CN1327221C - 使用压低型光纤放大器的通信系统和分波段放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用压低型光纤放大器的通信系统和分波段放大器，包括一个光学分波段放大器(212)至少放大一部分S-波段和C-波段或L-波段，放大器包括第一部分(212A)和第二部分(212B)来分别放大长波段和短波段，第二部分(212B)包括一个短通光纤(10)、一个掺有诸如铒的活性物质的纤芯(12)、一个压低内包层(14)和一个外包层(16)，第二放大器的折射率分布曲线在长波段产生与高增益可比的损耗而在短波段产生比正增益小得多的损耗。

Description

使用压低型光纤放大器的通信系统和分波段放大装置

技术领域

本发明一般涉及将光信号放大的通信系统和分波段放大装置，光信号的波段覆盖如S-波段的短波段和如C-波段的长波段，尤其涉及用于放大短波段的采用压低型光纤的通信系统和分波段放大装置。

本申请涉及申请号为10/095,303，登记日为2002年3月8日，申请号为10/186,561，登记日为2002年6月28日和申请号为10/346,960，登记日为2003年1月17日的美国专利。

背景技术

掺铒光纤放大器的发展成功的解决了长距离传输的光学信号放大问题。掺铒光纤放大器由一段纤芯中掺有自然界中纯铒元素的离子化原子(Er³⁺)的硅光纤组成。光纤用一个波长为980nm或1480nm的激光器进行泵浦。被泵浦的掺铒光纤与传输光纤光耦合在一起使输入光信号与掺铒光纤的泵浦信号结合。一般在输入和/或输出端需要一个隔离器以防止光反射，这种光反射会使放大器变成激光器。早期的掺铒光纤放大器在1530-1565nm之间延伸的C波段提供30到40dB的增益，并且噪声指数低于5dB。最近，掺铒光纤放大器发展到在L波段(1565到1625nm)可提供与C波段类似的性能。

最令人感兴趣的是发展一种宽带放大器，它能够放大间跨C-波段和L-波段以及所谓的“S-波段”即“短波段”的更短波长的光信号。尽管目前没有确定，S-波段被认为是覆盖大约1425nm到1525nm之间的波长。在掺铒光纤放大器中观察到的典型的S-波段的增益受到几个因素的限制，包括有活性铒离子的不完全反转和自发发射或者来自1530nm附近在高增益峰的激发。令人遗憾的是，对于抑制掺铒光纤放大器中1530nm处或更长波长处的自发发射，目前尚没有有效的装置。

现有技术提供了各种类型的能够用于制造掺铒光纤放大器的波导和光纤。大多数的波导被设计用于防止插入光与通过装置出来的光耦合，如离耦消失波(隧道效应)、散射、弯曲损耗和漏模损耗。有关这些装置的一般的研究可以在诸如L.GCohen等人的论文“在具有压低折射率包层的单模光波导中的辐射漏模损耗”中找到，它刊登于IEEE的《量子电子学》杂志QE-18卷1982年第10期第1467-72页。美国专利US5,892,615和6,118,575中描述了使用一种与L.G Cohen描述的光纤相似的W-形光纤，即QC光纤，它能够抑制不希望的频率以此在包层泵浦激光器中获得高的输出功率。正如上面讨论的，这样的光纤通常在长波长漏光，并且较之其它光纤对弯曲更加敏感。

在制造S-波段的掺铒光纤放大器时，在整个S-波段上的较高的损耗和较低的增益使得光纤和光纤形状的选择更加困难。事实上问题是如此严重，现有技术描述了一种在掺铒光纤放大器各部分之间插入内部滤波器来制造S-波段的掺铒光纤放大器。例如，Ishikawa等人在他们的“新型的具有分立的拉曼放大器的1500nm波段掺铒光纤放大器”《ECOC-2001年末期论文》一文中公开了一种方法，通过层叠五级硅基掺铒光纤放大器和四个抑制自发发射的滤波器来制造S-波段掺铒光纤放大器。在Ishikawa等人的试验装置中，每个掺铒光纤放大器长度是4.5米。每个抑制滤波器在1.53μm的吸收为大约30dB，而每个抑制滤波器在1.48μm和0.98μm的插入损耗分别大约是2dB和1dB。泵浦形式为双向，使用0.98μm波长来保持高的反转，D≥0.7(D为反转率)。前后泵浦功率相同，总泵浦功率为480mW。Ishikawa等人表示在1518.7nm处的25dB的最大增益具有9dB的增益倾斜。

这种方法相对而言比较复杂且成本不划算，因为它需要五个掺铒光纤放大器，四个抑制自发发射的滤波器和高的泵浦功率。而且在Ishikawa等人的方法中使用的每个自发发射抑制滤波器又产生一个1-2dB的附加插入损耗。这样，总的附加插入损耗大约为4-8dB。

在美国专利6,049,417中，Srivastava等人阐述了一种采用分波段结构的宽波段光学放大器。这种放大器先将一个光信号分成几个独立的子波段光信号，然后各子波段光信号平行通过光放大器的各个分路。每个分路相对各自子波段的光信号都设计成为最佳传输通道。在一个实施例中Srivastava等人讲述了为获得S-波段的放大，在多个分路中有一路设置有多个S-波段掺铒光纤放大器和多个增益均衡滤波器，这些增益均衡滤波器设置在各个S-波段掺铒光纤放大器之间。在该实施例中其他子波段分别设置有放大C-波段和L-波段的掺铒光纤放大器。不幸的是，这种宽波段放大器的S-波段分路具有与前面Ishikawa等人讨论过的放大器相类似的缺陷。

已引起大家关注的提供S-波段放大的另一种方法是在含氟化光纤纤芯中掺入铥作为激活介质的光纤放大器(TDFAs)。例如，可参见由Tadashi Kasamatsu等人在IEEE《光子技术索引》2001年2月，第13卷第一期31-31页发表的“用于1.48-1.51nm波长范围的波分复用信号的增益浮动、双波长泵浦的掺铥光纤放大器”一文。使用掺铥光纤放大器已获得了好的光学特性，但该特性只有在使用复杂的、非标准和/或昂贵的泵浦配置下才可能获得。而且，掺铥光纤放大器还遇到主材料为氟化光纤所固有的问题，即高的光纤成本，可靠性差，并且难于与在别处的光放大系统中使用的标准石英光纤接合。

光学放大器(如掺铒光纤放大器，掺铥光纤放大器，拉曼放大器，半导体放大器，等等)在通信网络中有多种用途。其最重要的用途是补偿传输损耗(传输数十或数百公里积累的光纤损耗)，这种情况下，典型的放大器称做在线放大器。在线放大器必须为每个光通道提供小到中等的光功率(典型值为0.1-10毫瓦)，还必须在波分复用网络中呈现低的噪声指数和好的增益平坦性。后两个要求是由连接在数百到数千公里的长光纤上的长级联放大器的积累效应所产生的。

光学放大器也用作前置放大器。前置放大器的典型应用是为了改善接收器的灵敏度，其用法在本领域中是众所周知的。通常前置放大器设置在信号接受器前以使信号强度(光功率)增强到高于(电子或热)探测器噪声水平之上。前置放大器主要用在对多个光学通道中的一个通道或少量几个通道放大，虽然它不需要工作在大功率或具有平坦的增益曲线，但必须呈现极好的噪声指数。

