CN1311455A - 使用光学部件块的低成本放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能与光纤耦合的在线光放大器,其中的放大介质比与它耦合的光纤有显著更大的模场。本发明实现了一种设计,它使用非常高功率的泵浦,把泵浦功率近似1W的多模信号注入掺铒玻璃块,掺铒玻璃块的模场直径比掺铒光纤的模场直径大好几个数量级。本发明提供一种相对不那么昂贵的光放大器,它可以用在光纤通信系统或其他用途。有利的是,本发明提供的装置不要求用长度难以操纵的掺铒光纤来构成放大器。

Description

使用光学部件块的低成本放大器
本发明一般涉及光放大器，更具体说，是涉及能与光纤耦合的在线光放大器，其中的放大介质比与它耦合的光纤有显著更大的模场直径。
用掺稀土的光纤放大器放大本地和长途两种光通信网络的弱光信号，是备受关注的。掺稀土的光放大光纤呈现低的噪声，较大的带宽和低的偏振依赖性，使串扰问题显著降低，并且在光通信使用的相关工作波长上，有低的插入损耗。此外，掺稀土光纤放大器能与传输光纤端对端地耦合，还能通过定向耦合器与激光二极管泵浦耦合。定向耦合器的目的是使其在泵浦波长上有高的耦合率，而在信号波长上有低的耦合率，从而把最大泵浦能量耦合进放大器的同时，信号损耗又最小。当用泵浦激励光放大介质时，通过光放大器的信号光获得增益。泵浦能量相对于信号能量的传播方向，可以做成同向的或反向的，以便选择更高的功率效率或更佳的噪声性能。
迄今，在克服信号损耗所必须的高放大上，铒光纤放大器似乎最有潜能。掺铒光纤放大器(EDFA)工作在1550nm，这是光通信系统特别感兴趣的，因为在此波长区，放大器呈现低的插入损耗，宽的增益带宽(近似30nm)和相对的偏振不灵敏的增益。用波长980nm的光泵浦这类放大器，能够获得的增益高达26dB，但要求注入的泵浦功率亦高达76mW。一般希望获得更高增益的同时，还要求耦合进光纤的泵浦功率有较低的值，EDFA的这种最优化是追求的目标。把信号注入单模光纤所需要的泵浦是十分昂贵的。
本发明已实现了一种设计，它使用非常高功率的泵浦，发送近似1W泵浦功率的多模信号。目前有市售的高功率光泵浦激光器，价格低廉。这类高功率泵浦在制造EDFA时，不适合与掺铒光纤共同使用。但是，本发明提供一种不那么昂贵的光放大器，适合光纤通信系统使用或作其他用途。
本发明还提供一种装置，它不要求用长度难以操纵的掺铒光纤来构成放大器。相反，当前的发明使用一玻璃块，它的模场直径比掺铒光纤的模场直径大好几个数量级。
通过增大信号光束的模场，能够毫不困难且没有损耗地施加更大的泵浦能量，而当把泵浦能量耦合进单模光纤放大器时，困难和损耗是存在的。
使用内含稀土的一玻璃块，放大器的封装、温度稳定、和温度调谐变得切实可行。
还有，带平面端面的圆柱形玻璃块，有助于在其上镀膜或加上滤波器，从而在掺铒块的端面上形成选择性滤波器，让泵浦光进入，并让信号光从相反的端面进入，同时阻止泵浦波长的光随被放大的信号传播出去。
按照本发明，提供一种光放大器，它包括：一种传送待放大光信号的光波导，光波导有把光信号耦合出去的输出端；
一个基本准直透镜，与光波导的输出端光学耦合，以接收光信号并提供一基本上准直的待放大的光束，此基本上准直的光束的模场直径，比光波导传送的光信号显著大得多；
一块透光材料块，大小适合传送待放大的基本上准直的光束，此透光材料块由掺稀土元素的增益介质组成，该块被放置以接收基本上准直的光束；和
一高功率的泵浦，被放置以便把光能送至此透光材料块；以及一输出光波导，被放置以便与透光材料块内已经被放大了的光信号的聚焦光进行耦合。
按照本发明，还提供一种光放大器，它包括：提供待放大信号的第一光波导，此光波导具有平均模场直径d1；
与第一光波导光学耦合的第二光波导，用于接收被放大之后的光信号，第二光波导具有模场直径d2，这里d1和d2显著小于d3；
一种引导模场直径至少为d3的光束的透光放大介质，放置所述透光放大介质，以便从第一光波导接收光并向第二光波导提供放大了的光；
一种与透光放大介质光学耦合的泵，向放大介质提供泵浦能量。
