CN1077365C - 双向光通信系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种双向光放大器，其包括具有一个放大波长带的单向光放大单元；用于至少两个传播方向相反的光信号的两个输入/输出端口，所述信号分别具有第一和第二波长，其彼此不同，且包括在所还述大波长带中；两个第一和两个第二波长选择耦合器，其分别具有包括所述第一波长的第一波长通带和包括所述第二波长的第二波长通带，所述第一和第二波长通带不相互交迭，所述放大单元连接在一光桥接回路的两相对节点之间，所述第一和第二选择光耦合器位于所述光桥接回路的气点上，其中所述第一和第二选择耦合器的放置关于所述放大单元和所述光信号的输入/输出端口对称。

Description

双向光通信系统和方法
本发明涉及双向光纤通信系统和双向光放大器。
近来，用光纤发射载有远程通信信息的光信号在电信领域已为人熟知。
人们还知道，通过光纤发送的光信号在传播过程中会发生衰减，因此需要放大信号以使信号能通过全部预定距离并且以足以使所传递信息被正确接收的功率电平到达接收站。
这种放大可通过在线路上以预定间隔放置适当的放大器来实现，放大器周期性地增加所传输光信号的功率。
为此，通常采用光放大器，其可放大信号并保持信号的光形式，即没有信号的光电检测和电光再生。
这种光放大器基于荧光掺杂剂(如铒)的性质进行工作，如果用光能量适当激发荧光掺杂剂，其便在石英基光纤中光衰减最小点对应的波长提供强发射。
这种放大器是单向型装置，即在其中光信号有预定的传播方向，正如同申请人的美国专利5204923和美国专利5210808所公开的。这是由于光放大器(尤其是需要高增益值的地方)含有单向型部件件，用来防止放大器向外反射的信号由于沿与放大器相连的光纤的瑞利散射而回到放大器。
因而，双向传输需用两条分别装有放大器的独立通信线路，每条线路用于单一方向的通信，这将导致连接成本过高。
人们已试图通过挖掘荧光掺杂剂放大器所提供的以独立方式在不同波长放大信号的可能性，用单一单向放大器实现双向放大。基于此原理的双向放大器的有关描述在S.Seikai等人的文章中(“Novel Optical Circuit Suitable for Wavelength Division Bidirec-tional Optical Amplication”，发表在Electronics Letters，Vol.29，No.14，July8，1993，1268—1270页。)它是一个沿光纤传输线设置的装置，其中两波长不同的信号以相反方向传播，并由波长选择耦合器和已知类型的单向掺杂光纤放大单元构成，耦合器和放大单元通过无源光纤彼此相连。两个信号波长都在掺杂光纤的放大带中。通过选择耦合器两不同波长的信号进入不同的光传播通路。两条光传播通路只在与放大光纤相应的部分重合，放大光纤中两信号以相同方向传播。下面会作更详细描述的这种装置存在不稳定性方面的问题，其由传播信号的中等波长的内部反射引起，只能通过附加滤波器(其中一些可调)来解决。结果就需要一个很复杂的结构，并且有必要采用可连续及精确调节所述滤波器的装置。
根据一个方面所述，本发明涉及一种双向光放大器，其包括：
—光放大单元，包括至少一个光隔离器，有一放大波长带，
—两个光输入和输出端口，用于至少两个有相反传播方向的光信号，所述信号分别有第一和第二波长，两波长彼此不同，包括在所述放大波长带中，
—两个第一和两个第二波长选择光耦合器，
其具有包括所述第一波长的第一波长通带和包括所述第二波长的第二波长通带，所述第一和第二波长通带不相互交叠，
所述放大单元连接在光桥接接线路两个相对节点之间，所述输入和输出端口与其它相对节点相连，第一和第二光选择耦合器在所述桥接线路的节点，
其特征在于所述第一和第二选择性耦合器关于所述放大单元和所述光信号的输入及输出端口对称放置。
在最佳构成中，所述放大单元包括至少一根掺饵光纤。
最好是，光纤在掺杂剂中含有铝土和锗；更可取的是光纤在掺杂剂中包含铝土、锗和镧。
选择耦合器的所述通带至少是10nm宽。
在一特定结构中，所述通带中至少一个包括至少两个不同波长的信号。
在最佳结构中，波长选择耦合器具有等于或0.5的品质因数。
根据第二方面，本发明涉及一种双向光放大器，其包括：
光放大单元，包括至少一个光隔离器，有一放大波长带，
两个光输入和输出端口，用于至少两个有相反传播方向的光信号，所述信号分别有彼此不同的第一和第二波长，
至少两个波长选择光耦合器，其有包含所述第一波长的波长通带和包含所述第二波长的波长反射带，所述波长段不相互交迭，
所述放大单元连接在光桥接接线路两相对节点间，所述输入和输出端口与其它相对节点相连，所述桥接线路构成至少一个包括所述放大单元和不多于三个所述耦合器的反馈环，
其特点为所述波长选择耦合器使得当在其中一个所述输入和输出端口反射率至少为15dB并且没有滤波装置时，每个所述反馈环的总衰减大于放大器在所述放大带中的每个波长的增益。
在本发明所述第二方面的最佳组成中，所述双向光放大器的特点是光桥接接线路包括位于线路节点的两个有第一通带的波长选择耦合器和两个有第二通带的波长选择耦合器，线路中耦合器关于放大单元对称。
根据再一方面，本发明涉及一种双向光放大器，其包括：
光放大单元，包括至少一个光隔离器，有一放大波长带，
两个输入及输出端口，用于至少两个有相反传播方向的光信号，所述信号分别有第一和第二波长，这些波长彼此不同，包括在所述放大波长带中，
两个第一类波长选择光耦合器和两个第二类波长选择光耦合器，
分别有包括所述第一波长的第一波长通带和包括所述第二波长的第二通带，所述第一和第二波长通带不互相交迭，
分别有包括所述第二波长的第一波长反射带和包括所述第一波长的第二波长反射带，
