CN101427428B - 偏振分集光放大 - Google Patents
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Abstract
一种偏振分集光放大器包括偏振敏感光学活性介质(14)和偏振分离器(12)。偏振分离器被配置成接收输入光，引导接收的输入光的第一偏振分量到第一光路部分，并引导接收的输入光的第二偏振分量到分离的第二光路部分。活性介质具有第一和第二光学端口。第一端口位于第一光路部分的一端。第二端口位于第二光路部分的一端。活性介质将来自其中一个端口的放大光输出以响应于在其中另一个端口处接收输入。在一个优选实施例中，活性介质具有内部光轴，第一和第二分量的偏振相对于该内部轴定向，以便增强放大。该两个光路部分可以包括偏振保持光波导。
Description
技术领域
本发明一般涉及光放大器，更具体地，本发明涉及光放大器中的偏振分集。
背景技术
在光纤通信系统中，传播的光信号经常在抵达网络节点时具有未知偏振。例如，抵达光信号的偏振在时间上会无法预测地发生改变。缺乏对抵达光信号的偏振的先期了解使得希望以一种对偏振不敏感的方式来处理这些光信号。为此，用以处理光信号的光学器件通常都构造成偏振不敏感(polarization insensitive)或偏振无关的，即无论输入信号到器件的偏振如何，其都能够提供相当好的性能。
这类应当偏振无关的器件的例子有光学波长转换器和光放大器(OA)。
如果元件是高度偏振敏感的，那么实现该元件偏振不敏感操作的一项技术是利用偏振分集。为在这类器件内(例如在光学波长转换器内)获得偏振分集，已知的是将抵达的光信号分离成两个正交的偏振分量，然后在分离的光学波长转换介质内处理这两个偏振分量。通常，光学波长转换介质都是偏振敏感的。光学波长转换器将在分离的普通光学波长转换介质内产生的光重新组合，以产生输出光信号。通过分束、分离进行波长转换，然后重新组合，这类光学波长转换器能够产生光信号，该光信号在转换波长处的功率与原始抵达光信号的偏振无关。
用分离的普通光介质对抵达光信号的正交偏振分量做波长转换需要一些控制。具体地，环境状况如温度会影响普通光介质内的波长转换。在分离的光学波长转换介质的状况中的暂时变化会破环整个光学波长转换过程的偏振分集。为避免丧失偏振分集，一些光学波长转换器包括将环境状况维持在恒定水平的器件。然而，这些环境控制器件通常很昂贵并且操作很复杂。
如果放大介质是偏振敏感的，像具有许多半导体OA时，OA也有类似的局限性。
发明内容
本发明的各个实施例提供偏振分集(PD)OA，其能促成原始光信号产生两个偏振分量，在相同的光路上传播。该PD-OA使用光学活性介质(AM)对来自两个偏振分量的光在基本相同的条件下进行放大。由于两个偏振分量在相同的光路上传播，并且在基本相同的条件下经历放大，因此这些放大器对环境条件的变化具有较高的稳定性。
依照本发明的一个方面，一种装置包括偏振敏感(PS)光学AM和偏振分离器。偏振分离器被配置成接收输入光，引导接收的输入光的第一偏振分量到第一光路部分，并引导接收的输入光的第二偏振分量到分离的第二光路部分。PS-AM具有第一和第二光学端口。第一光学端口位于第一光路部分的一端。第二端口位于第二光路部分的一端。PS-AM将来自其中一个端口的放大光输出以响应于在其中另一个端口处接收输入光的一部分，反过来也一样。
在一个优选实施例中，第一和第二光路部分包括偏振保持光波导。在另一个优选实施例中，PS-AM具有内部光轴(IOA)，并且第一和第二分量的偏振相对于IOA定向，以便它们增强对这些分量的放大。
依照本发明的再一个实施例，一种方法提供对光路上传播的光进行PD光放大的步骤。这些步骤包括将输入光分离成垂直的第一和第二偏振分量，将输入光的第一偏振分量传输到光路的第一端，将输入光的第二偏振分量传输到光路的第二端。该光路包括放大路径部分，即，它包括具有IOA的PS-AM，该IOA优选用于光放大。优选地，两个分量的偏振相对于IOA定向，以增强对这些分量的放大。这些步骤还包括响应于传输行为，将在光路两端输出的光重新组合。在一个实施例中，光路可以看作是串联布置的第一路径部分、放大路径部分及第二路径部分。
