CN1244927A - 光学隔离模块和应用该模块的光学放大器 - Google Patents

光学隔离模块和应用该模块的光学放大器 Download PDF

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Abstract

一种光学隔离模块(50),其中使用分光器分离通过输入端口的光信号输入,使用光探测器(55)探测分离光,并且使用补偿器补偿极性散射,由以上分光器、光探测器和补偿器共同构成的元件与隔离器一起组成单一的元件,文中还揭示应用该光纤隔离模块的光学放大器。在光学隔离模块(50)中,第一透镜(51)聚焦入射光信号。第一楔形双折射元件(52)的第一入射表面(52a)和第一极性光发射表面(52b)形成第一预置角度。第一楔形双折射元件(52)的入射表面(52a)镀膜产生部分反射,使得部分入射光能以反射光的形式被反射。法拉第旋光器(53)以第二预置角度旋转极性光。第二楔形双折射元件(54)的第二发射表面(54b)和第二入射表面(54a)形成第二预置角度,并且第二双折射元件(54)的光轴被旋转了一个角度,该角度相对于第一双折射元件(52)的光轴,是光线被法拉第旋光器(53)旋转的反方向。光学探测器(55)的接收光表面与第一双折射元件(52)的第一入射表面(52a)反射的光线垂直,用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流。第二透镜(57)将第二双折射元件(54)的发射表面(54b)所发射并穿过隔离核心的光线聚焦。

Description

光学隔离模块和应用该模块的光学放大器
技术领域
本发明涉及一种光学隔离模块和应用该模块的光学放大器。更具体一点说，本发明涉及一种光学隔离模块，其中使用分光器分离输入端口的光信号输入，使用光探测器探测分离光，并且使用补偿器补偿极性散射，由以上分光器，光探测器和补偿器共同构成的元件与隔离器一起组成光学隔离模块。另外，本发明涉及应用该模块的光学放大器。
技术背景
应用于光通讯的光纤与其他传输线如铜线、同轴电缆相比，具有较低的传输损失、较大频宽的特点。然而，光纤的传输损失并不能完全被忽略。因此，为了补偿信号衰减，信号应当被周期性地放大。这样的光信号放大过程是通过在光纤中插入重发器实现的。
在目前所应用的大部分光通讯系统中，重发器由一个探测器、一个电学放大器和半导体激光器构成。在这样一个重发器中，探测器将衰减的光信号转化成电信号，放大器放大已转化的电信号并且半导体激光器由已放大的信号驱动以把新的光信号发送到下一级。然而，该重发器的缺点是信号噪声大，而且光信号与电信号的转化速度由探测器和放大器等元件频宽决定。
因此研制并应用了一个纯粹的放大光信号的光学放大器。而且，这样一个光学放大器不仅应用于光通讯中，还可以应用于低功率光源的功率放大、有线电视网的信号分离补偿或者光学探测器的予置放大。
应用最广泛的光学放大器是掺杂铒的光纤放大器(以后简称为″EDFA″)，在大约1.55微米波长频带上具有高达40分贝或更高的高增益、大输出功率和低噪声特性。
图1是一个典型的EDFA的框图，其中图1a是前置放大器，图1b是一个倒相放大器。
图1a的前置放大器包括一个将第一段光纤(未示出)中发射的输入光聚焦的第一透镜10，探测输入光强度的光学探测器11，在传输路径上耦合光学探测器11的分光器12，控制光信号只能前进的第一隔离器14，产生光信号激励的激光二极管16，在传输路径上耦合激光二极管16的耦合器18，一段掺杂铒的光纤(以后简称为″EDF″)，它能通过受激发射激光二极管16的激励作用产生的光子放大输入光信号，控制光信号只能前进的第二隔离器22，探测输出光强度的光学探测器24，在传输路径上耦合光学探测器24的分光器26，以及将输出光聚焦输出到第二段光纤(未示出)的第二透镜28。
在前置放大器中具有这样一种结构，即使用诸如三氯化铒(ErCl3)之类的气源通过改进的化学气相淀积法(VCD)在光纤的芯中掺入铒，形成EDF 20，发射波长为1.536微米。