各有一条公用通路光纤，一条通路光纤(access fiber)在其输出端传输包括在所述波长通带中的信号，一条通路光纤在其输出端传输包括在所述波长反射带中的信号，特点是第一输入/输出端口与第一类第一选择耦合器的公用光纤相连；在其输出端传输包括在第一类第一选择耦合所述通带中的信号的光纤与在其输出端传输包括在第二类第一选择耦合器的所述反射带中的信号的光纤相连；在其输出端传输包括在第一类第一选择耦合器所述反射带中的信号的光纤与在其输出端传输包括在第二类第二选择耦合器所述通带中的信号的光纤相连，单向放大单元连接在第二类第一选择耦合器的公用光纤和第二类第二选择耦合器的公用光纤之间，以使光隔离器能使从第二类的第一到第二选择耦合器的辐射通过；在其输出端传输包括在第二类第一选择耦合器所述通带中的信号的光纤与在其输出端传输包括在第一类第二选择耦合器所述反射带中的信号的光纤相连；在其输出端传输包括在第二类第二选择耦合器所述反射带中的信号的光纤与在其输出端传输包括在第一类第二选择耦合器所述通带中的信号的光纤相连；第一类第二选择耦合器的公用光纤与第二输入/输出端口相连。
根据另一方面所述，本发明涉及一种双向通信方法，其包括：
在第一和第二发射站分别以第一和第二波长产生第一光信号和第二光信号；
将所述第一和第二信号分别引入通信线路光纤的相对端，
在置于线路中间的光放大器放大所述第一和第二信号至少一次；
在所述光纤相对于所述第一和第二发射站的相反端将所述第一和第二信号接收到相应的第一和第二接收站；
其中，所述放大所述第一和第二信号的步骤在包括由光隔离组成的光纤放大单元的单一光放大器中实现，其包括：
通过第一波长选择光耦合器发射每个所述信号至少一次，
通过第二波长选择光耦合器反射每个所述信号至少一次，既在放大单元的上游又在下游，
其特征是，所述发射和反射步骤对每个所述信号以相同顺序发生。
更多的细节将在下参考附图所作描述中找到，其中：
图1是根据本发明所述的双向传输线路示意图；
图2是根据本发明所述的线路的接口单元示意图；
图3是用在双向放大器中的选择反射耦合器及其光谱传输曲线的示意图；
图4是所传输信号在第一类选择反射耦合器的两对通路光纤间的光谱衰减曲线；
图5是说明根据已知技术所述的双向光放大器示意图；
图6是本申请人实验的双向光放大器的示意图；
图7给出本发明一实施例中的双向光放大器的详图；
图8给出所传输信号在第二类选择反射耦合器的两对接入光纤间的光谱衰减曲线；
图9是包括本发明一实施例的传输线路的示意图；
图10给出在图9传输线路中的双向光放大器两输出端交迭的信号光谱；
图11是误码率(BER)随在图9传输线路的放大器之间的衰减变化的曲线图；
图12是本发明第二实施例的双向光放大器的详图；
图13是表明没有输入信号时测量的光谱在双向光放大器的两输出交迭的曲线图；
图14是表明有光输入信号时测量光谱在双向光放大器的两输出端交迭的曲线图；
图15是可用于本发明双向放大器中的单向放大单元的示意图；
图16是用于双向光放大器的监视及控制系统的示意图。
如图1所示，根据本发明所述的双向光通信线路包括两终端站A和B，每个终端站分别由发射站1A、1B和对应的接收站2A，2B构成。
具体地说，发射站1A包括具有第一波长λ1(如1533nm)的激光发射器，发射站1B包括具有波长λ2(如1556nm)的激光发射器。
发射器1A、1B根据线路需要直接或通过外部调制进行调制，具体来说涉及光学线路光纤的色度色散，光纤长度以及预计的发射速度。
每个发射器1A、1B的输出信号被发送到相应增强器3，并从后者到达耦合器4的输入端，耦合器4可根据所述激光发射器1A、1B的各波长选择。
选择耦合器4的输出与包括连接两终端站A和B的光纤的光线路5的终端部分相连，在选择耦合器4的输出端两波长λ1和λ2在相同光纤中被多路复用。
光线路5的光纤通常是单模光纤，或为阶跃折射率(SI)型，或为色散位移型，可以很方便地将其引入适当的光缆，在每个放大器间其总长为数十(或数百)公里，直到覆盖预期的连接距离。
根据本发明所述的双向光放大器沿线路5插入中，用6表示。
虽然当前描述只示出一个光放大器，但根据光连接的总长度和在其各部分的功率，可接连续置几个光放大器；例如，包括在终端站和放大器之间或两相邻放大器间的光纤部分可约长100公里。
如果要发射的光信号是由具有不同于对所述连接提供的那些自己的发射特性(有关波长，调制类型，功率)的信号源产生，每个发射站1A、1B将包括相应的接口单元，用来接收初始的外部光信号，并且用适合于发射系统的新特点检测和再生这些信号。
具体地说，所述接口单元如下所述产生与系统要求相应的具有波长λ1，λ2的相应光工作信号(为简便起见，也称“λ1信号”“λ2信号”)。
在同一申请人的美国专利5,267,073中(这里通过引用包括了对其的描述)，所描述的接口单元包括用来将光输入信号转变成适于光传输线路的形式的发射适配器，用来将所传输信号转变成适于接收单元的形式的接收适配器。
为用于本发明的系统，发射适配器最好包括外部调节型激光器作为产生输出信号的激光器。
图2给出适用于本发明的接口发射单元类型的示意图，其中为清楚起见，光连接用实线表示，电连接以虚线表示。
来自外部光源7的光信号由发出电信号的光检测器(光电二极管)8接收，电信号被馈送到电放大器9。
来自放大器9的电输出信号被馈送到调制激光发射器的导频电路10，调制激光发射器通常用11表示，用于产生事先选定波长的光信号，其包含输入信号信息。
业务信道的导入电路(admitting circuit)12可方便地与导频电路10相连。
调制激光发射器11包括连续发射的激光器13和外部调制器14(例如Mach-Zender型)，其由电路10的输出信号导频。
电路15验证激光器13的发射波长，通过补偿可能的外部干扰(如温度等)使波长保持在事先选择的值。
接口接收单元(所述类型)在前面提到的专利中有描述，并可从申请者处以商标名TXT/E-EM获得。
另外，激光发射器1A、1B可以是工作在所选择波长的激光发射器，其用DFB1533和1556-nm激光器。在下面描述的传输实验中，使用了DFB1533-nm激光器，其被以2.5Gbit/s直接调制，与接收机一起包括在终端装置SDH型SLX-1/16中，由PHILIPSNEDERLAND BV，2500BV，’s Gravenhage(NL)变成商品，连续发射型DFB.1556-nm激光器由ANRITSU CORP5-10-27，Mi-nato-ku，Tokyo(JP)制造。
