CN1186962A - 增益平衡光纤放大器 - Google Patents

Abstract

一种增益平衡光纤放大器,它通过串连连接多个在不同波长处有高放大增益的光纤放大器,并利用当掺稀土元素光纤的长度增大时有最大放大增益的波长将移向长波长段而当其长度减小时将移向短波长段的特性,以及当泵浦光源的输出强度增大时有最大放大增益的波长将移向短波长段而当其输出强度减小时将移向长波长段的特性,把全部放大增益调平到最大程度。

Description

增益平衡光纤放大器

本发明涉及一种用于波分复用传送系统的光纤放大器，具体地说，涉及一种增益平衡光纤放大器，它能通过把多个在各个不同波长上有高放大增益的光纤放大器串接在一起，使全部放大增益在最高程度上调平。

通过光纤来传送信息的光通信技术已被开发并广泛地使用。因为能高速地传送大量信息的光通信技术不受到电磁感应的干扰或串话，它们被应用于各个国家之间通过海底光缆的信息通信。随着光通信复用技术或网格技术的发展，光通信技术正在扩大它们在各种重要通信网络中的应用，这些通信网络用于高速宽频带多媒体通信，包括各转接站之间的声音和数据通信、有线电视、或应要求供应电视(VOD)等。

用于光通信的光纤的一个特性是低损耗，即原始光信号传播了15km的距离后才衰减为一半强度。然而，对于超过几百公里的长距离传送线来说，光纤中的损耗是十分大的。所以需要每隔一个预定的距离就设置一个光纤放大器，以放大光信号。

早期的光信号放大器用雪崩型光电二极管把光信号转换成电信号进行放大，然后用激光二极管把放大后的电信号重新转换成光信号。现在的光信号放大器采用掺稀土元素的光纤，从而可以免去为放大光信号而进行的信号转换处理。在做成为主动光纤的掺稀土元素光纤中掺有如Er(铒)、Pr(镨)和Nd(钕)这样的稀土元素离子。当用具有某预定波长的泵浦光去激励掺稀土元素光纤时，由于稀土元素离子的激发将发射出具有预定波长的受激光子，从而最终放大了通过相应光纤传播的光信号。

图1示出一种利用上述掺稀土元素光纤的光纤放大器的布局。在图1中，代号10表示一个发光单元或LD(激光二极管)模块，它用于发射一个对应于电信号数据的有预定波长的光信号。由发光单元10发出的光信号经过第一传光线14传向一个光纤放大器18。光纤放大器18含有：一个掺Er的掺稀土元素光纤20，一个用于产生泵浦光的泵浦光源30，一个用来把泵浦光源30所产生的泵浦光提供给掺稀土元素光纤20的合路器26，以及第一和第二光隔离器22和32，它们分别设置在光绗放大器18的两端，用来防止放大的光信号进入发光单元10，或防止噪声进入光纤放大器。

光纤放大器18还含有：第一和第二分路耦合器16和36，它们分别设置在光纤放大器18的两端，分别把输入光信号和放大的光信号以1∶99的比例分路；第一和第二光电二极管28和38，分别把输入光信号和放大的光信号中被第一和第二分路器16和36所分路的部分转换成电信号；以及一个控制电路50，用于根据由光电二极管28和38所提供的电信号来控制光纤放大器18，以获得稳定的放大输出。被光纤放大器18放大的光信号可以通过一个第二传光线34直接传送给一个光接收单元40。或者，当传光线较长时，该光信号也可以传送给另一个光纤放大器。

采用具有上述结构的光纤放大器18时，第一分路耦合器16按预定的比例，如1∶99，使来自发光单元10的光信号分路，其中99％的输入光信号传送给掺Er的掺稀土元素光纤20，而1％的光信号传送给第一光电二极管28。传送给第一光电二极管28的光信号被转换成电信号，准备作为监视输入光信号状态的监视信号提供给控制电路50。与第一光电二极管28相似，第二光电二极管38把来自第二分路耦合器36的光信号转换成电信号，以把它作为监视信号提供给控制电路50。控制电路50根据第一和第二光电二极管28和38所提供的监视信号去控制提供给泵浦光源30的工作电流大小。

