CN117013347A - 全频带大功率光学放大器 - Google Patents

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CN117013347A CN202310461357.9A CN202310461357A CN117013347A CN 117013347 A CN117013347 A CN 117013347A CN 202310461357 A CN202310461357 A CN 202310461357A CN 117013347 A CN117013347 A CN 117013347A
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Abstract

在一些实施方式中，光学放大器系统包括作为掺铒光纤放大器的可变增益光学放大器。可变增益光学放大器可以为光信号提供第一增益级。光学放大器系统可以包括固定增益光学放大器，该固定增益光学放大器是掺铒镱光纤放大器。固定增益光学放大器可以在第一增益级之后为光信号提供第二增益级。

Description

全频带大功率光学放大器
技术领域
本公开总体上涉及光学放大器并且涉及全频带、高功率光学放大器。
背景技术
光学放大器是接收信号光并产生放大的信号光(即，具有相对较高光功率的信号光)的装置。通常，光学放大器使用所谓的增益介质提供光学放大，该增益介质被诸如泵浦激光器的源“泵浦”(即，提供能量)。在一些情况下，光学放大器可以利用光纤作为增益介质(这样的设备可以被称为光纤放大器)。在这种情况下，增益介质可以是掺杂有稀土离子(例如铒、钕、镱、镨、铥等)的玻璃光纤。这种光纤可以被称为有源光纤。在操作中，信号光与泵浦光一起传播通过有源光纤，并且有源光纤输出从信号光和泵浦光生成的放大的信号光。通常，这种光学放大器包括与控制、启用和/或监测光学放大相关联的其他分立部件。这样的分立部件可以包括例如一个或多个隔离器、组合器(例如，波分复用器(WDM))、可调谐滤波器、可变光学衰减器(VOA)、增益平坦滤波器(GFF)、分接头(tap)、光电二极管等。
发明内容
在一些实施方式中，光学放大器系统包括作为掺铒光纤放大器(EDFA)的可变增益光学放大器、在可变增益光学放大器的输出处的增益平坦滤波器、以及作为掺铒镱光纤放大器(EYDFA)的固定增益光学放大器，该固定增益光学放大器在增益平坦滤波器的输出处。
在一些实施方式中，光学放大器系统包括作为EDFA的可变增益光学放大器，该可变增益光学放大器为光信号提供第一增益级，以及作为EYDFA的固定增益光学放大器，该固定增益光学放大器在第一增益级之后为光信号提供第二增益级。
在一些实施方式中，一种方法包括：由光学放大器系统获得光信号；由所述光学放大器系统在第一增益级中使用可变增益光学放大器放大所述光信号，所述可变增益光学放大器是EDFA；以及由所述光学放大器系统在第二增益级中使用固定增益光学放大器放大所述光信号，所述固定增益光学放大器是EYDFA。
附图说明
图1示出了本文描述的示例光学放大器系统。
图2示出了图1的光学放大器系统的示例输出光谱的曲线图。
图3示出了本文描述的示例可变增益光学放大器。
图4示出了本文描述的示例固定增益光学放大器。
图5是与全频带、高功率光学放大相关的示例过程的流程图。
具体实施方式
示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
对于高功率光学放大器，已经出现了许多电信应用。当前的应用包括使用数十瓦特光功率的卫星之间的自由空间通信，以及可以使用甚至更高的光功率的高速率的低地球轨道(LEO)到地面通信。此外，中空芯部光纤(HCF)在C和L频带上可以具有低至每千米(km)0.28分贝(dB)的传播损耗。利用比标准单模光纤(SSMF)低1000倍的非线性系数，HCF可以实现更高的频谱效率，并因此实现用于陆地和海底网络的每根光纤的更高容量，并且还可以促进O-、S-、C-和L-频带中的多频带传输。
为了利用HCF的能力，需要可以将显著更高的功率发射到光纤中的光学放大器，诸如使用包层泵浦的掺铒镱光纤放大器(EYDFA)。用于EYDFA的一些方法试图从EYDFA的掺铒镱光纤(EYDF)实现大的增益(例如，大于20dB)。因为对于EYDF，一些光频带(例如，C频带)的边缘处的增益滚降(roll-off)可能是尖锐的，所以这种大增益导致边缘和峰值增益值之间的显著增益不平衡。然而，光通信网络中使用的光学放大器应当以增益平坦模式操作，其中增益作为工作频带上的波长的函数是平坦的。这里，用于使EYDFA的增益平坦的增益平坦滤波器(GFF)可能需要是过于深的(例如，大于20dB峰值损耗)，这导致低功率效率、增加的噪声系数和增加的纹波。
