CN113906691A - 用于水下光学中继器的光纤泵浦激光器系统和方法 - Google Patents

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克里斯蒂亚诺·莫纳塔
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Abstract

公开了一种光学通信系统。该光学通信系统可以包括：第一光纤泵浦激光器系统，具有被配置为输出第一泵浦激光辐射的第一单模(SM)光纤输出端；第二光纤泵浦激光器系统，具有被配置为输出第二泵浦激光辐射的第二SM光纤输出端；至少一个合束器‑分束器元件，被配置为将第一泵浦激光辐射和第二泵浦激光辐射合束，并且传输N个部分的泵浦激光辐射；以及N个掺杂光纤放大器，其中N至少为四，每个掺杂光纤放大器被配置为接收N个部分的泵浦激光辐射中的一个部分的泵浦激光辐射和要放大的输入光学信号，将输入光学信号放大为经放大的光学信号，并且传输经该放大的光学信号。

Description

用于水下光学中继器的光纤泵浦激光器系统和方法
技术领域
本技术领域大体上涉及光纤泵浦激光器系统在水下光学中继器中的使用。
背景技术
光放大器或中继器是直接在光域中放大光学信号而不将光学信号转换成对应电信号的设备。光放大器广泛应用于光学通信领域，包括海底光纤光学通信系统。对于长距离光学通信，例如，大于数百公里，必须周期性地放大光学信号以补偿数据信号衰减的趋势。
一种类型的光放大器是诸如掺铒光纤放大器(EDFA)之类的掺杂光纤放大器(即，光学光纤放大器)。在操作中，要放大的信号和泵浦光束被多路复用到掺杂光纤中。泵浦束激发掺杂离子，并且通过受激掺杂离子的光子受激发射来实现信号的放大。
海底光纤光学电缆由多个双向光纤对组成。在常规海底光纤电信传输中，每个双向光纤对由一对泵浦激光器泵浦的两个放大器提供服务，如图1的示意图所示。将每个泵浦激光器的输出合束，然后使用3dB定向耦合器进行分束，并且3dB耦合器的每个输出端用于泵浦其中一个放大器。因此，进入每个放大器的泵浦光是泵浦激光器A和泵浦激光器B输出的50∶50组合，它们是单模激光二极管。这种配置包括冗余方案，由此单个泵浦激光器故障不会导致信号通过放大器丢失。在一个二极管出现故障的情况下，每个放大器的泵浦功率减少一半。系统仍然可以运行，但代价是放大器以降低的增益、更高的噪声系数(NF)运行，并且会表现出增益倾斜。用于诸如水下光学通信之类的高可靠性应用的泵浦激光器在远低于其最大值的水平下操作，以延长其操作寿命。因此，当一个激光二极管发生故障时，剩余工作泵浦激光器的输出不能提高到它们相应功率容量的100％，以补偿不工作的泵浦激光器的损失，同时也不会缩短它们相应的操作寿命。因此，降低的增益、更高的NF和不期望的增益倾斜不会得到缓解，并且会损害性能。因此，为了在放大器的操作寿命内限制此类损害的数量，泵浦激光器所需的可靠性水平非常高。
通信技术的不断创新增强了这些系统在数据传输速度以及传输数据总量方面的能力。随着这些能力的提高，对额外通信能力的需求也增加，这又促进了提供额外能力的需要。对于海底光学光缆系统，这需要增加双向光学光纤对的数量。然而，整个电缆的电力必须沿着电缆传输，因此容纳越来越多的光学光纤对的能力可能受到有限量的可用功率的阻碍。
此外，简单地增加中继器主体的尺寸不仅需要对更大的中继器主体进行处理、集成和测试的程序修改，而且对于设计成运输、存储和部署中继器主体的现有系统来说也是有问题的。例如，增加中继器主体的长度将导致较长的中继器主体不能正确地接触用于从电缆敷设船部署电缆的现有电缆卷筒的表面。
因此，一直需要一种能够使用相同数量的可用功率来放大增加数量的光纤对，并且不会超过现有中继器尺寸的水下光学中继器。
发明内容
各方面和实施例涉及用于使用光纤泵浦激光器系统提高单级EDFA的可靠性并增强包括EDFA的光学中继器的性能的方法和系统。
根据一个方面，提供了一种光学通信系统。光学通信系统包括：第一光纤泵浦激光器系统，具有被配置为输出第一泵浦激光辐射的第一单模(SM)光纤输出端；第二光纤泵浦激光器系统，具有被配置为输出第二泵浦激光辐射的第二SM光纤输出端，其中第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统包括至少两个激光二极管、光学耦合到至少两个激光二极管的有源光纤、以及设置在至少两个激光二极管与有源光纤之间的多模(MM)无源光纤；至少一个合束器-分束器元件，被配置为将第一泵浦激光辐射和第二泵浦激光辐射合束，并且传输N个部分的泵浦激光辐射；以及N个掺杂光纤放大器，其中N至少为4，并且每个掺杂光纤放大器被配置为接收N个部分的泵浦激光辐射中的一个部分的泵浦激光辐射和要放大的输入光学信号，将输入光学信号放大为经放大的光学信号，并且传输该经放大的光学信号。
在一个示例中，每个激光二极管被配置为提供大约1瓦的功率。在另一示例中，光学通信系统还包括控制器，该控制器被配置为控制至少两个激光二极管，使得每个激光二极管提供1/3至1/2瓦的功率。在另一示例中，第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统被配置为提供至少2瓦的输出功率。在又一示例中，第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统被配置为操作以使得每个光纤泵浦激光器系统提供小于1瓦的输出功率。
在一个示例中，第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统还包括设置在MM无源光纤与有源光纤之间的输入无源光纤，MM无源光纤具有锥形自由端，该锥形自由端具有与输入无源光纤的输入端的模场直径(MFD)相匹配的模场直径(MFD)。在另一示例中，第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统还包括输出SM无源光纤，该SM无源光纤耦合到有源光纤的输出端并且被配置为输出相应的第一泵浦辐射和第二泵浦辐射。在另一示例中，MM无源光纤、输入无源光纤和有源光纤由光子晶体光纤构成。
在一个示例中，第一光纤泵浦激光器系统被配置为以大约978nm的波长输出第一泵浦辐射，而第二光纤泵浦激光器系统被配置为以大约983nm的波长输出第二泵浦激光辐射。在另一示例中，第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统包括N个激光二极管。
在一个示例中，光学通信系统还包括N个波分复用(WDM)耦合器，每个WDM耦合器位于至少一个合束器-分束器元件与N个掺杂光纤放大器中的掺杂光纤放大器之间，并且被配置为将输入光学信号和N个部分的泵浦激光辐射中的一个部分的泵浦激光辐射耦合到输出端，该输出端被提供给N个掺杂光纤放大器中的掺杂光纤放大器。
根据另一方面，提供了一种用于在光学通信系统中提供光纤激光泵浦信号的方法。该方法包括：提供第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统，该第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统包括至少两个激光二极管、光学耦合到至少两个激光二极管的有源光纤、以及设置在至少两个激光二极管与有源光纤之间的多模(MM)无源光纤；从相应的第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统生成单模(SM)第一泵浦激光辐射和第二泵浦激光辐射；将SM第一泵浦激光辐射和SM第二泵浦激光辐射合束以形成经合束的泵浦激光辐射；将经合束的泵浦激光辐射进行分束以形成N个部分的泵浦激光辐射，其中N至少为四；以及将要放大的输入光学信号和泵浦激光辐射的每一部分引导到掺杂光纤放大器，该掺杂光纤放大器被配置为接收输入光学信号和泵浦激光辐射的该部分，并且将输入光学信号放大为经放大的光学信号。
在一个示例中，该方法还包括控制至少两个激光二极管，使得每个激光二极管提供1/3至1/2瓦的功率。在另一示例中，该方法还包括控制第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统以提供小于1瓦的输出功率。
在一个示例中，该方法还包括提供具有锥形自由端的MM无源光纤，该锥形自由端具有与输入无源光纤的输入端的模场直径(MFD)相匹配的模场直径(MFD)，该输入无源光纤具有熔接到有源光纤的输出端。
在另一示例中，该方法还包括提供作为光子晶体光纤的MM无源光纤、有源光纤和输入无源光纤。
在另一示例中，该方法还包括提供至少一个合束器-分束器元件，该合束器-分束器元件被配置为执行合束和分束，该方法还包括将由相应的第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统生成的SM第一泵浦激光辐射和SM第二泵浦激光辐射耦合到至少一个合束器-分束器。
