CN1457538A - 通过双腔增益控制对掺饵光纤放大器进行增益控制和整形 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光放大器系统，该系统用多个激光腔控制掺铒光纤放大器(EDFA)的增益。尤其，本发明涉及一种光放大器，它包括诸如掺铒光纤等能够为在其中传播的光信号提供增益的增益介质。该增益介质还为多个以各个波长同时振荡的激光腔(比例，第一和第二激光腔)提供增益。本发明的光放大器减小了作为输入信号功率之函数、波长之函数以及时间之函数的增益谱变化。通过改变一个或多个激光腔的光衰减，可以改变增益介质在相应个别波长处的增益谱，这便控制了增益介质之增益谱的形状。

Description

通过双腔增益控制对掺铒光纤放大器 进行增益控制和整形
发明领域
本发明涉及一种光放大器系统，该系统用多个激光腔控制掺铒光纤放大器(EDFA)的增益。尤其，本发明涉及一种光放大器，它包括诸如掺铒光纤等能够为其中传播的光信号提供增益的增益介质。增益介质还可以为多个在个别波长(例如，第一和第二波长)上同时振荡的激光腔(例如第一和第二激腔)提供增益。本发明的光放大器减小了作为输入信号功率之函数、波长之函数以及时间之函数的增益谱变化。通过改变一个或多个个别激光腔中的光衰减，可以改变增益介质在相应波长处的增益谱，从而控制增益介质之增益谱的形状。
发明背景
密集的波分复用(DWDM)光学网络已被广泛公认为是下一代大容量传输系统的选择。这类系统的成功运行将需要诸如掺铒光纤放大器(EDFA)等能够为光信号提供均匀和稳定增益的光放大器。这些需求已经引导各种技术用于设计具有这些特征的放大器。由于EDFA固有的增益分布曲线不均匀，所以曾经用两种方法在信号带上获得平坦的增益谱。第一种方法是，改变增益介质，以减小固有的增益波纹。这种情况的一个例子是，开发掺铒氟化物光纤放大器(EDFFA)，该放大器的增益波纹小于掺铒石英光纤放大器(EDSFA)的增益波纹。第二种方法是用外部器件校正增益分布曲线。这些器件可以是有源的或者无源的。目前大多数用于增益谱整形的器件是无源滤光器，它们将增益谱裁剪成平顶形状。
另外，未来的波分复用光学网络将需要这样的掺铒光纤放大器，即无论总输入信号功率如何(例如，存在许多信道)，放大器都能提供恒定的增益。目前，已提出若干技术，它们可以在光放大器中提供相对良好的自动增益控制。一般地说，这些技术可以分成两个不同的组：第一组进行电自动增益控制(EAGC)，第二组进行光自动增益控制(OAGC)。OAGC是在环波(ring wave)或驻波结构中形成单个激光腔。尽管它成功了，但信号带的非均匀性使得信号功率改变时(例如，出现信道添加/去除)会产生相对较大的增益变化(达1dB)。这些不希望有的增益变化会在通信网络中造成严重的系统损失。
另外，在波分复用网络中，当去除(或添加)一个波长时，增益谱会发生时间(或驰张)振荡。增益谱的这些振荡将进一步引起残存波长的振幅发生驰张振荡。这类驰张振荡是光通信系统中不希望有的。
鉴于以上叙述，本发明的一个目的是提供一种光放大器，该光放大器可以减小增益谱响应信号输入功率变化而产生的变化。尤其，本发明的一个目的是提供一种光放大器，在该光放大器中，当添加或去除信道时，无论总输入信号功率如何变化，增益都相对恒定。
本发明的另一个目的是，提供一种光放大器系统，该系统减小了作为波长函数和时间函数的增益谱变化，从而提高光信号带上增益的均匀性和稳定性。
本发明的另一个目的是，提供一种光放大器，在该光放大器中，可以控制光信号带中增益谱的形状。
发明概要
依照本发明的一个说明性实施例，光放大器包括诸如掺铒光纤等能够为其中传播的光信号提供光增益的增益介质。抽运激光器与增益介质耦连。
