CN1041658C - 有效利用泵功率的光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级光纤放大器，通过含用以衰减放大的自发辐射的滤波器的装置连接第一级和第二级，其泵光源包括的一对光源，连接到一个将功率等分给两个输出部分的耦合器。来自耦合器第二输出部分的所有泵功率提供给第二级。来自耦合器第一输出部分的一部分泵功率在第一级内转换为放大的信号和放大的自发辐射，来自该输出部分的剩余功率提供给第二级。

Description

有效利用泵功率的光纤放大器

本发明涉及用于光通信的光学放大器，尤其涉及一种多级光纤放大器，其中由单光源所提供的全部有效泵功率在各级之间进行最佳分配，以对给定光谱响应提供最大增益和最小噪声。

许多应用例如包括多波长系统都需要大功率输出的放大器。放大器的关键性能之一是它的输出功率，它主要取决于如何将泵光有效地转换为信号光。

在例如搀铒以及搀其它增强离子的放大器中，用以放大的输入不仅包括信号，而且包括自发辐射(SE)。为了减小被放大的自发辐射(ASE)，不能减小泵功率，因为必须将其转变为信号功率(见图1)。

以前用以减小ASE放大的一些建议需要附加的电路和元件，诸如滤波器、多路调制器耦合器或几个泵源(见1992年12月出版的《IEEEPhotonicsTechnologyLetters》第4卷第1340-1348页；1990年5月10日出版的《ElectronicLetters》第26u卷第661，662页以及第5，050，949号美国专利)。由于ASE在利用除铒以外的增强离子的放大器中也是根据信号转换泵功率的，故本发明也适用于包括除铒以外的增强离子的光纤放大器。

因此，本发明的目的在于提供一种多级光纤放大器，将来自单光源的泵功率非均等地耦合到两级，使相对于某给定光谱响应的输出功率为最佳。

本发明的另一目的在于提供一种能克服现有器件各种缺陷的一种光纤放大器。

简而言之，本发明涉及包括第一和第二级光纤放大器在内的一种光纤放大器，第一级的输出光谱包括了主要因ASE而产生的第一波长带。该第一和第二级放大器通过包括滤波器(用以衰减第一波长带)在内的装置连接起来。分配装置将来自光源的泵光连接到第一和第二级，由此将少于一半的泵功率转换为第一级放大器中的信号和放大的自发辐射。

在一个实施例中，泵光源包括连接到一耦合器的一对光源，该耦合器将功率均等地分到两个输出部分。来自耦合器第二输出部分的所有泵功率提供给第二级。来自耦合器第一输出部分的一部分泵功率在第一级内转换为已放大的信号和ASE，该输出部分的其余功率提供给第二级。

图1是表示一种增益光纤的示意图；

图2是表示掺铒一铝的锌基硅酸盐光纤放大器增益频谱的曲线圈；

图3是表示根据本发明的一种光纤放大器的示意图；

图4是表示对泵功率分解的示意图；

图5至图7是表示本发明各个实施例的示意图。

为了最有效地进行泵一信号转换，应当将转换成ASE的光量值减至最小。根据本发明，对来自单光源的泵功率进行分离，在放大器的初级减少泵的功耗，由此减少转换为ASE的功率。剩余的泵功率送到放大器的后级，在此信号就更大，能够获得更好的转换效率。

图3表示本发明的基本示意图。该放大器包括初级31，它通过ASE滤波器33连接到次级32。除了后述放大器的ASE滤波器之外，ASE滤波器33可以是将1530-1540nm之间的光转送到输出遥测口的一个滤波器。正是在该光谱区域内发现了全倒相放大器的ASE辐射峰值。给定泵的预算由泵光源34提供。将给定量X的泵功率提供给级31，其中X小于50％。剩余的(1-X)的功率提供给级32。X的值一般在大约10％至49％之间。当X值低于10％时，噪声性能明显降低。当X为49％时，泵一信号转换效率显然未有更多的改善。于是X值通常选择在大约20％与30％之间。为了确定一个给定放大器的X值，应该先确定系统可容许的放大器噪声的量。然后，通过合适地将泵功率的预算按比例分配给第一和第二放大器级，使增益相对噪声性能达到最佳。如图4所示，泵光源可以用激光二极管37，它通过耦合器38连接到级1和2，耦合器38以泵波长划分泵功率，将小于一半(例如25％)的功率提供给级1，将剩余的泵功率送到第二级。这种结构仅需极少的元件，但不向放大器提供软故障功能，软故障功能放在后面的实施例中描述。

