CN107430311A - 一种光放大器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通讯领域，公开了一种光放大器模块。包括一个光纤放大器装置，一个多级光放大器模块耦合到所述光纤放大器装置，所述多级光放大器模块至少包括一个输入级和一个输出级，输入级用于响应输入的光信号，所述输出级用于提供放大光输出信号，所述多级光放大器布置在一个壳体内，所述壳体包括光输入端、光输出端、电输入端、电输出端，所述放大器模块通过每一级的支持，通过分立光器件实现对自由空间光束传输的输入光信号，放大光光信号，放大后的光信号进行必要的信号处理。所述放大器模块还包括一个系列的分立光器来与自由空间光束交互以提供放大后的光输出信号。本发明的有益效果为成本低，尺寸小，为自动化制程提供了基础。

Description

一种光放大器模块

技术领域

本发明涉及光通讯领域，尤其涉及一种光放大器模块。

背景技术

各种各样的光放大器，如掺铒光纤放大器（EDFAs）和分布式拉曼放大器（DRAs）是在光通信系统中普遍使用的器件， 在放大一个衰减的光信号的同时实现光-电-光信号的转换。

在EDFAs的情况下，一个泵浦激光（典型工作波长980nm）耦合到一段掺铒光纤中，在掺铒光纤中，输入光信号和泵浦激光一起传播。泵浦光和掺杂铒离子通过光-激发铒离子的能级跃迁实现了传输的光信号的放大。除了泵浦源和掺杂光纤（以及用于输入信号和泵浦光到光纤中的光耦合器），传统的光放大器模块还包含一个用来把信号和泵浦光传输入光纤的滤波器器件（典型代表是WDM器件）。在输入信号通道中，需要使用一个光隔离器来使输入光信号不被反射光干扰。光放大器的输出光路也需要隔离，以防止高功率光输出信号被反射回掺铒光纤中。

光增益在整个光谱波段内可能会不同，这样会导致在放大光纤中产生的增益在不同的波长上不均匀。为了改善输入光在不同的波长增益的一致性，增益平坦滤波器可能会应用到光路中用来接收从掺杂光纤中输出的放大信号。

在一些特定的系统应用中，可能需要监控光放大器的输入和输出信号，以此实现光放大器性能的闭环控制。另一个可能需要用到的器件是可调谐光衰减器，用于衰减放大后的信号来控制输出信号的功率。光放大器中还可能用到可调谐光滤波器，来降低宽频光噪声（放大的自发辐射，或ASE），这个ASE是在到放大器输出的掺杂光纤中放大光信号的过程中产生的。虽然分布式拉曼放大器（DRA）不需要使用稀土元素掺杂光纤来实现增益，拉曼放大过程仍需要耦合一个额外的光束（脉冲）到光纤中，并使用后置放大技术来提高放大的光信号的质量。

典型的光放大器模块的各种组件是由光纤-耦合元素制成，在一些情况下，是以整合（或混合）形式制成，比如，隔离器和WDM滤波器的组合，或隔离器和GFF滤波器的组合。当然，更低成本和更小尺寸的模块降低了整个系统的成本。因此，使用更小的器件，更混合和更小的模块的趋势已经流行一段时间。事实上，工业上一直存在更小形式和更低成本的需求的压力。

减轻这种需求的一种方式是持续的减小各种器件的尺寸，或者，提高集成度。但是在考虑到光放大器成本的同时，这并不容易实现。事实上，这些器件的尺寸已经小到使用传统工业技术很难进行组装的程度，比如，组装线操作员进行人工包装（使用千分尺）。事实上，随着集成度的提高和器件尺寸的减小（举例说明，一些器件的尺寸已经小到1mm x 1mmx 1mm）, 已经很难实现一个重复性高且成品率高的组装工艺流程。此外，与电子集成电路相比，如光放大器之类的模块也需要对齐耦合光束和熔接很多熔接点。所有这些问题增加了另一层面的问题，也就是生产效率和最终产品的完整性（和成本）。

此外，即使光放大器模块尺寸减小了，比如通过增加混合器件的集成度，不同的混合器件必须通过熔接点和光纤盘线来实现耦合。光纤熔接本身需要使用熔接保护套管，这样会进一步增加组装件的尺寸（和模块劳动密集型组装）。这些光纤也需要在各种不同的器件间盘线，这可能会引入其它元素来配合这些光纤的放置和走线（对于减小模块的整体尺寸以使符合小型化器件的要求是进一步损失）。由于光纤的最小弯曲半径（比如：更小的弯曲半径会增加光信号损耗和光纤物理失效）、相对大数量的光纤熔接点和熔接保护套管的结果， 更进一步集成化现有的配置很快会达到技术极限，尺寸极限和实现的经济可能性。

因此，在维持性能要求的同时，光放大器模块继续达到成本和尺寸减少的期望，需要一种使用一种不同的方式来配置光放大器模块。

发明内容

本发明的目的在于解决先前技术中的关于光放大器模块的需求，尤其是应用自由空间光元件来替代先前技术中光纤器件（包含复合结构）来最小化模块的尺寸和成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种光放大器模块，其特征在于所述放大器模块给一个在传输信号通路中传播的光信号提供以光纤为基础的放大，所述放大器模块包括一个光纤放大器装置，一个多级光放大器模块耦合到所述光纤放大器装置，所述多级光放大器模块包括一个输入级用于响应装置来响应输入的光信号，一个输出级用于提供放大光输出信号，所述多级光放大器布置在一个壳体内，所述壳体包括光输入端、光输出端、电输入端、电输出端，所述放大器模块通过每一级的支持，实现输入光信号、放大光以及放大后的光信号作为自由空间光束的传输，所述放大器模块还包括多个分立光器件来与自由空间光束交互以提供放大后的光输出信号。

进一步的，所述多级放大器模块的输入级用于响应输入光信号和放大光，光信号与泵浦光以自由空间光束的形态在输入级内传输，并经过输入级内中的一系列的分立光器件被合并到一个共同传输的公共光路从所述壳体输出，然后作为光纤放大器装置的输入。

进一步的，所述光放大器模块还包括一个布置在所述多级光放大器模块的输入级与输出级之间的后置放大器，用于响应经所述光纤放大器装置放大的光信号，所述后置放大器包含一个用于对放大后光信号的自由空间光束滤波的分立光滤波器器件，所述多级光放大器模块的输出级响应一个从所述后置放大器输入的已滤波，放大的光输出信号，并支持所述已滤波，已放大的光输出信号以自由空间光束的形式传播，所述多级放大器模块的输出级包含一系列的分立光器件，所述一系列分立器件包含一个光耦合器和一个监控光电二极管，传播的已滤波，放大的自由空间光束进入所述光耦合器，分流一小部分自由光束到所述光电二极管中，剩余的自由空间光束通过输出信号通路离开所述壳体。

进一步的，所述多级光放大器模块的输入级的分立光器件包含第一光学透镜布置在壳体第一个侧壁的入射口，所述第一光学透镜用于接收入射光信号并聚焦成一束准直的自由空间光束，还包含第一旋转镜，用于接收从所述第一光学透镜出射的准直自由光束并把这束自由空间光束转向，还包含一个光学隔离器布置来隔离反向的自由空间光束，还包含第二旋转镜，用于接收转向的自由空间光束并把准直的自由空间光束转向到所述壳体的光输出口，还包含第二个光学透镜布置在所述输入级的出口和第二旋转镜之间，所述第二个透镜用于把准直自由空间光束聚焦到输出信道，其中对2个旋转镜可以进行角向的调整来实现所述输入级的输入和输出之间的插损最小化。

