CN1057721A - 光纤传输线路中放大光的信号元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一条包含有源光纤(10)光放大器(5、 6)的光纤通信线路。向放大器有源光纤的反射率被 限制在关键值以下，比线路光纤内的瑞利散射的反射 率低至少10B；这个反射值是通过在放大器(6)的入 纤端和出纤端放上其内部反射受到限制的光隔离器 (11a、11b)以及给所有汇聚于放大器的有源光纤 (10)的光纤(12)装上反射限制装置而获得的。

Description

本发明涉及一种光纤通信线路，它装有有源光纤光放大器，其朝放大器的反射低于预定值。

众所周知，具有掺杂纤芯（采用诸如稀土离子类的特殊物质进行掺杂）的光纤具有受激发射性能，适合用作民用电话光纤通信线路中的光纤放大器。

这种放大器可参见同案申请人的欧洲专利申请No  90112920.5。

光纤放大器，也可称为有源光纤光放大器，它在把其间的光传输信号放大时，保持信号的光形式，而不需要将其经过接收或转换为另一形式（如电子形式）、然后把这种形式的信号放大、再转换为光形式这一过程;光纤放大器中的放大元件由具有指定长度的上述类型的光纤组成，串联于两段光纤线路之间，装有相应的馈给装置以馈给光泵浦信号。

这种放大器用于通信线路具有特殊的优点：把它用作线路放大器，可获得高增益，而且可通过适当地选择有源光纤长度和/或掺杂成份使这种增益达到期望值;或者把它用作功率放大器，可获得高放大效率。

对放大器特别危险的是在光纤自身端点处产生的信号反射。

从日本专利52-155901和63-219186以及1988年元月7日出版的《电子通讯》卷24，第一期第36-38页上可知，在激光或半导体放大器中，放大器端点处的反射可引起不稳定和振荡。

在上述专利和文章中，一般都建议在半导体激光器上耦合一个光隔离器以消除这种反射。这种光隔离器防止由光纤线路与器件之间的耦合表面所反射的光传到激光器自身上去。

在有源光纤放大器中，光纤线路和放大器之间没有界面，因为光纤线路是直接焊在放大器的有源光纤上的。因此，一般不会出现反射现象。

但是我们发现，在有源光纤放大器中，如果没有任何限制向有源光纤反射的装置，光纤线路自身中直接信号与反射信号间的拍频所引起的干涉型噪声将全部传向有源光纤，因而不可能获得高放大增益。干涉噪声的出现对具有低增益和小体积的半导体放大器不太重要;而对能够达到很高增益和具有显著长度（几十米，大大长于信号生成激光器的相干长度）的有源光纤的光放大器来说，干涉噪声就显得特别重要了。

有源纤芯光纤放大器出现的这个问题要求我们保护有源光纤不受噪声干挠并且保持每种向有源光纤的反射低于临界值，使其在维持高放大增益值的同时，不损害传输质量。

上述欧洲专利申请No90112920.5建议在光纤光放大器中加进光隔离器，所述隔离器的反射值低于临界值。

本发明的目的在于提供一条包含有源光纤光放大器的光纤通信线路，这种放大器克服了所有由反射引起的缺陷。它可根据欧洲专利申请No90112920.5指出的更关键参数，为所期望的放大器增益选择最适宜的光隔离特性。

本发明的目的是一条不经过再生即可把光传输信号从线路的一端传到另一端的光纤通信线路。沿着这条线路至少有一个包含具有掺杂（荧光物质掺杂）纤芯线的有源光纤段的光纤放大器，其特征为所有与放大器的有源光纤相连接或属于每个光放大器的光纤都装有反射限制装置。这个装置的反射率（从面向有源光纤的端面看）比对应于光纤中传输波长的瑞利散射的反射率至少低10dB。