泵浦光源30按照工作电流产生具有预定波长的泵浦光，并通过合路器26把它提供给掺稀土元素光纤20。然后，掺稀土元素光纤20中的Er离子被该泵浦光激发，发射出大量具有预定波长的受激光子，从而放大了提供给掺稀土元素光纤的光信号。不过，光纤放大器18的信号放大增益随光信号波长的不同而不同。例如，在存在最小瑞利散射损耗的情形下，如果一个其波长范围在1530nm到1560的光信号被采用石英光纤的光纤放大器18放大，则如图2所示，最大增益出现在1530nm处，并且次大增益出现在1550nm处。

如上所述，当放大增益随波长变化时，则在构建一个利用一条光纤传送多个不同波长的光信号的波分复用系统时，将存在许多问题。在使用波分复用系统的例如海底光缆这样的长距离传送系统中，必需设置多个光纤放大器。这时，因为输入光信号多次经历随其波长的不同而不同的放大增益，所以不同光信号的输出大小将不同。因此，如果不调平光信号的大小，则将同时存在大的光信号和小的光信号。这将使信号处理变得困难，产生信号失真。

为了解决这个问题，如图3所示，在掺稀土元素光纤18的输出端设置了一个衰减滤波器12，以根据有最小放大增益的波长去衰减有大于该最小增益的放大增益的波长的光信号输出，由此来调平所有波长的增益。然而，由于这种增益平衡是通过把较高增益都衰减到最低增益来完成的，所以光纤放大器的输出性能被降低。另外，该增益平衡滤波器是固定在某一确定的增益特性上的。因此，当光纤放大器中的波长增益特性随着例如温度或泵浦光源输出等的环境影响而改变时，这种增益平衡是不完善的。

因此，本发明针对一种增益平衡的光纤放大器，它基本上能消除由于相关技术的限制和缺点所造成的一个或几个问题。

本发明的一个目的是提供一种增益平衡光纤放大器，它能够调平具有不同波长的输入光信号的放大增益。

本发明的另一个目的是提供一种增益平衡光纤放大器，它不仅能调平具有不同波长的输入光信号的放大增益，而且能利用双向泵浦结构高度地放大光信号。

本发明的又一个目的是提供一种增益平衡光纤放大器，它即使在波长增益特性因受温度等环境的影响而发生变化时，也能改变提供给各个掺稀土元素光纤的泵浦光强度，以完成均匀的增益平衡。

为了实现本发明的各个目的，提供了一种增益平衡光纤放大器，它包括：一个光信号在其中传送的传光线；一个掺有预定稀土元素离子的掺稀土元素光纤，它设置在传光线上；一个用于产生预定波长的泵浦光的泵浦光源；以及一个用来把泵浦光提供给掺稀土元素光纤的合路器，其中，多个光纤放大器被安排成串连连接，这些光纤放大器的掺稀土元素光纤的长度和泵浦光源的输出强度被设定得能在各不同波长上得到高放大增益，由此把全部有不同波长的输入光信号的放大增益调平到最高程度。为了把全部放大增益调平到最高程度，本发明的增益平衡光纤放大器被构筑成互相串连的多个光纤放大器，并且利用下述两个特性使这些光纤放大器在不同波长上有高的放大增益，这两个特性之一是，当掺稀土元素光纤的长度增大时，有最大放大增益的波长将向长波长段方向移动，反之则将向短波长段方向移动；另一个特性是，当泵浦光源的输出强度增大时，有最大放大增益的波长将向短波长段方向移动，反之则将向长波长段方向移动。

本发明提供一种增益平衡光纤放大器，它包括：一个光信号在其中传送的传光线；多个掺有预定稀土元素离子的掺稀土元素光纤，它们在不同波长上有高的放大增益，并被设置在传光线中；多个用于分别向各掺稀土元素光纤提供有预定波长的泵浦光的泵浦光源；多个用于分别把各泵浦光耦合给各掺稀土元素光纤的合路器；一个用于过滤输入信号中一个规定波段的波长成分的带通滤波器；以及一个设置在该带通滤波器输出端处的光隔离器。

