CN1084098C - 用于波分多路传输的放大电信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括级联光放大器的通信系统，特别适于一种波分多路传输系统，其中即使在几个信号同时馈入的情况下，在光纤芯中的一种掺杂剂组合能够对所有在预定波长段中信道取得一种高的信/噪比。

Description

用于波分多路传输的放大电信系统

本发明涉及一种包括光学放大器的电信系统，特别适用于一种波分多路传输系统(以下称为“WDM传输系统”)。

对于一个WDM传输系统来说，需要相互独立的几个传输信号或几个信道，以便通过在光学频率区多路传输，在同一条包括一个光纤的线路上传输；传送信道既可是数字的也可是模拟的，并且互不混淆，因为各有一个特定的频率。

在这种传输中，不同的信道必须大体上相当，即就信号电平或品质来说，没有哪个比另外的更优越。

在有放大器，特别是光学放大器的情况下，要求它们对所有传输信道具有大致一样的响应；另外，为了传送数目很多的信道，放大器可以工作的频带必须宽。

光学放大器是建立在荧光掺杂剂的特性基础上的，特别是把铒作为掺杂剂掺入光纤芯中；事实上，通过发光激励能量(Luminouspumping energy)的激励，铒在硅基光纤中相应于最小光衰减的波长范围内，具有一个高的发射。

当一种掺铒的光纤，其中铒被保持在激发态，用一个具有一个相应于这样高发射的波长的发光信号通过时，该信号引起受激的铒原子跃迁至低能级，并使得受激发的光发射至该信号本身的波长，从而产生一种信号放大。

从激发态开始，也自然地发生铒原子的衰变，这样产生了一种随机发射构成“背景噪声”，与相应于放大信号的受激发射重叠。

由进入的发光激励能量对“掺入的”或激活的光纤所产生的光发射，可以在掺入物质的几个典型的波长上发生，从而给出光纤中的荧光光谱的源。

为了通过上述类型的光纤得到最大的放大信号，并具有高信/噪比而适合于信号本身的正确接收，在光学通信中，通常采用一个信号，它是由一个激光发射器以相应于在有掺杂的光纤荧光光谱曲线适用的频带中的最大值，或者发射峰的波长而产生的信号。

另一方面，掺铒光纤在所需的波长范围内，具有一个有限宽度尖峰的发射频谱，其特性随掺入铒的玻璃系统而变化，以及一个在相邻于上述尖峰的波长范围内高强度的频谱区，可以考虑使用一个宽频带的光学放大器来放大信号。

然而，已知掺铒光纤具有一种不均匀的光谱发射过程；这种不均匀的过程制约着在整个选定频带取得均匀放大的可能性。

为了得到大致“平坦”的增益曲线，即通过消除由于随机发射而产生的噪声源，而获得在不同波长时尽可能稳定的增益，可以使用象在专利EP426,222，EP441,211和EP417,441中所述的滤波元件。

在这些专利中，却没有叙述在有波分多路传输情况下放大器的情况，另外没有考虑在有几个放大器相互级联情况下放大器的情况。

为了增加纤维芯的折光率，发射频谱分布图很大程度上依赖于纤维芯中的掺杂剂，例如US5,282,079中所示，其中所示的掺铝/铒纤维的荧光光谱的峰值明显地低于掺锗/铒纤维的，而荧光光谱移向较短波长(最大在约1532nm)；这样的纤维具有0.15的数值孔径(NA)。

在ECOC′93，Yhcl2.1，第1-4页中，公开了一种掺Al和La，且具有对氢很低的响应性用于光学放大器的光纤；所述的掺Al光纤具有0.16的数值孔径，而掺Al-La光纤具有0.30的数值孔径。

在ECOC′93，Tu4，第181-184页中，公开了具有掺铒光纤的光学放大器；所述实验是由纤芯掺铝/锗和镧/铝的光纤进行的，且用掺Al/La纤维得到的结果最好。

在电子学快报(Electronics Letters)，1991年6月，Vol.27，No12，第1065-1067页中指出，在具有掺铒光纤的光学放大器中，含铝双掺杂可以获得更大和更平的增益轮廓图；文章中所述是具有掺铝，掺锗和掺铒光纤的放大器，与具有掺镧，掺锗和掺铒光纤的放大器相比较，而且据说前者可获得最大增益整平。

在ECOC′91，TuPS1-3，第285-288页，叙述了一种掺Er和La的Al₂O₃-SiO₂型光纤，目的是获得较高的折射率并减少含铒离子团的生成。掺Er/La光纤的荧光和吸收光谱表明与掺铒Al₂O₃-SiO₂光纤的十分相似；取得了0.31的数值孔径(NA)和23.10¹⁸cm^-3的铒浓度。

在ECOC′89，PDA-8，第33-36页，第10-14页，1989年9月中，公开了一个用掺铒光纤级联的十二个光学放大器的实验；利用了一个波长为1.536μm的单一信号，并表明基于在改变信号波长时误码率BER特征迅速减弱的事实，为了稳定工作，需要信号波长控制在大约为0.01nm量级。

美国专利5,117,303公开了一种光学传输系统，包括锁定的光学放大器，根据所述计算，当以饱和方式工作时给出一个高信/噪比。

所述放大器具有一个有Al₂O₃-SiO₂纤芯的掺铒光纤，而且使用了滤波器；计算的性能是在一个单波长实现的，而不使用在宽波带提供相同性能的信号源。

根据本发明，已发现在激活的光纤芯中掺入特别的掺杂剂的组合，将可得到具有高数值孔径的光纤，而且其发射频谱在单放大器的情况下以及在几个放大器级联的情况下，由该光纤所作的光学放大器，特别是在波长多路传输系统中时，在给定的波长范围内对不同波长产生相同的响应。

