CN1017857B - 装有光放大器的光纤通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明的光放大器(3)是由对于泵浦光辐射及信号光辐射均为单模的具有有源芯的光纤段(8)和一个二色耦合器(6)组合而成，此二色耦合器(6)包括两段对于泵浦光辐射及信号光辐射均为单模的光纤(9，10)，通过将各自的包层熔融而使其在一部分(11)上彼此耦合，使在上述部分(11)的各自芯体基本上成为一体。

Description

本发明涉及光纤通信装置用的有源光纤放大器，以及装有该放大器的光纤通信装置。

这种所谓有源光纤型放大器，是由随后将予以解释的一定长度的有源光纤及一个光学泵浦辐射源组成的。

有源光纤，就是由石英玻璃制成芯的含有随后限定的活性掺杂物的光纤，除此掺杂物之外，须使上述光纤芯的折射率比径向最外层也由石英玻璃制成的包层的折射率更高。

上面提到的活性掺杂物，是由诸如稀土元素、铒之类的物质构成，这类物质当它们受到被称之为光学泵浦辐射的光辐射激励时，其波长取决于所选择的特定掺杂物所具有的能够发射称之为光发射辐射的性质，然而这种不同于激励光的光学辐射波长，仍然取决于所选择的特定掺杂物。

前面提到的活性掺杂物的另一个特性，是这样一种事实，即一旦受到光泵浦辐射的激励，在有与被激发出的光发射辐射同样波长的光辐射对它产生碰撞时，就能发射出大量的光发射辐射。

光泵浦用的辐射源一般都是激光器，特别是能够发射出如前面 提到的有源芯中的活性掺杂物所需激励出的相同波长光辐射的激光二极管。

光纤通信装置用的有源光纤型放大器，在技术上早已是人们熟知的。

光纤通信装置用的带有有源芯的光纤放大器，包括一个跟二色耦合器光学连接的光泵浦用的辐射源，而且传输或者通信线路的一部分光纤，也被光学耦合在此二色耦合器上。

依次将二色耦合器直接联在具有有源芯的光纤段上，然后再依次将这一段光纤与传输或者通信线路的第二部分光纤连接。

在上述已知的放大器中，光泵浦用的辐射源，经过二色耦合器将其辐射传送给具有源芯的光纤段，以使其中的活性掺杂物被激励。

来自光纤通信装置第一部分光纤中的待放大的信号，也要经过二色耦合被传送给具有有源芯的光纤段，此信号的波长必须与具有有源芯的光纤段中活性掺杂物的受激发射波长一致。

当光信号进入具有有源芯的光纤段时，会同由于光泵浦辐射而处在激发状态的掺杂物碰撞，由于前面提到的原因，就会大量发射出与信号波长相同波长的光辐射，其结果是使上述信号得到了放大。

在前面叙述和讨论的放大器中，存在一个增大它们的输出的问题，亦即增大所能得到的放大增益与所施加的泵浦辐射功率间的比 值的问题。而与此同时，如果想要大量使用放大器，就要在实际应用时能提供足够的可靠性，例如能够将它们很容易地和安全地插在光纤通讯装置中。

在1988年9月11-15日举行的“第十四次欧洲光通讯会议”论文集的25-28页中，已知的放大器的增益值都在0.14-0.31dB/mw之间。为了提高光学放大器的增益，在该出版物中还公布了一些实验结果，所用的是在实验室制的光学放大器，其中具有有源芯的光纤段，不论对于信号辐射还是泵浦辐射都是单模的，而且含有铒作为活性掺杂物。所用的光泵浦辐射源具有980nm的波长，所用的光信号辐射波长为1536nm。

即使在上述论文集中并没有提到，然而在前述光学放大器中采用的肯定是所谓的显微光学型二色耦合器，这是一种使用透镜而能够将光泵浦辐射及信号辐射导入有源芯光纤段的二色耦合器;这是由于现有的其它类型的二色耦合器，都无法与上述特定长度的有源芯光纤配合而令人满意地工作。

采用这种已知的手段，可以达到2.2dB/mw的输出，亦即增益与所用泵浦功率的比值。这个数值是令人兴奋的，然而这种放大器有个缺点，由于它所使用的是特殊的二色耦合器，所以它无法可靠地大规模应用。

