CN115296630A - 双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置及放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元和第二级光放大单元，第一级光放大单元对双波长光信号进行低噪声和中增益的放大。双波长匹配滤波单元对第一级光放大信号中的前向自发辐射噪声进行抑制，光隔离器和光环行器对第二级的后向自发辐射噪声起到大量衰减作用，保证第一级光放大噪声性能基本不受影响。第二级光放大单元对双波长光信号进行高增益的光放大，由于已经抑制了大部分第一级光放大的前向自发辐射噪声，因此整个两级放大的噪声系数几乎与第一级光放大的噪声系数接近，因此实现了双波长极弱光信号低噪声高增益光放大，最后通过增益平坦滤波器将双波长的功率进行平坦化处理。
Description
技术领域
本发明属于空间超长距离大容量光信息传输技术领域，具体涉及双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，还涉及双波长极弱光信号低噪声高增益光放大方法。
背景技术
空间激光通信是近些年新兴的一种通信技术，其在发射端以高性能激光作为调制载波，在接收端以微弱高速光信号作为探测对象，结合光学天线及高精度跟瞄，实现大容量长距离信息传输。近红外光波段相比常规微波S、X、Ka波段高4～5个数量级，因此更容易实现大容量数据的传输。目前宽带互联网星座已经开始将空间激光通信作为主要数据传输手段之一，可以极大提升卫星高精度科学试验、偏远地区信息接入的服务效率。例如欧洲激光通信中继系统已经开展了多年的高轨卫星对低轨卫星1.8Gbps数据传输服务，美国激光通信中继系统在2021布局完成，计划实现2.44Gbps的空间信息数据传输，美国TBIRD计划的通信速率将达到200Gbps，且计划采用多个波长开展传输验证，因此大容量长距离空间激光通信是未来大势所趋。
目前空间激光通信可应用于低轨-低轨、低轨-高轨、高轨-地等不同应用场景通信，其通信距离最远可达数万公里，由于空间几何损耗巨大，因此到达通信接收端的功率极其微弱。传统空间激光通信系统通常采用单波长通信，并且接收端的光放大器只能对单波长光信号进行放大处理。随着目前传输容量的增加，双波长通信已经开始应用于空间激光通信系统，双波长通信接收具有传输容量大、两个波长互为备份等优点，而目前接收端的光放大器无法对双波长极弱光信号同时实现低噪声和高增益的光放大，主要存在双波长放大的噪声累加和增益受限问题，即无法实现低噪声和高增益的同时实现。为了使得通信系统保持在良好的误码率水平上，需要双波长极弱光信号在放大过程中抑制增益竞争和自发辐射噪声，而目前尚未见到有实现双波长极弱光信号低噪声高增益光放大的方法。
发明内容
本发明的目的是提供双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，克服现有技术难以解决双波长极弱光信号难以同时实现低噪声系数和高光学增益的难题。
本发明的另一目的是提供双波长极弱光信号低噪声高增益光放大方法，显著提升了空间激光通信接收端对超长距离大容量光传输信息的处理能力，为空间激光通信系统的低误码率传输和链路稳定提供可靠保证。
本发明所采用的技术方案是，双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元和第二级光放大单元；
第一级光放大单元包括波分复用器a，波分复用器a输入端用于输入双波长极弱光信号，波分复用器a输出端依次连接掺铒光纤a、双波长长匹配滤波单元，波分复用器a信号控制端连接泵浦源a，泵浦源a连接第二级光放大单元；
双波长匹配滤波单元包括输入端连接掺铒光纤a的光环形器a，光环形器a包括两个输出端口，光环形器a一个输出端口处连接光滤波器a输入端，光环形器a另一个输出端口处连接波分耦合器一个耦合输入端，光滤波器a输出端连接光环形器b输入端，光环形器b包括两个输出端口，光环形器b一个输出端口处连接波分耦合器另一个耦合输入端，波分耦合器输出端依次连接光隔离器、第二级光放大单元，光环形器b另一个输出端口连接光滤波器b输入端；
