CN114156721A - 基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，在光纤放大器光路中连接有光纤光栅组件，所述光纤光栅组件的下游通过下游分光器连接有下游光电探测器；所述光纤光栅置于锁温盒中；所述锁温盒与所述光电探测器信号相连。按照如下方法控制：测定所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为实时测定光强；比较实时光强与工作标准光强之间的差异，当差异超过预设阈值时，进行光纤光栅组件本征温度负反馈调节，从而缩小光纤光栅实时光强与光纤光栅工作标准光强之间的差异在预设的阈值范围之内。避免将环境温度作为工作温度的所导致的不可避免地误差，从而保证光纤光栅组件的增益平坦效果。

Description

基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器及其控制方法

技术领域

本发明涉及光纤放大器领域，具体涉及一种基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器及其控制方法。

背景技术

光纤放大器利用Er³⁺等稀土金属对应于光纤通信第三窗口的发光特性，可以有效解决光信号经长距离光纤传输后的信号衰减问题。光纤放大器与密集波分复用技术相结合，大大提升了光纤通信的数据传输容量。在密集波分复用技术中，利用光纤放大器对不同波长的信号同时放大的能力，可以大幅度提升系统的传输容量。然而Er³⁺的发射谱呈双驼峰形，对不同波长信道的信号放大能力不同，容易造成各波长之间增益的不平坦性。各信道之间的功率失衡增加，导致信号传输的误码率恶化，接收机探测灵敏度降低。增加光纤放大器的放大功率可以有效延长无中继传输距离，但是放大倍数越高，由于Er³⁺发射谱的不平坦所导致的各波长信道间的增益不平坦性也会随之增加。

尤其是，在长距离光纤通信中，为了增加无中继传输距离，通常会采用高功率的EDFA或者是将多个低功率EDFA采用级联的方式组合在一起，在这种情况下，系统结构相对复杂，性能劣化会积累，严重影响信号传输质量。因此，高功率增益平坦的光纤放大器具有重要意义。

光纤光栅能够反射特定波长的光，从而衰减特定波长的能量。掺铒光纤的增益谱随波长呈现不均匀变化，将光纤光栅的特征波长与掺铒光纤增益谱匹配，可以对掺铒光纤部分波长的增益进行调节，从而改善增益平坦性。由于光纤光栅相较于传统镀膜式增益平坦滤波器，能承受更高功率的光强，而不易损坏器件，因此广泛应用高功率的增益平坦的光纤放大器中。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其目的在于，通过对用于衰减特定波长能量的光纤光栅组件，根据其光谱特征进行光纤光栅本征温度调控，避免了环境温度与光纤本征温度差异导致的衰减谱偏移，从输出端保证了增益平坦效果，尤其适合高功率、长距离、或者级联型的复杂增益平坦光纤放大器，由此解决现有的高功率、长距离或者级联型的增益光纤放大器的增益平坦性波动，导致的信号传输误码率恶化、接收机探测灵敏度降低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，在光纤放大器光路中连接有光纤光栅组件，所述光纤光栅组件的下游通过下游分光器连接有下游光电探测器；所述下游光电探测器，用于检测典型波长处的光强度；所述光纤光栅置于锁温盒中；所述锁温盒与所述光电探测器信号相连，用于根据所述下游光电探测器探测到的光强信号负反馈调节环境温度，使得所述光纤光栅组件的本征温度稳定在预设工作温度。

优选方案，所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其所述光纤光栅组件可为啁啾光栅或串联的布拉格光栅。

优选方案，所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其所述下游分光器，优选处于增益光纤下游，更优选处于增益光纤下游光隔离器的下游。

优选方案，所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其所述下游光电探测器优选用于检测增益光纤放大功率峰值波长处的光强度信号。

优选方案，所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其所述下游分光器与下游光电探测器之间设有滤波器，所述滤波器滤除典型波长以外的光信号。

优选方案，所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其所述锁温盒包括上盖、锁温腔、以及半导体制冷器；所述光纤光栅组件的栅区保持平直状态固定在所述锁温腔内，所述锁温腔为导热材料；所述上盖为保温材质，其与锁温腔配合，包覆所述锁温腔侧面以及上空；所述锁温腔下底面设置半导体制冷器；所述锁温盒形成自底面至内部的能量导入导出通道。

优选方案，所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其所述锁温盒包括用于测定锁温腔内环境温度的温度传感器。

按照本发明的另一个方面，提供了所述基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器的控制方法，其包括以下步骤：

