CN1308245A - 多级光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三级放大器。第一预放大级用来接收将被放大的光信号,包括一段掺铒光纤和一个给该掺铒光纤提供能量的泵浦源。第二级光耦合地接收来自于第一级、已经被预放大的光信号。第二级喇曼放大器具有一段标准或DCF的光纤和为该光纤提供进一步放大已经被预放大的信号所需能量、并控制被放大信号波动的一个喇曼泵浦源。一个第三级EDFA来进一步放大已被喇曼放大器放大的信号。非常方便地,喇曼级即可用于放大又可用于提供波动控制。

Description

多级光放大器
本发明涉及一种多级光放大器，特别是掺入稀土元素的具有喇曼增益部分(Raman gain section)的光纤放大器。
光放大器，特别是掺入铒的光纤放大器普遍应用于光传导系统中，尤其是电信领域。掺入铒的光纤放大器(EDFAs)具有高的偏振不敏感增益、不同波长的信号之间串扰噪声较低、优良的饱和输出功率和噪音指数接近于基本量限的特点。这种良好的噪音特性使得数以百计的该种放大器可以串联在一起，覆盖上千公里的光纤范围。而且与电中继器不同的是，EDFAs在一有限的范围内对数据速率、信号格式和波长都是透明的，这就使这种光纤放大器可以应用于波分复用(WDM)通信系统中，不同的信号使用不同的波段，从而同时传输大量的信号。
尽管EDFAs具有这些良好的特性，EDFAs也有谱线宽度窄和非均匀增益带宽的缺点。C-段EDFA有用的电信窗口大约为20-30nm宽，而理想放大器应该在整个波谱范围内具有平滑的增益，大约从1520nm延伸到1570nm。随基质玻璃材料的不同，铒增益谱线的峰值波长大约在1530nm和1535nm之间变化。图1给出了普通的EDFA的特性增益谱线。从图中可以看出增益作为波长的函数，变化是相当大的；在下文中，这种变化将被表述为增益波动。迄今为止，已经有大量有关扩展和平滑增益谱线的技术(也就是减小波动)，包括例如向掺铒的石英玻璃纤维中再掺入Al2O3；改变基质玻璃材料本身；使用不同形式的衰减滤波器来减小发射峰的增益；或者制造一种混合式设备，将两种或两种以上不同类型的掺铒光纤顺次相联在一起，通过主动对每个光纤段的泵浦条件进行独立调节来补偿每段光纤增益斜率的差别。
Srivastava等申请的、名称为平滑增益光放大器、于1999年5月4日颁布的美国专利5,900,969中，描述了光放大器的平滑增益谱线：首先放大一个接收到的光信号，然后将这个被放大的输入信号调整到一个预定的值，最后放大该被调整的信号，光放大器对波长的依赖性大大减少，可以获得所期望的增益谱线。
除了前面提到有关减小增益波动，以及在期望使用的波长范围上的非均匀增益的问题和解决方法外，还有一个很重要的问题目前还没有简单、廉价、可行的解决方法。本申请解决了这一涉及到改善动态增益波动的重要问题。这里所使用的动态增益波动这个术语，意思是一个波长处的增益波动是由改变输入EDFA的工作条件来改变任一其它波长的增益造成的。虽然前文描述的减小增益波动的技术，对于特定输入光功率和光波长组态可以得到一定光波长范围内的相对平滑的增益谱线，但是当改变放大器的输入功率使得增益的改变偏离额定条件时(改变到寄居数反转的状态)，增益均衡性能迅速降低。对该问题的解决方法已有报道并得到证实，通过采用串联具有不同增益谱的放大级和相同数量的泵浦源的混合放大器来解决这个问题。该泵浦源允许独立有效地调节各级的增益谱，使得当总的增益发生变化时，每一放大级的相应贡献可以被调整到所期望的增益值，结果增益谱线在选定的波段具有一个非常小的谱线失真。