TW436644B - Improved performance gain flattened EDFA - Google Patents
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Description
' 43654 4 經濟部中央標準局貞工消費合作杜印裝 五、發明説明（ί ) 發明領域： 本發明係關於一種方法以改善多階摻雜餌光線放大器 (EDFA)之後性，其含有增益平坦濾波器(GFF)以及可能含有 其他損耗性元件，其包含可改變之光纖衰減器(V〇A)。 發明背景： 對於使用波長多工通訊系统之光學放大器具有均句平 坦增益頻譜為相當地重要。EDFA能夠在超過30nm頻寬内產 生增益，然而在最佳泵運情況下增益頻譜可能並不均勻。 增益平坦濾波器（GFF)已知使用於光學放大器中以減小在 一些頻帶波長内增益變化(參閱例如M. Tachibana，R. I. Laming, P. R. Morkel, andD. N. Payne, "Erbium-doped fiber amplification with flatten gain spectrum, M IEEE Photonics Technology Letters, vol. 3, pp. 118 -120，1的1)。 然而靜態GFF只能夠在單一增益值（即在任何特定波長 處之增益)產生最佳增益平坦性"假如EDFA增益藉由改變 反轉而改變(例如，藉由改變泵運功率或訊號功率)，增益以 頻譜相關方式改變泵運功率或訊號功率（參閱例如C.R. Gjles and D, J. D, Giovanni, "Spectral dependence of gain and noise in Erbiuo-doped fiber aiaplifiers " IEEE Photonics Technology Letters, vol. 2, pp. 797 -800, 1990 and J. Nilsson, Y.W. Lee, and W.H. Choe" Erbium doped fiber amplifier with dynamic gain flatness for WDM," Electric Letters vol. 31, pp. (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) . r 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 436B4 4 a? ______B7 五、發明説明（又） - 1578-1579，1995)。因此，假如傳統EDFA使用於其增益需 要與放大器設計增益不同時，其增益頻譜將顯示出過剩標 準化增益漣波(（最大增益-最小增益)/最小增益)如在有益 波長頻帶内計算。該情沉將成為一項問題之範例由光學放 大光織傳送系統產生，其中需要維持光織跨距短於所設計 放大器之情況通常對每一光讖跨距使用各別放大器之習 慣並不實際。因而，被迫需要具有變化增益頻譜之放大器 或對系統加入足夠損耗，設計增益為故大器實際所需要·> 一個光學衰減器刻意地加入訊號以及需要相當於類似串連 放大器之額外泵運功率。該特性損耗綣夠藉由放置加入光 學衰滅於多階光學放大器增益階之間（參閱1 Sugaya，S. 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 -------1:_Γΐ (請先閲讀背面之注意ί項再填寫本頁) (！
Kinoshita, and T. Chikama,"Novel configuration for low-noise and wide-dynamic-range Er-doped fiber amplifier for WDM systems", in Optical Amplifiers and their Applications, 1995 OSA Technical Digest Series, Vol. (Optical Society of America, Washington, DC) 158-161) and N. E. Jolley, F. David, and J. Mun, "Out-of-band electric gain clamping for a variable gain and output power EDFA with low dynamic gain tilt", in Conference on Optical Fiber CoiDinunication, 1997 OSA Technical Digest series, Vol. 6, (Optical Society of Ainerica, Washington, DC) 134-135) °