第二级光放大单元包括连接光隔离器的波分复用器b，波分复用器b连接掺饵光纤b输入端，掺饵光纤b输出端连接光耦合器输入端，光耦合器包括两个输出端，其中一个输出端连接增益控制模块控制端，另一个输出端连接增益平坦滤波器的输入端，增益控制模块输出端连接泵浦源b、泵浦源a，泵浦源b连接波分复用器b。
本发明的特点还在于：
光滤波器a、光滤波器b分别连接一个TEC制冷片，两个TEC制冷片均连接温度调谐控制模块。
光滤波器b输出端口处连接防反射端接模块。
双波长极弱光信号的波长位于1530nm～1565nm之间，且双波长极弱光信号中两个波长最小间隔为国际电信联盟组织规定的0.4nm；双波长极弱光信号中每个波长对应的光功率最小功率不低于-60dBm。
掺铒光纤a长度为5～10m。
掺铒光纤b长度为25～35m。
光滤波器a的带宽与双波长极弱光信号中的一种波长为λ1的信号带宽一致，光滤波器b的带宽与双波长极弱光信号中的另一种波长为λ2的信号带宽一致。
双波长极弱光信号的调制格式可以是强度光信号、相位光信号以及高阶调制光信号中的任意一种。
本发明所采用的另一种技术方案是，双波长极弱光信号低噪声高增益光放大方法，使用双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设定波长为λ1和λ2的双波长极弱光信号进入波分复用器a输入端，输出耦合后的双波长极弱光信号和泵浦光，经过掺铒光纤a后产生放大作用，增益控制模块控制泵浦源a的功率使得第一级光放大单元的增益在15～20dB之间；
步骤2、第一级光放大单元输出的双波长λ1和λ2光信号依次通过光滤波器a和光滤波器b完成自发辐射宽带噪声滤除，并分别通过光环形器a、光环形器b进入波分耦合器进行光信号的耦合，并输入波分复用器b；
步骤3、耦合后的光信号输入掺饵光纤b放大的增益至40～60dB，并输入至光耦合光纤，在光耦合器内分为两个部分：
一部分输入增益控制模块，增益控制模块根据接收的光信号功率调节泵浦源b的输出功率；
另一部分输入至增益平坦滤波器进行功率平坦化补偿，输出补偿后的双波长低噪声高增益放大输出信号；
当前端输入的双波长极弱光信号的功率发生变化时，增益控制模块监测到的功率也会发生变化，增益控制模块通过改变泵浦源a2和泵浦源b15的电流，形成反馈闭环使得输出的功率保持恒定。
光滤波器a、光滤波器b分别连接一个TEC制冷片，两个TEC制冷片均连接温度调谐控制模块，温度调谐控制模块分别控制两个TEC制冷片的温度分别为Ta和Tb，使光滤波器a的中心波长λa与波长λ1相同，光滤波器b的中心波长λb与波长λ2相同，进而使双波长光信号处于良好的匹配滤波状态。
本发明有益效果是：
1)采用合理的两级放大和前后级双波长噪声阻断的结构能够对双波长极弱光信号进行处理，使得传输容量翻倍而且具有更高的链路传输可靠性(双波长可作为互备份)，这对空间激光通信系统的大容量和高可靠奠定了技术基础；
2)通过对输出功率的实时监测，能够对不同输入功率进行反馈调节，实现大动态输入功率范围，保障最终输出的功率稳定在一定幅度之内，避免因输入功率过低或过大对后端的处理造成较大影响；
3)采用光域放大和光域反射式滤波方法，并不需要知悉光信号的调制格式，因此能够适用于多种调制制式，例如强度光信号(OOK)、相位光信号(BPSK)以及高阶调制光信号(QPSK、16QAM、64QAM)，同时两个波长也可以是不同的调制格式，能够兼容和支持不同卫星激光通信发射端光信号。
附图说明
图1是本发明双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置结构示意图；
图2是双波长极弱光信号放大前和放大后的测试光谱图；
图3a为经过滤波匹配光放大后的信号眼图；
图3b为未经过滤波匹配光放大后的信号眼图。
图中，1.波分复用器a，2.泵浦源a，3.掺铒光纤a，4.光环形器a，5.光滤波器a，6.波分耦合器，7.光环形器b，8.光滤波器b，9.光隔离器，10.波分复用器b，11.掺饵光纤b，12.光耦合器，13.增益控制模块，14.增益平坦滤波器，15.泵浦源b，16.TEC制冷片，17.温度调谐控制模块，18.防反射端接模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，如图1所示，包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元和第二级光放大单元；