更好地，这个反射限制装置使得汇聚于有源光纤的光纤反射率与对应于光纤中传输波长的瑞利散射的反射率相等或比之低15dB。

根据一个特殊实例，更重要地，为了获得高放大增益，所有与放大器的有源光纤相连接或属于每个放大器的光纤都装有反射限制装置。从面向有源光纤的端面看，这个装置的反射率绝对值比期望放大增益至少高10dB。更好地，高15dB。

反射限制装置由位于放大器的有源光纤的入纤和出纤的偏振控制光隔离器组成。

这种光隔离器对传输信号的偏振不敏感。

与放大器的有源光纤相连的光纤（无光隔离器）镀有增透膜和/或对传输信号所经过表面进行斜切，所产生的反射率比对应于光纤中传输信号波长的瑞利散射的反射率低至少10dB，更好地，低至少15dB;或者反射率的绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地，高至少15dB。

本发明的另一目的是用于有源光纤类型的光纤通信线路的光放大器，它由一条具有荧光物质掺杂纤芯的有源光纤组成，其端点通过各自的耦合器把通信线路的光纤接到有源光纤上，至少还有一条光纤与光泵浦信号源相连。光放大器的特征为，所有连于有源光纤的光纤都呈现出反射限制装置产生的反射率（从面向有源光纤的端面看）对应于光纤中传输波长瑞利散射的反射率低至少10dB，更好地，低至少15dB;或者，反射率的绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地，高至少15dB。

在上述放大器中，反射限制装置由位于有源光纤入纤和出纤的偏振控制光隔离器组成;这种光隔离器对偏振不敏感。

每个光隔离器向有源光纤的反射率比光纤中传输信号波长的瑞利散射的反射率低10dB，更好地，低15dB;可反射率的绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地，高至少15dB。

与光泵浦源相连的光纤没有光隔离器，并且在其与所述泵浦源相连端面处镀有增透膜和/或对传输信号所经过表面进行的斜切组成的反射限制装置，所述反射限制装置提供的反射率比瑞利散射的反射率低10dB，更好地，低15dB;或反射率的绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地，高至少15dB。传输信号和经过耦合器的反射信号的通路衰减都包括在其中。

对与泵浦信号源相连的光纤端面被斜切成与垂直于光线轴的平面成5°到10°的角。

与光泵浦信号源相连的光纤通过一分色耦合器与有源光纤相连。在有源光纤与线路光纤之间、有源光纤的一端处以及线路光纤与靠近有源光纤的光耦合器之间、有源光纤本身的另一端均放置光隔离器;与光泵浦信号源相连的光纤通过一个分色耦合器与有源光纤相连，在有源光纤与分色耦合器之间放置一个光隔离器。

在功率放大器的情形里，功率传输信号比放大器的饱和功率要高。放大器紧靠着装有相应保护光隔离的传输信号发射激光器并与之相连;只在有源光纤的出纤端（沿传输信号的传输方向）装了一个光隔离器。

根据以下参见附图对本发明所作描述，可以更清楚地了解本发明细节。

-图1是具有线路和功率放大器的光纤通信线路图;

-图2是根据本发明优选实例的有源光纤光线路放大器的结构图;

-图3是根据本发明另一实例的有源光纤光线路放大器的结构图;

-图4是根据本发明的有源光纤光功率放大器的结构图。

如图1所示，光纤通信线路一般由相隔很远的（如几百或几千公里）发射站1和接收站2组成;在两站之间有光纤3，它具有合适的传输特性。通过光纤3，信号从一站传到另一站。

为了覆盖站1到站2间的有效总距离，很有必要首先发射一个有足够功率的信号，然后再补偿沿光纤的信号衰减;因此发射站包括一个用来输入线路中信号的功率放大器5，紧接在产生传输光信号的激光器4之后;功率放大器5的信号功率比激光器4所能达到或较易生成的信号功率高;另外，在一定长度的光纤后（例如几百公里），出现了第一个线路放大器6a，一般如图所示，它用来把信号恢复到足够高的水平;接下来又是光纤段和相应的放大器6b，6c等等，如此下去直到整段指定距离被覆盖。