光学放大器还用作功率放大器。众所周知，在本领域中功率放大器用于提供高的光功率。通常它们在输入信号强度相对较高(如饱和)的情况下工作，具有良好的信噪比，因此不需要极好的噪声指数。通常也不需要有特别高的增益。目前大量的波分复用通道使用功率放大器，甚至当每个通道需要中等功率时也使用功率放大器。功率放大器还用于长的/有损耗的连接之前以对预期损耗进行先期补偿。

最后，光学放大器在通信网络中还有许多其他用途。如：在将信号分成多个平行输出信号之前或之后提高功率，对有损耗的网络模块如交叉连接器和开关进行功率补偿，提供足够高的光功率来泵浦非线性器件，如光驱动的光开关或光波长转换器。

由上所述，提供一个对间跨S-波段、C-波段和L波段的光信号进行放大，并在S-波段呈现高的效率的宽波段放大器是本领域的一个进步。提供一种不需使用许多滤波器就能放大S-波段光信号，并充分利用最少数量的泵浦源的宽波段放大器，尤其是一个进步。提供一个能够利用掺铒光纤放大器对S-波段信号进行放大的光通信系统是本领域的另一个进步。提供一种低成本的S-波段掺铒光纤放大器用于这种光通信系统来获得低成本的前置放大，功率提高和在线放大，是特别的进步。

发明内容

本发明的主要目的是是针对现有技术的上述缺点，提供一种对间跨长波段如C-波段和/或L-波段和短波段如S-波段的光信号的宽波段放大器。

本发明的特别的目的是提供一种宽波段放大器，它能够使用具有有效泵浦配置的掺铒光纤放大器。

本发明的进一步目的是提供一种特别是在S-波段使用最少部件的宽波段放大器。

本发明的另一个目的是提供设计宽波段光纤放大器的方法。

本发明的还有另一个目的是提供一种可以传输和放大S-波段信号的光通信系统。特别是，光通信系统采用一个掺铒光纤放大器(EDFA)以可控方式放大含有S-波段的信号进而完成前置放大、功率提高和在线放大。

本发明的众多优点可从下面的描述中清晰的看出。

本发明的目的和优点是这样取得的，分波段放大装置设有对长波段进行放大的第一部分和对短波段进行放大的设置有光纤放大器的第二部分。在第二部分中的光纤放大器具有一个纤芯，纤芯具有芯截面和折射率n₀。纤芯中掺有活性物质。纤芯周围包有压低包层，它具有压低包层截面和折射率n₁，压低包层周围包有第二包层，它具有第二包层截面和折射率n₂。设置一个泵浦源用于泵浦活性物质到高的粒子数反转D，从而达到活性物质在短波段呈现正增益，在长波段呈高增益。选择纤芯横截面、压低包层横截面和折射率n₀、n₁和n₂以产生关于截止波长λ_c的滚降损耗曲线，这种滚降损耗曲线在长波段产生至少可与高增益相比的损耗，而在短波段产生比正增益小的多的损耗。在较佳实施例中活性物质是铒，即光纤放大器是第一掺铒光纤放大器(EDFA)。

可根据应用场合来选择短波段和长波段。例如，在电信中，可以选择至少包含一部分S-波段的短波段，也可以选择至少包含一部分C-波段的长波段。采用这种波段选择时，设置截止波长λ_c为S-波段与C-波段之间的交越波长，即约为1530nm。当然，长波段可以包含更宽的波长范围，例如，它至少可以包含一部分L-波段。

在较佳实施例中，被设计用于放大长波段的波段放大装置中，第一部分具有一个第二掺铒光纤放大器，这样第一、第二部分两者都可以分别使用第二、第一掺铒光纤放大器来放大光信号。而且，第一、第二掺铒光纤放大器可以共用一个公共泵浦源来提供泵浦辐射。例如，公共泵浦源可以是一个提供980nm泵浦辐射的激光二极管。

分波段放大装置可以用许多不同方式来设计。在一个实施例中分波段放大装置的第一、第二部分共享一个重叠部分。在该实施例中，重叠部分可以包含用于对长波段光信号进行放大的第二掺铒光纤放大器。也可选择将第一、第二部分相互分离，形成这个装置的多个独立的分路。

根据本发明的方法，分波段放大装置被用于放大从短波段横跨到长波段的光信号。当装置的第一和第二部分用掺铒光纤放大器来放大光信号时，共泵浦和/或反泵浦掺铒光纤放大器是很方便的。掺铒光纤放大器的共泵浦和/或反泵浦可以来源于同一个泵浦源或多个独立的泵浦源。

本发明进一步提供一个光通信系统，该系统采用一个信号源提供一个S-波段波长的信号，或简称S波段。这个通信系统包括一个传输S-波段的光纤和一个或多个光学放大器，这些放大器的典型形式是光纤放大器。光纤放大器有一个由纤芯横截面和折射率n₀定义的纤芯。铒掺入到光纤放大器的纤芯中用于放大信号。光纤放大器有一个环绕着纤芯的压低包层和环绕着压低包层的第二包层。压低包层具有压低包层横截面和折射率n₁，第二包层具有第二包层横截面和折射率n₂。光纤放大器有一个泵浦源，用于将包含在纤芯中的铒泵浦到一个高能级的相对粒子数反转D；在这种情况下，铒能放大信号。特别是泵浦导致铒在S-波段呈现正增益而在比S-波段长的长波段，即C-波段和L-波段呈现高增益。选择纤芯横截面、压低包层横截面和折射率n₀、n₁、n₂以在长波段获得至少可以与高增益相比的损耗而在S-波段获得比正增益小的多的损耗。

在光通信系统中，光纤放大器可用作前置放大器、功率放大器或在线放大器。光通信系统可以是一个波分复用通信系统，例如密集波分复用系统(DWDM)。波分复用系统有通信光纤，其典型是一长段或长跨距的通信光纤，它位于波分复用系统即WDM复用器和WDM解复用器之间。波分复用系统中的复用器将多个载有信息的信号复合后从发射端发送到通信光纤。波分复用系统中的解复用器将到达通信光纤接收端的信号解复用。当光纤放大器作为前置放大器使用时，它一般都安装在波分复用系统的解复用器之后。光纤放大器也可以安装在波分复用系统的复用器和解复用器之间，作为功率放大器和在线放大器使用。当然，在这个位置光纤放大器也可以用作前置放大器。

在复用系统中，如波分复用通信系统，信号源通常包括来自激光阵列的激光。提供铒离子粒子数反转的泵浦辐射的泵浦源可以是任何合适的泵浦源。例如，泵浦源是发射980nm左右泵浦辐射的激光二极管。也可以是提供980nm左右或其他铒泵浦波段的泵浦辐射的泵浦源，铒泵浦波段的波长比包含在S-波段内的波长更短。

