CN1339188A - 光纤放大器增益的平坦化 - Google Patents
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Abstract
光放大器具有一个基本平坦并在一个宽范围上独立于泵浦功率、输入信号功率以及输入信号数目的增益分布。该放大器通过在增益介质的至少一个吸收尾部的至少一个波长上泵浦该增益介质而利用一个有该增益介质的光谐振腔。该增益介质的增益展宽表现为非均匀的。该谐振腔是一个优选地包括一个掺铒光纤的环形谐振腔。共掺质可以添加到光纤中以提高非均匀展宽效果。一种增益平坦化方法将一种泵浦信号引入增益介质。该泵浦信号有一个在增益介质吸收分布的尾部的波长。多个不同波长的光信号被引入增益介质。增益介质中的受激发射将增益介质的增益钳位。
Description
发明背景
发明领域
本发明一般地涉及光放大器，更具体地涉及一种放大不同波长光信号的装置和方法，以使光信号经历基本上相等的增益。
相关领域描述
目前商用的掺铒光纤放大器(EDFA)普遍在一个大的光带宽(在基于二氧化硅的光纤中达到约50纳米)上有增益。在这个带宽上，增益可能强烈地依赖于输入信号的波长。尽管如此，对很多应用，特别是长距离光纤通信，非常需要获得不依赖于波长的增益。为了利用光纤巨大的带宽，在EDFA增益带宽内的不同波长的信号在相同的光纤总线(bus)中同时被传送。如果这些信号经历不同的增益，那么它们将在总线的输出端有不同的功率。当信号穿过每个连续的EDFA时，这种不平衡变得更为严重，并且对很长距离而言可能变得更加显著。例如，在越洋的包括有许多EDFA的总线输出端，在每个EDFA中都经历较低增益的信号可能比经历较高增益的信号的功率低几十分贝。对数字系统，信号功率水平的差异必须不超过7分贝，否则较低功率的信号将会噪音太大以至于不能使用。使EDFA的增益平坦化能减小这种问题，并生产出能支持相当大的光带宽从而有一个较高数据速率的放大器。因为工程界对EDFA的需求极大，所以开发在保持高功率性能的同时使放大器增益平坦化的方法已经而且继续很重要。
过去几年已经开发了几种方法用来制造在尽可能宽的光谱区上具有平坦增益的EDFA。第一种方法是调节光纤(铒浓度、系数分布、性质以及芯体共掺质的浓度)和泵浦(功率和波长)二者的参数。这种方法能产生相对平坦的(±1-2分贝)增益，但是仅仅在具有10纳米量级光谱宽度的光谱区上，这对大多数应用太有限。
另一种方法是用两个连接起来的光纤放大器的组合来代替每个EDFA，其中两个放大器有各自不同的依赖于信号波长的增益。这些依赖性被设计成相互补偿并产生一个具有在一个宽光谱区上几乎不依赖于波长的增益的光纤放大器组合。(例如，参见M.Yamada，M.Shimizu，Y.Ohishi，M.Horigushi，S.Sudo and A.shimizu，“Flatterning theGain Spectrum of an Erbium-Doped Fibre Amplifier by Connectingan Er3+-Doped SiO2-Al2O3 Fibre and an Er3+-doped MulticomponentFibre，”(通过结合掺Er3+SiO2-Al2O3光纤和掺Er3+多元光纤使掺铒光纤放大器的增益光谱平坦化)Electron.Lett.，Vol.30，no.21，pp.1762-1765，October 1994.)这已经通过使用具有不同基质(如氟化物和二氧化硅光纤)和与一个拉曼(Raman)光纤放大器组合的EDFA的光纤实现。
第三种增益均衡方法是在掺铒光纤的信号输出末端添加一个滤波器，其中滤波器在显示较高增益的那些光谱段引入损耗。这种方法已被利用标准刻痕光纤光栅制成的滤波器所证明。(例如，参见R.Kashyap等，“Wideband Gain Flattened Erbium Fibre amplifier Using aPhotosensitive Fibre Blazed Grating，”(使用光敏光纤刻痕光栅的宽带增益平坦化铒光纤放大器)Electron.Lett.，vol.29，pp.154-156，1993)这种方法也已经被利用长周期光纤光栅制成的滤波器所证明。 (例如，参见A.M.Vengsarkar等，“Long-PeriodFiber-Grating-based Gain Equalizers，”(长周期光纤光栅为基础的增益均衡器)Opt.Lett.，vol.21，pp.336-38，March 1996.)
第四种方法是增益钳位。用这种方法，EDFA被放置在迫使它发出激光的光谐振腔中。对一个给定的激光波长，不考虑泵浦功率，在超过阈值的激光腔中往返增益等于往返损耗。(例如，参见Y.Zhao，J.Bryce，And R.Minasian，“Gain Clamped Erbium-doped FiberAmplifiers-Modeling and Experiment，”(增益钳位掺铒光纤放大器-建模与实验)IEEE J.of Selected topics in Quant.Electron.，vol.3，no.4，pp，1008-1011，August 1997.)