进一步的，所述多级光放大器模块输入级的分立光器件还包含一个双光纤准直器，所述双光纤准直器的第一通道用于入射泵浦光的传输，第二通道用于传输同时传播的输入光信号和放大光，把同时传播的输入光信号和泵浦光输入到所述光纤放大器装置，一个分立的波分复用元素布置在所述第二旋转镜和第二光学透镜之间，所述分立的波分复用元素接收入射的自由空间泵浦光束和反射的自由空间放大光到所述第二光学透镜，其后泵浦光束与入射光信号一同耦合到所述第二通道。

进一步的，所述多级光放大器模块输入级的分立光器件还包含一个分立的激光二级管泵浦源，所述分立的激光二极管泵浦源包含电触头耦合到所述壳体的一个电输入端和一个电输出端，所述分立的激光二级管泵浦源被放置在所述输入级内，用于导向一个自由空间泵浦光束通过第二旋转镜到第二光学透镜，与自由空间输入光信号结合来生成共同传播的光束作为输入级的输出。

进一步的，所述光放大器模块是基于在掺杂稀土元素的光纤中的光放大和使用一个泵浦源作为放大光，提供一个泵浦特定波长的泵浦光与稀土掺杂来产生光增益。

进一步的，所述光放大器模块还包含一个分布式拉曼放大器，放大光光源包含一个高功率的脉冲源，来注入一个高能量的光脉冲沿入射光传输通道传播。

进一步的，所述光放大器模块还包含一个分布式拉曼放大器，用于注入高能量的光脉冲到光纤放大器装置的一段光纤中。

进一步的，所述分立光器件布置在所述多级放大器模块的后置放大器中，所述分立光器件包含第一光学透镜布置在壳体的光输入端，用于接收入射光信号并聚焦成一束准直的自由空间光束，还包含第一旋转镜用于接收从所述第一光学透镜出射的准直并放大的自由光束并把这束准直并放大的自由空间光束转向，还包含一个光学隔离器布置来截止重定向的自由空间光束，还包含一个增益波波器布置在所述光隔离器的输出端，所述增益滤波器包含薄膜离散滤波器元素用于修正准直并放大的自由空间光束的增益谱形。

进一步的，所述增益滤波器包含一个增益平坦滤波器，生成一个在波长光谱内均匀的增益谱形的准直并放大的光束。

进一步的，所述多级光放大器模块后置放大器级的分立光器件包含一个光耦合器和一个监控光电二极管，所述光耦合器作为从增益滤波器输出的增益修正后的自由空间光束的输入, 并使用其中一部分增益修正后的自由空间光束转向到所述监控光电二极管，这转向到监控光电二极管的部分光束并用于调整增益滤波器的方向从而达到需要的增益谱形。

进一步的，所述多级光放大器模块还包含一个信号调节级被布置在所述输入级和输出级之间，所述信号调节级支持自由空间光束的传输且包含修正至少一个输出的光学性能的分立光器件。

进一步的，所述信号调节级配置成可以调节输出的放大光信号的功率大小。

进一步的，所述信号调节级被配置成可以对输出的放大光信号进行噪声过滤。

进一步的，所述光纤放大器装置包含一段稀土元素掺杂的光纤，所述光纤并耦合到一个输入级的光输出和一个输出级的光输入之间。

进一步的，所述稀土元素掺杂光纤包含铒纤，且所述输入级包含一个工作波长980纳米的泵浦源。

进一步的，所述分立的激光二极管工作在一个泵浦波长，并布置在壳体中作为多级光放大器模块输入级的分立光器件。

进一步的，所述光纤放大器是一个分布式拉曼放大器，包含一个放大光光源，所述光源注入高功率拉曼脉冲到输入传输通路中。

进一步的，所述光纤放大器装置是一个分布式拉曼放大器，包含一个放大光光源，所述光源注入高功率拉曼脉冲到所述光纤放大器装置中的一段单模光纤中。

进一步的，所述光纤放大器装置包含一个掺杂光纤放大器和一个分布式拉曼放大器。

一种多级光放大器模块，其特征在于包含一个输入级，用于处理输入光信号，还包含一个放大装置耦合到所述输入级，用于放大输入的光信号，还包含一个输出级耦合到所述放大装置的输出端，用于输出一个放大的信号作为多级光放大器的输出，所述多级光放大器布置在一个壳体内，所述壳体包括光输入端、光输出端、电输入端、电输出端，所述放大器模块通过每一级的支持，实现输入光信号、放大光以及放大后的光信号作为自由空间光束的传输，所述多级光放大器模块还包含一系列的分立光器件与自由空间光束相互作用并提供放大后的光输出信号。