本发明的详细描述和较佳及可选择的实施例在下面结合附图进行描述。

附图说明

图1为本发明的压低型光纤和它的传导模和非传导模的示意图；

图2为图1光纤的典型折射率分布曲线图；

图3为各种不同参数ρ作为比例s函数的x的示意图；

图4为本发明中适当选择纤芯折射率所获得的合适的掺铒光纤放大器的滚降损耗曲线图；

图5为本发明采用的S-波段掺铒光纤放大器的轴视图；

图6为具有一个S-波段掺铒光纤放大器和一个C-波段掺铒光纤放大器并具有一个重叠部分的分波段放大装置的示意图；

图7为具有不重叠的第一部分和第二部分的分波段放大装置的示意图；

图8为在光通信系统中使用掺铒光纤放大器的示意图；

图9为在光通信系统的接收端使用掺铒光纤放大器作为前置放大器的示意图；

图10为采用掺铒光纤放大器放大S-波段的子波段的部分光通信系统的示意图。

具体实施方式

对照图1、图2，重温压低型或W型光纤10的滚降损耗曲线的产生原理就可以很好的理解本发明。图1为光纤10的部分横截面的示意图，它具有周围环绕着压低包层14的纤芯12。压低包层14周围又环绕着第二包层16。纤芯12具有一个圆形的横截面，压低包层14和第二包层16的横截面也是圆形。与纤芯12相对应的区域I的范围为0≤r≤r₀；压低包层14所占据的区域II，III的范围在r₀≤r≤r₁和r≥r₁。纤芯12具有折射率n₀，压低包层14具有折射率n₁，第二包层16具有折射率n₂。位于光纤10的部分横截面上方的图解释了在光纤10中平均折射率曲线20定义为W形曲线。在本实施例中光纤10是单模光纤。

在光纤10的纤芯12中掺入有活性物质18。活性物质18是一种激发介质，诸如稀土离子或任何其他在长波段呈高增益、在短波段呈现正增益的激射物质。尤其是，当泵浦到高相对反转D时，活性物质18在长波段的高增益导致放大自发辐射(ASE)或减少活性物质18的粒子数反转的激光，并由此减少了短波段的正增益，导致无法有效地放大短波段的光信号。

光纤放大器在其活性纤芯中可以含有任何合适的活性介质。如活性纤芯可掺入钕、铒或铥离子。当采用铒时，光纤放大器就是掺铒光纤放大器，在优选实施例中截止波长λ_c位于1525nm左右。这样掺铒光纤放大器由泵浦波长为980nm左右的泵浦源提供的辐射来泵浦。在这种情况下，掺铒光纤放大器可用于对落入S-波段内的短波区域的信号进行放大。

另一个例子是，将铥掺入熔融石英光纤中。尽管通常认为铥的典型增益在1.9微米，而且那确实是它的增益峰位置，但其可获得增益的波长范围从1.5微米延伸到2.1微米。铥的典型泵浦波长是0.78微米。另外波长为1.48微米的光也可以泵浦铥，尽管这需要非常高的光强度，可能会高达100毫瓦。而在1.48微米处100毫瓦的光强很容易通过使用商业上可获得的高质量二极管在1480nm和附近波长以500毫瓦左右的泵浦来得到。另一种好的泵浦波长在1530nm，在那里可获得数瓦级以上的高功率源。

铥离子的增益横截面和较高的激光能级寿命与铒离子相似，这使其能方便地用于制造1.5微米的放大器。这样，增益的阈值是相似的——需要几毫瓦的泵浦功率。

铥离子可以以与铒离子完全相同的方法应用于它的增益区域的短波端。通过强泵浦源(30毫瓦左右)的泵浦，甚至能够在短波长得到粒子数反转。但是，在诸如1.6微米的短波长处达到高增益之前，1.9微米附近会存在压倒性的超荧光。

如果光纤是设计成在1.9微米和所期望运转的短波长之间具有基模截止，并且如果截止如此选择，即在长波处的损耗增加由于较高的横截面而超过增益的增加，这种光纤能够用来制造短波长的有用的放大器。这一技术使其能够制造波长区域大约在1.6微米到1.8微米之间的有用的放大器。由于电信光纤在这一区域具有高的传输性，预计对工作在这一区域的放大器具有较高的期望。

图2表示用普通制造技术获得的W-形状20A。纤芯12的径向变化的折射率具有一个等于n₀的平均值，对于本发明的目的是足够了。压低包层14和第二包层16的折射率平均为值n₁和n₂同样是足够了。纤芯12的平均折射率n₀稍高于压低包层14的折射率n₁和第二包层16的折射率n₂。选择合适的折射率值n₀、n₁、n₂和半径值r₀、r₁、r₂，来获得如本发明所需要的光纤10的确定的传导特性。特别的，曲线20被设计成具有基模截止波长λ_c，这样，在小于λ_c的波长处，纤芯12中获得基模光，而在波长λc或更长的波长处的基模光在短距离内损耗在第二包层16。通过恰当地设计W-曲线20A来完成这一目的。

光纤10的基模截止波长λc是这样一个波长，在这一波长处，基模(LP₀₁模)在纤芯12中从低损耗变成高损耗，即在纤芯12中截止。首先，根据由麦克斯韦尔方程获得的横截面和折射率n₀、n₁、n₂的选择定律来设置光纤10的基模截止波长λc。用弱导近似(当纤芯12和包层14、16的折射率全都相互接近时它是有效的)，麦克斯韦尔矢量方程可以用标量方程来替代。标量ψ表示在光纤中横向电场的强度。更多的信息，请看诸如G.Agrawalr″非线性光纤光学″(Academic，San Diego，1995)，D.Marcuse的″光传输光学″(Van Nostrand，Princeton，1972)，和D.Marcuse的″光电波导理论″(Academic，New York.1974)。

为了方便，我们定义如下参数：

$u_0=\sqrt{n_0^2-n_2^2}$ $u_1=\sqrt{n_2^2-n_1^2}---\left(1\right)$

在光纤10内的标量场ψ满足波方程，其解是贝塞耳函数和修正贝塞耳函数。对于光纤10支持的基模，在纤芯12内的标量场ψ为：

ψ＝J₀(kr)    0≤r≤r₀  (区域I)                        (2)

其中，κ是待定的特征值，J₀是零阶贝塞耳函数。

在压底包层14内，标量场ψ为：

ψ＝AK₀(βr)+BI₀(βr)    r₀≤r≤r₁(区域II)             (3)

其中，A和B是待定的常数， ${\mathrm{\β}}^2=(u_0^2+u_1^2){(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})}^2-k^2$ K₀和I₀是修正的贝塞耳函数。这里λ为真空中的光波长。

在第二包层16内，我们得到：

ψ＝CK₀(γr)    r≥r₁                                  (4)

其中C是另一个常数， ${\mathrm{\γ}}^2=u_0^2{(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})}^2-k^2.$ A，B，C和κ利用边界条件求出，这需要ψ和它的一次导数在r₀和r₁处都是连续的。

可以看出基摸截止波长λc是当γ＝0时的波长。(参见Cohen等IEEE J.QUANT.Electron.QE-18(1982)1467-1472).

为了更加方便，我们定义如下参数：

$x=\frac{2\mathrm{\π}{u}_0{r}_0}{{\mathrm{\λ}}_0}$ ρ＝u₁/u₀    s＝r₁/r₀                                      (5)

现在，如果参数x确定的话，截止波长λc也可以确定。本领域的技术人员借助代数学就能算出这个确定值，因为，参数x是下面方程的根：

ρJ₀(x)k⁰¹(ρx)I₁(ρsx)-ρJ₀(x)I₁(ρx)k₁(ρsx)

-J₁(x)k₁(ρsx)I₀(ρx)-J₁(x)I₁(ρsx)k₀(ρx)＝0            (6)

关于参数x要考虑三点，首先，x不是对s和ρ的所有数值都存在。如ρ＝1，和s≤，则没有能满足方程(6)的x.这就意味着在这种情形下所有波长都能在纤芯12中传导。方程(6)有一个解的判别式为：

s²≥1+1/ρ²                                              (7)