例如，具有正增益斜率的一掺铒光纤可以和另一个具有负增益斜率的掺铒光纤结合起来，因此这个混合设备在特定的输入功率条件下具有比较平滑的增益。然而，如果该混合设备的总增益必须被改变，那么当输入其中一个放大级的泵浦功率改变时，组成该多级放大器的每一级的增益斜率的变化率将会不同。为了对这一新工作点进行有效的校准，构成多级放大器的每一级各自的增益必须要重新调整使得增益斜率相互补偿。制造该种放大器时，本领域普通技术人员可能会串联两个或多个不同的掺铒光纤，为了减少接头数量和尽可能方便地独立控制每个放大级的泵浦源，在每个放大级的一端为放大级提供一个分离的泵浦源。然而，这种减小或改善动态增益波动的技术在操作过程中需要复杂的控制机制，因为为了实现一定范围内不同增益的增益斜率补偿，多个泵浦源的总功率必须要相等(即保持固定输出功率，改变输入功率)。
现在将要引用的是美国专利5,764,406，中请人为Newhouse等，名称为混合光放大器动态增益波动(Hybrid Optical AmplifierDynamic Gain Tilt)。该专利描述了这样一种系统，其掺铒光纤放大器的动态增益波动小于任何组成光纤的动态波动。该混合设备的泵浦源数量最多只能比构成该设备的波导数量少一个。该混合设备自动地改变各个掺杂波导段之间的泵浦分配，以便获得各组成部分相应增益的再调整。该发明在一个实施例中，提供了具有不同共掺构成的EDFs组成部分，可以在各个EDF段之间自动地改变泵浦分配以便获得各EDF组成段相应增益的再调整。
虽然美国专利5,764,406看似可以达到预期的作用，但对于动态控制增益波动而言是相当昂贵和复杂的解决方法。
众多已知用于校正动态增益波动的解决方法，都会伴随着功率的损失(大约为5dB)。
本发明一个目的是提供一种新型光放大系统，该系统通过设置一在线斩波/衰减滤波器，从而不衰减预放大后的信号。
本发明的另一个目的是提供一个波动可控的光放大器，通过增加一个中间放大级来提供波动控制。该中间放大级具有放大频谱响应、可与EDFA配合以控制或补偿不需要的波动的作用。
根据本发明的光放大器，包括：
一个用于接收待放大的光信号的第一级，该第一级具有一段掺铒光纤和一个为该掺铒光纤提供能量的泵浦源，第一级用来预放大光信号；
一个第二级，用来光耦合接收来自于第一级掺铒光纤、已经被第一级预放大的光信号，该第二级包括具有一段光纤的喇曼放大器和喇曼泵浦源，该喇曼泵浦源提供进一步放大预放大后的信号所需的能量、并控制被放大信号的波动；
和一个第三级EDFA来进一步放大经喇曼放大器放大的信号。
根据本发明的光放大器具有两个掺铒放大器，在这两个掺铒放大器中间设置有一个用来控制一个或多个掺铒放大器增益波动的喇曼放大器，喇曼放大器具有调节喇曼输出强度或中心波长的装置。
根据本发明的光放大器具有两个掺铒放大器，在这两个掺铒放大器中间有一个喇曼放大器用来扩展一个或多个掺铒放大器放大波长。
根据本发明的一种多级光放大器，包括：
一个EDFA级，它具有一段掺铒光纤和用来为该光纤提供泵浦信号SPE的激光源；
一个与EDFA级光耦合的喇曼级，该喇曼级具有一段光纤和一个激光源，该激光源提供光泵浦信号SPR以喇曼放大通过该光纤的光；
和对泵浦信号SPR波长和强度其中至少一个方面进行控制改变的装置。
现在通过附图说明本发明的典型实施例，其中：
图1是典型掺铒放大器，增益(dB)作为波长函数(nm)的曲线图；
图2是现有技术中第一预放大级光耦合于第二放大级的普通两级EDFA系统的方框图；
图3是包括一个EDFA和紧跟其后的具有一段DCF的喇曼放大级的两级放大系统的方框图；
图4是现有技术中在第一和第二EDF级之间设置一增益波动滤波器的两级EDF放大器的方框图；