通常，光学放大器应覆盖增益范围而不是具有固定增益。也就是说，可以在使用期间调整放大器的增益或放大器的级，而不是以预定的特定(即，固定的)增益值操作。这对于掺铒光纤放大器(EDFA)是可以实现的，因为GFF的目标形状不是掺铒光纤(EDF)的增益的强函数。然而，对于EYDFA，GFF的目标形状取决于EYDF的增益，使得覆盖增益范围是困难的，因为GFF的目标形状作为EYDF增益的函数而改变。
因此，用铒和镱共掺杂的有源光纤具有减小的可实现增益带宽，从而限制了有源密集波分复用(DWDM)信道的数量，并且有源光纤可能无法提供增益可变性。因此，EYDFA可以仅部分地跨光学频带(例如，在C频带的情况下为约1535至1560纳米(nm)，其具有约1528nm至约1567nm的全带宽)提供高的功率放大。然而，对于光通信网络，需要跨越用于光通信网络的整个波长范围的高的功率放大。
本文描述的一些实施方式提供了一种高功率光学放大器，其可以在用于光通信网络的整个波长范围内提供增益。例如，光学放大器的增益带宽可以涵盖用于光通信的C频带(例如，约1528nm至约1567nm)或L频带(例如，约1570nm至约1620nm)以及其他示例。在一些实施方式中，光学放大器可以包括可变增益级和固定增益级，可变增益级包括EDFA，固定增益级包括EYDFA。因此，光学放大器可以提供可变增益(例如，光学放大器是具有可变增益的基于EYDFA的光学放大器)。在一些实施方式中，EDFA可以提供大于由EYDFA提供的光学增益量的光学增益量。通过减小由EYDFA提供的增益，可以减小边缘和光学频带的峰值增益值之间的增益不平衡。以这种方式，光学放大器可以在增加的增益带宽上提供高的光学增益。此外，通过减小增益不平衡，用于光学放大器的GFF可以较小深度，从而提高功率效率、噪声系数和纹波。
图1示出了示例光学放大器系统100。如图所示，光学放大器系统100包括第一增益级和第二增益级，第一增益级是包括可变增益光学放大器102的可变增益级，第二增益级是包括固定增益光学放大器104的固定增益级(例如，光学放大器系统100包括多级放大器)。可变增益级(例如，前置放大级)可以获得要放大的光信号(例如，信号光)。固定增益级可以输出放大的光信号。在一些实施方式中，光学放大器系统100的输入功率可以是-20dB毫瓦(dBm)至+20dBm。在一些实施方式中，光学放大器系统100的增益可以在20dB至40dB的范围内。
可变增益光学放大器102的增益水平可以被配置为特定值(例如，特定值可以基于光学放大器系统100的期望增益)。在一些实施方式中，可变增益光学放大器102可以包括除掺镱光纤放大器之外的掺稀土光纤放大器。例如，可变增益光学放大器102可以包括EDFA。可变增益光学放大器102可以提供10dB至30dB范围内的光学增益。
与可变增益光学放大器102相反，固定增益光学放大器104的增益水平可以是固定值。也就是说，对于特定的光学放大器系统100，固定增益光学放大器104(即，固定增益级)可以具有特定的固定增益，该固定增益在部署光学放大器系统100之前确定。对于其他光学放大器系统100，固定增益光学放大器104(即，固定增益级)可以具有在部署其他光学放大器系统100之前确定的其他预定固定增益值。固定增益光学放大器104可以包括镱稀土共掺杂的光纤放大器。例如，固定增益光学放大器104可以包括EYDFA。固定增益光学放大器104可以提供等于或小于20dB的光学增益。例如，固定增益光学放大器104可以提供5dB至15dB范围内的光学增益。在一些实施方式中，固定增益光学放大器104的光学增益可以小于可变增益光学放大器102的光学增益。通过限制和固定(即，指定和/或预先确定)由固定增益光学放大器104提供的增益量，可以消除通常与EYDFA相关联的带宽减小，并且可以限制光学放大器系统100的输出处的增益纹波。例如，光学放大器系统100的增益纹波可以小于或等于2dB，或者在1dB至1.5dB的范围内。“增益纹波”可以指跨光学放大器系统100的增益带宽的最大输出功率和最小输出功率之间的差。
光学放大器系统100可以包括GFF 106。GFF 106可以位于可变增益光学放大器102的输出处。也就是说，GFF 106可以位于可变增益光学放大器102的输出和固定增益光学放大器104的输入之间。可变增益光学放大器102可以通过第一光纤连接到GFF 106，并且固定增益光学放大器104可以通过第二光纤连接到GFF。GFF 106可以被配置为处理从可变增益光学放大器102输出的光信号(例如，以提供增益平坦化)。