在Zhao等的增益钳位实验中，谐振腔是由两个光纤光栅制成的，该光栅只在特定波长λ0周围一个很窄带宽上展示高的反射率(而对掺铒光纤的增益光谱区内的其它波长几乎没有反射率)，因此激光发光只在此波长λ0处发生。λ0的选择极大地影响EDFA增益的光谱形状。通过选择合适的激光波长λ0(在他们的实验中为1508纳米)，增益光谱在一个相当宽的区域上可能相对平坦。此外，对任何超过阈值的泵浦功率，在λ0的增益被钳位于在此波长的腔损耗值。如果增益被均匀展宽，则在其它波长的增益也保持不依赖于泵浦功率(假设泵浦功率超过阈值)。
另一种使增益钳位的EDFA的增益平坦化的方法是依靠激光离子的非均匀展宽。虽然此处参考的是“激光离子”，但是此讨论可用于任何通过受激发射来产生激光的粒子，例如离子、原子和分子。在纯粹均匀展宽的激光介质中，所有离子都显示出相同的吸收和发射光谱。当这样一种物质被泵浦到激光阈值之下时，在整个激光增益光谱的所有频率上，往返增益比激光谐振腔的往返损耗要低，如图1A中所示，为不失一般性，这里假定往返损耗在整个光谱区是不依赖于频率的。当刚好泵浦到阈值上时，它在满足条件增益＝损耗的波长λ1处开始振荡(见图1B)。随着泵浦功率(图1C)进一步增加，条件增益＝损耗在λ1处继续得到满足，即在λ1处增益维持不变。这能够从下面的物理观点理解。当泵浦功率增加时，粒子数反转增加，就产生更强烈的发射。在通过光纤循环时，这个较大的激光信号通过受激发射来衰减粒子数反转刚好足够使增益与损耗保持相等。此外，因为展宽是均匀的，所有离子对在λ1的增益的贡献相同，因此增益光谱没有改变。作为必然结果，激光波长(λ1)和激光线宽也保持相同(见图1C)，即它们不依赖于泵浦功率。这是早些时候提到的增益稳定方法的基础。
另一方面，在强烈非均匀展宽的激光介质中，并非所有粒子显示相同的吸收和发射光谱。这种表现的一个原因是激光离子驻留的所有物理位置并不都是相同的。例如，在掺铝、基于二氧化硅的基质的情况中，激光离子可以邻近硅离子、氧离子、或铝离子驻留。处于同样位置的激光离子(如邻近硅离子的所有激光离子)将显示相同的吸收和发射光谱，即它们相互之间有均匀的表现。另一方面，驻留在不同位置的激光离子，如一个邻近硅离子驻留而另一个激光离子邻近铝离子驻留，将展示不同的吸收和发射光谱，即它们相互之间有非均匀的表现。在非均匀展宽的情况中，激光介质因此被看成是激光离子子集的聚集。在一个给定的子集中的离子有均匀表现，而在不同子集中的诸离子具有非均匀表现。
当非均匀展宽的物质被泵浦到激光阈值之下时，假设往返损耗在整个增益光谱区不依赖于频率，则在整个激光增益光谱的所有频率上，往返增益比激光谐振腔往返损耗要低，如图2A所示。当此物质刚好泵浦到阈值之上时，它将首先在满足条件增益＝损耗的波长λ1处振荡(见图2B并与低于阈值的情况的图2A进行比较)。这种激光发射主要涉及在λ1处显示基本增益的离子子集。当泵浦功率增加时，虽然在λ1处条件增益＝损耗继续得到满足，如图2C所示，但在其它波长的激光发射将会出现。再者，激光介质通过产生刚好足够的激光功率以精确的由于泵浦功率的增加引起的粒子数反转增加的数量来减小粒子数反转来满足这个条件。于是在λ1处增益“钳位”于这个损耗值。尽管如此，因为展宽是非均匀的，所以来自不同于λ1的波长的其它离子子集的峰值可用增益还远没有像在λ1处的激光功率强烈地衰耗掉。从而，当着泵浦功率增加时，在那些其它波长(例如波长λ2)的增益也增加直到它在那个波长达到损耗的水平为止，而后介质开始在λ2处出射激光。在这点上，增益钳位在λ1和λ2。通常，因为增益曲线是铃形的，所以λ2很靠近λ1(图2C)。当还有更多的泵浦功率进入光纤时(图2D)，越来越多的波长开始发射激光。实际上，这些离散激光线中的每一个实际上都有一个有限的线宽。因此，如果这些离散的线相互靠得足够近，那么它们就会相互合并，并且这种激光线数目增加的净效应就是激光线宽被展宽。简言之，非均匀展宽的激光介质趋向于产生随泵浦功率增加而展宽的激光发射。激光线宽在原则上可以用这种方式增加直到它达到增益线宽。
通常，三价离子稀土元素如Er3+的激光跃迁是通过均匀和非均匀过程来展宽的。均匀机制对基质中所有的Er离子均以同样的方式展宽铒离子的Stark亚能级之间的跃迁线宽。另一方面，一些非均匀机制在Stark亚能级的分布中产生变化，该Stark亚能级对所有离子并不相同而依赖于离子子集。