本发明还提供一种增益平衡光纤放大器，它包括：一个光信号在其中传送的传光线；一个掺有预定稀土元素离子的第一掺稀土元素光纤，它被设置在该传光线上，并在某一规定波长上有最大增益；一个在某个不同于第一掺稀土元素光纤波长的波长上有最大增益的第二掺稀土元素光纤；第一和第二泵浦光源，分别用于为第一和第二掺稀土元素光纤产生有预定强度的泵浦光；第一和第二合路器，分别用于把泵浦光耦合给第一和第二掺稀土元素光纤；一个位在第一和第二掺稀土元素光纤之间的带通滤波器，用于除去第一掺稀土元素光纤所放大的光信号输出中的规定波段波长之外的其他波长成分；以及一个位在带通滤波器和第二掺稀土元素光纤之间的光隔离器，以防止具有不同光放大特性的第一和第二掺稀土元素光纤受到对方泵浦光的影响。

根据本发明，具有各种不同波长的输入光信号通过在不同波长处有高放大增益的多个光纤放大器。这样便有可能把每个波长上的放大增益调平到最高程度。

需要理解，上面的一般性说明和下面的详细说明都是示例性和说明性的，希望用来对所声称的本发明作进一步说明。

本说明书的附图帮助进一步了解本发明，它们被含在本说明书中作为本说明书的一个组成部分，它们对本发明的各实施例进行图解，并和文字说明部分一起用来解说本发明的原理。在附图中：

图1示出一种普遍光纤放大器的布局；

图2示出普通光纤放大器中放大增益与波长的关系的特性图；

图3示出一种使用衰减滤波器的普通光纤放大器的布局；

图4示出根据本发明第1实施例的增益平衡光纤放大器的布局；

图5A和5B示出以掺稀土元素光纤的长度和泵浦光源的输出强度为参数时光纤放大器的放大增益与波长关系的特性图；

图6A、6B和6C示出一些用来解说根据本发明的增益平衡光纤放大器的基本原理的图；以及

图7、8和9分别示出根据本发明第2、第3和第4实施例的光纤放大器的布局。

现在将详细说明本发明的一些优选实施方案，其例子示于各附图。

图4示出根据本发明第1实施例的一种增益平衡光纤放大器的布局。在图4中，代号72代表一个波分复用器，用于耦合至少两个有不同波长的输入光信号。这些输入光信号的波长在1540nm到1560nm的范围内。被复用器72耦合的输入光信号通过一个第一传光线14输送给一个增益平衡光纤放大器68。根据本发明第1实施例的增益平衡光纤放大器68被构筑成两个互相串连的第一光纤放大器48和第二光纤放大器58，其中前者接收一个前向的泵浦光，后者接收一个反向的泵浦光。

增益平衡光纤放大器68含有：两个掺Er的掺稀土元素光纤80和90，它们在不同的波长上有最大的放大增益；用于产生有预定波长的泵浦光的泵浦激光二极管60和30；用于分别把泵浦激光二极管60和30所产生的泵浦光耦合给掺稀土元素光纤80和90的合路器66和26；一个用于滤去不在输入光信号波长范围1540nm到1560nm内的其他波长成分(噪声成分)的带通滤波器70；以及一个设置在带通滤波器70的输出端的光隔离器42，用于防止有不同光放大特性的掺稀土元素光纤80和90受到对方泵浦光的影响。

如图2所示，一般掺以像Er这样的稀土元素离子的掺稀土元素光纤具有这样的输出特性：在1530nm处有最大的放大增益，并在1550nm处有次极大放大增益，位在放大增益比较平坦的1540nm到1560nm范围内的波长用于波分复用。然而，即使在这个波长范围内，放大增益也随波长改变。所以，各个波长处的放大增益必须调平。