在一些实施方式中，GFF 106的目标形状(例如，由GFF 106在一定波长范围内提供的功率损耗)基于由固定增益光学放大器104提供的增益(例如，是由固定增益光学放大器104提供的增益的函数)。在一些实施方式中，GFF 106的深度(例如，由GFF 106提供的最大功率损耗)小于或等于15dB，或约10dB。减小GFF深度通过减小GFF误差函数而减小了噪声系数损失，并有助于减小增益纹波。GFF误差函数是由于制造不规则性引起的GFF与目标形状的偏差，所述偏差为波长的函数。GFF误差函数作为GFF深度的函数而增加。
光学放大器系统100可以包括输出光纤108。在一些实施方式中，输出光纤108是中空芯部光纤。输出光纤108可以连接到固定增益光学放大器104的输出。
在一些实施方式中，光学放大器系统100的增益带宽等于或大于35nm，等于或大于60nm，或者等于或大于70nm。在一些实施方式中，光学放大器系统100的增益带宽涵盖光通信网络中使用的波长范围。例如，光学放大器系统100的增益带宽可以涵盖用于光通信的整个C频带(或“常规频带”)。作为示例，光学放大器系统100的增益带宽可以涵盖从1528nm至1567nm的范围。在一些实施方式中，光学放大器系统100的增益带宽涵盖用于光通信的整个L频带(或“长频带”)。例如，光学放大器系统100的增益带宽可以包括1570nm至1620nm。在一些实施方式中，光学放大器系统100可以在增益带宽上提供偏差(例如，增益纹波)小于2dB或小于1dB的输出功率。换句话说，与光学放大器系统100的增益带宽中的任何两个波长相关联的输出功率可以彼此偏差小于2dB或小于1dB。在一些实施方式中，光学放大器系统的增益范围大于或等于5dB。光学放大器系统100的增益带宽可以包括经历了来自光学放大器系统100的增益的波长，该增益在波长范围内的平均增益的特定范围(±3dB)内。
以这种方式，固定增益光学放大器104的增益是恒定的，以使GFF 106的目标形状保持不变。例如，如果固定增益光学放大器的增益可以改变，则GFF 106将不能使光学放大器系统100变平，并且与GFF 106的初始目标形状的偏差将是纹波损失。因此，来自固定增益光学放大器的增益在光学放大器系统100覆盖的整个增益范围内是相同的。此外，如上所述，使用GFF 106的合理深度来限制固定增益光学放大器104的增益以改善增益带宽。如上所述，具有不同固定增益光学放大器104的另一光学放大器系统100可以与不同的GFF 106配对，该光学放大器104具有不同量的固定(即，预定)增益。
在一些实施方式中，可变增益光学放大器102与至少一个其他可变增益光学放大器(例如，类似于可变增益光学放大器102，但提供不同的增益曲线)处于可切换增益配置。例如，可变增益级可以包括多个可切换的可变增益光学放大器。附加地或替代地，固定增益光学放大器104可以与至少一个其他固定增益光学放大器(例如，类似于固定增益光学放大器104，但提供不同的增益分布)处于可切换增益配置。例如，固定增益级可以包括多个可切换的固定增益光学放大器。每个可切换固定增益光学放大器可以与不同的GFF 106配对。“可切换增益配置”可以指其中两个或更多个放大器共享光路的大部分、并且光学开关通过选择放大器中的一个来添加或移除增益级的配置。在一些实施方式中，可变增益级可以包括多个(例如，级联的)可变增益光学放大器，如本文所述。附加地或替代地，固定增益级可以包括多个(例如，级联的)固定增益光学放大器，如本文所述。
如上所述，图1是作为示例提供的。其它示例可以与关于图1所描述的示例不同。
图2示出了光学放大器系统100的示例输出光谱的曲线图200。如图2所示，光学放大器系统100可以具有从1528nm至1567nm的增益带宽。如图2中进一步所示，增益带宽上的纹波可以是最小的。
如上所述，图2是作为示例提供的。其它示例可以与关于图2所描述的示例不同。
图3示出了示例可变增益光学放大器102。如上所述，可变增益光学放大器102可以包括EDFA。可变增益光学放大器102可以包括第一增益级302和第二增益级304，第一增益级302包括一个或多个第一有源光纤(例如，EDF)，第二增益级304包括一个或多个第二有源光纤(例如，EDF)。可变增益光学放大器102可以包括在第一增益级302和第二增益级304之间的可变光学衰减器306。例如，可变光学衰减器306可以连接第一增益级302的输出和第二增益级304的输入。
可变增益光学放大器102还可以包括光源308(例如，泵浦源)以向第一增益级302的EDF提供泵浦光，以及包括光源310(例如，泵浦源)以向第二增益级304的EDF提供泵浦光。光源308和/或光源310可以包括激光器。在一些实施方式中，光源308可以被配置为提供第一增益级的EDF的核心泵浦，和/或光源310可以被配置为提供第二增益级的EDF的核心泵浦。在一些实施方式中，可变增益光学放大器102可以包括多个光源308和/或多个光源310。
