CN1316671A - 带有源光纤环形反射器的光放大器 - Google Patents

带有源光纤环形反射器的光放大器 Download PDF

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Abstract

在一种光学放大器中，其中所谓的环形反射器由有源光纤环路端部与3dB耦合器连接而形成。改进了不经过3dB耦合器将泵浦能量耦合进环路中的信噪比。输入信号和放大的输出信号可经过连接在放大器输入和输出端口的隔离器从和经耦合器传输。另外，它们可经过循环器传送。通过光纤增益或者其他波长选择装置的方式提供自动增益控制，其具有所选波长的放大信号一部分反射回环路中，以提供激光作用。这样反射的能量可由一衰减器控制。

Description

带有源光纤环形反射器的光放大器
本发明涉及一种带所谓环形反射器的光放大器，该环形反射器由其端部与3dB耦合器连接的环形光纤形成。本发明尤其适用于，但不唯一适用于带有由稀土元素掺杂的光纤组成的环形反射器的光纤放大器。
如1998年5月26日公开的，发明人为B.G.弗瑞克(Fidric)的US No.5,757,541专利所述，公知光放大器中的光信号通过有源光纤和来自独立能源，如激光二极管的泵浦能量共同作用而放大，在讨论现有技术时，弗瑞克认为，不管光信号和泵浦能量在有源光纤的同一端提供，还是在有源光纤的相对端提供，该现有放大器表现出非均匀和非对称的纵向泵浦激励。同时，尽管在输入和输出端使用隔离器，但是反向反射致使一定泵浦能量到达输入源。
Fidric提出通过设置由有源光纤的端部与四端口3dB耦合器的两个端口连接而形成的环形反射器来克服这些问题。由其他两个端口提供的输入信号和泵浦能量被耦合器分成相等的两部分，并且同时以顺时针和逆时针绕环路传播。用循环器从耦合器中使用和提取输入和输出信号。光纤具有偏振保持特性，因此能够保持通过环形反射器传播的信号的状态不变。偏振状态的保持更好地保证所放大的信号经剩余的泵浦光时不失真。按照Fidric的发明，或者利用光纤环中的偏振控制器也能够达到上述目的，但是这里还存在问题。
放大器的噪声指数和增益依赖于光纤中“向前”和“向后”的ASE值的接近程度，所以，对于3dB耦合器来说将泵浦能量和输入信号精确分成两半是适宜的。所以，耦合器必须能够在包括泵浦能量的波长和输入信号的波长的范围中提供50-50的等分。
依照其应用，通常在不同的波长下泵浦有源光纤。例如，当输出能量作为主要考虑的因素时，最好是使用1480nm的泵浦波长。当噪声是主要考虑因素时，当然，最好使用短波长，如980nm，这是因为由有源光纤产生的放大的自发辐射(ASE)比该波长小。Fidric提出的放大器不完全合适，因为当使用短泵浦波长时，由于现有耦合器不能够在980-1600nm范围内提供精确地50-50的分离。即使使用其泵浦波长1480nm的能量，尽管在程度上较小，但这个问题仍然存在。
本发明第一方面的目的是消除或至少缓解上述不足，并为此提供一种带有由有源光纤和耦合器组成的环形反射器的光放大器。最好是，泵浦能量不通过耦合器就耦合到光纤中。
在本发明的一个实施例中，光放大器包括环形反射器，其中四端口3dB耦合器具有分别连接在该耦合器第二和第三端口之间的有源光纤，耦合器的第一端口接收输入信号用于放大，在第一或第四端口上提供输出信号，并且在耦合器和有源光纤之间至少连接一个泵浦装置，用于给有源光纤注入泵浦能量，使其与其中输入信号一起传输，如此设置的耦合器将输入信号分离成两个相等的部分，它们在有源光纤中以相反的方向传输。最好是，在有源光纤的相邻端部设置两个相同的泵浦装置，用于在光纤相对的方向上分别注入泵浦能量，输入信号和输出信号利用连接在第一端口的具有双向端口的循环器连接到或从第一端口连接。使用两个相同的泵浦装置的优点是在有源光纤中“向前”和“向后”的ASE能够更容易均衡。另外，放大器可包括用于将输入信号与第一端口连接的第一隔离器，用于耦合从耦合器的第四端口输出的输出信号的第二隔离器，和设在环路并与有源光纤串联的偏振控制器，它用于调节环路中信号的偏振，使输出信号从第四端口输出。