进一步的，所述放大器装置包含一个以光纤为基础的放大装置。

进一步的，所述以光纤为基础的放大装置包含一个泵浦光源和一段稀土元素掺杂的光纤。

进一步的，所述以光纤为基础的放大装置包含一个高功率脉冲源和一段光纤。

进一步的，所述放大装置包含一个半导体光放大器。

本发明的有益效果为成本低，尺寸小。

附图说明

图1是插损随反射角变化的曲线图；

图2是输出插损（比如从光放大器的输入级）随折射角变化的曲线图；

图3是光束在输出光纤中的位置随折射镜角度变化的曲线图；

图4是由各种构成光放大器的传统器件的示意图；

图5举例说明本发明的一种典型外壳及相应的可能用于组装一个多级光放大器的掺杂光纤放大器组件；

图6是根据本发明的原理，一种典型的掺铒光纤放大器（EDFA）所使用的分立器件和自由空间信号光路的简化示意图；

图7是图6中的多级光放大器模块输入级所使用的分立器件和自由空间信号光路的详细示意图；

图8是图6中多级光放大器模块的后置放大器级所使用的分立器件和自由空间信号光路的详细示意图；

图9是图6中多级光放大器模块的信号调节级所使用的分立器件和自由空间信号光路的详细示意图；

图10是一种典型的信号调节级中插损随MEMS方向变化的函数曲线；

图11是图6中多级光放大器模块的输出级所使用分立器件和自由空间信号光路的详细示意图；

图12描述了根据本发明制作的多级光放大器中的输入级的一种替代方案，在这个实施方案中一个独立激光器作为泵浦源与其它分立器件一起集成到模块中；

图13是本发明的另一种实施方案的示意图，这个方案把后置放大器级，调节级和输出级的分立的光器件组合起来；

图14是关于CFP封装，CFP2封装和CFP4封装的不同尺寸的示意图；

图15是本发明一种典型的光放大器的示意图，这种光放大器使用分立光学元件和自由空间光路并设计适合装配进CFP4封装尺寸；

图16一种典型的光放大器的示意图，这种光放大器使用分布式拉曼放大器（DRA）来给传输的光输入信号提供光增益；

图17描述了基于图16示意图的一种典型的光放大器结构，这种光放大器根据本发明使用分立光器件和自由空间信号通路；

图18是图17中结构的一种替代方案，在这个方案中，拉曼脉冲源和掺杂光纤泵浦源同时集成到输入级中，并提供用于放大的自由空间信号；

图19是一种分布式拉曼放大器结构替代方案的结构图，在这个方案中，使用一段单模光纤来实现输入光信号的拉曼放大；

图20描述了一种基于图19结构的典型的光放大器结构，这种结构根据本发明使用分立光器件和自由空间信号通路；

图21描述了一种典型的半导体光放大器，这种放大器根据本发明使用分立光器件和自由空间信号通路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明是关于用于解决不同尺寸，成本和性能需求的一种光放大器，这种需求持续驱动小型化要求的光系统的开发。在下文中将会详细讨论，本发明的光放大器采用紧凑型模块的结构，在这个模块中需要的光纤数量最小化（举例说明，仅使用输入/输出尾纤和实际放大用的掺杂光纤）和使用分立元素和在分立元素间使用自由空间信号的形式来实现其它光器件。 在一个具体的实施方案中，一些适当放置的旋转镜并用来保证所有必需的光连接终止在模块的单个侧壁上。本发明的一个显著特性是在模块中不同子系统的“模块化”（在以下的讨论中被称为“级”），这个模块化允许使用需要的不同的子系统来实现不同的特性和功能。

因此，本发明的结构被命名为“多级”光放大器，使用“多”这个术语是就放大器部件的功能而言的， 与先前技术中顺序使用多个放大器的结构相对照（后者有时候也称为多级放大器）。

此外，一对旋转镜作为补偿装置，以此通过调整旋转镜的放置角度实现自由空间信号通路在组装过程中的合适对齐。换言之， 使用一对（可调整）的旋转镜来消除输入端口和输出端口之间的光束点精度误差和光束错位，从而使自由空间光系统的耦合效率最大。

举例说明，考虑信号在光隔离器中的传输。即使使用最精确的制备方法，输出光相对于输入光都会有100微米(或多或少)的横向位移。除了这个横向的位移外，输出光束也会有一个因有的角向失配，这个角向的失配来源于制造和机械组装的局限性。类似的光束点精度和错位误差可以在各种位于光放大器模块的分立光器件自由空间光路中发现。此外，输入光束在进入自由空间系统的时候相对于标称光轴也会有一个角向的失配，这个失配来源于输入光纤与准直器透镜相对不精确的对齐耦合。

事实上及如下文讨论，因此，根据本发明使用可调整的旋转（“折叠”）镜可以实现在组装过程中进行补偿。通过组装过程中每一级旋转镜的调整可以预防这些光失配问题的累积，从而提高最终产品的可靠性。

事实上，在先前技术中使用双镜系统是比较罕见的，因为镜子角向的变化将导致光束的两倍的角度变化。加倍镜子的数量会使角向的变化成倍数放大。光束的角度变化会造成输出光纤聚焦光束的失配，而耦合对这种失配非常敏感。

在下文描述的系统中，放大的光信号需要耦合到一根输出光纤中，这种光束的角度变化会造成聚焦光束在输出光纤的失配且耦合对此非常敏感。例如，输入光纤和自由空间光学元件模块之间的耦合损耗变大，以及模块输出光纤到光纤放大器的损耗变大，也就是光放大器的噪声系统（NF）的降低（输入小于输出的的信号-噪声（单位dB））。 保持这种损耗是必要的。图1是插损随旋转镜角度变化的函数曲线图，给定输出准直器的焦距大约2.4mm。

为了最小化光放大器的噪声系数，旋转镜点精度变化造成的额外损耗需要小于0.1dB. 如图2所示， 这意味着旋转镜需要角向调整小于千分之5度且它的角向位置需要保持不动（在寿命期内）从而达到绝对损耗0.1dB的要求。要达成这个目标需要最终从自由空间光学元件放大器模块出来的聚焦到输出光纤的输出光束的相对移动小于1微米，如图3所示。（光束相对于输出透镜的位移要相对不敏感。）

如上所述的组装过程中的对齐误差和组装稳定性的要求，以及组装后环境应力导致的变化，一般对齐方法，材料选择和安装方法存在可观的障碍。然而，因为最新的组装工具（典型的使用压电传动装置）的调整条件和合适的光反馈可以达到要求，这种压电传动装置可以达到10-50纳米的空间精度和千分之0.2度的角度精度。此外，考虑到这些自由空间光系统光路较短，使用已知的低热膨胀系数的壳体材料，这样产生的无关紧要的微米量级的光路的变化。最后，开发低收缩率的环氧胶和相对低膨胀的薄层环氧胶，光学元件在产品生命周期内可以稳定的固定，同时保持必要的公差来使光放大器高功能集成度可行。应用如上所述的方法，一种新的小型放大器被发明和描述。

图4 是各种传统器件构成的光放大器的示意图，图示便于完全理解和根据本发明可能制成的紧凑模块结构。如图所示，这个特殊的光放大器是由四级光功能组成的：第一级（输入级）- 耦合一个输入光信号和泵浦光（在这个范例中输入光信号在稀土元素掺杂光纤中通过泵浦光的功能被放大）；第二级（后置放大器级）对放大的输入信号进行“增益平坦”（以此对不同的光波长有相同的增益）；第3级（调节级）信号处理，可能包含一个或多个不同的元素来进行各种类型的处理，比如调节放大后信号的输出功率到合适的量级（使用一个MEMS基础的可调谐光衰减器（VOA）如下所述），和/或使用一个可调光滤波器（TOF）来保证放大的光信号的带宽与输入光信号的波长一致（这一级可能是可选的）；和第4级（输出级）提供最终放大后光信号的形式-从光放大器模块光路的输出信号。这个输出级可能包含一个光耦合器和一个光电子二级管，比如，用来监控放大器的整体性能（以输出光信号的形式）。

这个装置的放大实际发生在第一级和第二级之间，如图4示意图所示。此外，虽然特定掺杂的光纤放大器结构将在下方作为掺铒光纤放大器（EDFA）进行详细描述, 需要理解的是各种各样的其它稀土材料也可用来制作掺杂光纤放大器（合适的泵浦波长随掺杂而变化）。因此，虽然下述讨论的部分适用于“EDFA”，这个结构同样适用于其它掺杂光纤光大纤。另外，将会在下文详细讨论，根据本发明，使用分立光器件和自由空间信号通路可能应用到分布式拉曼放大器（DRA）或半导体光放大器（SOA）的配置中。

尤其，创造性的多级光放大器的每一级被配置成这样一种方式，这种配置允许分立光器件实现需求的功能，使光信号和泵浦光在各级的自由空间光路中传输。此外，如上所述，创新性的模块化的结构允许不同特性的子系统被插入或删除，如果必要的话。举例说明，第3级（信号调节级），第一个实施方案可能被配置成提供一个可调光衰减（用于调整输出功率），第二个实施方案可能被配置成一个可调光滤波（用于滤除放大后的信号中的残余噪声），或者第三个实施方案中可能同时包含一个VOA和TOF。

