CN1052234A - 带有激励功率反射的低噪音光导放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个有源光纤型的低噪声光导放大 器(2)，含有激光发射物质(3)，并从所连通讯光纤中 接收传输波长上光，其中，有源光纤(6)在激励波长上 有一光馈入，并有相对于在其内吸收一部分直接输入 激励光的长度。在有源光纤(6)的后面，设有选择镜 部件(8)，它反射在激励波长，并通过传输波长的光； 镜子部件(8)由一个适合在两个输出光纤(11，12) 上分离传输波长和激励波长的光导多路分离器和一 设在于载有激励波长的光纤(7)末端至少反射激励波 长的镜子(13)组成。

Description

本发明涉及一种用于光导纤维远程通讯线路的光导放大器，更特别地涉及一种具有高效率的光前置放大器，即关系到输入激励功率的增益，并且是低噪音值的。

在远通讯线路领域，近来已经引入了输入有调制光信号的光导纤维，尤其是由于这样一个事实即光导纤维能够以很低的衰减传输信号到远距离，所以上述光导系统是很方便的。

为了进一步增加信号的传输距离，光导放大器已经是众所周知的，它是一段所谓叫“有源”（active）光纤其内馈入了波长低于信号能量波长的光“激励”（pumping）能量，这个激励能量在有源纤维内导致其内存在的掺杂剂跃变（transition）到激光发射状态;具有相对于上述激光发射状态波长的信号的出现导致掺杂剂原子从受激状态到基态的衰减，这关联到与信号相一致的光发射，从而导致放大作用的产生。

上述光导放大器能在不依靠电装置的情况下在光纤内完成信号放大，此电装置需要将信号从光转换成电，并且加以放大，然后再转换成光信号，从而引入电装置的所有限制，特别是限定传输频率。

对于其操作，光导放大器需要一特殊波长的激励光源，此波长低于所传输信号的波长，该激励光通过一分光色耦合或光导多路转换器而被引进到载有信号的光纤里，并且有源光纤内漫射，其光能在这段光纤长度内有增加的衰减，这主要是由于将能量传给了掺加剂进入激光发射状态。

因此决定放大器增益的光激励功率在有源光纤内逐渐降低，因此有源光纤参数的利用在此长度内愈加降低。

能够达到一定的放大增益，有源光纤各个部分所需要的最小光功率被定为门限功率，高于它可以发生密度转换，即处在激光发射状态的原子数量比基态的要多，因此，信号光子能够导致从激光发射状态到光发射基态跃变，因而产生了增益。

反之，当光功率低于门限功率时，在基态的原子数量是较高的，并且信号光子通过它们自己本身很可能产生向激发状态的跃迁，因此发生信号衰减，而不是有一增益。

由于存在着定义为“噪音”的与信号无关的光发射就有从激光状态到基态的自发衰减的可能性，在低增益的场合，即激励功率略微的高于门限功率时，则存在一削弱传输质量的低噪比。事实上，当激励功率值接近于门限功率时，即在降低密度转换的条件下，相对于受激跃逆产生增益的情况，大量原子属于自发衰减，因此导致了信噪比的恶化。

基于这种现象，有源光纤被选择的比在其末端可产生门限功率的长度要短。

然而，在这种方式中，部分激励功率未被使用，因此限制了放大器效率，此外，由于该功率在放大器后面的传输光纤里扩散，因此导致许多缺点，特别是当所描述的放大器是在传输线路端部的前置放大器，此传输线路被连接接收装置时。

因此实现具有降低“噪音值”的光导放大器是必要的。即：具有最大输出信噪比和能消除放大器输出的来利用激励功率的光放大器。

因此，本发明的目的在于提供一光导有源光纤放大器，正象以上所描述的那样，相对于激励功率，具有高效率并能达到有源光纤的最大利用，在其整个长度上基本地保持激励功率恒定，并且同时避免激励光的传播到有源光纤本身以外。

因此，本发明的一个目的为提供一个适于在光导远程通讯系统内被连接于光导光纤的有源光纤型光导放大器，此放大器包括一段含有激光发射物质的有源光导纤维，并且易于被连接到远程通讯光导纤维上，接收传输波长的光，进一步该放大器从低于传输波长的激励波长光源馈入光能，该激励光能够在有源光纤里被吸收，其特征为：有源光纤具有一长度是对应于一部分直接输入激励光的吸收的，在有源光纤的后面设有一选择镜的光而对传输波长的光是透明的。