增益介质为与其耦连的第一和第二激光腔提供增益。激光腔可以是环形腔或线形腔。以下描述环形腔。第一腔包括在第一光波长透射的第一滤光器，以及第一可变光衰减器。第二腔包括在第二光波长透射的第二滤光器，以及第二可变光衰减器。第一激光腔以第一光波长振荡，第二激光腔同时以第二光波长振荡。第一和第二波长都处于增益介质的信号带中。在本例中，第一光衰减器在第一光波长处补偿增益介质的增益，第二光衰减器在第二光波长处补偿增益介质的增益。第一和第二同时振荡的激光腔减小了增益介质的增益变化，其中所述增益变化是输入信号功率的函数(例如，当添加或去除信道时)，波长的函数(即，跨越信号波长带)，以及时间的函数(即，当在多个波长系统中去除一个波长时，减小残存波长的驰张振荡)。
在另一个实施例中，附加激光腔以信号带中的附加波长振荡。附加激光腔与增益介质耦连。
操作本发明的光放大器，以在信号波长带上控制增益介质之增益谱的形状。本方法包括下述步骤：即改变一个或多个与增益介质耦连的激光腔中的可变光衰减器。进而，这会通过光谱的非均匀性，改变增益介质在相应波长和邻近波长处的增益。
附图概述
图1示意地示出了依照本发明一说明性实施例的光放大器。
图2是一曲线图，示出了本发明光放大器中作为抽运电流之函数的放大器增益。
图3是一曲线图，示出了本发明光放大器中作为波长之函数的增益变化(ΔG)。
图4和图5是曲线图，它们分别示出了当改变本发明光放大器中一特定激光腔的光衰减器时，增益在相应波长处的变化。
图6是一曲线图，示出了依照本发明一说明性实施例的、作为时间函数的功率曲线，该曲线显示出驰张振荡的减小。
图7示意地示出了本发明利用环形腔和波长可选择的3端口滤光器的双腔实施方案。
图8示意地示出了使用线形腔和光纤布拉格光栅的双腔实施方案。
本发明的详细描述
图1示出了一个本发明光放大器的实施例。图1的光放大器10包括一增益介质，采用一卷掺铒光纤(EDF)12的形式，用于为其中传播的光信号提供增益。举例地说，所述光纤是掺铒氟化物光纤(EDFF)或者掺铒石英光纤(EDSF)。输入隔离器14与掺铒光纤12的输入端115耦连。输出隔离器16与掺铒光纤12的输出端117耦连。抽运激光器18通过波分复用器(WDM)19与光纤12耦连。举例地说，光纤12是长度为14米的硅酸铝掺铒光纤。信号带为1528nm至1565nm。抽运激光器18在最大功率140mW处的波长为976nm。
需要放大的光信号在输入端15进入放大器10，经放大的光信号在输出端17输出放大器10。
掺铒光纤增益介质12为第一和第二环形激光腔30和50提供增益。环形激光腔30包括3dB耦合器32、掺铒光纤12、3dB耦合器34、相对粗略的波长可选择多路复用器(WSM)36、第一可变光衰减器(VOA1)38、第一波长可选择的滤光器40和WSM 42。
类似地，环形激光腔50包括3dB耦合器32、掺铒光纤12、3dB耦合器34、WSM 36、第二可变光衰减器(VOA2)52、第二波长可选择的滤光器54和WSM42。
3dB耦合器32和34为环形激光腔30和50提供反馈。光纤12形式的增益介质为两个环形激光腔30和50提供光增益。
WSM器件36和42将两个腔分离，使得腔30在蓝带(1520nm-1530nm)内振荡，腔50在红带(1520nm-1535nm)内振荡。窄带波光器40和54的峰值分别位于λ1＝1530nm和λ2＝1565nm处，用于防止跳模并保持每个腔的稳定性。放大器工作时不要求精确的波长。两个激光腔30和50同时振荡。实现方法是，通过调节VOA1和VOA2来调节每个腔30和50的环行增益，使得环行损耗能够在每个波长上补偿放大器的增益。
