CN115579716A - 光纤放大器噪音控制系统及光纤放大器 - Google Patents

光纤放大器噪音控制系统及光纤放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤放大器噪音控制系统和光纤放大器，包括依次串联通信系统的射频信号输入的驱动器、用于光电调变的可调谐单激光器光源、第一光隔离器、用于混波耦合的泵浦耦合器、掺铒光纤、第二光隔离器、光电探测器和频谱分析仪，泵浦耦合器的泵浦输入端连接有泵浦激光器，光电探测器和所述泵浦激光器之间，串联有功率控制器，第一光隔离器和泵浦耦合器之间，串联第一光耦合器，第二光隔离器的输出端串联第二光耦合器，第二光耦合器与光电探测器之间，串联滤波反馈环路，滤波反馈环路用于对第二光耦合器输出端分出部分激光信号，作为滤波反馈环路的反馈信号进行修正和滤波过滤。采用本发明降低了光纤通信过程中的噪音。

Description

光纤放大器噪音控制系统及光纤放大器
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种光纤放大器噪音控制系统及光纤放大器。
背景技术
目前光纤通信传输的单激光信号放大相关技术，按原理不同大体上有三种类型：半导体激光放大器，掺铒光纤放大器(EDFA)和传输光纤放大器，其中，掺铒光纤放大器就是利用稀土金属元素铒(Er)离子作为激光工作物质的一种放大器，传输光纤放大器中包含有SRS(Stimulated Raman Scattering)光纤放大器、SBS(Stimulated BrilliouinScattering)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。
EDFA是一种成熟的光纤通信技术，但这个系统的问题是光放大器系统的收发放大器噪声指数仍然很高。由于在单激光信号放大泵浦过程中，放大激光信号所产生的放大自发辐射光噪音(ASE)，一般是4～7dB，再加上掺铒光纤(EDF)本身发出的向后ASE光噪音和从连接器连接头反射的光噪音，就是造成光纤通信噪声指数过大的主要因素，严重影响光纤通信系统传输的品质。
发明内容
本发明实施例提供一种光纤放大器噪音控制系统和光纤放大器，以降低光纤通信噪声。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种光纤放大器噪音控制系统，包括依次串联通信系统的射频信号输入的驱动器、用于光电调变的可调谐单激光器光源、第一光隔离器、用于混波耦合的泵浦耦合器、掺铒光纤、第二光隔离器、光电探测器和频谱分析仪，泵浦耦合器的泵浦输入端连接有泵浦激光器，所述光电探测器和所述泵浦激光器之间，串联有功率控制，器所述第一光隔离器和所述泵浦耦合器之间，串联第一光耦合器，所述第二光隔离器的输出端串联第二光耦合器，所述第二光耦合器与所述光电探测器之间，串联滤波反馈环路，所述滤波反馈环路用于对所述第二光耦合器输出端分出部分激光信号，作为滤波反馈环路的反馈信号进行修正和滤波过滤，以使所述反馈信号转化为低躁声反馈光信号。
可选地，所述滤波反馈环路包括依次串联的第三光隔离器、可变衰减器、可调谐滤波器、和光分束器。
可选地，所述第一光耦合器包含第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端接收所述第一光隔离器的输出信号，所述第二输入端接收所述光分束器的输出信号，所述第一输出端将输出信号传输给泵浦耦合器。
可选地，所述第二光耦合器包含第三输入端和第二输出端，所述第三输入端接收所述第二光隔离器的输出信号，所述第二输出端输出反馈信号至所述第三光隔离器。
可选地，所述光纤放大器噪音控制系统还包括第四光隔离器和光谱分析仪，所述第二光耦合器包含第三输出端，所述第三输出端的输出信号通过所述第四隔离器传输激光信号给通信系统使用，并采用所述光谱分析仪监视输出的激光信号。
可选地，所述第二输出端和所述第三输出端的输出信号的功率耦合比为5％：95％。
可选地，所述可调谐单激光器光源输出波长为1550nm的单激光信号，所述泵浦耦合器输出波长为980nm的单激光信号。
可选地，所述滤波反馈环路的信号增益在18.2～22.4dB范围内保持平坦。