参考图1，增强器3将发射器1A、1B产生的信号的电平提高到足以使所述信号通过并到达接收站或放大装置前所有的光纤部分的值。同时，在终端保持足够的功率电平以保证所要求的传输质量。
对本发明和上述使用来说，增强器3是可从市场上得到的光纤放大器类型的例子，有以下特点：
          输入功率           -5到+2dBm
          输出功率           13dBm
          工作波长           1530—1560nm。
一种适用的型号是TPA/E-12，可从本申请人处获得。
选择耦合器4是光学部件，其用来将两个不同波长的光信号传送至单一输出光纤并将在该输入光纤中交迭的两信号根据各自波长分别分离到两输出光纤。要求所述选择耦合器具有的通带宽度在出现串音时能使两个方向的信号分开。
选择耦合器21，22最好是详细图示于图3A中的类型；其有分别标为101，102，103，104的四条通路光纤(输入或输出端口)并且在其中间部分包含选择反射部件105，该反射部件的作用象传输时的带通器件和反射时的带阻器件；即该部件用来使具有预定带之内波长的信号通过并反射波长在所述波带之外的信号。例如，波长为在部件105通带内的λp、输入到选择耦合器的光纤101的信号没有明显衰减地传输到光纤103，类似地λp信号由光纤104传输到光纤102，或对称地从光纤103传输到光纤101以及从光纤102传输到光纤104。波长λr在所述波带外的输入到光纤101的信号却被反射到光纤104，同样地λr信号从光纤102到光纤103，并对称地从光纤104到光纤101以及从光纤103到光纤102。
参考图3B，下面将所述波带称作选择反射部件105的通带或，延伸为选择耦合器的通带，该波带的波长接近传输时的最小衰减波长，在通过选择反射部件传输时，除最小衰减外还有不大于0.5dB的衰减与该波带相应。该通带的宽度在图3B中示为“-0.5dBBW”。
用相同的方式，下面将其称作选择反射部件105的反射带或延伸为选择耦合器的反射带，其波长接近反射时的最小衰减波长，在选择反射部件105反射时，除最小衰减以外还有不大于0.5dB的衰减与该波带对应。
进行选择耦合器选择时，要使其至少一部分通带和至少部分反射带包括在双向放大单元6的放大带中并使波长λ1和λ2分别包括在所述通带和反射带中。
虽然是就四条通路光纤进行的描述，但适用于上述应用的选择耦合器却可以只有三条通路光纤，第四条不用(如104所指的那条)。
作为例子，一种合适的选择耦合器是WD1515AY—A3型，由JDS FITEL公司(Heston Drive，Nepean，Ontrario(CA))制造，其结构与参考图3A所作描述一致，唯一的变动是装备的是三条通路光纤101，102，103。
图4A和4B中再现的是相对光谱衰减曲线。
曲线表明输入到选择耦合器一给定光纤一直传播到给定输出光纤的信号所经历的衰减随波长的变化。曲线4A主要涉及在光纤102和103间传播信号的情况，显示出了波长包括在宽10nm、中心在1533nm时衰减严重(＞20dB)和波长大于1543nm时衰减很小(约0.5dB)。曲线4B涉及在光纤101和103中传播信号的情况，与前一种情况对称，显示出了波长包括在宽10nm、中心在1533nm的波带中时，衰减很小(约0.7dB)，波长大于1543nm时衰减严重。
对于所述型号的选择耦合器，上面定义的通带的宽度约为10nm。
类似地，图3B中选择耦合器的-20dB处被指定为通带，在通过选择耦合器传输时除最小衰减外还有不大于20dB的衰减与该波长带相应。
在-20dB的通带宽度(图3B中“-20dB BW”)对所述型号的选择耦合来说却约为20nm。
选择耦合器的品质因数(F.O.M)定义为通带宽度与-20dB处的通带宽度的比率，对所述型号的选择耦合器来说约为0.5。
再现于图5中的是双向波分放大器的示意图，在前面提到的Electronics Letters中S.Seikai等人的文章中对该放大器进行了描述。示意图取自文章的图1。
该装置包括单向光放大单元EDFA，四个波长选择耦合器WSC1，WSC8，WSC9，WSC2，和两个光连接器106，107。
示于文章图中的放大单元EDFA由两级掺铒光纤组成，第一光隔离器插在两级之间，第二光隔离器插在第二级的输出端，在图中都用ISO表示。
波长选择光耦合器在文章中指定为JDS1535型(WSC1，WSC2)和JDS1550型(WSC8，WSC9)。
根据文章所述，在使用上两种之间没有区别。
选择耦合器WSC在1.533和1.550μm的邻区中有波长为λa和λb的两通道。
包括在连接器106，107之间的指定放大线路是一桥接线路，其中利用选择耦合器WSC的性质，两波长不同、以相反方向传播的光信号以相同方向通过放大单元EDFA。
文章重述了这样一个想法，即采用四个可在市场上购得的(彼此没有不同的)选择耦合器WSC的简单配置在放大器增益低于25dB的情况下可以工作，但对增益高于30dB的情况，线路会由于穿过选择耦合器时的损耗而变得不稳定。为解决这个问题，文章建议在环路的1.55μm处的输入支路中使用另一个JDS1535型选择耦合器WSC4，并在输入支路中使用两个可调的光滤波器TOF1和TOF2以减少自发发射噪音；如果所述滤波器用选择耦合器WSC代替，在选择耦合器通带相交时，系统在1.54μm处变得不稳定。
根据建议再附加选择光耦器就会使结构更复杂。并且，使用需要精确且连续调节的可调型滤波器以及因此而使用其它检查装置使得实际实现建议的配置更困难。
图6所示示意图中通常用6表示的装置与根据本申请人实验的一个配置所述的双向放大器相应。
其包括一单向放大单元(用20表示，在下文进行描述)，两个波长选择光耦合器21和22，两个光连接器106，107，和无源光纤部分23，29。
如图6所示，连接器106与选择耦合器21的光纤101相连。选择耦合器21的光纤102和选择耦合器22的光纤102由光纤23连接，选择耦合器21的光纤104和选择耦合器22的光纤104由光纤29连接。单向放大单元20连接在选择耦合器21的光纤103及选择耦合器22的光纤101之间，从而使所述单元的工作方向是从选择耦合器21到选择耦合器22。最后，连接器107与选择耦合器22的光纤103相连。