在室温下，在掺铒二氧化硅中1.55微米跃迁中均匀展宽占绝对优势。但是通过将物质冷却到深冷温度，降低均匀展宽并在一个相对宽的恒定增益(等于谐振腔损耗)光谱区上产生振荡激光是可能的。此效应已经用于工作在77°K的EDFA中产生平坦增益。(例如，见V.L.daSilva，V.Silberberg，J.S.Wang，E.L.Goldstein，andM.J.Andrejco，“Automatic gain flattening in optical fiberamplifiers via clamping of inhomogeneous gain，”(通过非均匀增益钳位在光纤放大器中的自动增益平坦化)IEEE Phot.Tech.Lett.，vol.5，no.4，pp.412-14，April 1993.)但是，这种方法一般不实用，因为装置要求将光纤进行冷却。
发明概述
本发明的一个优选实施例是利用铒的1.55微米跃迁非均匀展宽在掺铒光纤放大器中产生平坦化的增益，而无需将光纤冷却到深冷温度。增益展宽可以通过在铒离子的吸收带边沿泵浦光纤进行激励，与现有掺铒光纤放大器(EDFA)相比，它是在980纳米吸收带中心点或者中心点附近进行泵浦。另外，掺铒光纤放大器可在多个波长同时泵浦以来激发大量的铒离子子集，在尽可能最宽的光谱区上产生增益。例如，对泵浦4I15/2→4I11/2跃迁，泵浦波长可以是均匀地或不同地分布于大约970纳米到990纳米之间覆盖吸收光谱的基本部分。泵浦光谱的理想光谱范围依赖于所用特定掺铒光纤的吸收光谱，其本身依赖于呈现在光纤芯体区的共掺质。
本发明的一个优选实施例是包括一个用于产生钳位增益的光谐振腔的光放大器，其中光谐振腔包括具有吸收分布和增益分布的增益介质，增益分布至少部分是以非均匀展宽为特征的。光放大器还包括一个光泵浦源，其用于在增益介质吸收光跃迁的尾部的至少一个波长上泵浦增益介质以利用非均匀展宽使增益平坦化。在一个优选实施例中，光谐振腔是一个环形谐振腔，并且增益介质包括掺杂光纤。
再有本发明的另外一个优选实施例是包括一个用于产生钳位增益的光谐振腔的光放大器，其中谐振腔包括具有吸收分布和增益分布的增益介质，增益分布至少部分是以非均匀展宽为特征的。此实施例还包括一个光泵浦源，其用于在增益介质吸收光跃迁的尾部的至少一个波长上泵浦增益介质以利用非均匀展宽来改变增益，并且还包括一种由依赖于波长的损耗元件用于调节损耗来产生需要的增益分布。
本发明还有的另外一个优选实施例是产生基本上具有平坦增益的光放大器的一种方法，其中该方法包括将一个泵浦信号引进具有吸收分布和增益分布的增益介质中，其中增益介质驻留在谐振腔中。增益分布至少部分是以非均匀展宽为特征的，并且选择泵浦信号的光谱输出用于泵浦吸收分布的尾部以利用增益介质的非均匀展宽。此方法还包括将多个不同波长的光信号注入到增益介质中以放大光信号，其中光信号的各个波长落入增益介质的增益分布范围内，以及在一个包括光信号波长的光谱区上利用增益介质中的受激发射来将增益介质的增益钳位。然后将放大后的光信号从增益介质中引出。在此方法的一个优选实施例中，一种或多种共掺质可能添加到增益介质中以提高增益分布的非均匀展宽。在此方法的另外一个优选实施例中，通过改变谐振腔中的损耗可以控制增益。在此方法另外一个优选实施例中，通过调节谐振腔中依赖于波长的损耗元件可以控制增益的平坦化。
附图简述
图1A、1B和1C示出了对均匀展宽当泵浦功率分别在发射激光阈值之下、阈值处、或超过阈值时，增益怎样随频率变化。
图2A、2B、2C和2D示出了对非均匀展宽，当泵浦功率分别在发射激光阈值之下、阈值处、超过阈值以及大大超过发射激光阈值时，增益怎样随频率变化。在图2C中，发射激光出现在一个相对窄的光谱区上，然而在图2D中发射激光出现在一个相对宽的光谱区上。
图3A和3B示出了本发明的优选实施例，其中输入信号注入到光放大器中，该光放大器在增益介质的增益分布上产生平坦、钳位的增益。
图4示出了一个实验测试装置，用来分析位于环形激光内部的掺铒光纤的光谱输出。
图5显示图4装置的光谱输出如何作为泵浦光谱的函数而变化。
优选实施例详述