图5是一种典型的光放大器10的示意图， 根据本发明制成，使用自由空间光学元件提供每一个如上所述的不同类型的光放大器级。如图所示，各个级被布置在使用合适材料（比如可伐合金）成型的壳体12中。一个独立的，外部放大器装置11被用来支持一个掺杂光纤线卷（图上未展示），这个放大器装置11通过光纤头被耦合到模块10.以一种众所周知的工作，放大器装置11从输入级1接收同向传播的输入光信号和泵浦光，然后返回一个放大的光信号作为模块10的后置放大器级2的输入。将会在下文详细讨论，各种光纤结构的输入和输出信号通道更适合沿一个共同壳体12的侧壁14放置。 在这个特定的结构中，外部的放大器装置11也被耦合到第一级和后置放大器级2穿过侧壁14电源（监控光电二极管和其它有源器件需要）可能通过壳体12的一个共同的侧面上的触点，在这个例子中如图中侧壁16的相对面。特定位置和结构的电触点可能是多样化的，具体案例具体分析，根据客户的要求来决定。

从图5显而易见，使用分立光器件的分离的级，使自由空间光束在每个不同的级内传播，可以创造一个相对紧凑的结构。沿一个单独的放大器的壳体侧壁使用光纤头可以最大程度降低部署这种放大器模块的操作复杂度（举例说明，形成一种市场应用可插拔的结构）。事实上，本发明的这种放大器结构可以使用自动化的组装。因为这种自动化，根据本发明创造的光放大器模块可以使用一种高重复性且高成品率低成本的制程来制造，制作一个相对小巧的光放大器模块（相对于先前技术的使用光纤连接的混合放大器结构）。大致了解后，以下将详细描述这种创新型的光放大器模块的各级的方案和替代方案。

图6是根据本发明制作的一种典型的光放大器模块10结构中，布置在壳体12中的各种分立光器件的简化示意图。图中也展示了各种自由空间光束（虚线）在各级的分立器件间传输。图3中标识出了光放大器模块10中的各个级，以图表形式描述了各个级相关的特定的分立器件。光放大器模块10的各种光输入和输出通过光纤来实现（最好包在套管连接器中用于固定光纤，通过优先考虑光纤头的形式）。根据本发明的一个优选方案，一系列必要的光纤头用于耦合沿一个共同侧壁终止的光放大器模块的传输光路和光放大器输出。

如图6所示以及下文详细讨论，光放大器模块10的输入级用于实现合束输入光信号和泵浦光的功能，并把共同传播的光束输入到外部的光纤放大器装置（未在图中展示）。放大后的光信号从外部光纤放大器输出后，作为光放大器模块10的后置放大器级2的输入。这个后置放大器级实现随波长变化的增益平坦（或以其它方式修正放大后光信号的增益谱）的功能。如图3所示的装置中，后置放大器级的输出被导入“信号调节”级3，这个信号调节级3实现调整传播的放大后的信号的功率等级，使用最终的放大后的输出信号（从输出级4）达到预定的，优选的功率等级。第2级和第4级都包含监控光电二极管，这些器件接收一小部分传播的光信号（通过相应的光耦合器）并使用耦合出来的信号来监控光放大器模块的运作（例如，提供闭环控制）。

根据以上对光放大器模块10中的分立光器件和自由空间光束传播的光学和机械结构的了解，各个独立级将在下文做详细描述。

图7是典型的模块10输入级的详细示意图，图中展示各种输入级内的分立光器件和自由空间信号通路。尤其是，图中展示的输入级包含第一个旋转镜20和第二个旋转镜22，以及布置在一对旋转镜之间自由空间信号通路上的光隔离器24根据本发明，所有这些元素都采用分立光器件的形式，输入光信号在这个装置内的自由空间传输通过。隔离器24的作用是防止反射光（光信号和泵浦光）沿输入光信号通路反射传播（隔离器24可能是一个单级隔离器或一个多级隔离器）。使用旋转镜有助于使光信号通路折叠以使用光输入和输出从壳体12的同一个侧壁14进/出（如图5所示）。

如图4所示，一个输入光信号通过一根输入光纤26和一个准直透镜28进入光放大器模块10。准直透镜28的作用是把从光纤26中出射的自由空间发散光束聚焦成平行的光束（也就是“准直”光束）从透镜28出来的准直的自由空间光束被第一个旋转镜20转向并通过光隔离器24，然后撞击第二个旋转镜。自由空间光束被第二个旋转镜22反射后通过一个波分复用器（WDM）元素30和一个聚焦透镜32（举例说明，一个渐变折射率（GRIN）透镜（C-透镜）），聚焦透镜32的作用是把自由空间光信号耦合到双光纤准直器36的第一根光纤34中。

如上文讨论，组装过程中，通过调整旋转镜20和22的角向位置（图中以带箭头的曲线示意），直到输入光信号通路（沿光纤26）和输出光信号通路（沿光纤34）之间的耦合效率最大。本领域中众所周知的各种技术，可能用来测量输入和输出之间的耦合效率，并通过调整一个或多个旋转镜直到获得一个最大的耦合效率。一旦旋转镜20和22的最优位置确定下来，器件将使用合适的焊锡或环氧树脂材料进行固定（或任何其它合适的方式固定到壳体12上）。值的注意的是，图7中的示意图描述了各种分立光器件在空间上相对分离的，但在实际组装过程中，这些器件是紧靠在一起的，以此来减小光束发散的问题（给定相对小光束直径）。

根据本发明的这个特定的EDFA结构，用于放大作用必需的泵浦光是通过一个外部的泵浦激光光源来提供的（未在图中展示），泵浦光通过双光纤头36的第二根光纤38耦合到输入级中。如图所示，泵浦光从模块10的第二根光纤38出射成发散光束，然后通过透镜32被准直。这个准直的自由空间泵浦光束紧接着进入WDM30。WDM30是一个特定结构的器件，以使特定波长的泵浦光（例如，980纳米）被反射，而输入光信号波长（工作在，例如，1550纳米）通行无阻。被反射的自由空间泵浦光通过透镜32耦合到光纤34，这样泵浦光就和输入光信号同向传播并在之后被耦合到一个外部的以光纤为基础的放大器器件（未在图4中展示）。通过旋转镜20，22，可以调整WDM30与输出光信号通路的角向位置来减小在输出光纤34的插损。

尽管没有在图7中特别描述，本发明的各种不同的实施方案可能会在输入级的出口信号通路上使用光纤光栅（FBG）器件。在一些情况下，FBG可能包含在一段光纤34中被用来限定传播光信号的通带为放大器器件（未展示）中的掺铒光纤的吸收谱带。显然，在增益光纤有较宽的吸收谱的情况下，输出级的出口没有必要增加一个FBG。

图7中所描述的实施方案展示了使用两根独立的光纤（34，38）来支持泵浦输入（光纤34）和同向传播的泵浦和光信号输出（光纤38），其它结构也可能被使用来实现这个功能，包括，例如，一个“双芯”光纤（或一般来说，一个多芯光纤）。此外，因为传输泵浦光和输入光信号的模场直径（MFDs）不一样，一种专门的光纤特别适合作为光纤34（或至少光纤34的一部分）有效的同时耦合泵浦和信号到光纤放大器中。

为了描述壳体12中布置的光放大器模块10的其它子系统器件，将假定输入的光信号已经被放大（例如，在图5中所示的外部放大器装置11中）。回顾图6， 被放大的光信号从放大器装置11中出射，紧接着作为模块10后置放大器级的输入（有时也被称作“第2级”）。

