CN1252532C - 光放大器、其增益对温度依从性的补偿方法及光传输通路 - Google Patents

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Abstract

一种光放大器，其增益平坦度基本保持恒定而不随温度变化。该光放大器包括：一EDF放大单元(2)；以及一喇曼放大单元(1)，该喇曼放大单元(1)具有一随温度变化的增益分布，该增益分布能够实现对EDF放大单元(2)增益分布对温度的依从关系进行补偿。该喇曼放大单元(1)包括一波长锁定光栅(8)，该波长锁定光栅的透射波长随温度升高向短波长端移动。波长锁定光栅(8)优选地被设置成与EDF放大单元(2)的EDF(11)具有相同的温度。也公开一种用于对光放大器的增益平坦度对温度的依从关系进行补偿的方法以及一种包括光放大器的光传输通路。

Description

光放大器、其增益对温度依从性的补偿方法 及光传输通路
技术领域
本发明涉及一种用于例如波分复用(WDM)光传输系统中的光放大器，特别地，涉及一种其增益平坦度尽管温度变化仍能保持基本恒定的光放大器。本发明也涉及一种用于补偿光放大器的增益平坦度对温度的依从性的方法，此外，也涉及一种包括光放大器的光传输通路。
背景技术
最近，采用掺铒光纤光放大器(以下将这种光纤称为EDF，并将这种光放大器简称为EDF放大器)已被广泛应用在波分复用(WDM)光传输系统中。EDF放大器的工作原理是：输入到EDF放大器的EDF内的输入光，其中由于对EDF施加激发光，例如激光辐射，泵浦铒离子以形成粒子数反转，由于受激发射效应而被光学放大，从而获得增益。由于采用EDF放大器可将信号光以高增益和低噪声的形式放大，所以EDF放大器将更广泛地应用在高速、大容量、以及远程传输系统中，该系统中采用高密度波分复用传输方法。
普遍知道EDF的增益依从于波长，即，随信号光的波长变化可以获得不同的增益。由于这种现象，当在波分复用光传输系统中采用EDF放大器时，必须采取相应措施以实现EDF放大器在工作波段能够获得均匀的增益，从而使信号光的光学放大强度保持恒定，而不随其波长变化。作为这种措施的一个实例，可以在EDF放大器的输出端设置一增益平坦滤波器(GFF)，以便对输出光施加透射损耗从而使被放大光的增益相对波长的变化曲线平坦化。
号光通过光隔离器42，并且通过WDM耦合器43输入到EDF45中。另一方面，从激发光源44所发射的激发光通过WDM耦合器43而输出到EDF45。在EDF45中光学放大的信号光通过另一光隔离器42而输入到增益平坦滤波器46中。在放大的信号光通过增益平坦滤波器46时会发生透射损耗，并且对增益随波长的变化进行了补偿，以致使EDF45获得的增益在预定波长段被平坦化。最后，将输出信号光发送到光传输通路41。
如上所述，采用增益平坦滤波器46可以平坦EDF45的增益曲线，并且得到具有相对波长基本均匀的光强的输出信号光；然而，普遍知道DEF45的增益分布随环境温度而变化。由于这种现象，当环境温度变化时仅采用如图8所示的光学放大器中的增益平坦滤波器46不可能完全平坦曲线(即增益平坦度下降)。
为了解决上述问题，在“Mototaka Kakui et al.，Technical Digest ofOptical Fiber Communication Conference，USA，2000，pp.6-7，WA3”中提出一种对策：将EDF容置在配有温度控制装置或者绝材料的恒温槽中，该温度控制装置可以是例如加热器、致冷器，珀耳帖(Peltier)元件等装置。这种方法的一个缺点在于：由于必须将EDF容置在恒温槽中而使该光放大器不可避免地变大。另外一个缺点在于：由于必须对诸如加热器、致冷器，珀耳帖元件等温度装置配备外部电源而使该光放大器消耗大量的电能。