第一级光放大单元包括波分复用器a1，波分复用器a1输入端用于输入双波长极弱光信号(波长分别为λ1和λ2)，波分复用器a1输出端依次连接掺铒光纤a3、双波长长匹配滤波单元，掺铒光纤a3能够放大光信号，波分复用器a1信号控制端连接泵浦源a2，波分复用器a1输入光信号后，能够将双波长极弱光信号耦合至一根光纤中，通过掺铒光纤a3进行第一级光放大，泵浦源a2连接第二级光放大单元，能够根据第二级光放大单元的光信号反馈调节泵浦源a2输出信号，控制泵浦源a2的功率使得第一级光放大增益在15～20dB之间，噪声系数一般在4dB以内，一级放大后的双波长光信号进入双波长匹配滤波单元。
双波长匹配滤波单元包括输入端连接掺铒光纤a3的光环形器a4，光环形器a4包括两个输出端口，光环形器a4一个输出端口处连接光滤波器a5输入端，光滤波器a5能够对波长为λ1的光信号进行滤除噪声，光环形器a4另一个输出端口处连接波分耦合器6一个耦合输入端，光滤波器a5输出端连接光环形器b7输入端，光环形器b7包括两个输出端口，光环形器b7一个输出端口处连接波分耦合器6另一个耦合输入端，波分耦合器6内两个光信号进行耦合，输出耦合后的双波长λ1和λ2光信号，波分耦合器6输出端依次连接光隔离器9、第二级光放大单元，光隔离器9的作用为抑制第二级光放大单元的后向自发辐射噪声，光环形器b7另一个输出端口连接光滤波器b8输入端，光滤波器b8能够对波长为λ2的光信号进行滤除噪声，光滤波器a会对波长为λ1的光信号反射滤波，而对其他波长进行透射，反射后的λ1光信号返回光环形器a4，透射光进入光环形器b7，光滤波器b7对波长为λ2的光信号进行反射滤波。
第二级光放大单元包括连接光隔离器9的波分复用器b10，波分复用器b10连接掺饵光纤b11输入端，掺饵光纤b11输出端连接光耦合器12输入端，光耦合器12包括两个输出端，其中一个输出端连接增益控制模块13控制端，另一个输出端连接增益平坦滤波器14的输入端，增益控制模块13输出端连接泵浦源b15、泵浦源a2，泵浦源b15连接波分复用器b10，波分复用器b10能够将泵浦源b15、光隔离器9输出的光信号进行耦合，掺饵光纤b11能够对耦合后的光信号进行第二级光放大，在此放大过程中双波长λ1和λ2可以放大到10mW量级，且由于双波长滤波以及自发辐射噪声的前后向抑制，使得第二级光放大引入的噪声很小，同时由于掺铒光纤放大自身增益谱存在不平坦的特性，因此最后通过增益平坦滤波器对双波长λ1和λ2的输出功率进行平坦化处理。
光滤波器a5、光滤波器b8分别连接一个TEC制冷片16，两个TEC制冷片16均连接温度调谐控制模块17；温度调谐控制模块17对TEC制冷片a和TEC制冷片b进行温度控制，使得光滤波器a中心波长始终与λ1保持一致，光滤波器b的中心波长始终与λ2保持一致。
光滤波器b8输出端口处连接防反射端接模块18，光滤波器b8透射的光波进入防反射端接模块，防反射端接模块18作用是防止光纤端面不平整造成的回波反射。
双波长极弱光信号的波长位于1530nm～1565nm之间，且双波长极弱光信号中两个波长最小间隔为国际电信联盟组织规定的0.4nm；双波长极弱光信号中每个波长对应的光功率最小功率不低于-60dBm。
为了能够保证较低的噪声系数，掺铒光纤a3长度为5～10m，掺铒光纤b11长度为25～35m。
光滤波器a5的带宽与双波长极弱光信号中的一种波长为λ1的信号带宽一致，光滤波器a5会对波长为λ1的光信号反射滤波，而对其他波长进行透射，反射后的λ1光信号返回光环形器a4，透射光进入光环形器b7，光滤波器b8的带宽与双波长极弱光信号中的另一种波长为λ2的信号带宽一致，光滤波器b8会对波长为λ2的光信号反射滤波，而对其他波长进行透射。
双波长极弱光信号的调制格式可以是强度光信号、相位光信号以及高阶调制光信号中的任意一种。
光滤波器a5、光滤波器b8是光纤光栅滤波器或多层介质膜滤波器；波分复用器a1、波分复用器b10是熔融拉锥型波分复用器、介质膜型波分复用器或光栅型波分复用器；防反射端接模块18可以是平面光纤端面研磨模块或者斜八度光纤端面研磨模块；980nm泵浦源a2、泵浦源b15为970～990nm泵浦源，可以是非保偏输出激光器或保偏输出激光器。
