CN1294767A - 性能改进的增益平坦的掺铒光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多级光放大器(20),该放大器具有一个位于GFF(26)和光衰减器(28)之间的增益级(G2)。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于改善多级掺铒光纤放大器(EDFA)之性能的技术，其中掺铒光纤放大器包含增益平坦的滤光器(GFF)，以及其它可能有损耗的部件，包括可变光衰减器(VOA)。
发明背景
对于在波长多路复用的通信系统中使用的光放大器来说，具有均匀或平坦的增益光谱是很重要的。EDFA可以在大于30纳米的光谱宽度上产生增益，但即使在最佳抽运条件下，增益光谱也可能是不均匀的。大家知道，增益平坦滤光器(GFF)可用在光放大器中，用于降低某些波长带上增益的变化(例如参见，M．Tachibana，R．I．Laming，P．R．Morkel和D．N．Payne等人在1991年IEEE光子学技术快讯，第3卷，第118-120页上发表的“具有平坦增益光谱的掺铒光纤放大器”)。
但是，静态的GFF只能在单个增益值(即，在任一特定波长处的增益)上提供最佳的增益平坦度。如果通过改变反转(例如，通过改变抽运功率或信号功率)，改变了EDFA的增益，那么增益会按依赖光谱的方式改变抽运功率或信号功率(例如参见，C．R．Giles和D．J．D．Giovanni在1990年的IEEE光子学技术快讯，第2卷，第797-800页上发表的“掺铒光纤放大器中增益和噪声对光谱的依赖关系”；以及J．Nilsson，Y．W．Lee和W．H．Choe在1995年的“电子快讯”，第31卷，第1578-1579页上发表的“用于WDM的具有动态增益平坦度的掺铒光纤放大器”)。结果，如果将传统的EDFA用于需要其增益不同于放大器之设计增益的场合，那么如在所关心的波长带中计算得到的，其增益光谱将显现出过大的归一化增益波纹((最大增益-最小增益)／最小增益)。一种光放大的光纤传输系统举例说明了此情况是如何成为一个问题的，在该系统中，人们需要支持的光纤跨度短于设计放大器时所针对的光纤跨度。一般来说，为每种光纤跨度定制设计独立的放大器是不现实的。因此，要么被迫使用具有畸变增益光谱的放大器，要么被迫向系统增加足够的损耗，致使从放大器得到真正需要的设计增益。为了达到增益平坦的目的而故意加入系统的光衰减器试图增加被加入信号中的噪声量，并且相对于一个类似的放大器级联来说，需要附加的抽运功率，而所述放大器级联已被重新设计成在实际需要的增益级上提供平坦的增益。通过在多级光放大器的增益级之间添加光衰减器，可以降低此性能损耗(例如，参见Y．Sugaya，S．Kinoshita和T．Chikama在1995年美国光学协会技术读者丛书，《光放大器及其应用》第？卷(美国光学协会，Washington DC)，第158-161页上发表的“用于WDM系统的具有低噪声和宽动态范围的掺铒光纤放大器的新型结构”；以及N．E．Jolley，F．Davis和J．Mun在1997年美国光学协会技术读者从书，《光纤通信会议》第6卷(美国光学协会，Washington DC)第134-135页上发表的“对具有低动态增益倾斜且增益和输出功率可变的EDFA进行带外电子增益箝位”)。
本发明的一个目的是，利用这种在包含GFF的放大器中将衰减放置在增益级之间的方法，同时保持良好的光学性能。这对于所需GFF只能衰减部分增益光谱的宽带EDFA来说尤其重要。当只使用高衰减GFF，或者高衰减GFF与其它衰减光学元件一起使用时，也可以应用该方法。
众所周知，通过在两个增益级之间适当地插入GFF可以降低该GFF对光放大器性能的影响(例如参见M．Tachibana，R．I．Laming，P．R．Morkel和D．N．Payne在1991年IEEE光子学技术快讯第3卷，第118-120页上发表的“具有平坦增益光谱的掺铒光纤放大器”)。对于传统的线路放大器，通过适当的放置滤光器，可以明显减小GFF的负面影响。但是，当放大器向更宽的带宽方向移动时，因许多原因，GFF的影响将更大。较宽的带宽要求GFF具有更大的峰值衰减。当滤光器的峰值衰减增加时，其对放大器噪声／输出功率性能的负面影响一般也将增加。带宽较宽的放大器还经常使用铒增益光谱(或者蓝色带)中波长较短的部分，它大致为1525-1540纳米。一般来说，更难在这部分光谱中获得最佳的噪声性能，因为放大光纤的本征噪声性能对局部反转更敏感。如以下所说明的，在最终功率级具有极低反转的多级放大器中，这些效应会彼此混合。