附图说明
图1是OA的示意性框图，该OA是偏振分集(PD)；
图2是操作PD-OA例如图1、3或4的PD-OA的方法的流程图；
图3是图1的PD-OA的另一实施例的示意性框图；
图4是图1的PD-OA的又一实施例的示意性框图；
在附图和文本中，相似的参考数字指代功能上类似的部件。
这里，参看附图及其说明更全面地描述各个实施例。然而，本发明可以具体化为各种形式，并不限于这里描述的实施例。
具体实施方式
图1示出OA 10，其被配置产生在由第一和第二路径部分(例如波导18、20)形成的光路径中传播的光的偏振分集(PD)放大，所述第一和第二路径部分通过包括放大介质的第三部分而彼此光耦合。更具体地，PD-OA10包括偏振分离器12；偏振敏感(PS)的光学活性介质(AM)14(线性或非线性)；偏振旋转器16和17；以及光学耦合在要放大的输入信号的源上的第一和第二光波导18和20。当适当的泵浦能量(pumping energy)应用到PS-AM 14时，PS-AM 14经历粒子数反转，其放大穿过它的输入信号光。然而，AM 14的偏振敏感性意味着特定偏振会比其它偏振优先经历更多增益，这将在下文更充分地说明。
图示地，PS-AM 14可以是异质半导体放大器的窄带隙活性区，PC放大器的光子晶体(PC)光纤活性区，或者高功率光纤放大器的稀土掺杂活性区(REDFA)或平面波导(PWG)放大器的稀土掺杂活性区。
典型地，泵浦能量是光学的或电的，这取决于OA的具体类型。举例来说，在半导体OA的情况下，电学泵浦能量采用适当电压和电流的形式，该电压和电流施加在器件上促使载流子注入活性区里。在双极器件中，载流子(即空穴和电子)经历粒子数反转，粒子数反转是对穿过PS-AM 14传播的信号光进行放大所需要的。因此，在这种情形下，泵浦源15包括向活性区施加正向偏压并提供所需载流子注入的电压源。另一方面，在REDFA的情形下，PC OA或PWGOA光学泵浦能量典型地是采用被PS-AM 14吸收来产生所需粒子数反转的泵浦光的形式。在后者的情形中，泵浦源15如图所示包括纵向地照射PS-AM 14的激光二极管阵列。通过纵向照射或泵浦，意味着泵浦光被耦合进狭长活性介质的端面内，从而泵浦光沿着介质以与要放大信号的相同方向(称作同向传播泵浦)或相反方向(称作反向传播泵浦)或两个方向传播。任何一种类型的纵向泵浦方案都可以称作端面泵浦。(参看下文讨论的图3和4的实施例。)。最后，要注意，半导体OA也可以被纵向地泵浦，如上面那样，或者可以被横向地泵浦，即，该器件可以设有合适的窗口，使泵浦光经由该窗口沿基本上垂直于器件各层的方向(即横向)进入活性区。采用类似的方式，REDFA或PWG OA也可以被横向地泵浦。然而，横向光学泵浦并不是优选地，这是由于要放大的信号与泵浦光之间只有有限的相互作用长度。
现在参看图1，注意偏振分离器12在光学端口22处接收具有任意偏振的输入信号光，并把接收到的信号光分成正交的平面偏振分量18.1和20.1。偏振分离器12将接收光的一个平面偏振分量18.1经由光学端口24输出到光波导18，把接收光的另一平面偏振分量20.1经由光学端口26输出到光波导20。示例性的偏振分离器12包括Nicol、Rochon、Glan-Thompson和Wollastan棱镜，平面波导偏振分离器以及本领域普通技术人员熟悉的其他光学偏振分离器。
PS-AM 14典型地是结合在将光学端口28和光学端口30连接起来的光波导内。与上面给出的AM类型一致，示例性的光波导包括稀土掺杂光纤，或位于光学介质(例如半导体或二氧化硅)的体结构、平面结构或埋入结构内的相对高折射率区。PS-AM 14在内部光波导的每一端具有光学端口28和30，其适宜于提供光学增益(即放大)。为此，PS-AM 14从任一个光学端口28或30，响应于接收输入光的另一个光学端口30或28输出放大的信号光，并且PS-AM 14被来自泵浦源15的能量适当地泵浦。