按照本发明，还提供把进入的光信号放大的光放大器，它包括一种呈透光介质状态的玻璃块，其大小适合传送模场直径至少100μm的光束，此玻璃块用稀土元素掺杂，当稀土被泵浦光束激励时，能把通过玻璃块的光放大，透光介质在它的一个端面上有一滤波器，让泵浦光通过并基本上阻止待放大的光信号通过，同时在其另一端面上有一滤波器，让待放大的光信号通过并基本上阻止泵浦光束通过。
按照本发明，提供一种光放大器，它包括：
提供待放大信号的输入光纤；
一个透光材料组成的放大介质，透光材料的直径显著地大于输入光纤的直径，用于接收待放大的信号；
一个把待放大信号光束的模场直径显著扩展的透镜，在输入波导与放大介质之间进行光学耦合；
一个泵浦源，向放大介质提供高强度的光泵浦能量；和
一个输出光纤，从放大介质接收被放大的光信号。
按照本发明的另一方面，提供一种放大光信号的方法，包括步骤：
把光信号从光纤耦合进放大介质，放大介质的直径比在光纤中传播的信号的模场直径大许多数量级，于是，与光纤中传播的信号比较，信号的模场直径变换为显著增大的准直光束；
把与光信号波长不同的光能，泵浦进放大介质，并从放大介质接收被放大的光信号。
按照本发明，还提供一种放大光信号的方法，包括步骤：
从光纤发送携带光信号的光束；
显著地增大此光束的模场直径，并向放大介质提供此光束；
把与光信号波长不同的光能，泵浦进放大介质，并从放大介质接收被放大的光信号，和
减小被放大的信号的模场直径，并把被放大的信号耦合至输出光纤。
现在结合附图，说明本发明的各个示例性实施例，其中：
图1是常规的掺铒光纤光放大器；
图2是按照本发明的放大器的示意图；
图3是本发明的另一个实施例的示意图；
图4是本发明的另一个实施例的示意图，其中的放大介质具有光焦度；
图5是放大介质的概略视图，说明输入和输出信号分离的角度；
图6a是放大介质的概略视图，说明泵浦信号的全内反射；
图6b是放大介质的概略视图，表明准直的泵浦信号；和
图7是本发明的又一个实施例的示意图，其中的放大介质被加大，以容纳多个输入和输出光纤。
因为掺稀土光纤的低插入损耗、宽增益带宽、和低的偏振敏感性，用掺稀土光纤放大本地和长途光通信网络的弱信号，在一段时间内备受关注。使用时，掺杂的光纤通常与一泵浦耦合，使波长在稀土增益曲线之内的弱输入光信号，经受需要的放大。经定向耦合器能够耦合进光纤的泵浦光，在光纤内相对于信号可以同向传播，也可以反向传播。定向耦合器能够在泵浦波长上有高的耦合率，而在信号波长上有低的耦合率。
当光纤不被泵浦时，由于稀土离子的基态吸收，信号经受损耗。当加在光纤上的泵浦功率增加时，基态能级吸收导致的损耗下降(即，增益是负的且逐渐增加)，直至在某些泵浦功率值上，净信号吸收消失(即，增益为零)。这一状态称为透明态。此后，随着光纤中泵浦功率的增加，更高比例的稀土离子处在它们的激发态，并且从上激光态到基态的受激发射变得比从基态到上激光态的吸收更强，在各种波长上产生净的正增益。因此，当泵浦这样使上激光能级的粒子数增加时，光放大器产生泵浦阈值之上的净的正增益，从而此光纤的作用就像一个放大器。
泵浦是用一分开的激光器或灯实现的，灯发射适当能量的光子，其能量要高于信号波长对应的能量。电子从基态被激发到一个或多个泵浦带，这些泵浦带都在上激光能级之上。重要的是，上激光能级的自发寿命要大大地超过泵浦带的自发寿命，以使上能级的粒子数极大增加。当一个激光波长的光子与一个上激光态的激发离子相互作用时，能够出现受激发射。此光子可以来自早先的自发发射、受激发射、或输入信号。
本发明使用圆柱形掺铒玻璃块作为放大介质。与掺铒光纤放大器不同，此圆柱块的截面比光纤截面大好几个数量级。此外，还使用非常高功率的泵浦向此参铒块提供所需的能量。从根本上说，在光纤内传播的光束的模场直径被扩束后再通过并横过圆柱块传播。
现在到图1，图上画出现有技术的掺铒光纤放大器10，它有一泵浦12与待放大的进入的光信号20耦合。一激光二极管12提供波长为980nm的输出信号，输出信号与波长为1550nm待放大的进入的光信号20耦合。也可以用1480nm的激光二极管泵浦。耦合器14把这两个信号耦合一起，输出至适当长度的掺铒光纤16上。