单向放大单元20是一光放大单元，最好是光线路放大器型，其特征是放大波长带，双向放大器6两个方向的工作波长都在其中选择；一种合适的线路放大器的例子是由本申请人以OLA/E-MW的商品名制成的商品，下面会进行详细描述。
选择耦合器21，22是参考图3A所描述的类型。
进行选择耦合器的选择时，要使其至少一部分通带和至少一部分反射带包含在放大单元的放大带内，波长λ1在所述通带内，波长λ2在其反射带中。
合适的选择耦合器的例子是上面提到的JDSFITEL生产的型号WD1557AY—4：这是一个与前面提到的型号WD1515AY—3相似的型号，但共装有四条通路光纤101，102，103，104。光纤101与104之间和光纤102与103之间的有关光谱衰减曲线几乎与图4A中所示的那些一样。同样的，光纤101与103之间和光纤102与104之间的光谱衰减曲线几乎与图4B中所示的那些一样。对这种选择耦合型号，品质因数(F.O.M)的值也约为0.5。
光连接器106，107可以是SEIKON GIKEN，296—1 Mast-suhidai，Mastsudo，Chiba(JP)生产的系列SPC。
参考图6，对选择耦合器21，波长为λ1、输入到通路光纤101的信号没有变化地穿过选择耦合器，从光纤103出来；输入到光纤104的λ2信号在输出端被反射并被发送到光纤101；输入到光纤102的λ2信号在输出端被反射并被发送到光纤103。同样地，对选择耦合器22，有波长为λ1和λ2、输入到通路光纤101的信号时，λ1信号没有变化地穿过选择耦合器并由光纤103出来，但λ2信号在输出端被反射并被发送到光纤104；输入到光纤103的λ2信号在输出端被反射并被发送到光纤102。因而，在从连接器106出来之前通过连接器107来自传输线路的λ2信号经受两次反射(22和21)，在放大单元20被放大，然后再经过两次反射(22和21)。通过连接器106来自传输线路的λ1信号却通过选择耦合器21，被放大，然后再穿过选择耦合器22。
因而该装置能同时放大两个方向上两个波长的信号。
在每个传输通路，选择耦合器的作用象一带通滤波器(如图4B所示)，由此去除以λ1和λ2之间的波长与信号一起传播的自发发射。反过来，每次反射时，选择耦合器的作用象一带阻滤波器(图4A)，并且不减弱自发发射。
通过在根据图1所示的光连接中插入上述的双向放大器6，可以确定图1中所示位置I，II，III，IV，V，VI处的功率，图1中发射器1A工作在1533nm，发射器1B作在1556nm，每根光纤5中有26.7dB的衰减。在各位置的功率简要列于下面表1中。
                          表1
                 位置            功率(dBm)
                        λ1＝1533nm   λ2＝1556nm
I                           +11            -19
II                          -15.7          +7.7
III                         +7.7           -15.7
IV                          -19            +11
V                           -20
VI                          -20
根据本发明第一配置所述的双向光放大器的替代方案可通过使用选择耦合器21’，22’以改变现有配置并同时反转λ1和λ2信号的传播方向来实现，进行选择耦合器21’和22’的选择时，使波长λ1和λ2包括在相应的反射带和通带中，同时反转λ1和λ2信号的传播方向是通过将光连器106与λ2信号所来自的传输线路段相连并将光连接器107与λ1信号所来自的传输线路段相连实现的。
参考图7，本申请人实验的双向放大器的第二配置包括两选择光耦合器31和32，单向放大单元20，两个光连接器106，107，光隔离器33和无源光纤段34，35。
如图7所示，连接器106与选择耦合器31的光纤101相连。选择耦合器32的光纤102和选择耦合器31的光纤102间由有光隔离器33插入的光纤34连接，光隔离器用来使只有从选择耦合器32到选择耦合器31方向的辐射能够传播。选择耦合器31的光纤103和选择耦合器32的光纤104之间由光纤35连接。单向放大单元20连接在选择耦合器31的光纤104和选择耦合器32的光纤之间，所述单元的工作方向是从选择耦合器31到选择耦合器32。最后，连接器107与选择耦合器32的光纤103相连。
单向放大单元20和光连接器106，107的类型与参考图6描述的装置中所用的那样一样。
所选择的双向放大器两个方向的工作波长λ1和λ2在单向放大单元20的放大带中。
光隔离器33是一种不依赖传输信号极化的类型，其隔离度大于35dB，反射率低于-50dB。
一种合适的光隔离器是可从ISOWAVE，64Harding Avenue，Dover，New Jersey(US)得到的型号DML I-15 PIPT-A S/N1016。
选择耦合器31和32是象参考图3A描述的那些一样的反射型选择耦合器，进行选择时，要使各自的通带都包括在单向放大单元20的放大带中。选择耦合器31，32的通带分别包括波长λ1和λ2。此外，两选择耦合器的通带不相互交迭。波长λ1和λ2分别包括在选择耦合器32，31的反射带中。
对选择耦合器31，可用WD1515AX—4型号，而对选择耦合器32，可用WD1557AY—4型号，两者都是由JDS FITEL生产的。后者与用于图6的装置的选择耦合器相似，其特点已作过描述。前者的光谱特点示于图8A和8B。其曲线与示于图4A和4B的那些相似，这里参考了对所述图形给出的描述。具体说来，这种情况下选择耦合器的品质因数(F.O.M)也约为0.5。与图4A和4B的情况不同，就型号WD1515AX-4来说，选择耦合器通带的中心波长约为1557nm。