同时，激光二极管16产生波长为1.48微米或者980纳米的激光，并将激光传到EDF 18，激励铒电子产生分布反转，所以EDF 18输出波长为1.536微米的激光。
对于两个隔离器14和22，第一隔离器14防止传播EDF 20放大的光信号时所产生的放大效率损失，或者同时产生的反向发射光，第二隔离器22防止光信号被输出端口连接器(未示出)反射并进入EDF 20。
图1b的反相放大器与图1a的前置放大器有相同的构造，只是激励激光二极管17由耦合器19耦合到后面的EDF 21。
同时，1985年10月22日发表的U.S.专利号4548478，专利人是Masakata Shirasaki，专利名称为″光学器件″，描述了一个光学隔离器。
图2图解说明了在一光学放大器中采用的Shirasaki发明的光学隔离器。该光学放大器类似于图1中所示的光学放大器，包括用于聚焦从第一段光纤(未示出)发射的入射光的第一透镜31，探测输入光强度的光学探测器32，在传输路径上耦合光学探测器32的分光器34，控制光信号只能在一个方向上传播的隔离器36。
使用三棱镜或光学涂层实现的分光器34分离接收到的光信号，把一些光信号输出到光学探测器32，并把其余的光信号输出到隔离器36。
Shirasaki发明的隔离器36是由两个用双折射材料如rectile和方解石制造的楔形块37和39以及插入楔形块37和39之间的45度法拉第旋光器38构成的。
但是由于折射率或者光传播速度的不同，隔离器36会产生极性散射，因此图2中附加的补偿器40用于补偿极性散射，该方法在公开号为533398A1的欧洲专利申请中描述，专利权人是AT&T贝尔实验室。
而且，普通的光学放大器有许多部件，结构复杂，插入损失大，还有在图2中，光纤被分割插入许多段，如分光器34和光学探测器32之间，分光器34和隔离器36之间，隔离器36和补偿器40之间等等。因此由于制造工艺的复杂，产品单位成本增加。同时，当入射光以45度角进入分光器时，有较大的极性相关损失。
发明的公开
为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种更可靠的隔离模块，提高光学性能，降低产品单位成本。
本发明的另一个目的是提供一种使用上述隔离模块的简化的光学放大器，使得其结构和制造工艺简化。
为了实现上述的第一目的，提供了一种控制光线只能在一个方向上传播的同时分离并探测入射光信号部分的光学隔离模块。该隔离模块包括用于聚焦入射光信号的第一聚焦装置；隔离核心，其包括第一楔形双折射元件，其第一入射表面和第一极性光发射表面形成第一予置角度，其中入射表面镀膜产生部分反射，使得部分入射光信号能以反射光的形式被反射，用于以第二予置角度旋转极性光的法拉第旋光器，以及第二楔形双折射元件，其第二发射表面和第二入射表面形成第二予置角度，其中第二双折射元件的光轴被旋转了一个角度，该角度相对于第一双折射元件光轴，是光线被法拉第旋光器旋转的反方向；光学探测器，其接收光表面与第一双折射元件的第一入射表面反射的反射光垂直，用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流；以及用于聚焦通过隔离核心传输并由第二双折射元件发射的光的第二聚焦装置。
为了实现上述的另一目的，提供了一种光学放大器，该放大器包括一个控制光线只能在一个方向上传播的同时分离并探测入射光信号部分的隔离模块；用于产生放大入射光信号的光子的激励装置；用于输出放大光信号的一段特殊的光纤，可以通过激励装置产生光子，再通过光子的受激发射放大入射光信号；以及将激励装置耦合到特殊光纤上的耦合装置。该隔离模块包括用于聚焦入射光信号的第一聚焦装置；隔离核心，其包括第一楔形双折射元件，其第一入射表面和第一极性光发射表面形成第一予置角度，其中入射表面镀膜产生部分反射，使得部分入射光信号能以反射光的形式被反射，用于以第二予置角度旋转极性光的法拉第旋光器，以及第二楔形双折射元件，其第二发射表面和第二入射表面形成第二予置角度，其中第二双折射元件的光轴被旋转了一个角度，该角度相对于第一双折射元件光轴，是光线被法拉第旋光器旋转的反方向；光学探测器，其接收光表面与第一双折射元件的第一入射表面反射的反射光垂直，用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流；以及用于聚焦通过隔离核心传输并由第二双折射元件向光路发射的光的第二聚焦装置。
