CN105656561A - 一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器 - Google Patents

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高福斌
吴戈
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梁雪
马春阳
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Abstract

本发明的一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器属于光纤放大器技术领域。结构有信号源(1)、第一光隔离器(2)、第一耦合器(3)、第一波分复用器(4)、第一掺铒光纤(5)、第二波分复用器(6)、第二光隔离器(7)、增益平坦滤波器(8)、第二耦合器(9)、第二掺铒光纤(10)、第三光隔离器(11)、第一分光器(12)和泵浦模块(22)构成的基本放大光路；以及三端口第一环形器(13)、光纤环形镜(14)、三端口第二环形器(15)、光栅(16)、第四光隔离器(17)、光衰减器(18)、光电转换器(19)、PID控制电路(20)和压控电流源(21)。本发明具有增益平坦、响应速度快、输出功率可控等优点。

Description

一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器
技术领域
本发明属于光纤放大器技术领域，特别涉及一种基于光纤环形镜的增益平坦、输出功率可控的单泵浦双极放大的掺铒光纤放大器。
背景技术
在“互联网+”之风吹遍神州大地的今天，光通信技术大踏步的发展趋势已经成为必然。“宽带中国”、“提速降费”、“一带一路”等政策措施为光通信开辟了广阔的前景。带宽需求和光纤网络之间一直上演着追逐与被追逐的战争，增值业务的迅猛发展和数据流量的激增，意味着对光纤光缆的需求更广泛更复杂，对光通信设备的要求更智能更严格。作为光通信系统中的重要设备，掺铒光纤放大器(EDFA)的发展一直备受瞩目。
为了满足日益增长的服务需求，需要利用密集波分复用技术提高网络容量降低运营成本。这对波分复用系统中的重要光学设备EDFA提出更高的要求。市场上常见的EDFA普遍存在增益不平坦及稳定度不高的缺陷。尤其在多个EDFA级联时增益不平坦现象更加明显。当不同波长信道的增益差别超过临界值时就会导致增益小的光信道产生误码，这时光纤放大器的增益谱平坦化技术就显得尤为关键。而当EDFA的输出稳定度过低时会对下一级系统产生不可逆转的影响，不仅会产生误码信号甚至还可能会损坏仪器设备。
鉴于以上光纤放大器中存在的问题，有必要研究一种可以提高系统稳定度且增益平坦的光纤放大器以应用于光通信中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能够使增益平坦且稳定度更高掺铒光纤放大器，将掺铒光纤、光纤环形镜、光纤环形器和压控电流源、PID算法相结合，得到具有增益平坦、高稳定度、输出功率可控的光纤放大器。
本发明的技术问题通过以下技术方案解决：
一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器，结构有信号源1、第一光隔离器2、第一耦合器3、第一波分复用器4、第一掺铒光纤5、第二波分复用器6、第二光隔离器7、增益平坦滤波器8、第二耦合器9、第二掺铒光纤10、第三光隔离器11、第一分光器12和泵浦模块22构成的基本放大光路；其特征在于，结构还有三端口第一环形器13的①端与第一分光器12的99％输出端相连，②端与光纤环形镜14的反射端相连，③端作为本发明一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器的总输出端，光纤环形镜14的透射端与三端口第二环形器15的①端相连，三端口第二环形器15的②端与光栅16的一端相连，③端与第四光隔离器17的输入端相连，第四光隔离器17的输出端与光衰减器18的输入端相连，光衰减器18的输出端与第一耦合器3的第一输入端相连；光电转换器19的光输入端与第一分光器12的1％输出端相连，电输出端与PID控制电路20的Vpd端相连，压控电流源21的Vout端与PID控制电路20的Vref端相连，PID控制电路20的Vpump端与泵浦模块22的激光器正极连接；