本发明一方面涉及在一种光学通信系统中在预定波长段实现在接收中控制光学信/噪比的方法，该光学通讯系统包括：

——一个光发射器；

——一个光接收器；

——一个连接所述发射器和接收器的光纤线，以及

——至少一个沿所述线插入的激活光纤光学放大器，

其中所述激活光纤维的发射曲线在包括所述预定波长段的波长范围中具有高发射区，其中出现相对于相邻区的发射下降，其优点在于通过在激活光纤中选择和搭配掺杂剂，可以消除或减少所述发射曲线的下降。

特别是，所述预定的波长段是在1530至1560nm之间，且最好是在1525至1560nm之间。

最好所述在0.5nm滤波宽度测得的光信/噪比大于15dB。

在一个优选实施例中，所述系统包括至少两个沿所述光纤线串联插入的激活光纤光放大器。

在本发明方法的一个优选实施例中，在光纤中掺杂剂的选择包括使用一种主荧光掺杂剂，以及至少一种辅掺杂剂，它与激活光纤玻璃基质中的所述主掺杂剂相互作用，用于把所述发射下降与在所述波段的至少一个相邻区中的发射值相比减小到1dB以下；最好选择铒(以氧化物形式)为主掺杂剂，而选择锗，铝和镧(分别是氧化物形式)作辅掺杂剂。

本发明第二方面涉及一种光通信方法，包括下列步骤：

——在一个波长段的预定波长产生至少一个光信号，

——将该信号供给光通信线路的光纤，

——通过至少一个激活光纤光放大器放大该光信号至少一次，以及

——通过一个接受器接收该信号，

其特征在于，所述放大器的至少一个的激活光纤包括一种主荧光掺杂剂，以及至少一种与激活光纤玻璃基质中的所述主掺杂剂相互作用的辅渗杂剂，对所述激活光纤光放大器中的所述预定的波长的光信号产生一个放大增益，其是在输入功率≤-20dB时测量的，该增益比在没有滤波器件时在所述波段中不同波长信号的相应增益小1.6dB。

根据第三方面，本发明方法的特征在于，不管是对于在所述波段中的一个单信号，还是在所述波段中的不同波长存在同时加到所述放大器的两个或更多的信号的情况，在一个0.5nm滤波宽度测量的接收器的光信/噪比不低于15dB。

特别是，本方法包括这样一个步骤，即通过沿所述光纤线串连插入的各个激活光纤光放大器，至少两次放大所述光信号。

在这样的通信方法中，所述激活光纤放大器包括一个具有掺铒作为主荧光掺杂剂的纤芯的激活光纤，该纤芯还至少掺有两种辅掺杂剂，后者与所述主掺杂剂相互作用，而且最好包括为各自氧化物形式的铝，锗，镧。

本发明第四方面涉及一种电信系统，它包括：

——一个在预定的波长段产生光信号的发射站，

——一个接收站，

——连接所述发送站和接收站的光纤，以及

——沿所述线串联的至少两个激活光纤光放大器，

它们相互操作地联结，从所述发送站向所述接收站发射所述光信号，其特征在于，至少所述光放大器中的一个包括一个具有至少掺一种主荧光掺杂剂和至少一种辅掺杂剂光纤芯的硅基激活光纤，他们以这样的方式相互操作地联结，即不管是对于在所述波段中的一个单信号，还是在所述波段中的不同波长存在同时把每个所述信号加于所述放大器的情况，在0.5nm滤波宽度测得的提供给接收站的光信/噪比不低于15dB。

最好所述主荧光掺杂剂是氧化物形式的铒，且所述辅掺杂剂是为各自氧化物形式的铝，锗，镧。

预定的传送波段最好在1530至1560nm之间。

根据本发明的光纤连接线最好包括沿所述线串联的至少三个光放大器，其中至少一个具有纤芯掺有分别为氧化物形式的铝，锗，镧和铒的激活光纤。

本发明第五方面涉及一种激活光纤光放大器，它包括：

——至少一根硅基激活光纤，

——所述激活光纤的激励装置，用于在激励波长提供光激励能量，

——在具有所述光激励功率和在预定传送波段的传送波长的一个或多个传送信号的所述光纤的耦合装置。其特征在于，所述激活光纤具有至少掺一种主荧光掺杂剂和至少一种辅掺杂剂的纤芯，它们之间的相互关系是在没有沿所述激活光纤插入滤波装置的情况下，在输入功率≤-20dB时所测得的在所述波段的两个不同传送波长的信号之间的最大增益变化低于2.5dB。

在所述放大器中，所述主荧光掺杂剂最好是氧化物形式的铒，而所述辅掺杂剂最好是分别为氧化物形式的铝，锗和镧。

特别是，所述激活光纤光放大器的发射曲线在所述预定波长段内与在所述波段的至少一个相邻区的发射值相比，没有高于1dB的下降，且最好不高于0.5dB。

所述预定发送波段是在1530至1560nm之间，而且最好是在1525至1560nm之间。

所述激活光纤最好具有大于0.15的数值孔径。

本发明的另一方面涉及一种激活光纤，特别涉及适用光通信放大器的光纤，其特征在于，该光纤具有大于0.15的数值孔径，而且具有一个至少掺一种主荧光掺杂剂和至少一种辅掺杂剂的掺杂纤芯，相互之间的(funotional relation)为这样一个程度函数关系，在有光激励能量供给光纤的情况下，所述光纤在预定波长段内的发射曲线与所述波段的至少一个相邻区中发射值相比没有高于1dB的下降，而且最好不高于0.5dB。