图8详细说明了模块10的后置放大器级采用的一组典型的分立器件和自由空间光信号通路。如图示，放大后的信号（从放大器器件输出接收）通过光纤40进入模块10放大后的信号从光纤40出射成发散光束，然后通过准直透镜42准直的自由空间放大光信号之后被旋转镜44转向并通过一个光隔离器46和一个增益平坦滤波器(GFF)48与输入级类似，隔离器46被用来防止反射光重新进入输入光信号通路。如本领域众所周知的，增益平坦滤波器被用于调整多波放大信号在掺杂光纤介质中的获得的各个不同波长的光放大。在大多数情况下，一个增益“平坦”滤波器并用来调整各个波长相关的增益，以此在放大信号的波长光谱内获得基本均匀一致的增益谱。从更广义上来说，这个滤波器被用来调整增益谱来获得任何需求的分布。在光放大器10作为“单波”放大器这个案例中，GFF48有消除信号带之外放大自发辐射（ASE）的作用，从而提高信号-噪声比，以及放大输出信号的噪声系数。

如图8所示，GFF48出射的自由空间光束通过一个光耦合器50，这个耦合器的作用是把一小部分的放大信号导入到一个监控光电二极管52，同时把大部分的“增益平坦”的信号通过光耦合器50传输到旋转镜54。旋转镜54把自由空间光束转向到朝后置放大器级的输出的合适的方向。如图所示，这个转向的，增益平坦的放大光信号（作为自由空间光束）通过一个聚焦透镜56然后聚焦到输出光纤58中。光电二极管52接收的相对小的信号被转化成电控制信号，这个电控制信号可以用于调整GFF48的方向直到获得需求的增益谱。

类似输入级的组装，旋转镜44、46的角向位置可以调整来减小光束的点精度和错位导致的插损。此外，GFF48的位置被调整（“可调谐”）来达到最大的耦合效率。

回顾图4和6所展示的特定方案的光放大器模块10，在这个特定实施方案中包含一个“信号调节”级（第3级），在这个案例中还包含一个可调光衰减器（VOA）器件来调整输出信号通路中的光功率。虽然后置放大器级中的GFF48有益于修正波长函数的增益谱，它并不特别改变增益平坦信号的整体功率等级。为了这个目的，放大器模块10可能包含一个VOA来控制输出信号的功率和输出信号通路的插损（IL）。如上文讨论，这一级是可选的，“平坦增益”信号可能导入到光放大器10的输出级。

假定光放大器10包含一个信号调节级，图9描述了这一级所用的特定器件。 如图所示，从前面的后置放大器级中出射的增益平坦输出光通过双光纤头62的第一根光纤60进入到输出级。在图9所示的特定的实施方案中，信号调节级以可调光衰减器的形式出现，并用来保证放大输出信号不超过定义的功率级别。在这个特定的实施方案中，功率的调整是通过一个MEMS元素64实现的，其中MEMS元素64的方向是以众所周知的方式通过电控制来调整传输的自由空间光信号的功率级别。

尤其是增益平坦，放大的发散光束从光纤60出射，先经过一个准直透镜66，然后撞击MEMS元素64.在这个特定的结构中，沿入射自由空间光信号轴线放置的MEMS元素64可以降低模块10的组装和机构的复杂度在本领域内众所周知，MEMS元素64的镜面沿不同轴旋转直到得到最优的输出信号（根据光功率）。转向的，功率控制的光束被MEMS元素64反射，然后通过透镜66.在这个方向上，透镜66把已调整功率的放大光束聚焦到双光纤头62的第二根光纤68中，作为光放大器模块10第3级的输出。

图10是光功率（以插入损耗的形式表现）随一种典型的MEMS元素角度变化的函数的典型曲线。在 这个特定的案例中，MEMS器件角向调节0.168°可以产生30dB的功率变化。如上所述，通过电极63，65给MEMS元素64一个电控制信号来调整MEMS元素64的倾斜角度直到获得需求的输出功率等级。

如图11所示，一旦达到需求的功率等级，放大的光信号从调节级3出射，并耦合到模块10的输出级。尤其，功率调整过的放大信号被耦合到双光纤准直器72的第一根光纤70中，进入多级光放大器模块10的输出级。入射信号从光纤70成发散光束出射，然后被透镜74准直，之后进入光耦合器76。光耦合器76被设计来反射大部分入射光，剩余小部分通过光耦合器76。小部分通过光耦合器76后被透镜78聚焦到监控光电二极管79。如领域内众所周知的方式，光电二极管79的功能是转化捕获的光信号为电信号，这个电信号如果有必要的话，可能用于评估光放大器模块10的性能和提供各个器件的闭环控制。

如图11所示，光耦合器76反射的这部分自由空间光束第二次通过透镜74，在这个方向上把反射光束聚焦到光纤头72的第二根光纤80中。放大光信号沿第二根光纤80从壳体12出射，这个出射光被定义为光放大器模块10的放大光输出信号。

在本发明的实施方案的一个优选结构中，第2、3和4级中的各种光纤结构的连接以“预熔接”的光纤准直器的形式出现。就其本身而言，光纤的核心区已经对齐，光纤头的光纤长度也可以通过进一步的努力减短，从而降低光放大器模块的整体尺寸和复杂度。

根据本发明制作的紧凑的，多级光放大器模块应该考虑各种材料，组装工艺和为达到和维持系统内光对齐所需要的各种条件。也就是说，制作一个自由空间光元件多级光放大器模块需要全面的考虑各种器件的原材料，以及用来制作最终产品的组装工艺。另外，光束也会经历横向的位移从而导致最终输出光纤连接的角度变化。其它损耗的来源可能归因于点精度误差和光束倾斜角误差。自由空间光学元件相关的所有的角度敏感性意味着在通过各种分立光器件后，任何的失配应该被识别和补偿是很重要的。测量和补偿这些光学系统误差需要对齐系统有足够的精度和敏感度，另外，在随后的制造工序（举例说明，环氧胶粘接，激光焊接，热工艺等）或者光放大器模块受到环境诱发的变化下不发生变化。在大多数情况下，如上文所讨论，一对折叠镜作为这些光束相关问题的补偿器，在组装过程中通过这些折叠镜的角向调整来解决这些问题。

图12展示了光放大器模块10输入级的一种替代结构。在这个实施方案中，多级光放大器的输入级中包含一个泵浦源（以激光二极管的形式存在）作为分立器件。特别是，一个分立的激光二极管35如图12所示布置来发出泵浦光，这个泵浦光沿与输入光信号同样的光束路径传输。如上文所述的一样的监控光电二极管52和79，泵浦激光二极管35配置在壳体12内，二极管的电极33、37从壳体12的侧壁16（例如）穿出。根据本发明的基本原理，使用自由空间光学元件（在这种情况下，泵浦激光二极管的输出光）减少了光放大器需要实现的单独的光纤线的数量。

因为分立激光二极管被集成到光放大器模块10的壳体12中，这样就不需要光纤连接来把泵浦光引入到放大器，模块10和放大器装置11之间就不需要使用双光纤准直器来进行连接（在之前描述的一个方案中需要）。如此一来，如图12所示，输出光结34通过一个“单光纤”光纤头39被耦合到外部放大器装置11中。对比图5-7和图12中的结构，显然使用一个分立的泵浦源来发射一道与输入光信号同向的光束的情况下，第二个旋转镜22和输出光纤34之间光路上的WDM就不是必要的。虽然泵浦激光二极管35通过合适的聚焦足以提供基本无阻通过第二个旋转镜22， 有可能需要用一些形式的定向耦合器（一个WDM23, 比如）来代替第二个旋转镜22来合并泵浦光和光信号到相同的光路上。不管输入端需要的光学元件，图12所示的结构根据之前描述的方案进行简化，且通过图5-7中的方案减少了器件数量。