该镜部件具有反射率在有源光纤内，在传输波长上低于-40dB而在激励波长上高于-10dB。

根据本发明的实施例，镜部件由分立元件组成，这些分立元件包括分色镜和分别适合于把光从有源光纤送到分色镜和把光从分色镜送到远程光导纤维的两个聚集组。

或另一方面，镜部件由一个或多个单片光导纤维部件组成。

在一个实施例里，镜部件包含一光导多路分离器，此分离器具有一输入光纤维，此输入光纤维被连接到有源光纤端部且适合于接收在一个光导纤维多路传输的传输波长和激励波长，以及两个输出光导纤维，此多路分离器适用于将传输波长分离到一个输出光纤上，将激励波长分离到另一输出光纤维上，载有传输波长的输出光纤在其末端设有一适合于至少反射激励波长的镜子。

在本实施例中，镜子是一分色镜，其反射率为在信号波长上低于-20dB;在激励波长上高于-5dB，并且多路分高在传输波长和激励波长之间具有一高于-10dB的绝缘。

通过实施例下面我们将更详细的描述本发明，并用附图作为参考，其中：

-图1表示已知技术的光导放大器的图示;

-图2是显示激励功率和对应的放大增益在图1中的放大器的有源光纤长度上变化的图示;

-图3表示本发明一光导放大器的图示，含有一反射器;

-图4是在图3中显示的放大器的一特殊实施例图示;

-图5是显示激励功率和相应放大增益在图3中的放大器的有源光纤长度里变化的图示。

有源光纤型光导放大器的结构在图1中被图示地表示出来，在此图中，1表示远程通讯光导纤维，传送入s波长的传输信号S_t;在光纤1的一定长度之后，如上所述信号将会衰减，为了放大之目的，可将此信号送到类型已知的分色耦合器2或多路调制器的输入端，这里与入p波长的激励光Lp合到一起，此激励光由激励激光发射器3产生并通过光纤4送到耦合器2的输入端，这两个波长耦合到分色耦合器2引出相同光纤维5上，因此进入有源光纤6中。

在有源光纤6中，在有光激励功率的情况下，产生在入s波长上激励的光发射，因此，放大了被送到那里的传输信号St;然后，传输信号被引入到传输纤维7中，并且朝着可能是一段光缆或终端接收设备的终点传输。

在第一种情况里，放大器被示于为线路放大器，而在第二种情况里，部件被称为“前置放大器”，即：它是一种适合于在光信号转换到电信号之前，提高达到传输线路末端的光导信号强度的设备。

象图2所显示的那样，当光纤1的长度增加时，在有源光纤内的光激励功率部减少，并且，由输入值pi为起点，基本上为线性的发展，这是由于依次被光纤吸收，光纤所含的掺杂剂进入了激光发射状态。

在经过有源光纤一段距离Is之后，在里面的激励功率达到饱和功率值P_s，在这个功率值下，在光纤里的能量分布状况是跃迁到光纤有源物质的激光状态不产生传输信号放大，即一增益，而是产生信号衰减，以致损害信号光能自身。

依赖有源光纤长度的增益G的定性曲线在图2中显示出来：从图中可以看到光纤接近于饱和长度Is时，增益具有很小的增加，直到Gmax，而光纤长度大于Is时，就发生增益降低。

因此，对于实际的目的来说，使用小于Is的纤维长度Iu，为了对信号获得一足够的增益Gu，这样就引入了激光发射状态到基态的自发过渡产生的最小噪音。

事实上，噪音与出现在上层激光能级的原子密度成正比，并且，当激励功率在光纤中减小时，噪音沿光纤的减小比增益来的慢。

象在图2中图所显示的那样，在一有源光纤里，决定单位光纤长度的最大获得增益的最大激励功率Pi仅仅发生在光纤自身的初始区域内，否则，激励功率就会变得显著的低，这导致了起放大作用的有源光纤长度利用的降低。

在前置放大器的情况下，即安装在光纤线路端部的放大器紧在一个接收和使光转换或到电信号的转换部件的前面，当前置放大器的噪音低于接收设备的噪音时，就能提高接收响应度。

由于放大器噪音是与它的增益成正比的，所以有一个对两个噪音分布是相同的增益值，这个值就是为改进接收响应度使用在前置放大器里的最大增益值。

另一方面，采用较高的前置放大器增益对不同的理由可能是方便的。例如，为了在前置放大器后面使用不太昂贵的设备，又不造成不利的信号接收响应度的改变。

因此，当光导放大器被用作为前置放大器时，使用一段纤维，其端部提供的激励功率P可产生响应度增加同值的一个总的增益。

根据本发明，如图3所示，在一个包含有一分色耦合器2、一激励激光器3和一有源光纤6的放大器里，一选择（或分色）部件8设在有源光纤6的后面，以适应于反射激励波长入p而让传输波长λs通过。