放大器5，6简单地由光放大器组成;这种放大器特别适合所述应用，因为此时的信号能保持其光形式，而有需要检测信号。转换成电子形式、处理和放大、又转换成光形式以便继续通过线路传输等过程。

实际上这些过程限制了线路的能力，特别是传输速度，它受到了所用电子器件处理速度的限制。

相反，在全放大器中，信号永远保持光形式，因而传输速度等不受限制。

此处，采用有源纤芯光纤的光放大器特别方便。

实际上，这种放大器有特别好的性能，能获得好的增益和效率。

图2图示了一个光纤光放大器的结构;必须放大的传输信号以λs的波长在线路光纤3中传输，光纤3与分色耦合器7相连，其间的传输信号在一条单输出光纤8上与泵浦激光器9生成的波长为λp的泵浦信号合成;与从耦合器伸出的光纤8相连的有源光纤10构成信号放大元件，然后再次引入线路光纤3，从而继续伸向目的地。

为了使有源光纤10形成这个组件的放大元件，采用了一条具有荧光物质掺杂纤芯的光纤，这种掺杂物在波长为λp的泵浦光出现时，能生成一个与传输波长为λs的信号相干的受激了射信号，使得输出信号相对输入信号来说被放大了很多。

人们知道，在任何放大器里，增益G与在其端点处测量的反射率R₁和R₂有关，其关系为：

G（dB）∠-1/2〔R₁（dB）+R₂（dB）〕

其中反射率R₁，R₂被定义为：

R（dB）＝10ln（P₁/Pt）

其中Pt是传输功率，而Pt是反射功率。

上式大体上意指，放大器高增益的获取为放大器本身端点处的反射特性所限，或者换句话说，为了获得高放大增益，有必要获得高反射率R₁和R₂。

实际上，如果放大器中出现的光信号的一部分被反射回它的端点，则所述部分光被放大了，然后在相反端点处再部分反射并再一次进入放大器，这个周期被重复好几次;当所述反射和放大值总的变成很高时，很可能出现放大器不能正确工作的振荡情形，因而必须限制最大增益值以避免发生这种现象。

除这种现象以外，传输信号本身被放大器出纤的反射元件（如线路光纤自身）反射回放大器，所述反射被再次放大，然后又被位于放大器出纤的反射元件反射，这就导致出直接信号与反射信号间的拍频现象，称为干涉噪声。

在具有一段放大元件（即光纤）的有源光纤放大器的情形里，干涉噪声变得格外重要。这段光纤（放大元件）的长度比对应于激光器生成信号相干时间的长度要长;在这种情况下，实际上失去了直接信号和反射信号间的相干，反射信号成为直接信号的补偿，并且如果反射信号足够强，将对传输质量有害。

反射之所以能在放大器中发生是因为在其端点的界面处发生了众所周知的折射现象。但是在没有这种界面时，如在光纤放大器的情形里，也出现了反射。在这种情形里，放大元件由直接焊在耦合器7和线路光纤上的有源光纤10组成，正是由于放大器入纤和出纤线路光纤内部的散射（称为“瑞利散射”）产生了光功率反射。

事实上，整段光纤都会发行瑞利散射，它的反射率大约为-30dB。

由于称之为“布里渊散射”的现象，在传输强光功率信号时，还会产生其它形式的反射。

根据本发明，可通过在放大光纤的入纤端和出纤端放置光隔离器11来消除由于上述反射现象而对线路放大器可获得的最大增益采取限制;具体地，光隔离器11a放在耦合器7的纤端，紧挨着线路光纤3之后，而光隔离器11b放在下段线路光纤3之前的光纤10的出纤端。

光隔离器是用来允许光单向通过的器件;对本发明来说，要求光隔离器独立于传输信号的偏振;其隔离度至少大于20dB;它具有较低的反射率，其反射率比无限长光纤中瑞利散射的反射率低至少10dB，最好比上述值低至少15dB。