测定所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为实时测定光强；

比较实时光强与工作标准光强之间的差异，当差异超过预设阈值时，进行光纤光栅组件本征温度负反馈调节，从而缩小光纤光栅实时光强与光纤光栅工作标准光强之间的差异在预设的阈值范围之内。

优选地，所述控制方法，其所述典型波长优选增益光纤放大功率峰值波长。

优选地，所述控制方法，其所述工作标准光强，按照如下方法获取：

标定所述光纤光栅的本征温度处于工作温度时，所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为工作标准光强。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，采用光纤光栅组件作为光谱衰减元件，在其下游通过光电探测器测定光路典型波长的光强信号标定光纤光栅组件的本征温度，进而通过调节控制光纤光栅的本征温度稳定在预设的工作温度，避免将环境温度作为工作温度的所导致的不可避免地误差，从而保证光纤光栅组件的增益平坦效果，尤其适合高功率、长距离、或者复杂的级联型增益平坦。

优选方案，在近光路输出检测典型波长处的光强信号，能有效保证全光路的增益平坦性能，并且通过环境温度测定和本征温度控制，检测光路整体的工作状态。

优选方案，通过将光纤光栅组件设置在具有自底面至内部的能量导入导出通道的锁温盒中，迅速、准确的对光纤光栅组件本征温度进行实时调控，通过确保光纤光栅的本征温度的稳定性，保证整体益平坦光纤放大器的增益平坦效果稳定。

本发明提供的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器的控制方法，通过负反馈调节，实时、稳定、自动化的控制光纤光栅的本征温度，保证增益平坦效果。优选方案，通过标定的工作标准光强，保证整体增益平坦光纤放大器的增益平坦效果在出厂制定的标准状态。

附图说明

图1是实施例1提供的基于锁温光纤光栅的高功率增益平坦EDFA光路结构示意图；

图2是实施例1提供的基于锁温光纤光栅的高功率增益平坦EDFA光路测试结果图；

图3是实施例1提供的光纤光栅锁温腔结构示意图；

图4是实施例1提供的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器的控制方法流程示意图；

图5是实施例2提供的增益平坦光纤放大器采用串联光栅作为光栅组件的结构示意图；

图6是实施例3提供的增益平坦光纤放大器采用啁啾光栅作为光栅组件的结构示意图；

图7是实施例4提供的基于锁温光纤光栅的级联高功率增益平坦EDFA光路结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为上游分光器，2为上游光电探测器，3为可变光衰减器，4为光纤光栅组件，5为上游光隔离器，6为第一泵浦激光器，7为光纤合束器，8为铒镱共掺光纤，9为下游光隔离器，10为下游分光器，11为滤波器，12为下游光电探测器，13为波分复用器，14为第二泵浦激光器，15为掺铒光纤，16为第三光隔离器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

光纤光栅是一种利用光纤材料的光敏性，通过高能量激光器使光纤纤芯部分折射率发生周期性变化形成的。光纤光栅的谐振波长对温度及应力变化较为敏感，普通光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃，在100℃的温度范围内中心波长的变化为1nm。同时，当光纤光栅栅区部分温度分布不均匀时，会引起栅区局部瞬态的温度波动，反射谱发生分裂，带宽及反射率均发生变化，反射谱对称波长发生漂移。因此，采用光纤光栅对光谱进行调节时，需要做好栅区工作部分的温度处理。目前在增益平坦光纤放大器中，对于光纤光栅的温度调节，是借助锁温装置实现的，现有的锁温装置，通过测定环境温度，作为测定的光纤光栅工作温度，而温度是一种慢变量，工作环境的温度不能准确而实时的反应光纤光栅的工作温度，导致反射谱对称波长发生漂移，不能按照预定的衰减谱对光纤放大器进行光谱调节，增益平坦效果不能稳定在预期的效果。

本发明提供的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其增益光纤的上游具有光纤合束器，所述光纤合束器将泵浦光路的泵浦光和输入信号光路的信号光耦合接入掺铒光纤，进行信号放大；放大后的信号光经光隔离器输出；所述输入信号光路依次包括光衰减器、光纤光栅、光隔离器；

在光纤放大器光路中连接有用于光谱调整的光纤光栅组件，优选所述光纤光栅组件熔接在所述光纤放大器光路中；所述光纤光栅组件置于锁温盒中；所述光纤光栅组件可为啁啾光栅或串联的布拉格光栅；