以下描述一实验，说明本发明光放大器如何减小作为信号输入功率之函数的增益变化。结合图2可以理解本实验，该图画出了对于单激光腔系统(实线表示)和双激光腔系统(实圆点表示)，增益与抽运电流的关系。在单激光腔的方案中(在本例中，是蓝激光腔)，完全均匀的增益介质不顾信号功率而要求固定某特定波长处的增益，只要提供足够的抽运功率将激光器保持在阈值以上。但是，在具有单激光腔的实际EDFA中，增益谱的不均匀性会产生如图2中实线所示的“软”阈值；换句话说，即使激光器在阈值以上，特定波长处的增益还依赖于信号功率。在图2中，信号波长为1550nm，四条实曲线分别对应于信号功率-17.75dBm、-12.67dBm、-10.69dBm和-7.71dBm。个别信道增益对信号功率的依赖关系致使增益谱具有观察得到的可变性。在最大抽运电流的情况下，信号增益在上述输入功率范围内的变化达0.9dB。但是，当向系统添加第二激光腔(红激光器)时，如图2实圆点所示，大大降低了增益谱对信号功率的灵敏度。当两个激光器都振荡时，信号增益只改变0.4dB。事实上，由于增益钳位斜率明显变化，造成单腔和双腔增益控制下增益变化的差在较高抽运功率处变大。
已经用8波长增益测量技术更细致地研究了放大器增益谱的可变性。利用信号带中的8个波长以及接通和切断个别信道的能力，模拟了信道的添加和去除。在每个信道负载的条件下测量残存信道的增益，我们获得了关于增益可变性的精确估计。图3示出了结果，它画出了增益变化(ΔG)与波长的关系。每条信道的输入功率大约为-16dBm(总共，-7dBm)。实方块针对单腔的情况(蓝激光器)。在信号带上，可变性的范围从最小值0.5dB至最大值0.7dB。双腔的情况用实圆点表示。很明显，在整个带上，增益的可变性被大大地减小，达到0.15dB。
以下定性说明为什么本发明的双腔光放大器可以有效减小增益的可变性。当在单腔情况下添加或去除信道时，激光功率发生变化，以适应输入功率的变化。当然，存在一个由激光器燃烧的光谱孔；但是，该激光波长处的增益不会因激光器功率的增大而降低，该激光波长周围的波长处的增益会增大。当通过一独立腔加入附加激光波长时，增益会被锁定在增益谱的附加波长上。由于在掺铒石英系统中观察到的光谱孔一般较宽，特别是在红带中，所以增加第二激光信号会在较宽的光谱区上对增益钳位。
在上述实验中，本发明光放大器使用了两个激光腔。这里，我们使用II型掺铒石英光纤，平均粒子数反转为0.69，总增益大约为16dB，而增益波纹为8dB左右。首先通过将蓝激光器设置成刚好低于其激光阈值，取得一参考增益谱。然后，固定VOA2，测量在不同VOA1设置下的增益谱。图4示出了在三种VOA1设置下测量得到的增益谱与参考增益谱之间的差。当VOA1降低时，即使增加蓝激光器功率，λ1处(在本例中，＝1532nm)的光谱孔还是变得更深，从而明显影响了蓝带中的增益谱。如该图中的插图所示，可以用Lorentzian线形拟合光谱孔的分布曲线。由于激光器所燃烧的光谱孔具有有限宽度(FWHM＜7nm)，所以增益谱在蓝带中的变化最明显。在本例子中，变化达2.5dB。但是，增益谱在红带中的变化小得多(＜0.5dB)。这在图5可以明显看出，图5示出了在三个不同波长处作为VOA1之函数的增益变化。在红激光器的激光阈值以上，当蓝激光器大于阈值时，1531nm处的增益随VOA1线性降低。但是，1545nm和1559nm处的增益变化要缓慢得多，直到红激光器下降到阈值以下。
已证明，当增益介质是EDSF时，通过调节控制激光器的增益，本发明的光放大器具有增益谱整形能力。期望当增益介质是EDSFA或者独立地当增益介质EDFF时，此项技术还可以结合无源滤光元件一起使用，使增益谱平坦化。使用EDFF的理由是：1)掺铒氟化物光纤比掺铒石英光纤具有更宽的光谱孔；以及2)不使用增益平坦器件也能获得更小的增益波纹(例如参见J.W.Sulhoff等人于1997在IEEE光子技术通讯第9期，第1578-1579页上发表的论文)。因此，在EDFFA中，激光器产生的光谱孔分布曲线更容易与增益分布曲线匹配，从而获得平坦的增益谱。
