CN113612106B - 一种推挽式光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种推挽式光放大器，其中：所述推挽式光放大器包括首尾相连且推挽工作的主光放大单元和副光放大单元，它们构成一个有增益的光环形腔，通过调整工作点使得对于待放大的低功率小信号的放大倍数小，并对于待放大的高功率大信号的放大倍数大；在小信号工作时，副光放大单元工作于大增益状态，有效地稳定了主光放大单元的工作点，确保输出光信号的光平稳定，并有效抑制自发辐射噪声引起的随机起伏；在大信号工作时，副光放大单元工作在小增益状态，有效地减少了主光放大单元的增益饱和现象，放大倍数大于小信号时的放大倍数，提高了输出光信号的幅度消光比。

Description

一种推挽式光放大器
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种推挽式光放大器。
背景技术
光放大器是光通信系统、光传感系统以及光信号处理的最基本器件，已经大量商用。光放大器包括集总式放大器和分布式放大器两类，其中集总式放大器主要是光纤放大器和半导体光放大器，光纤放大器又包括掺铒光纤放大器、镱铒共掺光纤放大器以及掺其它元素的光纤放大器。
从实用角度看，分为功率放大器、低噪声前置放大器以及中继器放大器等。
所有的放大器，其基本原理是基于增益介质中光子受激辐射形成的同态光子的放大，也就是基于粒子数反转原理实现的光放大。假定基态的光子数浓度为N1，激发态光子数浓度为N2，要实现光放大必须N2大于N1，如果没有外界光子注入，那么激发态的粒子很容易自发跃迁到基态，所以这时的自发辐射噪声最大。
另一方面，当有光信号注入放大器时，激发态的粒子有一部分会转化为同态光子，实现光放大，噪声相对会减小。然而，由于放大器的增益饱和效应，致使小信号注入时，放大倍数高，而大信号注入时，放大倍数低。
这就意味着，输入信号的高光平即“1”信号，得不到足够的放大，而低光平即“0”信号却得到了较大的放大，再叠加上小信号时的大背景噪声，从而使放大器的输出信号的消光比大大恶化。这个问题是一个普遍性的问题，无论是光纤放大器还是半导体光放大器，效果都是一样的。
针对现有的光放大器(含光纤放大器和半导体光放大器)的噪声问题以及放大过程消光比下降的问题，本发明提出了一种新的推挽式结构，克服这些问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种推挽式光放大器，以解决抑制光放大器噪声和解决增益饱和带来的消光比下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种推挽式光放大器，其中：
所述推挽式光放大器包括主光放大单元和副光放大单元，通过调整副光放大单元的工作点，使得所述推挽式光放大器对于待放大的低功率小信号的放大倍数小，并对于高功率大信号的放大倍数大。
所述主光放大单元与副光放大单元首尾相连，构成一个有增益的光环形腔；
通过调整副光放大单元的工作点，在小信号工作时，副光放大单元工作于大增益放大状态，在大信号工作时，副光放大单元工作于小增益状态。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元处于放大状态时，副光放大单元处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元处于放大状态时，主光放大单元对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
所述主光放大单元与副光放大单元之间分别插入一波分复用器和一波分解复用器；
所述主光放大单元后接第一光隔离器，且所述副光放大单元后接第二光隔离器。
优选的，所述主光放大单元和副光放大单元为光纤放大器。
优选的，所述主光放大单元和副光放大单元为半导体光放大器。
优选的，所述主光放大单元为光纤放大器，且所述副光放大单元为半导体光放大器。
优选的，所述主光放大单元为半导体光放大器，且所述副光放大单元为光纤放大器。
优选的，所述副光放大单元前端设有光衰耗器。
优选的，通过调节所述光衰耗器的衰耗，调节推挽式光放大器的工作点。
优选的，当所述主光放大单元和/或所述副光放大单元为半导体光放大器，通过调节注入所述半导体光放大器的工作电流，来调节推挽式光放大器的工作点。
优选的，当所述主光放大单元和/或所述副光放大单元为光纤放大器，通过调节所述光纤放大器的泵浦激光器的工作电流，调节推挽式光放大器的工作点。
优选的，所述推挽式光放大器输出端连接有一输出光滤波器