根据另一方面，提供了一种用于掺铒放大器的水下光纤泵浦激光器系统，该掺铒放大器被配置为放大光纤光学海底通信系统中的输入光学信号。水下光纤泵浦激光器系统包括：多模(MM)尾纤二极管激光模块，该多模尾纤二极管激光模块包括：封装在壳体中的N个激光二极管，其中N至少两个，并且N个激光二极管可操作以第一波长生成泵浦光，以及输出MM光纤，与N个激光二极管光学耦合，并且被配置为具有锥形自由端的光子晶体光纤；以及掺镱光纤放大器，被配置为放大泵浦光，并且具有无源输入端和无源输出端，该无源输入端熔接到输出MM光纤的锥形自由端，掺镱光纤放大器可操作以比第一波长长的第二波长生成经放大的泵浦光，并且从无源输出端输出经放大的泵浦光。
在一个示例中，提供了一种包含至少四个水下光纤泵浦激光器系统的光学中继器。在另一示例中，四个水下光纤泵浦激光器系统中的两个水下光纤泵浦激光器系统被配置为泵浦被光学耦合到在第一方向上传播的输入光学信号的四个掺杂光纤放大器，并且四个光纤泵浦激光器系统中的另外两个光纤泵浦激光器系统被配置为泵浦被光学耦合到在与第一方向相反的第二方向上传播的输入光学信号的四个掺杂光纤放大器。
根据另一方面，提供了一种光学中继器。光学中继器包括：放大器托盘组件，具有配置有至少一个凹部的表面，该凹部的尺寸被设计成接收增益块模块；多个光纤泵浦激光器系统，每个光纤泵浦激光器系统包括：多模(MM)尾纤二极管激光模块，具有N个激光二极管，其中N至少为两个，并且N个激光二极管可操作以第一波长生成泵浦光，以及输出MM光纤，光学耦合到N个激光二极管，并且被配置为具有锥形自由端的光子晶体光纤；以及掺镱光纤放大器，被配置为放大泵浦光，并且具有无源输入端和无源输出端，该无源输入端熔接到输出MM光纤的锥形自由端，该放大器可操作以生成比第一波长长的第二波长的经放大的泵浦光，并且从无源输出端输出；以及激光器托盘组件，具有配置有多个凹部的表面，每个凹部的尺寸被设计成容纳多个光纤泵浦激光器系统中的一个光纤泵浦激光器系统。
在一个示例中，光学中继器还包括至少一个增益块模块，该至少一个增益块模块包括多个增益块组件，每个增益块组件包括输入端、输出端和设置在输入端与输出端之间的掺铒(Er)光纤，该输入端光学耦合到至少一个光纤泵浦激光器系统的无源输出端。在另一示例中，掺镱光纤放大器的无源输出端被包括在SM传输光纤中，并且激光器托盘组件的表面包括多个通道，该多个通道的尺寸被设计成容纳至少一个SM传输光纤。
在一个示例中，光学中继器还包括附接到放大器托盘组件的相对端部的光纤引导组件，每个光纤引导组件包括引导通道，该引导通道被配置为耦合到多个通道中的至少一个通道并且耦合到多个增益块组件中的至少一个增益块组件的输入端。
在另一示例中，光学中继器还包括设置在放大器托盘组件与激光器托盘组件之间的导热陶瓷构件。
在另一示例中，光学中继器还包括印刷电路板，该印刷电路板具有相对的外表面，并且被配置为使得多个光电检测二极管设置在相对外表面中的一个上，并且相对外表面中的一个设置在激光器托盘组件的表面上。在又一示例中，放大器托盘组件、激光器托盘组件、多个光纤泵浦激光器系统、至少一个增益块模块、光纤引导组件、导热陶瓷构件和印刷电路板形成掺铒光纤放大器(EDFA)模块的至少一部分，并且光学中继器被配置为包括以三角形配置布置的三个EDFA模块。在又一示例中，每个EDFA模块包括四个光纤泵浦激光器系统和具有八个增益块组件的增益块模块，EDFA模块被配置为使得四个光纤泵浦激光器系统中的两个泵浦八个增益块组件中的四个，并且四个光纤泵浦激光器系统中的另外两个光纤泵浦激光器系统泵浦八个增益块组件中的另外四个。
在一个示例中，光学中继器包括至少一个输入端，该至少一个输入端被配置为容纳至少12对输入信号光学光纤。
在一个示例中，光学中继器具有至少14dB的增益和+17dB的输出功率。
下面详细讨论其他方面、实施例以及这些示例方面和实施例的优点。此外，应当理解，前述信息和以下具体实施方式均仅仅是各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特征的概述或框架。本文公开的实施例可以与其他实施例组合，并且对“实施例”、“示例”、“一些实施例”、“一些示例”、“替代实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”、“至少一个实施例、“该实施例和其他实施例”、“某些实施例”等的引用不一定是相互排斥的，并且旨在指示所描述的特定特征、结构或特性可以被包括在至少一个实施例中。这些术语在本文中的出现不一定都指代相同的实施例。
附图说明
下面参考不旨在按比例绘制的附图讨论至少一个实施例的各个方面。包括附图以提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且附图被并入并构成本说明书的一部分，但不旨在作为任何特定实施例的限制的定义。附图与说明书的其余部分一起用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在图中，各个图中所示的每个相同或几乎相同的部件由相同的数字表示。为清楚起见，并非每个部件都会在每个图中标出。图中：
图1是为光学光纤放大器提供泵浦功率冗余的常规泵浦装置的示意图；
图2A是根据本发明的一个或多个方面的具有合束器-分束器元件的一个配置的光学通信系统的一个示例的示意图；
图2B是根据本发明的一个或多个方面的具有合束器-分束器元件的不同配置的图2A的光学通信系统；
图3是根据本发明的一个或多个方面的光学通信系统的另一示例的示意图；
图4是根据本发明的一个或多个方面的光学通信系统的又一示例的示意图；
图5是图2A的光学通信系统的一部分的光学示意图；
图6是根据本发明各方面的光纤泵浦激光器系统的一个示例的光学示意图；
图7A是根据本发明各方面的光纤泵浦激光器系统的光纤部分的示意图；
图7B是根据本发明各方面的光纤泵浦激光器系统的光纤部分的另一示意图；
图8A是根据本发明各方面的光子晶体光纤的一个示例的横截面示意图；
图8B是根据本发明各方面的光子晶体光纤的另一示例的横截面示意图；
图9是跨越图8的光子晶体光纤的直径的折射率分布的示意图；
图10A是根据本发明各方面的光学中继器的第一示例中使用的一对增益块模块和托盘组件的一侧的透视图；
图10B是插入到托盘组件中的图10A的该对增益块模块的透视图；
图11是根据本发明各方面的光学中继器的第一示例中使用的印刷电路板的透视图；
图12是图10A的托盘组件的第二侧的透视图；
图13是与图12的托盘组件一起定位的图11的印刷电路板的透视图；
图14A是与图10B的托盘组件一起定位的光纤引导组件的透视图；
图14B是陶瓷板和与图13的托盘组件一起定位的光纤引导组件的透视图；
图14C是图14A的陶瓷板和光纤引导组件的透视图；
图15是根据本发明各方面的光学中继器的第一示例的一部分的透视图；
图16是根据本发明各方面的光学中继器的第一示例的截面图；
图17是根据本发明各方面的光学中继器的第一示例的透视图；
图18是结合一个隔板和整理器端板的图17的光学中继器的透视图；
图19是根据本发明各方面的定位在圆形套管内的光学中继器的完全组装的第一示例的透视图；
图20示出了根据本发明各方面的具有增强的可靠性的光学通信系统的示例操作；
图21A是根据本发明各方面的光学中继器的第二示例中使用的增益块模块和托盘组件的一侧的透视图；
图21B是插入到托盘组件中的图21A的增益块模块的透视图；
图22是根据本发明各方面的光学中继器的第二示例中使用的印刷电路板的透视图；
图23是具有图22的印刷电路板的图21A的托盘组件的第二侧的透视图；
图24是光学中继器的第二实施例中使用的托盘组件的局部剖切透视图；
图25A是光学中继器的第二示例的一部分的一侧的透视图；
图25B是图25A的光学中继器的一部分的相对侧的透视图；
图26A是从光学中继器的第二示例的一侧观察的透视图；
图26B是从另一侧截取的图27A的光学中继器的透视图；以及
图27是光学中继器的第二示例的一端的透视图。
具体实施方式
本文公开的系统和方法适用于光学信号的长距离传输，并且被配置为提供用于放大输入光学信号的泵浦功率。泵浦功率由光纤泵浦激光器系统提供，该光纤泵浦激光器系统包括激光二极管泵浦源和光纤谐振器(有源光纤)。多个激光二极管泵浦源可以一起复用到光纤谐振器，这允许将激光二极管的数量增加到任何所需的数量。与图1所示的其中两个激光二极管泵浦两个放大器的系统相反，本文描述的光纤泵浦激光器系统增加了光学通信系统的可靠性(和冗余)，因为一个激光二极管的损失导致放大器泵浦功率的更少损失。例如，代替每个双向光纤对具有其自己的一对泵浦，本文提出的泵浦方案允许泵浦以泵浦多个双向(或单向)对。根据一个示例，所公开的系统可以提供能够泵浦四个放大器的两个光纤泵浦系统(如图2A和图2B所示并且在下面进一步讨论)。对于具有两个光纤泵浦激光器系统的根据本发明教示的提议系统，每个光纤泵浦激光器系统配置有泵浦N个放大器的N/2个二极管，一个二极管的故障导致每个放大器损失1/N泵浦功率。此外，为了恢复全泵浦功率，余泵必须将其泵浦功率增加1/(N-1)％。随着N变大，单个故障的影响会减小，并且恢复全泵浦功率所需的每个其余激光二极管所需的功率也会减小。这允许其余工作泵浦激光二极管以低于其相应功率容量的100％操作，这不会影响其操作寿命。