本发明双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置工作原理为：
在空间激光通信接收端，通常光学天线汇聚完的光信号需要先耦合至单模光纤中，然后进行光放大处理，对于双波长输入光信号，设定波长为λ1的光信号功率为P1-in，波长为λ2的光信号功率为P2-in，输入信号的信噪比按照标准定义其噪声为散粒噪声受限的光源产生的信号功率和零点能噪声噪声功率的比值(理想探测器忽略热噪声)，其表达式如下所示：
式中，h为普朗克常数，v1和v2为两束光波对应的频率，通过第一级光放大后，输出的功率可分别表示为下式：
式中，g1和g2分别为λ1和λ2在掺铒光纤增益谱中对应的小信号增益系数，L1为第一级光放大的掺铒光纤长度，小信号增益系数g1，2的表达式如下：
g1，2＝σs(N2-N1) (3)
式中，σs为铒离子受激辐射截面，N2为上能级粒子数，N1为基态粒子数，对于产生增益时，必须N2-N1大于0，第一级光放大的增益由于掺铒光纤长度的限制，增益适中，光学增益为小信号放大增益，非饱和增益，对于波长λ1，在第一级光放大产生的自发辐射噪声功率(整个增益带宽内)为：
P1-ase＝2nsp(G1-1)hv1BO (4)
式中，nsp＝N2/(N2-N1)为自发辐射因子，BO为整个增益带宽，对于第一级光放大的噪声因子可表示为：
式中，F1为波长λ1对应的噪声因子，对于第一级光放大，增益值一般大于20dB(100倍)，因此，波长为λ1的第一级的噪声系数可以简化为下式所示：
NF1≈10log10(2nsp) (6)
由于第一级光放大的光纤较短，且入射的双波长光信号功率低，因此消耗的粒子反转数N2-N1较少，nsp很小，因此NF1基本在3～4dB之间。
当第一级光放大信号进入到双波长匹配滤波单元后，采用光滤波器a5和光滤波器b8分别进行宽带噪声匹配滤除，光滤波器a5和光滤波器b8是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，当一束光通过布拉格光栅进行传输时，每一小段被改变折射率的光纤只可以反射相应特定波长的光波，即布拉格波长，而其他波长的光波就被继续透射传输，因此光栅形成对入射波的发射和透射，其反射波长即为布拉格波长为：
λB＝2neffΛ (7)
式中，neff为纤芯等效折射率，Λ为光纤光栅周期。光栅的带宽可根据如下公式计算：
式中，δn0为包层与纤芯折射率差，η为纤芯中能量的占比。峰值波长处的反射大致为如下：
式中，N为光栅周期个数，n为纤芯折射率。反射波长会受到机械、热学特性的变化影响。通过控制TEC制冷片a和TEC制冷片b使得光滤波器a和光滤波器b的中心波长λa和λb与双波长光信号λ1和λ2一致。
经过光滤波器a5和光滤波器b8后，第一级产生的自发辐射噪声将会被抑制，经过滤波后的自发辐射噪声功率如下式所示：
P1-ase＝2nsp(G1-1)hv1·Δva (10)
P2-ase＝2nsp(G2-1)hv2·Avb (11)
式中，△va和△vb分别为光滤波器a和光滤波器b的3dB反射带宽，与双波长光信号的带宽△v1和△v2相同。
滤波后的双波长光信号进入至第二级光放大单元进行再次光放大，通过第二级光放大后输出的光功率为：
P″1-out＝P1-inG1·G′1 (12)
B″2-out＝P2-inG2·G′2 (13)
式中，G'1和G'2分别为λ1光信号和λ2光信号在第二级光放大单元中取得的增益值。与此同时，自发辐射噪声经过第二级光放大后也会被放大，此时噪声包含了第一级被放大的噪声和第二级产生的新噪声，表达如下：
P″1-ase＝G'1P1-ase+P'1-ase (10)
P″2-ase＝G'2P2-ase+P'2-ase (11)
式中，P″1-ase为波长λ1光信号在第二级光放大中的总自发辐射噪声，P'1-ase是波长λ1光信号只在第二级光放大中产生的自发辐射噪声。P″2-ase为波长λ2光信号在第二级光放大中的总自发辐射噪声，P'2-ase是波长λ2光信号只在第二级光放大中产生的自发辐射噪声。对于波长λ1光信号而言，总的噪声因子为：
简化后得到的结果如下：
带入式子(10)后可得波长λ1光信号总噪声系数：