所述的泵浦装置或者每一个泵浦装置可以包括波长多路复用器和泵浦能源，如激光二极管。本发明的第二方面是涉及在掺杂稀土元素的光纤放大器中的自动增益控制。在输入功率的较宽范围内能够保持放大器增益在一个恒定值是适宜的。在IEEE Potonics Technology Letters Vol.11，No.5，1999年5月5日出版的题为“带有环形反射器结构的增益控制光纤放大器”文章中，Kyo Inoue认为利用光反馈来控制增益是公知的。按照Inoue的描述，这种增益控制的放大器的不足在于它们不能用于振荡波长周围的信号，因为这种光进入反馈环并且不能被有效地放大，同时在输出口出现的激光振荡成为系统的使用障碍。Inoue提出利用增益控制光纤放大器克服这些障碍，该放大器包括由光纤光栅形成的激光腔和与3dB耦合器两个端口连接的铒掺杂光纤环形成的环形反射器。光栅和泵浦能量由耦合器的第三端口提供，输入信号由循环器的第四端口提供。输出信号经循环器输出。按照Inoue的发明，即使当它们的波长与振荡波长相近或者相同时，信号光也只通过EDF而不进入激光腔。
这种方法不完全合适，因为需要所有元件保持其偏振特性，使该放大器复杂化，并且生产成本昂贵。另一不足是限制了有效波长，这是因为光纤光栅的波长在放大器波长的有用波长范围内。
本发明的第二方面是提供一种光放大器，它包括由四端口3dB耦合器形成的环形反射器，具有分别与耦合器的第一和第二端口相连的端口的长形有源光纤，该耦合器具有用于接收要放大的输入信号的第三端口，这样耦合器将输入信号分成两个相等的部分，它们以相反的方向在有源光纤中传输，输出信号经第三端口从耦合器输出，并且至少一个泵浦装置连接在耦合器和有源光纤之间用于向光纤中注入泵浦能量，另外还包括对放大信号的一部分响应的装置，用于馈回环形反射器中一个选定的波长，它是在输入信号正常工作范围以外的波长。在反射装置和耦合器之间设置一个衰减器，用于调节馈回环形反射器中的放大信号量。
反射装置可包括光栅，如布拉格(Bragg)光纤光栅。其中环路由铒掺杂光纤组成，选定波长可以为例如1525nm。由于本发明的放大器是直接向环路提供泵浦能量，即没有通过耦合器，因此在应用高功率下使用具有1480nm的泵浦能量和在需要低放大噪声指数的应用时使用980nm的泵浦能量是可能的。泵浦装置可适合地包括将例如激光二极管的泵浦源和耦合到环路的波长多路复用器。
本发明的另一实施例提供一种具有环形反射器的光放大器，该环形反射器包括有源光纤和耦合器，与一线性放大部分光耦合。线性放大部分放大输入的光学信号，同时产生放大的自发辐射，它被用于另外泵浦在环形反射器中通过有源光纤的要放大的光学信号。
下面将参照附图仅通过举例来描述发明不同方面的实施例，其中：
图1是在输入端有一对隔离器的环形铒掺杂光纤放大器的简略示意图；
图2是在输入端有一循环器的环形铒掺杂光纤放大器的简略示意图；
图3是具有自动增益控制的环形铒掺杂光纤放大器的简略示意图；它是图2放大器的改进型。
图4是具有EDFA部分和带有源的环形反射器滤波器的光放大器的简略示意图；
图5是图4所示光放大器包括在环形反射器中设有偏振控制器的实施例的示意图；
图6是图4所示光放大器另一实施例的示意图。
在图中，在不同图中出现的相同部件使用相同的标记。
参照图1，光纤放大器包括一个用于接收有一定波长的要放大的光信号的输入端口PIN，典型地，该波长在1525nm到1625nm的范围，即第三电信窗口，和一个用于输出相应的已放大信号的输出端口POUT。
第一隔离器10将来自PIN端口的输入信号与光纤耦合器12的端口A连接，第二隔离器14将来自耦合器12端口B的输出信号与放大器输出端口POUT连接。环形有源光纤，尤其是铒掺杂光纤(EDF)16与偏振控制器18和波长选择耦合器20串联连接在耦合器12对应端口C和D之间。EDF16和耦合器12构成环形反射器。耦合器12是3dB光纤耦合器，它将端口A的信号分成两个相等的部分并且分别传给端口C和D，它们绕环以相反的方向传输。波长选择耦合器20将来自源22的泵浦能量耦合进环形反射器中。在该最佳实施例中，泵浦源22是激光二极管，提供具有980nm的泵浦能量。