图5表示一个多级光纤放大器，它由单光源泵激，在各级之间分配泵功率，由此使放大器达到有效的泵功率一信号转换效率。光源40的激光二极管41和42连接到一个3分贝耦合器43，后者把泵功率等分给3分贝耦合器44和波长分离多路转接器(M)耦合器45。由于在泵光源中采用了耦合器43，所以如果其中一个光源有故障，放大器的增益下降不会超过3分贝。如果没有这个软故障结构，当一个泵激二极管发生故障，增益将下降3分贝以上。耦合器44将泵功率等分给M耦合器46和47。波长为λs的信号被加到耦合器46，由第一光纤放大器级48放大。经放大的信号通过泵滤波器50、ASE滤波器51、隔离器52和M耦合器47连接到增益光纤54。当ASE滤波器51为一种其性能被泵激光劣化的类型时，采用泵滤波器50。来自增益光纤54的经放大的信号通过M耦合器45连接到增益光纤56。在本实施例中，第一级48只采用25％的泵功率，75％的泵功率供给包括增益光纤54和56在内、设置在ASE滤波器51之后的那一级，由此提高了泵一信号转换效率。隔离器49、52和53抑制了反射噪声。任选的泵滤波器55保护下行元件免受泵激光的影响，后者对下行元件可能有害。

比较放大器1构成用以鉴别图5所示放大器的性能。比较放大器1与图5所示的放大器类似，不过其第二级包括了一根单独的增益光纤，泵功率由光源40直接提供给两级，即每一级接受50％的有效功率。根据图5构造的放大器，其输出功率比比较放大器1的输出功率大1．5分贝。

为图5所示的放大器和比较放大器1设计了一个精确的数字模型，它表示在同等的噪声和增益频谱下，根据图5构建的放大器的输出功率要比比较放大器1的输出功率大1．4分贝。

图6中，激光二极管61和62连接到3分贝耦合器63，后者向M耦合器64和65提供等量的泵功率。波长为λs的信号加到耦合器64，由含增益光纤67的第一光纤放大器放大。经放大的信号通过M耦合器70、ASE滤波器71、隔离器72和M耦合器74连接到增益光纤68。第一级增益光纤67的长度不足以将经由耦合器63和64提供给它的全部泵功率转换为信号和ASE。例如，增益光纤67只能吸收50％的泵功率。增益光纤67的剩余泵功率通过耦合器70和74，连接到增益光纤68以正向泵激增益光纤68。增益光纤68还用耦合器65供给它的泵功率作反向泵激。该放大的信号通过M耦合器65和隔离器76从增益光纤68耦合到输出光纤75。如按上述建议，增益光纤67仅吸收提供给它的泵功率的50％，那么增益光纤67利用约25％来自泵光源60的有效泵功率预算，增益光纤68利用约75％来自泵光源60的有效泵功率预算。如上所述，如此分配泵功率改善了泵一信号的转换效率。

因M耦合器70与74有一定的信号串扰，某些信号光泄漏到泵通道a。该信号将与来自通道b的基本信号不同步，由于这两条通道的通道长度必有小小的差异，故两条通道在耦合器74再连接。这种非同步的信号将成为所增的一个噪声源。已经计算出M耦合器70和74在信号波长有15分贝的串扰，当通道长度差异大于泵光源相干长度时，这种30分贝的衰减信号将把噪声指数劣化26分贝之多。为了阻断通常经泵通道a产生的该第二信号通道对通道a加一个信号衰减光纤73。业已算出，通道a中的60分贝信号衰减将能消除这种附加的噪声源。例如，如果增益光纤是掺铒的，用一米长的掺镨光纤即可容易地获得滤波功能。

图7表示对图6所示第二级的另一种设计方案。增益光纤68由两个增益光纤81和82替换。图7还示出了用于图6所示第二级66的连接光纤a、b和c。增益光纤81由通过连接光纤a和M耦合器74＇向其提供的泵功率进行正向泵激。来自连接光纤C的泵功率和来自增益光纤81的放大信号通过M耦合器84耦合到增益光纤82，这样增益光纤82也作正向泵激。放大后的输出通过泵滤波器87和隔离器88连接到输出光纤86。

对图7所示的放大器也构建了一种精确的数字模型。这表明在相同的噪声和增益频谱下，按图7构造的放大器的输出功率比之比较放大器1将高出1．9分贝。

Claims (9)

1．一种光纤放大器，包括：

第一光纤放大器级(31，48，67)，所述第一级的输出频谱包括主要因放大的自发辐射而产生的第一波长带，

第二光纤放大器级(32，54，56，68，81，82)，

连接装置，将所述第一级连接到所述第二级，

泵光源(34，37，40，60)，

分配装置(38，43，44，45，46，47，63，64，65，70，73，74，74’，84)，将来自所述光源的泵光连接到所述第一级和第二级，使不到一半的所述泵功率在所述第一放大器级转换为信号和放大的自发辐射，其特征在于：