本发明的技术效果和优点，该推挽式光放大器：
1、采用两个放大单元的首尾连接和推挽工作，有效地稳定了放大器的工作点，确保输出光信号的光平稳定；
2、由于工作点非常稳定，可以有效抑制自发辐射噪声引起的随机起伏，抑制了噪声的影响，从而提高了输出光信号的信噪比；
3、采用推挽式的结构，使得小信号时放大倍数小，大信号时放大倍数大，有效地抑制了由于放大器增益饱和现象引起的光信号消光比恶化，提高输出光信号的幅度消光比；
4、推挽式放大器的工作点调节，可以通过调节半导体光放大器的注入电流，或者调节光纤放大器泵浦激光器的电流，进行灵活调节。
附图说明
图1为本发明推挽式光放大器的结构原理图；
图2为普通光放大器的放大特性图；
图3为本发明推挽式光放大器的工作特性图。
图中：1、主光放大单元；2、副光放大单元；3、波分复用器；4、波分解复用器；5、输出光滤波器；6、第一光隔离器；7、第二光隔离器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-3中所示的一种推挽式光放大器，其中：
所述推挽式光放大器包括主光放大单元1和副光放大单元2，通过调整副光放大单元2的工作点，使得所述推挽式光放大器对于待放大的低功率小信号的放大倍数小，并对于高功率大信号的放大倍数大。
在小信号工作时，副光放大单元2工作于大增益放大状态，有效地稳定了主光放大单元1的工作点，确保输出光信号的光平稳定，并有效抑制自发辐射噪声引起的随机起伏，对于待放大的信号处于接近闭锁的状态；在大信号工作时，副光放大单元2工作于小增益状态(接近闭锁的状态)，有效地减少了主光放大单元1的增益饱和现象，放大倍数大于小信号时的放大倍数，提高了输出光信号的幅度消光比。
所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器，设激光频率为λ2。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
为了将待放大的波长为λ1的光信号进行放大，在主光放大单元1与副光放大单元2之间分别插入一个波分复用器3和一个波分解复用器4。
为了保证推挽式光放大器构成的谐振腔能够单向工作，在所述主光放大单元1后接第一光隔离器6，且所述副光放大单元2后接第二光隔离器7。
最后，在所述激光器输出端连接有一个输出光滤波器5。
以下是本发明推挽式放大器的原理说明：
图2是一个普通光放大器的输入功率与输出功率之间的放大特性曲线，由图2可以得知，在小信号时曲线斜率大，在大信号时曲线斜率小，表明小信号增益大，大信号增益小。
当有两个不同波长的信号同时接入光放大器的输入端时，需要先将两个输入信号功率叠加后，再获得输出，写成公式为：
Figure GDA0003735741720000051
其中：Pin(λ1),Pin(λ2)是两个波长的注入功率，Pout是总的输出功率，G0是放大器的小信号增益，G是当前的放大倍数，Psat是放大器的饱和输出功率。
对于单个波长的信号来说，可写为：
P1out＝GPin(λ1)，P2out＝GPin(λ2) (2)；
其中：P1out和P2out是波长λ1和λ2光单独输出的功率。
Figure GDA0003735741720000052
当两光路入射功率不变，单独进入放大器时，增益分别为G10和G20，输出光功率分别为P1out(0)和P2out(0)，则(2)式可进一步写为：
Figure GDA0003735741720000053
显然，P1out＜P1out(0)，P2out＜P2out(0)，这表明另一个波长光的引入，总是单个波长光的放大特性曲线向下方运动。
图3是推挽式光放大器的工作特性曲线，图3中曲线显示的只是激光频率波长λ2的特性，待放大的波长为λ1的光信号已经被波分复用器3和波分解复用器4滤出，在副光放大单元2中已不存在。
则，根据公式(4)，主光放大单元1对于波长λ2的放大倍数，随着λ1注入功率的增大而下降。
在图3中：
曲线C1为主光放大单元1对λ2波长光的输入输出特性曲线，C21和C22分别表示副光放大单元2对应于λ1波长小信号输入和大信号输入时的特性曲线。
Figure GDA0003735741720000061
分别表示主光放大单元1的λ2波长光的输入、输出光功率。
Figure GDA0003735741720000062
分别表示副光放大单元2的λ2波长光的输入、输出光功率。
由于
Figure GDA0003735741720000063
所以它们标注在一起。
曲线C21与曲线C1相交时，有两个交点：O点和A1点。