图5是本发明的最佳实施例的方框图，其中具有一段DCF的喇曼放大级夹在两个EDFA之间；
图6a是喇曼放大器谱线图，它描述了泵浦信号波长为1465nm时，放大作为波长函数的曲线图表；
图6b给出了不同泵浦功率下，喇曼增益作为波长函数的三个曲线图；
图7a是波长范围为1530-1565nm时，EDFA的增益作为波长函数的曲线图；
图7b是在一给定输入喇曼泵浦功率下，喇曼泵浦功率作为波长函数的曲线图；
图7c给出了结合具有图7a和图7b输出特性的两级，所得到的放大输出谱线的曲线图；
图8a到图8c分别与图7a到图7c相似，不过图8a给出的输出响应描绘的是铒放大具有负斜率的情形；
图9a给出了两种功率条件下，第一级EDFA增益作为波长函数的曲线图；
图9b是三个泵浦功率条件下，第二级喇曼放大器增益作为波长函数的曲线图；
图9c给出了设置在图9b所示第二级喇曼放大级后的第三级EDFA增益作为波长函数的曲线图；
再次参考图1，图1给出了典型的EDFA放大器的增益谱线图，从图中可以看出作为波长函数的增益是变化的。
对于种类多样的玻璃基质，掺入稀土的光放大器、特别是EDFAs可以被有效地均匀展宽，掺杂离子与信号模式的组合基本上与波长无关。因而，当放大器的工作点固定时可以通过一个微弱的探测信号来测量这一小的信号增益，增益谱线被限定为单一的与波长相关的参数组。因此，如果在某些参考波长，放大器的增益由于输入(例如泵浦和/或信号功率)的变化而被改变，放大器在其它波长处的增益会显著的改变，这种改变量很可能不同于该放大器在参考波长处的增益改变量。在此输入变化所造成的放大器增益对波长的依赖性被称为动态增益波动。因此，动态增益波动是工作条件偏离放大器设计工作点时放大器增益谱线的一种失真。
正如本发明背景技术中所指出的，迄今为止滤波器已被用于补偿和平滑传统EDFAs的增益谱线。然而由于工作条件随输入光信号的输入功率的不同而不同，提供这样一种固定滤波器，不能对动态增益波动所产生的失真控制这个问题，提供解决。而且，固定和动态的滤波器减弱了所通过的光，这与EDFA放大光信号的目的相反。
现在看图2，图2给出了一两级EDFA系统。其中第一级放大器具有一段掺铒光纤20，与该光纤相耦合来提供光能量的980nm泵浦源26。光纤20的输入端有一个用来接收将被放大的信号的端口。放大器的第二级有一段掺铒光纤22。在光纤20和光纤22之间设置一光隔离体，用来防止光从光纤22到光纤20的反向传播。第二个980nm泵浦源28给EDF22提供能量。在工作过程中，当泵浦信号存在时，中心波长为1550nm的信号在第一级放大光纤20处被预放大。之后，当该预放大的信号通过放大器的第二级时被进一步放大。
使用传统的单模传输光纤的光学传输系统会受到色散的困扰，色散对于高速波分复用(WDM)光学系统中的信号传输是有害的。例如，在单模光纤系统中，必须要补偿单模传输光纤中大的正色散。这是通过在传输系统的不同位置加入色散补偿光纤段(DCF)来实现的。由于非线性效应，最好不要将所有的色散补偿光纤设置在传输系统的一端。例如，有些DCF可以放置在放大器或中继器的内部或附近。某些放大器的现有技术在放大器的放大级之间加入一段DCF。这种做法一个副作用是产生大约10dB的损耗和噪音指数显著的恶化。
汉森(Hansen)等人在1998年电子学报(Electron Lett.)第34卷第1136页公布了在DCF中使用喇曼增益来减少一个掺铒放大器以及该掺铒放大器所需的装置。在这个例子里，汉森等人对信号和泵浦使用相同的波长。DCF的非线性效应区很小，是喇曼放大器合适的选择。