本發明一項目標在於利用餐表減I於食有GFF放大器 增益階間之研究，同時保持光學性能。此對寬廣頻帶EDFA 本紙伕尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 43S6 4 4 A7 B7 五、發明説明（3 ) 特別地重要，其中所需要GFF能夠只衰減部增益頻譜。在 單獨地使用高衰減GFF或與其他衰減光學元件時該方法亦 能適用。 人們了解GFF對光學放大器性能之衝擊能夠藉由適當 地將GFF插入於兩個增益階之間而減小（例如M. Tachibana， R. I. Laming, P. R. Morkel, and D. N. Payne, "Erbium-doped fiber amplification with flattened gain spectrum, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 3» pp. 118-120，1991) 9對於傳統線形放大器，GFF負面衝擊能夠利用 適當放置濾波器而顯著地減小。不過，當放大器朝向較為 寬廣頻帶寬度移動，GFF之衝擊基於一些理由變為更加顯著 。較為寬廣之頻帶宽度傾向具有較大波峰衰減之GFF。當 濾波器波峰衰減提高時，對放大器嗓訊/輸出功率性能之負. 面衝擊通常亦將提高》寬廣頻帶宽度放大器通常亦使用較 短波長部份之斜增益頻譜(或M藍色頻帶"），其大約由1525-1540nm延伸出。通常在該部份頻譜中瑋成最佳嗓訊較為困 難，其由於放大光纖本身噪訊特性對局部反轉較為靈敏。 如下列所申，這些效應在多階放大器中能夠彼此混合，其中 最终能階具有非常低之反轉。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 ---„-------(裝— — (锖先閱讀背面之注^^項再填寫本頁) 特別是，圖1示意性地顯示出一個三階EDFA 10。將被 放大之光學訊號在輸入端埠11處進入EDFA 10以及放大之 光學訊號在輸出端埠12處離開EDFA p)FA 10包含三個增 益階，其能量增益表示為G^G^Ga。每一增益階GhG^Ga 包含泵運區段之摻雜铒光纖。辑摻雜劑對傳播於光纖區 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公釐） A7 B7 436644 五、發明説明（今） 段中之光線產生增益《可加以改變，除了斜以外之其他元 素例如為稀土族元素能夠產生適當之增益。 在圖1中，Ti為總共向上(線性)傳送至第i階增益狀態 °因而，Ti為損耗性元件線性傳送係數與放大元件增益係 數之乘積。因而，Ti能夠對所有元件看成能量傳送係數(視 為插入損耗)，其具有相對增益階之標示位置，Gi，i=l，2, 3 。數量1\及&為波長之函數。
Ftotal=Fl/Tin-l + F2/Ti„-2 +F3/Tin-3 (1) 其中FA第一增益階噪訊係數(線性單元）以及TilH為所 有光學元件由放大器輸入傳送至第一增益階開始處總共線 性功率。其他階產生噪訊符號類似地定義出。對於高增益 放大器（GWOdB^i最小可能值為2。人們一般設計出光學放 大器將使得公式1中第一項控制所有噪訊係數，同時F,儘可. 能接近量子力學極限（高居量反轉）。由於通常使用於次 增益階低反轉(對訊號高泵功率運轉換效率通常最先達到 較低轉換)，這些階對整體放大器噪訊係數影響為較小將使 得 Tin-l=TlGl + . . . +Ti-lGi-l. (2) 經濟部中央樣準局貞工消费合作社印製 即由放大器.輸入端至第i階開始之淨功率傳送係數儘可能 高。此能夠在第一階使用高增益（約2〇dB)達成。