这样，在使用中，从输入端口PIN输入的信号通过隔离器10传输给光纤耦合器12的端口A，耦合器12将信号分成两个相等的部分。每一部分绕环形反射器传输并被其放大，然后回到光纤耦合器12的端口C和D。调节偏振控制器18，使当反相传输的信号回到端口C和D时，它们之间相位差是零。因此，耦合器12将顺时针和逆时针的两部分结合，通过耦合器12的端口B和隔离器14输出到放大器的输出端口POUT。同时，ASE将在耦合器12中干扰破坏，一般来说，只有一半的ASE会出现在输出端口POUT处。
由于泵浦22直接接入环形反射器中，3dB耦合器12不必精确分离输入信号和泵浦能量。因此，与例如美国专利5,757,541号公开的为避免耦合器12的不等分而必须使用波长为1480nm的泵浦能量相比较而言，泵浦能量的波长可以是980nm，这是降低由EDF16产生ASE的原因，也相应降低了放大器的信噪比。
应该注意偏振控制器18可以省略，并且可由循环器代替隔离器10和14。而且，如果需要可使用两个波长多路复用器。这样，图2中所示放大器与图1中所示放大器相似，其中具有由耦合器12和EDF16形成的环形反射器。不同的是，循环器代替了隔离器，该循环器24具有单向输入端口F和单向输出端口E，两者分别与输入端口PIN和第一输出端口P1OUT连接，循环器24还具有一个与耦合器12的端口A连接的双向端口G。
循环器24在其端口间提供大于45dB的隔离和0.8dB的插入损耗。耦合器12的端口B与放大器的第二输出端口P2OUT相连。而且，第二波长选择耦合器26连接在EDF16的一端和耦合器端口C之间，将来自第二泵浦源28的能量注入到环路中。泵浦源22和28都提供波长为980nm的泵浦能量。如前所述，在工作过程中，耦合器12将输入信号分离为两个相等的部分，两者以相反的方向绕铒掺杂光纤16的环路传输。来自两个泵浦源22和28的能量也绕光纤16的环路传输。使用两个泵浦22和28的好处是，它们每一个都产生相等量的ASE，这将改进噪声指数和增益在上述每一个放大器中，对低噪声的应用，最好使用波长为980nm的泵浦能量，同时，如引言中所述，它们也可以使用波长为1480nm的泵浦能量。两个波长都可用于目前的光放大器。
图3是图2所示放大器的改进，它提供了自动增益控制。如前所述，图3中所示的放大器包括由3dB光纤耦合器12和EDF16形成的环形反射器，具有来自泵浦源22和28的能量通过波长选择耦合器20和26接入环路中，和一个循环器24依此要放大的输入信号被传入耦合器12的端口A，并且已放大的信号从耦合器12的端口B传到放大器的主输出端口P2OUT。在该例中，布拉格光栅30和增益控制器32串联插入在耦合器12端口B和放大器输出端口P2OUT之间。
图3所示放大器的工作过程是，输入信号通过环形反射器被放大，如上所述，已放大的信号来到端口B作为反射信号。在铒掺杂光纤(EDF)16中产生的ASE的一半将出现在耦合器12的端口A，因此也出现在由循环器24连接的输出端口P1OUT的输出信号中。另一半ASE将出现在端口B并施加到布拉格光栅30，该光栅30将反射一部分具有与光栅相同波长的ASE.应该注意ASE始终具有整个输入信号有用带宽和之外的波长范围，因此，利用具有在EDFA工作带宽外的反射波长的布拉格光栅是可能的，可是应避免使用通常用于监测目的的波长是可取的。在最佳实施例中，布拉格光栅具有1525nm的反射波长。
通过布拉格光栅30将ASE的1525nm成分反射到耦合器12再一次进入环路中并且被放大。被放大的反射成分的一半将再一次到达耦合器端口B，并且返回布拉格光栅30。所以，由于包括EDF16的放大，在反射布拉格光栅30和环形反射器之间始终存在激光作用。激光作用由在布拉格光栅30和光纤耦合器12端口B之间的增益控制器32控制。因此，调节增益控制器32可调节EDFA的增益，即其所增强的增益。
参照图4，它图示了一可供选择的实施例，由一个光放大器组成，它包括铒掺杂光纤放大器(EDFA)部分33和一个环形反射器滤光器(LMF)34，其中LMF34可除去在EDFA33中产生的至少一部分放大的自发辐射(ASE)。
