CN1425211A - 光放大器中的境益饱和调谐 - Google Patents

Abstract

一种用于控制掺铒光放大器在L－波段增益谱的形状和大小的方法。在一个方面，包括在L－波段中用饱和信号来饱和该放大器增益。本方法的另一方面，包括通过控制增益媒质的温度来饱和该放大器增益。通过在980nm和/或1480nm泵频带泵激该放大器，来调节在不同反转程度的增益谱。

Description

光放大器中的增益饱和调谐

发明领域

本发明涉及光发大器。尤其是，本发明涉及通过控制放大器的工作条件，在延长的或较长的增益谱波长区控制光放大器的增益特性。

发明背景

以可预测和有效的方式影响光谱增益形状的能力在光放大器的设计和控制中非常有用，特别是，掺铒光纤放大器。使光的长途通信信号在扩展的光谱带宽中传输也是非常希望得到的。在掺铒放大器中，通常称之为C-波段的常用增益带宽，约从1520nm延长到约1560nm，从而为光传输信号提供了约为40nm的带宽，但是，该铒C-波段具有固有的限制。它们在整个C-波段上包括有限的带宽如非均匀的增益，而这正是表征了典型放大器系统的特性。这些问题的讨论可在Cereo等人的09/343.661号美国专利申请(下文称之为“Cereo申请”)中找到，该申请在1999年6月29日提出，题目为“Thermal Tuning ofOptical Amplifiers and Use of Same in Wavelength Division MultiplesSystems”，作为参考在此全文引入。要增加掺铒放大器可用的传输信号带宽的一个方法是利用从约1565nm到约1620nm的光谱区，这个区通常称之为铒的延长带或L-波段(下文称之为L-波段)。

关于掺铒光发大器长期存在的一个信念是放大器的增益在特性上是基本均匀的，并可通过，例如，C.R.Giles等人所著“Modeling Erbium-Doped FiberAmplifiers，”(Journal of Lightwave Technology，vol.9，pp.271-283(1993))和“Optical Amplifiers Transform Long Distance LightwaveTelecommunication”，(Proc.IEEE，vol.84，pp.870-883(1996))的均匀模型来描述。这个假设的本质是放大器增益是通过激活粒子(例如，在掺铒光纤放大器中的铒离子)的平均反转来决定的，与产生那个平均反转的特定的信号波长、信号功率、泵波长、和泵功率无关。换句话说，均匀扩展的假设意思是如果在任何波长的增益是通过某个方法使其稳定到一特定值，那未，在另一波长的增益是同样地稳定的(增益的稳定值在不同的波长是不同的)。用这个假设，对于一给定的平均反转，计算出放大器的增益谱。

尽管均匀增益模型能足以描述通常称之为“红频段”的从约1540nm到约1560nm的波长区，但是，发现这个模型在从约1525nm延长到约1545nm的“兰频段”并不能起到很好的作用。这已在由Bennett等人的09/01684号美国专利申请(下文称之为“Bennett申请”)中作了详细讨论，该申请在1998年1月30日提出，题目为“Pump Wavelength Tuning of Optical Amplifiers andUse of Same in Wavelength Division Multiplex Systems，”作为参考在此全文引入。兰频段显示出实质的不均匀性能。例如，当至少一个信号是在这个波段中时，增益谱不再通过应用到所有激活物质的单一平均反转来描述。在C-波段通过众所周知的光谱孔燃烧现象来显示非均匀增益饱和，其中，一个狭频带宽下落发生在增益谱的饱和波长处。并且，在铒的C-波段也已经观察到称之为“热摆动”(“Thermal Wiggle“)的由温度感应的增益饱和现象。这已在上面作为参考的Cereo申请中描述。在L-波段操作环境中的光谱孔燃烧和热摆动的表示形式和在C-波段中的表现形式有很大的不同。因此，需要有一个方法来控制由于在非均匀扩展中观察到的L-波段增益谱。

在波分复用(WDM)传输系统中的增益倾斜(gain tilt)，也是-件令人关心的事。在一般的条件下，光放大器的增益谱G(λ)是种种变量的函数，包括信号波长λ1一直到λn的输入功率(信号波长本身会在各种应用之间变化，从而影响其增益谱)、泵功率和泵波长、光纤的平均反转(它本身是输入功率和泵功率，还有光纤长度的函数)、放大媒质的温度和各种其它变量。增益倾斜是用在本技术中描述在不同工作条件下，放大器将把不同信道放大到不同的有关程度这个事实的术语。虽然，在工作条件中，可以考虑各种变化，但是，当在一个或更多个信号波长的信号功率电平变化时发生的是特别重要的变化。举例来说，在所有信号波长的信号功率将随在沿着一传输线的放大器之间的距离变化而变化，例如，功率将随距离增加而下降。