实际上，已经发现了具有上述特性的隔离器，它确保放大器的有源元件（即掺杂光纤）能够在与原来完全不同的环境下工作。在原来的环境里，当达到光纤放大器通常可达到的放大增益时（大约为30dB），就可能出现上述各种性质的反射所造成的噪声。这里所增益值大体上对应于无限长光纤中瑞利散射所给反射率的绝对值。

为了获得较高增益，需要相应低的反射值。根据本发明，这个反射率的绝对值在任何情况下都必须比期望放大值高至少10dB，最好高至少15dB。

上文的意思是，例如，为了达到40dB的增益，要求每条与有源光纤相连光纤的朝有源光纤传输波长的反射率至少低于-50dB，最好低于-55dB。

采用已知办法可获得隔离器的前述反射率特性，多层镀膜、偏离信号本身的传播方向的传输信号经过的表面等;这些方法同行皆知，因而不必进一步描述了。

此外，为了避免反射带来的噪声，根据本发明，把光泵浦功率传到耦合器7从而到有源光纤10的光纤12，其向有源光纤的反射也必须受到限制;事实上，传回耦合器7的部分传输波长光功率被送进光纤12，因为通常用于两个被耦合分路目的的耦合器，在耦合器打算耦合的两个波长之间具有一个非绝对分离;由于这种非绝对分离，截有泵浦功率的耦合器分路上耦合了不可忽略百分率（如几个百分数）的传输波长的光功率。

如果在光纤12与泵浦激光器9光连接的端点处，这部分传输波长光受到反射，它将经耦合器7被再次送到有源光纤内，因而它也是造成上述生成干涉噪声现象的原因之一。

因此对光纤12，要求其反射值比对应于无限长光纤中瑞利散射的反射值低10dB，最好15dB;比耦合泵浦分路中传输波长的光路所引起的衰减值小两倍。

换句话说，要求在有源光纤10与光纤8相连的端点处，汇聚其上任何光纤的反射率整体上比对应于无限光纤中的瑞利散射的反射率低至少10dB，最好15dB（或者，相应地反射率绝对值比期望增益高）;同样，在光纤10另一端的反射率也必须受到限制。

可通过同行皆知的方法获得光纤12的前述反射特性，如多层镀膜或斜切表面;特别是光纤12与激光器9耦合的端面点13最好以5°-10°的角度斜切，其反射率低于-15dB，加上每条经耦合器7的光路衰减，例如-20dB，确保从光纤10端点处看其整体反射率为-55dB，比瑞利散射所给反射率（大约-30dB）低大约15dB。

也可通过在耦合器7的出纤端紧接有源光纤之前放置光隔离器11a来消除光纤12的反射现象，如图3所示;这种做法仍允许在光纤12的端点处应用上述抗反射方法，知识在加入隔离器后，产生的泵浦功率损耗对放大器良性工作无害的情况下才采取这种做法。

在发射激光器4的出口直接连上功率放大器，馈给放大器的输入信号具有高电平（比所谓的“饱和”电平还高），超过这个电平，放大器的输出传输信号功率只取决于馈给的泵浦功率;放大器发射高光功率（如高于4dBm）信号。在这种情况下，除了前述现象外，布里渊散射造成的反射将产生噪声效应。此时，来自放大器允许进入光线路光纤的光功率激励光纤原子的振动，这种振动反过来导致反射信号的生成，这种反射信号的波长比直接信号波长略短一点。

这种反射信号和直接传输信号一起产生拍频，因而是前述现象以外的又一种产生损害传输质量噪声的原因。

在一条通信线路中，如图1所示，信号发射组件（图中14所示）把光隔离器15提前到紧接在激光器4之后。这个光隔离器保护激光器不受可能损害其结构反射的影响;因此根据本发明，与组件14邻近的放大器5不用考虑在其输入端放置光隔离器11a，因为在这种情况下，消除放大器向有源光纤的反射的工作可以委托已经存在的光隔离器15。