第二，实际应用中x不能取得太小。这是因为根据方程(5)，参数x与纤芯12的半径r₀成正比，而纤芯12的半径应该足够大以使光能很容易地耦入或耦出纤芯12。(纤芯12越小，产生的非线性效应就越强，这常常是一个缺点。)因此，由于x＝2πU₀r₀/λc ，最好x≥1。这就意味着ρ≥0.224或用折射率表示为 $\sqrt{(n_2^2-n_1^2)/(n_0^2-n_2^2)}\≥0.224.$

第三，从图3可以明显看到，对于较大的s值，x的数值几乎不随s变化。这在光纤的参数空间领域是十分有益的，因为加工缺陷而产生的s误差对基模截止波长λc数值的影响很小。所以可以方便地使用定律s≥1+1/ρ，或用折射率表示为：

$\frac{r_1}{r_0}=1+\sqrt{(n_0^2-n_2^2)/(n_2^2-n_1^2)}---\left(8\right)$

在设置合适的基模截止波长λc中用上述定律来指导纤芯12、压低包层14和外包层16的横截面和折射率的选择。首先，可以先预选λc，如波长为1530nm附近，再选U₀和r₀为任意值。基于这些选择就可以从方程5中算出x，并方便地计算出x≥1(否则可以调整前面的选择)。然后，根据方程6找到合适的s和ρ值。s和ρ的数值范围将产生所期望的λc。典型的是，所有的ρ值都大于0.224。而且，方程8的定律用于进一步缩窄合适的s和ρ值的范围。

最后s和ρ的数值有一个附加限制。即它们必须选成能使光纤10的纤芯12在波长λ≥λc时有足够大的损耗，比如100dB/m甚至200dB/m或更高。为了在波长λ≥λc产生损耗，需要具有波长λ≥λc光的光纤模。

方程(2)，(3)和(4)设定当λ＜λc时的基模。当λ＞λc时，在第二包层16内函数ψ是振荡函数而不是指数衰减函数。因此当λ＞λc时，方程(4)改为：

ψ＝CJ₀(qr)+DN₀(qr)    r≥r₁(区域III)                       (9)

其中，N₀(也称Y₀)是零阶纽曼函数， $q^2=k^2-u_0^2{(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})}^2,$ C和D是待定的常数。

关于那些λ＞λc的模式有两个关键项要注意。首先有5个未知数(A，B，C，D，和κ)和4个边界条件(ψ和dψ/dr在r₀和r₁处的连续性)。方程是不受限制的：κ可以选介于0和 之间的任何值。这样，对各个λ＞λc，有一个连续性的状态，相应的κ可以有朦胧数值连续集，这与λ＜λc时的情形十分不同，，那里的四个未知数(A，B，C和κ)由四个边界条件确定，导致对应各个λ＜λc的离散特征值κ具有唯一值。

第二，由方程(2)，(3)和(9)确定的模式为光纤的特征模；如W-型光纤；不过这些模式与物理上实现的情况不一致。方程(9)的结果包括入射波和出射波，而实际上只存在出射波(在波长λ＞λc时，原先在纤芯12中传播的光辐射出去)。

不管怎样，方程(2)，(3)和(9)确定的模式可用来估算大于λc的那些波长的损耗。首先，对于一个给定的波长λ，找到将C²+D²最小化的κ值。这对应着在纤芯内寿命最长的那个模。(可以对光纤中的标量ψ的波动方程和势能井中的粒子的量了力学波动方程之间进行一个分析。然后可以借用量子力学的结果。参见DavidBohm，″量子理论″，Dover 1989，12章，14-22。)

第二，一旦用上述方法找到κ，就能从方程(9)中计算出射波。即使没有入射波存在，这些出射波就能合理的确定从纤芯12进入第二包层18的损耗。沿光纤10的长度方向，这些出射波将削弱在纤芯12内传播的那些λ＜λc的光束。设光束功率为P，沿光纤10的距离为Z的功率变化由下列方程表示：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\ΛP}---\left(10\right)$

损耗由系数Λ给出，它近似为

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\π}}^2{n}_0}\frac{C^2+D^2}{\underset{0}{\overset{r_0}{\∫}}\mathrm{rdr}{\mathrm{\ψ}}^{*}\mathrm{\ψ}}---\left(11\right)$

损耗Λ，其单位为m^-1，可以通过关系式转换成单位为dB/m的β：

β＝10log₁₀(e).∧                                                (12)

这里的术语“损耗”是指从纤芯12泄漏出去进入第二包层16的辐射。事实上，辐射并没有真的在光纤10中损耗掉，而是留在第二包层16中。有时这是有用的。另一方面，在需要时来自第二包层16的光可以被耦合出去或被吸收。

损耗的另一种计算方法涉及光纤10的泄漏模的复传播常数的计算。如Aarcuse博士的“介电光波导理论”(教育，纽约，1974)第一章就对泄漏模进行了讨论。损耗与泄漏模复传播常数的虚部有关。等同于复有效折射率的复传播常数，可以通过使用软件来计算，该软件从商业上可得到，如从加拿大的Optiwave Corporation of Neapean就能获得这个软件。

有时人们更乐于使用数值计算方法而不是用上述的近似曲线的贝塞耳函数方法来求解给定光纤的模，因为实际上光纤没有象图1所示的分布曲线20那样的理想阶跃折射率分布曲线，而是与它不同，在实际中得到的折射率分布曲线如图2的曲线20A所示。特别是当今制造单模光纤最常用的方法是金属有机物化学气相淀积(MOCVD)法，这典型地在纤芯12的中心留有折射率凹陷。折射率作为半径的函数，数值解能够比上述方法更容易当作实际变化量。

当方程(11)用于估算损耗时，由于实际折射率作为半径的函数稍有变化(见分布曲线20A)，折射率n1、n2、n3一般将是分布曲线20的平均折射率。折射率n也不必径向对称。如果光纤10的横截面由极座标r和θ来描述，折射率可以取决于角θ和半径r。即，n＝n(r，θ)。例如，这样一种不对称的光纤可以有可期待的偏振保持。

这里预期光纤具有基模截止波长λc。设R是足够大的半径，使得R处的折射率实际达到平衡值n2。如下式，光纤10将具有基模截止波长λc(见B.Simon.Ann.物理学.97(1976).第三世界国家79页)：

$\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{d\θ}\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\mathrm{rdr}(n^2(r,\mathrm{\θ})-n_2^2))\≤0---\left(13\right)$

注意由图1给出的分布曲线，方程(13)变为：

$\mathrm{\π}{r}_0^2{u}_0^2-\mathrm{\π}(r_1^2-r_0^2)u_1^2\≤0---\left(14\right)$

这与上面的方程(7)相同。

基模截止波长λc是最大波长，在此存在位于区域I中的本征模。例如，由下面能够确定长于截止波长λc的波长处的损耗，(i)解出不确定但包括入射波和出射波的模，(ii)对每一个波长找出具有最小出射强度的模，和(iii)用出射强度来估算损耗。如上述所讨论的，本领域的技术人员也可以用另外的方法来计算损耗。通常，具有期望的基模截止波长λc和损耗的光纤10可以因此通过调整分布曲线n＝n(r，θ)来设计，这等同于调整纤芯12、压低包层14和第二包层16的横截面和折射率。

上述定律使本领域的技术人员能够通过选择r₀、r₁、n₀、n₁和n₂来设置基模截止波长λc。这一r₀、r₁、n₀、n₁和n₂的选择在整个光纤10的长度上提供放大自发发射的抑制分布，并导致具有不同滚降的损耗曲线簇(关于波长)。因此，如下面所讨论的，为了本发明的目的，必须根据r₀、r₁、n₀、n₁和n₂的选择设置另外的抑制。