PS-AM 14具有内部光轴(IOA)。如果输入信号光的(线性)偏振相对于IOA定向成优选的α角，那么放大是最有效的。根据PS-AM 14的设计，α可能为零，在此情况下输入光的偏振优选为基本上平行于IOA；或者α可能为900，在此情况下输入光的偏振优选基本上垂直于IOA；或者α可能为介于这两个端值之间的值α0，在此情况下输入光的偏振优选地相对于IOA定向成角α0。因而，我们将与IOA成角度α定向的任何线性偏振都称作优选的。为此，PS-AM 14不是偏振无关的光学器件，相反，它是偏振敏感或偏振相关的。示例性的IOA包括基本垂直或平行于异质结构半导体OA的各层的方向、基本垂直于PWG OA的平面的方向以及基本平行于PC光纤OA的对称轴(或双折射轴)的方向。然而，根据这些器件设计的具体情况，这些器件可以替代地具有既不平行也不垂直于上述各个特定层或平面而定向的IOA。
为简化起见，在接下来对图1、3和4的描述中，假设α＝0，并且输入信号光分量的偏振在输入信号光进入PS-AM 14时，被基本上平行于PS-AM 14的IOA定向。
PD-OA 10包括补偿PS-AM14的偏振相关特性的部件。
首先，光波导18、20和偏振旋转器16、17被配置成将光传送到光学端口28、30，使得输入光分量18.1和20.1的偏振在进入PS-AM 14时优选地基本平行于PS-AM14的IOA。光波导18、20可以专门配置成保持经由偏振分离器12的光学端口24、26接收到的平面偏振P、P’。例如，光波导18、20可以是偏振保持光纤(PMF)。在优选的实施例中，PMF也被定向成将光传送到光学端口28、30，使得光分量基本上沿PS-AM14的IOA偏振。在这样的实施例中，不存在偏振旋转器16、17。在其他这样的实施例中，PMF具有横向光轴，该横向光轴被定向成将非最佳的偏振光分量朝PS-AM 14的端发射。在这些实施例中，偏振旋转器16、17将发射光的平面偏振P、P’旋转，使得在光学端口28、30处这些偏振基本平行于PS-AM 14的IOA。
示例性的偏振旋转器16、17是适当定向的半波片、光学活性介质、倾斜定向的反射镜偶(mirror pair)或其他周知的偏振旋转器。
典型地，第一和第二偏振旋转器16和17产生约900的相对旋转，使得光以基本相同的偏振传递到PS-AM 14的两端，这种偏振例如是用于在其中光放大的最佳、优选偏振。(在光纤应用中，替代旋转器16和17的是，偏振旋转可以这样实现，即通过简单地将至少一根光纤轴向地扭转，使得两根光纤间的偏振相差900，并且使得进入PS-AM 14的端口28、30的偏振基本平行于它的IOA。)因此，很显然，偏振旋转器可以如图1所示那样成对使用，还可以在仅仅其中一个路径部分中单个地使用，或者可以完全忽略，这取决于PD-OA的具体设计。
输入光的偏振与PS-AM 14的IOA之间的校正误差为100或更小，优选地为50或更小，更优选地为10或更小。
在PD-OA 10中，光学端口22接收输入光，并传输输出光。两个偏振分量在相同的光路上传播，但是方向相反。两个偏振分量在基本相同的条件下经历光放大，即经历基本相同的泵浦能量并优选地具有与PS-AM 14相同的偏振定向。因为这些原因，PD-OA 14对环境条件的变化具有相对低的敏感性。