事实上显微光学型二色耦合器本身是非常容易损坏的，而且它很难插入光纤通信装置中，因其会导致使用该放大器的通信装置不 可靠。

本发明的目的在于提供一种具有比上述已知各种放大器的输出都要高的光学放大器，具体地说其输出可达4.5dB/mw。该放大器不仅可以在工业上大规模应用，而且能最大程度地简化将其引入光纤通信装置的技术操作，并使这种引入过程更加可靠。

因而本发明的目的是用于信号传输光纤通信装置的放大器，能够插在线路的第一部分光纤和第二部分光纤之间，它包括一个光泵浦用的辐射源;一个适于与装置的第一部分光纤和光泵浦辐射源连接的二色耦合器，以及一具有有源芯的光纤段，此有源芯的光纤段对于信号辐射和泵浦辐射都是单模传输，其一端与二色耦合器连接，另一端则与装置的第二部分光纤相连，该放大器的特征在于：其中的二色耦合器是这样一种类型，它包括两段无源芯型光纤，并列配置在其一部分长度上，通过将各自的包层熔融而使它们彼此在光学上耦合，并通过拉伸其自身的长度而使其芯体基本上成为一体，于是就由上述两段光纤构成了对于光信号辐射及光泵浦辐射均为单模传输的二色耦合器。

本发明的另一个目的是光纤通信装置，它包括至少一个传输信号用的第一部分光纤和至少一个传输信号用的第二部分光纤，通过插入其间的光放大器彼此连接，所述的放大器包括：一个光泵浦用的辐射源;一个既与光泵浦辐射源光学连接又与装置中传输信号用的第一部分光纤光学连接的二色耦合器;一段具有有源芯的光纤， 它对于光信号辐射及光泵浦辐射均为单模传输，位于二色耦合器的下游且与其光学连接，而且还与装置中传输信号用的第二部分光纤光学连接，该通讯线路的特征在于：其中的二色耦合器是这样一种类型，它包括两段无源芯型光纤，并列配置在其一部分长度上，通过将各自的包层熔融而使它们彼此在光学上耦合，并通过拉伸其自身的长度而使其芯体基本上成为一体，此二色耦合器的两段光纤对于信号辐射及泵浦辐射均为单模传输。

本发明将通过下面结合附图而对一些非限定性实例所作的详细描述，更好地加以理解，其中，

图1为按照本发明示意表示的通信装置;

图2为按照本发明示意表示的放大器;

图3示意性表示本发明的放大器的一个组成部分。

图1所示为由本发明所述的光放大器构成的光纤通信装置，因而也就是本发明所述的光纤通信装置。

如从图1中看到的那样，上述通信装置包括一个发送器1，它可以是任何一种已知类型的能够将光信号传送给信号传输用的光纤的发送器，因而在此将不予描述。

发送器1的特殊性质是包括一个信号源，它可以发射与光学放大器工作时所用波长一致的光辐射信号，例如能发射1536nm波长光辐射的DFB激光二极管。

然而上面提到的光信号辐射源是在光纤通信领域中常用的一 种，故不必认为是对本发明范围的限定。

在发送器1下游的光纤通讯线路，包括传输信号用的第一部分光纤2，其一端与上述发送器光学连接。

第一部分光纤2的另一端则与本发明所述的光放大器3光学连接，其特征将在下面描述。

在放大器3的下游是与其光学耦合的第二部分光纤4，其特征与第一部分光纤2相同。

第二部分光纤4的一端是与光放大器3光学连接的，而其另一端则与任何已知类型的光学接收器5光学连接，因而将不予描述。

按照本发明的光放大器3，被用在前面描述过的本发明的光纤通信装置中，示意表示如图2。

如从图2中看到的那样，该光放大器包括一个下面将要详细介绍的特殊的二色耦合器6，光泵浦用的辐射源7以及位于该耦合器6下游的具有有源芯的光纤8，分别与该二色耦合器6光学耦合。