在所述激活光纤中，所述主荧光掺杂剂最好是氧化物形式的铒，而且所述辅掺杂剂最好是分别为氧化物形式的铝，锗和镧。

在一个最佳实施例中，光纤芯中表示为氧化物的镧的摩尔含量高于0.1％，而且最好是等于或高于0.2％。

纤芯中表示为氧化物的锗的摩尔含量最好是高于5％，而且纤芯中表示为氧化物的锗和镧含量的摩尔比介于10至100之间，而且最好是约50。

纤芯中表示为氧化物的铝的摩尔含量最好是高于1％，而且最好是高于2％。

纤芯中表示为氧化物的饵的摩尔含量最好介于20至5000ppm之间，而且最好在100至1000ppm之间。

光纤的数值孔径最好高于0.18。

接下来的详细叙述，将参照附图来进行，其中：

图1所示为一个放大器示意图；

图2所示为具有一个陷波滤波器的放大器的示意图；

图3所示为确定不同类型光纤频谱发射曲线的实验配置图；

图4所示为用图3中实验配置测量的不同类型激活光纤的频率发射曲线；

图5所示为图1中使用的根据本发明的光纤的放大器的增益曲线，示出了不同波长的信号以及不同输入功率的两个电平的增益曲线；

图6所示为图2中放大器使用根据本发明的光纤，以不同波长的信号和三种不同的输入功率的增益曲线；

图7所示为图2中放大器使用已知光纤，以不同波长的信号和三种不同输入功率的增益曲线；

图8所示为包括几个级联的放大器的发送实验图，其中在同一线路上复用了不同波长的两个信号；

图9所示为利用不同放大器在根据图8的实验中检测的BER(误码率)曲线；

图10所示为包括几个级联的放大器的发送实验图，其中在同一线路上复用了不同波长的四个信号；

图11所示为利用根据本发明的放大器，在图10实验中第一放大级的输入的信号功率电平；

图12所示为图10实验中第二放大级的输入的信号功率电平；

图13所示为图10实验中第三放大级的输入的信号功率电平；

图14所示为图10实验中第四放大级输入的信号功率电平；

图15所示为图10实验中前置放大器输入的信号功率电平；

图16所示为利用一种已知类型的放大器，在图10构形的实验中前置放大器输入的信号功率电平。

如图1所示，一种用作线放大器的放大器，包括一个掺铒激活光纤1和由二向色耦合器3连接的各自的激励激光器2，一个光隔离器4被安排在光纤1的上游，且在安放大的信号的路径方向上，而第二光隔离器5被安排在激活光纤本身的下游。

为方便起见，虽然不是必须的，但二向色耦合器3还是位于(如图示)激活光纤1的下游，因而给信号提供反向的激励能量。

放大器还包括一个第二掺铒激活光纤6，其通过一个二向色耦合器8与其激励激光器7相联，在图示的例子中也是通过反向激励相连；因此在光纤6的下游还有一个光隔离器9。

激励激光器2，7是量子#型激光器，具有以下特征：

——发射波长，λ_p＝980nm；

——输出端最大光功率Pu＝89mW。

上述类型的激光器例如可以是美国柏林顿北路37号莱塞特龙公司(LASERTRON INC.，37North Avenue，Burlington，MA(US))生产的。

二向色耦合器3，8是熔融光纤耦合器，在980nm为单模光纤，并且在1530-1560nm波长段中，根据极化的不同，输出光功率变化＜0.2dB。

上述类型的二向色耦合器是熟知的，并可在市场上买到，例如可以是美国公司和英国公司的产品(GOULD Inc.，Fibre Divi-sion，Baymeadow Drive，Gelm Burnie，MD(US)以及SIFAMLtd.，Fibre Optic Division，Woodland Road，Torquay，Devon(GB))。

光隔离器4，5，9是极化控制与发送信号的极化无关的隔离器，并具有大于35dB的隔离和低于-50dB的反射率。

这里用的隔离器是一种MDL I-15 PIPT-A S/N1016型式，可以从ISOWAVE，64Harding Avenue，Dover，New Jersey，US)买到。

如图2所示的示意图是放大器的另一种优选实施例，其中相应元件的参考数字与图1中的一致。

在这样的放大器中，其元件与上述的具有同样特征，陷波滤波器10包括具有两个光耦合的芯并在一个预定波长的  光纤，所述纤芯中的一个与所连的光纤同轴而另一个是偏心的并在端部截止，如同在此作为参照的专利EP441,211和EP417,441中所述。

这种滤波器的大小做成接入偏心的光纤芯中的一个波长(或波长段)处，该波长对应于放大器发射谱的一部分；偏心的光纤芯在端部截止可使在此传输的波长在光纤包层中扩散，从而它不再在主芯中再耦合。