图13是本发明的另一种实施方案的简化示意图，在这个方案中取消了第2、3和4级之间的基于光纤的连接，传播的光信号以自由空间光束的形态通过这些级并保持在模块10空间之内（举例说明，在壳体12内），从而进一步减少光放大器中的光纤头和耦合光学件的数量。

特别是，图13描述了一个光放大器模块100，这个模块按本发明采用模块化的结构，使用如上文所述相同光功能的第1-4级。事实上，这些元素包含第1级和第2级，采用同上文描述的相同的结构来耦合进出外部放大器装置11。

根据本发明的这个特殊实施方案，光放大器100的配置可以避免使用耦合传输的（放大的）自由空间信号进出第2、3和4级之间的光纤头。如图13所示，从第2级出射的放大光输出信号（也就是光束通过光耦合器50）以自由空间光束的形态入射到一个MEMS元素110上，在这个实例中实现“信号调节”可调光衰减器的功能。

在图13的这个自由空间结构中，MEMS元素110以45度角放置，也可以实现旋转镜的功能，并把传输光折向朝向光终止的壳体的侧壁（比如壳体的侧壁14，如图2所示）。 MEMS元素110的位置（和旋转镜20，22和44一样）可能也需要被调整来补偿自由空间通路相关的光束错位和点精度误差。为了得到最优的结果，需要解决MEMS元素的方向从所周知的其它设计细节。从MEMS元素110出射的自由空间光束经过第二个光耦合器元素120，其中的一小部分光束导向光电二极管130，被用于监控光放大器模块100的整体性能。与之前一样，大部分的放大光直接通过光耦合器元素120后进入到一个透镜140，这个透镜的作用是把光束聚焦到一个指定的输出光路（比如光输出光纤80）。

图13中所展示的光放大器100的结构，去除了第2，3和4级之间的光纤头，但是设计本身变的更为复杂，特别是MEMS器件方面。在光放大器100的一个替代方案中，一个可调光滤波器件（未在图中展示）可以被布置在第一个光耦合器50和MEMS元素110之间，或MEMS元素110和第二个光耦合器120之间，并用来降低放大信号的噪声。

虽然到目前为止描述的自由空间光放大器结构相对于先前技术的以光纤为基础的装置有一个显著的改进，分立器件和自由空间传输通路的自由度可用于实现更紧凑的结构的光器件。随着光通信系统从工业定义的CFP尺寸发展到更小的CFP2尺寸（到目前为止描述的实施方案对CFP2基础的封装有用），甚至更小的CFP4（或XFP）尺寸，根据本发明使用自由空间信号通路的能力有显著的优势。图14的示意图描述了各代CFP典型的光收发器的整体尺寸的减小，光放大器模块唯一一个器件封装到这些尺寸的壳体中。

图15是一种根据本发明制成的可以封装到CFP4外壳尺寸中的典型光放大器模块200的俯视图。如图所示，自由空间光学元件已经被重新配置（相对于之前的实施案例）以使各级基本嵌套，代替按顺序沿壳体长度方向排列的结构。

在这个特定的结构中，没有可选的第3级信号调节功能（举例说明，输出功率等级调节，噪声滤除等）。剩余的各级并布置到一个嵌套结构中，输入级被制作成“内”级，第2和4级的光学元件被布置成“外”级环绕在输入级外，从而形成嵌套结构。如图所示，光输入信号沿输入光纤210进入CFP4封装中，通过第一个光纤准直器220耦合进入光放大器模块200的输入级。输入信号通过一个准直器222和一个光隔离器224。一对旋转镜226、228被用来使用准直的自由空间输入信号转向，转向后朝向被用来提供放大作用的掺杂光纤300的光路传输。同之前所述，这些旋转镜可以在组装过程中调整来减小输入级的输出的插损。

掺杂光纤300如图所示同光放大器模块200一起封装在CFP4的壳体中。一个独立的泵浦源230同样包含在这个CFP4封装内，用于提供泵浦光，这个泵浦光沿（双光纤）第二个光纤头250中的光纤240传播。这个泵浦信号通过一个准直透镜252后进入一个WDM254。同上文描述的方案一样，WDM254被配置用于通过输入信号相关波长和反射泵浦波长。因此，WDM254在这里被用来把信号和泵浦光导向通过准直透镜252，然后进入双光纤头250的第2根光纤256。

在掺杂光纤300中，泵浦光与输入光共存生成放大的输入光，放大的输入光之后从掺杂光纤300沿信号通路出射，并作为嵌套结构外层级组合的输入。特别是，放大信号作为光放大器模块200第2级和第4级组合的输入，通过光纤270耦合到第3个光纤准直器280中。放大信号通过一个准直透镜282，然后并导向一个在“外层”自由空间信号通路上的旋转镜284。一个光耦合器286可能被用来分流一小部分放大信号，这一小部分放大信号通过一个聚焦透镜288，进入监控光电二极管290。

与上文描述的实施方案一样，监控信号可能被用来调整增益平坦滤波器292 的方向（或其它属性）。增益调节后的放大信号之后被旋转镜294转向一个自由空间输出信号通路。这个自由空间信号之后通过透镜296聚焦到一个围绕放大器的输出光纤头298的光纤310。

本发明的自由空间光学器件结构的光放大器模块的设想可能还可以用来制作混合器件，这些混合器件可以用来制作光通信系统中的分布式拉曼放大器（DRA）。与目前为止所描述的EDFA的方案不同，一个DRA不需要使用特定类型的掺杂光纤。放大是通过光信号和高功率激光脉冲（举例说明，“拉曼脉冲”）的非线性交互作用，这个脉冲被注入到传统的传输光纤中以支持光信号的传播。

图16是描述本发明的一种典型的光放大器模块10B的示意图，与图4所示类似，但在这个案例中被配置来引入拉曼脉冲，通过输入级，沿输入光纤26上行方向。如图16所示，拉曼脉冲通过一个输入级中的外部WDM器件，如此脉冲沿光传输光纤26上行方向注入光放大器模块10B.脉冲的功率相对比较高（举例说明，毫瓦级别）并在进入光放大器模块10B之前沿输入光纤中对传播的光信号进行分布式拉曼放大。

图17是图16中的典型模块10B使用的分立光器件和自由空间信号通路的示意图。如图所示，输入级中包含一个独立的激光二极管400作为放大光光源，这个激光二极管并用来向输入光纤26注入“上行”的拉曼脉冲。为了把拉曼脉冲注入输入信号通路，一个WDM40被用来保证脉冲被导向正确的方向，同时也把输入自由空间光信号重定向光隔离器24。特别是，之前方案中的旋转镜可能被WDM410替代，如图17所示方式朝向以引导不同的信号到正确的方向。自由空间传播的拉曼脉冲如图所示撞击WDM410，WDM410把脉冲导向光纤26，从而使用脉冲与输入光信号在光纤26中相互作用并在进入模块本身之前放大信号。