参考图7，对选择耦合器31，一个波长为该选择耦合器通带内的λ1、输入到通路光纤101的信号被选择耦合器反射并从光纤104输出；一个波长为选择耦合器32通带内的λ2(因而在选择耦合器31的通带外)、输入到光纤103的信号被传输并在输出端发送给光纤101；一个输入到光纤102、波长为λ2的信号被传输，并在输出端发送给光纤104。
对选择耦合器32，有波长λ1和λ2的信号输入到通路光纤101时，λ1信号没有变化地穿过该选择耦合器并从光纤103输出，而λ2信号被反射并从光纤104输出；波长为λ2、输入到光纤103的信号被反射并从光纤102输出。
因而，通过连接器107来自传输线路的λ2信号在从连接器106出来之前要经过反射(在耦合器32处)和透射(在耦合器31处)，在放大单元20被放大，然后又经过反射(在耦合器32处)和透射(在耦合器31处)。通过连接器106来自传输线路的λ1信号由选择耦合器31反射，被放大，然后通过选择耦合器32传输给连接器107。
因此，这种情况下，装置能同时放大两个方向上两个波长的信号。
选择耦合器在每个通道的传输中的作用象带通滤波器(如图4B、8B所示)，由此可去除波长在λ1和λ2之间，与信号一起传播的自发发射。反过来，每次反射时，选择耦合器的作用象带阻滤波器(图4A、8A)，并且不减弱自发发射。
因此，在每个传播方向，有至少一个通道部件减弱自发发射。
此外，光隔离器阻止自发发射从选择耦合器31的光纤102到选择耦合器32的光纤102传播，否则在反射后，自发发射会加到从选择耦合器本身的光纤103输出到连接器107的λ2信号上。
上面描述的装置在模拟如参考图1描述的同类传输线路的连接中进行了实验。所采用的实验配置示于图9(其中与图1相应的元件被分配了同样的参考数字)，由两个终端站A和B，三个双向放大器6和四个可变衰减器5’构成。
具体地说，所用放大器(由6表示)是三个根据本发明所述的双向放大器，其配置已参考图7进行了描述。5’表示的是四个模拟一段无源光纤的衰减的可变衰减器。所采用的衰减器是JDS FITEL生产的VA5型，和一个实验中它们被调节到每个提供27dB衰减。
波长为1533nm和1556nm沿两个方向传播的信号的功率在位于中间位置的放大器6的各输入端II和III测量的值是-14dBm。
图10重现了双向放大器输出信号的光谱：数值是通过分别在位置II和III检测到的光谱的交迭，由前面提到的ANRITSU CORP制造的光谱分析仪MS9030A(主机)和MS9701B(光学单元)得到的。
在0.5nm带宽上测得的信号/噪声比对1533nm信号为24.2dB，对1556nm信号为28dB。
通过改变可变衰减器5’的衰减进行另一个实验，对其它参数来说条件不变。对一系列衰减值，测量以2.5Gbit/s进行调制的1533nm信号的传输线路的误码率(BER)。结果示于图11，其中Y轴的BER随每对相连双向放大器间的衰减(dB)变化：可以看到，衰减值低于27dB时，BER低于10-12。
根据第二配置所述的双向光放大器的替代方案通过使用选择耦合器31’，32’，改变已有配置并通过同时反转λ1和λ2信号的传播来实现，进行选择耦合器31’，32’的选择时要使波长λ2和λ1包括在相应的通带中，波长λ1和λ2包括在相应的反射带中，同时反转λ1和λ2信号的传播方向是通过将光连接器106与λ2信号所来自的传输线路段相连、将光连接器107与λ1信号所来自的传输线路段相连实现的。
参考图12，本申请人所实验的双向放大器的第三配置包括四个选择光耦合器121，122，123，124，一个单向放大单元20，两个光连接器106，107和无源光纤段125，126，127，部件彼此相连形成光桥接连接。
如图12所示，连接器106与选择耦合器121的光纤103相连。选择耦合器121的光纤101和选择耦合器122的光纤102间由光纤125连接。选择耦合器121的光纤102和选择耦合器124的光纤101由光纤128连接。单向放大单元20连接在选择耦合器122的光纤103和选择耦合器124的光纤103之间，连接的方式要使所述单元的工作方向是从选择耦合器122到选择耦合124。选择耦合器122的光纤101和选择耦合器123的光纤102由光纤126连接。选择耦合器124的光纤102和选择耦合器123的光纤101由光纤127连接。最后，连接器107与选择耦合器123的光纤103相连。
单向放大单元20和光连接器106、107的类型与参考图6和7所描述装置中使用的那些相同。
所选择的双向放大器两个方向的工作波长λ1和λ2在单向放大单元20的放大带内。
选择耦合器121，122，123，124是如参考图3A所述的反射型选择耦合器，带有三根通路光纤101、102、103。所选择的耦合器要使各个通带至少一部分和各反射带至少一部分包括在单向放大单元20的放大带中。耦合器121和123彼此等同，耦合器122和124也彼此等同。选择耦合器121、123的通带包括波长λ1。选择耦合器122、124的通带包括波长λ2。并且选择耦合器121、123的通带不与选择耦合器122、124的通带交迭。波长λ1包括在选择耦合器122、124的反射带中，波长λ2包括在选择耦合器121、123的反射带中。
因而，如图所示，彼此等同的耦合器在光桥接接连接中对称的设置于信号的两个传播方向：选择耦合器122和124所占据光桥接的顶点有单向放大单元20的两端与之相连，选择耦合器121和123占据的光桥接顶点有连接传输线路的连接器与之相连。
例如对选择耦合器121、123，可采用WD1515AY—A3型号，而对选择耦合器122，124，可采用WD1515AX—A3型号，两者都由JDS FITEL制造。WD1515AY—A3型已经作过描述，其谱特性在图44，4B中重现。型号WD1515AX—A3只在通路光纤数上不同于型号1515AX—4，已参考本申请人所实验的第二光放大器配置对1515AX—4进行了描述；有关的谱特性重现于图8A、8B。所用两种型号的品质因数(F.O.M)都约为0.5。