提议的泵浦方案易于扩展，因此随着光纤数量的增加，泵浦功率可以增加，而不会显著影响光纤泵浦或中继器的占有面积。这意味着中继器主体的尺寸不必随着更多放大容量的增加而增加，因此可以用于现有的电缆卷筒和配置成部署电缆的电缆敷设船使用的其他部件。
与现有海底中继器相比，使用本文公开的光纤泵浦激光器系统的光学中继器能够使用相同量的可用功率放大更多对的光纤。此外，所公开的光学中继器的尺寸不超过现有海底中继器的尺寸。
根据本发明各方面的光学通信系统的一个示例在图2A中描绘的示意性表示中通常以100示出。系统100包括至少一个光纤泵浦激光器系统110，并且图2A中所示的示例包括用110a和110b指示的两个光纤泵浦激光器系统，但是应当理解，具有多于两个光纤泵浦激光器系统的系统也在本发明的范围内。系统100还包括至少一个合束器-分束器元件132，在图2A的示例中被配置为包括合束器-分束器元件132a、132b和132c的合束器-分束器元件130的阵列。系统100还包括N个掺杂光纤放大器120，其中N＝4，并且对于图2A中所示的示例被描绘为120a、120b、120c和120c。与光纤泵浦激光器系统的数量一样，应当理解，取决于系统的配置，掺杂光纤放大器的数量可以大于4。
第一光纤泵浦激光器系统110a和第二光纤泵浦激光器系统110b中的每个光纤泵浦激光器系统被配置为具有各自输出相应的第一泵浦激光辐射和第二泵浦激光辐射的相应的单模(SM)光纤输出端119a和119b。如本文所使用，术语“模式”是指导模，而单模光纤是主要设计为支持单模的光学光纤，而多模光学光纤主要设计为支持基模和至少一个更高阶的模式。如本文所使用，术语“单模”和“多模”是指横模。
图6中示出了光纤泵浦激光器系统110的一个示例的光学示意图。图6中所示的配置示出了端部泵送配置，但是侧部泵送配置也在本发明的范围内。光纤泵浦激光器系统110包括设置在壳体中的激光二极管模块107，该壳体包括具有至少两个激光二极管1121和1122的辐射源，并且可以包括多达j个激光二极管(112j)。激光二极管112的数量可以取决于一个或多个因素，包括特定应用(例如，海底中继器要覆盖的距离)、激光二极管的功率容量输出和期望的冗余水平。根据一个实施例，光纤泵浦激光器系统110包括两个激光二极管。在其他实施例中，光纤泵浦激光器系统110具有多于两个的激光二极管。根据一些实施例，光纤泵浦激光器系统110可以包括N/2个激光二极管，其中N的值至少为4，并且可以被2整除。如将理解，激光二极管的数量可以按比例调整以对应于期望的泵浦功率。
每个激光二极管1121至112j输出光，该光经由物镜117聚焦到二极管模块输出光纤115的上游端。根据各方面，激光二极管模块107与二极管模块输出光纤115的组合被称为作为多模(MM)尾纤二极管激光模块。二极管模块输出光纤115将从二极管模块107发射的光导向输入无源光纤118，该输入无源光纤包括高反射镜8，该高反射镜是增益块的一部分，该增益块还包括有源光纤114和写入输出无源光纤119的部分反射镜9。
根据一个实施例，每个激光二极管112可以被配置为提供大约1瓦的功率(即，最大功率)。然而，在实际操作期间，激光二极管112可以被配置为输出小于最大功率，诸如1/3至1/2瓦的功率。例如，控制器160(如图2A中所示)可以控制激光二极管112以小于最大可能输出功率的100％操作，如上所述，这保持了激光二极管的操作寿命。每个激光二极管112被配置为以能够被有源光纤114的纤芯中的活性掺杂剂吸收的波长发射多模(MM)激光辐射。在使用镱掺杂有源光纤114的纤芯的情况下，激光二极管112可以发射910nm到950nm波长范围内的光，并且根据一些实施例，激光二极管112发射915nm到925nm波长范围内的光。
控制器160可以包括具有反馈和控制电路的一个或多个处理器以测量或以其他方式确定每个激光二极管112的输出功率并提供对每个激光二极管的输出的反馈控制。因此，控制器160能够确定激光二极管何时发生故障，并且因此可以相应地做出响应(例如，增加其余激光二极管的输出)。
光纤泵浦激光器系统110的二极管模块输出光纤115被设置在激光二极管112与增益块的输入无源光纤118之间，该增益块还包括有源光纤114。由具有掺有镱(Yb)离子(在一些情况下，可能与铒(Er)共掺杂)的纤芯的光纤部分形成光纤泵浦激光器系统110的有源光纤114。光纤泵浦激光器系统110还包括设置在有源光纤114的任一端的输入无源光学光纤118和输出无源光学光纤119，每个光纤分别与布拉格反射光栅8和9一体化。如本领域技术人员将理解，反射光栅8和9用作激光谐振腔镜，并且限定光纤泵浦激光器系统110的输出波长。光纤布拉格光栅8被配置为高反射光纤布拉格光栅(HR FBG)，而光纤布拉格光栅9被配置为部分反射光纤布拉格光栅(PR FBG)。
根据一个实施例，二极管模块输出光纤115被配置为多模(MM)无源光纤。来自激光二极管模块107的物镜117的输出光束由来自激光二极管1121至112j的空间复用的单独光束组成。这种MM激光二极管输出辐射被发射到MM无源光纤115的上游(或输入)端，包层直径的大小基本上与MM激光二极管的输出光束的横向和侧向宽度相匹配。如图7A中所示，MM无源光纤115被配置有锥形自由端116(下文进一步讨论)，该锥形自由端的直径小于上游或输入端的直径。MM无源光纤115的绝热锥形自由端116的输出直径被配置为使得模场直径(MFD)与熔接到MM无源光纤115的输出端的输入无源光纤118的包层的横截面相匹配。
作为整体结构，MM无源光纤115的纤芯和包层在沿光纤纵轴观察时被配置为单个瓶颈形横截面。相应纤芯和包层的横截面包括尺寸均匀的输入端区域和中间区域，以及尺寸较窄的输出端区域(即，在锥形端部)。尺寸均匀的输入区域和中间区域的纤芯具有大于输出端区域的纤芯的直径。如图7A中所示，截头圆锥输出区域桥接中间区域和输出区域。MM无源光纤115的包层可以具有与纤芯的横截面互补的横截面(如图7A中所示)，或者可以具有均匀的横截面。根据某些方面，瓶颈形状的端部区域可以显著短于中间区域并且其尺寸被设计成防止非线性效应的表现。
无源输入光纤118的输入(上游)端对接熔接到MM无源光纤115的锥形自由端116，并且无源输入光纤118的输出(下游)端对接熔接到有源光纤114，如图7A中所示。输入无源光纤118被配置有SM纤芯和MM包层，其中HR FBG 8被写入SM纤芯中。有源光纤114(也称为有源放大光纤)被配置有SM纤芯和MM包层。通过MM无源光纤115传播的MM辐射穿过无源输入光纤118的MM包层，并且通过拼接区域传播到有源光纤114，其中如本领域技术人员所理解，有源光纤114的MM包层引导MM泵浦辐射，并且SM纤芯沿着有源光纤114的长度吸收MM泵浦辐射。输出无源光纤119被配置有SM纤芯并且也可以被称为光纤泵浦激光器系统110的SM传输或输出光纤。SM输出光纤119对接熔接到有源光纤114的输出端。在有源光纤114的MM包层中传播的其余MM泵浦辐射被耗散到有源光纤114与SM输出光纤119之间的拼接区域，而SM泵浦辐射通过这些光纤之间的拼接区域传播，使得SM辐射从光纤泵浦激光器系统110输出。
输入无源光纤118、有源光纤114和输出无源光纤119的SM纤芯被配置为彼此光学匹配以达到使光损耗最小化的目的。无源光纤118和119以及有源光纤114被配置有基本上彼此匹配的相应MFD。有源光纤114的纤芯的尺寸被设计成使得输入无源光纤118支持的SM光的MFD与有源光纤114的MFD基本匹配。类似地，有源光纤114的MFD与SM输出光纤119的MFD基本匹配，使得通过光纤114与119之间的对接拼接区域传播的光不会损失任何实质性的功率。
几何形状，即输入无源光纤118、有源光纤114和输出无源光纤119的纤芯和包层的横截面，也被配置为彼此匹配。如图7A中所示，有源光纤114的纤芯和包层的直径与无源输入光纤118和输出光纤119的纤芯和包层的直径相匹配。执行对接拼接使得光纤118和119的SM纤芯与有源光纤114的SM纤芯对齐。还如图7A中所示，MM无源光纤115的纤芯和包层的直径经由瓶颈形状逐渐变细以与无源SM光纤118的纤芯和包层的相应直径相匹配。因此，有源光纤114的输入端和输出端被配置为与无源输入光纤118的输出端和SM输出光纤119的输入端在几何和光学(MFD)上相匹配。
光纤泵浦激光器系统110中使用的某些光纤被配置为光子晶体光纤(PCF)。特别地，MM无源光纤115、输入无源SM光纤118和有源光纤114被配置为PCF。