本发明所述的光纤环形镜14可以用如下结构：保偏光纤F1的一端与2×2分束器的Ⅲ端相连，保偏光纤F1的另一端与三环形偏振控制器PC1的一端相连，三环形偏振控制器PC1的另一端与2×2分束器的Ⅳ端相连，2×2分束器的Ⅰ端作为光纤环形镜14的反射端，Ⅱ端作为光纤环形镜14的透射端，其中Ⅰ端和Ⅱ端为2×2分束器的输入端，Ⅲ端和Ⅳ端为2×2分束器的输出端；所述的保偏光纤F1的型号为NufernPM1550-HP，长度为0.5米，拍长3.9mm；所述的2×2分束器是一个分光比为50:50的3dB耦合器。
本发明所述的PID控制电路20可以用如下电路结构：电阻R2的一端、电阻R6的一端和电容C3的一端接在一起，并作为PID控制电路20的Vpd端；电阻R3的一端、电阻R7的一端和电阻R12的一端接在一起，并作为PID控制电路20的Vref端；电阻R2的另一端接运放U1A的反相输入端，并与电阻R1的一端相接，电阻R1的另一端接滑动变阻器W1的一端，滑动变阻器W1的滑线端接运放U1A的输出端，并与电阻R4的一端相接，电阻R3的另一端接运放U1A的同相输入端；电阻R6的另一端接滑动变阻器W2的一端，滑动变阻器W2的滑线端接运放U2A的反相输入端，电阻R7的另一端接运放U2A的同相输入端，运放U2A反相端和输出端之间接电容C1，输出端还接电阻R8的一端；电容C3的另一端接运放U2B的反相输入端，电阻R12的另一端接运放U2B的同相输入端，运放U2B的反相输入端接电阻R10的一端和电容C2的一端，电阻R10的另一端接滑动变阻器W3的一端，滑动变阻器W3的滑线端和电容C2的另一端接运放U2B的输出端，还接电阻R9的一端；电阻R4的另一端、电阻R8的另一端和电阻R9的另一端共同接运放U3A的反相输入端，电阻R11的一端接运放U3A的同相输入端，另一端接电阻R13的一端，还接PID控制电路20的Vref端，电阻R13的另一端接地；运放U3A的反相输入端和输出端之间接电阻R5，且输出端作为PID控制电路20的Vpump端。
本发明所述的压控电流源21可以用如下电路结构：滑动变阻器W4的一端接电源VCC，另一端接地，滑线端接运放U4A的同相输入端，运放U4A的反相输入端和输出端之间接电阻R14，且输出端接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接运放U5A的反相输入端，运放U5A的反相输入端和输出端之间接电阻R16，且输出端接电阻R17的一端，电阻R17的另一端接运放U5B的反相输入端，还接电阻R18的一端，电阻R18的另一端作为压控电流源21的Vout端，运放U5B的反相输入端和输出端相接，还和电阻R20的一端相接，电阻R20的另一端接运放U5A的同相输入端，还接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接地。
本发明利用光纤环形镜结合光纤光栅及三端口光纤环形器实现增益平坦和功率的控制，其中基本放大光路和三端口第一环形器13、光纤环形镜14、三端口第二环形器15、光栅16、第四光隔离器17以及光衰减器18共同构成增益平坦反馈环，保证了本发明对输入信号光具有平坦的增益；而基本放大光路和光电转换器19、PID控制电路20以及压控电流源21则共同构成功率稳定反馈环，将压控电流源与输出光电信号进行比较利用PID控制电路控制泵浦输出，最终得到具有增益平坦和功率控制功能的高稳定光纤放大器。
综上，本发明双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器有以下有益效果：
1、采用一个泵浦激光器产生泵浦光，进行双级放大，在二次放大之前利用静态增益平坦滤波器将信号光进行初步滤波，可以实现放大器结构具有高增益，低噪声的效果，且一个泵浦源更减小体积节约成本。
2、通过控制光纤环形镜中保偏光纤的长度及偏振控制器的状态调节光纤环形镜的反射谱和透射谱使光纤放大器增益平坦、成本低廉且响应速度快。
3、将信号光的输出功率与光电转换器的正常工作电压进行定标后，利用PID控制电路调节电压信号，控制激光泵浦源的功率输出，从而实现控制信号光输出功率的目的。
附图说明：
图1为本发明双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器的结构示意图。
图2为本发明实施例中使用的光纤环形镜结构示意图。
图3为本发明的PID控制电路的原理图。
图4为本发明的压控电流源的原理图。
图5为本发明的泵浦模块的一种具体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明各部分具体结构和工作原理作进一步说明。