另一实验说明，本发明的光放大器减小了掺铒光纤增益谱的时间变化。在本实验中，我们可以启动或停止一个选定的腔，以便估计输入改变时放大器的性能。残存信道的瞬态响应依赖于以下因素。第一，它依赖于信道位置的放置和控制激光器的波长：λ1、λ2(控制波长)、λM(添加/去除信道)、λs(残存信道)。其次，它依赖于所有当前信道和控制激光器的功率电平。最后，它依赖于放大器的设计(圈数和无源损耗等)。功率电平和放大器设计将主要影响改变量和频率值。信道的放置以及控制激光器的位置将大大影响瞬态形状，具体地说，将大大影响稳态变化和驰张振荡的相对比。
为了说明一般结果，我们选择控制激光波长λ1＝1532nm，λ2＝1560nm。放大器的输入是λM＝1545nm以及λS＝1550nm。我们用fM＝1kHz调制功率，模拟添加和去除λM。为了观察添加/去除对单个放大器的最大影响，将残存信道功率设置在0dBm，并将添加/去除信道设置在1dBm。
详细研究三种情况，比较单腔和双腔OAGC的性能。即，放大器处于下述三种工作条件：具有工作于λ1的单个控制激光器、具有工作于λ2单个控制激光器，以及具有工作于λ1和λ2的双控制激光器。仔细调节每个腔(VOA1和VOA2)的环行损耗，适当平衡两个控制激光器之间的功率，从而实现对双腔控制激光器的操作。双腔激光模式的范围由每个激光波长处光谱孔的深度以及由泵提供的或由信号损耗的光子数来确定。在以下结合图6所述的实验中，所示的数据是在双腔控制激光器经优化平衡的情况下获得的。
图6示出了当调制λM信道时，残存信道λS的输出瞬态。图6(d)示出了调制模式，它对应于以反复率为1kHz完全切断和接通λM信道的情况。切断发生在区域I，接通发生在区域II。很明显，双控制激光器对瞬态的控制最贴切。当只使用红控制激光器(图6(a))时，控制激光器的驰张振荡优势控制着残存信道的瞬态响应。去除信道时(区域I)的振荡频率和阻尼时间都大于添加时的振荡频率和阻尼时间(区域II)，因为前者的激光功率较小。当只使用蓝控制激光器(图6(b))时，由光谱孔燃烧引起的增益倾斜产生一较小的变化，该变化优势控制了残存信道的瞬态响应。这导致当去除信道时输出功率的稳态增加，并且其振幅超过了驰张振荡产生的变化。当利用双腔光增益控制(图6(c))时，我们看到振荡振幅明显减小(减小到1/2)、振荡阻尼常数明显减小(减小到1/2)，并减小了稳态偏差(减小到1/4)。
图7示出了本发明光放大器的另一个实施例。与图1的放大器10相比，图7的放大器10′省略了3dB耦合器32和34、WSM器件36和42、以及可调谐的两端口滤光器54和40。作为替代，在图7中，使用波长可选择的三端口滤光器91、92、93和94。因此，图7的光放大器10′包括EDF 12形式的增益介质，用于为其中传播的光信号提供增益。输入隔离器14与EDF 12的输入端115耦连。输出隔离器16与掺铒光纤12的输出端117耦连。抽运激光器18通过WDM 19与EDF 12耦合。需要放大的光信号在输入端15进入放大器10′，经放大的光信号在输出端17输出放大器10′。
放大器10′包括两个环形激光腔30′和50′。腔30′包括波长可选择的三端口滤光器91、EDF 12、波长可选择的三端口滤光器94以及VOA1。波长可选择的滤光器91和94选择诸如1530nm等第一波长。调节VOA1，以补偿EDF 12在该波长处的增益。腔50′包括波长可选择的三端口滤光器92、EDF 12、波长可选择的三端口滤光器93以及VOA2。波长可选择的滤光器92和93选择诸如1565nm等第二波长。调节VOA2，以补偿EDF 12在该波长处的增益。