为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种光纤放大器，所述光纤放大器包括上述光纤放大器噪音控制系统。
本发明实施例提供的光纤放大器噪音控制系统和光纤放大器，包括依次串联通信系统的射频信号输入的驱动器、用于光电调变的可调谐单激光器光源、第一光隔离器、用于混波耦合的泵浦耦合器、掺铒光纤、第二光隔离器、光电探测器和频谱分析仪，泵浦耦合器的泵浦输入端连接有泵浦激光器，光电探测器和所述泵浦激光器之间，串联有功率控制器，第一光隔离器和泵浦耦合器之间，串联第一光耦合器，第二光隔离器的输出端串联第二光耦合器，第二光耦合器与光电探测器之间，串联滤波反馈环路，滤波反馈环路用于对第二光耦合器输出端分出部份激光信号，作为滤波反馈环路输出的反馈信号，进行修正和滤波过滤，以使反馈信号转化为低躁声反馈光信号。通过低噪声指数激光自动滤波功率控制回路，接着继续在第二光耦合器的输出端，再分出部份的激光信号，作为滤波反馈环路，如此循环反馈进行修正和滤波过滤，最后自动产生一个稳定的低躁音指数的单激光信号传输至光纤通信系统，降低了光纤通信过程中的噪音。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的光纤放大器噪音控制系统一个实施例的结构示例图；
图2是本申请的光纤放大器噪音控制系统中滤波反馈环路的一个结构示例图；
图3是本申请的光纤放大器噪音控制系统另一个实施例的结构示例图；
其中，100为驱动器，101为可调谐单激光器光源，102为第一光隔离器，103为第一光耦合器，104为泵浦耦合器，105为掺铒光纤，106为第二光隔离器，107为第二光耦合器，108为光电探测器，109为频谱分析仪，110为泵浦激光器，111为延迟光纤，112为滤波反馈环路，113为第四光隔离器，114为光谱分析仪，115为功率控制器；
1121为第三光隔离器，1122为可变衰减器，1123为可调谐滤波器，1124为光分束器。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。
请参阅图1，图1示出本发明实施例提供的一种光纤放大器噪音控制系统，包括依次串联通信系统的射频信号输入的驱动器100、用于光电调变的可调谐单激光器光源101、第一光隔离器102、用于混波耦合的泵浦耦合器104、掺铒光纤105、第二光隔离器106、光电探测器108和频谱分析仪109，泵浦耦合器104的泵浦输入端连接有泵浦激光器110，光电探测器108和泵浦激光器110之间，串联有功率控制器115，第一光隔离器102和泵浦耦合器104之间，串联第一光耦合器103，第二光隔离器106的输出端串联第二光耦合器107，第二光耦合器107与光电探测器109之间，串联滤波反馈环路108，滤波反馈环路108用于对第二光耦合器107输出端分出部分激光信号，作为滤波反馈环路的反馈信号进行修正和滤波过滤，以使反馈信号转化为低躁声反馈光信号。通过低噪声指数激光自动滤波功率控制回路，接着继续在第二光耦合器的输出端，再分出部份的激光信号，作为滤波反馈环路，如此循环反馈进行修正和滤波过滤，最后自动产生一个稳定的低躁音指数的单激光信号，并将该信号传输至光纤通信系统，降低了光纤通信过程中的噪音。
其中，频谱分析仪109是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。本实施例中，由频谱分析仪109用于观测波谱，确定反馈信号的稳定度，使泵浦激光器的功率控制调整适当。
通信系统的射频信号的射频经过驱动器100后，进入波长为1550nm的单激光信号源101，再通过第一光隔离器102，并在第一光耦合器103作用后输入到掺铒光纤放大器系统，该掺铒光纤放大器系统由泵浦耦合器104、掺铒光纤105、第二光隔离器106和泵浦激光器110组成，在泵浦耦合器104中，第一光耦合器103输入的单激光信号和泵浦激光器110输入的泵浦激光合并后，输入至掺铒光纤105，通过掺铒光纤105将合并激光的信号放大后，通过第二光隔离器106，再进入进入第二光耦合器107，通过第二光耦合器107作用后输出至滤波反馈环路108，光隔离器用于阻挡来自光耦合器输出端口的任何反射。
