CN202217909U - 一种单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器 - Google Patents

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本实用新型公开了一种单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，其包括有第一级放大部分、第二级放大部分及连接部分，所述第一级放大部分包括有一个能产生泵浦光的高功率的泵浦激光器及能对输入的信号光进行第一级放大的第一级铒纤；所述第二级放大部分包括有能对信号光进行第二级放大的第二级铒纤，所述第一级放大部分与所述第二级放大部分之间通过所述连接部分连接。利用本实用新型的单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，可以实现放大器结构高增益、低噪声的效果，并可以使放大器体积小，以降低成本。

Description

一种单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器
技术领域
本实用新型有关一种掺铒光纤放大器，特别是指一种采用两级放大结构、使用一个泵浦光源进行单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器。
背景技术
在光纤通信系统中，利用掺铒光纤放大器(Erbium Droped Fiber Amplifier，简称EDFA)可以不需将光信号转化为电信号，而直接对光信号进行放大。
EDFA主要由掺铒光纤(Erbium Droped Fiber，EDF，简称铒纤)，泵浦光源(980nm或1480nm激光器)，光波分复用器和光隔离器等组成。信号放大的原理如图5所示，当信号光和泵浦光同时注入到掺铒光纤里时，铒离子(Er3+)在泵浦光的作用下从基态N1激发到高能级N2上，并很快衰变到亚稳态能级N3上，在亚稳态能级N3上积累电子，造成电子数多于基态，即形成粒子数反转，在入射信号光的作用下，处于亚稳态能级N3的铒离子迅速跃迁到基态N1并发出信号光的光子(即受激辐射)，使信号光得到放大。
EDFA的主要特性指标是增益与噪声。
掺铒光纤放大器的目的是提供增益，其增益定义为输出信号与输入信号的比值，增益可以看作是两个信号值之差，表达式为：G＝10Log10(Pout/Pin)。
如图6所示，EDFA的增益分为小信号增益和饱和增益两种情况，当泵浦光功率很强，信号光功率很弱的时候，上下级粒子反转程度很高，沿着掺铒光纤的长度方向上，泵浦功率逐渐转化为信号光的功率，EDFA增益将达到一个很高的值，这种增益称为小信号增益。随着入射光功率的逐渐增大，上能级的铒离子的增加将因不足以补偿损耗而减少，增益也将不能维持初始值而逐渐下降，此时EDFA进入饱和状态，所以对给定的泵浦光功率，EDFA最大增益对应一个最佳的掺铒光纤长度值，当掺铒光纤长度超过最佳值时增益会迅速下降，多余的掺铒光纤部分会起到吸收放大信号的作用。如图6中曲线上的一点POUT S对应增益为G0，在POUT S点之后EDFA进入饱和区域，增益迅速下降。
EDFA的另外一个重要参数是噪声，噪声的产生是因为在信号放大过程中，亚稳态的粒子不仅会以受激辐射的方式跃迁到基态，还会以自发辐射的方式跃迁到基态，所产生的光子在沿途又被不断放大，形成放大的自发辐射(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)，由于ASE在信号放大期间叠加到信号光上，它与信号光相互作用会产生更大的噪声，所以噪声的大小跟泵浦光功率和掺铒光纤的长度有关：掺铒光纤越长，噪声(NF)越大；泵浦光功率增加，反转粒子数增加，噪声降低；当泵浦光使EDFA饱和，粒子数反转达到最大值时，噪声趋于一恒定值。
放大器的增益和噪声是系统应用的最根本的因素，为了同时得到高增益和低噪声的信号光，利用噪声指数与增益的对应关系，在实际制作放大器时通常采用级联放大器的形式，其中又以两级级联最为常见，两级级联光放大器中，第一级泵浦在高粒子数反转状态下，保证高增益和低噪声，第二级泵浦主要在于提高输出功率。