图3A给出本发明的一个优选实施例。增益介质20优选地是一个掺铒光纤放大器(EDFA)，其中铒担当激光离子。增益介质20形成部分光谐振腔30。也可以使用其它光增益介质，例如掺杂的集成光波导、堆增益介质、以及半导体如GaAs。用于泵浦掺铒增益介质20的光泵浦源34可有利地包括一个在光谱区950-1000纳米发射一个或多个谱线的近红外二极管激光器。泵浦光通过分色耦合器38耦合到掺铒光纤上，例如波分复用器，其基本上将所有泵浦功率都耦合进谐振腔30但基本上不耦合任何环外激光信号54。图3A只示出了几个可能泵浦配置中的一个。例如，通过在掺铒光纤的任一侧适当放置一个或多个分色耦合器38或组合器，掺铒光纤20可被向前、向后、或同时向两个方向泵浦(双向泵浦)。组合器可能是本领域熟知的标准光纤波分复用器、偏振光组合器、任意数目的波导或者堆光(bulk optic)组合器。选择光泵浦源34的光谱输出来利用掺铒光纤固有的非均匀展宽以允许在一个单光谱区或是在一系列较小的、间隔很近的光谱区中于整个或基本部分的增益分布上将增益钳位。在例如，光泵浦源34可工作在铒的吸收跃迁的吸收尾(翼)的分立的波长上，工作在吸收跃迁的长波端或短波端。当增益介质是掺铒光纤时，可能的泵浦吸收包括1480纳米附近的4I15/2→4I13/2跃迁和980纳米附近的4I15/2→4I11/2跃迁。但是，在4I15/2→4I13/2跃迁泵浦时，在长波尾泵浦就不可能。另外，吸收跃迁的短波尾和长波尾两者可被泵浦。可以使用宽带泵浦源或多波长源。用这种方式来泵浦增益介质20，掺铒光纤的增益分布的展宽比在线中心附近泵浦时表现得更加非均匀，因此有助于在一个更宽的区域上将增益钳位。光泵浦源34优选地用分色耦合器38耦合到谐振腔中。如在此使用的，宽带泵浦源意思是在一个宽的光谱区(即具有所用泵浦带的线宽相当部分的光谱区，如20％)发射光的光源，如超荧光光纤源(SFS)或者基于放大的自发发射源。例如，掺铒光纤20可以是与镱共掺，在P.F.Wysocki，P.Namkyoo，和D.Digiovanni，“Dual-stageerbium-doped，erbium/ytterbium-codoped fiber ampl ifier withup to+26-dBm output power and a 17-nm flat spectrum，”(具有高达+26-dBm输出功率和17-nm平坦光谱的双级掺铒，铒/镱共掺光纤放大器)Optics Letters，vol.21，no.21，pp.1744-1746，November1，1996.有述。如本领域众所周知，通过泵浦辐射被放大器光纤的镱(Yb)离子所吸收，其将它们的激发的能量转移给铒离子，从而引起铒离子离子数反转，这样的铒/镱(Er/Yb)光纤可在1060纳米附近泵浦。这种铒-镱掺杂放大器光纤可用镱掺杂超荧光光纤源泵浦(其中镱在超荧光光纤源中担当激光离子)，该超荧光光纤源被设计为在1040-1080纳米窗口附近一个宽光谱区域上发射高功率的一种源。(如见，L.Goldberg，J.P.Koplow，R.P.Moeller，and D.A.V.Kliner，“High-power superfluorescent source with a side-pumped Yb-doped double-cladding fiber，”(具有侧泵浦掺Yb双覆层光纤的高功率超荧光光源)Optics Letters，vol.23，pp.1037-1039，July1，1998.)宽带泵浦源的带宽可以使用例如内置滤波器或者外置滤波器，或者通过其它的光学手段调整到需要的值。
谐振腔30优选地是环形谐振腔，其中从掺铒光纤20发射的激光由光隔离器42强制单方向循环通过谐振腔，即由箭头46指示的方向。优选地在谐振腔30内使用至少一个衰减器50来控制谐振腔中的损耗。因为在一个特定的激光波长，在激光谐振腔30内的往返损耗等于往返增益，衰减器50也有效地控制总的谐振腔增益。衰减器50有利地可以是可变的(即有可变损耗)，或者它的损耗可以是依赖于波长的以产生需要的增益分布(例如使增益分布平坦化)，或者它可以既是可变的又是依赖于波长的。例如，通过在增益分布中引入非均匀损耗元件，有可能补偿谐振腔30内其它的非均匀损耗光谱，并产生基本上平坦的增益光谱。同样，依赖于波长的衰减器50可能位于谐振腔30的外面，而不是在谐振腔内部，或者是除了谐振腔内部的衰减器50之外的。可变衰减器的几种模型是可商用的，例如由Johanson公司，Boonton，N.J.制造的那些(如模型#2504F7B50C)。衰减器50可包括一种依赖于波长的损耗元件，例如光诱导光纤光栅(例如，见A.M.Vengsarkar等，“Long-Period Fiber-Grating-Based GainEqualizers，”(基于长周期光纤光栅的增益均衡器)Opt.Lett.，vol.21，pp.336-338，March 1996)或者机械光纤光栅。