如图5A和5B所示，即使提供给同一个掺稀土元素光纤的光信号功率保持相同，掺稀土元素光纤的特性仍表现为，当光纤的长度增大时对应最大增益的波长将向较长波长段(1560nm)方向移动。也就是说，如图5A和5B所示，当光纤长度为8m时，最大放大增益出现在1555nm处，但当长度为14m时，最大放大增益出现在1560nm左右。掺稀土元素光纤还有一个特征是，即使使用同样长度的光纤，当泵浦光的输出强度增大时对应于最大增益的波长将向较短波长段(1540nm)方向移动。

这样，通过结合这两个特性，有可能确定最优的掺稀土元素光纤长度和泵浦光强度以获得在短波长(1540nm)处有最大放大增益，同样也有可能确定最优的掺稀土元素光纤长度和泵浦光强度以获得在长波长(1560nm)处有最大放大增益。在确定了能使短波长和长波长处有最大增益的两对最优光纤长度和泵浦光强度之后，再适当地控制这两个长度和强度来使短波长和长波长处的增益互相相等。

如图6A和6B所示，当把两个最大增益相同的光纤放大器串连连接，并且让一个位在工作波长段1540nm到1560nm的输入光信号从中通过，则第一光纤放大器在短波长(1540nm)处得到最大增益，第二光纤放大器在长波长(1560nm)处得到最大增益。这样，包括第一和第二光纤放大器的整个光纤放大器能在全部波长段(1540nm到1560nm)上得到平坦的高水平放大增益，如图6C所示。

本发明的增益平衡光纤放大器可以含有带通滤波器70，以除去工作波长范围1540nm到1560nm之外的波长成分。此外，为了防止两个有不同光放大特性的光纤放大器受到对方泵浦光的影响，可以在它们之间插入光隔离器42。带通滤波器70可以用棱镜、多层介质膜和衍射光栅构成。特别地，多层介质膜可由交替排到高折射率介质层和低折射率介质层形成，当这些层的光学厚度近似为λ/2或λ/4时，该多层介质膜就变成一个带通滤波器，其特性取决于膜层的数目和材料。

光隔离器42有一对输入端口和输出端口，它能让某一规定方向的光无损耗地透过，其结构是在两个透光轴互成45°角的偏振器之间插入一个Faraday(法拉弟)旋光器。在具有上述结构的增益平衡光纤放大器中，第一分路耦合器16按预定的比例，例如1∶99，来分解通过波分复用器72的光信号输入，把99％的信号传送给掺稀土元素光纤80和90，把1％的信号传送给第一光电二极管28，后者将向控制电路50提供一个电信号，以监视输入光信号的状态。与第一光电二极管28相似，第二光电二极管38把第二分路耦合器36送来的放大输出光信号转换成一个电信号，并把后者提供给控制电路50。控制电路50根据由第一和第二光电二极管28和38所提供的监视信号，控制提供给泵浦激光二极管60和30的工作电流大小。

泵浦激光二极管60和30分别通过合路器66和26向掺稀土元素光纤80和90提供例如在930nm到980nm范围内的预定波长的、对应于工作电流的泵浦光。泵浦光的强度可以由控制电路50区分。当泵浦光被提供给掺稀土元素光纤80和90时，掺在光纤中的Er离子将被激发，然后发出大量有预定波长的受激光子。于是，比较短的第一掺稀土元素光纤80放大短波长的光信号，比较长的第二掺稀土元素光纤90放大长波长的光信号。

由控制电路50提供给泵浦激光二极管60和30的工作电流大小是根据以往建立的实验数据来确定的。不过，如果光纤放大器18的增益平衡不完善，则准备提供给泵浦激光二极管60和30的工作电流大小将被一个含在控制电路50中的预定程序改变。这样，通过了两个光纤放大器的输入光信号在任何时候都有平衡的增益谱。