EDFA33包括第一波长选择耦合器40，用于将输入信号与来自泵浦能源42的能量结合并且将它们输入至铒掺杂光纤(EDF)44的一端。在EDF44中，泵浦能量被转到输入信号中以公知的方式放大。EDF44的另一端与一个波长多路信号分离器46连接，它提取剩余的泵浦能量，并向LMF334的输入端口PIN提供要放大的信号。
LMF334包括循环器8，带四个相同端口如A，B，C，D的耦合器50和与耦合器50的端口C和D连接的环形光波导52，耦合器50最好是3-dB光纤耦合器，如1550nm 3-dB光纤耦合器。环形光波导包括光纤52A，如市售的由科宁(Corning)公司制造的SMF-28型光纤，和有源部分，如铒掺杂光纤52B。典型地，线性有源光纤52的总长度尽可能短以避免偏振的变化。例如，总长度典型为5米，最好是在10米以下。有利地，线性有源光纤52相对非线性环路中的光纤要短，例如，非线性光纤约为几百米。耦合器50的其他两个端口A和B分别与循环器48的双向端口G和LMF34的第一输出端口P1OUT连接。循环器48还具有一个单向输入端口F和一个单向输出端口E，并分别与输入端口PIN和第二输出端口P2OUT连接。最好是，循环器48的端口具有大于45dB的隔离性和0.8dB的插入损耗。
可选择地，能够提高光放大器16的性能，尤其是对于低功率的输入信号，通过在EDFA33的输出端和LMF34的输入端之间插入一个隔离器(未画出)，以避免或降低瑞利反向散射。
在另一实施例中，通过使用包括偏振保持光纤的偏振保持元件可改善全部噪声指数。此外或者两者择一地，一个偏振控制器(未画出)和一个内连偏振器被适合地加在循环器48和耦合器50之间，以消除信号中的ASE。如果使用偏振控制器，EDFA不需要使用偏振保持元件或者必须提供一特殊的偏振状态。
在使用中，通过端口G和耦合器50的进口A离开循环器48的已放大的光学信号是相干信号，并具有一定的相位。耦合器50将信号分离成相等的各50％的信号CW和CCW，它们分别通过耦合器50的端口C和D输出，以使它们以相反的方向绕光纤52的环路传输。在环路52中以顺时针方向(如图所示)传输的信号CW具有端口A信号的相位。离开端口D并逆时针传输的信号CCW相对顺时针的信号CW具有π/2弧度的相移。这一相差的不同归因于相对于直接通过的光，经过耦合器耦合的光产生一个π/2弧度的相移。当CW和CCW信号分别返回相对的端口D和C时，它们再一次经过光纤耦合器50而在端口A产生输出信号，实际上相对输入信号信号CW和CCW的总和和π/2弧度的相移相对输入信号是相等的。另一方面，由于CW和CCW元素通过同一光路传输，两者相当于未产生相对相差。但是，由于耦合器50的存在，在输入和输出信号之间可觉察到有π/2的相移。在端口A出现的反射输出信号是在耦合器50中干涉得到的，从端口A到循环器48的端口G直接通过端口P2OUT输出。从理论上讲，输出端口P1OUT没有信号输出，因为所有信号能量被反射到由光纤52形成的环形反射器和耦合器50中。事实上，可允许轻微的泄漏，由于耦合器50不精确地以50％等分。
相似地，由EDFA33产生的ASE噪声相对CW和CCW元素被分成各50％的两个信号，它们以相反的方向绕光纤52的环路传输，并且和反射信号一起出现在端口A。但是，当已放大的信号和ASE在线性有源环路52中通过有源光纤52b时，ASE被用来泵浦该放大的信号，这样可有效地过滤一部分ASE，同时更加放大了要放大的信号。在另一方面，该线性环路中的有源光纤使能量从ASE转换给光学信号，这样，降低了信号波长中ASE的量，同时，补偿了LMF的插入损耗即来自循环器48和耦合器50共同的插入损耗。随着放大信号的ASE的越多，能量就越多地从ASE转换到信号中。由于低输入功率比高功率而言，放大部分33产生更多的ASE，因此，本发明实际上特别适用于低功率的应用。
有利地，铒掺杂光纤52B的存在降低了在信号波长中ASE的量，并且同时提高了信号的功率，改进了信噪比。当然，光波导52的铒掺杂部分可由其他有源部分代替。例如，其他稀土元素掺杂的光纤，或者稀土元素与本发明范围的元素结合。