在本发明的光放大器中，具有有源芯的光纤段对于光信号辐射和光泵浦辐射都是单模传输的。

举例来说，在本发明的光放大器中，以均匀扩散在芯中的三价铒作为活性掺杂物的具有有源芯的光纤段，其芯径为5.4μm，一般说来具有有源芯的光纤的芯径在5.2到5.6μm之间。

反之，具有有源芯的光纤段包层的外径，例如可以是125μm，与通常的光纤外径一样。

在具有有源芯的光纤中，芯与包层的折射率差相对于包层的折射率之比，一般在0.0051-0.0058之间，例如可为0.0056。

在所列举的实例中，当具有有源芯光纤的包层是由石英玻璃制成而没有任何掺杂物时，因而其折射率为1.450，那么上述有源芯光纤的芯的折射率就为1.458。

本发明所述放大器中的二色耦合器6，如图3的放大比例所示，包括两段光纤9和10，都是由石英玻璃制成而不含任何活性掺杂物，它们彼此平行，并通过将各自的包层熔融及随后立即拉伸耦合在一起，以使上述操作后这一段的包层由于熔融合二为一，同时在某一部份11（图3）的两根芯基本上合在一起，实际上形成了一根单一的芯。

在本发明的放大器中二色耦合器的特殊特征之一是，在两段光纤合在一起而产生一根单一芯的耦合部分，单一芯的直径要小于每段光纤在其端部的光纤芯直径，特别是使由两段光纤合成后的共同芯的直径与其端部的光纤芯径之比在0.3-0.5之间。

构成二色耦合器的两段光纤，其共同芯部分的直径一般应选择这样的值，使其中传输的光功率损耗不超过1dB。

对于本发明的放大器中任何二色耦合器都有效的取值范围是无法告知的，这是因为为了确定适于本发明目的共同芯径值，要考虑所采用的光信号辐射及泵浦辐射波长值的影响，而这个值可能会有很明显的变化。然而对于本领域熟悉的技术人员来说，只要把握 上述的功率损耗不超过1dB，至少可以通过实验来确定二色耦合器中两段光纤共同芯的直径值。

例如在光泵浦辐射波长为980nm、光信号辐射波长为1536nm的情况下，两段光纤基本为共同芯部分的直径在1.56μm至2.8μm的范围内。

在可被用于实施本发明所述放大器的二色耦合器中，两段光纤处在共同芯部分的长度，还取决于所采用的泵浦辐射及信号辐射的具体波长值。

例如若上述泵浦波长和信号波长分别为980nm和1536nm，则上述部分的长度将在0.9至1.2cm之间。确定上述部分长度的一般标准是，这个长度必须使泵浦辐射和信号辐射都能完整地、互不干扰地只传送到通向具有有源芯光纤段的二色耦合器的两根光纤终端之一中。通过这个单独揭示，本领域熟悉的技术人员就能在设计二色耦合器时做出具有这种特征的耦合器来。

事实上，通过将两段光纤的端部之一分别与光泵浦辐射源和光信号辐射源耦合，在两段光纤并列放置部分的包层熔化之前，在没有光辐射单独从其另外两个端部之一中射出而同时却有信号辐射和泵浦辐射从剩余一个端部射出时，停止在上述两段光纤包层熔融阶段一直作用在其上的拉伸是可能的。

用于本发明的光发大器的二色耦合器6，其另一个特征是，构成它的两段光纤9和10，对线路中使用的信号辐射和泵浦辐射必 须都是单模的。

用于本发明的光放大器的二色耦合器，还有另外一个特征是，在光纤部分的芯及包层中非活性掺杂物的分布，必须与具有有源芯的光纤段中非活性掺杂物的分布基本一致。

如前所述，本发明的光放大器是由一段具有上述特征的有源芯型光纤，及与其串联的具有前面描述的特征的二色耦合器组合而成的。

在本发明的光放大器中，为了容易而且安全地与信号传输线路的光纤部分实现耦合，并且能够容易而且安全地耦合在放大器的两个部分之间，最好还应具有以下描述的特征。

根据国际电报电话咨询委员会（CCITT）1976年颁布的规则G652所定义及检测的结果，对于传输信号某一波长的波型（Mode）直径，跟构成该放大器的光纤长度有关，因而也跟具有有源芯的光纤段以及构成二色耦合器的两段光纤的长度有关，其与该放大器被用来耦合的通讯线路中光纤部分的上述信号波长的波型直径是基本上一致的。

