CN1171119C - 宽带搀铒光纤放大器和放大光信号的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种使用较少光纤组件并降低噪声且改善输出功率的光放大器和放大光信号的方法。在分离成多个子波段之前第一光纤放大器由第一光源激励，并且第二光纤放大器由第二光源激励。使用反射器通过使放大的子波段在相反方向上返回第二光放大器，将子波段中的一个多级放大。然后，将所有放大的子波段信号重新合成以生成输出信号。

Description

宽带搀铒光纤放大器和放大光信号的方法
                           技术领域
本发明涉及光通信系统，更具体地说，涉及宽带光放大器。
                           背景技术
近年来，能够用于光通信系统的搀铒光纤放大器(EDFA)已经投入实际应用。例如，每一个具有不同波长的多个光信号一起多路复用为波分复用(WDM)的信号光。光放大器的宽波段使波分复用(WDM)信号光中的每一个信号光得以被放大。在采用EDFA的系统中，信道密度已经受限于EDFA的可用增益带宽。因此，增加EDFA的增益带宽可以在保持信道间隔以及每一个信道的比特率的同时增加系统容量。
对于波分复用(WDM)传输系统，已经使用了许多不同的技术，以获得在1530nm至1560nm之间的传统波长范围(下文中称作“C波段”)内、以及在1570nm至1610nm之间的长波长范围(下文中称作“L波段”)内的宽增益。图1示出根据现有技术的宽波段EDFA的示意图。输入的波段信号通过两级放大，然后C波段和L波段信号重新组合，以生成宽的光带宽。通常，L波段光纤放大器需要长EDF(188m)，这是因为功率转换效率比传统的C波段EDFA低。在这种类型的放大介质中，将产生在与信号光的传播方向相同的方向上传播的前向放大自发辐射(下文中称作“ASE”)光、以及在与信号光的传播方向相反的方向上传播的后向ASE光。在光纤传输线中提供多个均含有光放大器的中继器的情况下，在光放大器中产生的噪声频谱的ASE将导致不能精确监测与信号频谱相关的光功率的问题。因此，需要一种成本低且改善了功率转换效率并降低噪声的光功率放大器。
                           发明内容
本发明的目的是提供一种具有有效利用搀铒光纤放大器(EDFA)及相关激励源(pump source)结构的光放大器，并因此通过采用较短的搀铒光纤(EDF)和较少的激励消耗提供具有较小噪声电平的增加的信号带宽。
本发明涉及用于放大涵概两个或多个光波段的光信号的光放大器。本发明提出一种宽带光放大器，包括：第一级搀铒光纤放大器(EDF1)，长度为L1并由第一激励光源激励；第二级搀铒光纤放大器(EDF2)，长度为L2并由第二激励光源激励；分离部分，配置在所述第一级EDF1和所述第二级EDF2之间，用于将进入所述分离部分的放大的光信号分离成两个子波段信号；反射器，用于将所述第二级EDF2的输出反向反射回所述第二级EDF2，以进一步放大；以及环行器，布置在所述分离部分的输出端，用于将来自所述第二级EDF2的所述反向放大的输出重定向到另一个方向，并用于防止在所述EDF2中生成的放大自发辐射(ASE)进入所述另一个方向。
其中所述第二激励光源提供在前进方向上穿行、由所述反射器反射的一定量的放大自发辐射(ASE)，所述反射的ASE为所述第二EDF2进行的所述第二波段信号放大提供激励光。
其中所述第一激励光源提供在前进方向上穿行的一定量的放大自发辐射(ASE)，所述前向ASE为所述第一EDF1提供激励光。
本发明还提出一种宽带光放大器，包括：第一级搀铒光纤放大器(EDF1)，具有一输入端和一输出端；第一激励光源，与所述第一EDF1的输入端耦合，用于引入激励光；第二级搀铒光纤放大器(EDF2)，具有一输入端和一输出端；第二激励光源，与所述第二EDF2的输入端耦合，用于引入激励光；分离部分，配置在所述第一EDF1和所述第二EDF2之间，用于将所述EDF1的输出分离成数个子波段信号；反射器，用于将来自所述EDF2的放大的输出信号在相反穿行方向上反射回所述第二EDF2；环行器，布置在所述分离部分的输出端，用于将在相反方向上穿行的所述反射的放大的输出信号重定向到另一个方向，并用于防止在其上收到的放大自发辐射(ASE)进入另一个所述方向；以及合成器，用于将所述重定向的放大的输出信号与从所述分离部分输出的所述子波段信号中的一个合成，以生成输出信号。
其中所述第二激励光源提供在前进方向上穿行、由所述反射器反射的一定量的放大自发辐射(ASE)，所述反射的ASE为由所述第二EDF2进行的所述第二波段信号放大提供激励光。
本发明涉及一种放大光信号的方法，按照下述各步骤执行：使输入的光信号通过用于放大的第一级放大器；将放大的输入信号分离为C波段和L波段信号；在第二级放大器中进一步放大L波段信号；将放大的L波段以相反方向再次重定向回到第二级放大器；以及合成进一步放大的L波段和C波段以产生输出信号。