图7的三端口波长可选择滤光器的损耗小于图1中3dB耦合器的损耗。此方案的损耗减小可以改善输出功率和噪声系数性能。
图8示出了本发明的另一个实施例。在此实施例中，用两个线形激光腔控制增益谱。图8的特定光放大器100包括EDF 12形式的增益介质。抽运激光器18通过WDM 19与EDF 12耦连。输入和输出隔离器14和16放置在EDF 12的两侧。需要放大的光信号在输入端15进入放大器100，经放大的信号在输出端17输出。FBG(光纤布拉格光栅)201和FBG 203确定了以λ1振荡的第一线形腔。FBG(光纤布拉格光栅)202和FBG 204确定了以λ2振荡的第二线形腔。
通过改变FBG在放大器输入侧的反射率，控制个别腔的环行损耗。换句话说，FBG在每个线形腔的反射率遵守以下表达式：
                        RiRo＝1/GRT，
其中Ri和Ro是输入和输出FBG反射率，而GRT是放大器的环行增益。假设输出FBG是高反射器，那么令Ro＝1，等式变成：
                        Ri＝1/GRT
所描述的线形腔系统在放大器的输入端和输出端产生非常小的附加损耗。结果，该系统具有出色的输出功率和噪声系数性能。(例如，参见G.Luo，J.L.Zyskind，J.A.Nagel和N.A.Ali于1998年4月在Lightware技术杂志第16卷，第4期的文章G.Luo，J.L.Zyskind，Y.Sun，A.K.Srirastava，J.W.Sulhoff，C.Wolf，M.A.Ali于1997年10月在IEEE光子技术通讯第9卷，第10期，第1346页上的文章；在1991年3月28日电子通讯第27卷，第7期，第560页上的文章)。
在放大器链路中，使用依照本发明实施例的多腔光学增益控制放大器也是有利的。已经发现，随着所通过的放大器数目的增加，残存信道在放大器端部的瞬态增益误差也会增加。多腔OAGC技术对瞬态性能的控制比单腔OAGC技术更贴切。我们认为，除了与信号添加/去除相关的抽运功率损耗之外，控制激光器的光谱烧孔和驰张振荡也会影响单腔OAGC在WDM光学网络中的应用能力。由此产生的性能恶化将导致剩余的瞬态和稳态功率漂移，而此漂移是沿EDFA级联不断累积的，会导致系统位差错率的损失。
最后要说明，以上描述的本发明实施例只是说明性的。本领域的熟练技术人员不脱离后附权利要求书的范围，可以进行导出各种其它的实施例。

Claims (22)

1.一种光放大器，其特征在于，包括：
增益介质，用于为其中传播的光信号提供增益，和
第一和第二激光腔，所述增益介质将增益提供给所述激光腔，所述第一和第二激光腔以第一和第二光波长同时振荡。
2.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述第一和第二同时振荡的激光腔减小所述增益介质之增益谱的变化。
3.如权利要求2所述的光放大器，其特征在于，
所述第一激光腔包括在所述第一波长透射的第一窄带滤光器，以及第一光衰减器，和
所述第二激光腔包括在所述第二波长透射的第二窄带滤光器，以及第二光衰减器。
4.如权利要求3所述的光放大器，其特征在于，所述第一衰减器在所述第一波长处补偿所述增益介质的增益，所述第二衰减器在所述第二波长处补偿所述增益介质的增益。
5.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述增益介质是掺铒光纤。
6.如权利要求5所述的光放大器，其特征在于，所述第一波长是1530nm，而所述第二波长是1565nm。