可以证明，交点O是不稳定点，任何微小扰动都可以使推挽式光放大器的工作点从O点运动到A1点。而A1点是稳定的，在A1点处任何扰动虽然可以使其偏离该点，但经过一段时间又会自动恢复到A1点。
这表明，此时推挽式光放大器只能工作在A1点处。
当存在噪声时，由于工作点A1是稳定点，当噪声不太大时，它会自动恢复到A1点，由此表明推挽式光放大器对噪声有较强抑制作用，也就是在没有波长为λ1的光信号注入时，自发辐射噪声会很小。
A1点与O点的连线为L1，它的斜率即为该点的放大倍数。由图3可见，它的斜率相对于L2是比较小的，所以对于波长为λ1的小信号的放大倍数较小。
当输入λ1的光信号是一个大信号时，即对应于数字通信的“1”信号时，副光放大单元2的特性曲线变为C22，注入主光放大单元1λ2的功率迅速降低，这时推挽式光放大器的工作点将从A1点移动到A2点，A2点与O点的连线为L2，其斜率比连线L1要大得多，因此，对λ1信号光的放大倍数迅速增加，因此对于“1”信号的放大倍数很大。
由此表明，利用推挽式光放大器可以克服一般放大器的消光比恶化，并有效地抑制噪声。
实施例1：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
为了将待放大的波长为λ1的光信号进行放大，在主光放大单元1与副光放大单元2之间分别插入一个波分复用器3和一个波分解复用器4。
为了保证推挽式光放大器构成的谐振腔能够单向工作，在所述主光放大单元1后接第一光隔离器6，且所述副光放大单元2后接第二光隔离器7。
最后，在所述激光器输出端连接有一个输出光滤波器5。
在本实施例中，主光放大单元1和副光放大单元2为光纤放大器，通过调节副光放大单元2光纤放大器的泵浦激光器的工作电流，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
实施例2：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
为了将待放大的波长为λ1的光信号进行放大，在主光放大单元1与副光放大单元2之间分别插入一个波分复用器3和一个波分解复用器4。
为了保证推挽式光放大器构成的谐振腔能够单向工作，在所述主光放大单元1后接第一光隔离器6，且所述副光放大单元2后接第二光隔离器7。
最后，在所述激光器输出端连接有一个输出光滤波器5。
在本实施例中，主光放大单元1和副光放大单元2为光纤放大器，并在副光放大单元2前端设置光衰耗器，通过调节所述光衰耗器的衰耗，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
本实施例2与实施例1的区别在于，本实施例2在副光放大单元2前端设置光衰耗器。
实施例3：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
为了将待放大的波长为λ1的光信号进行放大，在主光放大单元1与副光放大单元2之间分别插入一个波分复用器3和一个波分解复用器4。
为了保证推挽式光放大器构成的谐振腔能够单向工作，在所述主光放大单元1后接第一光隔离器6，且所述副光放大单元2后接第二光隔离器7。
最后，在所述激光器输出端连接有一个输出光滤波器5。
在本实施例中，主光放大单元1和副光放大单元2为半导体光放大器，通过调节注入副光放大单元2半导体光放大器的工作电流，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
实施例4：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
为了将待放大的波长为λ1的光信号进行放大，在主光放大单元1与副光放大单元2之间分别插入一个波分复用器3和一个波分解复用器4。
为了保证推挽式光放大器构成的谐振腔能够单向工作，在所述主光放大单元1后接第一光隔离器6，且所述副光放大单元2后接第二光隔离器7。
最后，在所述激光器输出端连接有一个输出光滤波器5。
在本实施例中，主光放大单元1和副光放大单元2为半导体光放大器，并在副光放大单元2前端设置光衰耗器，通过调节所述光衰耗器的衰耗，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
本实施例4与实施例3的区别在于，本实施例4在副光放大单元2前端设置光衰耗器。
实施例5：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
在本实施例中，主光放大单元1为光纤放大器，且所述副光放大单元2为半导体光放大器。