为了实现上述的另一目的，还提供了一种光学放大器，该放大器包括用于产生放大入射光信号的光子的激励装置；用于输出放大光信号的一段特殊的光纤，可以通过激励装置产生光子，再通过光子的受激发射放大入射光信号；将激励装置耦合到特殊光纤上的耦合装置；以及一个控制光线只能在一个方向上传播的同时分离并探测通过耦合装置输入的放大光信号部分的隔离模块。该隔离模块包括用于聚焦放大光信号的第一聚焦装置；隔离核心，其包括第一楔形双折射元件，其第一入射表面和第一极性光发射表面形成第一予置角度，其中入射表面镀膜产生部分反射，使得部分放大光信号能以反射光的形式被反射，用于以第二予置角度旋转极性光的法拉第旋光器，以及第二楔形双折射元件，其第二发射表面和第二入射表面形成第二予置角度，其中第二双折射元件的光轴被旋转了一个角度，该角度相对于第一双折射元件光轴，是光线被法拉第旋光器旋转的反方向；光学探测器，其接收光表面与第一双折射元件的第一入射表面反射的反射光垂直，用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流；以及用于聚焦通过隔离核心传输并由第二双折射元件向光路发射的光的第二聚焦装置。
附图简述
图1是典型铒掺杂光学放大器(EDFA)的方框图，其中图1a示出了一个前置放大器，图1b示出了一个倒相放大器；
图2图解说明了用于光学放大器中的普通光学隔离器；
图3是本发明的隔离模块的剖视图；
图4是本发明的隔离模块中的隔离核心的透视图；
图5图解说明了在本发明的隔离模块的隔离核心中光前向传播的光路；
图6图解说明了在本发明的隔离模块的隔离核心中光反向传播的光路；
图7是本发明的隔离模块的透视图；
图8是本发明的铒掺杂光学放大器(EDFA)的实施例的方框图。
参看图3，隔离模块50包括第一透镜51，含有第一双折射元件52、法拉第旋光器53和第二双折射元件54的隔离核心，在接收光被反射的方向上的光学探测器55，将输出光聚焦的第二透镜57，以及置于光学探测器55前面的第三透镜58。
第一透镜51将第一段光纤(未示出)发射的输入光聚焦到隔离核心。
隔离核心中的第一双折射元件52由各向异性的光学材料构成，并将入射光分成两束不同的折射光。构成第一双折射元件52的晶体光轴与x轴垂直。并且如图4所示，楔形元件52的入射表面52a与发射表面52b形成一个予置角度1。同时，入射表面52a镀膜部分反射，使得被第一透镜51聚焦并入射到隔离核心上的部分光线被表面52a反射。
第二楔形双折射元件54的发射表面54b与入射表面54a形成一个予置角度2。并且第二双折射元件54的光轴被旋转了45度，该角度相对于第一双折射元件52，是光线被法拉第旋光器53旋转的反方向。
法拉第旋光器53将通过旋光器53的双折射光线旋转45度。
光学探测器55探测由第一双折射元件52的入射表面52a所反射的光线，并且可以通过使用一个光学二极管实现。同时，第三透镜58将第一双折射元件52的入射表面52a反射的光线聚焦在光学探测器55的光接收表面，用于提高探测效率。
第二透镜57将第二双折射元件54的发射表面54b所发射的光线聚焦，以至大部分反射光集中于第二段光纤(未示出)中。
隔离模块50的操作将参考图5和图6说明。图5图解说明在本发明的隔离模块的隔离核心中光前向传播的光路。图6图解说明在本发明的隔离模块的隔离核心中光反向传播的光路。
首先，从光源中或光纤中传来的光信号通过聚焦透镜(未示出)以予置角度入射到第一双折射元件52的入射表面52a上。为了减小极性相关损失，入射角要尽可能小，在本实施例中大约是3-12度。