在所示例子中，双芯滤波器10具有如下特征：

在第二芯中被耦合的波长段BW(-3dB)8-10nm滤波器长35mm

滤波器的大小做成使在所用激活光纤的发射峰处具有最大衰减。

另一种，在所进行的实验中可以选择使用具有下列数值的滤波器：

在λ_s1530nm处衰减  5dB或

在λ_s1532nm处衰减  11dB

这样的滤波器是为了减少特定波长区，特别是光纤发射峰的强度，从而在各个不同的波长获得尽可能稳定(或“平坦”)的放大器增益曲线。

这种要求在WDM通信中特别重要，其中要求每个信道都具有尽可能一致的放大条件。

在上述放大器中使用的不同类型的掺饵激活光纤要达到的组分和光学性能概括于表1。

                           表1光纤   Al₂O₃       GeO₂        La₂O₃      Er₂O₃      NA    λ_c

 wt％  (mol％)  wt％ (mol％)  wt％ (mol％)  wt％ (mol％)         nmA    4     (2.6)    18   (11.4)   1    (0.2)    0.2  (0.03)   0.219  911B    1.65  (1.1)    22.5 (14.3)   0    (0)      0.2  (0.03)   0.19   900C    4     (2.6)    18   (11.4)   0    (0)      0.2  (0.03)   0.20   1025D    4     (2.6)    0    (0)      3.5  (0.7)    0.2  (0.03)   0.19   900其中：

wt％＝纤芯中氧化物(平均)重量百分比

mol％＝纤芯中氧化物(平均)摩尔百分比

NA＝数字孔径(n1²-n2²)^1/2

λ_c＝截止波长(LP11截止)

组分分析由一个配有扫描电子显微镜(SEM Hitachi)的微探针在预件上(光纤拉制之前)进行。

分析是在沿直径并相隔200μm设置的离散点上在1300放大倍率下进行的。

所述光纤是在一个石英玻璃管中用真空敷涂技术制造的。

在所述光纤中，在纤芯中SiO₂基质加锗作掺杂剂是在合成步骤期间得到的。

在纤芯中加铒，铝和镧是通过“溶液掺杂”技术得到的，其中掺杂剂氯化物水溶液，在纤芯的合成材料处于微粒状态的时候，在预件变硬之前加入，并与之接触的。

关于溶液掺杂技术的更详细情况可以例如在US5,282,079中找到，这里引为参考。

光纤A相对于对照纤维具有较大的数值孔径值(NA)是受如下事实影响所致，即在制造纤芯过程中，省略了先前在制造光纤C(Al/Ge/Er)中所采用的试剂流的修改，特别是忽略了停止锗供应。

所以，随后的通过溶液掺杂加镧和铝导致纤芯的折射率值比预期的高，此外在下述的放大和传输方面还取得一些未预期的优点。

用于确定所用的光纤频谱发射的实验构形如图3所示，其中在激活光纤A，B，C，D中测得的频率发射曲线表示在图4中。

一个980nm的激励激光二极管11通过一个980/1550二向色耦合器12与激活测试光纤13相联；通过光学频谱分析器14检测光纤的发射。

激光二极管11的功率约为60mW(在光纤13中)。激活光纤13的和长度相应于对所用的激励功率的有效放大；对所有测试的光纤来说具有同样铒含量，他们的长度约为11m。

对于纤维中不同的铒含量可以通过采用本领域熟练人员熟知的标准来确定一个合适长度。

光学频谱分析器是TQ8345式，由日本公司生产的(ADVANTEST CORPORATION，Shinjuku-NS Bldg.2-4-Nishi-Shinjuku，Shinjuku-Ku Tokyo(JP))。

测量是在保持光纤被激励至980nm并检测光纤的自发发射频谱的情况下进行的。

所得结果示于图4，其中曲线15对应光纤A，曲线16对应光纤B，曲线17对应光纤C，曲线18对应光纤D。

由曲线表明，光纤B，C，D的发射频率在约1532.5nm处有一个最大强度主峰，以及在较长波长处有一个随后的高发射区，直到约1560-1565nm为止，包括第二较大地加宽峰。

比较曲线16和17(分别为光纤B和C)表明，光纤中较大的铝含量提高所述高发射区的电平；用镧替代锗(光纤D，曲线18)使得在1535-1560nm范围内仍可达到较高的电平。

另一方面，在所有的光纤B，C，D中在包括在主发射峰及相邻处以及第二发射峰之间的频谱区d内(处在约1535至1540nm之间)存在峰值的下降；在这样一个下降中，发射值比相邻区(指主峰和第二峰)中最高发射值低至少2dB，如图中所示仅在曲线16用h表示出，但可清楚地看到曲线17和18也相同。

相反，曲线15表明，在所示实验条件下，光纤A在d区没有表示出在频谱中的明显的下降(或者，在下降是可测的地方，该下降无论怎样都低于约0.5dB)。

利用光纤A，做出了图1和图2中所示结构的放大器。

分别在图1和图2的情况下，第一激活光纤1约8m长，而第二激活光纤6约15和13m长。

图5中所示为图1中放大器在两种不同输入功率电平时在不同波长处的增益曲线，而图6中所示是对三种不同输入功率电平在图2中所示放大器不同波长处的增益曲线。

特别是，图5中曲线19涉及-20dBm输入功率，而曲线20涉及图1中放大器的-25dBm输入功率。

同样，图6中曲线21涉及图2中放大器的-20dBm输入信号功率，曲线22涉及-25dBm输入信号功率，以及曲线23涉及-30dBm输入信号功率。

从这些图中可见，特别是通过比较曲线19和21，相应于通信特别感兴趣的-20dBm功率电平，两者在没有和有滤波器的情况下，使用具有掺除铒以外的铝，锗和镧的纤芯的光纤，能够得到大致平坦的增益曲线，特别是在1536至1540nm之间的区域，在没有滤波器时也能得到该结果。