说回到图1，迭加在平均折射率分布曲线20上的是在第一波长λ1＜λc处导波基模22的强度分布曲线。第一波长λ1位于短波段，即S-波段内。不再由光纤10传导的基模24也迭加的折射率分布曲线20上。模24位于截止波长λc。另外的模26的强度分布也被表示，模26不是由光纤10传导，且在纤芯12和压低包层14以外呈现振荡强度分布。模26的辐射具有第二波长λ2，它比截止波长长，λc＜λ2，并位于长波段，如C-波段和L-波段。

图4表示活性物质18为铒的情况下被泵浦到一个高的相对反转D时的增益曲线44。S-波段用参数42标注，长波段用参数46标注。在S-波段42与长波段46之间的交点波长λcross也标注出。增益曲线44在长波段46呈高增益而在S-波段42呈正增益。特别是在长波段46中的高增益在1530nm处包括一个增益峰48而1530nm非常靠近交越波长λcross。

在本实施例中，我们通过选择纤芯12、压低包层14的横截面和半径以及折射率n₀、n₁、n₂使截止波长λc刚好位于长波段46内的增益峰48处。而且通过选择纤芯12的折射率n0来获得位于长波段46内的高增益峰48处的截止波长λc的滚降损耗曲线38。并且选择滚降损耗曲线38在长波段46产生至少与高增益可比的损耗，同时在S-波段42产生比正增益小的多的损耗。相对于那些低于截止波长λc的波长，滚降损耗曲线快速下降或向左边有一大的正向倾斜，因此滚降损耗曲线38落在增益曲线44表示的正增益之下。这样在整个S-波段42内增益都大于损耗，如阴影区域50所清楚表示的那样。较合适的滚降损耗曲线38为，在短波段42内增益至少大于损耗5dB。对于如何选择合适的滚降损耗曲线的更多情报，读者可以参见申请日为2002年3月8日的美国专利申请10/095,303。

本发明的分波段放大装置利用了按上述规则设计的W型光纤的优点。事实上，本发明的分波段放大装置最好使用按上述规则设计的W型光纤，其活性物质18为铒，短波段为S-波段或S-波段的一部分，而长波段覆盖整个C-波段和/或L-波段或这两个波段的部分波段。通常光纤10的主材料为硅酸盐玻璃，如铝硅酸锗玻璃，掺镧硅酸锗玻璃、掺铝/镧硅酸锗玻璃，或掺磷硅酸锗玻璃。例如分波段放大装置可以使用如图5所示的以铝硅酸锗玻璃为主材料的掺铒光纤放大器68(EDFA)。在这个例子中，掺铒光纤放大器68在折射率为n₀的纤芯70中掺入浓度为0.1％重量百分比的铒。纤芯70由一个折射率为n₁的压低包层72和一个折射率为n₂的第二包层74包围。掺铒光纤放大器68有一个保护套76包在第二包层74周围用来提供机械稳定性并保护掺铒光纤放大器68抵抗外界影响。

具有包含在S-波段内的第一波长λ₁的光信号78从光纤80送入到掺铒光纤放大器68进行放大。光信号78可以是一个载有有用信息的需要放大的光信号。

光纤80与光纤82在合波器84内耦合。光纤82用于将来自泵浦源86的浦源光88耦合到掺铒光纤放大器68中。泵浦源86，最好是激光二极管，提供一个泵浦波长λp约为980nm的泵浦光88，用来泵浦纤芯70中的铒离子以获得高水平相对粒子数反转D。参数D的变化范围为D＝-1到D＝1，前者表示无粒子数反转，后者表示粒子数完全反转。当D＝0时，表示刚好有一半铒离子处于激发能态或受激态簇，另一半处于基能态。在这种情况下，掺铒光纤放大器68几乎是透明的(波长靠近1530nm的3能级跃迁)。对于非均衡转换的掺铒光纤，参数D代表粒子数反转平均值。在本实施例中，泵浦光88的强度必须保证铒离子的粒子数反转D≥0.7。

泵浦光88与信号光78在合波器84中混合后两路光都被光纤80传送到掺铒光纤放大器68。特别是，不论信号光78还是泵浦光88都从光纤80耦合到纤芯70中。

本实施例中纤芯70和包层72、74都具有圆形的横截面。根据本发明的方法选择横截面及折射率n₀、n₁、n₂，使截止波长λc位于1525nm附近。也就是说，截止波长λc要选在介于S-波段42与长波段46或C-波段和L-波段之间。

纤芯70的折射率n0选择成在靠近截止波长λc附近，提供对应于波长的有效折射率n_eff的大的负斜率，通常约为.008/1,000nm是非常重要的。结果，在波长低于截止波长λc的区域滚降损耗曲线呈现快速下降，从而保证在S-波段42内损耗低于正增益。在波长大于截止波长λc区域滚降损耗曲线的损耗快速增加。这样在C-波段和L-波段46的损耗至少与高增益可比。

如图所示，根据本发明设计的掺铒光纤放大器68将能够保证对波长为λ₁的光信号78进行放大，而将任何C-波段和L-波段的波长为λ₂特别是在λ₂＝1530nm的放大自发发射抑制到包层74中。对于S-波段42正增益典型的是每米1dB的级别(或者，按照光纤设计或按照以获得S-波段的波长的最大利益为0.2-5dB/米)在损耗之上，这样，为了有效的放大光信号78，掺铒光纤放大器68需要有一定的长度L。位于S-波段的正增益与损耗的差值越小，提供对光信号78进行有效放大的掺铒光纤放大器68长度L的长度就越长。对于一个有用的25dB的S-波段放大，所需的长度约为5到100米。

图6表示本发明的分波段放大装置100。分波段放大装置100设有用于接收需要放大的光信号104的输入光纤102。如图所示，光信号104间跨由交越波长λcross分隔开的长波段信号106和短波段信号108。分波段放大装置100还有一个泵浦输入光纤112，用于接收来自泵浦源114的泵浦辐射116。本实施例中，泵浦源114是在泵浦波长λ_p＝980nm处发射泵浦辐射116的激光二极管。

分波段放大装置100具有一个由第一部分130和第二部分132共享的重叠部分118。就是说重叠部分118是第一部分130和第二部分132的重叠处。第二部分132设有一个位于重叠部分118后的光纤放大器138用来对光信号104中的短波段信号108进行放大。光纤放大器138最好是第一掺铒光纤放大器。重叠部分118设有一个对光信号104中的长波段信号106进行放大的放大器122。需要指出的是放大器122不一定必须是掺铒光纤放大器，甚至不必是一个光纤放大器。

放大器122应该对短波段信号108提供些许放大(或至少放大为零，但无损耗)而对长波段信号106提供一个有益的增益。在一种比较受欢迎的分波段放大装置100中，放大器122应该对短波段信号108提供足够的放大以补偿位于光纤放大器138前的各元件内的短波段信号108所产生的损耗。更受欢迎的分波段放大装置100方案是放大器122应该对短波段信号108提供低噪声放大，以使位于光纤放大器138前的各元件内的短波段信号108所产生的损耗的噪声影响最小化。重叠部分118也设置有耦合器120和耦合器124。耦合器120为任何适用的光学耦合器件，如一个能将光信号104与泵浦辐射光116合成后传送通过放大器122以获得光信号104的光放大的波分复用耦合器。在本实施例中，放大器122是第二个掺铒光纤放大器而长波段信号106间跨C-波段。耦合器124为任何适用的光学分波器，如一个能将光信号104分成两路光信号104A和104B的波分复用耦合器。在本例中，耦合器124为一个50/50的波分复用耦合器，它将光信号104分成强度和谱段相等的两路信号104A，104B。也可以选择使用具有不同分光比的耦合器或能将短波段信号108从长波段信号106中分离出来的波段合成器。