式中，F1'为第二级光放大的噪声因子，对于波长λ2光信号的噪声因子与式(14)相似，可以看出，两级放大总的噪声系数相比第一级光放大的噪声系数变化不大，我们采用光隔离器以及光环形器极大的衰减了后向自发辐射噪声，使得第一级自发辐射噪声P1-ase基本不受第二级自发辐射噪声影响，保证了第一级光放大具有较低的噪声因子，同时双波长匹配滤波抑制了第一级前向自发辐射噪声进入第二级光放大中，使得第二级自发辐射噪声P'1-ase得到了相应的减少，因此整个过程可以实现高增益(增益为G1G'1)和低噪声(噪声因子为
)的光放大。
双波长极弱光信号低噪声高增益光放大方法，使用双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设定波长为λ1和λ2的双波长极弱光信号进入波分复用器a1输入端，输出耦合后的双波长极弱光信号和泵浦光，经过掺铒光纤a3后产生放大作用，增益控制模块13控制泵浦源a2的功率使得第一级光放大单元的增益在15～20dB之间，噪声系数一般在4dB以内；
步骤2、第一级光放大单元输出的双波长λ1和λ2光信号依次通过光滤波器a5和光滤波器b8完成自发辐射宽带噪声滤除，光滤波器a和光滤波器b的反射率大于99％，引入的插入损耗极小，并分别通过光环形器a4、光环形器b7进入波分耦合器6进行光信号的耦合，并输入波分复用器b10；
光滤波器a5、光滤波器b8分别连接一个TEC制冷片16，两个TEC制冷片16均连接温度调谐控制模块17，温度调谐控制模块17分别控制两个TEC制冷片16的温度分别为Ta和Tb，使光滤波器a5的中心波长λa与波长λ1相同，光滤波器b8的中心波长λb与波长λ2相同，进而使双波长光信号处于良好的匹配滤波状态。
步骤3、耦合后的光信号输入掺饵光纤b11放大的增益至40～60dB，并输入至光耦合光纤12，在光耦合器12内分为两个部分：
一部分输入增益控制模块13进行功率监测，分光比设置在5％左右，增益控制模块13根据接收的光信号功率调节泵浦源b15的输出功率，使得双波长光信号通过掺铒光纤b11后放大输出至10mW量级，两级放大的增益将在40～60dB之间，同时整个系统的噪声系数主要由第一级光放大单元决定，因此两级放大后的噪声系数可以控制在3.5～4.5dB；
另一部分输入至增益平坦滤波器14进行功率平坦化补偿，解决掺铒光纤b11自身特性导致的增益谱不平坦问题，使得最终λ1光信号和λ2光信号的输出功率差别小于1dB，这样最终实现了双波长极弱光信号低噪声高增益放大的过程，输出补偿后的双波长低噪声高增益放大输出信号。
当前端输入的双波长极弱光信号的功率发生变化时，增益控制模块监测到的功率也会发生变化，为了保持大动态功率范围输入下的稳定放大，此时增益控制模块13通过改变980nm泵浦源a2和980nm泵浦源b15的电流，形成反馈闭环使得输出的功率保持恒定。
实施例
本发明提出一种双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置来实现空间双波长光信号的前端放大处理，即首先通过配置第一级980nm泵浦源功率和掺铒光纤长度，使得双波长极弱光信号通过第一级光放大到适中功率，此时放大的噪声系数较低，其次通过匹配滤波后，可降低大部分第一级前向自发辐射噪声，同时光隔离器和光环形器可以抑制第二级光放大的后向自发辐射噪声进入第一级光放大中，使得第一级光放大始终保持较低的噪声系数，然后第二级光放大对匹配滤波后的双波长光信号实现进一步功率提升，使得双波长光信号输出功率达到10mW量级，完全可满足后端的处理要求，同时由于匹配滤波抑制了第一级前向自发辐射噪声进入第二级光放大过程中，因此整个系统的噪声系数保持在较低水平。依据输入功率的不同，控制第一级放大增益在15～20dB，第二级放大增益在25～40dB，总增益在40～60dB之间，而噪声系数可控制在3.5～4.5dB之内。
实施例
参照图1所示本发明一种双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置具体操作过程为：
(1)在接收端对双波长极弱光信号第一级光放大处理，即首先通过配置第一级980nm泵浦源a2、泵浦源b15功率和掺铒光纤a3、掺铒光纤b11长度，使得第一级光放大增益为20dB，第一级光放大后的两个波长功率表示如下：