参考图12，对选择耦合器121，波长为选择耦合器波带内的λ1、输入到通路光纤103的信号被传输到光纤101，波长为λ2输入到光纤102的信号被反射到光纤103。
对选择耦合器122，波长为选择耦合器通带外的λ1、输入到通路光纤102的信号被反射到光纤103；波长为λ2、输入到光纤101的信号被传输到光纤103。
对选择耦合器123，波长为选择耦合器通带内的λ1、输入到通路光纤101的信号被传输到光纤103；波长为λ2、输入到光纤103的信号被反射到光纤102。
对选择耦合器124，波长为选择耦合器通带外的λ1、输入到通路光纤103的信号被反射到光纤102；波长为λ2、输入到光纤103的信号被传输到光纤101。
通过连接器106来自传输线路的λ1信号被选择耦合器121透射，被选择耦合器122反射，由单向放大单元20放大，然后再由选择耦合器124反射并通过选择耦合器123被传输到连接器107。
通过连接器106来自传输线路的λ2信号被选择耦合器123反射，由选择耦合器122透射，由单向放大单元20放大，然后再由选择耦合器124透射并被选择耦合器反射至连接器106。
因此这种情况下，装置也能同时放大两个方向上两个波长的信号。
两波长的信号都在双向放大器内各经受两次透射和两次反射。由于相应于每次反射机透射都有小的衰减(对这里所用的部件分别约为0.5dB和0.7dB)，通过选择耦合器次数的相等保证了两个传播方向上对放大器相似的响应。
选择耦合器在每个通过其自身的透射中起带通滤波器作用(如图4B，8B所示)，由此去除波长在λ1和λ2之间、与信号一起传播的自发发射。每次反射，选择耦合器却起带阻滤波器(图4A、8A)作用，并且不减弱自发发射。
因此，由于选择耦合器关于两传播方向位置对称，在每个传播方向辐射至少通过衰减自发发射的部件两次。
双向放大器的当前配置在不同于信号波长的波长是特别稳定的并且不会振荡，不需要附加滤波器。特别是，其对于可能由光连接器106、107引起的辐射的部分背反射是稳定的。
上面描述的放大器用于放大器通过光连接器与线路光纤相连的光纤传输线路中时非常方便，所述连接器可使通过它的信号的大部分功率透过，从而保证信号的光连续性，某些情况下，会反射一小部分所述信号(如由于两光纤端头在所述连接器中定位不好而产生不完好的固定)。
降低输入信号功率(直到每通道-28dB)对上述装置进行测试，测量相应的增益以发现放大器不饱和条件下的最大增益；根据这种测量确定的小信号的增益值约为32dB。
在一个实验中，使光连接器106和107开路即不与传输线路相连，来测试放大器。这些情况下，所采用的连接器对来自放大器的辐射背反射，衰减度为14dB。
示于图13的是选择耦合器121的光纤103及选择耦合器123的光纤103的输出信号的光谱，由如上面所述同样的波长选择耦合器检测，其沿光纤分布(未示于图12)，将各传输带分离，送至(上面所述类型的)光谱分析仪。
实验证明完全没有不稳定现象。
这被认为是由于对两类选择耦合器通带之间的波长形成的包括放大单元的反馈环，会由于耦合器本身没有完全将通带分开且有对连接器的反射而包括至少两条穿过将所述波长衰减至少20dB的部件(选择耦合器)的通路。在这种情况下，即使在连接器出现很强的反射，也远远达不到振荡的条件。
人们认为，使用选择耦合器，即使使用了高反射率连接器，具有40dB增益的放大器也不会出现振荡问题。
上述装置还经过第二项实验，这是在模拟与参考图1所描述类型相同的传输线路的连接中进行的。采用的实验配置与参考图9所描述的相同，这里参考了该描述。
所用的放大器6是根据本发明所述的三个双向放大器，配置如参考图12所作的描述。
对衰减器5’进行调节使每个提供27dB的衰减度。
沿两个方向传播的波长为1535nm和1555nm的信号的功率在位于中间位置的放大器6的各输入端II和III处测得的值均为—13dBm。
图14重现双向放大器输出信号的光谱：图形由前面所述类型的光谱分析仪通过叠加在位置II和III检测的光谱得到。
在0.5nm频带上测得的1535nm信号的信噪比约为26.7dB，1555nm信号的信噪比约为25.5dB。
根据当前第三配置所述的双向光放大器的替代型式可通过使用选择耦合器121’，122’，123’和124’改变现有配置并同时反转λ1和λ2信号的传播方向(即，将光耦合器106与λ2信号所来自的发射线路段相连，将光耦合器107与λ1信号所来自的发射线路段相连，将光耦合器107与λ1信号所来自的发射线路段相连)来实现。进行选择耦合器选择时要使得选择耦合器122’，124’的通带包括波长λ1；选择耦合器121’，123’的通带包括波长λ2；此外，选择耦合器121’，123’的通带还不与选择耦合器122’，124’的通带交迭；波长λ1包括在选择耦合器121’，123’的反射带中；波长λ2包括在选择耦合器122’，124’的反射带中。
到此为止将根据本发明所述的双向放大器和双向远程通信系统描述为适用于在每个方向有不同波长的信号的传输。
然而，同样的装置和系统也可用于按波分多路复用(WDM)技术发射的信号的双向放大，即在每个方向传输波长不同的、被适当编码的信号。
这种情况下，有必要选择所用的选择耦合器，使得各个通带的宽度足以包含在每个方向所传输信号的两个波长组。
此外，选择耦合器的品质因数(F.O.M)应足够高，以使选择耦合器能分离两个波长组的信号，最好是大于0.5。
除了参考图3A所描述的选择反射耦合器，本发明还可提供另一种波长选择耦合器，只要它们确保所用波长之间有足够的分离，从而有足够高的品质因数(F.O.M)。
具体地说，如图15所示，提供用于双向光放大器的单向放大单元20包括一条掺铒的有源光纤24，和通过分光耦合器26被连接的相关泵运激光器(pump laser)25；一个光隔离器27沿欲放大信号的传播方向放置在光纤24的放大器输入端上游，而第二个光隔离器28放置在放大器的输出端。
在一个替代的实施例中，放大器可以是两级放大器；这时它还包括一个第二掺铒有源光纤，通过分光耦合器与相关泵运激光器相连；另一个光隔离可方便地插入两级之间。
在上面描述的最佳例子中，泵运激光器25最好是量子阱型，具有下列特点：