利用單一 階十分難以達成較高增益，此由於放大瞬間放射之增強所 致。不過寬廣頻帶放大器之GFF波峰衰減通常接近或超過 10dB，同時10dB動態範圍將需要尖峰衰減>i〇dB(10工作範 圍+最小損粍）（可變化）之光學衰減器。除此，低反轉階之 噪訊能夠在接近10至大約10之範圍内。假如具有這些插入 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） "436Β44 Α? ____Β7 五、發明説明（Γ) 經濟部中央棣準局貞工消费合作社印袋 損耗之组件立即地串連於放大器内，其聚集衰減將對Tini 產生較低值以及放大器整體噪訊係數將受到影響。 本發明另外一項目標在於克服該項問題以改善多階 EDFA之特性。 發明大要： 依據本發明一項優先實施例，上述所說明先前技術之 問題將減小以及達成改善之多階光學放大器。其能夠藉由 在多階光學放大器例如為多階EDFA中之GFF與光學衰減器 間提供另外一個增益階而達成。 除此，依據本發明列舉性實施例，光學放大器系統包含 串連排列之多增益階對傳播其中光學訊號產生增益。系統 亦包含增益平坦性濾波器以在特定波長頻帶以及光學衰減 元件中減小光學放大器系統增益之變化《例如，光學衰減 元件包含一個或多個可變化光學衰減器，切換器，隔離器， 加入多工器，及耦出多工器。一個增益階位於增益平坦濾 波器與光學衰減元件之間以減小光學放大器系統之整體嗓 訊係數。例如，每—增益階為一段被泵運之摻雜铒光學波 導。在放A器系统中光學訊號傳播方向光學衰減元件可 置於增益平坦濾波器之前。可加以變化，在光學訊號傳播 方向增益平坦濾波器可置於衰減元件之前》 通常，人們能夠在前面階產生較大增葵以及使任何設 計之噪訊特性得到改善。然而，此通常將減小泵運功率至 訊號功率反轉效率。因而，在許多有益設計中噪訊特性以 及泵運功率要求為無法同時兼顧。在許多情況下,本發明 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS) Α4規格（21〇Χ297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本页) 裝· 436644 A7 B7 發明説明（b ) 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 能夠達成改善(噪訊啊‘霞或栗運功率要求)其中一項而固定 另外一項。 在本發明另外一個實施例中，增益平坦光學放大器系 統包含一組多個光學增益階以及一組多個增益平坦濾波階 以交錯方式串連地排列著。 附圖簡单說明： 圖1示意性地顯示出多階EDFA。 圖2A示意性地顯示出本發明實施例之多階edfa，其具 有可變化光學衰減器(VOA)藉由增益階與GFF隔離著，其中 在光學傳播方向VOA置於GFF之前。 圖2B示意性地颞示出本發明第二實施例之多階edfa, 其具有可變化光學衰減器（VOA)藉由增益階與GFF隔離著， 其中在光學傳播方向VOA置於GPF之前。 圈3顯示出多階EDFA,其包含第一GFF置於增益元件之 前以及第二GFF在增益元件之後。 附圖元件數字符號說明： 光學放大器系統20;輸入端埠22;輸出端埠24;增益 平坦濾波琴（GFF) 26;衰減元件28;光學放大器系統30; 輸入端埠32;輸出端埠34;濾波器36,38。 詳細說明： 圖2A顯示出本發明實施例之光學放大器系統。光學放 大器系统20包含輸入端埠22以及輸出端埤24,要被放大光 線經由該輸入端埠進入系統以及放大後光線經由該輸出端 埠離開放大器系統。示意性地，放大光線波長在餌增益頻 請 先 閲 項 再 填 寫 本- 頁 訂 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 436544 A7 -------------- --- B7 五、發明説明(7) :： 帶範園内，例如為1530-1560咖，然而實際上能夠較該頻帶 寬。 放大器系統2G包含三個增益階，其能量增益分別地表 示為G^GpG3。每一增益階包含摻雜餌光破放大器^該放 大器揭示於美國第5710659號專利中。階…通常具有相當 高增益(15-20dB)»其他階傾向具有較低增益;&大約為1〇 -15dB，G3約為5-10dB。