具体地说，图1示意地示出了三级EDFA 10。需要放大的光信号在输出端11输入EDFA 10，而放大后的光信号在输出端12离开EDFA。EDFA 10包括三个增益级，它们的功率增益用G1、G2和G3表示。增益级G1、G2和G3中的每一级都包括一段被抽运的掺铒光纤。铒掺杂物为该光纤段中传播的光辐射提供了光增益。另一种方法是，可以用诸如稀土元素等除铒以外的其它元素来提供合适的增益。
在图1中，Ti是达到第i个增益级的净(线性)透射系数。因此，Ti是有损耗部件之线性透射系数与放大部件之增益系数的乘积。因此，可以把Ti视作所指位置针对增益级Gi的所有部件的功率传输系数(考虑插入损耗)，其中i=1，2，3。Ti和Gi的量可以是波长的函数。 其中Fi是第一增益级的噪声系数(线性单位)，而Tin-1是从放大器输入端到第一增益级开始的所有光学部件的净线性功率透射系数。与其它级的噪声贡献有关的符号用类似的方式表示。对于增益较高的放大器(G＞～20dB)，F1的最小可能值为2。一般如此设计光放大器，使得运算时，等式1中的第一项支配总的噪声系数，使F1尽可能地接近量子力学极限(高粒子数反转)。由于一般在后续的增益级中使用较低的反转(一般，抽运功率对信号功率的转换效率较高最容易获得较低的反转)，所以使这些级对总放大器噪声系数的影响较小的唯一方法是使
Tin-1=T1G1+…+Ti-1Gi-1 (2)尽可能的高。即，使从放大器输入端到第i级的净功率传输系数尽可能的高。一般，这可以通过在第一级中使用高增益(～20 dB)来实现。由于建立了放大自发发射，所以较高的增益很难用单个级获得。但是，宽带放大器的GFF峰值衰减经常达到或超过10 dB，同时10 dB增益动态范围会要求(可变)光衰减器的峰值衰减＞10 dB(10工作范围+最小损耗)。另外，低反转的噪声系数可以在接近10至大于10的范围内。如果在放大器内直接级联具有插入损耗的部件(诸如这些)，那么它们的总衰减将导致低数值的Tin-i，并且影响放大器的总噪声系数。
本发明的另一个目的是，克服此问题，以便改善多级EDFA的性能。
发明内容
依照本发明的一个较佳实施例，缓解了现有技术中的上述问题，并且改进了多级光放大器。依照本发明，这可以用下述方式来实现，即在诸如多级EDFA等多级光放大器中，在GFF和光衰减器之间提供一种附加的增益级。
具体地说，依照本发明的一个说明性的实施例，一种光放大器系统包括多个增益级，这些增益级串联布置，用于为系统中传播的光信号提供增益。系统还包括一增益平坦滤光器，它用于降低光放大器在一特定波长带中的增益变化；以及一光衰减元件。作为说明，光衰减元件包括可变光衰减器、开关、隔离器、添加复用器和去除复用器中的一个或多个。有一个增益级位于增益平坦滤光器和光衰减元件之间，用以降低光放大器系统的总噪声系数。作为说明，每个增益级都包括一段被抽运的掺铒光波导。在光信号于放大器系统中传播的方向上，光衰减元件位于增益平坦滤光器的前面。或者，在光信号的传播方向上，增益平坦滤光器位于衰减元件的前面。
一般来说，可以在前面的级中提供更多的增益，并且改善任何设计的噪声系数。但是，一般这将降低抽运功率对信号功率的转换效率。因此，对噪声性能和抽运功率要求在许多感兴趣的设计是折衷的。在许多情况下，依照本发明可以在固定噪声系数或抽运功率要求中的一个要求时，改善另一个。
在本发明的另一个实施例中，增益平坦的光放大器包括多个光增益级和多个增益平坦滤光器级，它们按交替方式串联布置。
附图概述
图1是一示意图，示出了一个多级EDFA。
图2A是一示意图，示出了依照本发明的具有可变光衰减器(VOA)的多级EDFA，其中VOA与GFF相隔一个增益级，并且在光信号的传播方向上，GFF在VOA之前。
图2B是一示意图，示出了依照本发明的具有VOA的多级EDFA，其中VOA与GFF隔开，并且在光信号的传播方向上，VOA在GFF之前。
图3示出了一个多级EDFA，它包括位于一增益元件之前的第一GFF，以及位于该增益元件之后的第二GFF。
本发明的详细描述