由于本发明的放大器各组件具有上述特性，所以将上述各组件彼此连接一起并将它们整个一起与线路的光纤部分连接，只是通过对接熔化进行的，就是说将有关的不同类型光纤的端部连接在一起，而实际上不会招致耦合时带来的损耗。

具体说来，如图2表示的那样，其中传输信号的光纤部分2的 端部之间的耦合，就是通过对接而与二色耦合器6的光纤段9的一端连接的。

依次再将二色耦合器6的光纤段9的另一端通过对接而与有源光纤段8的一端连接，而有源光纤段8的另一端则通过对接而与通信装置中的传输光纤4的一部分连接。

最后，光泵浦用的辐射源7（例如是由目前已知的能够发出980nm光辐射的Im-Ga-As激光二极管组成，它的一种应用情况是有源光纤掺杂有三价铒，而且信号为1536nm波长的光辐射）与二色耦合器的光纤段10的一端光学耦合。

现在就对照附图并结合本发明的具体实施例，对本发明的放大器以及装有该放大器的本发明的通信装置的运行加以描述。

发送器1是一种已知类型的、普遍用于光纤通信装置的发射器，它可以使用波长基本为1536nm的光辐射来发射信号，正如已经知道的那样，这是一条能使所传输的信号在线路的传输光纤（在图1中用标号2和4标记）中衰减最小的波长。

但无论怎样，从发送器1发送到第一部分光纤2的信号在其中传输时，总会产生衰减，而且它还会带着以上衰减进入放大器3中二色耦合器6的光纤段9。

同时还以连续方式向二色耦合器6，更准确地说是向其中的光纤段10发送由激光二极管7发射的泵浦光辐射。

如上所述，上述泵浦光辐射，对于本发明的放大器及装置而 言，例如其波长可选择为980nm，它在二色耦合器中将与来自线路中第一部分传输光纤2的波长为1536nm的已衰减的光信号叠加在一起。

具体地讲，信号辐射与泵浦辐射两者在二色耦合器中的叠加发生在区域11，在这里两段光纤的芯部已被制成基本合在一起，如图3中清楚表示的那样。

由于构成二色耦合器3的两段光纤9和10对于信号辐射及泵浦辐射都是单模传输的，所以从二色耦合器中射出的两束光辐射被叠加在一起，并且也是单模的。

此外，由于在所使用的二色耦合器中，非活性掺杂物的分布是与具有有源芯的光纤段中非活性掺杂物的分布一致的，所以在放大器中彼此叠加后的光辐射，不会发生光能量的损失。

具体地讲，传送给二色耦合器输入端的信号辐射和泵浦辐射在从中输出时，由于其前面提到过的特性，只会沿着与有源芯光纤段8对接的光纤9传输，由于在二色耦合器两部件中非活性掺杂物的分布与有源光纤段中一样，所以当这两部件耦合时不会发生能量损失，同样在上述两部件的连接处也不会发生这两种光辐射功率的单模分布的改变。

由上述可以得出结论，同时而且无损耗地进入对接在二色耦合器3上有源光纤8的，是以其最大功率出现的整个光泵浦辐射，以及由于经过光纤部分2受其影响而产生了衰减的，但当从上述光纤 2中传出时功率为最大的光信号辐射。

如上所述，由于构成耦合器的两光纤段中非活性掺杂物的分布与有源光纤段中非活性掺杂物的分布基本一致，所以当这两种光辐射从二色耦合器通过进入有源光纤段时，其性质也不会发生变化。

此外，由于事实上有源光纤段不论对于泵浦光辐射还是信号光辐射都是单模的，所以这两种辐射都能进入并在其中传播，以致于上述辐射的能量分布可相对于有源光纤段的轴线保持对称状态。

当光泵浦辐射通过有源光纤段8的芯区时，将使其中的活性掺杂物受到激励。受到光泵浦辐射激励的上述活性掺杂物，在其受到光信号辐射碰撞时，又会发射出同样波长的辐射，其结果是使光信号得到了放大。