耦合器124与第一部分130和第二部分132相连。特别地，耦合器124将信号104A送入第一部分130，将信号104B送入第二部件132。第一部分130设有一个延迟器件126，该延迟器件可以是有一定长度的光纤用于补偿第一部分130和第二部分132之间的传输产生的时间延迟。第一部分130和第二部分132通过耦合器128再结合到一起，耦合器128最好为波段合成器，它能将短波段108、长波段106的两路信号104A，104B合成而拒绝其他波长的辐射，诸如残余的泵浦辐射116′。

第二部分132设置有耦合器134用于将残余的泵浦辐射116′从第二部分132耦合出去。耦合器134后依次设置有隔离器136和第一掺铒光纤放大器138。隔离器136设计成传送信号104B到第一掺铒光纤放大器138，阻隔任何辐射传播返回到重叠部分118。

按前面论述的原则制作的第一掺铒光纤放大器138用于放大位于短波段108即本实施例的S-波段中的信号104B。泵浦源140被提供为第一掺铒光纤放大器138产生泵浦辐射142。泵浦源140是一个发射泵浦辐射142的二极管激光器，其泵浦波长λ_p＝980nm。输入光纤144和耦合器146用于传递泵浦辐射142到第一掺铒光纤放大器138。耦合器146连接成泵浦辐射142从与前行的光信号104B相反方向传递。即在第一掺铒光纤放大器138内泵浦辐射142与光信号104B反向传播。需要指出的是任何残余泵浦辐射142′都被耦合器134及隔离器136拦截以阻止它传回到重叠部分118。在放大器138内泵浦辐射的反向传播提供了高效的泵浦-信号转换效率。

耦合器146设置成在短波段即S-波段将第一掺铒光纤放大器138放大的光信号104B传输到耦合器128。耦合器128将在长波段106放大的信号104A与在短波段108放大的信号104B复合在一起构建成一个放大的光信号104′。优选的滤波器148即增益平坦滤波器(GFF)能够用来提供均匀放大的光信号104′。

运行时，光信号104通过输入光纤102进入到分波段放大装置100，然后与泵浦信号116一起沿相同的方向(同一几何传播方向)传送到重叠部分118的第二掺铒光纤放大器122。第二掺铒光纤放大器122将信号104中位于长波段106内的那部分信号进行放大，在较佳实施例中也能对信号104中位于短波段108内的那部分信号提供少量的放大。

耦合器124将在长波段放大过的光信号104分解成信号104A和信号104B，再将它们分别送到后面的第一部分130和第二部分132的没有重叠部分。信号104A在第一部分130内没有被进一步放大。而信号104B中位于短波段108的那些信号被第一掺铒光纤放大器138放大。

大部分泵浦辐射116最好都在第二掺铒光纤放大器122被用尽，而对第一掺铒光纤放大器138的泵浦源140的运行构成潜在危害的任何残余的泵浦辐射116′被耦合器134分离出去。同样来自反向传播的影响泵浦源114运行的任何残存的泵浦辐射142′都被耦合器134和隔离器136阻隔。

延迟器126保证了被放大的信号104A和104B在耦合器128内以接近的群延迟合成为一个信号104′。在这种情况下，优选滤波器148在整个波段即短波段108和长波段106或S-波段和C-波段内调整信号104′的放大水平。

分波段放大装置100对于放大信号104来说效率非常高，所用器件最少。还需指出的是，短波段108、长波段106是能够基于应用情况来选取的。尽管在电信中，典型的短波段108至少包含S-波段的一部分，但通过按前面所述的规则来改变第一掺铒光纤放大器138的参数也可适用于其他短波段。在电信运用中，长波段106至少包含部分C-波段或L-波段或两者都有。当然，通过选择合适的放大器122甚至于用多个串联或并联放大器代替放大器122，长波段106可以为任何想要的长波段。

分波段放大装置100的另一个优点是它有良好的噪声系数。特别是在分波段放大装置100中各元件的设置，由于输入信号直接传入一个没有分布损耗的共泵浦掺铒光纤放大器而产生一个很好的噪声系数。一般如果增益发生在所有损耗前，噪声系数为最好的(出现在增益前的损耗100％增加到噪声系数上)。共享放大器122采用共泵浦也是非常有益的，因为这能得到高粒子数反转。当共享放大器122的长度选择成使放大器的粒子数反转接近100％也是有益的，因为此时整个波段的放大自发发射很微小。伴随着近乎粒子数完全反转，放大阶段对噪声系数的贡献最小。使用标准掺铒光纤，这种方法在不牺牲粒子数反转下仅能提供少量的短波段增益(约为5dB)。如果光纤长度增加超过最佳长度，那么粒子数反转的增加将对噪声系数产生负影响而限制了S-波段增益(注意，在这种情况下C-波段增益将继续增加)。如果光纤长度增加到超过最佳长度后再进一步增加，最终会导致S-波段增益的减少，甚至会导致S-波段上的净损耗。这后一种情况(S-波段损耗)对于在C-波段优先运转的最佳的掺铒光纤放大器是最常见的情况。

共享放大器122是传统的没有基模截止的那种掺铒光纤放大器对于噪声系数也是有益的。为此，除了铒吸收损耗(即反转＜100％)不太可能有另外的分布损耗。这种分布损耗的缺少进一步改善良好的噪声系数。

分波段放大装置100的基本设计是将低噪声和已放大过的信号分成两路。这种分路(和它的相关损耗)是在信号经过初极低放之后进行的，因此对噪声系数的影响比在初极低放之前进行分路要小。另外，由于初极低放良好的噪声系数的增益，掺铒光纤放大器138在S-波段固有的不良噪声系数在S-波段分路中被有效地去放大。

分波段放大装置可以被设置成许多不同的方式。图7描述了另一种分波段放大装置150，它具有独立的第一部分和第二部分152、154，并使用一个共泵浦源156。在这个实施例中，共泵浦源156也是在泵浦波长λ_p＝980nm发射泵浦辐射116的二极管激光器。事实上，装置150的元件相对于装置100的元件由相同的参数标注。

光信号104由耦合器158接收。耦合器158被设置成将信号104分离成间跨短波段108的第一信号160和间跨长波段106的第二信号162。第一信号160由属于第一部分152的光纤164发送到耦合器166。耦合器166也接收来自激光二极管156的泵浦辐射116。耦合器166的输出混合了泵浦辐射116和第一信号160，并发送它们到第一部分152的光纤放大器168。

按上述规则设置光纤放大器来放大信号160。另一方面，光纤放大器168被设置放大短波段108。光纤放大器168最好是第一掺铒光纤放大器。第一掺铒光纤放大器168跟随一个耦合器170，它被设置成将放大信号160′传送到属于第一部分152的光纤172，而将泵浦辐射116传送到属于第二部分154的耦合器174。

同时，第二信号162由属于第二部分154的光纤176传送到耦合器174。耦合器174将第一掺铒光纤放大器168未消耗尽的泵浦辐射116与第二信号162混合，并将它们传送到放大器178，放大器178被设计成用于放大长波段106。在这个实施例中，放大器178是第二光纤放大器，特别是第二掺铒光纤放大器。第二掺铒光纤放大器178对信号162进行放大以产生一个放大信号162′。