图2示出以偏振分集的方式对光路中传播的光实施光放大的方法40，该光路例如分别是图1、3和4的PD-OA 10、10’、10”。如前所述，该光路示意性包括串联布置的路径部分，即用含有放大介质(例如PS-AM14)的第三路径部分光学地相互耦合起来的第一路径部分和第二路径部分(例如波导18、20)。一般地，方法40的步骤42包括将接收到的输入信号光分成第一平面偏振分量和正交的第二平面偏振分量。第一分量具有与第二分量的线性偏振垂直的线性偏振。方法40的步骤44包括将接收光的第一偏振分量传输到光路的第一端。该光路包括用以放大光辐射(或光)的偏振敏感路径部分。该光放大路径部分包括PS-AM，该PS-AM适于对具有输入信号光的波长的光进行放大，例如像图1、3和4的PS-AM一样。方法40的步骤46包括将接收到的输入信号光的第二偏振分量传输到相同光路的第二端，同时将第一偏振分量传输到第一端。另外，传输步骤优选地促使输入光的这两个偏振分量在放大路径部分中具有基本平行的偏振态。
在一些实施例中，在插进放大路径部分之前将一个分量或两个分量的偏振旋转，以在放大路径部分中(例如在PS-AM 14中)对准它们的偏振。在一些实施例中，将一个或两个分量通过适当对准的偏振保持光波导发送，以促使这两个分量的偏振在放大路径部分中基本上相互平行，并且基本上平行于用以最佳放大的特定、优选定向(优选基本上平行于PS-AM 14的IOA)。
方法40的步骤48包括响应于传输步骤，将从光路径的两个端输出的光重新组合。该重新组合的光构成放大的信号光。在该重新组合的光中，放大光的强度和品质基本上与原始输入信号光的偏振无关，因此方法40是偏振分集的。随着环境条件的变化，方法40仍能保持偏振不敏感，这是由于以下两个特点。第一，两个偏振分量在分离步骤与重新组合步骤之间基本上穿过相同的光路。第二，两个偏振分量是在基本相同的条件下经历放大。
注意，当方法40应用于本发明利用PS-AM 14的纵向泵浦的实施例时，像图3—4所示及下面所述，步骤42包括不仅将输入光而且将泵浦光分离成第一偏振分量和第二偏振分量，并且步骤48包括将放大光和泵浦光重新组合。
图3和图4示出用于WDM光通信网络的PD-OA 10’、10”的纵向泵浦实施例。因此在这些实施例中，图1的泵浦源15采用泵浦激光源34的形式，该泵浦激光源34的输出经由下面所述的适当光部件的排列纵向地耦合进PS-AM 14。
图3示出PD-OA 10’，其为偏振分集。该PD-OA 10’包括偏振分离器12，PS-AM14，光学耦合到PS-AM14的泵浦激光源34，法拉第光旋转器16、17，以及优选的偏振保持光纤(PMF)18、20，如参看图1的PD-OA 10所述的。这里，光旋转器16、17将从偏振分离器12接收到的光的偏振旋转450，旋转误差最多为50或更小，优选地为10或更小。光旋转器16、17将偏振旋转的光传输到PMF18、20。PMF被定向成保持入射到其上的光的偏振。PMF18、20还被定向成将光传递到PS-AM 14的光学端口28、30，使得传递光的偏振基本上沿PS-AM 14的IOA定向。
PD-OA 10’还包括泵浦激光源34，泵浦光纤35，输入光纤37，输出光纤38以及二色性板39。泵浦激光源34产生光放大所用的泵浦光。泵浦光纤35是将泵浦光以所选的偏振传递到二色性板39的PMF。输入光纤37将输入光传递到二色性板39。二色性板39例如可以是薄膜器件，它选择性地透射处于泵浦激光源34的波长的光，并选择性地反射处于输入光的波长的光。即，二色性板39配置成朝偏振分离器12的光学端口22引导泵浦光和输入光。
在一个实施例中，泵浦光纤35被定向成发射泵浦光，该泵浦光的偏振在光学端口22处相对于偏振分离器12的内部光轴成450±50或450±10的角度。为此，偏振分离器12向每个光学端口24、26基本上传输相同强度的泵浦光。由于光纤18、12被定向成保持从光旋转器16、17接收到的光的偏振，因此，这些光纤18、20将接收到的泵浦光的强度基本没有衰减地传递到光学端口28、30。由于每个光纤18、20基本接收地相同强度的泵浦光，因此光纤18、20向PS-AM14的每个光学端口28、30基本上传递地相同强度的泵浦光。
光纤18、20在光学端口24、26之间封闭成光环路。在该光环路中，光纤18、20将从PS-AM14接收到的光传递到光旋转器16、17，并从而传递到偏振分离器12。在该光环路周围，出现约900的总偏振旋转，即这是由于光旋转器16、17中的非互易性法拉第效应引起的。这种偏振旋转促使偏振分离器12重引导从环路接收到的光到输出光纤38而不返回到光学端口22。