如上所述，图3是作为示例提供的。其它示例可以与关于图3所描述的示例不同。在一些实施方式中，可变增益光学放大器102可以具有与图3所示的配置不同的配置和/或可以包括图3中未示出的部件。
图4示出了示例固定增益光学放大器104。如上所述，固定增益光学放大器104可以包括EYDFA，并且EYDFA可以包括作为EYDF 402的有源光纤。基于期望的增益和操作波长，EYDF 402可以具有从0.5米(m)到10m、20m、30m或更大的长度。如图所示，固定增益光学放大器104可以包括一个或多个隔离器404、一个或多个WDM 406和/或一个或多个分接头408以及其他示例。
固定增益光学放大器104还可以包括至少一个光源410(例如，泵浦源)以向EYDF402提供泵浦光。例如，光源410可以包括激光器。光源410可以是多模光源。在一些实施方式中，光源410可以被配置为提供EYDF 402的包层泵浦。附加地或替代地，光源410可以被配置为提供EYDF 402的芯泵浦。在一些实施方式中，固定增益光学放大器104可以包括多个光源410。例如，固定增益光学放大器104可以包括50个光源410，以实现100瓦(W)的输出功率。在光传播方向上在EYDF 402之后的WDM 406可以是用于转储(dump)残余泵浦功率的分路器。
如上所述，图4是作为示例提供的。其它示例可以与关于图4所描述的示例不同。在一些实施方式中，固定增益光学放大器104可以具有与图4所示的配置不同的配置和/或可以包括图4中未示出的部件。
图5是与全频带高功率光学放大相关联的示例过程500的流程图。在一些实施方式中，图5的一个或多个处理框由光学放大器系统(例如，光学放大器系统100)执行。
如图5所示，过程500可以包括获得光信号(框510)。例如，如上所述，光学放大器系统可以获得光信号。
如图5中进一步所示，过程500可以包括使用作为EDFA的可变增益光学放大器来放大光信号(框520)。例如，如上所述，光学放大器系统可以使用作为EDFA的可变增益光学放大器来放大光信号。
如图5中进一步所示，过程500可以包括使用作为EYDFA的固定增益光学放大器来放大光信号(框530)。例如，如上所述，光学放大器系统可以使用作为EYDFA的固定增益光学放大器来放大光信号。
过程500可以包括附加实施方式，诸如下面描述的和/或结合本文其他地方描述的一个或多个其他过程描述的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。
在第一实施方式中，过程500包括利用深度小于或等于15分贝的增益平坦滤波器处理从可变增益光学放大器输出的光信号。
在单独或与第一实施方式组合的第二实施方式中，光学放大器系统的增益带宽涵盖从1528纳米至1567纳米或从1570纳米至1620纳米的范围。
在单独或与第一和第二实施方式中的一个或多个组合的第三实施方式中，使用可变增益光学放大器放大光信号并使用固定增益光学放大器放大光信号提供了在光学放大器系统的增益带宽上具有小于2分贝的偏差的输出功率。
在单独或与第一实施方式至第三实施方式中的一个或多个组合的第四实施方式中，使用可变增益光学放大器放大光信号提供10至30分贝范围内的光学增益，并且使用固定增益光学放大器放大光信号提供5至15分贝范围内的光学增益。
尽管图5示出了过程500的示例框，但是在一些实施方式中，过程500包括与图5中描绘的那些框相比附加的框、更少的框或不同的框。
前述公开内容提供了图解和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不可组合的原因，否则可以组合本文描述的任何实施方式。
即使在权利要求中叙述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求书中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可能直接从属于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。如本文所使用的，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及与多个相同项目的任何组合。
除非明确描述如此，否则本文使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，术语“集”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、或者相关和不相关项目的组合)。在仅意图一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有”、“有”、“带有”等旨在是开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。此外，如本文所使用的，术语“或”在串联使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“中的仅一个”组合使用)。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有于2022年5月3日提交的题为“用于光通信的全频带、高功率放大器”的美国临时专利申请63/364,046的优先权。

