CN1763620A

CN1763620A - 一种多功能光放大器

Info

Publication number: CN1763620A
Application number: CN 200510021778
Authority: CN
Inventors: 邱琪; 廖云; 朱灿
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CN1327286C

Abstract

一种多功能光放大器，属于光通信技术领域，它特别涉及光纤传输系统的光放大技术。它由光耦合器、光开关、光放大器模块和控制器组成；所述光放大器模块由N个具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围的光放大器并列组成；所述控制器由光功率检测电路、光开关控制电路和光放大器控制电路组成。本发明的实质是通过光功率检测电路控制光开关来选择满足不同光信号要求的光放大器，同时通过控制器控制光放大器的增益及参数，最终实现对不同类型、不同大小光信号进行放大的需求；与同类的光放大器相比，具有前放、线放和功放等功能集于一身的特点，且动态范围大、功能多样化、适应多种应用的需求。

Description

一种多功能光放大器

技术领域

一种多功能光放大器，属于光通信技术领域，它特别涉及光纤传输系统的光放大技术。

背景技术

进入21世纪后，光纤通信技术全面迅速地发展，并应用到各个领域。人们正在着眼于研究下一代光纤通信系统的关键技术，使得光纤网络既有高速宽带的干线，又有超长的传输距离。密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength Divided Multiplex)光传输技术和光放大技术是被公认的宽带传输技术和光中继(放大)技术。

光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。光放大器的基本原理如图1所示，选用适当的光放大介质(如掺铒光纤、普通光纤、半导体增益介质等)，采用与之对应的泵浦方法(光功率泵浦或注入电流泵浦)，即可实现对输入光信号的放大。在光放大技术中目前成熟的技术类型有：掺杂光纤放大器(其中有代表性的为掺铒光纤放大器，EDFA)；非线性光纤放大器(其中有代表性的为拉曼光纤放大器，RFA)；半导体光放大器(SOA)。

对于掺杂光纤放大器，图1所示的光放大介质实际上就是含有掺杂物质的光纤，不同的控制信号控制泵浦源发出不同强度的泵浦光信号，从而实现对放大器增益的控制。掺杂光放大器的放大过程实际上是这样的：掺杂粒子在未受任何光激励的情况下，处在最低能级，当泵浦光射入，掺杂粒子吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁，由于泵浦光不断输入，粒子数不断增加，从而实现了粒子数反转，当输入光信号通过这段掺杂光纤时，掺杂粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生和入射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中光子的数量，即实现了信号光在掺杂光纤放大器的传输过程中不断被放大的功能，从掺杂放大器的放大过程我们可以清楚的看到，改变泵浦光的能量，则输入到掺杂光纤中的光子数目也发生改变，从而使得输入光信号通过掺杂光纤时，掺杂粒子辐射会产生不同数目的光子，相应的光放大器的增益也得到了改变。

对于非线形光纤放大器，图1所示的光放大介质实际上是普通光纤，不同的控制信号控制泵浦源发出不同强度的泵浦光信号，从而实现对放大器增益的控制。对于非线形光纤放大器，当泵浦光和信号光在光纤中同时传输时，泵浦光的能量通过非线形效应转移给信号光(对于拉曼光纤放大器，入射泵浦光子通过非弹性散射向信号光转移能量，对于布里渊光纤放大器，入射泵浦光子通过受激喇曼散射向信号光转移能量)，使信号光得到放大。控制信号通过改变控制电压大小来控制泵浦光的强度，使得相应的泵浦光子数目也得到改变，从而使得向信号光转移的能量也发生改变，这样就实现了对放大器增益的控制。

对于半导体光放大器，图1所示的光放大介质实际上是具有不同掺杂层的半导体介质，泵浦源实际上是一个电压电流转换器，不同幅度的控制信号经过泵浦源后转换成不同大小的电流信号。电流信号注入到半导体光放大器的激活区，使得导带电子数目不断增加，从而实现了粒子数反转，当信号光经过半导体放大器时，信号光子击中导带中的受激电子，这样就会产生一个新的光子，相应的光信号的能量增加，即实现了光放大过程。改变注入电流的大小，受激电子数目也发生改变，能够被辐射出的受激光子也发生改变，从而实现了对光放大器增益的控制。