传统的EDFA级联通常采用两级直连的结构，结构如图1所示，每一级都由泵浦激光器，合波器和增益介质铒纤组成，两级之间通过隔离器来减小反向ASE的影响，图中实线为信号光，虚线为泵浦光。
但是双级结构也有其固有的一些缺陷，由于泵浦激光器是EDFA的主要部件，这种结构会很大程度上增加产品成本，并且双激光器同时工作会产生很大的热量，影响产品的热稳定性，其中一个激光器在使用中老化的话也会影响整体的性能，同时从结构上来说，两个激光器的设计不利于产品小型化的要求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种成本低、体积小、采用一个泵浦激光器进行单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器。
为达到上述目的，本实用新型提供一种单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，其包括有第一级放大部分、第二级放大部分及连接部分，所述第一级放大部分包括有一个能产生泵浦光的高功率的泵浦激光器及能对输入的信号光进行第一级放大的第一级铒纤；所述第二级放大部分包括有能对信号光进行第二级放大的第二级铒纤，所述第一级放大部分与所述第二级放大部分之间通过所述连接部分连接。
所述第一级放大部分还包括第一光隔离器及第一合波器，所述泵浦激光器的输出端连接到所述第一合波器的第二输入端，信号光传输到所述第一光隔离器的输入端，所述第一光隔离器的输出端连接到所述第一合波器的第一输入端，所述第一合波器的输出端连接所述第一级铒纤。
所述第二级放大部分还包括有第二合波器与第二光隔离器，该第二合波器的输出端连接到所述第二级铒纤的输入端，所述第二级铒纤的输出端连接到所述第二隔离器的输入端，所述第二隔离器的输出端为信号光的输出，所述第一级铒纤通过所述连接部分连接所述第二合波器。
所述连接部分包括有第三光隔离器及用以分开信号光和泄露的泵浦光的分波器，所述第一级铒纤的输出端连接到所述分波器的输入端，所述信号光通过所述分波器的第一输出端传输到所述第三光隔离器的输入端，再由所述第三光隔离器传输到所述第二合波器的第一输入端，再由所述第二合波器耦合进所述第二级铒纤，泄露的泵浦光由所述分波器的第二输出端传输到所述第二合波器的第二输入端，再由所述第二合波器耦合进所述第二级铒纤。
利用本实用新型的单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，可以实现放大器结构高增益、低噪声的效果，并可以使放大器体积小，以降低成本。
附图说明
图1为传统的双泵浦双级光放大器结构示意图；
图2为本实用新型单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器结构示意图；
图3为本实用新型中的信号光与泵浦光在两级之间的传递示意图；
图4为本实用新型中的信号光和泵浦光能量经过每一级后的变化示意图；
图5为EDF能级结构示意图；
图6为小信号增益和饱和增益的状态曲线。
具体实施方式
为便于对本实用新型的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。
如图2所示，本实用新型单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器包括有第一级放大部分A、第二级放大部分B及连接部分C。该第一级放大部分A包括有一个能产生泵浦光的高功率的泵浦激光器1及能对输入的信号光进行第一级放大的第一级铒纤4；该第二级放大部分包括有能对信号光进行第二级放大的第二级铒纤8，该第一级放大部分A与第二级放大部分B之间通过该连接部分C连接。图中实线为信号光，虚线为泵浦光。
其中第一级放大部分A还包括第一光隔离器2及第一合波器3，该泵浦激光器1的输出端连接到第一合波器3的第二输入端，输入光(即信号光)传输到第一光隔离器2的输入端，第一光隔离器2的输出端连接到第一合波器3的第一输入端，第一合波器3的输出端连接第一级铒纤4，工作的时候，信号光和泵浦光分别从第一合波器3的第一输入端和第二输入端耦合到第一级铒纤4中，在第一级铒纤4中实现泵浦光和信号光能量的转移。
第二级放大部分B还包括有第二合波器7与第二光隔离器9，第二合波器7的输出端连接到第二级铒纤8的输入端，第二级铒纤8的输出端连接到第二隔离器9的输入端，第二隔离器9的输出端即信号的输出，输出经过二次放大的信号光。