由于第一双折射元件52的入射表面52a是镀膜部分反射的，由第一透镜51聚焦并入射到表面52a的部分光线从入射表面52a反射并被光学探测器55探测。另一方面，大部分入射光信号通过入射表面52a传到第一双折射元件52。
如图5所示，当光线前向传播时，第一双折射元件52中的普通射线(Ro)被转成第二双折射元件54中的特殊射线(Re)。同样，第一双折射元件52中的特殊射线(Re)被转成第二双折射元件54中的普通射线(Ro)。普通射线Ro与特殊射线Re的改变是由于光线被法拉第旋光器53旋转了一个角度，该角度与第二双折射元件54的光轴相对于第一双折射元件52的改变是反方向的，所以总共将光线旋转了90度。
图5中，光路I代表第一双折射元件52中的普通射线(Ro)和第二双折射元件54中的特殊射线(Re)的光路，光路II代表第一双折射元件52中的特殊射线(Re’)和第二双折射元件54中的普通射线(Ro’)的光路。
假设光线与x轴平行，θi，θ4和θ4’的关系由以下方程(1)给出：
         θ4＝n01+ne2-θi-1-2         …(1)
         θ4′＝ne1+n02-θi-1-2其中n0，ne分别代表普通光线和特殊光线的折射率。
当1和2的值相等时，在方程(1)中θ4等于θ4’，这意味光路I与光路II在第二双折射元件54的发射表面54b平行。并且，方程(1)简化为下面的方程(2)。
         θi＝(n0+ne-2)1-θ4            …(2)
另一方面，如图6所示，当光线向反方向传播时，光线被法拉第旋光器旋转，使得第二双折射元件54中的普通射线Ro仍旧保持为第一双折射元件52中的普通射线Ro，第二双折射元件54中的特殊射线Re仍旧保持为第一双折射元件52中的特殊射线Re。
在图6中，光路III代表第一双折射元件52和第二双折射元件54中的普通射线Ro的光路，光路IV代表第一双折射元件52和第二双折射元件54中的特殊射线Re的光路。
在这种情况下，假设光线与x轴平行，θi，θi3和θi3’之间的关系由下面的方程(3)给出：
          θi3＝n01+n02-θi-1-2      …(3)
          θi3′＝ne1+ne2-θi-1-2
如果1和2的值相等，则方程(3)可以化简为下面的方程(4)：
            θi3＝2(n0-1)1-θi            …(4)
            θi3′＝2(ne-1)1-θi
从方程(2)和(4)看到，θi和θi3的差以及θi和θi3′的差可以由下面的方程(5)计算。
            θi-θi2＝(ne-n0)            …(5)
            θi-θi3′＝(n0-ne)
因此前向传播的入射光角度θi与第一双折射元件52的入射表面52a上反向的发射光θi3和θi3’角是不同的。因此，当第一段光纤发射的光前向传播并通过隔离核心进入第二段光纤时，反向传输的光不会进入第一段光纤。
并且，当光前向传播时，由于第一双折射元件52和第二双折射元件54中的普通射线Ro和特殊射线Re交换，极性散射显著减小，因此能够自动补偿第一和第二双折射元件52和54间的折射率差异，因此本发明中的隔离模块不需要单独的补偿器。
图7是本发明隔离模块的透视图。如图7所示，本发明的隔离模块可以在单一的外壳中模制而成。隔离模块外壳包括隔离模块被密封在其中的主体60，接收输入光信号的输入端口61，发射输出光信号的输出端口62，以及电流随着光二极管探测的光信号变化的探测信号端口63。
在主体60中，隔离核心、第一透镜51、第二透镜57、光学探测器55和第三透镜58都安排在固定的位置，在校准完相互之间的相对位置后密封，这样它们之间不会发生相对移动，灰尘和水也不能渗入隔离模块。
由于光线直接通过元件而不是通过光纤传输，在隔离核心和光学探测器55之间并不需要光纤。并且，普通装置中若干处需要的分段光纤数目得到极大减少。
图8是本发明的铒掺杂光学放大器(EDFA)的实施例的方框图。