在光网络应用中，光放大器按功能又可以分为：光前置放大器(简称前放，主要特点为低噪声、低输入光功率)；光线路放大器(简称线放，主要特点为高增益、适中的输入光功率)；光功率放大器(简称功放，主要特点为高输入光功率和高饱和输出光功率)。光前置放大器，一般放置在接收端光电探测器的前面，在光电探测器进行光电转换之前先对从传输光纤中来的小功率光信号进行放大，由于它不会将光电探测器及其后面电子放大器的热噪声引入，因此，可以提高光纤传输系统接收端的信噪比和灵敏度；光线路放大器，一般放置在传输光纤的中间，在光信号传输路途上对光信号进行放大，其增益较大，利用它可以取代传统的光电光中继器，从而实现全光中继的光纤通信；光功率放大器，一般放置在发射端光源之后，对输出光信号功率进行功率放大，利用这类功率放大器，可以提高发射端实际进入光纤传输(或分配)系统的光功率，提高了传输距离或覆盖面积，减轻了对光源输出功率要求高的压力。在光纤传输系统中，光信号的幅度往往相差较大，如果将这些信号都输入到一个固定类型的光放大器中，虽然这些放大器的增益可以通过调节泵浦源来进行改变，但是其调节范围有限，而且一个固定类型的光放大器很难满足不同输入光信号对光放大器的增益、噪声、饱和输出光功率等指标的要求。因此，在具体应用中人们将根据光纤传输系统的要求选取不同的光放大器类型，以及相应的功能。

本发明将致力于研究一种多功能光放大器，它可以根据输入信号光功率的不同选择不同的放大器，适应光信号对光放大器的增益、噪声、饱和输出功率等指标的要求。这样，一台多功能放大器就可以同时兼顾上述光放大器的类型和相关功能，使光放大器在光网络应用更加方便快捷和归一化。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能光放大器，与同类的光放大器相比，具有前放、线放和功放等功能集于一身的特点，且动态范围大、功能多样化、能适应多种应用的需求。

本发明提供的一种多功能光放大器，如图2所示，其特征在于，它由光耦合器1、1×N光开关2、光放大器模块3、N×1光开关4、光耦合器5、控制器6组成；所述光放大器模块3由N个具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围的光放大器并列组成，每个放大器由相应的泵浦源和光放大介质连接而成；所述控制器6由输入光功率检测电路7、光开关控制电路8、光放大器控制电路9、光开关控制电路10、输出光功率检测电路11组成；输入的光信号通过光耦合器1分成两路，一路经1×N光开关2输入到光放大器模块3的光输入端，另一路连接到输入光功率检测电路7的光输入端，输入光功率检测电路7输出的电信号分成三路，一路输入到光开关控制电路8的输入端，另外一路输入到光放大器控制电路9的一个输入端，还有一路输入到光开关控制电路10的输入端；光开关控制电路8输出的控制信号输入到1×N光开关2的控制信号输入端，光开关控制电路10输出的控制信号输入到N×1光开关4的控制信号输入端；光放大器模块3放大的输出光信号经过N×1光开关4输入光耦合器5，光耦合器5将光信号分成两路，一路直接输出，另外一路输入到输出光功率检测电路11的光输入端，输出光功率检测电路11输出的电信号输入到光放大器控制电路9的另一个输入端，光放大器控制电路9分别输出N个控制信号到相应光放大器的控制信号输入端。

所述的光耦合器1、5可以是光纤熔锥耦合器、微光学元件耦合器等各类光耦合器。

所述的1×N光开关2或N×1光开关4可以是MEMS光开关、波导光开关、机械光开关、电光光开关等各类光开关。

一般1×N光开关都由1×2光开关(或1×3光开关)级联组成，特别是采用1×2光开关具有控制简单的优势，如图3所示1×8光开关由3级7个1×2光开关组成，其工作原理为：开关控制电路欲选择第③个端口，只需使与光开关相连接的三条数据线输出“101”，使相应的1×2光开关分支导通即可(对于1×2光开关上面的分支导通代表“1”，下面的分支导通代表“0”)，如图3所示，“111”对应第①个端口，同理，欲选择第⑧个端口，开关控制电路只需向与1×2光开关相连接的三条数据线发送“000”，使相应的1×2光开关分支导通即可，以此类推，可知1×N光开关的构成与控制，以上为成熟技术不再赘述；再者N×1光开关4与1×N光开关原理相同，输入输出光路正好相反，不再赘述。

所述的光放大器模块3可以由多个不同类型和不同功能的光放大器组成，类型可以是掺杂光纤放大器(其中有代表性的为掺铒光纤放大器，EDFA)、非线性光纤放大器(其中有代表性的为拉曼光纤放大器，RFA)和半导体光放大器(SOA)；功能可以是光前置放大器(简称前放，主要特点为低噪声、低输入光功率)、光线路放大器(简称线放，主要特点为高增益)；光功率放大器(简称功放，主要特点为高输出光功率)。每一个光放大器具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围；并由光放大器控制电路9分别实施控制。