连接部分C包括有分波器5及第三光隔离器6，其中第一级铒纤4的输出端连接到分波器5的输入端，分波器5将放大后的信号光和泄露泵浦光分开，其中信号光通过分波器5的第一输出端传输到第三光隔离器6的输入端，再由第三光隔离器6传输到第二合波器7的第一输入端，再由第二合波器7耦合进第二级铒纤8，泄露的泵浦光由分波器5的第二输出端传输到第二合波器7的第二输入端，再由第二合波器7耦合进第二级铒纤8，信号光分别通过分波器5和第二合波器7耦合到第二级铒纤8中，其中信号光经过第三光隔离器6的作用减小第二级放大部分B反向ASE的影响。
本实用新型中的泵浦激光器1用来提供第一级和第二级的泵浦光能量；光隔离器可防止反向光对EDF和信号光产生影响；合波器能将信号光和泵浦光的能量耦合到EDF中；分波器5可将信号光和泵浦光分出；第一级铒纤4与第二级铒纤8作为增益介质，能将泵浦光转化为信号光，如图3所示信号光与泵浦光在两级之间的传递示意图，其中泵浦光经过两级铒纤后大部分转化为信号光。
本实用新型的放大结构的重点在于第一级放大部分A处于未完全泵浦状态，所以选择合适的铒纤长度是实现本产品的关键所在，具体实施的方式如下：
通常情况下，第一级放大部分A的泵浦激光器1的能量应使EDF中铒离子处于一种完全粒子数反转的状态，假设泵浦激光器为500mW的980nm的激光器，那么第一级铒纤4的长度应该小于使它工作在500mW对应的最佳的EDF的长度，此时980nm泵浦能量高，信号小，铒离子处于完全粒子数反转的状态，增益大而噪声小，通常情况下为了使第二级铒纤8有充分的激光泵浦，将铒纤的长度设计为使泵浦光泄露的能量为总激光器输出的一半的时候(根据增益最大化和噪声最小化原则可以调整功率大小)。
将第一级放大部分A泄露的泵浦光耦合到第二级铒纤8中后，第二级铒纤8应该选择使980nm光完全泵浦情况下的EDF的长度，此时EDFA达到最大的增益，如图4所示信号光和泵浦光能量经过每一级后的变化示意图。两级EDF的长度选定后，按照图2的结构连接好其它的光学器件，高增益，低噪声，低成本和高可靠性的单泵浦双级放大的铒纤放大器制作完成。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，其包括有第一级放大部分、第二级放大部分及连接部分，其特征在于，所述第一级放大部分包括有一个能产生泵浦光的高功率的泵浦激光器及能对输入的信号光进行第一级放大的第一级铒纤；所述第二级放大部分包括有能对信号光进行第二级放大的第二级铒纤，所述第一级放大部分与所述第二级放大部分之间通过所述连接部分连接。
2.如权利要求1所述的单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述第一级放大部分还包括第一光隔离器及第一合波器，所述泵浦激光器的输出端连接到所述第一合波器的第二输入端，信号光传输到所述第一光隔离器的输入端，所述第一光隔离器的输出端连接到所述第一合波器的第一输入端，所述第一合波器的输出端连接所述第一级铒纤。
3.如权利要求2所述的单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述第二级放大部分还包括有第二合波器与第二光隔离器，该第二合波器的输出端连接到所述第二级铒纤的输入端，所述第二级铒纤的输出端连接到所述第二隔离器的输入端，所述第二隔离器的输出端为信号光的输出，所述第一级铒纤通过所述连接部分连接所述第二合波器。
4.如权利要求3所述的单泵浦双级放大的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述连接部分包括有第三光隔离器及用以分开信号光和泄露的泵浦光的分波器，所述第一级铒纤的输出端连接到所述分波器的输入端，所述信号光通过所述分波器的第一输出端传输到所述第三光隔离器的输入端，再由所述第三光隔离器传输到所述第二合波器的第一输入端，再由所述第二合波器耦合进所述第二级铒纤，泄露的泵浦光由所述分波器的第二输出端传输到所述第二合波器的第二输入端，再由所述第二合波器耦合进所述第二级铒纤。
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