对于一个两信道系统的最简单例子，可把工作条件01和工作条件02之间的增益倾斜(GT)写成：

GT01→02(λ1，λ2)＝ΔG01→02(λ1)/ΔG01→02(λ2)

此处ΔG01→02(λ1)和ΔG01→02(λ2)分别是从工作条件01到工作条件02时在λ1和λ2处的增益变化，而增益倾斜的单位为dB/dB。

增益倾斜为1.0的意思是在λ1和λ2增益变化是相同的，因此如果对于工作条件01，信号在λ1和λ2时，放大器的增益谱基本上是平坦的话(就是说，基本上没有纹波)，那未对于工作条件02来说其增益谱亦将基本上是平坦的。

然而，在实践中，增益倾斜不等于1.0。反之，在工作条件中的变化导致对相对于其它波长(例如，较长波长)的某些波长(例如，较短波长)的增益有所增加。就是说，作为在工作条件中变化的结果，G(λ)对λ的关系曲线图显示出已有过一次不是在顺时针方向(如果在较短波长处的增益相对于在较长波长处的增益是增加的)，就是在逆时针方向(如果在较长波长处的增益相对于在较短波长处的增益是增加的)的转动(一次“倾斜”)。因此，得名为“增益倾斜”。除了转动以外，作为在工作条件中变化的结果，G(λ)对λ的关系曲线图能够沿着纵轴有一个净的向上或向下的移动。在特定的波长处也有局部变化发生，从而影响波纹。

当那些条件变化，由于对一组特定的工作条件设计成使信道的输出功率均衡的任何无源系统象很能可能不提供均衡，所以，随着在工作条件变化的增益谱转动是WDM系统中的一个问题。

因此，在L-波段中，存在着控制这个增益倾斜现象的需要。

发明内容

本发明的一个实施例，提供了用于在1565nm以上光谱区中放大信号的掺铒光放大器的操作方法。这方法包括通过非均匀地饱和放大器增益来控制光放大器增益谱形状的步骤。它可包括把增益饱和信号放置在光谱区中已选定波长处的步骤，或把单一增益饱和信号放置在光谱区中已选定的单一波长处的步骤。在另一方面，本发明可能还包括通过在约980nm或约1480nm的泵频带泵激放大器，在一特定的饱和波长处来改变非均匀增益饱和(NGS)的步骤。

在本发明的又一个方面，在980nm频带的泵激可导致在较短波长区中对饱和信号降低NGS，而相对于在1480nm频带的泵激则在较长波长区中对饱和信号增加NGS。

本发明的又一个方面是以操作长频带掺铒光放大器的方法为目的。该光放大器包括用于放大器的L-波段增益谱所关联的从约1565nm到约1620nm的L-波段光谱区中放大信号的增益媒质。这方法可包括通过以使放大器增益饱和的方式控制至少增益媒质一部分的温度负号来控制增益谱形状的步骤。控制温度可包括从约-10到约80摄氏度的范围内改变增益媒质温度的步骤。

本发明可以应用到具有掺稀土的、非均匀扩展的增益媒质的任何光放大器上，在这放大器中，放大是由诸如掺铒光纤放大器的受激发射产生的。

应用根据本发明的方法的光放大器中，较佳的是光纤放大器。该放大器可以在平面型放大器和最适宜于现有的制造和组装技术的其它型放大器中任选一种。根据本发明的方法也可应用到单级和/或多级光放大器、混合放大器，增益媒质合成物可以取玻璃和/或玻璃陶瓷的形式，和包括硅酸盐、硼酸盐以及诸如此类的合成物，以及ZBLAN及其变种。