本发明的实质是：本发明提供的多功能光放大器，通过输入输出光检测电路检测输入输出光信号的光功率，然后控制输入输出光开关，选择满足光信号要求的光放大器模块，同时通过控制器控制光放大器的增益及参数，能够实现对不同类型、不同大小光信号进行放大；与同类的光放大器相比，具有前放、线放和功放等功能集于一身的特点，且动态范围大、功能多样化、适应多种应用的需求。

本发明的工作原理是：

输入的光信号通过光耦合器1分成两路，一路连接到1×N光开关2的输入端，另一路连接到输入光功率检测电路7，输入光功率检测电路检测到输入光信号的大小，输出电信号；这个信号分成三路，一路输入到光开关控制电路8，另外一路输入到光放大器控制电路9的一个输入端，还有一路输入到光开关控制电路10；光开关控制电路8、10根据输入光信号功率的大小，来控制1×N光开关和N×1光开关，使其根据不同的光信号功率选择不同的光放大器；经光放大器模块3放大的输出光信号后经过N×1光开关4输入到光耦合器5，光耦合器5将光信号分成两路，一路直接输出，另外一路输入到输出光功率检测电路11，输出光功率检测电路将其检测到的电信号输入到光放大器控制电路的另一个输入端，光放大器控制电路根据输入和输出光功率检测电路得到信号幅度的差值来改变所选择的光放大器的输入泵浦光的强度或者注入电流的大小，从而控制所选光放大器的增益和其它参数。

利用本发明提供的多功能光放大器，与同类光放大器对比具有以下优点：

1、同时兼顾多种功能光放大器的功能，如光前置放大器、光线路放大放器和光功率放大器等功能集于一身；

2、同时兼顾多种类型光放大器的功能，如半导体光放大器、掺铒光纤放大放器和拉曼光纤放大器等功能集于一身；

3、具有大的输入输出光信号功率动态范围和增益动态范围。

附图说明

图1是光放大器基本原理图。

图2是本发明多功能光放大器结构框图。

其中1-光耦合器，2-1×N光开关，3-光放大器模块，4-N×1光开关，5-光耦合器，6-控制器，7-输入光功率检测电路，8-光开关控制电路，9-光放大器控制电路，10-光开关控制电路，11-输出光功率检测电路。

图3是1×8光开关原理图。

其中21～27为1×2光开关，28为控制电路。

图4是本发明的一种具体实施方式的结构框图。

其中1-光纤耦合器，2-1×3光开关，3-光放大器模块，4-3×1光开关，5-光纤耦合器，6-控制器，7-输入光功率检测电路，8-光开关控制电路，9-光放大器控制电路，10-光开关控制电路，11-输出光功率检测电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图4是本发明的一种具体实施方式，其中1为光纤耦合器，2为1×3光开关，3为光放大器模块，4为3×1光开关，5为光纤耦合器，6为控制器，7为输入光功率检测电路，8为光开关控制电路，9为光放大器控制电路，10为光开关控制电路，11为输出光功率检测电路。

所述的1×3光开关2由2级3个1×2MEMS光开关组成(如图3所示)，其工作原理如图3所示：对于1×3光开关，开关控制电路欲选择A端口，只需使与21、22光开关相连接的两条数据线输出“11”，使相应的1×2光开关上面分支导通即可，即“11”对应A端口，欲选择B端口，开关控制电路只需向与21、22相连接的两条数据线分别发送“10”，使光开关21的上面分支导通，光开关22的下面分支导通，欲选择C端口，控制电路只需向与21、23相连接的两条数据线分别发送“01”，使光开关21的下面分支导通，光开关22的上面分支导通即可；3×1光开关4与1×3光开关原理相同，输入输出光路正好相反，不再赘述。

所述的光放大器模块3由3个独立的掺铒光纤放大器组成，每一个掺铒光纤光放大器具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围；分别具有前置放大器、光线路放大器和光功率放大器的功能；并由光放大器控制电路9分别实施控制。

本发明的具体实施方式的连接关系如下：

输入的光信号通过一个光纤耦合器1分成两路(分光比为5∶95)；其中95％的一路连接到1×3光开关2，另一路5％的光信号连接到输入光功率检测电路7的光输入端；输入光功率检测电路7的输出端分别连接到光开关控制电路8的输入端、光放大器控制电路9的一个输入端和光开关控制电路10的输入端，光放大器控制电路9的另一个输入端为输出光功率检测电路11的输出端；光开关控制电路8的输出端连接到光开关2的控制端，光放大器控制电路10的输出端分别连接到光放大器模块3的光前置放大器、光线路放大放器和光功率放大器的控制端，光开关控制电路10的输出端连接到光开关4的控制端；光开关2的3个输出端分别与光放大器模块3的光前置放大器、光线路放大放器和光功率放大器的输入端连接；光放大器模块3的输出端分别与光开关4的输入端连接；光开关4的输出端与光纤耦合器5连接；光纤耦合器5将光信号分成两路(分光比为5∶95)；一路95％的光信号直接输出，另一路5％的光信号连接到输出光功率检测电路11；