根据一个实施例，PCF光纤被配置为双包层PCF，在图8A中示出其一个示例横截面。第一包层104包围纤芯102，第二(气孔)包层106包围第一包层104。在一些实施例中，纤芯102由磷酸硅(SiO2-P2O5)制成，并且对于有源光纤114，纤芯掺杂镱，如前所述。在其他实施例中，纤芯是铝硅酸盐材料。第一包层104包括掺杂有诸如锗(Ge)、磷(P)、氟(F)等的一种或多种影响折射率材料以及这些元素的氧化物的石英。在一些实施例中，一种或多种降低折射率的材料(例如，Ge和/或P和/或其氧化物)用作第一包层104的石英(SiO2)的掺杂剂材料。执行掺杂使得第一包层104的折射率低于纤芯102的折射率。多个气孔形成第二包层106。气孔被配置为纵向对齐的充气毛细管，平行于纤芯102延伸。聚合物材料的外罩108包围第二包层106的气孔。图8A中示出的横截面是输入无源光纤118和有源光纤119的示例。
在图8B中示出形成MM无源光纤115的PCF光纤的横截面。MM纤芯101被气孔包层106包围，该气孔包层106本身由外罩108包围。
图9中示出了跨越有源PCF 114(和无源输入光纤118)的直径的折射率分布(理想化的)。光纤具有基座折射率分布，因为第一包层104的折射率低于纤芯区域102，而第二(气孔)包层106的折射率低于第一包层104和纤芯102。因此，折射率从纤芯向外到第一包层102和第二包层104以逐步方式逐渐减小。
图7B中所示的光学示意图是在光纤泵浦激光器系统110中使用PCF光纤时的一种示例配置。来自激光二极管112的MM光被发射到无源光纤115的纤芯101和包层106中。然后该MM激光二极管泵浦光被MM无源光纤115的包层引导到输入无源光纤118的包层中。如图7B中所示，MM无源光纤具有锥形自由端116，输出被配置为使得模场直径(MFD)与熔接到MM无源光纤115的输出端的输入无源光纤118的模场直径(MFD)相匹配。然后该MM泵浦辐射被引导到有源光纤114，在此处它被SM掺杂纤芯吸收。无源输出光纤119没有配置成PCF，因此从有源光纤114引导的其余MM辐射终止于无源输出光纤119的输入端，并且耗散到有源光纤114与无源输出光纤119之间的拼接区中。经由SM无源输出光纤119通过光纤泵浦激光器系统110传播的SM泵浦辐射由写入到无源输入光纤118、有源光纤114的HR FBG 8和写入到SM无源输出光纤119的PR FBG 9创建的法布里珀罗谐振腔生成。
PCF用于有源光纤114允许有源光纤114的长度比使用侧泵浦配置或端泵浦配置而不使用PCF的系统更短。除了提供更小的尺寸外，增益介质长度的减少增加了不合期望的非线性效应的阈值。
经由无源输出光纤119从光纤泵浦激光器系统110发射的光纤泵浦SM辐射可以是至少2瓦的功率。然而，在操作期间，光纤泵浦激光器系统110可以提供小于1瓦的输出功率。一个或多个控制器160(例如，图2A)控制光纤泵浦激光器系统110的功率输出。根据一个实施例，光纤泵浦激光器系统110在400mW到800mW输出功率范围内具有约20％的电光转化效率，并且具有更高的驱动电流，该值可以进一步增加。
与单独提供泵浦功率的激光二极管相比，例如光纤泵浦激光器系统110的泵浦中存在的光纤激光器的配置允许将泵浦波长的更高功率泵浦光学耦合到掺杂光纤放大器120(EDFA)的纤芯。MM光纤115能够引导具有更高光功率的泵浦光，然后将其作为高强度光传播到有源光纤114的纤芯中；从而增加由光纤泵浦激光器系统110提供的功率。用这种更高的泵浦功率端泵掺杂光纤放大器120的纤芯利于放大器的掺杂离子更有效的吸收，因此提供更大的放大容量(与单独的激光二极管相比)。因此可以在不改变泵所需的输入功率的情况下容纳更多的放大器，以及随后更多的(输入)光纤对。
光学通信系统100还包括至少一个合束器-分束器元件132，被配置为熔合光纤耦合器，该熔合光纤耦合器用作将由光纤泵浦激光器系统110a和110b传输的泵浦激光辐射合束并将合束光学信号分束成期望的部分。图2A中所示的示例具有合束器-分束器元件130的阵列，包括光学耦合到光纤泵浦激光器系统110a的输出光纤泵浦辐射119a和光纤泵浦激光器系统110b的输出光纤泵浦辐射119b的第一合束器-分束器元件132a。第一合束器-分束器元件132a将输出光纤泵浦辐射119a和119b(光学信号)合束并输出第一部分泵浦激光辐射125a和第二部分泵浦激光辐射125b。在一些实施例中，每个合束器-分束器元件132被配置为50/50耦合器，如本领域中已知。根据其他实施例，合束器-分束器132中的一个或多个合束器-分束器可以被配置为将泵浦激光辐射分束成不相等的部分。
第一部分泵浦激光辐射125a和第二部分泵浦激光辐射125b可以被引入到位于合束器-分束器元件132a下游的一对合束器-分束器元件132b和132c。在图2A所示的示例中，合束器-分束器元件132b被配置为分束器，接收第一部分泵浦激光辐射125a并将其分束以输出第三部分泵浦激光辐射126a和第四部分泵浦激光辐射126b。同样，合束器-分束器元件132c也被配置为分束器，接收第二部分泵浦激光辐射125b，该第二部分泵浦激光辐射分别被分束成第五部分泵浦激光辐射126c和第六泵浦激光辐射126d。第三泵浦激光辐射部分126a、第四泵浦激光辐射部分126b、第五泵浦激光辐射部分126c和第六泵浦激光辐射部分126d中的每个泵浦激光辐射部分分别用于泵浦光学通信系统100的N个掺杂光纤放大器120中的一个掺杂光纤放大器(在该示例中，分别为120a、120b、120c和120d)。
现在转向图2B，光学系统100与图2A中所示的相同，除了根据该示例，至少一个合束器-分束器元件132以2xN配置构造之外。2xN合束器-分束器光学耦合到光纤泵浦激光器系统110a的输出光纤泵浦辐射119a和光纤泵浦激光器系统110b的输出光纤泵浦辐射119b，并且输出N个部分的泵浦激光辐射(在本示例中为4个)126a、126b、126c和126d，然后分别用于泵浦掺杂放大器120a、120b、120c和120d。
光纤泵浦激光器系统110a和110b中的每个光纤泵浦激光器系统以适合泵浦掺杂光纤放大器120的波长输出泵浦辐射，该掺杂光纤放大器通常掺杂有铒。因此，光纤泵浦激光器系统110a和110b可以各自发射以大约980nm为中心的波长带中的泵浦辐射。根据至少一个实施例，光纤泵浦激光器系统110发射波长在975nm至985nm范围内的光。在一个实施例中，光纤泵浦激光器系统110发射波长在976nm到983nm范围内的光。
根据一些实施例，光纤泵浦激光器系统110a和110b可以被配置为输出不同波长的泵浦辐射。例如，光纤泵浦激光器系统110a可以被配置为输出大约978nm波长的泵浦辐射，并且光纤泵浦激光器系统110b可以被配置为输出大约983nm波长的泵浦辐射。取决于配置，一旦由至少一个合束器-分束器元件132合束，各部分泵浦激光辐射具有约980nm的波长。这也在图5的光学示意图中表示，图5是局部示意图。
系统100还包括N个波长选择耦合器150，图2A和图2B中所示的示例包括四个N波长选择耦合器150a、150b、150c和150d。每个波长选择耦合器150被定位在至少一个合束器-分束器元件132与掺杂光纤放大器120之间，并且被配置为将要放大的输入光学信号105和泵浦激光辐射126耦合到提供给掺杂光纤放大器120的输出中，使得输入光学信号105和泵浦激光辐射126可以同时通过掺杂光纤放大器120传播。例如，输入光学信号105a和部分泵浦激光辐射126a由光纤合束器150a耦合，并且指向掺杂光纤放大器120a。在至少一个实施例中，波长选择耦合器150被配置为本领域已知的波分复用器(WDM)耦合器。
掺杂光纤放大器120被配置为具有掺杂铒(Er)的纤芯的SM光纤，在一些情况下，可以与Yb共掺杂。尽管图中未具体示出，但来自WDM耦合器150的无源单模输入光纤熔接到掺铒光纤120的输入端，而无源SM输出光纤熔接到掺铒光纤120的输出端(从而形成增益块)。掺Er光纤120使用以980nm波长提供的泵浦激光辐射126放大输入光学信号105。根据一些实施例，EDFA具有至少+15dB的光功率输出，并且在一个实施例中是+17dB。
输入信号105具有宽带宽，例如40nm，并且根据一个示例，输入信号可以具有介于1528nm-1566nm之间的波长范围。因此，EDFA被配置为在至少30nm的光谱宽度上产生增益。
如本领域中已知，系统100还包括一个或多个光隔离器140。隔离器140可以被放置在EDFA 120的下游，以防止背向反射返回上游到放大器和/或激光二极管。如本领域中已知，一个或多个增益平坦滤波器(GFF)145也被包括在系统100中并且被定位于隔离器140的下游。GFF被放置在输出隔离器之后以便使增益谱平坦化。
放大的信号光经由传送或传输光纤155输出。EDFA增益块124(在图2A和图2B中每个示出为124a、124b、124c和124d)用以放大输入光学信号105，并且可以包括多路复用器150、掺杂光纤放大器120、隔离器140和GFF 145，其中传输光纤155作为增益块124的输出。