(2)当第一级光放大信号进入到双波长匹配滤波单元后，采用光滤波器a5和光滤波器b8分别进行宽带噪声匹配滤除，通过控制TEC制冷片16使得光滤波器a5和光滤波器b8的中心波长λa和λb与双波长光信号λ1和λ2一致，经过光滤波器a5和光滤波器b8后，第一级产生的前向自发辐射噪声将会被抑制，经过滤波后的自发辐射噪声功率如下式所示：
P1-ase＝2nsp(G1-1)hv1·Δva
P2-ase＝2nsp(G2-1)hv2·Δvb
(3)在第二级光放大中，通过控制980nm泵浦源a2、泵浦源b15的功率，依据输入光功率的不同，使得两级的总增益为60dB，两级放大总的噪声系数和总的增益计算为:
由于在匹配滤波单元使用光隔离器9以及光环形器a4、光环形器b7极大的衰减了第二级光放大的后向自发辐射噪声，使得第一级自发辐射噪声P1-ase基本不受第二级自发辐射噪声影响，保证了第一级光放大具有较低的噪声因子，同时双波长匹配滤波抑制了第一级前向自发辐射噪声进入第二级光放大中，使得第二级自发辐射噪声P'1-ase得到了相应的减少，因此整个两级放大过程可以实现高增益和低噪声的光放大。
(4)增益平坦滤波器对两级放大后的双波长光信号进行功率平坦化补偿，解决掺铒光纤自身特性导致的增益谱不平坦问题，可使得最终λ1光信号和λ2光信号的输出功率差别为0.5dB，这样最终实现了双波长极弱光信号低噪声高增益放大的过程。
至此，通过以上步骤，实现了双波长极弱光信号低噪声高增益光放大过程。
图2是根据本专利搭建的实验系统测试得到的双波长低噪声高增益光放大前后的光谱图。
图3a为通过本专利所实施的低噪声高增益放大方法应用于空间光通信系统接收端，在实验系统中探测到的电信号眼图。
图3b为普通放大方式(非低噪声高增益)应用于空间光通信系统接收端，在实验系统中探测到的电信号眼图。
图3a眼图清晰，睁开度大，信号Q因子高，误码率低，而图3b眼图睁开度小，1电平和0电平噪声大，误码率高。
通过上述方式，本发明双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，通过配置第一级泵浦源功率和掺铒光纤长度，双波长极弱光信号通过第一级光放大到适中功率，此时放大的噪声系数较低；第一级光放大后的双波长光信号分别通过匹配滤波后，可降低大部分第一级前向自发辐射噪声，同时匹配滤波中的光隔离器和光环形器可以抑制第二级光放大的后向自发辐射噪声进入第一级光放大中，使得第一级光放大始终保持较低的噪声系数；第二级光放大对匹配滤波后的双波长光信号实现进一步功率提升，使得双波长光信号输出功率达到10mW量级，完全可满足后端的处理要求，同时由于匹配滤波抑制了第一级前向自发辐射噪声进入第二级光放大过程中，因此整个系统的噪声系数保持在较低水平，噪声系数在3.5～4.5dB之间；对于双波长极弱光信号输入功率大动态变化时，通过增益控制模块对输出端的监测，以调节第二级泵浦功率为主、第一级泵浦为辅，可实现输出功率的恒定控制，系统增益控制在40～60dB之间；由于双波长光信号放大的增益谱不平坦，所以最后需要加上增益平坦滤波器，使得输出的双波长光信号的功率差别小于1dB。
Claims (10)
1.双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元和第二级光放大单元；
所述第一级光放大单元包括波分复用器a(1)，所述波分复用器a(1)输入端用于输入双波长极弱光信号，所述波分复用器a(1)输出端依次连接掺铒光纤a(3)、双波长长匹配滤波单元，所述波分复用器a(1)信号控制端连接泵浦源a(2)，所述泵浦源a(2)连接第二级光放大单元；
所述双波长匹配滤波单元包括输入端连接掺铒光纤a(3)的光环形器a(4)，所述光环形器a(4)包括两个输出端口，所述光环形器a(4)一个输出端口处连接光滤波器a(5)输入端，所述光环形器a(4)另一个输出端口处连接波分耦合器(6)一个耦合输入端，所述光滤波器a(5)输出端连接光环形器b(7)输入端，所述光环形器b(7)包括两个输出端口，所述光环形器b(7)一个输出端口处连接波分耦合器(6)另一个耦合输入端，所述波分耦合器(6)输出端依次连接光隔离器(9)、第二级光放大单元，所述光环形器b(7)另一个输出端口连接光滤波器b(8)输入端；