滤波反馈环路108在进行检测之后，通过功率控制器115进行功率大小控制，进而反馈至第一光耦合器103，与原始激光信号混合正交通过放大过程。
可选地，如图2所示，滤波反馈环路112包括依次串联的第三光隔离器1121、可变衰减器1122、可调谐滤波器1123和光分束器1124。
具体地，反馈信号通过第三光隔离器1121，经可变衰減器1122调整修正和可调谐滤波器1123调谐过滤，变成可控制稳定的低躁声反馈光信号，然后进入光分束器1124。滤波反馈环路108的噪声指数特性取决于大量的器件参数，如滤波反馈因子、铒离子浓度、放大器长度、芯半径、泵浦功率等。在光分束器1124放大的单激光信号的一半被分离，然后通过光电探测器108转换成电子信号。
其中，光电探测器108是电磁检测能量传感器。它也被称为光电传感器或光接收元件。
其中，光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。
其中，光耦合器(Optical coupler)，都是以光作为媒体来传输电信号的一组光电元件装置，光耦合器負责激光信号与电的信号混波耦合(Mixed coupling)。光耦合器的混波耦合功能原理说明如下，在图1、图3中，从驱动器100输入射频电信号(Radio frequencysignal)与单激光信号101调变(modulation)，就变成光调变信号(Optical modulatedsignal)，经过第一光隔离器102，在第一光耦合器103将光调变信号与迟延光纤111的反馈激光信号做混波耦合，接着在泵浦光耦合器104与泵浦激光110混波耦合。光电耦合元件可以在二个不共地的电路之间传递信号，二电路之间即使有高压也不会影响。商用的光电耦合元件其输入对输出的耐压可以到10kV，而电压变化率可以快到10kV/μs。
可选地，第一光耦合器103包含第一输入端、第二输入端和第一输出端，第一输入端接收第一光隔离器102的输出信号，第二输入端接收光分束器1124的输出信号，第一输出端将输出信号传输给泵浦耦合器104。
可选地，第二光耦合器107包含第三输入端和第二输出端，第三输入端接收第二光隔离器106的输出信号，第二输出端输出反馈信号至第三光隔离1121器。
可选地，光纤放大器噪音控制系统还包括第四光隔离器113和光谱分析仪114，第二光耦合器107包含第三输出端，第三输出端的输出信号通过第四隔离器113传输给光谱分析仪114，以监测输出的激光信号。
可选地，第二输出端和第三输出端的输出信号的功率耦合比为5％：95％。
具体地，操纵光纤耦合器拉申锥形藕合区长短能够操纵两边口输出功率藕合比(分光仪比)。本回路采用第二光耦合器107的第二输出端和第三输出端的输出信号的功率耦合比为5％：95％，所以在第二光耦合器的第三输入端是经过放大的单激光信号，有5％的单激光信号藕合到第二输出端用于反馈，而第二光耦合器107的输入端口(第三输入端)的放大的单激光信号95％作为输出光信号，在第二光耦合器107的第二输出端通过第四光隔离器113输出，并由通信系统传输至光谱分析仪114，以监测输出的激光信号。
可选地，可调谐单激光器光源输出波长为1550nm的单激光信号，泵浦耦合器输出波长为980nm的单激光信号。
具体地，通信系统用的射频信号通过驱动器100之后，直接与可调谐单激光器光源101输出的波长为1550nm的单激光信号(laser 1)做光电调变，然后通过第一光隔离器102，在第一光耦合器103的第一输入端进入用于混波耦合的泵浦耦合器104，与泵浦激光器104的激光信号混波耦合，调变后的单激光信号通过12.0m长的掺铒光纤EDF，将单激光信号放大后，通过第二光隔离器106，进入第二光耦合器107的第三输入端，输出信号在第二光耦合器107的第三输出端。光隔离器用于阻挡来自光耦合器输出端口的任何反射，选择波长为980nm、功率为20dBm的泵浦激光器110(laser 2)，是因为最有效的放大波长为1550nm的单激光信号。
优选地，本实施例泵浦耦合器104采用APC泵浦，APC泵浦和常规泵浦的噪声指数(Noise Figure)比较，输入信号功率是-30dBm。输入信躁比SNRi＝Pi/Ni；输出信躁比SNRo＝Po/No；躁声系数F＝SNRi/SNRo；躁声指数NF(dB)＝10log(F)，在一具体实施方式中，在5m长的掺铒光纤放大器的4.4dB噪声指数是最大的1543nm，随着信号激光波长的增加，噪声指数降低了3.1分贝至1600nm波长。