图7示出根据本发明第2实施例的一种增益平衡光纤放大器的布局。在该布局中，第一和第二掺稀土元素光纤80和90被设计得使两者都是前向激励的。其他部分和工作情况都与第1实施例相同。图8示出根据本发明第3实施例的一种增益平衡光纤放大器的布局。该实施例中的光纤放大器被设计得使第一掺稀土元素光纤80是反向激励的，而第二掺稀土元素光纤90则是前向激励的，其他部分和工作过程相同于第1实施例。图9示出根据本发明第4实施例的增益平衡光纤放大器的布局，其中第一和第二掺稀土元素光纤80和90都是反向激励的，其他部分和工作过程相同于第1实施例。

如上所述，本发明提供了一种增益平衡光纤放大器，它通过串连连接多个在不同波长下有高放大增益的光纤放大器而能够把全部放大增益调平到最高程度。这样就能均匀地放大多个在输入波长范围内的波分复用的光信号。此外，本发明利用至少一对掺稀土元素光纤和一对泵浦光源来构成双向泵浦结构，从而调平光信号的放大增益，并高增益地放大光信号。而且，由于本发明通过控制掺稀土元素光纤的长度和泵浦光源的输出强度把全部放大增益调平到最高程度，所以即使当波长放大特性发生变化时，也可借助于控制各个泵浦光源的输出强度来在任何时候都达到增益平衡。根据本发明的增益平衡光纤放大器能在不增添光缆的前提下把普通光纤放大器的传送容量提高一倍，并且它也能应用于窄带波分复用系统。

对于熟悉本技术领域的人们来说，很明显可以在不偏离本发明的精神或范畴的情况下对本发明的增益平衡光纤放大器做出各种修改和改变。所以，希望本发明能包含对它的各种修改和改变，只要这些修改和改变属于所附权利要求和它们的等价内容的范畴。

Claims (6)

1.一种增益平衡光纤放大器，它包括：一个光信号在其中传送的传光线；一个设置在该传光线上并掺有预定稀土元素离子的掺稀土元素光纤；一个用于产生有预定波长的泵浦光的泵浦光源；以及一个用于把该泵浦光提供给该掺稀土元素光纤的合路器，

其中多个光纤放大器被布局得互相串连连接，各掺稀土元素光纤的长度和泵浦光源的输出强度被设定得使在不同的波长上有高的放大增益，由此把有不同波长的各输入光信号的全部波长段的放大增益调平到最高程度的放大增益。

2.根据权利要求1的光纤放大器，其中两个光纤放大器被布局成串连连接，两个掺稀土元素光纤的长度和泵浦光源的输出强度被设定得使分别在1540nm的短波长段处和1560nm的长波长段处有高的放大增益，由此把有不同波长的输入光信号的全部波长段的放大增益调平到最高程度的放大增益。

3.一种增益平衡光纤放大器，它包括：

一个光信号在其中传送的传光线；

一个第一掺稀土元素光纤，它设置在该传光线上，掺有预定的稀土元素离子，并在一个规定的波长处有最大增益；

一个第二掺稀土元素光纤，它在一个不同于第一掺稀土元素光纤的最大增益波长的波长处有最大增益；

第一和第二泵浦光源，分别用于为第一和第二掺稀土元素光纤产生有预定强度的泵浦光；以及

第一和第二合路器，分别用于把泵浦光耦合给第一和第二掺稀土元素光纤。

4.根据权利要求3的光纤放大器，它还包括一个位在第一和第二掺稀土元素光纤之间的带通滤波器，该带通滤波器滤去第一掺稀土元素光纤的放大光信号输出中的规定波长段之外的波长成分。

5.根据权利要求4的光纤放大器，它还包括一个光隔离器，用于防止有不同光放大特性的第一和第二掺稀土元素光纤受到对方泵浦光的影响。

6.根据权利要求3的光纤放大器，它还包括：

第一和第二分路耦合器，分别用于按预定的比例使输入光信号和放大的输出光信号分路，该第一和第二分路耦合器位在光纤放大器的两端；

第一和第二光电二极管，用于把输入光信号和放大的输出光信号中被分路出的部分转换成电信号；以及

一个控制电路，用于根据由两个光电二极管所提供的电信号去控制光纤放大器，以获得稳定的放大输出。

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