图2A示出了依照本发明说明性实施例的光放大器系统。光放大器系统20包括输入端22和输出端24，其中需要放大的光辐射通过输入端22输入系统，放大后的辐射通过输出端离开放大器系统。作为说明，经放大的光辐射的波长在铒增益带的范围内，例如1530-1560纳米，尽管它可能比该范围更宽。
放大器系统20包括三个增益级，其功率增益分别为G1、G2和G3。作为说明，每个增益级都包括一个掺铒光纤放大器。这种放大器在美国专利第5，710，659号中有描述。一般，增益级G1具有相对较大的增益(15-20 dB)。其它增益级可能具有较低的增益，增益级G2大致为10-15dB，而增益级G3大致为5-10dB。这些值高度取决于放大器内各部件(诸如GFF和VOA，但也可以是诸如色散补偿器、光学添加／去除等其它部件)所含的衰减量以及对增益带的选择(较宽的增益带要求GFF具有较高的峰值衰减)。T1表示输入端22和第一增益级G1之间任何光学部件的功率传输系数。(在许多情况下，没有这种部件)。GFF 26位于增益级G1和G2之间。例如，GFF的峰值衰减为10 dB。GFF峰值衰减取决于带宽以及铒光纤提供了多少增益，这里所述的增益是放大器提供的外部增益减去所有部件的总衰减。对于一般使用的掺铒光纤类型，总的铒增益为40 dB或更大的话，在1530纳米-1560纳米的范围内，峰值衰减为10 dB。衰减元件28位于增益级G2和G3之间。衰减元件28可以包括衰减器、VOA、开关或添加／去除元件，或者另一个具有衰减的元件，或者这些元件的组合。例如，衰减元件28的衰减大于10 dB。
将GFF 26与衰减元件28隔开一个增益级(即，增益级G2)的目的是，要获得较高数值的Tin-1，以及低噪声系数Ftotal。由于Ti在等式(1)的分母上，将其保持高数据可以使Ftotal较低。如果在放大器系统内使GFF和衰减元件彼此直接级联，那么它们的总衰减将导致Tin-1的数值较小，从而对放大器的总噪声系数Ftotal造成不利的影响；或者导致功率转换效率较差。本发明通过将GFF与衰减元件隔开一个增益级，克服了这一问题。
图2B是一示意图，示出了本发明的另一个实施例。图2B的光放大器系统20′类似于图2A的放大器系统。区别在于，衰减元件28位于增益级G1和G2之间，而GFF 26位于增益级G2和G3之间。通过避免衰减元件28与GFF 26直接级联，放大器系统20′也提高了噪声性能。
对最佳结构的选择(即，图2A或图2B)将依赖于所关心的光谱带，以及放大器设计的其它细节。因此，需要各案确定。通常，先放置GFF是有利的，因为除在增益峰值附近之外，它一般具有较低的插入损耗。因此，远离峰值的波长处的信号将受到相对较小的影响，而那些在峰值附近的波长处的信号可能会从第一级接收到相当大的增益。在非峰值波长经受相当大衰减之前，这种结构会给非峰值波长提供额外的增益级。另一方面，第一级的增益(一般被高度反转)通常在蓝色带(即，大致为1530纳米)中较高。但是，如果放大器在平均反转上工作，使得滤光器也补偿铒增益带中长波长部分中的增益峰值，那么如果峰值衰减小于GFF的红色带峰值的峰值衰减，首先放置衰减器／其它部件将是有利的。用等式(1)或众所周知的数字技术可以估计出噪声性能。由于噪声性能和对信号功率的抽运一般要相对各级间增益的划分进行折衷，所以不能事先确定唯一的最佳方案。
本发明还适用于需要极高衰减的GFF(例如，峰值衰减＞10 dB)滤光器的情况。在该情况下，可以将GFF分成多个滤光器，它们的合成衰减等于将提供所需增益形状性能的总衰减光谱。然后，将各种滤光器插入多个级之间。增益平坦滤光器可能在增益级之间被分开，致使子滤光器的峰值衰减小于所需要的总平坦。另一种方法是，用这种分裂方法简化制造难度较大GFF的工艺。
图3是一示意图，示出了这种类型的光放大器系统30。需要放大的光辐射在输入端32输入放大器系统。放大后的辐射从输出端34输出。放大器系统包括三个增益级，它们的功率增益用G1、G2和G3表示。每个增益级都可以是由抽运激光器抽运的掺铒光波导段。
在系统30中，T1表示在输入端22和第一增益级G1之间的所有部件(如果有的话)的功率传输系数。在G1和G2之间有第一增益平坦子滤光器36，在增益级G2和G3之间有第二增益平坦子滤光器38。
以下在一个具体的实施例中，系统所具有的一些说明性的数值：
子滤光器36后的峰值：7 dB ＠ 1530 nm