                          附图说明
通过以下对在附图中示出的优选实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征和优点将更加清楚，其中在所有的附图中相同的标号指相同的部件。附图不与实际成比例，而是强调说明本发明的原理。其中：
图1示出根据现有技术系统的搀铒光纤放大器(EDFA)；
图2是从图1所示的光纤放大器的实验结果中得出的增益和噪声曲线(dB)以及输出功率(dBm)与波长(nm)的关系图；
图3是根据本发明的第一实施例的前向宽带EDFA的示意图；
图4是从图3所示的根据第一实施例的光纤放大器的实验结果中得出的增益和噪声曲线(dB)与波长(nm)的关系图；
图5是根据本发明的第二实施例的后向宽带EDFA的示意图；
图6是从根据本发明的第二实施例的宽带EDFA的数值仿真中得出的增益和噪声曲线(dB)与波长(nm)的关系图；
图7是根据本发明的第三实施例的双向激励的宽带EDFA的示意图；和
图8是说明现有技术结构和本发明的结构之间的输出功率比较表。
具体实施方式
在下面的描述中，为了说明的目的而不是用于限制，给出诸如具体结构、接口、技术等的特定细节，以便彻底地理解本发明。但是，对于本领域的技术人员非常清楚，本发明可以以这些特定细节之外的实施例实现。处于简单和清晰的目的，省略对公知设备和方法的细节描述，以避免在不必要的细节上混淆本发明。
图3示出根据本发明第一实施例的宽带光放大器10。本发明的放大器10分成两个放大器部分，由980nm激励激光二极管(LD)14激励的第一EDF 18构成的第一级放大器，以及由1480nm激励激光二极管(LD)26激励的第二EDF 30构成的第一级放大器。本发明的放大器10包括：隔离器12，用于在前进方向中导引输入的光信号；通过980/1550nm WSC 16耦合到980nm激励LD 14的第一EDF 18；第一1550/1590nm WSC 20，用于将放大的光信号分离为C波段和L波段；隔离器22，用于在前进方向中导引C波段；环行器24，用于在前进方向中使L波段通过；由耦合到1480/1550nm WSC 28的1480m激励LD 26激励的第二EDF 30；反射器32，用于将放大的L波段和前向ASE在相反方向上重新导引回第二EDF 30；以及第二1550/1590nm WSC 34，用于合成从隔离器22输出的C波段和反向放大的由环行器24重新导向WSC 34的输入端的L波段，以产生宽光带宽。通常，C波段范围从1530nm到1560nm，L波段范围从1570nm到1600nm。但是，应该指出的是，这些范围是由实施情况决定的，因此，它们可以根据设计和搀铒光纤(EDF)而变化。此外，应该指出的是，尽管为了说明的目的，在图3中示出了搀铒光纤(EDF)的长度，但是应该理解本发明的放大器10能够支持不同的EDF长度。因此，在图中EDF的长度不应该是对本发明的范围施加的限制。
在第一实施例中，通过隔离器12并在前进方向上传播的光信号被由980nm激光二极管14通过980/1550nm WSC 16激励的第一EDF 18放大。隔离器12的作用是使光仅在一个方向上通过。然后通过第一1550/1590nm WSC20将放大的光信号分离成两个子波段，C波段和L波段。本领域的技术人员应该理解，第一WSC可以采用适合于反射或重定向一个或多个波段波长的光栅、波段分离器、薄膜滤波器、WDM设备、以及其它形式。另外，激励LD14最好发射在以大约980nm为中心的波长波段上激励的激励波长，但是，1480nm激励也是合适的，正如本领域的技术人员所知晓的用于EDFA的传统的激励波长。第一级放大器的长度最好大于等于18米。当使用来自激励源14的光激励时，一些激励光在第一级放大中被吸收。
在分离之后，分离的C波段信号由隔离器22指引，仅在前进方向上穿行，从而防止第一WSC 20中的任何反射。与此同时，L波段信号继续向前通过第二EDF 30，该第二EDF 30由与1480/1550nmWSC 28耦合的1480nm激光二极管26激励。1480nm激励LD 26最好发射以大约1480nm为中心的波长波段中的激励波长，但是，980nm激励也是合适的，正如本领域的技术人员所知晓的用于EDFA的传统的激励波长。第二级放大器的长度最好大于等于95米。当使用来自激励源26的光激励时，一些激励光在第二级放大中被吸收。在第二次放大之后，在前进方向上穿行的放大的L波段信号由光纤反射器32反射。与此同时，在第二级放大器期间生成的并在前进方向上穿行的C波段ASE也由光纤反射器26反射。这些反射的L波段和C波段ASE(即，激励源28的激励光传播的相反方向)被发送回第二级放大器以放大，然后由环行器24重新引向第二1550/1590nm WSC 34。由于反射的L波段和返回的C波段ASE可能传向环行器24，所以环行器24过滤包括ASE的噪声光，并将放大的L波段通向第二1550/1590nm WSC 34，从而防止在第一级放大器中C波段ASE的饱和，并由于该C波段ASE而导致抑制的噪声。最后，反射的L波段与隔离器22输出的C波段合成，产生输出信号。