输入光信号54经过一个光隔离器58和一个如光耦合器61(例如在信号和激光波长处具有10％耦合(或90％传输)的第一耦合器进入光谐振腔30，以便使输入信号以与掺铒激光发射方向相反的方向传播，即输入信号54沿箭头66指示的方向传播。经过增益介质20和分色耦合器38之后，光信号在穿过位于端口63的如光耦合器62(例如又一个10％耦合器)的第二耦合器以及之后的、其中光信号被指定为输出光信号74的第二隔离器70而从谐振腔30逸出。因为环形激光发射以与放大的信号54的相反的方向循环，所以环形激光信号不在耦合器62输出而在此耦合器的另一端口输出，即端口64。这样图3A的该实施例允许输出光信号74干净地从掺铒光纤的激光发射中分开。
耦合器61、62优选地在信号波长上有尽可能小的耦合比以减小给予输入信号54的损耗。这意味着向0％耦合器的极限移动。例如，使用1％耦合器，在耦合器61的输入信号54(以及在耦合器62的分出信号74)经历的耦合“损耗”将会很低(1％)，这很好。同样，耦合“损耗”对环形激光信号将会很高(99％)，这也很好，因为高的腔损耗是需要的(为了获得一个高的EDFA增益)。因此，耦合器61和62可用来调节环路损耗并因此调节信号所经历的增益(虽然耦合器的耦合比与信号经历的净增益之间的关系需要谨慎地模拟)。因此，利用可变衰减器50的一个选择是使用任一个或两个耦合器的耦合比来改变增益水平。
参考图3A，耦合器61的耦合比越低，由耦合器61给予输入信号54的损耗就越低。类似地，耦合器62的耦合比越低，由耦合器62给予放大信号的损耗就越低。因此，耦合器61和62的耦合比越低，当信号穿过图3A的放大器时信号经历的损耗就越低，并且因此信号看得见的净增益就越高(或者相反，达到一个特定净增益要求的泵浦功率就越低)。前述观点中，对一个给定要求的净增益，降低两个耦合比是有利的。降低耦合比的一种方法是降低回路中其它元件的损耗，特别是衰减器50和隔离器42。(此外，分色耦合器38的损耗应尽可能低。这有三个好处：降低分色耦合器38中的泵浦功率损耗；降低分色耦合器38中的信号功率损耗量；以及对耦合器61和62可以选择较低的耦合比)。例如，如果要求20分贝的钳位增益，一种可能的配置是具有2分贝背景(不依赖于波长的)损耗而依赖于波长的衰减器50以及耦合器61和62中的每一个均有12.6％(9分贝的传输)的耦合比，即总的环路损耗为2×9+2＝20分贝(假设所有其它环路元件损耗可忽略)。一种优选的解决办法是利用具有0dB背景(不依赖于波长的)损耗而依赖于波长的衰减器50以及耦合器61和62中的每一个均有10％(或者10分贝的传输)的耦合比，即总的环路损耗2×10+0＝20分贝(假设所有其它环路元件损耗可忽略)。在前种情况中，两个耦合器61和62中的每一个均给予信号12.6％的损耗。在第二种情况中，两个耦合器61和62中的每一个均给予信号10％的损耗，比第一种情况相应要小2分贝的往返信号损耗。
作为选择，耦合器61和62中的一个(或两个)可用另外的耦合器件如光循环器来替代。这显示在图3B中，它类似于图3A，除了耦合器61和62已经由光循环器81和82来替代之外，输入和输出隔离器58和70已经去掉。在此实施例中，输入信号54在输入循环器81中不经历分离损耗，并且输出信号74在输出循环器82中不经历分离损耗。其好处是信号损耗较低，因此对放大器20有较低的增益要求(并因此要求较低的泵浦功率)。另一方面，不同于耦合器61和62，循环器81和82不能提供所需的高谐振腔损耗(在高增益放大器的情况中)--为了这个目的必须使用可变衰减器50。当前商用的循环器显示出一小的内部损耗，大约或刚好在1分贝以下。但是，这种损耗没有基本的极限，可以期望在未来循环器设计中能降低它。