被放大了的光信号，随后被传送给线路中的另一部分传输光纤4并到达接收器5。

使用本发明的放大器所作的试验性检测已经进行过，检测方式及其达到的结果将在以下陈述。

交付试验性检测的所发明的特殊放大器，具有以下结构。

所采用的有源光纤段是阶跃折射率型的，而且包层中没有非活性掺杂物，它由石英玻璃制成，因而具有1.45的折射率，而在芯中含有锗作为非活性掺杂物，达到足够的量以使其折射率为1.458;此外上述有源光纤段的芯径为5.4μm，包层外径为125μm。

上述有源光纤段的芯中，除了含有上面提到的非活性掺杂物之 外，还含有三价的铒离子作为活性掺杂物，以氧化铒的形式，按0.3%重量比的浓度均匀扩散在上述芯中。

最后，试验性检测中使用的有源光纤段的长度为8m长。

所用的二色耦合器具有两段长度相等的光纤部件，为阶跃折射率型，由石英玻璃制成，而且对于光信号辐射和光泵浦辐射都是单模的，其中非活性掺杂物的含量和分布与在有源光纤段中的非活掺杂物一样。

特别是在构成这种特定的二色耦合器所用的上述光纤段中，对于芯和包层来说，其直径和折射率都与有源光纤段中一样;此外，在两段光纤之间相互耦合部分，上述光纤基本上合成共同芯处的长度为0.9cm，而且两段光纤芯基本上为共同芯处的芯径为2.1μm。

最后，构成二色耦合器的两段光纤的芯径基本上是共同的，其与该光纤段端部的芯径之比为0.4。

所用的光泵浦辐射源是In-Ga-As激光二极管，它能发射波长为980nm的6mw的连续的光辐射。

在此试验性检测中，所采用的是通常在光纤通信装置中使用的那种类型的两段光纤部件，它们对于信号辐射的波型直径与构成放大器所用的光纤一样。

作为此试验性检测用的信号光辐射源，是能够发射波长为1536nm的100mw光辐射的DFB激光二极管，为此，传输信号用的光纤部分只对于信号光辐射是单模的，而对于泵浦光辐射则是多模 的。

上面列出的各种部件按下述方式组合起来。

信号辐射源与传输信号用光纤的端部光学耦合在一起，以使从信号源射出的整个辐射实际上能够导入上述光纤部分。

上面提及的光纤部分的另一端，通过对接而与二色耦合器中一段光纤的端部连接在一起。

此外，如上所述的光泵浦辐射源，要与二色耦合器中与传输信号用的光纤部分连接的一段光纤并列配置的另一段光纤的端部耦合，以使由其射出的整个6mw的功率都能进入上述二色耦合器的光纤部分。

通过对接而与二色耦合器中两种光信号都能从中传出的那段光纤端部连接的，是有源光纤段的一端，其特征在前面已经提到。

对接在此有源光纤段另一端的，则是传输信号用的另一部分光纤的一端。

用来进行试验性检测的装置，是通过将传输信号用光纤部分的另一端即与直接耦合在有源光纤段上相反的一端，耦合在一强度探测器上来完成的，此探测器被用来探测从上述光纤部分输出的辐射强度，其中包括PIN光电二极管。

从所进行的试验性检测中可以注意到，通过使用能够发射980nm波长的6mw功率辐射的泵浦源，对于所采用的1536nm波长的光信号，所得到的增益是25dB。

因而由试验性检测产生的结果是，可被表示为增益与所用的泵浦光辐射功率之比而得到的输出，为4.1dB/mw。

由于使用上述已知的各种类型放大器所能达到的最大输出是2.2dB。mw，这可从相关的文献中查到，所以此试验性检测结果表明，本发明已经达到了上述将放大器的输出提高100%的目的。

进一步说来，由此上对于特定实施例的描述中似乎还可以看出，实施本发明的放大器以及将其插入光纤通信装置中，都是容易而且非常可靠的，因为只需将其所包括的光纤对接就可达到。

当本发明所述放大器及通信装置的特定实施例已进行过描述和图示时，对于本领域熟悉的人来说，可能达到的各种改变，均被认为属于本发明的范围。

Claims (10)