图3所示为一个两级放大器，其中第一级包括一个耦合有980nm泵浦源的EDF20部分，一个分离的第二级包括一段耦合有高功率喇曼泵浦源38的非掺杂DCF30。该第二级喇曼放大部分可以被方便地用作色散补偿器，并克服信号穿过DCF校正色散必然会带来的损耗。
图4给出了多级光放大器的典型的配置。其中，增益波动滤波器40设置在两个EDFAs放大级之间。反馈电路在图中没有画出。滤波器40可以被动态控制。一种动态可调谐滤波器的配置在美国专利第5,900,969号已经被披露。
图5为本发明的一个实施例，其中一喇曼放大级放置在两个EDFAs之间以取得前面提到的那些实施例所不具备的优点。
图5给出了一种三级放大器的图示，第二级喇曼放大器52设置在第一级EDFAs50和第三级EDFAs54之间。在预放大级之后，而不是在第二EDFAs54之后设置喇曼放大器的优点在于，喇曼放大器对EDFAs50之后的预放大信号提供补偿所需的功率小于对EDFAs54之后的完全放大的信号提供补偿所需的功率。喇曼放大器52具有一段色散补偿光纤和一喇曼泵浦源。尽管图中所示的最佳实施例具有一段DCF30，然而可以不需要DCF，在它的位置可以放置一段标准单模光纤。
采用图5所示的喇曼增益三级放大器有三个优点。喇曼增益减小了DCF的显著的损耗；在特定波长，它可以提供附加的增益；最重要的优点是，喇曼增益提供了一种无须使用衰减滤波器而完成动态增益平滑或波动控制的方法。
作为例子，一EDFA工作波长为1565nm时输出(放大)谱线在1560nm以外有一个突然的下降。为了在一扩展波长范围内获得放大，需要附加一个掺铒光纤和泵浦源。这样，在图5所示的典型实施例中，选择喇曼放大级的喇曼泵浦源38的泵浦波长，使得最大喇曼增益在1565nm处。信号波长越短，增益值越低。因此喇曼级能够扩展可被放大的波段。在一个最佳实施例中，喇曼放大器包括两个泵浦激光源，其中一个的输出信号波长为1455nm，另一个输出信号波长为1480nm。在这个最佳实施例中，激光光源是可切换的，也就是取决于所需的补偿量和类型将其中一个或另一个激光源切换进电路。图6a所示为一个典型的喇曼放大谱线，在峰值两边分别为正斜率区和负斜率区；通过确保峰值处于最佳波长，喇曼放大器的正斜率区和负斜率区都可以被使用。例如通过中心波长不同的两个喇曼泵浦激光器之间的切换，峰值位置可以被移动。另一个可改变喇曼放大器谱线特定区域放大幅值的方法，是变化泵浦信号的强度。因此通过控制喇曼泵浦的波长和幅值大小，可以对整个多级放大器输出谱进行有效的控制。
因此，在一个实施例中，喇曼级可以被用于克服与DCF有关的衰减、扩展信号放大的波长范围、和补偿掺铒放大级不希望有的波动等多种用途。为了达到这一功能，必须选择具有适当的功率和中心波长的喇曼泵浦源。
在工作过程中，泵浦功率大小按照所需放大量的不同而变化。增加泵浦功率使得增益增大，形成一更大的正波动。由于损耗的降低，增加喇曼增益的数值将改善噪音指数。这对于可增加中间级损耗、并使噪音指数恶化的衰减滤波器而言是一个显著的进步。
图6a所示的喇曼放大器谱线基本上有一个峰值，峰值两侧曲线分别以正斜率和负斜率倾斜。利用这种特性，可以动态地均匀化或减弱通常由EDFA显示出的波动。
图6b所示为不同泵浦功率下喇曼增益作为波长的函数。曲线具有大致相同的轮廓，不过幅值随泵浦功率均匀的变化。
现在参考图7a到图9c，特别是图7a，给出了一个EDFA的输出信号谱线。在本例中，该EDFA是作为一个预放大级，与输出谱线如图7b所示的一喇曼放大级相联；图7c为所得到的输出谱线，那些经第一级放大效果不好的较长波长，在两级放大器后被放大了。