特别是，在没有滤波器的情况下，在-20dBm功率电平时，在不同波长处信号间的增益差别低于1.6dB，而在有滤波器的情况下，在-20dBm时在不同波长处信号间的增益差别低于0.9dB。

图7所示是具有图2中所示结构由光纤C(Al/Ge/Er)制成的放大器在三种不同输入功率电平时在不同波长处的增益曲线。

特别是，图7中曲线24涉及-20dBm输入信号功率，曲线25涉及-25dBm输入信号功率，以及曲线26涉及-30dBm输入信号功率。

在-20dBm时，不同波长的信号间的增益差约为2.1dB。

通过比较看出，在没有滤波器的放大器中光纤A(Al/Ge/La/Er)也产生比设有滤波器的放大器中的光纤C(Al/Ge/Er)平坦得多的增益曲线。

利用由光结A(Al/Ge/La/Er)或光纤C(Al/Ge/Er)制成的图1和图2所示的放大器，进行几个放大器级联即串联的长距传送测试。所使用的一个实验配置如图8所示。

一个在波长λ₁＝1536nm的信号27，以及一个λ₂＝1556nm的第二信号28通过一个多路复用器30馈给光纤29。

一个衰减器31被放置在功率放大器32a的下游。其它相同的依次排列的衰减器31被安排在线路上，在接收器33之前沿着线路相继有四个放大器32，32′，32″，32。

接收器33前是一个光去复用器34，它包括一个在-3dB处具有1nm带宽的干涉滤波器，通过它选择检测的波长。

由各自的激光器产生信号27，28，均有0dBm功率；在光纤29中多路复用的总的功率是0dBm(为3dB耦合损耗的结果)。

多路复用器30是由美国公司(E-TEK DYNAMICSINC.，1885 Lundy Aven，San Jose，CA(US)生产的“1×2耦合器”。

功率放大器32a是一种纤维光学放大器，在市场可得到，并具有如下特点：

输入功率从-5至+2dBm

输出功率13dBm

工作波长  1530-1560nm

功率放大器没有陷波滤波器。

使用了可从申请人得到的一种TPA/E-12式放大器。该放大器利用了一种C型(Al/Ge/Er)掺铒激活光纤。

对功率放大器，意味着它是一个在饱和状态运行的放大器。其中输出功率取决于激励功率，对其详细的说明可参见欧洲专利EP439,867所述。

在第一衰减器31之后，在放大器32输入端，总的光功率约为-18dBm。

作为调节器31，使用了可以从加拿大公司(JDS FITELINC.，570 Heston Drive，Nepean(Ottawa)，Ontario((A))得到的一种Va5式，并且它们中的每一个相应于约100km的光纤提供30dB的衰减。

放大器32，32′，32″，32是相同的，而且它们中每个在+12dBm的总输出功率处对两个波长λ₁和λ₂提供约30dB的增益。

在波长λ₁＝1536nm时的信号27是一个以2.5Gbit/s直接调制的信号，它由DFB激光器产生，后者包括在SLX-1/16式SDH终端设备中，可以在市场上从荷兰公司(PHILIPS NEDERLANDBV，2500BV′S Grarenhage(NL))得到，构成接收器33。

在波长λ₂＝1556nm的信号28是一个具有0dB功率的连续信号(CW)，由一个MGO 948L3式DFB激光器产生，后者由日本公司(ANRITSU CORPORATION，5-10-27Minato-ku，Tokyo(JP))生产。干涉滤波器34是TB4500式，由前述提及的JDSFITEL公司生产。

实验1

在第一实验中，使用了具有图1中所示构造即设有陷波滤波器10的光纤A(Al/Ge/La/Er)的放大器。

实验2

在第二实验中，使用了具有图2中所示构造即有陷波滤波器10的光纤A(Al/Ge/La/Er)的放大器。

通过接收器33，对在λ₁(1536nm)波长处的信号根据平均接收功率的变化，测量误码率(BER)。

结果如图9所示，其中曲线35涉及实验1而曲线36涉及实验2。

如图9所示，尽管具有光纤A(Al/Ge/La/Er)且具有陷波滤波器的单个放大器的增益曲线与具有光纤A的但没有陷波滤波器10的增益曲线大体一致或甚至更平一些，但是在级联结构中在1536nm处信号似乎更不好，因为接收能量相等但误码率很高。

实验3

第二实验使用的构造如图10所示。在这一实验中，在波长λ₁＝1536nm，λ₂＝1556nm，λ₃＝1550nm和λ₄＝1544nm处的四个信号37，38，39，40通过一个波长多路复用器42馈给光纤41。

在路入口处的信号电平通过一个前置均衡器43调整；在一个功率放大器44之后，信号被传送给一根包括四个线路放大器45，45′，45″，45，的线路，在其间分别插入衰减器46，以便模拟各个光纤长度。

接收站由一个前置放大器47，一个光去复用器48和一个接收器49组成。

这些信号分别从DFB激光器以1536nm产生，直接以2.5Gbit/s调制，包括在构成接收器49的终端设备中；从由ANRITSU生产的连续发射型DFB激光器以1556nm产生；从由ANRITSU生产的连续发射型DFB激光器以1550nm产生；从一个HEWLETT PACKARD COMPANY，Rockwell，MD(US)公司生产的HP81678A型连续发射型的ECL激光器以预选到1544nm的可变波长产生。