现在到图2，图上画出直径近似为350μm的棒状玻璃块22；此玻璃块22用铒掺杂。一种适用的玻璃是市售的名为MM-2的玻璃，这是由Kigre公司生产的掺铒磷酸盐激光玻璃。这种材料包含高掺杂物百分比并提供高的增益。要求净增益20dB的玻璃块的典型长度在1cm范围内。然而，整体性能仍依赖许多变数；当前以光纤为基础的放大器所用的物理原理，这里同样适用。玻璃块22放在两个基本上是四分之一高跨比的GRIN透镜24a和24b之间，后两者又放在两个光纤套23a和23b之间，光纤套内装输入光纤20a和输出光纤20b。运行时，波长近似为1550nm待放大的光注入光纤20a，并从光纤20b输出。光进入GRIN透镜24a之后被准直，且光束的模场被扩束至掺铒玻璃块22能够支持的直径。因此，光束直径被扩束，在它横过玻璃块22时，几乎充满玻璃块。同时，波长为980nm、与玻璃块22光学耦合的激光器25，输出1W的高功率信号并泵浦玻璃块介质22，该信号被玻璃块22和激光器25之间的透镜27横穿此玻璃块散布并进入此玻璃块。当信号通过时，它从激发的介质22获得能量，从而被放大。介质的模增益由下面公式计算：
G=exp(g*L)
g=σ*N
这里g是增益系数，L是增益介质长度，σ是发射截面，和N是Er3+的离子密度。这一计算假定的条件是，由于高泵浦功率而产生强的粒子数反转。给定Er3+浓度为1021cm-3和发射截面为5×10-21cm2时，得到的增益系数可达22dB/cm。
现在参考图3，图上画出本发明的一个优选实施例，其中，输入光纤和输出光纤两者都被耦合进此装置的同一个端。当提供的是密封装置时，这种类型的安排是可取的和有利的。类似于图2所示的玻璃块22，在相对的两端有第一光学滤波器34和第二光学滤波器32。滤波器34的目的是让波长为1550nm的光通过，同时反射泵浦激光器产生的980nm波长的光。相反地，滤波器32的目的是让波长为980nm的光通过，同时反射入射于其上的1550nm波长的光。泵浦激光器38通过透镜24b与掺铒块22光学耦合。输入和输出光纤30a和30b两者分别配有光纤套筒23，并通过透光隔离片部件36和GRIN透镜24a，与掺稀土介质块22光学耦合。为了最佳耦合，隔离片的光程长最好等于介质块22的光程长，使横过两个部件的光束，穿越相等的光程长。
运行时，波长为1550nm的信号光从输入光纤30a注入，并在它横过GRIN透镜24a时，被准直为具有显著更大模场直径的显著更大的光束。然后，光通过滤波器34并进入并基本上填满掺铒玻璃块22。同时，高功率激光器38在被透镜24b基本上准直之后，向玻璃块22提供980nm波长的泵浦信号。波长1550nm的放大了的光，被滤波器32反射并通过滤波器34，耦合进输出光纤30b。
如果选定掺稀土块22的断面尺寸，使之基本上吸收所有泵浦能量，则不需要滤波器34。此外，泵浦激光器38能够通过不同于GRIN透镜的透镜进行耦合，甚至不用透镜。具体说，稀土介质22能够以一定锥度形成100微米的直径，并直接与激光器38耦合。
在玻璃块22的端面上，除了滤波器34和32之外，最好按照本发明，在玻璃块22上形成一些附加的光学部件，例如，用蚀刻、淀积、或粘附等工艺，在玻璃块22的端面上形成衍射部件或附加的滤波器，或透镜。输入光纤20a、30a和输出光纤20b、30b，最好是保偏光纤的尾纤，以便提供保偏放大器。
图4画出本发明的另一个实施例，其中，两个四分之一高跨比聚焦/准直的玻璃GRIN透镜，用铒掺杂而形成光放大器。第一GRIN透镜44a在一个输入/输出端面上涂覆1550nm的带通滤波器54，在此透镜相对的端面上，是用作980nm带通滤波器的涂层52。第二透镜44b直接对着滤波器52放置。在第二GRIN透镜44b的面向外的端面上，是激光器泵浦38；此装置的运行基本上与图3所示放大器相同，但是，放大作用发生在透镜内。
图5表明输入信号30a和输出信号30b以小角度注入，例如以近似1.5度注入，以便输入信号与输出信号易于分离。