通过调节注入副光放大单元2半导体光放大器的工作电流，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
实施例6：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
在本实施例中，主光放大单元1为光纤放大器，且所述副光放大单元2为半导体光放大器，并在副光放大单元2前端设置光衰耗器，通过调节所述光衰耗器的衰耗，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
本实施例6与实施例5的区别在于，本实施例6在副光放大单元2前端设置光衰耗器。
实施例7：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
在本实施例中，主光放大单元1为光纤放大器，且所述副光放大单元2为光纤放大器。
通过调节副光放大单元2光纤放大器的泵浦激光器的工作电流，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
实施例8：
参见图1-3，所述主光放大单元1与副光放大单元2首尾互相连接，构成一个有增益的光环形腔，从而成为一个激光器。
两个光放大单元推挽工作，即主光放大单元1处于放大状态时，副光放大单元2处于接近闭锁的状态；而当副光放大单元2处于放大状态时，主光放大单元1对于待放大的信号光处于接近闭锁的状态。
在本实施例中，主光放大单元1为光纤放大器，且所述副光放大单元2为光纤放大器，并在副光放大单元2前端设置光衰耗器，通过调节所述光衰耗器的衰耗，能够达到调节推挽式光放大器工作点的目的。
本实施例8与实施例7的区别在于，本实施例8在副光放大单元2前端设置光衰耗器。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种推挽式光放大器，其特征在于：
所述推挽式光放大器包括首尾相连且推挽工作的主光放大单元(1)和副光放大单元(2)；
所述主光放大单元(1)与副光放大单元(2)之间分别插入一波分复用器(3)和一波分解复用器(4)；
所述主光放大单元(1)后接第一光隔离器(6)，且所述副光放大单元(2)后接第二光隔离器(7)；
通过调整副光放大单元(2)的工作点，在小信号工作时，副光放大单元(2)工作于大增益放大状态，在大信号工作时，副光放大单元(2)工作于小增益状态。
2.根据权利要求1所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：所述主光放大单元(1)和副光放大单元(2)为光纤放大器。
3.根据权利要求1所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：所述主光放大单元(1)和副光放大单元(2)为半导体光放大器。
4.根据权利要求1所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：所述主光放大单元(1)为光纤放大器，且所述副光放大单元(2)为半导体光放大器。
5.根据权利要求1所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：所述主光放大单元(1)为半导体光放大器，且所述副光放大单元(2)为光纤放大器。
6.根据权利要求1所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：所述副光放大单元(2)前端设有光衰耗器。
7.根据权利要求6所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：通过调节所述光衰耗器的衰耗，调节推挽式光放大器的工作点。
8.根据权利要求3或4或5所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：当所述主光放大单元(1)和/或所述副光放大单元(2)为半导体光放大器，通过调节注入所述半导体光放大器的工作电流，调节推挽式光放大器的工作点。
9.根据权利要求2或4或5所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：当所述主光放大单元(1)和/或所述副光放大单元(2)为光纤放大器，通过调节所述光纤放大器的泵浦激光器的工作电流，来调节推挽式光放大器的工作点。
10.根据权利要求1所述的一种推挽式光放大器，其特征在于：所述推挽式光放大器输出端连接有一输出光滤波器(5)。
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