1、一种用于信号传输光纤通信装置的放大器(3)，它可以插入装置的第一部分光纤(2)和第二部分光纤(4)之间，包括一个光学泵浦用的辐射源(7)、一个适于同上述装置的第一部分光纤(2)和光学泵浦辐射源(7)连接的二色耦合器(6)、以及一段有源光纤(8)，此有源光纤段(8)对于光信号辐射和光泵浦辐射都是单模的，其一端与二色耦合器(6)连接，另一端则能与装置的第二部分光纤(4)相连，该放大器(3)的特征在于：其中的二色耦合器(6)是这样一种类型，它包括两段无源光纤(9，10)，并列配置在其一部分长度(11)上，通过将各自的包层熔融而使它们在光学上耦合，并通过拉伸其自身的长度而使其芯体基本上成为一体，于是就由上述两段光纤(9，10)构成了对于光信号辐射及光泵浦辐射均为单模传输的二色耦合器(6)。

2、如权利要求1所述的放大器（3），其特征在于，构成二色耦合器（6）的两段光纤（9，10），其各自的芯及包层中非活性掺杂物的分布，基本上与放大器（3）本身的有源光纤段（8）中芯及包层中非活性掺杂物的分布一致。

3、如权利要求1所述的放大器（3），其特征在于，在二色耦合器（6）中，由两段光纤部件（9，10）合成后基本上为共同芯的直径与上述两段光纤（9，10）各自端部的芯径之比，在0.3至0.5的范围之内。

4、如权利要求1所述的放大器（3），其特征在于，在构成放大器（3）的两段光纤（9，10）中对于信号波长的波型直径，基本上等于在构成装置的两部分光纤（2，4）中对于上述信号波长的波型直径，而放大器（3）就是为此线路设计的。

5、如权利要求1所述的放大器（3），其特征在于，在二色耦合器（6）中，对于信号波长和泵浦波长分别为1536nm和980nm来说，两段光纤部件（9，10）的基本上为共同芯部分的直径在1.56μm至2.8μm的范围内。

6、一种光纤通信装置，它包括至少一个传输信号用的第一部分光纤（2）和至少一个传输信号用的第二部分光纤（4），通过插入其间的光放大器（3）彼此连接，所述的放大器（3）包括：一个光泵浦用的辐射源（7）;一个既与上述光泵浦辐射源（7）光学连接又与装置中传输信号用的第一部分光纤（2）光学连接的二色耦合器（6）;一段有源光纤（8），它对于光信号辐射及光泵浦辐射都是单模的，位于二色耦合器（60的下游且与其光学连接，上述有源光纤段（8）还与装置中传输信号用的第二部分光纤（4）光学连接，该装置特征在于：其中的二色耦合器（6）是这样一种类型，它包括两段无源光纤（9，10），并列配置在其一部分长度（11）上，通过将各自的包层熔融而使它们彼此在光学上耦合，并通过拉伸其自身的长度而使其芯体基本上成为一体，此二色耦合器（6）的两段光纤（9，10）对于光信号辐射及泵浦辐射都是单模的。

7、如权利要求6所述的光纤通讯装置，其特征在于，构成二色耦合器（6）的两段光纤（9，10），其各自的芯及包层中非活性掺杂物的分布，基本上与放大器（3）本身的具有有源芯的光纤段（8）中芯及包层中非活性掺杂物的分布一致。

8、如权利要求6所述的光纤通信装置，其特征在于，在二向色耦合器（6）中，由两段光纤部件（9，10）合成后基本上为共同芯的直径与上述两段光纤（9，10）各自端部的芯径之比，在0.3至0.5的范围之内。

9、如权利要求6所述的光纤通信装置，其特征在于，在构成放大器（3）的两段光纤（9，10）中对于信号波长的波型直径，基本上等于在构成线路的两部分传输光纤（2，4）中对于上述信号波长的波型直径。

10、如权利要求6所述的光纤通信装置，其特征在于，在放大器（3）的二色耦合器（6）中，对于信号波长和泵浦波长分别为1536nm和980nm来说，两段光纤部件（9，10）基本上为共同芯部分的直径在1.56μm至2.8μm的范围内。

Images