在PD-OA10’中，输入光的不同偏振分量不会在PMF中共同传播。具体，为PMF的泵浦光纤35仅携带泵浦光，而同样为PMF的泵浦光纤18、20仅携带输入光的单个偏振分量。另外，因为这些光分量在基本相同的光路长度上行进，所以在PD-OA 10’中，输入光不经历显著的偏振模色散(PMD)。(低PMD也是PD-OA 10、PD-OA 10”的特性)。在以高数据速率工作的WDM光通信网络中，低PMD或零PMD是希望，这是因为PMD会显著限制光数据传输速率。
然而，我们的PD-OA 10、PD-OA 10’、PD-OA 10”不限于用在WDM通信系统中。例如，它们可以应用为自由空间通信(例如，卫星之间)中的高功率OA。
图3的PD-OA 10’的一些实施例还可以具有其它的改进。例如，二色性板可以插在偏振分离器12的光输出与输出光纤38之间，以拒绝剩余的过多泵浦光。同时，两个光法拉第旋转器16、17可以用能产生约900旋转的单个光学器件替代。(该单个900旋转器件可以放置在端口26与30之间或端口24与28之间的任何位置)。并且，偏振分离器12可以是离散晶体(walk-off crystal)而不是图3所示的偏振分离器立方体。对这样的偏振分离器12而言，法拉第光旋转器16和17可以用单个法拉第光旋转器代替，这是因为光学输出24、26可以将光传输到单个法拉第光旋转器上的不同位置。
图4示出第二种OA 10”，其为偏振分集。该PD-OA 10”包括偏振分离器12，PS-AM 14，光旋转器16、17，以及PMF18、20，如参看图1和图3的PD-OA 10、PD-OA 10’所述的。该PD-OA 10”还包括光循环器52，泵浦激光源34，及经由光纤耦合器60耦合到光波导58的泵浦光纤35。
光循环器52具有三个有序的光学端口62、64和66。第一光学端口62接收来自例如WDM光通信网络的输入光纤37的输入信号光。第二光纤端口64将输入信号光传输到光波导58的第一端。第三光学端口66将在第二光学端口64处接收到的光传输到WDM光通信网络的输出光纤38。
泵浦激光源34将线性偏振的泵浦光传输到光泵浦光纤35，该光泵浦光纤35又将泵浦光传输到光纤耦合器60。泵浦光纤35和光纤耦合器60是偏振保持波导，其横向光轴被对准成将线性偏振泵浦光有效地传递到光波导58。
光波导58是偏振保持光波导，其将光循环器52的第二光学端口64和光纤耦合器60连接到偏振分离器12的光学端口22。光学端口22既起着光输入的功能，将输入的泵浦光传输到偏振分离器12，又起着光输出的功能，从偏振分离器12接收泵浦光和放大光的混合。偏振保持光波导58具有将泵浦光传递给光学端口22而对准的横向光轴，从而偏振分离器12将传递的泵浦光强度在光波导18与光波导20之间基本上均等地分离。
优选地，光波导18、20也是PMF，该PMF的横向光轴被对准成将基本均等的泵浦光强度传递到PS-AM 14的每侧。一个或两个光旋转器16、17可以产生偏振旋转，使得从光波导18、20发出的光的偏振优选地在光学端口28、30处优选地基本上与PS-AM 14的IOA对准。PS-AM 14的IOA也可以定向得使两个PMF18、20传递基本沿该光轴偏振的光。
光波导18、20还将光从PS-AM 14传递给偏振分离器12。光分离器12将传递到光学端口24、26的光传输到光学端口22。光波导58将来自光学端口22的光传输到光循环器52的第二光学端口64。光循环器52将来自第二光学端口64的光传输到光学端口66，该光学端口66连接到输出光纤38。
PD-OA 10”的一些实施例还包括插入在光循环器52的第三光学端口66与WDM光通信网络的输出光纤38之间的一个或多个带通滤光器72。该带通滤光器72将具有泵浦光波长的光去除。这样，WDM光通信网络的输出光纤38基本上只接收在PS-AM 14中产生的处于放大波长的光。