从图上来看，图4中功率放大器的其余部分和前述线路放大器相似，因而标上同样的数字。

作为例子，根据图1所示框图的一条通信线路已经完成。发射激光器采用了具有1535nm发射波长的传统型直接调制的DFB激光器;接收站2包括现有的Pin/HEMT接收器，后面装有宽频放大器（未示出）。

线路3由低衰减位移色散光纤组成，这种光纤靠近所用传输波长具有零色散，整个线路长300km，其对应的衰减值为60dB。

线路包含两个线路放大器6和一个功率放大器5;这些放大器是有源光纤放大器，由用锗和铒掺杂的有源硅基光纤10组成，用由倍频和泵浦二极管的小型Nd-YAG激光器组成的激光器9来泵浦;线路放大器的结构如图2所示，功率放大器的结构如图4所示。

每个线路放大器的总增益为20dB。功率放大器的饱和功率为9dBm，输入功率为0dBm。

光隔离器11是偏振控制隔离器，不依赖传输信号的偏振，其隔离度大于35dB，反射率低于-50dB;这种隔离器可从商店买到，因而不再进一步描述其结构了。

与泵浦激光器相连的光纤12端面13被斜切成5°角。

用这种结构获得的传输，其接收功率为-20dB，并具有相当于-40dB的噪声。

用上述同样的试验结构完成一次传输作为比较，其中应用了可在商店购买到的光隔离器11，它的反射率为-30dB（对应于光纤中瑞利散射导致的反射率，用来避免在增益大于30dB的情况下出现的振荡）;在这种条件里，尽管没有出现振荡，但是还是能够发现有-30dBm强度的噪声，足够妨碍传输的准确接收。这种噪声被认为是由于有源光纤放大器内的瑞利散射和布里渊散射导致的干涉噪声效应所引起的。

如图所示的光耦合器7是熔融光纤耦合器，用它来完成有源光纤放大器特别方便;但是，也可用其它类型的光耦合器，如微光学中所用类型的光耦合器;对耦合器，特别是非熔融型的耦合器，也要求其反射率比瑞利散射所给反射率低至少10dB，或要求其反射率的绝对值比放大器想要获得的放大增益高。

在不违背本发明概念范围的情况下，可就它的一般特性得出许多变形和修改。

Claims (20)

1、一条光纤通信线路，其中光传输信号可从线路的一端传到另一端，而不用经过再生成。沿着这条线路，至少有一个由具有掺杂纤芯(用荧光物质掺杂)的有源光纤段10组成的光纤光放大器(6a、6b、6c)，其特征为，所有与放大器的有源光纤(10)相连或属于每个放大器(6a、6b、6c)的光纤具有反射限制装置。从面向有源光纤的端面处看，这个装置的反射率比对应于光纤中传输波长的瑞利散射的反射率低至少10dB。

2、根据权利要求1的光纤通信线路，其特征为，反射限制装置使会聚于有源光纤（10）的光纤的反射率与对应于光纤中传输波长的瑞利散射的反射率相等或比之低15dB。

3、根据权利要求1的光纤通信线路，其特征为，所有与放大器的有源光纤相连或属于每个放大器（6a、6b、6c）的光纤都装有反射限制装置，从面向有源光纤的端面看，这个装置的反射率绝对值比期望放大增益高至少10dB或更好地高至少15dB。

4、根据权利要求1或3的光纤通信线路，其特征为，反射限制装置包括偏振控制光隔离器（11a、11b），位于放大器（6）有源光纤（10）的入纤端和出纤端。

5、根据权利要求4的光纤通信线路，其特征为，光隔离器（11a、11b）对传输信号的偏振不敏感。

6、根据权利要求1的光纤通信线路，其特征为，没有光隔离器，与放大器有源光纤相连的光纤镀有增透膜和/或对其传输信号经过的表面进行斜切，使得传输信号波长的反射率比对应于光纤中传输波长的瑞利散射的反射率低至少10dB，更好地低至少15dB。