所述光衰减器的上游通过上游分光器连接有上游光电探测器，所述上游光电探测器，用于探测输入信号光的光强度。

所述光纤光栅组件的下游通过下游分光器连接有下游光电探测器；所述下游光电探测器，用于检测预设的典型波长处的光强度信号；所述下游分光器，优选处于增益光纤下游，更优选处于增益光纤下游光隔离器的下游，所述下游光电探测器优选用于检测增益光纤放大功率峰值波长处的光强度信号；优选所述下游分光器与下游光电探测器之间设有滤波器，所述滤波器滤除典型波长以外的光信号。

所述锁温盒与所述光电探测器信号相连，用于根据下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号负反馈调节环境温度使得所述光纤光栅组件的本征温度稳定在预设工作温度。由于下游光电探测器探测到的光强信号由增益光纤的放大链路的放大特性和光纤光栅组件的本征温度直接决定，当增益光纤放大链路的放大特性保持稳定时，下游光电探测器探测到的光强信号实时、准确的反映了光纤光栅组件的本征温度而不是环境温度，并且避免了测温计引入的测量误差和温度变化时延。以下游光电探测器探测到的光强信号为判断标准，调节光纤光栅组件的本征温度，相较于环境温度指标调节，更准确、实时性更好。

接入经放大后的信号光，下游光电探测器通过标定法可直接检测典型波长处的光强度信号，反应增益光纤放大器增益平坦度的同时，实时准确的测定光纤光栅组件的工作温度。所述典型波长优选增益光纤放大功率峰值波长处的光强度信号，由于增益光纤放大器对此波长处的放大功率最大，当光纤光栅组件的本征温度出现波动时，此波长处的光强度信号变化率最大，检测更敏感。

所述锁温盒包括上盖、锁温腔、以及半导体制冷器；所述光纤光栅组件的栅区保持平直状态固定在所述锁温腔内，所述锁温腔为导热材料，热导率在386.4w/(m·k)以上；所述上盖为保温材质，其与锁温腔配合，包覆所述锁温腔侧面以及上空；所述锁温腔下底面设置半导体制冷器，优选采用导热硅脂进行黏合固定；所述锁温盒形成自底面至内部的能量导入导出通道，通过半导体制冷器的双向温度调节，从而尽可能迅速的调整光纤光栅组件的本征温度，配合下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，实现对光纤光栅组件所处的环境温度进行实时负反馈调节，从而稳定所述光纤光栅的本征温度；优选包括用于测定锁温腔内环境温度的温度传感器。增益光纤放大器链路正常工作状态下，由于环境温度和光纤光栅组件的本征温度差异在一定范围之内，当下游光电探测器探测的光电信号强度与以环境温度作为光纤光栅组件的工作温度推定的下游光电探测器应探测到的光电信号强度差异过大时，则提示增益光纤放大器链路器件工作异常，可以用于辅助增益光纤放大器链路工作状态检测。

本发明提供的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器的控制方法，包括以下步骤：

测定所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为实时测定光强；所述典型波长优选增益光纤放大功率峰值波长；

比较实时光强与工作标准光强之间的差异，当差异超过预设阈值时，进行光纤光栅组件本征温度负反馈调节，从而缩小光纤光栅实时光强与光纤光栅工作标准光强之间的差异在预设的阈值范围之内；所述预设阈值优选为0.2dB。

所述工作标准光强，按照如下方法获取：

标定所述光纤光栅的本征温度处于工作温度时，所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为工作标准光强。

以下为实施例：

实施例1

图1所示为基于锁温光纤光栅的高功率增益平坦EDFA光路，按照光路从左到右的顺序依次为上游分光器1，上游光电探测器2，可变光衰减器3，锁温光纤光栅4，上游光隔离器5，第一泵浦激光器6，光纤合束器7，铒镱共掺光纤8，下游光隔离器9，下游分光器10，15xxnm滤波器11，下游光电探测器12。所述上游分光器包括输入端1a，高分光比输出端口1b，低分光比输出端口1c，所述光纤合束器7为(1+1)×1光纤合束器，包括信号输入端口7a，泵浦输入端口7b，输出端口7c，所述下游分光器包括输入端10a，高分光比输出端口10b，低分光比输出端口10c。光路结构系统中采用纯光纤结构搭建，各个器件之间，采用光纤熔接方式进行连接。