实施例1本发明的整体结构
如图1所示，本发明的结构有信号源1、第一光隔离器2、第一耦合器3、第一波分复用器4、第一掺铒光纤5、第二波分复用器6、第二光隔离器7、增益平坦滤波器8、第二耦合器9、第二掺铒光纤10、第三光隔离器11、第一分光器12和泵浦模块22构成的基本放大光路；由基本放大光路和三端口第一环形器13、光纤环形镜14、三端口第二环形器15、光栅16、第四光隔离器17、光衰减器18一起构成增益平坦反馈环；由基本放大光路和光电转换器19、PID控制电路20、压控电流源21构成功率控制反馈环。
本发明增益平坦反馈环和功率控制反馈环使得本发明最终能够得到具有增益平坦且功率稳定的激光输出。
实施例2本发明的基本放大光路
本发明的基本放大光路和传统的掺铒光纤放大器相似，结构为，信号源1与第一光隔离器2的输入端相连，第一光隔离器2的输出端与第一耦合器3的第二输入端相连，第一耦合器3的输出端与第一波分复用器4的1550nm信号输入端相连，泵浦模块22的光输出端与第一波分复用器4的980nm泵浦输入端相连，第一波分复用器4的输出端通过第一掺铒光纤5与第二波分复用器6的输入端相连，第二波分复用器6的信号光输出端与第二光隔离器7的输入端相连，第二波分复用器6的泵浦光输出端与第二耦合器9的第二输入端相连，第二光隔离器7的输出端与增益平坦滤波器8的输入端相连，增益平坦滤波器8的输出端与第二耦合器9的第一输入端相连，第二耦合器9的输出端通过第二掺铒光纤10与第三光隔离器11的输入端相连，第三光隔离器11的输出端与第一分光器12的输入端相连，具体连接关系如图1水平中心线上各器件连接所示。
基本放大光路主要由预放大部分和再放大部分两部分组成，预放大部分主要由1550nm信号光和反馈光组成的信号光与激光泵浦源发出的泵浦光通过波分复用器耦合在一起后通过第一段掺铒光纤进行预放大，实现泵浦光和信号光能量的转移；再放大部分先将信号光通过滤波器进行滤波后再与泵浦光进入第二段掺铒光纤进行再放大。
本实施例中所用的各器件具体参数为：信号源1为北京康冠世纪光电科技有限公司生产的KG-TLS型可调谐激光光源，输出功率在20mw，工作波长为1550nm；第一隔离器2、第二隔离器7、第三隔离器11为北京康冠1550nm偏振无关光单级隔离器，工作波长为1550nm最大承载光功率为300mW；第一耦合器3、第二耦合器9选用北京康冠1550nm熔融拉锥型2X1光纤耦合器，其工作波长为1550nm±20nm，最大承载光功率为500mW；第一波分复用器4和第二波分复用器6为北京康冠熔融拉锥形980/1550nm泵浦光波分复用器承载光功率小于1000mW；第一掺铒光纤5、第二掺铒光纤10选用NufernEDFC-980-HPC-band，长度分别为3-6米、8-12米；静态增益平坦滤波器8选用北京康冠带通型光纤滤波器，最大承载光功率为300mW；第一分光器12选用北京康冠1X2光纤耦合器，分光比为1/99，泵浦模块22选用捷迪讯LC96型号的980nm泵浦模块，最大单模激光功率为600mW，且模块本身还集成了热敏电阻和光电二极管，以方便实现恒温控制，泵浦模块22的结构如图5所示。
实施例3本发明的增益平坦反馈环
在图1中，基本放大光路和三端口第一环形器13、光纤环形镜14、三端口第二环形器15、光栅16、第四光隔离器17以及光衰减器18共同构成增益平坦反馈环。
经过基本放大光路进行放大后的信号光经第一分光器12的99％输出端进入三端口第一环形器13的①端，通过三端口第一环形器13的②端进入光纤环形镜14，光纤环形镜14的信号光有反射光和透射光两部分：透射光部分由①端进入三端口第二环形器15，三端口第二环形器15的②端口连接光纤光栅16，光纤光栅16的反射光由三端口第二环形器15的③端口进入到第四光隔离器17，第四光隔离器的作用主要是防止反响传输光对系统产生影响，经第四光隔离器17进入光衰减器18中，光衰减器18进行调整后进入第一耦合器3的第一输入端口形成闭环进行反馈，当反射光通过第一掺铒光纤5和第二掺铒光纤10获得的增益与其在增益平坦反馈环中造成的损耗相等时，反射光便在增益平坦反馈环中形成稳定的激光振荡，使信号光得到放大；信号光在光纤环形镜14的反射光部分不但增益谱平坦，而且还具有增益钳制的特性，最终被放大的信号光通过第一分光器12的99％输出端进入三端口第一环形器13的①端口，并经三端口第一环形器13的③端口输出。