放大输入信号被WDM410转向后通过光隔离器24，继续以自由空间光束的形态传播，以上文描述的相同方式通过各种分立光学元素。与上文所述一样，WDM410的角向位置和旋转镜22可能被调整来补偿光束错位和点精度误差问题（调整是在放大器模块的组装过程中实现的，这些器件然后使用环氧胶被“固定”，例如当输出光纤34的插损最小时）。

图18是本发明的另一种实施方案的示意图，在这个方案中，两种放大方式（EDFA和DRA）同时存在，通过光放大器模块10的输入级中的分立激光二极管源来实现。特别是，如图所示，输入级同时包含激光二极管35（用于给放大器装置11提供泵浦光）和拉曼激光二极管源400（用于沿光纤26产生分布式拉曼放大）。如图18所示的这种紧凑的，模块化的自由空间光学元件配置，能同时提供拉曼放大（沿输入光纤段）和掺杂光纤放大器增益。除了图中展示的包含分立泵浦源的输入，在其它结构中也可能使用外部泵浦源，通过光纤来导入泵浦光到合适的信号通路。

图19的示意图描述了本发明的另一种方案，也就是光放大器模块10C。在这个结构中，上述讨论的EDFA案例中的掺杂光纤被一长段的传统单模光纤代替，在示意图中定义为“分布式拉曼放大器”（DRA）。 在这个结构中，拉曼脉冲400作为输入级的第二输入（代替980纳米泵浦光源）。输入光信号和拉曼脉冲之后在传统的单模光纤中同向传播并产生拉曼放大。

图20是图19中的光放大器模块10C所用的分立光器件和自由空间通路的示意图。在这个特定的结构中，一个分立的激光二极管420包含在模块10D中，这个激光二极管的作用是产生必要的拉曼脉冲。如图所示，激光二极管420输出的脉冲通过一个WDM424，从而与通过光隔离器24的输入光信号同向传播，并被WDM424如图所示的方式转向。同向传播的脉冲和输入信号之后被耦合到一段单模光纤450中，这段光纤封装在放大器装置11内。

第3级和第4级的其余器件可能和上文描述的那些案例类似，包括信号“调节”实现功能如衰减、滤波等。事实上，有些实施方案可能不需要包含VOA和/或TOF。本发明的模块化的结构可以在不需要这一级的时候对这一级进行旁路处理，或从最初的组装过程中去除。

虽然上述方案都是描述的以光纤为基础相关的放大器，使用自由空间光学元件同样可用于制作半导体光放大器（SOAs）, 这个半导体放大器同样可以封装到相对紧凑的小型化结构中。图21描述了一个典型的SOA装置500，根据本发明这个装置使用自由空间通路和分立光器件。

如图21所示，SOA装置500包含一个分立半导体光放大器510，以领域众所周知的形式，使用一个电偏压输入（如图示）给通过这个器件的光信号进行放大。 根据本发明自由空间的实施，与上文描述的方案类似，装置500包含一个输入级和一个后置放大器级。如图所示，一个光信号通过输入光纤512进入装置500，耦合到光纤头514。这个自由空间光信号从光纤头514出射（自然发散），之后通过一个透镜516聚焦成一个准直的输入信号（同上文描述的方案）。然后，这个准直的自由空间光束被第一个旋转镜518转向并通过一个光隔离器520。光隔离器520的出射光被第二个旋转镜522转向通过一个透镜524，这个透镜把自由空间光束聚焦到输出光纤头526的中心，这个光纤头输出一个隔离的光输入信号给光纤528作为SOA510的输入。

在SOA510内被放大之后，放大光信号通过光纤530进入装置500的自由空间后置放大器级。同上文描述的各种方案类似，放大信号通过一个光纤头532进入后置放大器级的自由空间部分，自由空间放大信号通过一个透镜534被准直。这个准直放大自由空间光束被旋转镜536转向进入一个光隔离器538，隔离后的光束之后通过一个增益平坦滤波器（GFF）540。同上文描述的一样，GFF540调整放大信号的增益谱来获得需要的输出增益谱形（可能，在大多数情况下，一个放大信号带宽的“平坦”增益）。一个光耦合器542并用来把一部分平坦增益的自由空间光束导向一个监控光电二极管544（用于控制GFF540的位置和性能）。

一大部分的自由空间放大光束通过光耦合器542，进入一个可调光衰减器（VOA）546, 这个衰减器可能用来调节输出信号的功率等级。一个光耦合器548和一个监控光电二极管550并用来调节VOA546的运作，从而控制装置500的输出功率。然后，调节过功率的放大信号（仍然以自由空间光束的形态传播）通过一个聚焦透镜552入射到一个光纤头554，这个光纤头把放大输出信号耦合到输出光纤556。

图21所示的装置使用一个类似结构的光学器件和自由空间通路（相同的封装结构）以及SOA，仅去除了泵浦源和掺杂光纤卷以SOA代替掺杂的光纤卷。需要理解的是作为使用一系列相似的器件的替代方案，一个内嵌的隔离器可能被直接布置到输入光纤512之后，隔离信号可直接被导入到SOA510(如图21所示的虚线)。

如上所述，本发明的各种方案的一方面是使用分立光器件和自由空间信号通路来减少放大器模块中的光纤数量（还有熔接点），同时减小模块的整体尺寸。此外，各种装置也使用直接耦合泵浦源（掺杂光纤和拉曼放大）进一步减少了光纤数量和相关的耦合元素。

以上描述的多级光放大器相对于在各种放大器器件（独立，混合或其它类型）之间使用光纤结构连接先前技术的结构有显著的发展，创造一种同可插拔元素一样有用的极其小的独立装置。虽然上文已经详细描述了各种替代方案和实施方案，放大器的各级中的各种独立元素可能变化，且在最常见的放大器结构中只需要一个输入级和一个输出级。如通带滤波器（举例说明，FBGs）、增益平坦滤波器、可调滤波器、可调光衰减器、光耦合器和监控光电二极管等元素，对提高放大器的特性有用，但对实际放大功能不是必要的。

本领域的技术人员将看到，可以在不背离其宽泛的发明概念的情况下对上述实施例进行更改。因此，应该理解本发明不限于所公开的特定实施案例和方法，而是意图涵盖由附加权利要求定义的本发明概念的精神和范围内的修改。

Claims (26)

1.一种光放大器模块，其特征在于，所述放大器模块给一个在传输信号通路中传播的光信号提供以光纤为基础的放大，所述放大器模块包括一个光纤放大器装置，一个多级光放大器模块耦合到所述光纤放大器装置，所述多级光放大器模块包括一个输入级用于响应输入的光信号，一个输出级用于提供放大光输出信号，所述多级光放大器布置在一个壳体内，所述壳体包括光输入端、光输出端、电输入端、电输出端，所述放大器模块通过每一级的支持，实现输入光信号、放大光以及放大后的光信号作为自由空间光束的传输，所述放大器模块还包括多个分立光器件来与自由空间光束交互以提供放大后的光输出信号。

2.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述多级放大器模块的输入级用于响应输入光信号和放大光，光信号与泵浦光以自由空间光束的形态在输入级内传输，并经过输入级内中的一系列的分立光器件被合并到一个共同传输的公共光路从所述壳体输出，然后作为光纤放大器装置的输入。