波长范围覆盖C14～C45，输出功率0～20dBm，光源平坦度<1dB的信号光源从上游分光器输入端口1a进入光路中，从低分光比端口1b输出进入上游光电探测器2，通过上游光电探测器2对输入光功率进行实时监控。从高分光比端口1b输出的信号光进入可变光衰减器3，可变光衰减器3为基于MEMS工作的光衰减器，通过调节衰减器两端的电压对光路引入一定衰减，调整进入后续放大光路的信号光功率。可变光衰减器与锁温光纤光栅4相连，对输入光谱进行整形。整形后的光谱与上游光隔离器5的输入端口相连，上游光隔离器5为隔离度>40dB的双级隔离器，较高的隔离度可以较好地隔离放大信号的回光对光源及光栅的影响。上游光隔离器5的输出端口与光纤合束器7a相连，将各波长信号功率进行调节后的信号光注入合束器中，泵浦激光器6与光纤合束器7b端口相连。通过光纤合束器将信号光与915/940nm泵浦光耦合在一起后，通过光纤合束器输出端口7c作用到铒镱共掺光纤8中。铒镱共掺光纤吸收外界泵浦光的能量，从基态跃迁到激发态后，通过受激辐射的过程发射出与信号光波长相同的光，实现信号放大。经铒镱共掺光纤8放大后的光信号进入下游光隔离器9中。下游光隔离器9为隔离度>20dB的非互异性器件，隔绝背向回光对铒镱共掺光纤的影响，较好地保持信号光的放大特性。下游光隔离器9与下游分光器输入端10a连接，低分光比端口10b与15xx nm滤波器11相连，对输出信号进行滤波处理。只有信号在光栅典型波长±0.25nm之内的信号才会通过滤波器，其余分量的信号会被滤波器隔绝。通过滤波器后的光信号进入下游光电探测器，进入下游光电探测器的功率为特征波长与光栅典型波长一致的信号光分量，将该信号分量与光栅工作温度下典型波长的信号光功率做对比，通过差值来控制TEC的调节方向，进而实现对栅区本征温度的锁温。

图2显示的是入光功率为0dBm，输出功率为31dBm时，有无光纤光栅的增益光谱对比。未加光纤光栅的时候，增益谱平坦度为1.62dB，增加光纤光栅后谱形平坦度优化至1.24dB。

光纤光栅是一种利用光纤材料的光敏性，通过高能量激光器使光纤纤芯部分折射率发生周期性变化形成的。光纤光栅的谐振波长对温度及应力变化较为敏感，普通光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃，在100℃的温度范围内中心波长的变化为1nm。同时，当光纤光栅栅区部分温度分布不均匀时，会引起栅区局部瞬态的温度波动，反射谱发生分裂，带宽及反射率均发生变化，反射谱对称波长发生漂移。因此，采用光纤光栅对光谱进行调节时，需要做好栅区工作部分的温度处理。

图3为光纤光栅锁温腔结构示意图。最下方为半导体制冷器(Thermo ElectricCooler，TEC)，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成热电偶，当有电流流经的时候，可以将制冷器的温度从芯片的一面转移到另一面，从而实现加热与制冷的效果。设置TEC芯片的锁温温度为25℃，芯片上方采用TEC固定座将芯片固定。固定座上方放置宽度大于10mm的光纤光栅锁温腔，腔体与TEC芯片之间采用导热系数良好的导热硅脂进行黏合固定。锁温腔材质为热导性良好的金属，通常为紫铜(导热系数为386.4w/(m·k)，可以较好地吸收TEC传递的热量，将温度保持在设定值。锁温腔两面开一个宽度为1mm的狭缝，光纤可以从中穿过，将栅区固定在锁温腔内部。锁温腔上方采用上盖，将整个组件固定，上盖通常选择导热系数较差的材料，如尼龙(导热率为0.26～0.35w/m·k)，将TEC传递的热量变化锁定在锁温腔内，尽可能隔绝外部温度对腔内光栅的影响。

图4为TEC反馈控制流程框图。首先放大后的信号光功率经与光栅典型波长一致的滤波器11后进入下游光电探测器12，读取出在该特征波长下的信号功率。由于光纤光栅随温度单调变化，选取光纤光栅的典型波长为滤波器的中心波长，该波长处的增益随温度呈单调变化。将该信号功率与25℃时特征波长的信号功率进行比较。当两者的差值在0.2dB以内时，保存当前TEC芯片的设置参数，此时输出的放大信号即为增益平坦的光信号。当二者的差值在0.2dB以上时，通过TEC驱动电路对TEC的电流方向及大小进行调节，最终使得差值收敛至0.2dB以内，此时保存当前TEC芯片的参数设置，此时输出的放大信号即为满足要求的高功率增益平坦信号。