注意光循环器81(以及光循环器82)是一种三端口装置，其以一种众所周知的方式来工作，基本上使得通过端口84进入的所有光在下一相邻端口外被耦合，即端口83。光循环器是单向性装置，这意味着光在循环器中只在一个方向上循环(即图3B中逆时针)。因此，从谐振腔环路返回并进入循环器81端口83的光通过循环器81的第三个端口85进行耦合，而不从循环器81的端口84逸出。因此循环器81作为一个隔离器工作以阻止从端口84进入环形谐振腔的光直接传播到端口85。E-TEK Dynamics，Inc.，1885 Luncy Avenue，San Jose，California 95131的一个有代表性的光循环器已经可用了。
如图3B所示的实施例的另一个优点是不再需要图3A中的输入和输出隔离器58和70。其原因是环内的隔离器42与循环器81和82一起工作来担当隔离器。至于涉及到的输出隔离器，任何从(隔离器81的)输出口83回来进入输出循环器82的不需要的光将被引向隔离器42，在那里它未曾进入掺铒光纤放大器20就被有效地损耗掉。因此，放大器20与来自输出口83的任何反馈隔离开。至于输入隔离，没有光从环路出来进入(隔离器81的)输入口84。其原因是任何来自掺铒光纤20朝着输入循环器81的反向信号(特别是信号的寄生反射和掺铒光纤产生的ASE信号)将进入输入隔离器，它将导引它们进入环路。因此，此反向信号根本不进入输入口84。这不是图3A实施例的情况，在那里输入耦合器61导引90％的寄生信号进入耦合器61的输入口88，这就是为什么该实施例需要一个输入隔离器58。注意，如果需要提供比循环器81、82和隔离器42更好的隔离，图3B实施例中仍然可用输入和输入隔离器。另外一种情况，仅可使用循环器中的一个。例如，在图3B的信号输出侧，循环器82可用如图3B中信号输出侧所示的耦合器62/隔离器70装置来代替。
输入信号54的波长优选地选择在增益介质20的增益分布范围内，它对掺铒光纤而言是宽的并且优选地至少5纳米(nm)宽。当泵浦功率足够高以至增益超过损耗时，谐振腔30有效地在整个增益分布中钳位增益，因此当所有输入信号穿过掺铒光纤20时都经历相等的增益。结果是输入信号54被均匀放大。图3A和3B的实施例还提供在一个宽的泵浦功率范围(即在泵浦功率阈值和来自泵浦源的最高可用泵浦功率之间的一个范围)上产生对泵浦功率变化不敏感的增益的优点。
这个不敏感的原因是如果环形激光30泵浦到高出阈值相对多，增益从它的小信号值被循环环形激光发射大大地消耗了。如果泵浦功率是从它的额定值增加，如同关于图2C和2D的较早解释，增益将保持钳位在相同值，但是增益宽度将增加(假设对这个额定泵浦功率增益带宽还没有达到它的最佳值)。如果泵浦功率从它的额定值减小，增益将再次保持钳位在相同值(假定泵浦功率不降到阈值之下)，而增益带宽也将减小。从而，(1)假定泵浦功率不降到阈值之下，增益值不受泵浦功率变化的影响，并且(2)增益带宽不依赖于泵浦功率。但是，通过确保对泵浦功率的最低期望值，增益带宽大于混合输入信号占有的光谱带宽，增益带宽将总是足够宽并且所有输入信号54将经历相同的增益而不依赖于泵浦功率的变化。
类似地，图3A和3B的实施例提供的优点是产生在一些信号功率范围上对输入信号54功率不敏感以及在一些输入信号数目变化范围上对输入信号数目变化不敏感的增益。这种表现可解释如下。如果保持输入信号54的数目不变但增加一些或所有输入信号的功率，掺铒光纤的粒子数反转将保持不变，因此增益保持不变。激光器通过降低环形激光功率来实现这些。但是，如果泵浦功率足够高，激光将连续发射激光，尽管在一个较窄的线宽上。因此，增益将保持钳位于它的初始值，尽管增益带宽将减小。如前面的段落解释的，这个增益带宽的减小是无关紧要的，假定在它的最小可能值带宽仍然足够宽可以为所有输入信号54提供平坦的增益。如果输入信号54的数目改变而单个信号功率保持不变时，可以得到类似的论点。例如，如果一个或多个输入信号变弱，增益将保持钳位在相同值，而增益线宽将增加(再次假设它已不在它的最大可能值)。
这种对泵浦功率、信号功率和输入信号54的数目不敏感在光通信系统中特别重要。例如，在用户数量波动时或者在光信号的光源中的一个发生意外故障的事件中，传播通过放大器的输入信号的数目如本发明中所描述的可随时变化。类似地，输入信号功率和泵浦功率也可随时变化，例如，当提供给它们的光源出现老化或故障时。