合波器180将来自第一分路152的放大信号160′和来自第二分路154的放大信号162′合成为一路信号。合波器180后设置有隔离器182，它只通过新合成的信号104′并消除任何残存的泵浦辐射116。

分波段放大装置150因采用单个公共泵浦源156这一优点，故它有效的使用了泵浦源。特别是在共泵浦结构中S-波段光纤放大器168可以以全泵浦功率运行，因而就可能获得S-波段最好的放大性能所需的最高粒子数反转。当一个S-波段掺铒光纤放大器以非常高粒子数反转D工作时，它自然无效地吸收泵浦辐射，从而产生大量的“垃圾”泵浦光。分波段放大装置150就是利用这些所谓的“垃圾”泵浦光来泵浦放大器178。当然，本领域的技术人员会意识到分波段放大装置150可以重新构造成使用两个泵浦辐射源和/或提供几何上的共泵浦和反向泵浦。更进一步说，光纤放大器根据需要可以是数个由隔离器分开的光纤放大器单元。由于消除了反向传播的放大自发发射，使用“中跨距”的隔离器能够改善噪声系数及提高放大器的净增益，否则放大自发发射会从放大器那里掠夺泵浦功率、降低粒子数反转从而引起放大器饱和。

图8表示一个使用在S-波段提供信号204A的信号源202A的光通信系统200。信号源202A是属于信号源阵列202A-202H中的一个二极管激光器。实际上，光通信系统200是一个波分复用系统(WDM)，甚至是一个密集波分复用系统(DWDM)或粗波分复用系统(CWDM)，在这个系统中所有8个信号源202A-202H产生位于S-波段的8个不同波长或8个波通道内的信号。需要指出的是，在本实施例中我们只用8个通道来描述波分复用系统(WDM)，实际上从现有技术可以知道，波分复用系统(WDM)使用的通道数可以为2-1000的任何数。信号源阵列202A-202H由一个激光阵列控制器210来控制。激光阵列控制器210可以是任何用于驱动二极管激光器202A-202H的合适的电子或光学泵浦机构。

光学器件组206A-206H，在本实施例中为透镜，是用来将信号204A-204H聚焦及耦合到波分复用的复用器208中。复用器208将信号204A-204H复合并按照众所周知的WDM各协议传递通过公共通信光纤212的第一区段212A。通信光纤212的第一区段212A跨距很长，如几十公里。通信光纤212选自那些在S-波段呈低而足够量的色散以防止影响信号204A-204H的非线性效应的那些光纤。例如，通信光纤212的色散可以为3-10ps/(nm.km)，但在S-波段不能低于1ps/(nm.km)。并且，通信光纤212在S-波段呈低损耗如0.2到0.3dB/km是非常有益的。

通信光纤212连接在WDM的复用器208与WDM的解复用器228之间。在第一区段212A后，通信光纤212在合波器216中与光纤214耦合。光纤214用于将从泵浦源220中得到的泵浦辐射218耦合到安装在第一区段212A后的掺铒光纤放大器222中。泵浦源220是发射波长λp约为980nm的泵浦辐射的激光二极管，该泵浦辐射用于将掺铒光纤放大器222的纤芯中的铒离子泵浦到高能态的相对粒子数反转D。泵浦源220由泵浦激光控制器224控制，该控制器可以是任何合适的电子或光学泵浦装置。光学器件组226，在本实施例中为一个透镜用于将泵浦辐射218耦合到光纤214中。

掺铒光纤放大器222与光纤212的第二区段212B连接。实际上系统200可以有多个光纤区段及多个在这些区段之间每隔一定间隔安装的掺铒光纤放大器。在本实施例中，区段212B终端连接WDM的解复用器228。WDM的解复用器228按波长将信号204A-204H分离开来并利用光学器件组232A-232H将它们传送到各自的接收器230A-230H。在本实施例中，光学器件组232A-232H是一组透镜。接收控制器236与接收器230A-230H相连接。接收控制器236可以包含任何信号大小调整和其他功能，像检测及处理信号204A-204B所需的信号处理功能。

如本实施例所示，掺铒光纤放大器222被通信系统200用作在线放大器。特别是掺铒光纤放大器222具有可裁长度L，能够提供足够的S-波段增益来放大信号204A-204H。例如长度L的范围可以是5到50米。同时掺铒光纤放大器222调整成呈现低噪音系数，如6dB或更低，及平坦的增益谱。在掺铒光纤放大器222中可以使用合适的增益平坦滤波器(未显示)以保证得到平坦的增益谱，本领域的技术人员会意识到这一点。

另外，掺铒光纤放大器222可用作功率放大器。为此，要增加泵浦源220的功率以提高掺铒光纤放大器222的饱和功率。同时可以进行其他的设计变化和优化。例如，为了增加泵浦辐射218的吸收效率，在牺牲噪声系数的代价下，可以增加掺铒的浓度和长度L。掺铒光纤放大器222在这种结构中也可以设计成包层泵浦。在C-波段掺铒光纤放大器制作领域，包层泵浦是一种公知的技术。当掺铒光纤放大器222设计成包层泵浦时，使用一种低成本，高功率，宽波段的980nm二极管泵浦激光器作为泵浦源220。通过取消增益平坦滤波器，降低增益平坦量或将增益平坦滤波器移到本实施例的前面部分，在那里掺铒光纤放大器由多个放大器组成(多级掺铒光纤放大器)，S-波段的掺铒光纤放大器对于高功率也能达到最佳化。由于减少了掺铒光纤放大器的内部损耗，将增加掺铒光纤放大器的总效率并因此增加饱和功率。典型的说，功率放大器通常工作在不饱和状态或有时仅有一路信号通道，因此，当它用作在线放大器时，其增益平坦性没有像作为功率放大器时那么重要。

通信系统200可以使用掺铒光纤放大器222作为信号204A-204H的前置放大器。在这种情况下，长度L减少到小于50米甚至小于10米，并通过对光纤和增益平坦滤波器参数的综合考虑来仔细地控制噪声系数。前置放大器典型应用在单个信号通道和低的光功率水平，但需要中等增益。所以通常不需要增益平坦，放大效率也不是很重要。前置放大器设计的关键指标是噪声系数。

图9表示本发明的另一个光通信系统250的一部分。其中有数个掺铒光纤放大器252A-252H用作前置放大器。系统250有一个WDM解复用器254用于分解由通信光纤260传递的多个信号256A-256H。设置一组透镜258A-258H用于将WDM解复用器254分解的信号256A-256H聚焦到相应的接收器组260A-260H。同前述实施例一样，接受器260A-260H由接受控制器262控制。

在本实施例中，掺铒光纤放大器252设置在WDM的解复用器254之后。当掺铒光纤放大器252被设计用作前置放大器时，这是最好的设置。这是由于在这个位置每个掺铒光纤放大器252A-252H只处理信号256A-256H中的一路信号，这样可以更好地调节到获得低噪声的前置放大。