现在参考图5，示出了上面参考图2A描述的光学通信系统100的一部分的光学示意图。在某些实施例中，光纤泵浦激光器系统110a被配置为输出约978nm波长的泵浦辐射，并且光纤泵浦激光器系统110b被配置为输出约983nm波长的泵浦辐射。一旦由至少一个合束器-分束器元件132a合束，泵浦激光辐射具有约980nm的波长(假设50/50分束)。来自光纤泵浦激光器系统110a的具有功率Pa的泵浦激光辐射和来自光纤泵浦激光器系统110b的具有功率Pb的泵浦激光辐射在合束器/分束器132a处将泵浦激光辐射Pab合束，该泵浦激光辐射被分束成两个部分Pab/2(1)(并且在图5中示出为125a)和Pab/2(2)，它们各自以980nm的波长传播。因此光纤泵浦激光辐射部分125a具有Pab/2的功率，在分束器132b处再次被分束成另外两个部分Pab/4(1)(在图5中示出为126a)和Pab/4(2)，每个都具有980nm的波长和功率(假设50/50分束)，该功率是来自110a和110b的组合泵浦功率的四分之一。该泵浦辐射与输入信号105a一起被引入掺铒放大器120a，输入信号105a被放大，然后通过传输光纤155a输出。EDFA的增益可以在大约10-20dB的范围内，并且在某些情况下可以大于20dB。例如，在一个实施例中，EDFA的增益为22dB。
图2A和图2B的光学通信系统100被配置为双向的，使得由掺杂光纤放大器120中的一个接收的至少一个输入光学信号(例如，105a、105c)在第一方向上传播并且由另一个掺杂光纤放大器接收到的至少一个输入光学信号(例如，105b、105d)在第二方向上传播，该第二方向与第一方向不同，并且在一些情况下是相反的。根据其他实施例，光学通信系统可以被配置为单向的，分别如图3和图4的光学通信系统200和300所示。根据其他实施例，两个或更多个光学通信系统可以被包括在光学中继器中，其中一个系统放大来自一个方向的输入光学信号而另一系统放大来自不同方向的输入光学信号。例如，系统200和300都可以被包括在单个中继器中。因此，一对或一组光纤泵浦激光器系统将放大来自一个方向的输入信号，而第二对或第二组泵浦激光器系统将放大来自相反方向的输入信号。
根据本发明的另一方面，上述光学通信系统的部件可以被包括在水下光学中继器中。如上所述，光学中继器可以包括多个光纤泵浦激光器系统110和多个增益块组件124。在图10至图19示出了这种光学中继器的一个示例，其中图1755图19中示出了光学中继器1070的透视图。如下文进一步描述，图10至图14中所示的光学中继器的部件被配置为接收六对光纤，并且使用六个增益块模块放大其中包含的输入信号，每个增益块模块包括由两个光纤泵浦激光器系统泵浦的两个EDFA。具有6对光纤配置的光学中继器具有14dB的增益和+17dB的输出功率。然而，应当理解，基于本文的教示，被配置为接收多于六对光纤(包括12对、16对、18对、24对和更多对)的光学中继器也在本发明的范围内。例如，在图21至图27中示出具有12对光纤配置并根据本文所包括的教示构造的光学中继器。被包括在光纤泵浦激光器系统110中的激光二极管112的数量可以增加，和/或光纤泵浦激光器系统110的数量和/或中继器中每个EDFA模块的EDFA数量可以增加(下面进一步详细描述)以适应越来越多的光纤对。
现在参考图10A和图10B，与两个增益块模块1028结合来示出放大器托盘组件1072。放大器托盘组件1072具有带有多个凹部1075的第一侧或表面1074，每个凹部的尺寸被设计成容纳增益块模块1028。图10B示出了设置在相应凹部1075中的增益块模块1028。在该示例中，每个增益块模块1028包括如上所述的至少两个EDFA增益块组件124(图中未明确示出)。例如，每个EDFA增益块组件包括掺铒光纤120、隔离器140、GFF145和至少一个WDM150。增益块模块1028还包括如上所述的合束器-分束器元件132。
虽然图10A和图10B中所示的示例包括每个具有两个EDFA增益块组件的两个增益块模块，但是应当理解，他配置可以包括多于两个增益块模块和/或具有多于两个EDFA增益块组件的增益块模块。
在图11中示出了被包括在光学中继器中的印刷电路板1080。印刷电路板(PCB)1080具有相对的外表面1081a和1081b、以及设置在其中一个外表面上的多个光电检测二极管1083(在图11所示的特定示例中，光电检测二极管1083设置在外表面1081a)。光电检测二极管1083用于在放大之前检测输入信号105。
光学中继器还包括激光器托盘组件1073，被配置为保持上述光纤泵浦激光器系统110的部件，如图2所示的示例。激光器托盘组件1073的一侧或表面1076包括多个凹部1077，每个凹部的尺寸被设计成容纳光纤泵浦激光器系统110。多个通道1078也被设置在激光器托盘组件1073的表面1076中，并且这些通道1078被配置为容纳光纤泵浦激光器系统110的SM输送光纤119中的至少一个。通道1078的形状和尺寸可以被设计成不仅引导光纤并将其保持在通道内，而且防止对纤维产生不利影响。例如，通道1078可以成形为具有小于光纤的最大弯曲半径的角度和/或曲率半径。保持光纤泵浦激光器系统110的凹部1077也可以被布置成使得SM输送光纤119可以从两个(或更多在其他配置中)单独的光纤泵浦激光器系统110输出并且组合成单个通道。在该示例中，凹部1077均以一定角度布置。
光纤引导组件1084附接到放大器托盘组件1073的相对侧表面或端部的至少一部分，并在图14A至图14C中示出。光纤引导组件1084包括耦合到激光器托盘组件1073的表面1076上的通道1078的引导通道1086。光纤引导组件1084用于将SM输送光纤119(经由引导通道1086)引导到设置在放大器托盘组件1072的表面1074上的至少一个增益块模块1028。例如，光纤引导组件1084具有两个部分1084a和1084b(参见图14B和图14C)，每个部分被设置在放大器托盘组件1072的相对端上。部分1084a具有引导通道1086a以将包含光能的光纤从两个(或在其他配置中，更多个)相应的光纤泵浦激光器系统110引导到设置在放大器托盘组件1072的表面1074上的增益块模块1028中的至少一个。部分1084b具有类似布置。
图10A、图10B、图12和图14A至图14C中所示的布置被配置用于两个光纤泵浦激光器系统110以泵浦一个增益块模块1028(以及因此两个增益块组件124)。然而，根据本发明，他配置也是可能的，一个示例包括增益块模块1028，该增益块模块容纳由两个光纤泵浦激光器系统110泵浦的四个增益块组件124。
激光器托盘组件1073的表面1076还包括狭槽1079，如图13中所示，该狭槽用于容纳PCB 1080。在该示例中，狭槽1079形成激光器托盘组件1073的表面1076的纵向侧的外边界。PCB 1080的相对的外表面1081b(即，不包括光电检测器二极管1083的表面)可以抵靠激光器托盘组件1073的第二侧1076设置，并且因此在组装光学中继器时“覆盖”光纤泵浦激光器系统110。
光学中继器还包括导热陶瓷构件(也简称为“陶瓷构件”)，示例在图14B和图14C中示为1088。光纤引导组件1084a和1084b的每个部分也附接到陶瓷构件1088的端部，如图14C中所示。导热陶瓷构件1088在2018年4月6日提交的题为“SUBMARINE OPTICAL REPEATERWITH HIGH VOLTAGE ISOLATION”的共同拥有的共同待决的美国专利申请第62/653,980号中进行了描述，通过引用并入本文并被引用在本文称为“‘980申请”。陶瓷构件1088将放大器托盘组件1072与激光器托盘组件1073分开。陶瓷构件1088的纵向表面的一侧被设置为与保持增益块模块1028的放大器托盘组件1072的表面1074的相对侧相邻。陶瓷构件1088的纵向表面的相对侧被设置为与保持光纤泵浦激光器系统110的激光器托盘组件1073的表面1076的相对侧相邻。在一些情况下，相应放大器托盘组件1072和激光器托盘组件1073中的一个或两者直接附接到陶瓷构件1088。
如‘980申请中所解释，陶瓷构件1088是平面结构，用以将高压中继器与周围的水电隔离并且还将中继器与周围的水热耦合以使中继器的操作温度维持在可接受的温度范围内，即利于热量从中继器通过陶瓷材料传递到周围的水。陶瓷构件1088由具有相对高的热导率和相对高的介电常数的材料构成。这种材料的非限制性示例包括氮化铝和氧化铍。在实施例中，每个陶瓷构件1088可具有以下热导率：大于约25瓦/米-开尔文(W/m-K)；大于约50W/m-K；大于约100W/m-K；大于约125W/m-K；大于约150W/m-K；大于约175W/m-K；大于约200W/m-K；大于约250W/m-K；或大于约300W/m-K。在实施例中，每个陶瓷构件1088可以具有以下介电常数：大于约50千伏/厘米(kV/cm)；大于约75kV/cm；大于约100kV/cm；大于约125kV/cm；大于约150kV/cm；或大于约175kV/cm。