发射波长          λP＝980nm；
最大光输出功率     PM＝65mw。
上述类型的激光器由LASERTRON INC，37 North Avenue，Burlington，MA(US)制造。
在这个例子中，分光耦合器26是一熔融光纤耦合器，由980nm的单模光纤构成，工作在1530—1560nm波长带，随偏振情况不同光输出功率的变化小于0.2dB。
上述类型的分光耦合器为人熟知并可从市场上得到，如由GOULD INC，Fibre Optic Division，Baymeadow Drive，GlemBurnie，MD(US)和SIFAM LTD.，Fibre Optic Division，WoodlandRoad，Torquay，Devon(GB)制造的产品。
光隔离器27和28是不依赖传输信号偏振方向的光隔离器类型，隔离度大于35dB，反射率低于50dB。适用的光隔离器型号有上面提到的ISOWAVE的MDLI-15PIPT-AS/N1016。
上述线路放大器在正常工作条件下的增益约为25dB(在每个方向输入信号功率为-23dBm，相当于总共-20dBm)。饱和条件下总的光输出功率约为11dB。
在最佳实施例中，上面描述的线路放大器中使用掺铒的有源光纤，其在同申请人的意大利专利申请No.MI94A 000712，4月14日，1994中有详细描述，这里通过引用将其包括，下文简述其内容。
所用光纤的成分及光学特性概括在表2中。
                           表2
光纤      Al2O3        GeO2         La2O3     Er2O3        NA       λc
       wt％  (mol％)  wt％  (mol％)  wt％  (mol)  wt％ (mol％)              rm
A       4     (2.6)    18    (11.4)   1    (0.2)  0.2   (0.03)   0.219      911
其中
wt＝线芯中氧化物的(平均)重量百分比含量
mol％＝线芯中氧化物的(平均)摩尔百分比含量
NA＝数值孔径(n12—n22)
λc＝截止波长(LP11截止)
成分分析由微探针与扫描电镜(SEM Hitachi)在预型件(在光纤旋转前)上进行；分析是在放大1300倍的条件下，对沿直径排布、彼此相距200μm的分立点进行的。
所用光纤是用在石英玻璃管内进行真空镀膜的技术制造的。
在合成步骤中将Ge作为掺杂剂掺入光纤芯的SiO2基体中。
将铒、氧化铝和镧掺入光纤芯是采用“溶液掺杂”技术，其中使掺杂剂氯化物的水溶液与光纤芯的合成材料接触，在预型件硬化前，水溶液处于特殊状态。
有关“溶液掺杂”技术更多的细节可在US5,282,079中找到，其通过引用被作为参考。
在前面描述的例子中，有源光纤24约12m长。
虽然用上述光纤取得了最好的结果，但借助平面增益曲线可以看出，在不同波长本申请人用Al/Ge型光纤的放大器进行实验也给出了可以接受的结果。
为对放大单元的功能进行检查并提供通常所要求的检查及安全信号，放大单元在输入端很方便包括一个定向耦合器，最好是具有95/5的分离率，其输出所携带的5％输入功率被发送到有关的光电二极管151；第二定向耦合器152(最好具有99/1的分离率)被置于放大单元的输出端，用一根携带1％信号的光纤与相应光电二极管相连。
适用的定向耦合器是熔融光纤耦合器，可从E-TEK DY-NAMICS INC.，1885 Lundy Ave，San Jose，CA(US)得到。
光电二极管的电输出被发送到电控单元，象通常一样没在图中给出。
该配置使得人们可实现对放大单元功能度的检查，并可安排所需的安全装置。然而，如果用于上述双向配置中，它不提供有关在两个方向传播的信号的单独信息。
为了能够同时检查两个方向上进行放大器的光输入输出功率，要使用示于图16的结构。
如所述图示，前面所述类型的双向放大器6(包括没有检查装置的光放大单元，如图15的方框154所示)被连接在两双向耦合器155和156之间，耦合器分离率为92/8；耦合器的输出带有最小光功率(2％)，与相应的检测光电二极管157，158，159，160相连。
适用的定向耦合器是熔融光纤耦合器，例如由上面的E—TEK DYNAMICS所制商品。
如图16所示，定向耦合器有四个输入/输出端，对称分布：方式是这样的：输入到耦合器155、波长为λ1的信号(在图中从左向右传播)以所述比率在与放大器6相连的输出端(98％)和与光电二极管158相连的输出端(2％)之间进行分配；同样，输入到耦合器156，波长同为λ1的信号在与线路相连的输出端(98％)和与光电二极管相连159的输出端(2％)间进行分配。
这使得波长λ1、输入到放大器的光功率值可在光电二极管158测量，波长为λ1、由放大器输出的光功率值可在光电二极管159测量，从而可获得从右至左的通道的功率度的全部信息；用同样的方式，分别在光电二极管160和157测量波长为λ2、从右向左传输的信号的输入输出光功率。
在两个方向上每个定向耦合器的分离率有同样的值。选择所述值时，要使足够的功率从传输线路分到检测每个方向输入放大器的较低功率的光电二极管158、168，但又不恶化放大器输出功率(在放大器输出端可得到很大的总功率，分离出一小部分就可以足够使其工作的功率到达光电二极管157、159)。
当对相对传播的通道采用在相邻区1533和1556nm的波长λ1和λ2，以及通带约10nm宽的波长选择耦合器时，可以预期所述选择耦合器的品质因数(F.O.M)约为0.5。
当-0.5dB处通带宽度大于10nm时，需要更高的选择耦合器品质因数(F.O.M)。
因此，根据本发明一个方面所述可以发现，上述用于两个或更多相对传播的波长分离信道的双向光放大器类型，可以通过放置一放大单元来制成，而没有不稳定或振荡问题。所述放大单元包括一桥式连接中的光隔离器，桥式连接包括具有第一通带的两个波长选择耦合器，和具有第二通带的两个波长选择耦合器，桥式连接中选择耦合器关于放大器对称放置。