被连接到镜部件8的输出端的是载有放大了的信号并传输此信号到其终点的传输光纤7。

如图5中的图所示，镜部件8反射出现在有源光纤6的一段Ip末端的剩余激励功率P_r，并返回到有源光纤内，因此，反射功率P_rif被加到从激光器3直接发射的激励功率P_dir上。因此，在有源光纤里产生一激励功率值，此值较大，几乎恒值或沿一下降斜率在有源光纤全长上降低，如在图中用点划线P_tot所表示的那样。

因此，可以在全部光纤里，保持一高密度转换值，这牵涉到放大器产生的改进增益，以及噪音的平衡。

反射部件8能够在微光学（microoptics）中制成，使用反射唯一激励波长的且经适当处理过的（金属）板形成的选择镜，并且装备有聚焦镜头部件等等，且在反射的波长范围内适合光传递从光导纤维到镜子和从镜子再到镜子前面的光导纤维，而在通过的波长范围内则适于将光传给镜子后面的传输光纤。另一方面，可以使用同一传输光导纤维或几种光导纤维以单片的形式制造镜子部件，这从部件稳定性观点看来的  优劳。

根据图4所显示本发明的方便的实施例，镜子部件8包含一副的分色耦合器9或多路调制器、一输入纤维10和两个输出纤维11和12，在此，传输波长λ_s和激励波长λ_p分别被分离。

被连接到输出光纤11上的是放大器后面的传输光导纤维7。而镜子13被加到光纤12的末端。

象在本领域所了解的那样，所谓多路分离器指的是一光导部件适合在唯一的输入纤维上接收具有两个不同波长的光。并且在两个输出光纤上发射已分离的这些波长的光。

与多路调制器或分色耦合器一样的方式，一个实际的光导多路分离器或去耦装置在输出波长之间有一定的分离高度，即：一很小部分的传输信号可以在多路分离器的分支12上被发现，此信号一经被镜子13反射，在传输线路和光导纤维里的这样的一个信号将是危险的，这是因为它也会被放大并且将导致与传输信号的干扰现象。

因此，在波长之间，多路分离器应该输入一低的绝缘度，即低于-20dB。为了分色型镜13的安排，制订了规则，即：在传输波长上有一降低了的反射率的镜子，其反射率低于-20dB。因此，在本实施例中，镜子部件由多路分离器9和分色镜13形成，在λ_s波长上，无论如何将有大于40dB的全部绝缘。

值得指出的是在λ_s波长上的光在反射前和反射后两次通过多路分离器，因此多路分离器绝缘在限定由镜子反射的和进入光纤6及随后进入传输线路里的波长λ_s的光功率中，两次起作用。

如果多路分离器有一大于20dB的分离度，则上述多路分离器将能保证在线路里没有传输波长的反射噪音，并因此镜子13将在所有使用的波长上是完全反射的。

镜子13可以通过电镀切开的纤维末端而方便地获得或根据另外适合形成反射面的已知技术以形成在光纤12的末端具有所述特性的反射面或区域。

在图4中所示的实施例的结构是极为方便的，这即是由于它充分地由光导纤维构成，因此它很耐用且不受对小型化的聚焦设备等等的易遭受振荡或失真变形应该成为主要题目;又是由于属于多路分离器绝缘特性和属于分色镜的选择反射的结合在设计阶段期间提供很大的自由，以便为特殊应用取得最适当的效果，尤其是对激励波长提供最大反射，而对传输波长提供最小的反射。

本发明放大器已按图4作了说明，并且根据图1中的图示，将没有反射部件的放大器作为对照讲解了。

在两个实施例中，使用了一具有信号波长λs如1536nm的传输线路和一功率为10mw、波长λ_p为980nm的激励激光二极管3。

使用了一个980nm到1536nm的光导多路调制器或耦合器2，在980nm，绝缘为15dB的耦合为90%。

在两个试验里，使用了一个步指计型Si/Ge有源光纤维6，掺有E3+_r离子。

在根据图1的放大器中，使用了长度为9米的有源光纤，反之，在根据图3的放大器中，有源光纤长度为7米。

在图4的放大器中，980nm到1536nm的多路分离器9在980上有90%的耦合、在1536nm上有90%的耦合、在个输出分支上有30dB的绝缘。

镜子13已经由多路分离器光纤11的末端的镀金而被获得。

在图1中所示的由长度为9m的有源光纤构成的线路产生一个20dB的增益G₁，并且噪音值为：（s/N）∶（S/N）。＝5dB

在图3中所示的由长度为7米的有源光纤维构成的线路产生一个20dB的增益G₂，即与上边相同的增益，并且噪音值为（S/N）∶/（S/N）。＝3dB，这表示噪音值下降了2dB。