Claims (20)

1.一种光学放大器系统，包括：
可变增益光学放大器，其为掺铒光纤放大器(EDFA)；
在可变增益光学放大器输出端的增益平坦滤波器；以及
固定增益光学放大器，所述固定增益光学放大器是掺铒镱光纤放大器(EYDFA)，所述固定增益光学放大器位于所述增益平坦滤波器的输出处。
2.根据权利要求1所述的光学放大器系统，还包括：
中空芯部光纤，所述中空芯部光纤位于所述固定增益光学放大器的输出处。
3.根据权利要求1所述的光学放大器系统，其中，所述光学放大器系统的增益带宽涵盖从1528纳米至1567纳米或从1570纳米至1620纳米的范围。
4.根据权利要求1所述的光学放大器系统，其中，所述光学放大器系统被配置为在所述光学放大器系统的增益带宽上提供偏差小于2分贝的输出功率。
5.根据权利要求1所述的光学放大器系统，其中，所述可变增益光学放大器提供10分贝至30分贝范围内的光学增益，并且所述固定增益光学放大器提供5分贝至15分贝范围内的光学增益。
6.根据权利要求1所述的光学放大器系统，其中，所述增益平坦滤波器的深度小于或等于15分贝。
7.根据权利要求1所述的光学放大器系统，其中，所述可变增益光学放大器与至少一个其他可变增益光学放大器处于可切换增益配置。
8.根据权利要求1所述的光学放大器系统，其中，所述固定增益光学放大器与至少一个其他固定增益光学放大器处于可切换增益配置。
9.一种光学放大器系统，包括：
可变增益光学放大器，所述可变增益光学放大器是掺铒光纤放大器(EDFA)，所述可变增益光学放大器用于为光信号提供第一增益级；以及
固定增益光学放大器，所述固定增益光学放大器是掺铒镱光纤放大器(EYDFA)，所述固定增益光学放大器在所述第一增益级之后为所述光信号提供第二增益级。
10.根据权利要求9所述的光学放大器系统，其中，所述可变增益光学放大器包括至少一个第一光源以提供泵浦光，以及
其中所述固定增益光学放大器包括至少一个第二光源以提供泵浦光。
11.根据权利要求10所述的光学放大器系统，其中，所述至少一个第二光源被配置为提供EYDFA的有源光纤的包层泵浦。
12.根据权利要求9所述的光学放大器系统，还包括：
在所述可变增益光学放大器和所述固定增益光学放大器之间的增益平坦滤波器。
13.根据权利要求9所述的光学放大器系统，其中，所述光学放大器系统的增益带宽涵盖从1528纳米至1567纳米或从1570纳米至1620纳米的范围。
14.根据权利要求9所述的光学放大器系统，其中，所述固定增益光学放大器的光学增益小于所述可变增益光学放大器的光学增益。
15.根据权利要求9所述的光学放大器系统，其中，所述光学放大器系统被配置为在所述光学放大器系统的增益带宽上提供偏差小于2分贝的输出功率。
16.一种方法，包括：
由光学放大器系统获得光信号；
由所述光学放大器系统在第一增益级中使用可变增益光学放大器放大所述光信号，所述可变增益光学放大器是掺铒光纤放大器(EDFA)；以及
由所述光学放大器系统在第二增益级中使用固定增益光学放大器放大所述光信号，所述固定增益光学放大器是掺铒镱光纤放大器(EYDFA)。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
用深度小于或等于15分贝的增益平坦滤波器处理从可变增益光学放大器输出的光信号。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光学放大器系统的增益带宽涵盖从1528纳米至1567纳米或从1570纳米至1620纳米的范围。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，使用所述可变增益光学放大器放大所述光信号以及使用所述固定增益光学放大器放大所述光信号提供在所述光学放大器系统的增益带宽上具有小于2分贝的偏差的输出功率。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，使用所述可变增益光学放大器放大所述光信号提供10分贝至30分贝范围内的光学增益，并且
其中，使用所述固定增益光学放大器放大所述光信号提供5至15分贝范围内的光学增益。
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