這些數值高度地決定於放大器内包 含元件(例如GFF以及VOA，同時亦為其他元件例如為色散補 償器，光學加入/耦出）之衰減值以及選擇增益頻帶（寬廣頻 帶需聋具有較高波峰衰減之GFF)。表示在輸入端埠22與 第一增益階G!間任何光學元件之功率傳送係數^ (在許多 情況下可能並不具有該元件）=GFF 26位於增益階61與62 之間。GFF具有lOdfi之尖峰衰減。GFF尖峰衰減決定於頻帶 寬度，摻雜餌光纖產生增益為放大器產生外部增益減去所 有元件衰減總和》—般在1530nm至1560nm範圍内所使用40 dB或更大之辑增益總和摻雜餌形式光纖具有10dB之尖峰衰 減。衰減元件28位於增益階62與63之間衰減元件28能夠 包含衰減琴，V0A，切換器，或加入/麵出元件，或另外一個具 有衰減之元件或這些元件之組合。衰減元件28具有大於例 如10dB之衰減。 由增益階(增益階02)分離GFF 26以及衰減元件28之目 的在於得到較高值TilH以及低值之噪訊係數»由 於1\為公式（1)之分母，該值較高將得到較低FtC)tal。假如 GFF以及衰減元件直接地彼此串連於放大器系統内，其集體 本紙張尺度適用中國圃家標牟（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐） 10 !l·-------(Λ-----^--訂----^---Γ (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 436B4 4 A? B7 五.、發明説明（f ) 經濟部中夬標準局員工消費合作社印装 衰減將產生較抵TiH值以及對放大器整體噪訊係數?_, 產生負面影举或庳生較差能量反轉效率》本發明藉由增益 階分離GFF以及衰減元件將克服該問題。 圖2B示意性地顯示出本發明另外一堉實施例。圖2B光 學放大器系統與圖2A放大器系統類似。差異在於衰減元件 28位於增益階G!與62之間以及GFF 26位於增益階G,與03之 間。放大器系統20亦能夠藉由避免衰減元件28與GFF 26直 接串連以達成噪訊改善特性。 選擇最佳構造(即圈2A或2B)將決定於所需要之頻帶與 放大器設計其他細節。因而，需要依各別情況來決定。通 常最先放置GFF為有益的，因為除了接近增益尖峰外其通常 具有較低插入損耗。因而，在遠離波峰之波長訊號將不受 影響，同時接近波峰波長將由第一階接受相當可觀之增益. 。該排列在產生相當衰減前將給予非波峰波長額外增益階 。另外一方面，第一階增益(其通常具有非常高反轉)在藍 色頻帶通常為相當高（即約為1530nm)。不過，假如放大器 在平均反轉情況下操作將使得濾波器亦對斜增益頻帶較長 波長部份之增益波峰補償，假如尖峰衰減小於GFF紅色頻帶 波峰情況蔣有益於最先放置之衰減器/其他元件。嗓訊性 能鍩夠使用公式（1)或其他數值方法加以估計〇由於噪訊 特性以及對訊號泵運功率對各階間增益分配通常無法同時 兼顧，唯一最佳優先情況無法決定出。 本發明亦能夠適用於濾涑器需要非常高衰減GFF(波峰 衰減例如>10邱)情況《在該情況下，GFF能夠分成多個濾波 (婧先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -# 本紙張尺度適用中國國家椟準（CNS > A4規格（210X297公釐） // 43664 A7 B7 五、發明説明（ ο 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 器，其複合衰減等於總衰減頻譜，其將產生所需要增益形狀 特性。各種濾波器再插入於多階之間。增益平坦濾波器亦 可鵃分配於增益階之間使得組成濾波器具有較小波峰衰減 而小於所需要整體平坦性。可加以變化，該分配能夠作為 簡化複雜之GFF製造過程。 該形式光學放大器系統30示意性地顯示於圖3中。要 被放大光線在輸入端埠32處進入放大器系统。放大光線在 輸出端埠34處離開。放大器系統30包含三個增益階，其功 率增益表示為GHG2AG3。每一增益階可為摻雜餌之光學 波導區段，其以泵運雷射進行泵運。 在系統30中，T!表示輸入端埠22與第一增益階G!間所 有組件之功率傳送係數e MiilGa間存在第一增益平垣次 濾波器36以及在G2及G3間存在第二增益平坦次濾波器36。. 