陶瓷构件1088的使用提供了比使用具有相对较低热导率的电绝缘体以将相对较高电压部件(诸如光学耦合器和电源电路)与相对较低接地电压的周围水隔离的现有光学中继器系统的显著改进。此类现有系统需要显著更大的表面积以有效消散由光学中继器生成的热量。
在图15中示出光学中继器1070的一部分，该部分包括放大器托盘组件1072、激光器托盘组件1073、PCB 1080、光纤引导组件1084和上述陶瓷构件1088。光学中继器1070还包括功率分配构件1082，该功率分配构件也在‘980申请中讨论过。功率分配构件1082用于向光学中继器1070的部件提供电力，包括光纤泵浦激光器系统110的二极管模块107。
在一些实施例中，陶瓷构件1088可以被布置(与其他部件一起)以形成三角形中空结构，如图16中所示的光学中继器1070的横截面图中所见。‘980申请中也讨论了这种类型的配置。三角形的每个“腿”以类似的方式构造并形成放大器或EDFA模块1098，包括陶瓷构件1088、放大器托盘组件1072(和内容物)、激光器托盘组件1073(和内容物)、PCB 1080、光纤引导组件1084、盖板1090(如下所述)和凸缘1095(如下所述)。如图16中所示，每个激光器托盘组件1073可以沿着外(纵向)边缘连接到另一个激光器托盘组件，但在替代配置中，连接器可以将一个托盘组件机械地耦合到另一个托盘组件。三角形结构的内部容积还包括配电构件1082。
还在图17中示出光学中继器1070的透视图。由导热材料构成的盖板1090附接到该结构的外表面，并且也在‘980申请中进行了描述。盖板1090有助于从设置在由陶瓷构件1088形成的中空三角形结构中、之上或周围的部件和/或电路传递热能，并且保持在周围环境的电势或电压下，例如，地电位。在图17所示的示例中，盖板1090附接到光纤引导组件1084和放大器托盘组件1072的表面1074，并且被定位成与形成三角形的一个“支腿”的每个EDFA模块1098的增益块模块1028相邻。盖板1090成形为由圆形套管或壳体(例如，图19的套管1097)接收，该圆形套管或壳体进一步包围光学中继器1070。例如，盖板1090的外表面可以是弯曲的。在各种实施例中，导热材料1090可以包括能够有效且高效地将热能从陶瓷构件1088传送到壳体1097的任何数量和/或组合的当前可用和/或未来开发的材料。在实施例中，盖板1090可以包括一种或多种导热和电绝缘材料，诸如氧化铝，和/或具有以下热导率的其他陶瓷材料：大于约25瓦/米-开尔文(W/mK)；大于约50W/m-K；大于约100W/m-K；大于约125W/m-K；大于约150W/m-K；大于约175W/m-K；大于约200W/m-K；大于约250W/m-K；或大于约300W/m-K。
盖板1090的外表面还包括沿光学中继器1070的纵向轴线的至少一部分定位的凸缘构件1095。凸缘构件1095用于将中继器1070定位并保持在圆形套管1097内的适当位置并且还将热量传递到外壳体1097(然后将热量传递到外部环境)。凸缘构件1095可由金属材料构成，诸如铜或铜合金，诸如铜铍。在一些情况下，凸缘构件1095可具有双凸缘布置，如图17中所示。
光学中继器1070还包括组织器端板1096，如图18中所示。组织器端板1096附接到光学中继器的一个端部并耦合到光纤引导组件1084和(三角形配置的每个“支腿”的)盖板1090，并且可以用于聚集来自每个EDFA模块1098的光纤并对它们进行布置以发送通过中继器的端部。光学中继器1070的两个端部还包括隔板1092，如图18和图19中所示。隔板1092可以包括端板(例如，参见图18)，并且用于将壳体1097(如下所述)与外部环境隔离。因此，隔板1092与壳体1097一起作用以形成压力容器，该压力容器容纳EDFA模块1098和配电构件1082，并且被设计成承受在海底环境中经受的高流体静压力。隔板1092还用于为从外部电缆馈送到压力容器内部的光学光纤和电源提供防水馈送(气密密封)(反之亦然)。
图19还示出了设置在圆形套管或壳体1097内的光学中继器1070，用于在安装和操作期间保护中继器。在一些实现方式中，壳体1097可以用于将光学中继器与外部环境密封式密封。壳体1097可由一种或多种金属构成，非限制性示例包括铝和/或含铝化合物、不锈钢、铍和/或含铍化合物、钛和/或含钛化合物，以及类似的材料。在实施例中，壳体1097可以具有等于或大于陶瓷构件1088的热导率。
图21至图27中示出了光学中继器的第二示例，具有图26A、图26B和图27中所示的光学中继器2070的透视图。根据该示例，光学中继器2070被配置为接收12光纤对并放大其中包含的输入信号。在中继器内，12对光纤被分成3组，每组4对光纤。每组4对光纤都由托盘中的放大器放大，该托盘类似于图21A和图21B中所示的托盘(下面更详细地描述)。四个光纤泵浦激光器系统用于泵浦给定托盘中的八个EDFA。每组四个EDFA由两个光纤泵浦激光器系统(诸如图2A中所示的布置)泵浦。具有12对光纤配置的光学中继器的增益范围为14-22dB，输出功率为+17dB。
参考图21A和图21B，放大器托盘组件2072与一个增益块模块2028组合示出。放大器托盘组件2072具有第一侧或表面2074，配置有凹部2075，该凹部的尺寸被设计成接收增益块模块2028。图21B示出了设置在相应凹部2075中的增益块模块2028。在该示例中，每个增益块模块2028包括至少八个EDFA增益块组件124(图中未明确示出)和上述合束器-分束器元件。四个EDFA增益组件可以被布置在增益块模块2028的每一侧。
图22中示出了被包括在光学中继器中的印刷电路板2080。PCB 2080具有相对的外表面2081a和2081b，以及以与上文参考图11所述类似的方式设置在外表面2081a上的多个光电检测二极管2083。
光学中继器还包括激光器托盘组件2073，被配置为保持上述光纤泵浦激光器系统110的部件，图23中示出了示例。激光器托盘组件2073的一侧或表面2076包括多个凹部2077，每个凹部的尺寸被设计成容纳光纤泵浦激光器系统110。被配置为容纳光纤泵浦激光器系统110的SM传输光纤119中的至少一个的多个通道2078也被设置在激光器托盘组件2073的表面2076中。如上所述，通道2078的形状和尺寸被设计成既可以引导光纤又防止对光纤的不利影响。不同于图12中所示的布置，这些凹部2077以线性结构布置。
激光器托盘组件2073的表面2076还包括在纵向方向上延伸的凹槽或狭槽2079，该凹槽或狭槽的尺寸被设计成接收PCB 2080。如图23中所示，PCB 2080的外表面2081a(即，包括光电检测二极管2083的表面)抵靠激光器托盘组件的表面2076设置。因此，该表面2076包含用于容纳光电检测器二极管2083的凹部或其他特征。如图24中所示，在激光器托盘组件2073的相对侧的剖视图中示出该布置。因此，PCB 2080的相对的外表面2081b可以设置在激光器托盘组件2073的外部，如图23中所示。
光纤引导组件2084附接到放大器托盘组件2073的相对端部的至少一部分，并在图25A和图25B中示出。光纤引导组件2084包括耦合到激光器托盘组件2073的表面2076上的通道2078的引导通道2086、以及设置在放大器托盘组件2072的表面2074(和其他表面)上的通道，并且因此将包含泵浦能量的光纤从光纤泵浦激光器系统110引导到增益块模块2028时以类似于上述光纤引导组件1084的方式起作用。放大器托盘组件2072和激光器托盘组件2073的表面还包括用于引导光纤的通道。
与上述和‘980申请中的陶瓷构件1088类似的陶瓷构件2088也被包括在光学中继器中并在图25A和图25B中示出。光纤引导组件2084a和2084b的每个部分也附接到陶瓷构件2088的端部，如图25B中所示。以与上文参考陶瓷构件1088所述类似的方式，陶瓷构件2088被定位于放大器托盘组件2072与激光器托盘组件2073之间并且将放大器托盘组件2072与激光器托盘组件2073隔开。如可以在图25A中最清晰所示，陶瓷构件2088的纵向表面的一侧被设置成与放大器托盘组件2072的“后”侧(即，保持增益块模块2028的表面2074的相对侧)相邻。如图26A中所示，陶瓷构件2088的纵向表面的第二相对侧被设置成与激光器托盘组件2073的“后”侧(即，保持光纤泵浦激光器系统110的表面2076的相对侧)相邻。放大器托盘组件2072和激光器托盘组件2073中的一个或两者可以直接附接到陶瓷构件2088。