除在EDFA预放大级后使用喇曼放大级来增加放大谱外，还可以得到其它有用的结果。例如，图8a到8c表示了对如图8a所示的EDFA谱线波动的校正或减小。通过使用喇曼谱线中与图8a所示的负斜率基本反相的正斜率区部分，在同样的波长范围内可以得到如图8c所示的平直的输出谱线。
通过改变喇曼泵浦的输入功率，可以得到不同的输出谱。图9c给出了不同喇曼泵浦强度下得到的三条谱线。同样，改变喇曼泵浦信号的波长可以改变喇曼输出谱。
图9a到图9c为三条输出谱线。图9a中的两条曲线分别为第一级EDFA非饱和状态下的0dBm和3dBm曲线，斜率为负。在喇曼放大级后设置一第二级EDFA，这两条曲线中的任何一条与图9b所示的喇曼输出之一相结合都可以得到图9c所示的输出谱。第二级EDFA处于饱和状态，其1332nm处的峰值被稍稍抑制。
通过改变喇曼放大器的泵浦功率，可以控制放大器的整体平滑性。
当然，在不违背本发明精神和发明范围的条件下，还可以有许多其它的实施例。例如，在前面的那些实施例中，滤波器都被描述为可动的，然而通过移动光束实施例也可以实现。

Claims (14)

1．一种光放大器，包括：
一个用于接收待放大的光信号的第一级，该第一级具有一段掺铒光纤和一个为该掺铒光纤提供能量的泵浦源，第一级用来预放大光信号；
一个第二级，用来光耦合接收来自于第一级掺铒光纤、已经被第一级预放大的光信号，该第二级包括具有一段光纤的喇曼放大器和喇曼泵浦源，该喇曼泵浦源提供进一步放大预放大后的信号所需的能量、并控制被放大信号的波动；
和一个第三级EDFA来进一步放大经喇曼放大器放大的信号。
2．如权利要求1所述的光放大器，其喇曼泵浦源用来提供喇曼泵浦信号，所述第二级还包括用来对喇曼泵浦信号强度和波长两者至少一种进行改变的装置。
3．如权利要求1所述的光放大器，该喇曼放大器中的光纤至少部分地是色散补偿光纤。
4．一种光放大器，具有两个掺铒放大级和设置在所述两个掺铒放大级之间、用来控制一个或多个所述掺铒放大级的增益波动的喇曼放大器，该喇曼放大器具有调节喇曼放大器输出强度或中心波长的装置。
5．如权利要求4所述的光放大器，还包括通过改变所述喇曼放大器波长响应来控制增益波动的装置。
6．如权利要求4所述的光放大器，其喇曼放大器包括一个泵浦信号，还包括改变喇曼泵浦信号强度的装置。
7．如权利要求4所述的光放大器，其喇曼放大器包括一段色散补偿光纤。
8．如权利要求4所述的光放大器，其中的两个掺铒放大器各自包括一个为其提供能量的具有预定波长λEDF的泵浦信号的泵浦源。
9．如权利要求8所述的光放大器，其中波长λRaman被选定来扩展掺铒光纤放大器的放大波长。
10．如权利要求4所述的光放大器，其中喇曼放大器具有作为波长函数的幅值响应，在工作波段范围内该幅值响应具有与掺铒放大器的增益波动反相的斜率。
11．一种光放大器，具有两个掺铒放大器和设置在所述两个掺铒放大器中间的、用来扩展一个或多个掺铒放大器放大波长的喇曼放大器。
12．如权利要求11所述的光放大器，其中的两个掺铒放大器各自包括一个为其提供能量的具有预定波长λEDF的泵浦信号的泵浦源，所述的喇曼放大器具有一个波长为λRaman的泵浦源，其中λEDF＜λRaman。
13．如权利要求8所述的光放大器，其中波长λRaman被选定来扩展掺铒光纤放大器放大波长。
14．一种多级光放大器，包括一EDFA级，该EDFA级具有一段掺铒光纤和为该掺铒光纤提供泵浦信号SPE的激光源；一个与该EDFA光耦合的喇曼级，该喇曼级包括一段光纤和一个为通过该光纤的光提供喇曼放大所需泵浦信号SPR的激光源；和对泵浦信号SPR的波长和强度两者至少一个方面进行控制改变的装置。
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