附图简述

图1是用于为本发明的实施例收集实施数据的光学装置的原理图；

图2a是展示增益对波长的关系曲线图，用于三个单一波长信道和一个在高反转用1480nm频带泵激的第四组合信道；

图2b是展示增益对波长的关系曲线图图，用于三个单一波长信道和一个在低反转用1480nm频带泵激的第四组合信道；

图3a是展示增益对波长的关系曲线图，用于三个单一波长信道和一个在高反转用980nm泵频带泵激的第四组合信道；

图3b是展示增益对波长的关系曲线图，用于三个不同单一波长信道和一个在低反转用980nm频带泵激的第四组合信道；

图4是用于为本发明的另一实施例收集实施数据的光学装置的原理图；

图5a是展示当在1480nm泵激时，对高反转和低反转在各种温度下温度所引发的增益饱和生成的增益对波长的关系曲线图；

图5b是展示当在980nm泵激时，对高反转和低反转在各种温度下温度所引发的增益饱和造成的增益对波长的关系曲线图。

结合在并构成本说明书一部分的前面的附图，用图示说明了本发明较佳实施例，并与描述一起，用来说明本发明的原理。要知道，附图和描述对本发明都仅是解释性的，而不是限制性的。

较佳实施例的详细描述

本发明涉及在L-波段工作的光放大器增益谱的控制。其中控制方法与增益媒质的非均匀增益饱和有关。通过在这里所描述的方法，在一组所想要的信号波长和功率可把增益谱的形状调节到实现所想要的放大电平。

在前面和随后的讨论中，下列情况下用到下列术语：词组“放大器增益谱的形状”是在它最概括的意义上使用的，并意图覆盖增益对波长关系图的任何和所有的方面，没有局限地包括曲线图的总方向(倾斜)、曲线图的平均增益以及在特定波长的增益值，术语“放大媒质或其中一部分的平均反转”意思是激活粒子的一部分，例如，铒原子，这激活粒子处在这样一个状态，从这个状态在信号频带中可以激发发射；而术语“饱和”则在它最概括的意义上描述放大器的工作规范，尤其是当放大器的增益小于可获得的最大增益时。此外，虽然饱和按常规来说不是与输入信号功率的变化有关系就是与泵功率/泵波长的变化有关系。但是，词组“温度引起的增益饱和”(TIGS)在这里指的是通过增益媒质的温度控制来非均匀的饱和增益。最后，由N2来指定反转，术语“较高平均反转”被定义为N2＞0.41，而低平均反转被定义为N2≤0.41。

本发明可供种种光放大器设计之用。放大器包括至少一种放大媒质和至少一个泵，且可能任选的包括其它元件诸如增益平坦滤光器、ASE抑制元件，和其它的元件。较佳的放大媒质是掺稀土的材料。诸如，象掺铒玻璃。放大媒质较佳的是把它构成波导，诸如光波导光纤。泵较佳的是半导体激光器或工作在980nm频带或1480nm频带的光纤激光器。根据设计和性能的考虑，也可实现同时在980nm和1480nm或其它合适的频带的泵激。

在本领域中熟练的技术人员将会认识到本发明并不限于掺铒的平面型或光纤型放大器。本发明也可应用到其它掺稀土光放大器，这些放大器象在掺铒增益媒质的情况一样是通过非均匀增益扩展来表示它的特征的。

I.非均匀增益饱和(NGS)

图1展示用于为非均匀增益饱和的试验收集数据的实验装置100。在三个独立波长提供增益饱和信号的激光器和第四个激光器提供组合增益饱和信号的一排四个激光器组合105通过多路复用器114耦合到可变光衰减器(VOA)116。也把小信号探针激光器110耦合到不同的VOA112，并通过多路复用器114耦合到VOA116。从VOA116输出的信号通过2×2的耦合器传输，为了监测目的在两个方向提供了5％的分流。1480nm频带泵光120通过WDM122引入线路，而980nm频带泵光124则同样地通过WDM126引入。长度为75米的掺铒光纤130包含在传输线路中并提供L-波段增益。-3dB耦合器132把从光纤130的输出分开，并把一部分光传导至功率计134，而一部分至光谱分析器136。

用小信号探针，在1565nm和1600nm之间测量增益光谱。把在1570、1578、和1596nm的三个不同的单一饱和信号和包括在波长为1570、1578、1586和1596nm的信号光的组合饱和信号用于观察在放大器增益谱上的效应。三个饱和波长被选来分别代表L-波段的较短、中间和较长波长区域。在所有的情况下，在试图固定平均反转中把增益保持固定在1565nm。如果增益媒质显示出完全均匀的特性，那未在任何波长固定增益将保证恒定的增益谱，不管系统测量误差，与饱和信号位置无关。在图2a和图2b观察到的光谱的增益变化(当增益保持固定在1565nm)建立了增益媒质的非均匀特性。