图4表示从图3所示的根据第一实施例的宽带EDFA的实验结果中得出的增益和噪声曲线(dB)与波长(nm)的关系图。如图4所示，使用较少的光EDFA和功率激励部件就可以实现大于22dB的增益。
图5示出根据本发明的第二实施例的宽带光放大器40。为了简单和清晰的目的，由于已经参照图3进行了描述，所以将略去对在前面段落中描述的相似部件的叙述。在本实施例中，通过隔离器42的光信号在分离之前由第一EDF 48放大，该第一EDF 48由980nm激光二极管44通过980/1550nm WSC46激励。第一EDF 48的长度最好大于等于18米。然后通过第一1550/1590nmWSC 50的作用将放大的光信号分成两个子波段，C波段和L波段。反射的C波段信号由隔离器52导引仅在前进方向上穿行，从而防止第一WSC 50中的任何反射。而L波段信号继续向前通过第二EDF 56，该第二EDF 56由耦合到1480/1550nm WSC 58的1480nm激光二极管64后向激励。第二EDF 56的长度最好大于等于95米。
在第二级放大之后，在前进方向上穿行的放大的L波段信号由光纤反射器60反射。与此同时，在第一和第二放大器期间生成的并向前穿行的C波段ASE由光纤反射器60反射。这些反射的L波段和C波段ASE(即，激励源64的激励光传播的相同方向)被发送回第二级放大器以进一步放大，然后通过环行器54重新引向第二1550/1590nm WSC 62的输入端。环行器54还过滤包括在相反方向上穿行到第一级放大器的ASE的噪声光，并将放大的L波段通向第二1550/1590nm WSC 62的输入端，从而防止C波段ASE的饱和，并由于该C波段ASE而导致抑制的噪声。反射的L波段与隔离器52输出的C波段合成，产生输出信号。
图6表示从根据图5所示的第二实施例的宽带EDFA的实验结果中得出的增益和噪声曲线(dB)与波长(nm)的关系图。如图6所示，使用较少的光EDFA和功率激励部件就可以实现大于22dB的增益。
应该指出，可以进行多种修改，以便适应本发明的原理。例如，图7示出一种可以实现本发明原理的特定情形，而不脱离本发明的中心范围。在图7中所示的第三实施例的结构和操作与上面结合图3和5描述的基本上相同。唯一值得注意的区别在于，在第二级放大器中引用了双向激励。由于已经参照图3和5进行了描述，因此，略去在前面段落中描述的相似部件的叙述，避免罗嗦。
使用图3和5的本发明的宽带光放大器结构进行了工作实验。在本发明的图3和5的结构、以及图1的现有技术结构中使用的激励功率和增益带宽、实验结果示于图8。为了实验，将一组两个18米和98米的EDF分别用于第一和第二级放大器中。采用工作在用于C波段和L波段980nm的第一激励激光器和工作在用于L波段1480nm的第二激励激光器。从图8中可以看出，与现有系统相比，使用非常低的激励功率和非常短的EDF就可以获得相当的增益带宽。从该试验中可以看出，本发明的结构使用非常少的光学部件，而且十分经济。
尽管已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员应该理解在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种变化和修改，并且可以等价替换其中的各元件。此外，可以在不脱离本发明的构思的情况下，进行各种修改以适应特定的情形和本发明的原理。因此，本发明并不仅限于在此作为实现本发明的最佳模式公开的具体实施例，而是本发明包括落在所附权利要求范围之内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种宽带光放大器(10，40，80)，包括：
第一级搀铒光纤放大器(EDF1)(18，48，88)，长度为L1并由第一激励光源(14，44，84)激励；
第二级搀铒光纤放大器(EDF2)(30，56，100)，长度为L2并由第二激励光源(26，64，96)激励；
分离部分(20，50，90)，配置在所述第一级EDF1和所述第二级EDF2之间，用于将进入所述分离部分的放大的光信号分离成两个子波段信号；
反射器(32，60，106)，用于将所述第二级EDF2的输出反向反射回所述第二级EDF2，以进一步放大；以及
环行器(22，54，94)，布置在所述分离部分的输出端，用于将来自所述第二级EDF2的所述反向放大的输出重定向到另一个方向，并用于防止在所述EDF2中生成的放大自发辐射(ASE)进入所述另一个方向。