子滤光器38后的峰值：6 dB ＠ 1558 nm每个子滤光器36和38都可以用薄滤光器干涉滤光器技术(或者长周期光纤光栅等)来制作。
在本例中，应该考虑增益在各增益级之间的光谱演化，并且应该插入子滤光器，以保持与光谱有关的噪声系数尽可能地均匀。在典型的具有高反转前端的放大器中，这表示首先企图衰减铒荧光峰附近的波长(到滤光器分解作用所允许的程度)，然后将较长波长区域(它们更慢地建立总增益)的增益平坦衰减储备在放大器中。
最后，本发明的上述实施例只是说明性的。本领域的熟练技术人员可以不脱离以下权利要求书的范围，描述各种其它的实施例。
Claims (16)
1．一种光放大器，其特征在于，包括：
多个增益级，它们按串联布置，用于为系统中传播的光信号提供增益；
增益平坦滤光器，用于降低所述光放大器在一特定波长带中的增益变化；和
光衰减元件；
其中所述增益级中的一个位于所述增益平坦滤光器和所述光衰减元件之间，用以降低所述光放大器的总噪声系数。
2．如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述每个增益级都包括一段被抽运的掺铒光波导。
3．如权利要求2所述的光放大器，其特征在于，在所述放大器中光信号的传播方向上，衰减元件位于增益平坦滤光器的前面。
4．如权利要求2所述的光放大器，其特征在于，在所述放大器中光信号的传播方向上，增益平坦滤光器位于衰减元件的前面。
5．一种增益平坦光放大器，其特征在于，包括：
多个光增益级；和
多个增益平坦滤光器级；
其中所述增益平坦滤光器级和所述增益级以交替的方式串联布置。
6．如权利要求5所述的光放大器，其特征在于，所述每个增益级都包括一段掺铒光波导。
7．一种光纤放大器系统，其特征在于，包括
输入端，第一光信号通过所述输入端输入所述放大器系统；
输出端，第二光信号通过所述输出端离开所述放大器系统；
至少第一、第二和第三增益级，它们串联布置在输入端和输出端之间，每个所述增益级都包括一段光波导，光波导中掺杂了一种用于提高光增益的元素；
增益平坦滤光器，它连接在所述第一增益级和所述第二增益级之间；和
具有光衰减的元件，它连接在所述第二增益级和所述第三增益级之间。
8．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，所述第一增益级最靠近所述第一输入端，而所述第三增益级最靠近所述输出端。
9．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，所述第一增益级最靠近所述输出端，而所述第三增益级最靠近所述输入端。
10．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，所述第一、第二和第三增益级中的每一级包括一段掺铒的光波导。
11．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，具有光衰减的元件包括一个可变光衰减器。
12．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，具有光衰减的元件包括一个开关。
13．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，具有光衰减的元件包括一个添加-去除元件。
14．如权利要求7所述的放大器系统，其特征在于，具有光衰减的元件至少包括可变光衰减器、隔离器、添加复用器和去除复用器中的一种。
15．一种增益平坦光放大器系统，其特征在于，包括
第一和第二增益平坦滤光器，它们的组合衰减结果是一总衰减，该总衰减为所述光放大器系统提供了所需的增益整形性能；和
一个增益级，它位于所述第一和第二增益平坦滤光器之间。
16．一种光放大器，其特征在于，包括：
多个增益级，它们按串联布置，用于为放大器中传播的光信号提供增益，每个增益级都包括一段被抽运的光波导；
增益平坦滤光器，用于降低所述光放大器在一特定波长带中的增益变化；和
光衰减元件；
其中所述增益级中的一个位于所述增益平坦滤光器和所述光衰减元件之间，并且
为所述增益级选择增益值，以便在固定噪声系数和抽运功率要求中的一个时，改善另一个。
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