图2a示出的曲线是对上面提到的三个单一信号的每一个和组合信号的增益与波长的关系曲线图。曲线12是对λ_信号＝1570nm的曲线图。曲线14是对λ_信号＝1578nm的曲线图。曲线16是对λ_信号＝1596nm的曲线图。曲线18是对组合λ信号＝1570nm、1578nm、1586nm和1596nm的曲线图。在1480nm泵频带泵激放大器光纤(示于图1)，为简单起见，在此用λp＝1480nm表示。示于图2a的增益谱是放大器高反转值的代表。在下文，对于按照本发明的L-波段放大器操作，反转由N2来表示，定义为N2＞0.41，而低反转则定义为N2≤0.41。曲线12，14，16，18说明如何通过把单一饱和信号定位在不同的波长处来改变L一波段放大器的增益谱。曲线18是对组合信号的曲线图，代表了最均匀的增益谱并提供了参考谱。

除了示于图2b的增益谱是放大器的低反转值的代表之外，图2b的示出了与图2a一样的对三个单一信号中的每一个和组合信号的增益与波长的关系曲线图。曲线12a、14a、16a和18a是分别对在λ_信号等于1570nm、1578nm、1596nm、1596nm处的信号和组合信号曲线图。

图3a和3b示出了对在980nm频带(λp＝980nm)泵激的NGS特性。在图3a中的曲线12b、14b、16b和18b分别是在高反转对在λ_信号等于1570nm、1578nm、1596nm、1596nm处的信号和组合信号的曲线图，而在图3b中12c，14c，16c和18c分别是在低反转对1570nm、1578nm、1596nm、1596nm和组合信号的曲线图。这些图说明了在横跨整个L-波段谱，增益可有多至2dB的变化。与1480nm泵激频带相比，在980nm频带的泵激导致在1570nm和1578nm处的NGS减小，并在1596nm处的NGS增加。已熟知这个现象在C-波段的体现，即光谱孔燃烧。C-波段光谱孔燃烧的特征在于其光谱增益下降区清晰，一般为2nm到4nm宽，在较短波长处它倾向于变得较深和较狭。然而，在L-波段中显示的“宽带”增益下降区显然较宽，从而为光谱增益控制提供了一个有用的工具。

相信独特的L-波段NGS特性直接与反向传输的放大自发发射(ASE)功率有关。L-波段铒增益系数比C-波段增益系数在大小上小一个数量级。因为这一点，L-波段放大器需要稍微长一点的铒线圈长度，一般≥50m。增益系数值的差异引起ASE功率显著的反向。相对于饱和信号，在决定放大器的工作点上，这反向的ASE功率起了主要的作用，这和C-波段谱孔燃烧形成对比，在这里饱和信号单独决定放大器的工作点。

可用在L-波段内定位饱和(或“伪”)信号而引起的宽带NGS，以可预测的方式来改变放大器增益谱。而且，通过使用980nm或1480nm泵频带，在L-波段内的不同点加强或消除NGS的影响。

II.温引起的增益饱和(TIGS)

图4说明了用于收集实验数据来研究受温度引起的增益饱和的装置200。用多路复用器214通过VOA2 16把一组11只信号激光器205耦合到2×2的耦合器218。耦合器218具有为监测目的的输出抽头。从耦合器218输出的信号通过WDM222与1480nM频带的泵光220组合，而通过WDM226与980nm频带的泵光224组合。为改变和控制增益媒质的温度，把长度为75米的掺铒光纤230安装在热室228内。把这输出输入进3dB的偶合器232，在这里把部分光发送到功率计234去，部分光则发送到光的光谱分析器236去。装置200的所有元件在市场上都可供应。

图5a和5b展示了在几个温度时的增益与波长的关系曲线图。这些图说明了在放大器增益谱上铒线圈温度控制的影响。在这个例子中，采用11只CWL-波段可调谐激光器来测量增益。