2.如权利要求1所述的放大器，所述第一激励光源处于相对于放大的信号光的方向的前进穿行方向和后退穿行方向中的一个。
3.如权利要求1所述的放大器，所述第二激励光源处于相对于放大的信号光的方向的前进穿行方向和后退穿行方向中的一个。
4.如权利要求1所述的放大器，还包括合成器(34，62，108)，配置在所述另一个方向的末端，用于将来自所述EDF2的所述反向放大的输出与所述第一子波段信号合成，以生成输出信号。
5.如权利要求1所述的放大器，还包括：第一隔离器(12，42，82)，用于使输入的光信号在前进方向上传播到所述EDF1；以及耦合到所述分离部分的输出端的第二隔离器(22，52，92)，用于将子波段信号中的一个引向所述合成器的输入端。
6.如权利要求1所述的放大器，其中所述第二激励光源提供在前进方向上穿行、由所述反射器反射的一定量的放大自发辐射(ASE)，所述反射的ASE为所述第二EDF2进行的所述第二波段信号放大提供激励光。
7.如权利要求1所述的放大器，其中所述第一激励光源提供在前进方向上穿行的一定量的放大自发辐射(ASE)，所述前向ASE为所述第一EDF1提供激励光。
8.如权利要求1所述的放大器，其中所述EDF1的输出送入所述EDF2的输入。
9.如权利要求1所述的放大器，其中所述L2实际上大于所述L1。
10.一种宽带光放大器(10，40，80)，包括：
第一级搀铒光纤放大器(EDF1)(18，48，88)，具有一输入端和一输出端；
第一激励光源(14，44，84)，与所述第一EDF1的输入端耦合，用于引入激励光；
第二级搀铒光纤放大器(EDF2)(30，56，100)，具有一输入端和一输出端；
第二激励光源(26，64，96)，与所述第二EDF2的输入端耦合，用于引入激励光；
分离部分(20，50，90)，配置在所述第一EDF1和所述第二EDF2之间，用于将所述EDF1的输出分离成数个子波段信号；
反射器(32，60，106)，用于将来自所述EDF2的放大的输出信号在相反穿行方向上反射回所述第二EDF2；
环行器(22，54，94)，布置在所述分离部分的输出端，用于将在相反方向上穿行的所述反射的放大的输出信号重定向到另一个方向，并用于防止在其上收到的放大自发辐射(ASE)进入另一个所述方向；以及
合成器(34，62，108)，用于将所述重定向的放大的输出信号与从所述分离部分输出的所述子波段信号中的一个合成，以生成输出信号。
11.如权利要求10所述的放大器，其中所述EDF1的输出端送入所述第二EDF2的输入端。
12.如权利要求10所述的放大器，还包括：第一隔离器(12，42，82)，用于使输入的光信号在前进方向上传播到所述EDF1；以及耦合到所述分离部分的输出端的第二隔离器(22，52，92)，用于将子波段信号中的一个引向所述合成器的输入端。
13.如权利要求10所述的放大器，所述第一激励光源处于相对于放大的信号光的方向的前进穿行方向和后退穿行方向中的一个。
14.如权利要求10所述的放大器，所述第二激励光源处于相对于放大的信号光的方向的前进穿行方向和后退穿行方向中的一个。
15.如权利要求10所述的放大器，其中所述第二激励光源提供在前进方向上穿行、由所述反射器反射的一定量的放大自发辐射(ASE)，所述反射的ASE为由所述第二EDF2进行的所述第二波段信号放大提供激励光。
16.如权利要求10所述的放大器，其中由所述所述第一激励光源产生的激励光是以大约980nm为中心的波长波段。
17.如权利要求10所述的放大器，其中由所述所述第二激励光源产生的激励光是以大约1480nm为中心的波长波段。
18.如权利要求10所述的放大器，其中所述EDF2的第二搀铒光纤实际上长于所述EDF1的第一搀铒光纤。
19.一种放大包括两个或更多光波段的光信号的方法，该方法包括下列步骤：
使输入的光信号通过第一级放大器(EDF1)以放大；
将所述放大的输入信号分离为C波段和L波段信号；
在第二级放大器(EDF2)中进一步放大所述L波段信号；
将所述放大的L波段以相反方向再次重定向回到所述第二级EDF2，以进一步放大；以及
重新合成所述进一步放大的L波段和所述C波段以产生输出信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述C波段范围实际上从1530nm到1560nm。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述L波段范围实际上从1570nm到1600nm。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述重定向还包括步骤：防止在所述第二EDF2中产生的放大自发辐射(ASE)与所述C波段合成。
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