图10表示本发明另一个采用S-波段的掺铒光纤放大器302A和302B光通信系统300，用于S-波段的不同部分或子波段。掺铒光纤放大器302A，302B安装在两个区段光纤304A，304B之间。一个WDM解复用器或分波器306和WDM复用器或合波器308用于传递S-波段波长的适当部分到每个掺铒光纤放大器302A，302B。在这个实施例中，掺铒光纤放大器302A优化为放大波长介于1460和1490nm之间的子波段，而放大器302B优化为放大波长介于1490和1520nm之间的子波段。当然根据需要可以使用多于两个的掺铒光纤放大器来放大S-波段的更小部分。通信系统300能够使用S-波段的更宽的整个范围。

需要指出如果光通信系统300设计成传输那些位于整个波段或某些波段上的信号，S-波段掺铒光纤放大器302A，302B能够与C-波段和/或L-波段掺铒光纤放大器结合。通常本领域的技术人员会认识到，S-波段掺铒光纤放大器及C-波段或L-波段掺铒光纤放大器和/或具有S-波段的两个或多个子波段的掺铒光纤放大器可以使用在通信系统300中的任何位置，而不局限于用作在线放大器、前置放大器和功率放大器。

本领域的技术人员都清楚，上述的实施例在本发明的范围之外可以用多种方法来替换。相应的，本发明的范围是由下面的权利要求和它的法律上的等同物来确定的。

Claims (33)

1.一种分波段放大装置，包括：

a)用于放大光信号的长波段的第一部分；和

b)用于放大所述光信号短波段的设置有光纤放大器的第二部分，所述的光纤放大器包括：

1)一个具有纤芯横截面和折射率n₀的纤芯；

2)一种掺入所述纤芯中的活性物质；

3)一个包围所述纤芯的压低包层，所述的压低包层有压低包层横截面和折射率n₁；

4)一个包围所述压低包层的第二包层，所述的第二包层有第二包层横截面和折射率n₂；和

5)一个用于泵浦所述活性物质到高相对粒子数反转D的泵浦源，以使所述的活性物质在所述的短波段呈现正增益而在所述的长波段呈现高增益；其特征在于：所述的纤芯横截面，所述的压低包层横截面和所述的折射率n₀，n₁，n₂，被选择成产生一个关于截止波长λ_c的滚降损耗曲线，所述的滚降损耗曲线在所述的长波段产生至少与所述的高增益可比的损耗，而在所述的短波段产生比所述的正增益小得多的损耗。

2.如权利要求1所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的活性物质是饵，即所述的光纤放大器是第一掺饵光纤放器。

3.如权利要求2所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的短波段至少包括部分S-波段，而所述的长波段至少包括部分C-波段，所述的截止波长λ_c是位于所述的S-波段和C-波段之间的交越波长。

4.如权利要求3所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的长波段至少还包括部分L-波段。

5.如权利要求3所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的截止波长在1530nm左右。

6.如权利要求1所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的第一部分包括一个第二掺饵光纤放大器，而所述的活性物质是饵，即所述的光纤放大器是第一掺饵光纤放大器。

7.如权利要求6所述的分波段放大装置，其特征在于：进一步包括一个公共泵浦源，用于对所述的第一掺饵的光纤放大器和所述的第二掺饵光纤放大器提供泵浦辐射。

8.如权利要求7所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的公共泵浦源包括一个激光二极管，用于在约980nm处提供所述的泵浦辐射。

9.如权利要求1所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的第一部分和所述的第二部分共享一个重叠部分。

10.如权利要求9所述的分波段放大装置，其特征在于：所述的重叠部分包括一个用于放大所述的长波段的第二掺饵光纤放大器。

11.一种使用分波段放大装置进行分波段放大的方法，所述的方法包括：

a)提供一个用于放大光信号的长波段的第一部分；和

b)提供一个用于放大所述光信号的短波段的设有光纤放大器的第二部分，所述的光纤放大器这样来构成：

1)提供一个具有纤芯横截面和折射率n₀的纤芯：

2)将所述的活性物质掺入到所述的纤芯中；

3)提供一个压低包层包围所述的纤芯，所述的压低包层有压低包层横截面和折射率n₁；

4)提供一个第二包层包围所述的压低包层，所述的第二包层有第二包层横截面和折射率n₂；

5)选择所述的纤芯横截面，所述的压低包层横截面和所述的折射率n₀，n₁，和n₂以产生一个关于截止波长λ_c的滚降损耗曲线，所述的滚降损耗曲线在所述的长波段产生至少与所述的高增益可比的损耗，而在所述的短波段产生比所述的正增益小得多的损耗。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：它进一步包括选择饵作为所述的活性物质，即所述的光纤放大器是第一掺饵光纤放大器。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：它进一步包括反向泵浦所述的第一掺饵光纤放大器。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述的第一部分包括一个用于放大长波段的光纤放大器。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述的第一部分的光纤放大器是一个第二掺饵光纤放大器，第二部分的光纤放大器是第一掺饵光纤放大器。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：它进一步包括用一个公共泵浦源对所述的第一掺饵光纤放大器和所述的第二掺饵光纤放大器提供公共泵浦。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述的公共泵浦源提供波长约为980nm的泵浦辐射。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述的短波段至少包括部分S-波段，而所述的长波段至少包括部分C-波段，而所述的截止波长λ_c是位于所述的S-波段和C-波段之间的交越波长。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述的长波段至少还包括部分L-波段。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述的截止波长λ_c位于1530nm左右。

21.一种光通信系统，它包括：

a)一个用于提供S-波段波长信号的信号源；

b)一个用于放大所述信号的光纤放大器，所述的光纤放大器具有：

1)一个有纤芯横截面和折射率n₀的掺饵纤芯；

2)一个包围所述纤芯的压低包层，所述的压低包层有压低包层横截面和折射n₁；

3)一个包围所述压低包层的第二包层，所述的第二包层有第二包层横截面和折射率n₂；

4)一个用于泵浦所述纤芯中的饵到高相对粒子数反转D的泵浦源，即所述的活性物质在所述的S-波段呈现正增益，而在长于所述S-波段的长波段呈现高增益；

其特征在于：所述的纤芯横截面，所述的压低包层横截面，和所述的折射率n₀，n₁，n₂被选择成在所述的长波段产生至少与所述的高增益可比的损耗，而在所述的S-波段产生比所述的正增益小得多的损耗。

22.如权利要求21所述的光通信系统，其特征在于：所述的光纤放大器是从由前置放大器，功率放大器，和在线放大器组成的放大器群中选出的一个放大器。

23.如权利要求21所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的光通信系统是波分复用通信系统。

24.如权利要求23所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的光纤放大器是从由前置放大器，功率放大器，和在线放大器组成的放大器群中选出的一个放大器。

25.如权利要求23所述的一种光通信系统，其特征在于：它进一步包括：

a)一根通信光纤；

b)一个波分复用器，用于对所述的通信光纤中的所述的信号进行复用；和

c)一个波分解复用器，用于对所述的信号解复用。

26.如权利要求25所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的光纤放大器是设置在所述的波分解复用器后的前置放大器。

27.如权利要求25所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的光纤放大器是设置在所述的波分复用器和所述的波分解复用器之间。

28.如权利要求27所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的光纤放大器是从由前置放大器，功率放大器，和在线放大器组成的放大器群中选出的一个放大器。

29.如权利要求23所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的信号源包括一个属于激光器阵列的激光器。

30.如权利要求21所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的长波段至少包括部分C-波段或L-波段。

31.如权利要求21所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的泵浦源是在约980nm的提供泵浦辐射的激光二极管。

32.如权利要求21所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的信号是载有信息的信号。

33.如权利要求21所述的一种光通信系统，其特征在于：所述的光纤放大器被调谐用于放大所述的S-波段的子波段。

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