因此，在传输信号的质量方面，根据本发明，由于从放大器进入传输线路的噪音很低，达到了重要的改进。

此外，多路分离器9的设置能使线路7中排除激励波长，这就避免了使用滤波器或相似的设备。

由于本发明的放大器，可在接收设备中达到一改进的响应度（responsiveness），而不增加所需要的激励功率。这包括使用较强的激光二极管或两个耦合二极管，前者不好得到，且花费要高，后者要极大地承受损坏和失效。

更一般地说，本发明的放大器，随各种特殊应用的特殊需要而定，可在相同的功率下改进噪音值或在所用激励功率相同的情况下达到一较高的增益或不改进要达到的增益，而使用具有较低功率的激励电源。

当本发明在光导前置放大器方面已被描述时，但本发明不限制于此，因为本发明可应用于线路放大器或和相似的设备，方便地在所使用的光导纤维全段上达到一高的激励功率值。

在不脱离本发明的一般特性范围的情况下，可以作许多修改和变更。

本发明主要特点是：

有源光纤型光导放大器，适合被连接到在一光导远程通讯系统中的一光导纤维（1）上，此放大器（2）包括一段含有激光发射物质（3）的有源光导纤维（4），易于被连接到光导远程通讯纤维（1）上并从那里接收光，此外它还有由低于传输波长的激励波长的光源产生馈给，此激励光能够在有源光纤（6）里被吸收，其特征为：有源纤维（6）有对应于吸收部分直接输入激励光源的长度和在有源光纤（6）后面，设有选择镜部件，它在激励波长上反射光且在传输波长上是光可穿透的。

其特征为：镜子部件（8）在有源光纤内有一个反射率，此值在传输波长低于-40dB，在激励波长上高于-10dB。

其特征为：镜子部件（8）由含有一分色镜和分别地适合把光从有源光纤维送到分色镜和从分色镜送到光导远程通讯纤维上的两个聚焦组的分立文外组成。

其特征为：镜子部件由一个或多个单片光导纤维部件组成。

其特征为：镜子部件（8）由一个具有一被连接到有源纤维（6的未端且适合接收传输波长的输入纤维（10）的光多路分离器（（9）和两个输出纤维（11，12）组成。多路分离器适合分离在输出纤维之一上的传输波长和在另一个输出纤维上的激励波长，载有传输波长的输出纤维（11）被连接到远程通讯纤维（7）上，且载有所产生的激励波长的输出光纤（12）在其末端设有镜子（13）适合于至少反射激励波长。

其特征为：镜子（8）是一个具有一反射率的分色镜，在信号波长上其值低于-2dB，在激励波长上其值高于-5dB。

其特征为：多路分离器在传输和激励波长之间有一高于-10dB的绝缘。

Claims (7)

1、一种有源光纤型光导放大器，适合被连接到在一光导远程通讯系统中的一光导纤维(1)上，此放大器(2)包括一段含有激光发射物质(3)的有源光导纤维(4)，易于被连接到光导远程通讯纤维(1)上并从那里接收光，此外它还有由低于传输波长的激励波长的光源产生馈给，此激励光能够在有源光纤(6)里被吸收，其特征为：有源纤维(6)有对应于吸收部分直接输入激励光源的长度和在有源光纤(6)后面，设有选择镜部件，它在激励波长上反射光且在传输波长上是光可穿透的。

2、根据权利要求1所述光导放大器，其特征为：镜子部件（8）在有源光纤内有一个反射率，此值在传输波长低于-40dB，在激励波长上高于-10dB。

3、根据权利要求1所述光导放大器，其特征为：镜子部件（8）由含有一分色镜和分别地适合把光从有源光纤维送到分色镜和从分色镜送到光导远程通讯纤维上的两个聚焦组的分立元件组成。

4、根据权利要求1所述光导放大器，其特征为：镜子部件由一个或多个单片光导纤维部件组成。

5、根据权利要求4所述光导放大器，其特征为：镜子部件（8）由一个具有一被连接到有源纤维（6）的末端且适合接收传输波长的输入纤维（10）的光多路分离器（9）和两个输出纤维（11，12）组成。多路分离器适合分离在输出纤维之一上的传输波长和在另一个输出纤维上的激励波长，载有传输波长的输出纤维（11）被连接到远程通讯纤维（7）上，且载有所产生的激励波长的输出光纤（12）在其末端设有镜子（13）适合于至少反射激励波长。

6、根据权利要求5所述光导放大器，其特征为：镜子（8）是一个具有一反射率的分色镜，在信号波长上其值低于-2dB，在激励波长上其值高于-5dB。

7、根据权利要求5所述光导放大器，其特征为：多路分离器在传输和激励波长之间有一高于-10dB的绝缘。

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