实施例2

本实施例提供的基于锁温光纤光栅的高功率增益平坦EDFA光路，同实施例1，其中光栅组件采用若干个特征波长不同的布拉格光栅级联而成光纤光栅组，光路传输方向如图5所示。

特征波长不同的光纤光栅可以对不同波长的增益能力进行调节，通过将不同特征波长的光纤光栅级联而成的光纤光栅组，可对掺铒光纤增益谱实现灵活调控。

实施例3

本实施例提供的基于锁温光纤光栅的高功率增益平坦EDFA光路，同实施例1，其中光栅组件采用啁啾光栅，光路传输方向如图6所示。

通过调节啁啾光栅的啁啾率和工作带宽，可对掺铒光纤增益谱实现灵活调控。

实施例4

图6所示为基于锁温光纤光栅的级联高功率增益平坦EDFA光路，按照光路从左到右的顺序依次为上游分光器1，上游光电探测器2，上游光隔离器5，第二泵浦激光器14，波分复用器13，掺铒光纤15，第三光隔离器16，锁温光纤光栅4，可变光衰减器3，第一泵浦激光器6，光纤合束器7，铒镱共掺光纤8，下游光隔离器9，下游分光器10，15xx nm滤波器11，下游光电探测器12。光源从上游分光器1的输入端口1a经高分光比1b端口进入上游光隔离器5，与第二泵浦激光器14发出的泵浦光一起耦合通过波分复用器13后进入掺铒光纤15。经过掺铒光纤15放大后的信号光经过第三光隔离器16后经由锁温光纤光栅4进行光谱整形。整形后的光谱进入可变光衰减器3进行功率调整。调整后的光信号与第一泵浦激光器6发出的泵浦光合束通过光纤合束器7作用到铒镱共掺光纤8。功率放大后的信号光通过下游光隔离器9与下游分光器输入端10a连接，低分光比端口10c与15xx nm滤波器11相连，对输出信号进行滤波处理。通过滤波器11后的光信号进入下游光电探测器12，通过TEC反馈控制对栅区本征温度进行锁温控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其特征在于，在光纤放大器光路中连接有光纤光栅组件，所述光纤光栅组件的下游通过下游分光器连接有下游光电探测器；所述下游光电探测器，用于检测典型波长处的光强度；所述光纤光栅置于锁温盒中；所述锁温盒与所述光电探测器信号相连，用于根据所述下游光电探测器探测到的光强信号负反馈调节环境温度，使得所述光纤光栅组件的本征温度稳定在预设工作温度。

2.如权利要求1所述的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其特征在于，所述光纤光栅组件可为啁啾光栅或串联的布拉格光栅。

3.如权利要求1所述的基于锁温光纤光栅的高功率增益平坦光纤放大器，其特征在于，所述下游分光器，优选处于增益光纤下游，更优选处于增益光纤下游光隔离器的下游。

4.如权利要求1所述的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其特征在于，所述下游光电探测器用于检测增益光纤放大功率峰值波长处的光强度信号。

5.如权利要求1所述的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其特征在于，所述下游分光器与下游光电探测器之间设有滤波器，所述滤波器滤除典型波长以外的光信号。

6.如权利要求1所述的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其特征在于，所述锁温盒包括上盖、锁温腔、以及半导体制冷器；所述光纤光栅组件的栅区保持平直状态固定在所述锁温腔内，所述锁温腔为导热材料；所述上盖为保温材质，其与锁温腔配合，包覆所述锁温腔侧面以及上空；所述锁温腔下底面设置半导体制冷器；所述锁温盒形成自底面至内部的能量导入导出通道。

7.如权利要求6所述的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器，其特征在于，所述锁温盒包括用于测定锁温腔内环境温度的温度传感器。

8.如权利要求1至7任意一项所述的基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

测定所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为实时测定光强；

比较实时光强与工作标准光强之间的差异，当差异超过预设阈值时，进行光纤光栅组件本征温度负反馈调节，从而缩小光纤光栅实时光强与光纤光栅工作标准光强之间的差异在预设的阈值范围之内。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述典型波长优选增益光纤放大功率峰值波长。

10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述工作标准光强，按照如下方法获取：

标定所述光纤光栅的本征温度处于工作温度时，所述下游光电探测器探测到的典型波长处的光强度信号，作为工作标准光强。

Images