本实施例中所用的各器件具体参数为：三端口第一环形器13、三端口第二环形器15选用北京康冠三端口光环行器，工作波长为1550nm±20nm，最大承载功率为300mW；光纤光栅16采用的是北京康冠反射型光纤光栅，中心波长1536nm，反射率99％；第四光隔离器17选用北京康冠1550nm偏振无关光隔离器，工作波长为1550nm最大承载光功率为300mW；光衰减器18选用北京康冠电可调光纤衰减器，工作波长范围是1525-1565nm，衰减范围为0dB-25dB，最大承载功率为500mW。所述的光纤环形镜14的结构如图2所示：保偏光纤F1的一端与2×2分束器的Ⅲ端相连，保偏光纤F1的另一端与三环形偏振控制器PC1的一端相连，三环形偏振控制器PC1的另一端与2×2分束器的Ⅳ端相连，2×2分束器的Ⅰ端作为光纤环形镜14的反射端，Ⅱ端作为光纤环形镜14的透射端，其中Ⅰ端和Ⅱ端为2×2分束器的输入端，Ⅲ端和Ⅳ端为2×2分束器的输出端；所述的保偏光纤F1的型号为NufernPM1550-HP，长度为0.5米，拍长3.9mm；所述的2×2分束器是一个分光比为50:50的3dB耦合器。
实施例4本发明的功率控制反馈环
在图1中，基本放大光路和光电转换器19、PID控制电路20以及压控电流源21共同构成功率稳定反馈环。经过基本放大光路进行放大后的信号光经第一分光器12的1％输出端进入光电转换器19，光电转换器19将信号光的百分之一转换成电信号，并与预设功率的压控电流源在PID控制电路20中进行比较(预设功率的压控电流源需要在室温25℃条件下信号光的输出功率与光电转换器19的正常工作电压进行定标)，所述PID控制电路20通过模拟比例、积分、微分电路对电压信号进行调节，控制激光泵浦源的功率输出，实现控制信号光输出功率的目的。
实施例5本发明的PID控制电路
图3所示的是本发明所述的PID控制电路20的一种具体电路结构：电阻R2的一端、电阻R6的一端和电容C3的一端接在一起，并作为PID控制电路20的Vpd端；电阻R3的一端、电阻R7的一端和电阻R12的一端接在一起，并作为PID控制电路20的Vref端；电阻R2的另一端接运放U1A的反相输入端，并与电阻R1的一端相接，电阻R1的另一端接滑动变阻器W1的一端，滑动变阻器W1的滑线端接运放U1A的输出端，并与电阻R4的一端相接，电阻R3的另一端接运放U1A的同相输入端；电阻R6的另一端接滑动变阻器W2的一端，滑动变阻器W2的滑线端接运放U2A的反相输入端，电阻R7的另一端接运放U2A的同相输入端，运放U2A反相端和输出端之间接电容C1，输出端还接电阻R8的一端；电容C3的另一端接运放U2B的反相输入端，电阻R12的另一端接运放U2B的同相输入端，运放U2B的反相输入端接电阻R10的一端和电容C2的一端，电阻R10的另一端接滑动变阻器W3的一端，滑动变阻器W3的滑线端和电容C2的另一端接运放U2B的输出端，还接电阻R9的一端；电阻R4的另一端、电阻R8的另一端和电阻R9的另一端共同接运放U3A的反相输入端，电阻R11的一端接运放U3A的同相输入端，另一端接电阻R13的一端，还接PID控制电路20的Vref端，电阻R13的另一端接地；运放U3A的反相输入端和输出端之间接电阻R5，且输出端作为PID控制电路20的Vpump端，Vpump端与泵浦模块22的激光器正极相连，用于驱动泵浦模块22，产生功率稳定的980nm激光，为整个系统提供能量，泵浦模块22的结构示意图如图5所示。
实施例6本发明的压控电流源
图4所示的是本发明所述的压控电流源21的一种具体电路结构：滑动变阻器W4的一端接电源VCC，另一端接地，滑线端接运放U4A的同相输入端，运放U4A的反相输入端和输出端之间接电阻R14，且输出端接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接运放U5A的反相输入端，运放U5A的反相输入端和输出端之间接电阻R16，且输出端接电阻R17的一端，电阻R17的另一端接运放U5B的反相输入端，还接电阻R18的一端，电阻R18的另一端作为压控电流源21的Vout端，运放U5B的反相输入端和输出端相接，还和电阻R20的一端相接，电阻R20的另一端接运放U5A的同相输入端，还接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接地。

Claims (4)