可选地，滤波反馈环路的信号增益在18.2～22.4dB范围内保持平坦。
可选地，所述所述光分束器与所述第一光耦合器之间，通过延迟光纤连接。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
为解决上述技术问题，本实施例还提供一种光纤放大器，该光纤放大器包含上述光纤放大器噪音控制系统。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式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效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，包括依次串联通信系统的射频信号输入的驱动器、用于光电调变的可调谐单激光器光源、第一光隔离器、用于混波耦合的泵浦耦合器、掺铒光纤、第二光隔离器、光电探测器和频谱分析仪，泵浦耦合器的泵浦输入端连接有泵浦激光器，所述光电探测器和所述泵浦激光器之间，串联有功率控制器所述光电探测器和所述泵浦激光器之间，串联有功率控制器，所述第一光隔离器和所述泵浦耦合器之间，串联第一光耦合器，所述第二光隔离器的输出端串联第二光耦合器，所述第二光耦合器与所述光电探测器之间，串联滤波反馈环路，所述滤波反馈环路用于对所述第二光耦合器输出端分出部分激光信号，作为滤波反馈环路的反馈信号，进行修正和滤波过滤，以使所述反馈信号转化为低躁声反馈光信号。
2.如权利要求1所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述滤波反馈环路包括依次串联的第三光隔离器、可变衰减器、可调谐滤波器、和光分束器。
3.如权利要求2所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述第一光耦合器包含第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端接收所述第一光隔离器的输出信号，所述第二输入端接收所述光分束器的输出信号，所述第一输出端将输出信号传输给泵浦耦合器。
4.如权利要求1所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述第二光耦合器包含第三输入端和第二输出端，所述第三输入端接收所述第二光隔离器的输出信号，所述第二输出端输出反馈信号至所述第三光隔离器。
5.如权利要求4所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述光纤放大器噪音控制系统还包括第四光隔离器和光谱分析仪，所述第二光耦合器包含第三输出端，所述第三输出端的输出信号通过所述第四隔离器传输给通信系统使用，并采用所述光谱分析仪监视所述第四隔离器输出的激光信号。
6.如权利要求5所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述第二输出端和所述第三输出端的输出信号的功率耦合比为5％：95％。
7.如权利要求1至6任一项所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述可调谐单激光器光源输出波长为1550nm的单激光信号，所述泵浦耦合器输出波长为980nm的单激光信号。
8.如权利要求1至6任一项所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述滤波反馈环路的信号增益在18.2～22.4dB范围内保持平坦。
9.如权利要求3所述的光纤放大器噪音控制系统，其特征在于，所述光分束器与所述第一光耦合器之间，通过延迟光纤连接。
10.一种光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器包含权利要求1至9任一项所述的光纤放大器噪音控制系统。
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