参阅图5a，标号为32，34和36的曲线分别代表对高反转的铒线圈温度为-10/25和80摄氏度的增益谱，而标号为38、40和42的曲线图分别代表对低反转的铒线圈温度为摄氏-10、25和80摄氏度的增益谱。在图5a和5b中的所有曲线都是对1480nm泵频带的。图5b示出了对在980nm泵频带、泵激的数据。曲线32a、34a和36a分别代表对高反转而言线圈温度为-10、25和80摄氏度的增益谱。曲线38a、40a和42a分别代表对低反转而言线圈温度为-10、25和80摄氏度的增益谱。

已观察到的信号增益对温度的依存关系，L-波段的特性与已观察到的C-波段的特性有区别。在C-波段中，假设放大器是饱和的，则已知平均增益与温度是无关的。这意味着在C-波段，总的输出功率与温度是无关的。对L-波段的实验结果说明了即使放大器是饱和的，在温度从摄氏-10度变为80度时，其平均增益可调节多至4dB，从而总输出功率也这样。相信这明显的特征是由在L-波段铒线圈产生的大量反向ASE引起的。温度影响了反向ASE的积累，因此即使不改变已吸收的泵功率，输出功率也能变化。

上述温度依存关系的现象使得TIGS成为在高反转控制增益，而在低反转则控制总输出功率的有用工具。因此，TIGS可用来对泵波长和功率漂移进行补偿，或补偿由于元件劣化引起的无源损耗的增加。温度引起的增益变化(高反转时)在形状和大小上与如图2a和2b所示对NGS所观察到的那些非常相似。因此，可以使用温度引起的增益饱和来补偿由不完全信道负载而引起的NGS。换一种说法，可以使用(通过施加“伪”饱和信号)NGS来对铒线圈温度变化作出补偿。

在本发明的一个实施例中，一种操作掺铒光放大器的方法包括在L-波段中，非均匀地饱和该放大器的增益来控制增益谱的形状，这个放大器用于放大该放大器L-波段增益谱所关联的从约1565nm到约1620nm的L-波段光谱区的信号。本发明的一个方面，这个方法可以通过把至少一个增益饱和的信号放在L-波段中的一个已选好的波长位置上来较好地实现。借助泵激放大器用的泵波长频带使本发明的L-波段中非均匀增益饱和效应稳定。最好利用980nm泵频带和1480nm泵频带来增加或减少在一特定饱和波长上的非均匀增益饱和；然而，也可以利用其它泵频带。

在本发明的另一个方面，非均匀的饱和该放大器的增益来控制增益谱的增益形状的步骤包括控制至少一部分增益媒质的温度以非均匀地饱和该放大器的增益。较佳的是，把增益媒质的温度控制到约-10℃到80℃之间。

在本发明的另一实施例中，一种操作L一波段光大器的方法包括在增益媒质中温度引发增益饱和对温度所致非均匀增益饱和以外的非均匀增益饱和所造成的光谱增益变化进行补偿。

在本发明的又一实施例中，一种操作L-波段光放大器的方法包括用饱和信号非均匀地增益饱和该放大器增益媒质对由于增益媒质的温度变化引起的光谱增益变化进行补偿。

对在本领域中的普通技术人员来说，从在此的揭示的内容显然可作不背离本发明的保护范围和精神的修改。下面所申请的权利与要求试图覆盖在此宣布的具体实施例和这样的修改、变化和相同的技术。

Claims (8)

1.一种用于放大1565nm以上光谱区中信号的掺铒光放大器的操作方法，其特征在于，包括通过非均匀地饱和该放大器的增益来控制光放大器增益谱的形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括把一增益饱和信号定位在光谱区中一个已选定的波长处的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括把单一的增益饱和信号定位在光谱区中单一的已选定的波长处的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括通过在约980nm的泵频带泵激放大器来改变在特定的饱和波长处的非均匀增益饱和(NGS)的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括通过在约1480nm的泵频带泵激放大器来改变在特定的饱和波长处的非均匀增益饱和(NGS)的步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于相对于在1480nm频带的泵激，在980nm频带的泵激导致在较短波长区中饱和信号NGS的减小，并且在较长波长区中的饱和信号NGS的增加。

7.一种用于放大放大器L-波段增益谱所关联从约1565nm到约1620nm的在L-波段光谱区的信号的长波段掺铒放大器的操作方法，所述放大器包括增益媒质，其特征在于包括控制至少所述增益媒质的一部分温度来饱和放大器的增益，以控制光放大器的增益谱的形状。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于温度控制包括在约-10到约80摄氏度范围改变增益媒质的温度。

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