本发明的具体实施例的工作原理如下：

输入的光信号通过输入光纤耦合器分成两路，一路连接到1×3光开关的输入端，另一路连接到控制器的输入光功率检测电路，输入光功率检测电路检测到输入光信号的大小，输出电信号；这个信号分成三路，一路输入到前端的光开关控制电路，一路输入到光放大器控制电路的一个输入端，另外一路输入到后端的光开关控制电路；光开关控制电路根据输入光信号的大小，来控制1×3光开关和3×1光开关，使其根据不同的光功率选择不同的光放大器；光放大器输出的光信号后经过3×1光开关输入到输出光纤耦合器，光纤耦合器将光信号分成两路，一路直接输出，另外一路输入到输出光功率检测电路的一端，输出光功率检测电路将其检测到的电信号输入到光放大器控制电路的一个输入端，光放大器控制电路根据输入和输出光功率检测电路得到信号幅度的差值来改变所选择的光放大器的输入泵浦光的强度或者注入电流的大小，从而控制所选光放大器的增益和其它参数。

需要说明的是：上述实施例中的光纤耦合器、光开关、光放大器模块(光前置放大器、光线路放大放器和光功率放大器)均为成熟的部件，这样就可以大大降低研发成本，得到前放、线放和功放等功能集于一身，且动态范围大、功能多样化、适应多种应用的要求光放大器。

本发明实施例提供的光放大器，集光前置放大器、光线路放大放器和光功率放大器等功能于一身，它可以根据输入光信号功率的不同选择不同的光放大器。最小放大光功率优于-30dBm，最大放大光功率优于10dBm，动态范围优于40dB。它可以广泛用于光通信和光纤通信系统中的光信号放大。

Claims

1、一种多功能光放大器，其特征在于，它由光耦合器(1)、1×N光开关(2)、光放大器模块(3)、N×1光开关(4)、光耦合器(5)、控制器(6)组成；所述光放大器模块(3)由N个具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围的光放大器并列组成，每个放大器由相应的泵浦源和光放大介质连接而成；所述控制器(6)由输入光功率检测电路(7)、光开关控制电路(8)、光放大器控制电路(9)、光开关控制电路(10)、输出光功率检测电路(11)组成；输入的光信号通过光耦合器(1)分成两路，一路经1×N光开关(2)输入到光放大器模块(3)的光输入端，另一路连接到输入光功率检测电路(7)的光输入端，输入光功率检测电路探(7)输出的电信号分成三路，一路输入到光开关控制电路(8)的输入端，另外一路输入到光放大器控制电路(9)的一个输入端，还有一路输入到光开关控制电路(10)的输入端；光开关控制电路(8)输出的控制信号输入到1×N光开关(2)的控制信号输入端，光开关控制电路(10)输出的控制信号输入到N×1光开关(4)的控制信号输入端；光放大器模块(3)放大的输出光信号经过N×1光开关(4)输入光耦合器(5)，光耦合器(5)将光信号分成两路，一路直接输出，另外一路输入到输出光功率检测电路(11)的光输入端，输出光功率检测电路(11)输出的电信号输入到光放大器控制电路(9)的另一个输入端，光放大器控制电路(9)分别输出N个控制信号到相应光放大器的控制信号输入端。

2、根据权利要求1所述的一种多功能光放大器，其特征在于，所述的光耦合器(1、5)可以是光纤熔锥耦合器、微光学元件耦合器等各类光耦合器。

3、根据权利要求1所述的一种多功能光放大器，其特征在于，所述的1×N光开关(2)或N×1光开关(4)可以是MEMS光开关、波导光开关、机械光开关、电光光开关等各类光开关。

4、根据权利要求1所述的一种多功能光放大器，其特征在于，所述的光放大器模块(3)可以由多个不同类型和不同功能的光放大器组成；类型可以是掺杂光纤放大器，如掺铒光纤放大器；或是非线性光纤放大器，如拉曼光纤放大器；或是半导体光放大器；功能可以是光前置放大器，或是光线路放大器，或是光功率放大器；每一个光放大器具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围。

5、根据权利要求1所述的一种多功能光放大器，其特征在于，所述的1×N光开关(2)为1×3的MEMS光开关，所述N×1光开关(4)为3×1的MEMS光开关；所述的光放大器模块(3)由3个独立的掺铒光纤放大器组成，每一个掺铒光纤光放大器具有不同的输入光信号功率范围、不同的增益范围、不同的饱和输出功率、不同的噪声系数和不同的波长范围；分别具有前置放大器、光线路放大器和光功率放大器的功能，并由光放大器控制电路(9)分别实施控制。