在图26A和图26B呈现的两个透视图中示出光学中继器2070的一部分。与上面参考图10至图19描述的光学中继器1070一样，光学中继器2070可以被构造成形成由三个单独的EDFA模块2098(参见图27)形成的三角形结构。图26A和图26B包括放大器托盘组件2072、激光器托盘组件2073、PCB 2080、光纤引导组件2084和陶瓷构件2088如何组装在一起的视图。三角形结构的内部容积包括如前所述的配电构件(但未在图26A和图26B中明确示出)。如图27A和图27B中所示，PCB(与PCB 2080分开)也可以被包括在光学中继器2070的内部容积中。
如图27中所示，每个EDFA模块2098形成三角形配置的一个“支腿”并且包括陶瓷构件2088、放大器托盘组件2072(和内容物)、激光器托盘组件2073(和内容物)、PCB 2080、光纤引导组件2084、盖板2090(类似于前面参考盖板1090描述的盖板)和凸缘2095(类似于前面参考凸缘1095描述的凸缘)。每个激光器托盘组件2073可以沿着外(纵向)边缘连接到另一个激光器托盘组件，并且每个放大器托盘组件2072可以经由机械连接器连接到另一个放大器托盘组件，如图27中所示。盖板2090是弯曲结构并且由导热材料构成(如上所述)并且附接到中继器结构的外表面。在图27所示的示例中，盖板2090附接到放大器托盘组件2072并且与每个EDFA模块2098的增益块模块2028相邻。盖板2090的外表面还包括沿光学中继器2070的纵向轴线的至少一部分定位的凸缘构件2095。如图27中所示，凸缘构件2095也附接到放大器托盘组件2072的外表面。
光学中继器2070的外部成形为由类似于图19的套管1097的圆形套管或壳体接收，该套管进一步包围光学中继器2070。光学中继器2070的结构还包括与以上参考图18和18描述的那些类似的隔板和端板，并且为简洁起见，本文不再进一步描述。
如前所述，将更多激光二极管112容易地添加到光纤泵浦激光器系统110的能力允许可扩展的泵浦方案。随着添加更多数量的光纤，泵浦功率可以增加，而不会显著影响光纤泵浦系统或包括这些泵浦系统的光学中继器的尺寸。光学中继器1070以及与本发明中的教示一致的其他配置的尺寸(即，长度、直径)可以被设计成适应容纳现有的海底中继器分配系统，诸如与电缆敷设船相关联的电缆敷设部件、用于光学光纤的电缆卷筒、供电设备和电缆回收部件。例如，万向节附接在光学中继器1070和2070的每个纵向端部，用作限制连接光纤电缆在部署(和收回)活动期间可以弯曲的最大角度的弯曲限制装置。万向节允许光学中继器围绕电缆船艏滑轮进行铰接，该电缆船艏滑轮的直径可达三米。取决于万向节的最大弯曲角度(例如40-60度)，中继器的尺寸可以被艏滑轮容纳。当前的中继器的长度可以有几英尺，并且直径小于一英尺。
光学中继器1070和2070以及与本发明中的教示一致的其他配置也被配置为在使用相同量的功率的同时容纳比不包括光纤泵浦激光器系统110的现有光学中继器更多的光纤对。例如，具有由两个激光二极管泵浦并被配置为接收一对光纤和特定供电电流的两个EDFA的常规光学中继器可以被如本文所公开的具有模块化结构的光学中继器代替，其中在一个模块中由两个光纤泵浦激光器系统泵浦四个EDFA，并且被配置为使用相同数量的供电电流接收两个光纤对。
图20示出了与本发明一致的用于具有增加的可靠性的光学通信系统的示例方法，一般在2000处示出。在动作2010中，可以提供第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统。每个光纤泵浦激光器系统可以包括例如至少两个激光二极管、光学耦合到至少两个激光二极管的有源光纤、以及设置在至少两个激光二极管与有源光纤之间的MM无源光纤。光纤泵浦激光器系统还可以包括输入SM无源光纤和输出SM无源光纤。输入SM无源光纤的输入端耦合到MM无源光纤，而输入SM无源光纤的输出端耦合到有源光纤的输入端。MM无源光纤具有锥形自由端，直径与输入SM无源光纤的包层直径相匹配。输出SM无源光纤的输入端耦合到有源光纤的输出端。MM无源光纤、有源光纤和输入SM无源光纤均作为光子晶体光纤提供。
在动作2015中，从第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统生成SM泵浦激光辐射。在动作2020处，将第一泵浦激光辐射和第二泵浦激光辐射合束，并在动作2025中将其分束成N个部分，其中N至少为四。在动作2030中，可以将每一部分泵浦激光辐射引导到掺杂光纤放大器。
虽然图20示出了根据实施例的各种动作，但应当理解，对于其他实施例，并非需要图20中描绘的所有操作。实际上，本文完全预期在本发明的其他实施例中，图20中描绘的动作和/或其他操作可以以任何附图中未具体示出但仍与本发明完全一致的方式组合。因此，针对在一幅图中未精确示出的特征和/或操作的权利要求被认为在本发明的范围和内容内。
因此，本发明各方面涉及具有增加的放大容量和可靠性的功率受限的光学通信系统。通常，光学通信系统可以配置光纤泵浦激光器系统，以在现有光学通信系统的数据容量和可靠性上增加数据容量(即，更多对光纤)和可靠性，同时将功耗保持在与现有光学通信系统相同的水平。此外，配置有光纤泵浦激光器系统的光学中继器的尺寸可以与现有的电缆敷设分配设备兼容。为了实现这类改进，示例EDFA可以利用具有有源光纤和至少两个光纤激光二极管的光纤泵浦系统，该光纤激光二极管耦合到具有锥形自由端的MM无源光纤。该光纤泵浦系统生成的额外功率有利于放大容量的增加。光纤泵浦系统还通过降低激光二极管停止工作时泵浦功率损失的百分比来提高系统的可靠性。
本文根据本发明公开的各方面在它们的应用方面不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和部件布置。这些方面能够假设其他实施例并且能够以各种方式实践或执行。本文提供的具体实现方式的示例仅用于说明目的，并不旨在进行限制。特别地，结合任何一个或多个实施例讨论的动作、部件、元件和特征不旨在被排除在任何其他实施例中的类似作用之外。
此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制。对本文中以单数形式引用的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或动作的任何引用也可以包括包含多个实施例的实施例，并且在本文中对任何实施例、部件、元件或动作的任何复数引用也可以包括只包括单数的实施例。单数或复数形式的引用并不旨在限制当前公开的系统或方法、它们的部件、动作或元件。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体在本文中的使用意在涵盖其后列出的项及其等效项以及附加项。对“或”的引用可被解释为包含性的，因此使用“或”描述的任何术语可表示所描述的单个、多个和所有术语中的任何一个。此外，如果本文献与通过引用方式并入本文中的文献之间的术语用法不一致，则并入的参考文献中的术语用法是对本文献的补充；对于不可调和的不一致性，本文献中的术语使用占主导。此外，说明书中为了方便读者可以使用标题或副标题，这不影响本发明的范围。
因此已经描述了至少一个示例的几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。例如，本文公开的示例也可用于其他上下文。此类变更、修改和改进旨在成为本发明的一部分，并且旨在落入本文讨论的示例的范围内。因此，前述描述和附图仅作为示例。

Claims (30)

1.一种光学通信系统，包括：
第一光纤泵浦激光器系统，具有被配置为输出第一泵浦激光辐射的第一单模SM光纤输出端；
第二光纤泵浦激光器系统，具有被配置为输出第二泵浦激光辐射的第二SM光纤输出端，
其中，所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统包括至少两个激光二极管、光学耦合到所述至少两个激光二极管的有源光纤、以及设置在所述至少两个激光二极管与所述有源光纤之间的多模MM无源光纤；
至少一个合束器-分束器元件，被配置为将所述第一泵浦激光辐射和所述第二泵浦激光辐射合束，并且传输N个部分的泵浦激光辐射；以及
N个掺杂光纤放大器，其中N至少为四，并且每个掺杂光纤放大器被配置为：
接收所述N个部分的泵浦激光辐射中的一个部分的泵浦激光辐射和要放大的输入光学信号，
将所述输入光学信号放大为经放大的光学信号，以及
传输所述经放大的光学信号。
2.根据权利要求1所述的光学通信系统，其中每个激光二极管被配置为提供大约1瓦的功率。
3.根据权利要求2所述的光学通信系统，还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述至少两个激光二极管，使得每个激光二极管提供1/3至1/2瓦的功率。
4.根据权利要求3所述的光学通信系统，其中所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统被配置为提供至少2瓦的输出功率。