在“Yuu Ishii et al.，Proceedings of Topical Meeting on OpticalAmplifiers and their Applications，Italy，2001，PP.114-116”中公开了另外一种方法：将光纤光栅作为衰减滤波器而配置在放大器的输出端。由于将光纤光栅的透射损耗特性设为与EDF的增益随温度而变化的曲线相反，所以该光纤光栅对输出信号光施加的损耗可以补偿增益因温度改变的变化。然而，由于光纤光栅的透射损耗中随温度的变化通常小于温度变化引起EDF的增益变化，所以温度变化而引起的增益改变不能被充分补偿。采用衰减滤波器的另一缺点在于：由于当对增益随温度的变化进行补偿时输出信号光的衰减使光放大器的放大率降低。
此外，已报道了各种用于探索将EDF放大器应用于高密度波分复用(WDM)传输系统的研究结果。例如，在“Hiroji Masuda，Technical Digestof Optical Fiber Communication Conference，USA，2000，p.p.2-4，TuA1”中介绍一种配备有用于抑制噪声的喇曼放大器的EDF放大器。但是，人们没有提出相应对策能够解决上述放大器的增益平坦度因EDF增益分布随温度变化而降低的问题。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种光放大器以及一种光传输通路，其中增益平坦度不发生降低，并且能够得到基本平坦化的增益分布。本发明的另一目的在于提供一种EDF光放大器的增益平坦度对温度的依从性的补偿方法。为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种光放大器，包括一EDF放大单元以及一喇曼放大单元，其中该喇曼放大单元具有一依从温度的增益分布，该增益分布能够对EDF放大单元的增益分布曲线随温度的变化进行补偿。
在上述光放大器中，该喇曼放大单元可以包括一波长锁定光栅，该波长锁定光栅的透射波长随温度升高向短波长端位移，并且优选地可以设置该波长锁定光栅使其与包括在DEF放大单元中的EDF具有相同的温度。
在上述光放大器中，可以将该喇曼放大单元设置在所述EDF放大单元的上游或者下游。
在上述光放大器中，可以将所述EDF放大单元和波长锁定光栅容置在设备的单个机体内。
为达到上述目标，本发明的第二方面提供一种对光放大器的增益平坦度对温度的依从性进行补偿的方法，包括：在光放大器里设置一EDF放大单元以及一喇曼放大单元；并且设定EDF放大单元依从温度的增益分布曲线以及喇曼放大单元依从温度的增益分布曲线以便在温度发生改变时彼此进行补偿。
在上述方法中，所述喇曼放大单元包括一波长锁定光栅，该波长锁定光栅的透射波长在温度升高时向短波长端移动，并且该方法还包括使波长锁定光栅的温度与包括在EDF放大单元中的EDF的温度相同。
为实现上述目标，本发明的第三方面提供一种光传输通路，包括：一基本传输路径，包括一信号传输光纤以及一用于对通过信号传输光纤的放大信号光进行放大的EDF放大单元；以及一喇曼放大单元，包括一激发光源，用于使用信号传输光纤作为放大介质而进行喇曼型放大，以及一波长锁定光栅，其传输具有预定波长的激发光，以将该激发光输入到信号传输光纤，其中波长锁定光栅的透射波长随温度的升高向短波长端移动。
在本说明书中，“EDF”是指其中掺杂有例如铒等稀土元素的光纤，并且该光纤可以作为放大介质。“EDF”放大单元是指其中采用EDF作为放大介质的光放大单元。
此外，“增益分布”是指在进行放大时增益相对波长的分布图形，更具体地，是指以x轴表示波长，y轴表示增益时绘出的增益相对波长的分布图形。
附图说明
图1所示为根据本发明的一个实施例的光放大器的实例的示意图。
图2所示为包括在喇曼放大单元中的波长锁定光纤光栅实例的示意图。
图3所示为喇曼放大单元在不同温度下的增益分布曲线。
图4所示为EDF在不同温度下的增益分布曲线。
图5所示为喇曼放大单元以及EDF从25℃至65℃时增益分布的变化曲线。
图6所示为根据本发明的光放大器在不同温度的增益分布曲线。
图7所示为喇曼放大单元的激发光源的替换实例的示意图。
图8所示为传统EDF放大器的实例示意图。
具体实施方式
本发明的实施例将结合附图给予说明。
图1所示为根据本发明实施例的光放大器的实例的示意图。该光放大器包括一喇曼放大单元1以及一EDF放大单元2，其中将该喇曼放大单元1设置在相对该EDF放大单元2的上游。在图1中，参考数字4表示光传输通路，例如设置在各种元件之间以形成传输通路的光纤。