光学放大器70包括在控制光信号仅在前向方向传输的同时用于分离和探测入射光部分的第一隔离模块72；产生激励光信号的激光二极管76；将激光二极管76耦合到光路上的耦合器78；用于放大光信号的铒掺杂光纤(EDF)80，通过激光二极管76的激励作用产生光子，再通过光子的受激发射可以放大光信号；以及在控制光信号仅在前向方向传输的同时用于分离和探测输出光部分的第二隔离模块82。
第一和第二隔离模块72和82与图3至图7所描述的一样，并且其他元件的功能和作用也与普通光学放大器一样，因此，此处略去详细描述。
如图8所示，第一和第二隔离模块72和82在限制光只能单向传输时探测光强度，并探测与输入输出光成比例的输出探测电流。
本实施例的一种替换例是省略第一或第二隔离模块中的任何一个。并且多个隔离核心可以串联连接以提高光学特性。
本实施例的另外一种替换例是由激光二极管在EDF的后面实现激励操作而不是在其前面。
因此，对实施例的描述只是说明了本发明采用的隔离模块和光学放大器，本发明的范围不只局限于特定的隔离模块和光学放大器。
工业应用性
本发明的光学隔离模块可以用于光学放大器以及其他的单向传输应用中。并且，本发明中的光学放大器不仅应用于光通讯中，还可以应用于低功率光源的功率放大，有线电视网的信号分离补偿或者光学探测器的予置放大。
另外一方面，由以上对本发明的隔离模块和光学放大器的描述可知，由于分离光信号的分光器和补偿极性散射的补偿器合并在隔离模块中，并且探测分离光的光学探测器也集成在具有隔离器的单独外壳中，元件数目减少，结构简化。并且由于元件数目减少，插入损失降低。
由于光线直接通过元件而不是通过光纤传输，分段光纤数目得到极大减少，制造工艺简化而且产品单位成本降低。
此外，由于入射光以小角度入射到分光器上，极性相关损失降低。
因此隔离模块和光学放大器的光学特性得到改善，产品可靠性提高。

Claims (22)

1、一种控制光线只能在一个方向上传播的同时分离并探测入射光信号部分的光学隔离模块，其特征在于，该隔离模块包括：
用于聚焦入射光信号的第一聚焦装置；
隔离核心，其包括：
第一楔形双折射元件，其第一入射表面和第一极性光发射表面形成第一予置角度，其中入射表面镀膜产生部分反射，使得部分入射光信号能以反射光的形式被反射，
用于以第二予置角度旋转极性光的法拉第旋光器，以及
第二楔形双折射元件，其第二发射表面和第二入射表面形成第二予置角度，其中所述第二双折射元件的光轴被旋转了一个角度，该角度相对于所述第一双折射元件光轴，是光线被所述法拉第旋光器旋转的反方向；
光学探测器，其接收光表面与所述第一双折射元件的所述第一入射表面反射的反射光垂直，用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流；以及
用于聚焦通过所述隔离核心传输并由所述第二双折射元件发射的光的第二聚焦装置。
2、如权利要求1所述的光学隔离模块，其特征在于，第二予置角度是45度。
3、如权利要求1所述的光学隔离模块，其特征在于，来自所述第一聚焦装置的聚焦的光线入射到所述第一双折射元件的所述第一入射表面上，其入射角度为3-12度。
4、如权利要求1所述的光学隔离模块，其特征在于，所述的第一聚焦装置、所述的隔离核心、所述的光学探测器和所述的第二聚焦装置被安排在固定位置上并被密封在一个外壳中。
5、如权利要求1所述的光学隔离模块，其特征在于，还包括将反射光聚焦到所述光学探测器的所述光接收表面上的第三聚焦装置。
6、如权利要求5所述的光学隔离模块，其特征在于，所述的第一聚焦装置、所述的隔离核心、所述的光学探测器、所述的第二聚焦装置和所述的第三聚焦装置被安排在固定位置上并被密封在一个外壳中。
7、一种光学放大器，其特征在于，它包括：
一个控制光线只能在一个方向上传播的同时分离并探测入射光信号部分的隔离模块；
用于产生放大入射光信号的光子的激励装置；
用于输出放大光信号的一段特殊的光纤，可以通过所述激励装置产生光子，再通过光子的受激发射放大入射光信号；以及
将所述激励装置耦合到所述特殊光纤上的耦合装置，
其中所述隔离模块包括：
用于聚焦入射光信号的第一聚焦装置；
隔离核心，其包括：