虽然可以使用多波长泵浦，但宽带泵浦预计能产生更好的结果。用于掺铒光纤20的一个宽带泵浦源是超荧光光纤源(SFS)，它由在980纳米附近泵浦的掺镱光纤制造，它可在0.97-1.04微米范围内产生数十毫瓦的超荧光发射。(例如，见D.C.Hanna，I.R.Perry，P.J.Suni，J.E.Townsend，和A.C.Tropper，“Efficientsuperfluorescent emission at 974 nm and 1040 nm from anYb-doped fiber，”(掺镱光纤在974纳米和1040纳米的有效超荧光发射)Opt.Comm.，vol.72，nos.3-4，pp.230-234，July 1989.)这些光纤的光谱输出部分依赖于它们的长度，长光纤有助于发射长波长。一种短光纤(0.5米)在974纳米上产生具有2纳米带宽的发射，而长光纤(5米)在1040纳米产生具有19纳米带宽的发射(见D.C.Hanna等，上面引用的)。这样一种SFS在它的短波长范围可用来宽带-泵浦掺铒光纤(假设当SFS足够长可在980纳米工作，它的线宽足够宽)。SFS也可用它的长波范围来进行宽带-泵浦掺铒/镱光纤(其典型地在0.98-1.064微米范围上泵浦)。
本发明的另一个实施例涉及掺铒光纤20的芯体的成分。增加芯体共掺质种类数来创造更多种的铒离子可以留驻的物理位置。因为每一个位置均导致铒离子一个细微不同的Stark分裂。当共掺质种类增加时，铒离子的非均匀展宽将增加。通常，改变共掺质的网状组织(Network)的数目越大，可期望的增益的非均匀性就越大。这个原理适用于任何激光离子(不仅仅是Er3+)和光纤基质(不仅仅是二氧化硅或氟化物玻璃)。
优选地引入光纤20芯体的共掺质是所谓的网状组织改良剂，它趋向于提高玻璃基质中稀土离子的溶度。至少部分作为网状组织改良剂的共掺质包括，但不限于：钾、钙、钠、锂、和铝。作为系数改良剂公知的共掺质如锗(Ge)一般不提高稀土离子的溶度，但可将其引入光纤来控制例如光纤的折射率。但是锗趋向于增加掺铒二氧化硅基光纤的增益的非均匀线宽(见上面引用的V.L.da Silva等)。
通过在吸收分布的尾部泵浦，非均匀增益展宽的提高已经用图4给出的光纤环形激光100进行了说明。激光100包含一个3米长的掺铒光纤104、两个WDM光纤耦合器108和110和一个光隔离器112用于迫使激光振荡在单方向上。光纤环形激光100用两个工作在980纳米的泵浦激光二极管116和118来进行泵浦。激光二极管116和118经由各自的第一和第二WDM光纤耦合器108和110耦合进环形激光100中。第二个WDM偶合器110也用来从环形激光器100中提取激光信号。放置在环形激光100输出端第三个WDM偶合器120用来将未被吸收的980纳米泵浦从环形激光100的激光信号中分开，这些激光信号在从约1530纳米到约1570纳米的范围内。这些两种信号中每一个的光谱可在光谱分析仪130上独立观测到。
图5给出在两种不同泵浦条件下测得的环形激光100的输出光谱。当环形激光100只用一个激光二极管在978纳米进行泵浦时，即接近掺铒光纤4I15/2→4I11/2吸收跃迁的中心，环形激光输出显示出一个中心大约为4560.8纳米的相对窄的光谱(十分之几个纳米)。另一方面，当环形激光100用两个激光二极管，一个在974纳米而另一个在985纳米进行泵浦时，环形激光的光谱显著地变得更宽，扩大到从约1561纳米至1563纳米。其它实验表明可以达到14纳米或更宽的带宽。虽然掺铒光纤的增益光谱还没有用任何一个泵浦装置来测量，但是图5的结果显示，在掺铒光纤吸收带尾部泵浦掺铒光纤比仅在吸收中心泵浦可产生更宽的光纤发射，大概是由于在尾部泵浦情形中更大数目的Er3+子集的同时激发。除了如在此公开的泵浦980纳米吸收带的尾部之外，通过泵浦1480纳米吸收带的尾部也可以观察到非均匀展宽。
在不偏离本发明的精神或基本特征的情况下可以以其它特定形式实施本发明。所描述的实施例被认为在所有方面仅仅是作为说明而不是限制性的。因此本发明的范围是通过所附权利要求而不是前面的描述来表明。在权利要求的含义和等价范围之内所做的所有改变将包含在这个范围之内。
Claims (35)
1.一种光放大器，包括：
一个光谐振腔，其用于产生钳位增益，所述谐振腔包括具有吸收分布和增益分布的增益介质，其中增益分布至少部分表现非均匀展宽特征；以及