通过喇曼放大单元1上的隔离器5a将光放大器的输入单元3连接到放大光纤6的一端。放大光纤6是采用例如一单模光纤制作的放大介质。放大光纤6的另一端连接到WDM耦合器7a的输入端。
具有波长锁定光纤光栅的波长锁定单元8的一端通过光隔离器5b与WDM耦合器7a的另一输入端口相连。波长锁定单元8的另一端连接一激发光源9，例如发射波长在1400nm至1500nm之间的半导体激光器。WDM耦合器7a的一输出端口与EDF放大单元2的一输入端口相连。
在EDF放大单元2中，WDM耦合器7b的一输入端口连接到喇曼放大单元1的输出端。WDM耦合器7b的另一输入端口连接一激发光源10，例如发射波长在1480nm波段或者980nm波段的半导体激光器。WDM耦合器7b的一输出端口与作为一放大介质的EDF11的一端相连。
WDM耦合器7b的另一端通过一光隔离器5c与增益平坦器12的输入端相连。增益平坦器12的输出端与光放大器的输出单元13相连。
在具有上述结构的光放大器中，至少喇曼放大单元1的波长锁定单元8和EDF放大单元2的EDF11容纳在设备14的机体中，以便彼此具有相同的温度。
图2所示为包括在喇曼放大单元2中的波长锁定单元8的实例的示意图。参考符号24表示波长锁定光纤光栅。波长锁定光纤光栅24是一个具有其纤芯折射率以预定周期变化的光栅的光纤。波长锁定光栅24仅传输激发光源9发射的具有确定波长的激发光，并且将传输的激发光通过光隔离器5b和WDM耦合器7a发送到放大光纤6。
波长锁定光纤光栅24的输入端和输出端分别在固定点23和23固定到一对矩形支撑元件21a和21b上。该对矩形支撑元件21a和21b的主表面彼此相对并通过一对矩形连接元件22a和22b相互连接。
矩形支撑元件21a和连接元件对22a和22b采用例如硅石、低热膨胀系数的陶磁、殷钢(invarTM)合金等材料制成。另一方面，另一支撑元件21b采用热膨胀系数高于波长锁定光纤光栅24和矩形连接元件22a和22b的热膨胀系数的铝、黄铜等材料制作。
总之，波长锁定光纤光栅24在其温度升高时会发生热膨胀，并且光栅周期变长，从而使波长锁定光纤光栅24能够传输激发光源9发射的具有较长波长的激发光。因此，传统上，保持波长锁定光纤24的温度恒定以便只传输具有预定波长的激发光，并且使输入到作为放大介质的放大光纤光栅6的激发光的波长保持恒定。
然而，当采用波长锁定单元8时，随温度升高，支撑元件21b发生热膨胀，并且波长锁定光纤光栅24沿其纵向被压缩。因此，波长锁定光纤光栅24随环境温度升高会被压缩，因此光栅周期缩短，并且波长锁定光纤光栅24传输包括在输入到作为放大介质的放大光纤6中的激发光中的具有较短波长的激发光。
图3所示为在不同温度下的喇曼放大单元1的增益分布曲线。普遍知道由喇曼放大单元1中的喇曼散射效应而得到的增益分布是由激发光的波长确定的，更具体地，当激发光的波长变短时增益分布向短波长端移动。当采用喇曼放大单元1时，波长锁定光纤光栅24与传统的光纤光栅相比具有相反的随温度变化的特性，即，波长锁定光纤光栅24在温度升高时传输较短波长的激发光。因此，增益分布向短波长端移动。
当信号光通过光放大器的输入单元3时，该信号光首先在喇曼放大单元1中得到放大，以形成如图3所示的增益分布，该增益分布依赖于波长锁定光纤光栅24周围的环境温度。
其次，信号光输入到EDF放大单元2，并且由EDF11而进一步放大。图4所示为EDF的增益分布在不同温度下的曲线。普遍知道EDF的增益分布随温度而变化。例如，在增益分布中，当温度升高时，1530nm至1540nm之间的增益增加，而在另一波段1540nm至1560nm之间的增益降低。
在本实施例中，EDF11的增益分布随温度的变化由喇曼放大单元1的增益分布随温度的变化而补偿，因此在整个光放大器中即使温度变化也能够得到恒定的增益分布。
为了进行这种补偿，在每一工作波长，将喇曼放大单元1增益随温度的变化设置为与一绝对值基本相同，并且具有相对EDF11的增益随温度的变化相反的符号，即，将喇曼放大单元1与EDF放大单元依从温度的增益分布设置为彼此反向。