7、根据权利要求3的光纤通信线路，其特征为，没有光隔离器，与放大器（6）的有源光纤（10）相连的光纤镀有增透膜和/或对其传输信号经过的表面（13）进行斜切，使得传输信号波长的反射率绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地高至少15dB。

8、一个光纤通信线路的有源光纤型光放大器包括具有掺杂纤芯（用荧光物质掺杂）的有源光纤（10），其端点与一条光纤通信线路和光纤相连：经过相应的耦合装置7，有源光纤（10）还至少与一条和光泵浦信号源（9）相连的光纤12相连，其特征为，所有与有源光纤（10）相连的光纤都呈现反射限制装置引起的反射率的反射率低至少10dB。

9、根据权利要求8的光放大器，其特征为，反射限制装置使得汇聚于有源光纤（10）的光纤反射率比光纤中瑞利散射引起的反射率低至少15dB。

10、根据权利要求8的光放大器，其特征为，所有与有源光纤（10）相连的光纤都有反射限制装置。从面向有源光纤的端面看，此装置的反射率绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地，高15dB。

11、根据权利要求8的光放大器，其特征为，反射限制装置包括位于有源光纤（10）的入纤和出纤端的偏振控制光隔离器（11a、11b）。

12、根据权利要求8的光放大器，其特征为，光隔离器（11a、11b）对传输信号偏振不敏感。

13、根据权利要求11的光放大器，其特征为，每个光隔离器（11a、11b）向有源光纤的传输信号波长的反射率比线路光纤中瑞利散射所给反射率低10dB，更好地，低15dB。

14、根据权利要求11的光放大器，其特征为，每个光隔离器（11a、11b）向有源光纤的传输信号波长的反射率绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地高至少15dB。

15、根据权利要求8的光放大器，其特征为，与光泵浦源（9）相连的光纤（12）在其与所述源（9）相连的端点处没有光隔离器，所装备的反射限制装置包括镀增透膜和/或对传输信号所经表面进行斜切，所述反射限制方法提供的反射率比瑞利散射造成的反射率低10dB，更好地低15dB，由于传输信号和反射信号经过耦合装置所产生的衰减都包括在其中。

16、根据权利要求15的光放大器，其特征为，与光泵浦源（9）相连的光纤（12）不装光隔离器，与所述源（9）相连的光纤端面提供含有增透镀膜的和/或对传输信号所经表面的斜切口的反射限制装置，所述反射限制装置提供的反射率绝对值比期望放大增益高至少10dB，更好地高至少15dB，由于传输信号和反射信号通过耦合装置产生的衰减被包括在内。

17、根据权利要求15的光放大器，其特征为，对光纤12与泵浦源（9）相连的端点（13）进行斜切，斜切表面与垂直于光纤轴的平面成5°到10°角。

18、根据权利要求15的光放大器，其特征为，与光泵浦信号源（9）相连的光纤12经过分色耦合器7与有源光纤（10）相连，光隔离器（11a、11b）放在有源光纤（10）和光线路光纤（3）之间（位圩有源光纤（10）的一端），以及位于线路光纤3与紧接着有源光纤（10）的光耦合器（7）之间（位于有源光纤（10）的另一端）。

19、根据权利要求15的光放大器，其特征为，与光泵浦信号源（9）相连的光纤12经过分色耦合器（7）与有源光纤（10）相连，在有源光纤（10）和分色耦合器（7）之间放了一个光隔离器（11a）。

20、根据权利要求8的光放大器，其特征为，功率放大器（5）采用比放大器的饱和功率高的功率传输信号，并与装有相应保护光隔离器（15）的传输信号发射激光器4相连，并与之相邻在这种情形里，只在有源光纤（10）的出纤端（沿传输信号的传输方向）有光隔离器（11b）。

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