前置均衡器43包括四个由JDS生产的可变衰减器43α，其衰减由各个信道的光功率而定。

多路复用器42是由1×4分路器制成，是由前述提及的E-TEK DYNAMICS公司生产。

功率放大器44是TPA/E-13型式，在市场上可从申请人处得到，并已作过描述。

放大器45，45′，45″，45是相互一致的，并在+12dBm的总输出功率时各提供约30dB的增益。

放大器45具有如图1所示的结构并采用了光纤A(Al/Ge/La/Er)。

衰减器46对应于约100km的光纤每个提供30dB的衰减。

光衰减器是VA5型式，由前述JDS FITEL公司生产。

前置放大器47是一种可从市场上得到的光前置放大器，具有如下特点：

增益         22dB

噪声系数     ＜4.5dB

输出功率从-26至-11dB

工作波长1530-1560nm

所使用的是可从中请人处得到的RPA/E-F型式；该放大器使用了激活光纤C(Al/Ge/Er)。

作为前置放大器，意味着在把信号送给接收装置之前，放大器接收具有很低强度(如-50dBm)的信号并放大，直至达到适合装置响应的功率电平为止。

光去复用器48包括一个波长可调的法布里-珀罗滤光器(Fabry-Perot＝filter)，在-3dB具有0.8nm带宽，其包括在前置放大器47中。

为完成实验，通过从发射机37产生的导频音把法布里-珀罗滤光器调谐到波长λ＝1536nm(作为临界波长)。

接收器49包括一个终端SDH装置，型号为SLX-1/16，可以从荷兰(PHILIPS NEDERLAND BV，2500BV′S Gravenhage(NL))公司买到。

图11至15所示为随后级中的信号过程，特别是，分别在放大器45，45′，45″和45，的输入端以及在前置放大器47的输入端的信号过程。

如图1所示，前置均衡器43在不同信道间施加了一个约7dB的最大启动预均衡；这样一个预均衡是为了补偿在级联放大器中较低波长处产生的饱和效应。

预均衡以这样的方式进行，即可以对前置放大器47的引出端的光信/噪比(S/N)进行均衡。

在随后的放大级中，可以看出由于上述饱和现象，在具有较小波长区域的增益曲线的一个降低，而每个信道的光信/噪比至到前置放大器47的引出端为止都保持很高(S/N≥15dB且Δλ＝0.5nm)。

在利用根据图2中具有C型激活光纤和一个陷波滤波器的放大器所完成的相应实验中，发现在1536nm和1544nm处的信号功率的一个很大的下降，以及在不同信道之间的光信/噪比极不平衡，从图16中的曲线看得很明显，所示为在前置放大器输入端不同信道的功率；发现对一个信道在约1540nm波长处会更为不利。

在这种情况下，预均衡能限制不同信道间的不平衡(其中一些相对其它的，特别是在约1535至1540nm之间的那些)；然而，通过这样的均衡，对在感光趣的波长段中所有信号不能总保持一个合意的信/噪比；实际上，为了能对各信道预均衡，应该对最感兴趣的信道＝(1550和1556nm)给一个很高起动衰减，这将导致一个很低的信/噪比值(在8-10dB)，从而使信号本身不能正确接收。

和使用具有一个陷波滤波器和Al/Ge/Er光纤的放大器相比得到的更好结果，是因为以下事实，即光纤A具有一个实际上消除了下降或大量局部最小值的发射曲线，而且特别是在1535-1540nm范围内与发射峰相邻的波长内避免了一个最小值。

事实上，当处于不同波长处的几个信号同时馈给光纤时，在发射曲线中(在比较光纤频谱中更明显)出现一个下降或局部最小值的情况，使得相应于所述下降的一个波长的一个信号比在相邻范围波长的信号有一个较小程度的放大。

由上所述，在邻近范围的波长的更大的信号放大，减少了给信号本身的激励能量，该信号在一个低输出值饱和(即放大后其电平不再依赖于其输入值，仅依赖于光纤中可得到的激励功率)，从而增大了不同信号间的电平差别。

在有级联放大器的情况下和在WDM传输中，这种现象在每一级都被增加，这被认为是检测到的不均匀的响应，是不能通过上述预均衡等补偿。

已经注意到上述现象发生在发射曲线的下降处的信号由于在邻近下降曲线波长的信号增益的竞争，虽然对于这些波长来说发射值可能完全等于或低于所述下降的发射值，而对于处在有用波段范围内波长的信号来说，却不发生这种现象(至少不会到同样的程度)。

根据本发明，在Al/Ge/Er光纤中加入镧，虽然不能根据可得到的关于Al/La/Er和Al/Ge/Er光纤的资料作出预见，但却意外地能消除这样的局部发射最小值。

实际上，Al/La/Er光纤和Al/Ge/Er光纤在1535-154nm区域都有一个很大的发射下降，由此可见这些已知光纤的特性不具备Al/Ge/La/Er光纤的各种有用特点，但是这样的光纤能够进行放大的波长多路复用传转。

根据另一个并且更重要的方面，意外地发现，在一个高发射区内存在一个峰值的情况下，临近所述峰值的所述下降的出现或者任何时候都与邻近区域有函数(负的)关系的存在，这是在所述下降中信号的信/噪比值不足的原因，并且发现，激活光纤能内在地消除或减少这样一个下降，它能通过具有一个或多个放大器的WDM传输系统，来解决这个问题。

因此，根据本发明，发明激活光纤，其掺杂剂给出一条在波长段中具有相对高的值的发射曲线，在与所述其余区域(那将在光纤本身中在波长多路复用的所述波段中的不同波长的通信信号产生一个很大增益差别)有函数关系的所述波长段中的一个区域内基本上没有局部下降，它将使得特别适用于包括至少串联两个光放大器的放大器，由于使用波分多路复用信号，提供很高的性能。