喇曼放大单元的波长锁定单元8的结构使波长锁定光纤光栅24在温度升高时传输较短波长的光，该光被输入到放大光纤6中。由于喇曼单元1的增益分布是由激发光源的波长决定的，喇曼放大单元1的增益随温度升高向短波长端移动。
如图3所示，在温度为25℃时，喇曼放大单元1的增益分布呈现为一段向下凸的曲线，在接近1540nm处具有最小值，以及一段向上凸的曲线，在接近1560nm处具有最大值。
当温度升高时，喇曼放大单元1的增益分布向短波长端移动，即，在从1530nm到1540nm的范围内增益降低，而在1540nm到1560nm的范围内增益增加，并且喇曼放大单元1的增益随温度的变化与EDF11的增益随温度的变化的符号相反。
适当选择波长锁定光纤光栅24的支持元件21b的材料以便支撑元件21b具有预定的热膨胀系数，从而适当调节波长锁定光纤光栅24可传输光的波长变化，使喇曼放大单元1的增益随温度的变化显示出与EDF11的增益随温度的变化基本相同的绝对值。
图5所示为喇曼放大单元1和EDF11的当温度从25℃增加到65℃时的增益分布的变化曲线。在图5中，喇曼放大单元1的增益分布变化是通过从图3中分别所示的65℃时的增益分布中减去25℃时的增益分布而得到的。此外，EDF11的增益分布的变化是通过从图4中分别所示的65℃时的增益分布中减去25℃时的增益分布而得到的。
喇曼放大单元1的波长锁定单元8的结构如上所述，且将喇曼放大单元1的波长锁定单元8和EDF放大单元2的EDF11容纳在设备14的机身内，以便使彼此具有相同的温度，从而可能将喇曼放大单元1的增益随温度的变化设置为与一绝对值基本相同，且将其符号设置为与EDF11的增益随温度的变化的符号相反。
因此，喇曼放大单元1增益分布随温度的变化对EDF11增益分布随温度的变化进行了补偿。这样，即使当温度改变时喇曼放大单元和EDF11也能在保持恒定增益分布的情况下将信号光放大。
然后信号光输入到EDF放大单元2的增益平坦滤波器12。增益平坦滤波器12采用例如多层介质制作，并且在温度变化时具有基本恒定的透射损耗。
图6所示为不同温度下信号光的增益分布，该信号光是通过增益平坦滤波器12传输的，并且从光放大器的输出单元13输出。如图6所示，增益分布因温度变化的变化范围小到0.15dB的范围，可以基本上认为是恒定的。
另外，由于增益分布基本恒定而不依赖于温度变化，因此增益平坦滤波器12可以精确将增益平坦化，即使当温度变化时也可得到极好的增益平坦度。
在此实施例中，喇曼放大单元1的激发光源9可以包括多个不同的光源。图7所示为激发光源9的变换实例。参考符号31x，31y，32x以及32y分别表示四种激发光源。激发光源31x和31y发射相同波长的激发光，更具体地，激发光源31x发射其偏振面由x轴定义的激发光，而激发光源31y发射其偏振面由y轴定义的激发光。
激发光源32x和32y发射具有相同波长的激发光，不同于激发光源31x和31y发射的激发光，更具体地，激发光源32x发射其偏振面由x轴定义的激发光，而激发光源32y发射其偏振面由y轴定义的激发光。
分别将激发光源31x和31y以及激发光源32x和32y连接到偏振束合成器33a和33b的端侧，该偏振束合成器是例如偏振保持吸收衰减(PANDA)光纤，并且将偏振束合成器33a和33b的另一端都连接到WDM耦合器7c。激发光通过WDM耦合器、光隔离器5b，以及WDM耦合器7a输入到放大光纤6。
通过采用如上所述具有不同偏振面的激发光，也可以在光放大器中采用随偏振变化的元件。
此外，当采用多个发射不同波长的激发光源时，由喇曼放大单元1所得到的增益分布是通过将各个波长所得到的增益分布合成而形成的。通过采用多个如上所述发射不同波长的激发光源，可以对由喇曼放大单元1所得到的增益分布进行调节，从而使喇曼放大单元1的增益分布随温度的变化被精确调整到与EDF11的增益对温度的变化反向。
此外，在喇曼放大单元中，可以将激发光源9配设在作为放大介质的放大光纤6的输入端，信号光输入其中，并且可以在输入和输出端都配设激发光源。类似地，在EDF放大单元2中，可以将激发光源10设置在作为放大介质的EDF11的输出端，信号光从该端输出，并且可以在输出和输出端都设置激发光源。此外，可以将喇曼放大单元1设置在EDF放大单元2的下游。
并且，在喇曼放大单元1中，作为放大介质的放大光纤6也可以作信号传输光纤之用。此时，光传输通路形成下述本发明的光传输通路。
本发明的光传输通路是通过在具有信号传输光纤和EDF放大单元2的基本光传输通路中设置喇曼放大单元1的波长锁定单元8、激发光源9等装置而形成的，其中EDF放大单元2的EDF11以及波长锁定单元8被设置为具有相同温度。由于可以采用现有光传输通路作为该基本光传输通路，因此可以降低成本。
本发明的有益效果
如上所述，根据本发明，即使在温度改变时也可以在光放大器中得到基本恒定的增益平坦度。此外，由于增益分布不随温度改变而基本保持不变，因此可以由增益平坦滤波器而精确地平坦增益分布，从而能够得到良好的增益平坦度。
此外，由于不需要设置外部电源以使增益基本恒定，因此可以限制光放大器的电耗。另外，由于喇曼放大单元的增益对EDF增益分布随温度的变化进行了补偿，因此能够得到不依温度变化而基本保持恒定并且增益相对较大的增益分布；从而能够有效对信号光进行放大。
并且，根据本发明，可以简化光放大器的结构，从而减小该装置的尺寸。此外，由于当构建本发明的光传输时可以采用现有光传输通路作为基本的光传输通路，因此实现了成本的降低。
虽然结合上述实施例对本发明给予了说明，然而应该明确该实例是对本发明的解释而不应将其视为限制。此外，在不违背本发明的精神和范围下可以进行删除、替换等改变。因此，不应认为本发明由上述说明而限制，而仅受到后附权利要求的限制。

Claims (11)

1.一种光放大器，包括：
掺铒光纤放大单元(2)；以及
喇曼放大单元(1)，
其中，所述喇曼放大单元(1)具有一依从温度的增益分布，其能够实现对掺铒光纤放大单元(2)的增益分布中随温度而发生的变化进行补偿；并且
所述喇曼放大单元(1)包括波长锁定光栅(8)，该波长锁定光栅透射来自光源的光并且随着温度升高将透射波长向短波长端移动。
2.如权利要求1所述的光放大器，
其中，设置该波长锁定光栅(8)使其与包括在掺铒光纤放大单元(2)中的掺铒光纤(11)具有相同的温度。
3.如权利要求1所述的光放大器，其中将所述喇曼放大单元(1)设置在所述掺铒光纤放大单元(2)的上游。
4.如权利要求1所述的光放大器，其中将所述喇曼放大单元(1)设置在所述掺铒光纤放大单元(2)的下游。
5.如权利要求2所述的光放大器，其中将所述掺铒光纤(11)和波长锁定光栅(8)容置在设备(14)的单个机体内。
6.一种对光放大器的依从温度的增益平坦度进行补偿的方法，包括：
在该光放大器内设置掺铒光纤放大单元(2)以及喇曼放大单元(1)；以及
设定掺铒光纤放大单元(2)的依从温度的增益分布曲线以及喇曼放大单元(1)的依从温度的增益分布曲线以便在温度发生改变时彼此进行补偿，
其中所述喇曼放大单元(1)包括波长锁定光栅(8)，该波长锁定光栅透射来自光源的光并且随着温度增加将透射波长向短波长端移动。
7.如权利要求6所述的方法，其中该方法还包括使波长锁定光栅(8)的温度与包括在掺铒光纤放大单元(2)中的掺铒光纤的温度相同。
8.一种光传输通路，包括：
基本传输通路，包括信号传输光纤(6)以及用于对通过该信号传输光纤(6)的信号光进行放大的掺铒光纤放大单元(2)；以及
喇曼放大单元(1)，包括激发光源(9)，其使用信号传输光纤(6)作为放大介质而进行喇曼型放大，以及波长锁定光栅(8)，其传输具有预定波长的激发光，以将该激发光输入到信号传输光纤(6)，其中
波长锁定光栅(8)的透射波长随温度的升高向短波长端移动。
9.如权利要求8所述的光传输通路，其中激发光源(9)包括多种不同的光源。
10.如权利要求9所述的光传输通路，其中所述多个不同光源(9)具有至少两个不同的波长。
11.如权利要求9所述的光传输通路，其中多个不同光源(9)具有至少两个不同的偏振面。
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