1.一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器，结构有信号源(1)、第一光隔离器(2)、第一耦合器(3)、第一波分复用器(4)、第一掺铒光纤(5)、第二波分复用器(6)、第二光隔离器(7)、增益平坦滤波器(8)、第二耦合器(9)、第二掺铒光纤(10)、第三光隔离器(11)、第一分光器(12)和泵浦模块(22)构成的基本放大光路；其特征在于，结构还有三端口第一环形器(13)的①端与第一分光器(12)的99％输出端相连，②端与光纤环形镜(14)的反射端相连，③端双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器的总输出端，光纤环形镜(14)的透射端与三端口第二环形器(15)的①端相连，三端口第二环形器(15)的②端与光栅(16)的一端相连，③端与第四光隔离器(17)的输入端相连，第四光隔离器(17)的输出端与光衰减器(18)的输入端相连，光衰减器(18)的输出端与第一耦合器(3)的第一输入端相连；光电转换器(19)的光输入端与第一分光器(12)的1％输出端相连，电输出端与PID控制电路(20)的Vpd端相连，压控电流源(21)的Vout端与PID控制电路(20)的Vref端相连，PID控制电路(20)的Vpump端与泵浦模块(22)的激光器正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器，其特征在于，所述的光纤环形镜(14)的结构为：保偏光纤F1的一端与2×2分束器的Ⅲ端相连，保偏光纤F1的另一端与三环形偏振控制器PC1的一端相连，三环形偏振控制器PC1的另一端与2×2分束器的Ⅳ端相连，2×2分束器的Ⅰ端作为光纤环形镜(14)的反射端，Ⅱ端作为光纤环形镜(14)的透射端，其中Ⅰ端和Ⅱ端为2×2分束器的输入端，Ⅲ端和Ⅳ端为2×2分束器的输出端；所述的保偏光纤F1的型号为NufernPM1550-HP，长度为0.5米，拍长3.9mm；所述的2×2分束器是一个分光比为50:50的3dB耦合器。
3.根据权利要求1所述的一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器，其特征在于，所述的PID控制电路(20)的结构为：电阻R2的一端、电阻R6的一端和电容C3的一端接在一起，并作为PID控制电路(20)的Vpd端；电阻R3的一端、电阻R7的一端和电阻R12的一端接在一起，并作为PID控制电路(20)的Vref端；电阻R2的另一端接运放U1A的反相输入端，并与电阻R1的一端相接，电阻R1的另一端接滑动变阻器W1的一端，滑动变阻器W1的滑线端接运放U1A的输出端，并与电阻R4的一端相接，电阻R3的另一端接运放U1A的同相输入端；电阻R6的另一端接滑动变阻器W2的一端，滑动变阻器W2的滑线端接运放U2A的反相输入端，电阻R7的另一端接运放U2A的同相输入端，运放U2A反相端和输出端之间接电容C1，输出端还接电阻R8的一端；电容C3的另一端接运放U2B的反相输入端，电阻R12的另一端接运放U2B的同相输入端，运放U2B的反相输入端接电阻R10的一端和电容C2的一端，电阻R10的另一端接滑动变阻器W3的一端，滑动变阻器W3的滑线端和电容C2的另一端接运放U2B的输出端，还接电阻R9的一端；电阻R4的另一端、电阻R8的另一端和电阻R9的另一端共同接运放U3A的反相输入端，电阻R11的一端接运放U3A的同相输入端，另一端接电阻R13的一端，还接PID控制电路(20)的Vref端，电阻R13的另一端接地；运放U3A的反相输入端和输出端之间接电阻R5，且输出端作为PID控制电路(20)的Vpump端。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种双环反馈增益平坦掺铒光纤放大器，其特征在于，所述的压控电流源(21)的结构为：滑动变阻器W4的一端接电源VCC，另一端接地，滑线端接运放U4A的同相输入端，运放U4A的反相输入端和输出端之间接电阻R14，且输出端接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接运放U5A的反相输入端，运放U5A的反相输入端和输出端之间接电阻R16，且输出端接电阻R17的一端，电阻R17的另一端接运放U5B的反相输入端，还接电阻R18的一端，电阻R18的另一端作为压控电流源(21)的Vout端，运放U5B的反相输入端和输出端相接，还和电阻R20的一端相接，电阻R20的另一端接运放U5A的同相输入端，还接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接地。
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