另一方面，根据本发明，发现这里涉及的传输系统中的信/噪比控制，不仅可以利用滤波器或者采用限制传输带宽(可以避免包括不需要的波长区域)获得，而且还可通过在放大器的激活光纤芯中选择掺杂剂和配料而获得，这样尽管在所述波段中存在一个发射峰，但发射曲线在足够宽的滤段范围内(即，在1525-1560nm，或至少在1530-1560nm范围内)被绘制，使该发射曲线在发射曲线的一个或更多特别区域中不会出现不利的信号的放大。

如上所述，函数关系意味着在邻近所述下降的区域中的较大发射的存在，特别是发射峰的存在，以及在所述相邻区域中信号的存在，对与所述下降相应的波长的信号的放大会产生不利。

在一个波长段中具有一个相对高的发射(或频谱)曲线，意味着在一个给定的波长段，最好在1525至1560nm之间，激励光纤显示出一个超过这一波段以外的发射的发射，用于在所述波长段中放大信号；作为一个标志，这一区域被识别为包括在两端值之间的区域，在两端处的发射比在间隔或波段内(最好在间隔的一个实际上恒定的区域)包括的波长处低3dB。实际上，这样一个波段相应于能够进行有用放大的波段。

发射峰意味着在一个波长范围内的发射比在这一范围以外区域频谱中的要高很多，从而对于以在这一范围以内和以外的波长，馈给光纤的信号，产生各种特性。

大增益差意味着例如在所述波段中(以等于或低于-20dBm的输入功率)，在很需要的波长与不很需要的波长之间增益差别高于2dB。

发射曲线的局部下降意味着有一个第二发射最小值的所述波段中的波长范围，所述最小值比所述范围任一端点的发射值低并具比相邻波长范围中最大发射值低一个预定数量的值(特别是在低于此下降的波长的铒的主发射峰以及在较高波长处的第二发射峰；本发明的目的是使所述预定下降量的值高于0.5dB，特别是高于1dB，从而产生显著效果。

已经发现，在用于有几个级联放大器系统的一个线路放大器中，使用一个陷波滤波器，虽然能够通过对单个放大器产生一个大致平坦的增益曲线而限制主发射峰的强度，但不能避免以上所述现象。

实际上，一个陷波滤波器，在包括用几个级联放大器构成一个以低波长在特定波段区的衰减元件时，其作用不可避免地延伸到发射曲线的下降区域；这样一个衰减作用除了发生上述饱和现象外，还对在这样一个下降或局部最小值中一个波长的信号产生更不利的影响。

利用等效滤波装置衰减或限制在所述主峰的发射如在上述提及的EP426,222中的，其作用似乎没有很大差别。

本发明纤芯中镧的摩尔含量最好是高于0.1％，而锗的摩尔含量高于5％，Ge/La比率最好是保持在50，无论怎样也应在10至100之间。

在纤芯中有镧的情况下，使得能在光纤中加入更多的锗和铝，从而可以得到一个高数字孔径(高于0.18且最好至少等于0.2)，这对放大效率很有利并在波段中产生更稳定的响应。

此外，在有镧的情况下，使得能在光纤中增加铒的含量而不产生集结现象；铒的含量可以在20至5000ppm之间，或者最好在100至1000ppm之间。

虽然详述了关于在线路放大器中的使用，根据本发明的光纤也可以适合于在前置放大器中的使用，即用在对接收一个很低强度(如-50dB)的信号放大的放大器中，并在该信号被送给接收装置之前放大。

另外注意到，虽然已叙述的两级光放大器使用了两个相继的且分立的激活光纤激励部分，根据本发明，也可制作单级放大器，例如，在前述专利EP426,222和EP439,867中所示结构图以及相互型号不同的放大器，如单级和两级放大器，都可以单个和以同样连接使用。

另外，根据具体要求，在两级放大器中它们的一个可以单独由本发明的光纤制成。

另一方面，本领域熟练人员在考虑上述问题时，将能确定具体的动作条件和具体的掺杂剂含量而达到想要达到的目的。

在本发明的范围内，本领域熟练人员，在操作含有在所需波长范围内作为荧光性的一种主掺杂剂(在所涉及通信领域最好是铒)与以叠加或交替方式相互作用的第二掺杂剂相混合的光纤时，能够确定具体的掺杂剂或混合剂以及相关配置，从而获得光纤发射曲线中的变化，以及放大器和因此作成的放大系统(激光器，光学回转仪等等，以及包括它们的传输，通信或测量系统)的相应性能，从而获得关于在所需波段中信/噪比的所需性能。

在对申请人特别感兴趣的专门领域中，研究仅限于铒作为主荧光掺杂剂，以及在光纤中加入氧化物形式的Ge，Al，La作为辅掺杂剂，因为这一研究结果已足以解决具体的技术难题。

本发明中所述内容将用于本领域普通技术人员解决他们可能与本发明所述的相似或不同的难题，条件是他们具有同样的技术背景，通过研究各种具体的掺杂剂或者它们特别的配置，如这里实验的和所述的那样，实施或使用各结果与使用的手段之间的同样的功能关系。

奉劝本领域熟练人员不要放弃单一掺杂剂或组合掺杂剂达到联合它们的目的，虽然当分别考虑时，它们在包括它们的系统中信/噪比结果不好，但它们的组合将有更好的结果，如果发明所述明显看到的那样。

Claims (26)