7.如权利要求2所述的光放大器，其特征在于，当对所述光信号添加或去除信道时，所述第一和第二同时振荡的激光腔减小所述增益谱的变化。
8.如权利要求2所述的光放大器，其特征在于，所述第一和第二同时振荡的激光腔减小作为波长函数和时间函数的所述增益谱的变化。
9.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述激光腔是环形腔。
10.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述激光腔是线形腔。
11.一种光放大器，其特征在于，包括：
增益介质，它采用掺铒光纤的形式，用于为其中传播的光信号提供增益，
抽运激光器，它与所述光纤耦连，和
第一和第二激光腔，所述光纤将增益提供给所述激光腔，所述第一腔包括在第一光波长透射的第一滤光器和第一光衰减器，所述第二腔包括在第二光波长透射的第二滤光器和第二光衰减器。
12.如权利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述第一激光腔以所述第一光波长振荡，和
第二激光腔以所述第二光波长同时振荡。
13.如权利要求11所述的光放大器，其特征在于，
所述第一光衰减器提供足够的衰减量，以补偿所述光纤在所述第一光波长处的所述增益，和
所述第二光衰减器提供足够的衰减量，以补偿所述光纤在所述第二光波长处的所述增益。
14.如权利要求11所述的光放大器，其特征在于，
所述第一和第二激光腔减少了所述增益介质之增益谱的变化。
15.如权利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述第一光衰减器是可变的衰减器，所述第二光衰减器是可变的衰减器。
16.如权利要求11所述的光放大器，其特征在于，所述第一波长1530nm，所述第二波长1560nm。
17.一种光放大器，其特征在于，包括：
增益介质，它在第一和第二光波长处提供光增益，
第一激光腔，所述增益介质在所述第一波长处为第一激光腔提供增益，
第二激光腔，所述增益介质在所述第二波长处为第二激光腔提供增益，
所述第一激光腔包括在所述第一波长透射的第一滤光器，以及第一可变光衰减器，
所述第二激光腔包括在所述第二波长透射的第二滤光器，以及第二可变光衰减器，
通过改变所述第一可变光衰减器，可以改变所述第一波长处的所述光增益。
18.如权利要求17所述的放大器，其特征在于，所述第二光衰减器是一种可变光衰减器，并且通过改变所述第二可变光衰减器可以改变所述第二波长处的所述光增益。
19.如权利要求17所述的放大器，其特征在于，所述增益介质是掺铒光滤光器。
20.如权利要求17所述的放大器，其特征在于，所述第一腔以所述第一波长振荡，所述第二腔以所述第二波长同时振荡。
21.一种用于控制光增益介质在一选定波长处增益的方法，其中所述增益介质在多个波长处提供光增益，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
改变多个激光腔中某选定腔的可变光衰减器，其中所述增益介质为多个激光腔提供增益，每个所述激光腔在所述多个波长中的一个波长处振荡。
22.一种用于控制光增益介质之增益谱形状的方法，其中所述增益介质在一个信号波长带上提供光增益，其特征在于，所述方法包括以下步骤：改变多个激光腔中一个或多个腔的可变光衰减器，所述增益介质为多个激光腔提供增益，每个所述激光腔在所述波长带中的一个特定波长振荡，并且包括一个在该特定波长透射的滤光器，以及一个可变光衰减器。
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