参看图3和图4，因为下面两个原因，PD-OA 10’、10”对环境条件基本上不敏感，并且是偏振分集的。第一，在光学PD-OA 10’、10”中，两个偏振分量沿相同的光路循环。第二，输入光在光学PS-AM 14中经受基本相同的放大条件。具体地，基本相同偏振和强度的泵浦光纵向地发射进入PS-AM 14的每一端。另外，输入光以基本相同的偏振进入PS-AM 14的每一端。
按照本申请的说明书、附图以及权利要求书，本发明的其他实施例对本领域普通技术人员是显而易见的。
Claims (8)
1.一种偏振分集光放大器，包括：
偏振分离器，其被配置成接收输入光，以引导接收的输入光的具有第一偏振的第一分量到第一光路部分，并引导接收的输入光的具有第二偏振的第二分量到分离的第二光路部分；
具有内部光轴的偏振敏感光学活性介质，所述活性介质被配置成当向其施加合适的泵浦能量时、放大所述输入光，所述活性介质具有第一和第二光学端口，所述第一端口位于第一光路部分的一端，所述第二端口位于第二光路部分的一端，所述活性介质被配置成从其中一个端口输出放大光，以响应于在其中另一个端口处接收输入；以及
所述泵浦能量的光源，所述光源包括至少一个纵向耦合到所述活性介质的激光器，
其中所述偏振分离器被配置成接收来自所述激光器的泵浦光，以引导接收的泵浦光的第一偏振分量到所述第一光路部分，并且引导接收的泵浦光的第二偏振分量到所述第二光路部分，所述第一和第二光路部分被配置成使在进入所述活性介质时，所述第一和第二泵浦光分量的强度基本相等，并且
其中所述第一和第二光路被配置成使在进入所述端口时所述第一和第二分量的偏振基本上相互平行。
2.如权利要求1所述的偏振分集光放大器，其中所述第一和第二光路部分的每个都包括偏振保持光波导。
3.如权利要求1所述的偏振分集光放大器，其中所述第一和第二光路部分被配置成使所述第一和第二分量的偏振相对于所述内部轴定向成α角，以便增强对所述分量的放大。
4.如权利要求3所述的偏振分集光放大器，其中所述第一和第二光路部分被配置成使所述第一和第二分量的偏振基本上平行于所述内部轴定向。
5.如权利要求1所述的偏振分集光放大器，还包括用于将所述泵浦能量的所述光源耦合到所述活性介质的偏振保持波导。
6.如权利要求1所述的偏振分集光放大器，其中所述光路部分中的至少一个包括法拉第旋转器。
7.如权利要求6所述的偏振分集光放大器，其中所述光路部分被配置成将偏振光传递到所述分离器，使得传递的偏振光从这样的光学端口退出所述分离器，该光学端口不同于偏振分离器接收输入光的光学端口。
8.一种偏振分集光放大器，包括：
偏振分离器，其被配置成接收输入光，以引导接收的输入光的具有第一偏振的第一分量到第一光路部分，并引导接收的输入光的具有第二偏振的第二分量到分离的第二光路部分；
具有内部光轴的偏振敏感光学活性介质，所述活性介质被配置成当向其施加合适的泵浦能量时放大所述输入光，所述活性介质具有第一和第二光学端口，所述第一端口位于第一光路部分的一端，所述第二端口位于第二光路部分的一端，所述活性介质被配置成从其中一个端口输出放大光，以响应于在其中另一个端口处接收输入；以及
所述泵浦能量的光源，所述光源包括至少一个纵向耦合到所述活性介质的激光器，
其中所述偏振分离器被配置成接收来自所述激光器的泵浦光，以引导接收的泵浦光的第一偏振分量到所述第一光路部分，并且引导接收的泵浦光的第二偏振分量到所述第二光路部分，所述第一和第二光路部分被配置成使在进入所述活性介质时，所述第一和第二泵浦光分量的强度基本相等，并且
其中所述第一和第二光路部分的每个都包括偏振保持光波导；并且
其中所述第一和第二光路部分被配置成使所述第一和第二分量的偏振相对于所述内部轴定向成α角，以便增强对所述分量的放大。
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