3.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，还包括一个布置在所述多级光放大器模块的输入级与输出级之间的后置放大器，用于响应经所述光纤放大器装置放大的光信号，所述后置放大器包含一个用于对放大后光信号的自由空间光束滤波的分立光滤波器器件，所述多级光放大器模块的输出级响应一个从所述后置放大器输入的已滤波，放大的光输出信号，并支持所述已滤波，已放大的光输出信号以自由空间光束的形式传播，所述多级放大器模块的输出级包含一系列的分立光器件，所述一系列分立器件包含一个光耦合器和一个监控光电二极管，传播的已滤波，放大的自由空间光束进入所述光耦合器，分流一小部分自由光束到所述光电二极管中，剩余的自由空间光束通过输出信号通路离开所述壳体。

4.如权利要求2所述的光放大器模块，其特征在于，所述多级光放大器模块的输入级的分立光器件包含第一光学透镜布置在壳体第一个侧壁的入射口，所述第一光学透镜用于接收入射光信号并聚焦成一束准直的自由空间光束;还包含第一旋转镜，用于接收从所述第一光学透镜出射的准直自由光束并把这束自由空间光束转向; 还包含一个光学隔离器布置来隔离反向的自由空间光束;还包含第二旋转镜，用于接收转向的自由空间光束并把准直的自由空间光束转向到所述壳体的光输出口; 还包含第二个光学透镜布置在所述输入级的出口和第二旋转镜之间，所述第二个透镜用于把准直自由空间光束聚焦到输出信道，其中对2个旋转镜可以进行角向的调整来实现所述输入级的输入和输出之间的插损最小化。

5.如权利要求4所述的光放大器模块，其特征在于，所述多级光放大器模块输入级的分立光器件还包含一个双光纤准直器，所述双光纤准直器的第一通道用于入射泵浦光的传输，第二通道用于传输同时传播的输入光信号和放大光，把同时传播的输入光信号和泵浦光输入到所述光纤放大器装置，一个分立的波分复用元素布置在所述第二旋转镜和第二光学透镜之间，所述分立的波分复用元素接收入射的自由空间泵浦光束和反射的自由空间放大光到所述第二光学透镜，其后泵浦光束与入射光信号一同耦合到所述第二通道。

6.如权利要求2所述的光放大器模块，其特征在于，所述多级光放大器模块输入级的分立光器件还包含一个分立的激光二级管泵浦源，所述分立的激光二极管泵浦源包含电触头耦合到所述壳体的一个电输入端和一个电输出端，所述分立的激光二级管泵浦源被放置在所述输入级内，用于导向一个自由空间泵浦光束通过第二旋转镜到第二光学透镜，与自由空间输入光信号结合来生成共同传播的光束作为输入级的输出。

7.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述光放大器模块是基于在掺杂稀土元素的光纤中的光放大和使用一个泵浦源作为放大光，提供一个泵浦特定波长的泵浦光与稀土掺杂来产生光增益。

8.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述光放大器模块还包含一个分布式拉曼放大器，放大光光源包含一个高功率的脉冲源，来注入一个高能量的光脉冲沿入射光传输通道传播。

9.如权利要求8所述的光放大器模块，其特征在于，所述光放大器模块还包含一个分布式拉曼放大器，用于注入高能量的光脉冲到光纤放大器装置的一段光纤中。

10.如权利要求3所述的光放大器模块，其特征在于，所述分立光器件布置在所述多级放大器模块的后置放大器中，所述分立光器件包含第一光学透镜布置在壳体的光输入端，用于接收入射光信号并聚焦成一束准直的自由空间光束，还包含第一旋转镜用于接收从所述第一光学透镜出射的准直并放大的自由光束并把这束准直并放大的自由空间光束转向，还包含一个光学隔离器布置来截止重定向的自由空间光束，还包含一个增益波波器布置在所述光隔离器的输出端，所述增益滤波器包含薄膜离散滤波器元素用于修正准直并放大的自由空间光束的增益谱形。

11.如权利要求10所述的光放大器模块，其特征在于，所述增益滤波器包含一个增益平坦滤波器，生成一个在波长光谱内均匀的增益谱形的准直并放大的光束。

12.如权利要求10所述的光放大器模块，其特征在于，所述多级光放大器模块后置放大器级的分立光器件包含一个光耦合器和一个监控光电二极管，所述光耦合器作为从增益滤波器输出的增益修正后的自由空间光束的输入, 并使用其中一部分增益修正后的自由空间光束转向到所述监控光电二极管，这转向到监控光电二极管的部分光束并用于调整增益滤波器的方向从而达到需要的增益谱形。

13.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述多级光放大器模块还包含一个信号调节级被布置在所述输入级和输出级之间，所述信号调节级支持自由空间光束的传输且包含修正至少一个输出的光学性能的分立光器件。

14.如权利要求13所述的光放大器模块，其特征在于，所述信号调节级配置成可以调节输出的放大光信号的功率大小。

15.如权利要求13所述的光放大器模块，其特征在于，所述信号调节级被配置成可以对输出的放大光信号进行噪声过滤。

16.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述光纤放大器装置包含一段稀土元素掺杂的光纤，所述光纤并耦合到一个输入级的光输出和一个输出级的光输入之间。

17.如权利要求16所述的光放大器模块，其特征在于，所述稀土元素掺杂光纤包含铒纤，且所述输入级包含一个工作波长980纳米的泵浦源。

18.如权利要求17所述的光放大器模块，其特征在于，所述分立的激光二极管工作在一个泵浦波长，并布置在壳体中作为多级光放大器模块输入级的分立光器件。

19.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述光纤放大器是一个分布式拉曼放大器，包含一个放大光光源，所述光源注入高功率拉曼脉冲到输入传输通路中。

20.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述光纤放大器装置是一个分布式拉曼放大器，包含一个放大光光源，所述光源注入高功率拉曼脉冲到所述光纤放大器装置中的一段单模光纤中。

21.如权利要求1所述的光放大器模块，其特征在于，所述光纤放大器装置包含一个掺杂光纤放大器和一个分布式拉曼放大器。

22.一种多级光放大器模块，其特征在于，包含一个输入级，用于处理输入光信号，还包含一个放大装置耦合到所述输入级，用于放大输入的光信号，还包含一个输出级耦合到所述放大装置的输出端，用于输出一个放大的信号作为多级光放大器的输出，所述多级光放大器布置在一个壳体内，所述壳体包括光输入端、光输出端、电输入端、电输出端，所述放大器模块通过每一级的支持，实现输入光信号、放大光以及放大后的光信号作为自由空间光束的传输，所述多级光放大器模块还包含一系列的分立光器件与自由空间光束相互作用并提供放大后的光输出信号。

23.如权利要求22所述一种多级光放大器模块，其特征在于，所述放大器装置包含一个以光纤为基础的放大装置。

24.如权利要求23所述一种多级光放大器模块，其特征在于，所述以光纤为基础的放大装置包含一个泵浦光源和一段稀土元素掺杂的光纤。

25.如权利要求23所述一种多级光放大器模块，其特征在于，所述以光纤为基础的放大装置包含一个高功率脉冲源和一段光纤。

26.如权利要求22所述一种多级光放大器模块，其特征在于，所述放大装置包含一个半导体光放大器。