在一特殊实施例中，本发明也可适用于每个传输方向包括几个信道的传输线路，只要每个方向的信道以足够的信道分离度包括在选择耦合器的通带中。
因此，从本发明一个方面可以看到，当所用选择连接器的排布使得对所有波长没有这样的环路(其包括放大单元，具有小于或等于所包括放大器或放大单元的最大增益)形成时，可以制止双向型放大器中出现振荡现象，尽管其中的放大单元也具有高增益值并且在光路的特定位置有局部反射，例如由于使用了高反射率的光连接器。
具体地说，其可通过这样安排光放大器线路中的部件来实现，即在一个方向传播的每个信号按相同的顺序在选择光耦合器中经受反射和透射。

Claims (11)

1.一种双向光放大器，适合于设置在传递第一和第二相反方向传播的信号的光线路中，所述第一和第二光信号具有各自的第一和第二波长，该第一和第二波长是不同的并且相互分隔开；所述双向光放大器包括：
单向光放大单元，包含一个输入和一个输出，并且具有一个含有所述第一和第二波长的放大波长带；
第一和第二输入/输出端口，用于耦合到所述光线路；
两个第一类波长选择耦合器，具有包含所述第一波长且排斥所述第二波长的第一波长通带；
两个第二类波长选择耦合器，具有包含所述第二波长且排斥所述第一波长的第二波长通带；
其中所述第一类和第二类耦合器互相耦合确定一个桥路，该桥路具有由所述第一类耦合器确定的两个相对的第一节点及由所述第二类耦合器确定的相对的第二和第三节点；所述单向光放大单元设置在所述两个第一节点之间，所述第一输入/输出端口耦合到所述第二节点并且所述第二输入/输出端口耦合到所述第三节点。
2.根据权利要求1所述的双向光放大器，其特征为所述放大单元包括至少一条掺铒光纤。
3.根据权利要求2所述的双向光放大器，其特征为所述掺杂光纤的掺杂剂中包括氧化铝和锗。
4.根据权利要求3所述的双向光放大器，其特征为所述掺杂光纤的掺杂剂中包括氧化铝、锗和镧。
5.根据权利要求2所述的双向光放大器，其特征为所述选择耦合器通带至少10nm宽。
6.根据权利要求1所述的双向光放大器，其特征为所述通带中至少一个包括至少两个波长不同的信号。
7.根据权利要求1所述的双向光放大器，其特征为波长选择耦合器的品质因数等于或高于0.5。
8.一种双向光放大器，其包括：
光放大单元，其包括至少一个光隔离器，有一个放大波长带，
两个光输入和输出端，其用于至少两个传播方向相反的光信号，所述信号分别具有彼此不同的第一和第二波长，
至少两个波长选择耦合器，其具有包括所述第一波长的波长通带和包括所述第二波长的波长反射带，所述波长带相互不交迭，所述放大单元连接在一光桥回路的两相对节点间，所述输入和输出端与光桥其它相对节点相连，所述桥式回路形成至少一个包括所述放大单元和不超过三个所述耦合器的反馈环路，其特征在于所述波长选择耦合器的安排使得在其中一个输入和输出端的反射率至少为15dB且没有滤波装置时，每个所述反馈环具有在每个包括在所述放大带中的波长大于放大增益的总衰减。
9.根据权利要求8所述的双向光放大器，其特征为光桥回路包括两个具有第一通带的波长选择耦合器和两个具有第二通带的波长选择耦合器，其位于光桥回路的节点上，关于放大单元对称地放置在回路中。
10.一种双向光放大器，其包括：
光放大单元(20)，其包括至少一个光隔离器有一放大波长带，
两个输入和输出端(106，107)，用于至少两个传播方向相反的光信号，所述信号分别具有第一和第二波长，波长彼此不同且包括在所述放大波长带中，
两个第一类波长选择光耦合器(121，123)和两个第二类波长选择光耦合器(122，124)，
分别具有包括所述第一波长的第一波长通带和包括所述第二波长的第二波长通带，所述第一和第二波长通带不相互交迭，
分别具有包括所述第二波长的第一波长反射带和包括所述第一波长的第二波长反射带，
各有一条公用通路光纤(103)，一条在其输出端传输包括在所述波长通带中的信号的通路光纤(101)，和一条在其输出端传送包括在所述波长反射带中的信号的通路光纤(102)，其特征为第一输入/输出端(106)与第一类第一选择耦合器(121)的公用光纤(103)相连；在其输出端传送包括在所述第一类第一选择耦合器(121)通带中的信号的光纤(101)与在其输出端传送包括在第二类第一选择耦合器(122)所述反射带中的信号的光纤(102)相连；在其输出端传送包括在第一类第一选择耦合器(121)所述反射带中的信号的光纤(102)与在其输出端传送包括在第二类第二选择耦合器所述通带中的信号的光纤(101)相连；单向放大单元(20)连接在第二类第一选择耦合器(122)的公用光纤(103)和第二类第二选择耦合器(124)的公用光纤(103)之间，从而使光隔离器允许沿从第二类第一耦合器(122)到第二耦合器(124)方向的辐射通过；
在其输出端传递包括在第二类第一选择耦合器(122)所述通带中的信号的光纤(101)与在其输出端传送包括在第一类第二选择耦合器(123)所述反射带中的信号的光纤(102)相连；在其输出端传送包括在第二类第二选择耦合器(124)所述反射带中的信号的光纤(102)与在其输出端传送包括在第一类第二选择耦合器(123)所述通带中的信号的光纤(101)相连；第一类第二选择耦合器的公用光纤(103)与第二输入/输出端(107)相连。
11.一种双向远程通信方法，其包括：
分别以第一和第二波长在第一和第二发射站产生第一光信号和第二光信号；
将所述第一和第二信号分别引入远程通信线路光纤的相对两端；
在位于线路中间的光放大器放大所述第一和第二信号至少一次；
在所述光纤相对于所述第一和第二发射站相对端，将所述第一和第二信号接收至相应的第一和第二接收站；其中所述放大第一和第二信号的步骤在包括光纤放大单元的单独—光放大器中实现，所述光纤放大单元包括一光隔离器；
通过第一波长选择光耦合器传输每个所述信号至少一次，和
通过第二波长选择光耦合器反射每个所述信号至少一次，既在放大单元的上游又在下游，其特征是对每个所述信号，所述传输和反射步骤按同样顺序发生。
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