所述分配装置使所述第一级为正向泵激，所述连接装置包括用以衰减所述第一波长带的滤波器(33，51，71)。

2．如权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，所述分配装置包括波长分离多路转接器耦合器(46，64)，用以将所述光源(40，60)的泵光连接到所述第一级，并将输入信号连接到所述第一级。

3．如权利要求1或2所述的光纤放大器，其特征在于所述泵光源包括单个发光二极管(37)，所述分配装置包括将来自所述二极管的泵光不均等地分解到第一和第二输出部分的耦合器装置(38)，所述第一输出部分连接到所述第一级，所述第二输出部分连接到所述第二级。

4．如权利要求1或2所述的光纤放大器，其特征在于所述泵光源包括含有第一输入部分及第二输入部分的两个输入部分和第一输出部分及第二输出部分的两个输出部分的第一耦合器(43)，所述第一耦合器的特点在于使提供给所述第一耦合器输入部分每条支路的实际为一半的功率，耦合到所述第一耦合器输出部分的每条支路，以及分别连接到所述第一和第二输入部分的第一和第二泵光源(41，42)，所述分配装置包括将来自所述第一耦合器(43)的第二输出部分的全部泵光连接到所述第二级的装置(45)，将来自所述第一耦合器的第一输出部分的一部分泵光连接到所述第一级的装置(44，46)，以及将来自所述第一耦合器的第一输出部分的剩余泵光连接到所述第二级的装置(44，47)。

5．如权利要求4所述的光纤放大器，其特征在于，所述分配装置包括：将所述第一耦合器的第二输出部分连接到所述第二级的装置(45)，具有一个输入部分和两个输出部分的第二耦合器(44)，所述第二耦合器的特点在于使提供给所述第二耦合器输入部分的一部分功率耦合至所述第二耦合器的第一输出部分，并使提供给所述第二耦合器输入部分的剩余功率耦合至所述第二耦合器的第二输出部分，所述第二耦合器输入部分连接到所述第一耦合器的第一输出部分，用以将所述第二耦合器的第一输出部分连接到所述第一级的装置(46)，以及将所述第二耦合器的第二输出部分连接到所述第二级的装置(47)。

6．如权利要求1或2所述的光纤放大器，其特征在于所述第一级包括增益光纤(67)，其长度不足以将提供给它的全部泵功率转换成放大的信号和放大的自发辐射，(a)所述分配装置包括将来自所述第一级输出的泵光连接到所述第二级的装置(70，74)，和／或(b)所述连接装置包括波长分离多路转接器耦合器(70)，其一个输出连接到所述放大的自发辐射滤波器，另一个输出连接到所述的第二级。

7．如权利要求1或2所述的光纤放大器，其特征在于，所述泵光源包括至少一个激光二极管以及按比例将来自所述二极管的功率分配给第一和第二输出部分的耦合器(63)，所述第二级包括具有第一和第二端的单根增益光纤(68)，所述耦合器第二输出部分连接到所述单根增益光纤的第二端，所述第一级包括第一增益光纤(67)，其长度不足以将提供给它的泵功率转换成信号和放大的自发辐射，所述连接装置包括波长分离多路转接器耦合器(70)，其一个输出部分连接到所述放大的自发辐射滤波器，其另一输出部分连接到所述单根增益光纤的第一端。

8．如权利要求1或2所述的光纤放大器，其特征在于所述泵光源包括至少一个激光二极管以及按比例将来自所述二极管的功率分配给第一和第二输出部分的耦合器(63)，所述第二级包括串联

连接的第二和第三增益光纤(81，82)，所述耦合器第二输出部分连接到所述第三增益光纤(82)，所述第一级的长度不足以将提供给它的全部泵功率转换成放大的信号和放大的自发辐射，所述连接装置包括波长分离多路转接器耦合器，其一个输出部分连接到所述放大的自发辐射滤波器，其另一输出部分连接到所述第二增益光纤。

9．一种光纤放大器，包括：

第一光纤放大器级(48，67)，

第二光纤放大器级(54，56，68，81，82)，

用以将所述第一级连接到所述第二级的连接装置，

具有第一和第二输出部分的泵光源(40，60)，

用以将来自所述光源第二输出部分的全部光连接到所述第二级的分配装置(45，65，84)，其特征在于：

等量的泵功率出现在所述输出部分，所述光纤放大器还包括：

用以将输入信号连接到所述第一级的波长分离多路转接器耦合器(46，64)，

置于所述连接装置内，用以衰减出现在所述第一放大器级输出端的放大的自发辐射的滤波器装置(51，71)，

将来自所述光源第一输出部分的一部分光连接到所述波长分离多路转接器耦合器(46，64)的分配装置(44)，由此使所述第一光纤放大器级(48，67)为正向泵激，以及

将来自所述光源第一输出部分的剩余的光连接到所述第二级的分配装置(44，47，64，67，70，73，74，74’)。

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