参照图5，图示了放大器16的最佳实施例，其中线性LMF34包括偏振控制器60。较好是，偏振控制器60用各种双折射来控制在P1OUT和P2OUT之间的能级和/或确定过滤ASE的量。例如，偏振控制器60能够被调节以控制在耦合器50第四端口，P1OUT的所有放大信号，或可选择地，被调节以选择一部分光学信号，即约10％。在上述实例中，循环器48可由隔离器62所代替，如图6所示。第二隔离器(未画出)可插入在耦合器50和输出端口P1OUT之间，以防止EDFA中的反射光，因此，改进了噪声指数。其他所有元件与图4中所述的元件相似。
本发明实施例的优点在于，其中泵浦能量不通过耦合器12提供，耦合器不需要提供在波长范围内50-50的分离信号。从而能够使用现有的3dB耦合器。另外，泵浦能量直接进入环路避免使用昂贵的偏振保持光纤，从而，本放大器与公知的环形反射器放大器相比可减少生产时间，降低生产成本，并提供较好的技术性能。
图3所描述的放大器的优点在于，作为比较，例如与由INOUE等公开的放大器相比，本发明不需要偏振保持光纤和其他偏振保持元件，虽然如此上述任一实施例中，有源光纤，3-bB耦合器，隔离器/循环器和波长选择耦合器能够保持其偏振，以进一步降低放大信号在3dB耦合器的其他输出端口的泄漏。
在本发明放大器增益控制实施例中，光栅光纤30的波长超出放大器有用光谱以外，所以，放大器可在其使用范围内工作。
包括环形反射器的光放大器的优点在于它们可较好地在低功率的输入信号下工作，并改进了信噪比。

Claims (13)

1.一种光学放大器，包括带有源部分的线性光波导和光学耦合器，所述的光学耦合器的第一端口用于接收光学信号，它的第二和第三端口与所述的线性光波导耦合，以提供一个用于增加光学信号的信噪比的有源线性环形反射器。
2.根据权利要求1所述的光学放大器，其中泵浦能量不经过光学耦合器被耦合到所述的有源部分。
3.根据权利要求2所述的光学放大器，其中光学耦合器是3-dB耦合器，包括四个端口，泵浦能量至少由一个耦合在耦合器和有源部分之间的泵浦装置提供。
4.根据权利要求3所述的光学放大器，还包括第一和第二隔离器，第一隔离器连接在耦合器的第一端口和放大器的输入端口之间，第二隔离器接在所述耦合器的第四端口和所述放大器的输出端之间。
5.根据权利要求3所述的光学放大器，还包括与耦合器第四端口相连的反射装置，用于反射具有特定波长的能量，所述的波长位于放大器通过耦合器反射到环形反射器中的常用工作波长带以外。
6.根据权利要求5所述的光学放大器，还包括用于控制所述反射到环形反射器中的能量的装置。
7.根据权利要求5所述的光学放大器，其中反射装置包括布拉格光纤光栅，特定波长约为1525nm。
8.根据权利要求7所述的光学放大器，包括两个泵浦装置用于将具有相同波长的泵浦能量从其相反的端部注入到带有源部分的波导中。
9.根据权利要求1所述的光学放大器，包括一个用于接收输入信号、带有有源波导并与输入端口光学耦合的放大部分，一个与有源波导光学耦合的泵浦源，一个用于提取剩余的泵浦能量的波长多路信号分离器，和一个用于提供放大的光学信号和放大的自发辐射的输出端口，该放大的自发辐射是经3dB耦合器在环形反射器中放大输入信号时产生的，这样，与环形反射器的有源部分耦合，用于泵浦放大信号的能量包括在放大部分中产生的放大的自发辐射。
10.根据权利更求1到9任一项所述的光学放大器，包括一个其双向端口与所述耦合器的第一端口连接的循环器，其第一和第二单向端口分别与放大器的输入端口和第二输出端口连接。
11.根据权利要求1到9任一项所述的光学放大器，包括一个与带有有源部分的波导串联的偏振控制器。
12.根据权利要求1到9任一项所述的光学放大器，其中带有有源部分的波导包括铒掺杂光纤。
13.根据权利要求1到6任一所述的光学放大器，包括两个泵浦装置，用于向带有有源部分的波导中从其相对的端口注入具有相同波长的泵浦能量。
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