵浦输出的时间相对较长，需要将泵浦的最小输出做一定限制，而同时由于受到所使用的泵浦小功率输出稳定度的限制，这个限制值不能太小。引入本发明将可以使泵输出耦合至放大器的功率稳定在更小的工作点，从而减小了瞬态响应的过冲，改善放大器的瞬态响应性能。

综上所述，本发明采用全新的设计理念，成功的实现了泵浦的动态耦合技术，从而实现了如下改进：

3.提升于对光放大器的瞬态响应过冲的抑制。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims

1、光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：在所需衰减位置熔接一定长度掺杂稀土元素光纤，用以提供与泵浦功率相关的衰减，其对泵浦光功率的衰减量与泵浦输入光功率相关，泵浦输入光功率越小，其衰减量越大。

2、根据权利要求1所述的光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：所需衰减位置可为泵源的输出端。

3、根据权利要求1所述的光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：所需衰减位置可为多级光路放大器的各级泵浦光路径中，调节泵源功率比例。

4、根据权利要求1所述的光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：所需衰减位置可为多级分泵浦光路放大器的各分泵浦光支路中，调节泵源功率比例。

5、根据权利要求1所述的光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：所需衰减位置可为多级Bypass光路放大器的Bypass支路中，调节泵源功率比例。

6、根据权利要求1所述的光放大器动态泵浦耦合方法，其特征在于：所述掺杂稀土元素光纤可为掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤。