CN1254853A - 具有高功率转换效率的并行光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

一项提供1,580纳米波长的光纤放大器的技术,该光纤放大器的结构是C－波段二氧化硅基搀杂铒的光纤放大器(EDFA)级和L－波段EDFA级以如下方式并行耦合在一起,即C－波段或L－波段EDFA级发射的反向放大自发(ASE)光在L－波段EDFA级被再利用作为放大的辅助泵浦源。

Description

具有高功率转换效率的并行光纤放大器
本发明是有关应用于光通讯的光学装置，特别是有关并行光纤放大器，该并行光纤放大器具有能够再利用放大的自发(ASE)光作为辅助泵浦源的结构。
近来，提出了用具有宽增益波段的搀杂Er3+的光纤放大器(EDFAs)解决在波分多路复用(WDM)系统中由于容量不断增长导致的有关问题。对于设计成使用这种EDFAs的实用系统，虽然使用新材料，比如说以亚碲酸盐基EDFAs制成的光纤放大器已经开发出来，但就成本和应用而言，认为必需使用并行连接的工作波段为通常的C-波段(从1,530纳米至1,560纳米的波段)或者长波的L-波段的二氧化硅基EDFAs。关于L-波段的EDFAs，由于L-波段的EDFAs发展时间短，关于L-波段的EDFAs还有许多悬而未决的问题，比如说，L-波段EDFAs的功率转换效率低，导致需要高功率泵源。由于L-波段EDFAs的泵浦效率如此低，具有L-波段EDFA并行连接结构的二氧化硅基光纤放大器在宽波段的应用具有局限性。为了提供一种提高L-波段EDFA功率转换效率的装置，发明者开发了一项技术，即再利用无用的放大自发(ASE)光作为未被泵浦的EDF部分的辅助泵浦源。根据这一技术，性能有显著的提高。这一技术在韩国专利申请No.98-34370中公开了。关于再利用无用的反向ASE光，发明者也认识到如下事实：即把在C-波段EDFA中产生的反向ASE光再利用于L-波段EDFA级放大的技术适用于具有并行连接结构的宽波段二氧化硅基光纤放大器。
因此本发明的目的是提供一种在宽波段具有高功率转换效率的光纤放大器。
依据本发明，通过提供一种并行光纤放大器就可以实现此目标。该并行光纤放大器包括：第一EDFA级，与第一EDFA级并行连接的第二EDFA级，第二EDFA级的增益波段与第一EDFA级的增益波段不同，所述并行光纤放大器还包括用于再利用来自第一EDFA级的自发光作为第二EDFA级的辅助泵浦源的装置。
第一EDFA级可以由C-波段EDFA构成，而第二级EDFA级可由L-波段EDFA构成。在这种情况下，可以实现在相对宽的波段内具有高功率转换效率的并行光纤放大器。
再利用装置可以包括用于一个接收来自第一EDFA级的自发光的回转器，一个用于把接收到的自发光传输到第二EDFA级的连接光纤，以及一个以如下方式连接在连接光纤与第二EDFA级之间的光学耦合器，即把来自连接光纤的自发光传输到第二EDFA级。
第二EDFA级可以包括光泵浦装置，适于被光泵浦装置光学泵浦的第一光纤部分，以及不适于被光泵浦装置光学泵浦的第二光纤部分。第二EDFA级的光泵浦装置可以设置在第一和第二光纤部分之间，而且对第一光纤部分起向前泵浦作用。在这种情况下，第二EDFA级可实现更高效的光放大，因为除了来自第一EDFA级的无用反向ASE光外，还把来自它的第一光纤部分的无用反向ASE光提供给第二EDFA级。
对以上所提到的每种情况，第一和第二EDFA级最好都由二氧化硅基光纤构成。
通过下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征及优点将变得更加清楚，其中：
图1a是描述的普通并行光纤放大器的示意图；
图1b是描述依据本发明实施例的并行光纤放大器的示意图；
图2是描述图1a所示的普通并行光纤放大器的输出光谱曲线图，对于没有不适于被泵浦的EDF部分的普通并行光纤放大器，饱和输入信号为0dBm；
图3是描述当输入0dBm饱和信号时，分别观察C-波段和L-波段EDFAs的反向ASE光谱曲线图；
图4a是描述对于图1a的普通并行光纤放大器和依据本发明实施例的并行光纤放大器，当改变不适于被泵浦的EDF部分的长度时，获得的1,595纳米饱和信号输出强度(伴随1,540纳米饱和信号输出强度)和整个系统的功率转换效率的测量结果曲线图；以及
图4b是描述分别对于图1a和图1b的并行光纤放大器测得的噪声系数曲线图。
现在将详细描述本发明的最佳实施例。
下面的描述对依据本发明实施例的并行光纤放大器和普通光纤放大器在结构和性能方面比较进行的，以便易于识别本发明的实施例所取得的效果。
参考图1a，通过C-波段/L-波段WDM耦合器130和132，把C-波段二氧化硅基EDFA级110和L-波段二氧化硅基EDFA级120并行相互连接在一起。C-波段EDFA级110包括具有期望长度的C-波段EDF 112，用于输出980纳米泵浦光的第一激光二极管114，980纳米泵浦光适于泵浦C-波段EDF 112。第一激光二极管114通过第一WDM耦合器116耦合到C-波段EDF 112上。另一方面，L-波段EDFA级120包括两个串联在一起的EDFs 122和124，和连接在EDFs122和124之间的第二激光二极管126，适于输出980纳米的泵浦光。第二激光二极管126通过第二WDM耦合器128耦合到EDF 124上，以便于它向前泵浦EDF 124，通过这样放置第二激光二极管126，EDF122不被第二激光二极管126泵浦。为了在光纤放大器中引导光信号在一个方向上传播，光隔离器140、142和144分别安放在光纤放大器的输入端、C-波段EDFA级110的输出端、以及L-波段EDFA级120的输出端。将光纤放大器设计成如上所示结构的原因是：不仅通过利用C-波段EDFA级110和L-波段EDFA级120获得宽波段增益，而且允许把EDF 124发射的泵浦反向ASE光在L-波段EDFA级120中作为EDF 122的辅助泵浦源，从而实现提高功率转换效率。
图1b是描述依据本发明实施例的并行光纤放大器的示意图。在图1b中，分别与图1a中的元件相对应的元件用相同的参考标号表示，而且为了描述简明，并没有省略任何描述。
参考图1b，从C-波段EDFA级110出射的反向ASE光通过光回转器150、连接光纤160以及C-波段/L-波段WDM耦合器170而供给到EDF 122，EDF 122没有被第二激光二极管126泵浦。因此按照这一依据本发明实施例的结构，未被第二激光二极管126泵浦的EDF 122同时利用EDF 124发射的无用反向ASE光和C-波段EDFA级110发射的无用反向ASE光，EDF 124由第二激光二极管126泵浦，从而可提高功率转换效率。虽然在本发明所描述的实施例中，不被泵浦的EDF 122在本发明的实施例中被描述为包括在L-波段EDFA级120中，但本发明的光纤放大器局限于这种结构。从下面结合图4a和图4b的描述可看出这是很明显的，描述了这样一个事实：即使当EDF 122的长度为零时，也可获得本发明的预期结果。
现在将从操作的角度对普通光纤放大器和本发明的光纤放大器作一比较。为了比较，在图1a和图1b的情况下使用相同结构的EDFs。所使用的每个EDF都是由市场上可买到的共搀杂Al光纤构成，此种光纤在波长1,530纳米处具有最大的吸收系数4.5dB/m。为了观测功率转换效率随EDF 122长度的变化，所述EDF 122不适于被第二激光二极管126泵浦，在如下条件下测量功率转换效率，即适合于由它们各自的泵所泵浦的C-波段EDF 112和L-波段EDF 124的长度分别固定在20米和135米，同时改变EDF 122的长度分别为0米、5米、15米、20米、25米和35米。在波长980纳米处起泵浦作用的第一激光二极管114和第二激光二极管126的输出功率为85mW。为了评估光学放大器的各个增益，两个外部谐振激光器连同光谱分析仪一起使用，两个外部谐振激光器分别调至1,540纳米和1,595纳米。在两个波长处强度为0dBm的输入信号分别被输入到每个光纤放大器，以便测量小信号增益、噪声系数、饱和功率强度和功率转换效率。在这两种情况下，都产生3.5dB的插入损耗。回转器产生的损耗和C-波段/L-波段WDM耦合器产生的损耗分别为0.6dB和0.3dB。
图2是描述图1a中所示普通并行光纤放大器对0dBm饱和输入信号的输出光谱曲线图，其中普通并行光纤放大器没有不适于被泵浦的EDF部分。参考图2可以看出由ASE光谱产生的光增益波段宽，也就是说80纳米或更宽。对于1,540纳米和1,595纳米信号，饱和输出强度分别是14.75dBm和10.66dBm。
为了识别这样的事实：即具有强度足以提高功率转换效率的反向ASE光，使用另一个回转器测量由C-波段EDFA和L-波段EDFA每个发射的反向ASE光的强度。图3描述的是当输入0dBm饱和输入信号时，对于以上两个EDFAs分别观察到的反向ASE光谱曲线图。光谱测量是使用分辨率为0.2纳米的光谱分析仪进行的。正如图3所示，两个光谱分别在波长1,540纳米和1,595纳米附近出现峰值。这些峰值可能由每个输入信号的瑞利反散射产生的。C-波段EDFA发射的反向ASE光强度是1.5mW。与L-波段EDFA发射的反向ASE光强度即17mW相比，这个值当低。然而，大约1.5mW的ASE光强度足以提高L-波段放大效率。通过参考A.Mori的文章可以证实这一点，文章标题为 “Tellurite-Based EDFA for Wide-BandCommunications”，发表在1998年的OFC Technical Summery WA1上，第97页。这一文章公开了用强度低于1.5mW的1,550纳米信号作为L-波段放大泵浦源。
图4a描述对于图1a的普通并行光纤放大器(此后称为“第一类型并行结构”)和依据本发明实施例的并行光纤放大器(此后称为“第二类型并行结构”)，当分别改变不适于被泵浦的EDF部分的长度时，获得的1,595纳米饱和信号输出强度(伴随1,540纳米饱和信号输出强度)和整个系统的功率转换效率的测量结果。参考图4a，可以看出第一类型并行结构的输出强度对不适于被泵浦的EDF部分的长度具有更高的依赖性，其方式是随着不适于被泵浦的EDF部分长度的增加而增加。在第一类型并行结构中，总泵浦效率可提高24.4％至31.3％。性能的提高是基于这样的事实：即L-波段EDFA级被泵浦的EDF部分发射的无用反向ASE光在不适于被泵浦的EDF部分再利用。另一方面，相对于第一类型的并行结构，第二类型并行结构中1,595纳米饱和信号输出强度更高，功率转换效率也更高。对第二种类型并行结构的情况，即使当不适于被泵浦的EDF部分不存在时，1,595纳米的饱和信号输出强度也被加强到16.8mW。在同样的条件下，第一种类型的并行结构为11.6mW。
第二种类型并行结构比第一种并行结构具有更好的结果的原因是：C-波段EDFA级发射的反向ASE光在第二种类型并行结构被更有效地再利用，即使与第一种类型并行结构相比，它的强度低。在图4a中应该注意到通过再利用C-波段EDFA级发射的反向ASE光而获得增加功率转换效率的效果，随着不适于被泵浦的EDF部分的长度的增加而逐渐降低。这种现象源自于这样的事实：即C-波段EDFA发射的反向ASE光强度比L-波段EDFA的低。基于上面谈到的结果，设计一个能够最有效地利用泵浦强度的并行光纤放大器结构是可能的；因此，依据本发明，将不适于被泵浦的EDF部分以如下方式安放在泵浦激光二极管的上游，即它再利用泵浦激光二极管的泵浦操作产生的反向ASE光强度。
为了测量C-波段EDFA级发射的强度低而有限的反向ASE光引起的噪声系数损耗，分别测量第一和第二类型并行结构的噪声系数。测量结果示于图4b中。参考图4b，可以发现第二类型并行结构的内噪声系数比第一类型并行结构的内噪声系数低大约0.3dB。第二类型并行结构的这一低内噪声系数可能是由于如下事实：即C-波段EDFA级发射的反向ASE光不仅作为用于放大1,600纳米信号的泵浦源，而且作为1,600纳米ASE光的诱导光子。对于两种并行结构而言，还可以观察到随着不适于被泵浦的EDF部分的长度的增加，噪声系数也增加；这可能是因为不适于被泵浦的EDF部分单位长度ASE光强度降低导致粒子数反转降低的缘故。
从以上的描述明显看出，本发明采用将无用反向ASE光再利用到具有不同增益波段即C-波段和L-波段的并行光纤放大器的技术，从而允许并行光纤放大器工作于很宽的波段，同时具有高的功率转换效率。在测试完依据本发明的光纤放大器的性能以后，可以发现当用波长为980纳米的光进行泵浦操作时，整个系统的功率转换效率明显地提高，噪声系数损耗也降低。因此，依据本发明可以提供性能明显提高的光纤放大器。
虽然结合目前被认为最实用和最佳的实施例描述了本发明，但是应该理解本发明并不局限于所公开的实施例，相反本发明意喻涵盖所附权利要求书范围内的各种变型。

Claims (5)

1.一种并行光纤放大器，包括第一搀杂铒的光纤放大器(EDFA)级、并行连接到第一EDFA级的第二EDFA级，第二EDFA级的增益波段与第一EDFA级的不同，还包括：
用于再利用第一EDFA级发射的自发光作为第二EDFA级辅助泵浦源的装置。
2.根据权利要求1所述的并行光纤放大器，其中第一EDFA级包括C-波段EDFA，第二EDFA级包括L-波段EDFA。
3.根据权利要求1所述的并行光纤放大器，其中所述再利用装置包括：
一个用于接收来自第一EDFA级的自发光的回转器；
一个用于将接收到的自发光传输到第二EDFA级的连接光纤；以及
一个光学耦合器，以如下方式连接在连接光纤与第二EDFA级之间，即将来自连接光纤的自发光传输到第二EDFA级。
4.根据权利要求1所述的并行光纤放大器，其中第二EDFA级包括光泵浦装置、适于被光泵浦装置光泵浦的第一光纤部分、和不适合被光泵浦装置泵浦的第二光纤部分；以及
第二EDFA级的光泵浦装置设置在第一和第二光纤部分之间，并对第一光纤部分起到向前泵浦的作用。
5.根据权利要求1至4中任何一个所述的并行光纤放大器，其中第一和第二EDFA级的任何一个都由二氧化硅基光纤构成。
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