1.一种光通信系统，用于在一个预定波长段，控制接收端光信/噪比，而传送光信号，包括：

一个光发射器(27，28；37-40)，

一个光接收器(33，34；47-49)，

一条连接所述发射器和接收器的光纤线路(29；41)，以及

至少一个沿所述线插入的激活光纤光放大器(32a，32-32；44，45-45)，

其中所述激活光纤是一种硅基光纤(1，6；13)，它包括铒作为主掺杂剂，并且表现出一种发射曲线，该曲线在包含于所述预定波长段的波长范围内具有一个发射区，在其中存在一个相对于在所述波段中相邻区域的一个发射下降，其特征在于，包括铝、锗和镧作为激活光纤中的辅掺杂剂，以消除或减少发射曲线的所述下降。

2.一种根据权利要求1的光通信系统，其特征在于，所述预定的波长段在1525至1560nm之间。

3.一种根据权利要求1的光通信系统，其特征在于，在0.5nm滤波宽测量时，所述光学信/噪比大于15dB。

4.一种根据权利要求1的光通信系统，其特征在于，所述系统包括至少两个沿所述光纤线路串联插入的激活光纤光放大器。

5.一种根据权利要求1的光通信系统，其特征在于，相对于所述波段中至少一个相邻区域中的发射值，所述下降被减小到低于1dB的值。

6.一种硅基激活光纤(1，6，13)，特别是用于光通信放大器，它具有大于0.15的数值孔径，所述光纤具有掺有铒作为主荧光掺杂剂的纤芯，其特征在于，在有供给光纤本身的发光泵浦能量的情况下，在1535至1540nm波长范围中所述光纤的发射曲线基本上没有下降，所述纤芯还包括铝、锗和镧作为辅掺杂剂。

7.一种根据权利要求6的激活光纤，其特征在于，所述发射曲线在所述波长范围中相对于相邻所述波段至少一个波长范围中发射值具有不高于1dB的下降。

8.一种根据权利要求7的激活光纤，其特征在于，所述发射曲线在所述波长范围中相对于相邻所述波段至少一个波长范围中发射值具有不高于0.5dB的下降。

9.一种根据权利要求6的激活光纤，其特征在于，所述主荧光掺杂剂是以氧化物形式掺进光纤中。

10.一种根据权利要求6的激活光纤，其特征在于，所述辅掺杂剂是分别以各自氧化物形式掺入光纤中。

11.一种根据权利要求10的激活光纤，其特征在于，在光纤芯中表示为氧化物的镧的摩尔含量高于0.1％。

12.一种根据权利要求11的激活光纤，其特征在于，在光纤芯中表示为氧化物的镧的摩尔含量等于或高于0.2％。

13.一种根据权利要求10的激活光纤，其特征在于，在光纤芯中表示为氧化物的锗的摩尔含量高于5％。

14.一种根据权利要求13的激活光纤，其特征在于，光纤芯中表示为氧化物的镧含量与锗含量之间的摩尔比在10到100之间。

15.一种根据权利要求14的激活光纤，其特征在于，光纤芯中表示为氧化物的镧含量与锗含量之间的摩尔比约为50。

16.一种根据权利要求10的激活光纤，其特征在于，光纤芯中表示为氧化物的铝的摩尔含量高于1％。

17.一种根据权利要求16的激活光纤，其特征在于，光纤芯中表示为氧化物的铝的摩尔含量高于2％。

18.一种根据权利要求9的激活光纤，其特征在于，光纤芯中表示为氧化物的铒的摩尔含量在20至5000ppm之间。

19.一种根据权利要求18的激活光纤，其特征在于，在光纤芯中表示为氧化物的铒的摩尔含量在100至1000ppm之间。

20.一种根据权利要求6的激活光纤，其特征在于，光纤的数值孔径高于0.18。

21.一种激活光纤光放大器，包括：

至少一根根据权利要求6到20中任一项的硅基激活光纤(1，6，13)，

所述激活光纤的激励装置(2，7；11)，用于以一个激励波长提供光激励功率，

在具有所述光激励功率与包括在预定传输波长段内传输波长的一个或多个传输信号的所述激活光纤的耦合装置(3，8；12)，

其特征在于，所述激活光纤的所述掺杂剂的相互间的函数关系选择，使得在0.5nm滤波宽测量时，对在预定传输波段波长的信号，在放大器输出端的信/噪比不低于15dB。

22.一种根据权利要求21的激活光纤光放大器，其特征在于，所述预定的传输波段包括在1525至1560nm之间。

23.一种根据权利要求21的激活光纤光放大器，其特征在于，所述激活光纤的所述掺杂剂以相互间的函数关系选择，使得在没有与所述激活光纤相联的滤波器件的情况下，在所述波段中不同传输波长的两个信号之间的最大增益变化，以输入功率≤-20dB测量低于2.5dB。

24.一种根据权利要求21的激活光纤放大器，其特征在于，它包括两个分别设有激励装置的硅基激活光纤(1，6)。

25.一种通信系统，包括：

发送站，在包括大约1535-1540nm波长范围的预定波长段中产生至少两个不同波长的光信号，至少一个所述信号波长包含在所述大约1535-1540nm范围，

接收站，

所述发送站和接收站之间的光纤连接线路，以及

至少一个根据权利要求21至23中任一项的激活光纤光放大器，沿所述线路串联连接，互相有效连接用于从所述发送站向所述接收站传送所述光信号。

26.根据权利要求25的通信系统，其特征在于，至少两个光放大器沿线路串联连接。

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