5.根据权利要求4所述的光学通信系统，其中所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统被配置为操作，使得所述每个光纤泵浦激光器系统提供小于1瓦的输出功率。
6.根据权利要求1所述的光学通信系统，其中所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统还包括设置在所述MM无源光纤与所述有源光纤之间的输入无源光纤，所述MM无源光纤具有锥形自由端，所述锥形自由端具有与所述输入无源光纤的输入端的模场直径MFD相匹配的模场直径MFD。
7.根据权利要求6所述的光学通信系统，其中所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统还包括输出SM无源光纤，所述输出SM无源光纤耦合到所述有源光纤的输出端并被配置为输出相应的第一泵浦辐射和第二泵浦辐射。
8.根据权利要求6所述的光学通信系统，其中所述MM无源光纤、所述输入无源光纤和所述有源光纤由光子晶体光纤构成。
9.根据权利要求1所述的光学通信系统，其中所述第一光纤泵浦激光器系统被配置为以大约978nm的波长输出所述第一泵浦辐射，并且所述第二光纤泵浦激光器系统被配置为以大约983nm的波长输出所述第二泵浦激光辐射。
10.根据权利要求1所述的光学通信系统，其中所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统包括N个激光二极管。
11.根据权利要求1所述的光学通信系统，还包括N个波分复用WDM耦合器，每个WDM耦合器位于所述至少一个合束器-分束器元件与所述N个掺杂光纤放大器中的掺杂光纤放大器之间，并且被配置为将所述输入光学信号和所述N个部分的泵浦激光辐射中的一个部分的泵浦激光辐射耦合到输出端中，所述输出端被提供给所述N个掺杂光纤放大器中的掺杂光纤放大器。
12.一种用于在光学通信系统中提供光纤激光泵浦信号的方法，包括：
提供第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统，所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统包括至少两个激光二极管、光学耦合到所述至少两个激光二极管的有源光纤、以及设置在所述至少两个激光二极管与所述有源光纤之间的多模MM无源光纤；
从相应的第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统生成单模SM第一泵浦激光辐射和单模SM第二泵浦激光辐射；
将所述SM第一泵浦激光辐射和所述SM第二泵浦激光辐射合束以形成经合束的泵浦激光辐射；
将所述经合束的泵浦激光辐射进行分束以形成N个部分的泵浦激光辐射，其中N至少为四；以及
将要放大的输入光学信号和泵浦激光辐射的每一部分引导到掺杂光纤放大器，所述掺杂光纤放大器被配置为接收所述输入光学信号和泵浦激光辐射的所述部分，并且将所述输入光学信号放大为经放大的光学信号。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括控制所述至少两个激光二极管，使得每个激光二极管提供1/3至1/2瓦的功率。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括控制所述第一光纤泵浦激光器系统和所述第二光纤泵浦激光器系统中的每个光纤泵浦激光器系统以提供小于1瓦的输出功率。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括提供具有锥形自由端的MM无源光纤，所述锥形自由端具有与输入无源光纤的输入端的模场直径MFD相匹配的模场直径MFD，所述输入无源光纤具有熔接到所述有源光纤的输出端。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括提供作为光子晶体光纤的所述MM无源光纤、所述有源光纤和所述输入无源光纤。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括提供至少一个合束器-分束器元件，所述合束器-分束器元件被配置为执行合束和分束，所述方法还包括将由相应的第一光纤泵浦激光器系统和第二光纤泵浦激光器系统生成的SM第一泵浦激光辐射和SM第二泵浦激光辐射耦合到所述至少一个合束器-分束器。
18.一种用于掺铒放大器的水下光纤泵浦激光器系统，所述掺铒放大器被配置为放大光纤光学海底通信系统中的输入光学信号，所述水下光纤泵浦激光器系统包括：
多模MM尾纤二极管激光模块，包括：
封装在壳体中的N个激光二极管，其中N至少为两个，并且所述N个激光二极管能够操作以第一波长生成泵浦光，以及
输出MM光纤，与N个激光二极管光学耦合，并且被配置为具有锥形自由端的光子晶体光纤；以及
掺镱光纤放大器，被配置为放大所述泵浦光，并且具有无源输入端和无源输出端，所述无源输入端熔接到所述输出MM光纤的锥形自由端，所述掺镱光纤放大器能够操作以比所述第一波长长的第二波长生成经放大的泵浦光，并且从所述无源输出端输出所述经放大的泵浦光。
19.一种光学中继器，包含至少四个根据权利要求18所述的水下光纤泵浦激光器系统。
20.根据权利要求19所述的光学中继器，其中，所述四个水下光纤泵浦激光器系统中的两个水下光纤泵浦激光器系统被配置为对光学耦合到在第一方向上传播的输入光学信号的四个掺杂光纤放大器进行泵浦，并且四个光纤泵浦激光器系统中的另外两个光纤泵浦激光器系统被配置为对光学耦合到在与所述第一方向相反的第二方向上传播的输入光学信号的四个掺杂光纤放大器进行泵浦。
21.一种光学中继器，包括：
放大器托盘组件，具有配置有至少一个凹部的表面，所述至少一个凹部的尺寸被设计成容纳增益块模块；
多个光纤泵浦激光器系统，每个光纤泵浦激光器系统包括：
多模MM尾纤二极管激光模块，具有
N个激光二极管，其中N至少为两个，并且N个激光二极管能够操作以生成第一波长的泵浦光，以及
输出MM光纤，光学耦合到所述N个激光二极管，并且被配置为具有锥形自由端的光子晶体光纤；以及
掺镱光纤放大器，被配置为放大所述泵浦光，并且具有无源输入端和无源输出端，所述无源输入端熔接到所述输出MM光纤的所述锥形自由端，所述放大器能够操作以生成比所述第一波长长的第二波长的经放大的泵浦光，并且从所述无源输出端输出所述经放大的泵浦光；以及
激光器托盘组件，具有配置有多个凹部的表面，每个凹部的尺寸被设计成容纳所述多个光纤泵浦激光器系统中的一个光纤泵浦激光器系统。
22.根据权利要求21所述的光学中继器，还包括至少一个增益块模块，所述至少一个增益块模块包括多个增益块组件，每个增益块组件包括输入端、输出端、以及设置在所述输入端与所述输出端之间的掺铒Er光纤，所述输入端光学耦合到至少一个光纤泵浦激光器系统的所述无源输出端。
23.根据权利要求22所述的光学中继器，其中，所述掺镱光纤放大器的所述无源输出端被包括在SM传输光纤中，并且所述激光器托盘组件的所述表面包括多个通道，所述多个通道的尺寸被设计成容纳至少一个SM传输光纤。
24.根据权利要求23所述的光学中继器，还包括附接在所述放大器托盘组件的相对端部的光纤引导组件，每个光纤引导组件包括引导通道，所述引导通道被配置为耦合到所述多个通道中的至少一个通道并耦合到所述多个增益块组件中的至少一个增益块组件的输入端。
25.根据权利要求24所述的光学中继器，还包括设置在所述放大器托盘组件与所述激光器托盘组件之间的导热陶瓷构件。
26.根据权利要求25所述的光学中继器，还包括印刷电路板，所述印刷电路板具有相对外表面，并且被配置为使得多个光电检测二极管被设置在所述相对外表面中的一个相对外表面上，并且所述相对外表面中的一个相对外表面被设置在所述激光器托盘组件的所述表面上。
27.根据权利要求26所述的光学中继器，其中，所述放大器托盘组件、所述激光器托盘组件、所述多个光纤泵浦激光器系统、所述至少一个增益块模块、所述光纤引导组件、所述导热陶瓷构件和所述印刷电路板形成掺铒光纤放大器EDFA模块的至少一部分，并且所述光学中继器被配置为包括以三角形配置布置的三个EDFA模块。
28.根据权利要求27所述的光学中继器，其中每个EDFA模块包括四个光纤泵浦激光器系统和具有八个增益块组件的增益块模块，所述EDFA模块被配置为使得所述四个光纤泵浦激光器系统中的两个光纤泵浦激光器系统对所述八个增益块组件中的四个增益块组件进行泵浦，并且所述四个光纤泵浦激光器系统中的另外两个光纤泵浦激光器系统对所述八个增益块组件中的另外四个增益块组件进行泵浦。
29.根据权利要求28所述的光学中继器，还包括至少一个输入端，所述至少一个输入端被配置为容纳至少12对输入信号光学光纤。
30.根据权利要求29所述的光学中继器，具有至少14dB的增益和+17dB的输出功率。
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