如图6a和6b所示，能够把放大介质122做成泵浦能量的波导形式而无需引导此信号。例如，用金属镀层120涂覆玻璃块22，这将把泵浦光保持在介质块内，有助于导致泵浦光的最大吸收。在泵浦源38与带金属镀层的介质块122直接耦合的情形下，全内反射使泵浦光在介质块122内各个侧壁上反射。如图6b所示，用准直透镜124把激光器泵浦38耦合至介质块122，一扩束的泵浦光束便穿过介质122注入。
当然，如图7所示，由于GRIN透镜的对称性，可以布置多组输入和输出光纤130、230，同时把多于一个信号放大。为防止多束信号光束在介质块222内重叠和相互作用，要求有更大的介质块直径。

Claims (16)

1．一种光学放大器，包括：
第一光波导，用于提供待放大的信号，此波导的平均模场直径为d1；
第二光波导，与第一波导光学耦合，用于接收已经被放大了的光信号，第二光波导的模场直径为d2，这里d1和d2显著小于d3；
一种透光的放大介质，用于引导模场直径至少为d3的光束，所述透光放大介质被放置以便使之从第一光波导接收光并把放大了的光送至第二光波导；
与透光放大介质光学耦合的泵，向放大介质提供泵浦能量。
2．按照权利要求1的光放大器，其中的透光放大介质是用稀土元素掺杂的玻璃块。
3．按照权利要求2的光放大器，其中玻璃块的大小，要能传播模场直径至少为100μm的光束，此玻璃块在其一个端面上有一滤波器，让泵浦光束通过但基本上阻止待放大的光信号在其上通过，还有一个滤波器在其另一个端面上，让待放大的信号通过但基本上阻止泵浦光束在其上通过。
4．按照权利要求3的光放大器，其中邻近泵的一个滤波器，在泵浦能量的中心波长上有一通带，而其中另一个邻近第一与第二光波导的滤波器，在对应于待放大信号波长的波长上有一通带。
5．按照权利要求4的光放大器，还包括一透镜，放在两个波导和其通带与待放大信号波长对应的滤波器之间，此透镜向玻璃块提供具有扩展模场的准直光并向第二波导提供聚焦光束。
6．按照权利要求3的光放大器，其中的透光介质包括一镀层，以增进在介质内的全内反射。
7．按照权利要求3的光放大器，其中的玻璃块带有保持或改变玻璃块温度的装置。
8．按照权利要求2的光放大器，其中的玻璃块具有光焦度。
9．按照权利要求8的光放大器，其中的玻璃块有渐变的折射率，形成一透镜。
10．按照权利要求3的光放大器，还包括在玻璃块一个端面上形成的一种光学部件，此光学部件至少选自下面之一：衍射部件、透镜、和滤波器。
11．按照权利要求5的光放大器，还包括适当放置的光纤，把光送至带有阻止泵浦光束从其上通过的滤波器的玻璃块的端面，并从此端面接收放大了的光。
12．按照权利要求11的光放大器，其中的光纤是保偏光纤。
13．按照权利要求11的光放大器，其中用于把模场直径显著扩展的透镜，是一种GRIN透镜，且其中的输入光纤和输出光纤两者都装在套筒内，此放大器还包括一透光隔离片部件，放在套筒与GRIN透镜之间。
14．按照权利要求13的光放大器，还包括放在泵浦源与泵浦介质之间的一个透镜，把来自泵浦源的泵浦光基本上准直。
15．一种光学放大器，包括：
光波导，用于传送待放大光信号，此光波导有一用于发送光信号的输出端；
基本准直透镜，与光波导的输出端光学耦合，用于接收光信号并提供基本上准直的待放大的光束，该基本上准直的光束比光波导传送的光信号有显著较大的模场直径；
一透光材料块，大小要能传送待放大的基本上准直的光束，透光材料块由掺稀土元素的增益介质构成，该块被放置以接收基本上准直的光束；和
高功率泵，被放置以便把光能送至透光材料块；以及一个输出光波导，被放置以便在光信号已经被透光材料块放大之后，与聚焦的光信号耦合。
16．一种放大光信号的方法，包括步骤：
从光纤发送携带光信号的光束；
显著增加光束的模场直径，并把光束送至放大介质；
把与光信号波长不同的光能泵浦进放大介质，并从放大介质接收放大了的光信号；和
减小放大了的信号的模场直径，并把放大了的信号耦合至输出光纤。
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