一个光泵浦源，其用于在所述增益介质的吸收跃迁的尾部的至少一个波长上泵浦所述增益介质，以利用非均匀展宽来使增益平坦化。
2.根据权利要求1的放大器，其中整个增益分布上的增益基本上不变。
3.根据权利要求1的放大器，其中所述光泵浦源泵浦吸收跃迁的长波长侧。
4.根据权利要求1的放大器，其中所述光泵浦源泵浦吸收跃迁的短波长尾部。
5.根据权利要求1的放大器，其中所述光泵浦源泵浦吸收跃迁的短波长尾部和长波长尾部。
6.根据权利要求1的放大器，其中所述增益介质包括掺杂光纤。
7.根据权利要求1的放大器，其中所述增益介质包括铒，所述铒作为激光离子。
8.根据权利要求1的放大器，其中所述光泵浦源有一个宽带输出。
9.根据权利要求1的放大器，其中所述光泵浦源在至少一个分立波长上有输出。
10.根据权利要求1的放大器，其中所述谐振腔是一个环形谐振腔。
11.根据权利要求10的放大器，其中所述环形谐振腔包括一个光隔离器用于限制激光振荡于一个单方向上。
12.根据权利要求11的放大器，其中所述光放大器的输入信号沿激光振荡的方向的反方向传播。
13.根据权利要求1的放大器，还包括一个依赖于波长的损耗元件，用于补偿非均匀损耗分布以产生需要的增益分布。
14.根据权利要求1的放大器，其中所述光泵浦源是一种超荧光光纤源。
15.根据权利要求14的放大器，其中所述超荧光光纤源包括镱作为激光离子。
16.根据权利要求1的放大器，其中所述增益介质包括至少一种共掺质，用于提高所述增益介质的非均匀性。
17.根据权利要求16的放大器，其中所述共掺质包括网状组织改良剂。
18.根据权利要求16的放大器，其中所述共掺质包括选自由钾、钙、钠、锂、铝和锗组成的组中至少一种元素。
19.根据权利要求1的放大器，其中所述增益介质在至少5纳米的光谱区上提供平坦的、宽的增益。
20.根据权利要求1的放大器，还包括一个可变衰减器，用于控制损耗水平以在所述增益介质中产生需要的增益水平。
21.根据权利要求1的放大器，还包括一个光源，用于产生不同波长输入信号。
22.根据权利要求21的放大器，其中该输入信号与来自所述增益介质的激光振荡是相反方向传播的。
23.根据权利要求1的放大器，还包括耦合装置，用于将信号耦合进和出所述光谐振腔。
24.根据权利要求23的放大器，其中所述耦合装置包括至少一个光耦合器。
25.根据权利要求23的放大器，其中所述耦合装置包括至少一个光循环器。
26.一种光放大器，包括：
一个光谐振腔，其用于产生钳位增益，所述谐振腔包括一具有吸收分布和增益分布的增益介质，其中增益分布至少部分是以非均匀展宽为特征的；
一个光泵浦源，其用于在所述增益介质吸收跃迁的尾部泵浦所述增益介质，以利用非均匀展宽来改变增益；以及
一个依赖于波长的损耗元件，其用于调节损耗以产生需要的增益分布。
27.根据权利要求26的放大器，其中所述光谐振腔包括所述依赖于波长的损耗元件。
28.根据权利要求26的放大器，其中所述依赖于波长的损耗元件调节谐振腔的损耗以产生基本上平坦的增益。
29.一种方法，其用于产生具有基本上平坦增益的光放大器，包括：
将一个泵浦信号引入具有吸收分布和增益分布的增益介质中，该增益介质驻留在谐振腔中，所述增益分布至少部分是以非均匀展宽为特征的，泵浦信号的光谱输出选择为泵浦吸收分布的尾部以利用增益介质的非均匀展宽；
将多个不同波长的光信号注入增益介质以放大这些光信号，其中诸光信号的各个波长均在增益介质的增益分布范围内；
利用增益介质中的受激发射在一个包括这些光信号波长的光谱区上将增益介质的增益钳位；以及
从增益介质中引出被放大的光信号。
30.根据权利要求29的方法，还包括给增益介质添加共掺质以提高增益分布的非均匀展宽。
31.根据权利要求29的方法，还包括通过改变谐振腔中的损耗来控制增益。
32.根据权利要求29的方法，包括限制激光振荡使其沿着注入的光信号传播方向的相反方向。
33.根据权利要求29的方法，其中增益介质包括掺杂光纤。
34.根据权利要求29的方法，还包括通过调节谐振腔中依赖于波长的损耗元件来控制增益的平坦性。
35.根据权利要求29的方法，其中受激发射包括激光发射。
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