第一楔形双折射元件，其第一入射表面和第一极性光发射表面形成第一予置角度，其中入射表面镀膜产生部分反射，使得部分入射光信号能以反射光的形式被反射，
用于以第二予置角度旋转极性光的法拉第旋光器，以及
第二楔形双折射元件，其第二发射表面和第二入射表面形成第二予置角度，其中第二双折射元件的光轴被旋转了一个角度，该角度相对于所述第一双折射元件光轴，是光线被所述法拉第旋光器旋转的反方向；
光学探测器，其接收光表面与所述第一双折射元件的所述第一入射表面反射的反射光垂直，用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流；以及
用于聚焦通过所述隔离核心传输并由所述第二双折射元件向所述光路发射的光的第二聚焦装置。
8、如权利要求7所述的光学放大器，其特征在于，所述特殊的光纤被掺杂稀土元素。
9、如权利要求8所述的光学放大器，其特征在于，所述特殊的光纤是掺杂铒的光纤。
10、如权利要求7所述的隔离模块，其特征在于，第二予置角度是45度。
11、如权利要求7所述的隔离模块，其特征在于，来自所述第一聚焦装置的聚焦的光线入射到所述第一双折射元件的所述第一入射表面上，其入射角度为3-12度。
12、如权利要求7所述的隔离模块，其特征在于，所述的第一聚焦装置、所述的隔离核心、所述的光学探测器和所述的第二聚焦装置被安排在固定位置上并被密封在一个外壳中。
13、如权利要求7所述的隔离模块，其特征在于，还包括将反射光聚焦到所述光学探测器的所述光接收表面上的第三聚焦装置。
14、如权利要求13所述的隔离模块，其特征在于，所述的第一聚焦装置、所述的隔离核心、所述的光学探测器、所述的第二聚焦装置和所述的第三聚焦装置被安排在固定位置上并被密封在一个外壳中。
15、一种光学放大器，其特征在于，它包括：
用于产生放大入射光信号的光子的激励装置；
用于输出放大光信号的一段特殊的光纤，可以通过所述激励装置产生光子，再通过光子的受激发射放大入射光信号；
将所述激励装置耦合到所述特殊光纤上的耦合装置；以及
一个控制光线只能在一个方向上传播的同时分离并探测通过所述耦合装置输入的放大光信号部分的隔离模块，
其中所述隔离模块包括：
用于聚焦放大光信号的第一聚焦装置；
隔离核心，其包括：
第一楔形双折射元件，其第一入射表面和第一极性光发射表面形成第一予置角度，其中入射表面镀膜产生部分反射，使得部分放大光信号能以反射光的形式被反射，
用于以第二予置角度旋转极性光的法拉第旋光器，以及
第二楔形双折射元件，其第二发射表面和第二入射表面形成第二予置角度，其中所述第二双折射元件的光轴被旋转了一个角度，该角度相对于所述第一双折射元件光轴，是光线被所述法拉第旋光器旋转的反方向；
光学探测器，其接收光表面与所述第一双折射元件的所述第一入射表面反射的反射光垂直，用于探测反射光并根据探测光产生探测信号电流；以及
用于聚焦通过所述隔离核心传输并由所述第二双折射元件向所述光路发射的光的第二聚焦装置。
16、如权利要求15所述的光学放大器，其特征在于，所述特殊的光纤被掺杂稀土元素。
17、如权利要求16所述的光学放大器，其特征在于，所述特殊的光纤是掺杂铒的光纤。
18、如权利要求15所述的隔离模块，其特征在于，第二予置角度是45度。
19、如权利要求15所述的隔离模块，其特征在于，来自所述第一聚焦装置的聚焦的光线入射到所述第一双折射元件的所述第一入射表面上，其入射角度为3-12度。
20、如权利要求15所述的隔离模块，其特征在于，所述的第一聚焦装置、所述的隔离核心、所述的光学探测器和所述的第二聚焦装置被安排在固定位置上并被密封在一个外壳中。
21、如权利要求15所述的隔离模块，其特征在于，还包括将反射光聚焦到所述光学探测器的所述光接收表面上的第三聚焦装置。
22、如权利要求15所述的隔离模块，其特征在于，所述的第一聚焦装置、所述的隔离核心、所述的光学探测器、所述的第二聚焦装置和所述的第三聚焦装置被安排在固定位置上并被密封在一个外壳中。
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