所述第二级光放大单元包括连接光隔离器(9)的波分复用器b(10)，所述波分复用器b(10)连接掺饵光纤b(11)输入端，所述掺饵光纤b(11)输出端连接光耦合器(12)输入端，所述光耦合器(12)包括两个输出端，其中一个输出端连接增益控制模块(13)控制端，另一个输出端连接增益平坦滤波器(14)的输入端，所述增益控制模块(13)输出端连接泵浦源b(15)、泵浦源a(2)，所述泵浦源b(15)连接波分复用器b(10)。
2.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述光滤波器a(5)、光滤波器b(8)分别连接一个TEC制冷片(16)，两个所述TEC制冷片(16)均连接温度调谐控制模块(17)。
3.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述光滤波器b(8)输出端口处连接防反射端接模块(18)。
4.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述双波长极弱光信号的波长位于1530nm～1565nm之间，且双波长极弱光信号中两个波长最小间隔为国际电信联盟组织规定的0.4nm；双波长极弱光信号中每个波长对应的光功率最小功率不低于-60dBm。
5.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述掺铒光纤a(3)长度为5～10m。
6.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述掺铒光纤b(11)长度为25～35m。
7.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述光滤波器a(5)的带宽与双波长极弱光信号中的一种波长为λ1的信号带宽一致，所述光滤波器b(8)的带宽与双波长极弱光信号中的另一种波长为λ2的信号带宽一致。
8.根据权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，其特征在于，所述双波长极弱光信号的调制格式可以是强度光信号、相位光信号以及高阶调制光信号中的任意一种。
9.双波长极弱光信号低噪声高增益光放大方法，其特征在于，使用权利要求1所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设定波长为λ1和λ2的双波长极弱光信号进入波分复用器a(1)输入端，输出耦合后的双波长极弱光信号和泵浦光，经过掺铒光纤a(3)后产生放大作用，增益控制模块(13)控制泵浦源a(2)的功率使得第一级光放大单元的增益在15～20dB之间；
步骤2、第一级光放大单元输出的双波长λ1和λ2光信号依次通过光滤波器a(5)和光滤波器b(8)完成自发辐射宽带噪声滤除，并分别通过光环形器a(4)、光环形器b(7)进入波分耦合器(6)进行光信号的耦合，并输入波分复用器b(10)；
步骤3、耦合后的光信号输入掺饵光纤b(11)放大的增益至40～60dB，并输入至光耦合光纤(12)，在光耦合器(12)内分为两个部分：
一部分输入增益控制模块(13)，增益控制模块(13)根据接收的光信号功率调节泵浦源b(15)的输出功率；
另一部分输入至增益平坦滤波器(14)进行功率平坦化补偿，输出补偿后的双波长低噪声高增益放大输出信号；
当前端输入的双波长极弱光信号的功率发生变化时，增益控制模块(13)监测到的功率也会发生变化，增益控制模块(13)通过改变泵浦源a2和泵浦源b15的电流，形成反馈闭环使得输出的功率保持恒定。
10.根据权利要求9所述双波长极弱光信号低噪声高增益光放大方法，其特征在于，所述光滤波器a(5)、光滤波器b(8)分别连接一个TEC制冷片(16)，两个所述TEC制冷片(16)均连接温度调谐控制模块(17)，温度调谐控制模块(17)分别控制两个TEC制冷片(16)的温度分别为Ta和Tb，使光滤波器a(5)的中心波长λa与波长λ1相同，光滤波器b(8)的中心波长λb与波长λ2相同，进而使双波长光信号处于良好的匹配滤波状态。
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