一些系統特定實施例之列舉性數值說明如下： 在次濾波器36後之波峰 7dB@1530nm 在次濾涑器38後之波峰 6dB@1558nm 每一次濾波器36,38能夠使用薄濾波干涉濾波器技術(或長 週期光纖米柵等)製造出。 在該情況下，我們說明在各增益階間增益之頻譜發展 以及插入次濾波器以保持頻譜相關噪訊係數儘可能地均勻 。在前端高度反轉之一般濾波器中，此表示首先嘗試(在濾 波器允許分解範圍内）衰減铒螢光波峰附近之波長以及對 後者放大器將較長波長區域之增益平坦衰減加以反轉(其 較為緩慢i累積全部增益)。 f請先閲讀背面之注項再填窝本頁j 裝· -訂- ----- 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4规格（210X297公釐） 436G44 A7 __B7五、發明説明（（i?) 最後，本發明上述所說明實施例在於只作為列舉性質 。許多其他實施例能夠由熟知此技術者提出，但是義不會 脫離下列申請專利範圍之精神及範圍。 ------：---------- --X ^---.— l·— 訂！.----「 11(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
(S
Claims (1)
- 4366 4 4 A8 B8 C8 D8 12 申請專利範圍 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印製 1· 一種光學放大器，其包含： 串連排列之多增益階，其對傳播其中光學訊號產生增益； 增益平坦濾魂.器，其在特定波長頻帶中能夠減小光學放 大器之增益變化；以及 光學衰減元件； 其中一個增益階位於增益平坦濾波器與光學衰減元件之 間以減小光學放大器之整體噪訊係數。 2. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中每一增益階 包含掺雜餌之泵琿光學波導區段。 3. 依據申請專利範圍第1項之光學放大器，其中在放大器中 光學訊號傳播方向衰減元件置於增益平坦濾波器之前。 4. 依據申請專利範圍第2項之光學放大器，其中在放大器中 光學訊號傳播方向衰減元件置於衰減元件之前。 5. —種増益平坦光學放大器，其包含： 一組多個光學增益階，以及 一組多個增益平坦濾波器階， 其中增益平坦濾波器階與增益階以交錯方式串連地排列著。 _ 6. 依據申請專利範圍第5項之光學放大器，其中每一增益階 包含摻雜斜之光學波導區段。 7. —種光學濾波器放大器系统，其包含 輸入端埠，第一光學訊號藉由該端埠進入放大器系統； 輸出端埠，第二光學訊號經由該輸出端埠離開放大器系 ---------- (請先聞读背面之注意事項存填爲本東) tr .^----- 本紙張尺度適用中國國家標丰（CNS > A4規格（210X297公釐） 4366 4 4 ^ ^ A8 B8 C8 -^—_:__^5__一 &、申請專利範圍 »·. 至少苐一，第二，以及第三增益階串連地棑列於輪入端缚 與輸出蛾埠之間，每一增益階包含光學波導區段，其摻雜產 生光學增益之一種元素； 増益平坦濾波器，其連接於第一增益階與第二增益階之 間；及 具有光學表減之元件，其連接於第二增益階與第三增益 階之間。 8. 依據申請專利範圍第7項之放大器系統，其申第一增益階 最靠近輸入端埠以及第三增益最靠近輸出埤埠。 9. 依據申請專利範圍第7項之放大器系統，其中第一增益階 ,最靠近輸出端埠以及第三增益最靠近輸入端埠。 10. 依據申請專利範圍第7項之放大器系統，其中第一，第二 ，第三增益階之每一階由摻雜餌光學波導區段所構成。 11. 依據申請專利範圍第7項之放大器系統，其中光學衰減 包含可變化之光學衰減器。 12. 依據申請專利範圍第7項之放大器系统，其中具有光學 衰減之元件包含切換器。 13. 依據申請專利範圍第7項之放大器系統,其中具有光學 衰減之元件包含加入-偶出元件《 14. 依據申請專利範固第7項之放大器系統，其中具有光學 衰減之元件包含至少r-個可變化光學衰減器，隔離器，加入 多工器，以及耦出多工器。 15. —種增益平坦光學放大器系统，其包含： 第一友第二增益平坦濾波器，其合併衰減效果為光學放 本紙張尺度逋用中國國家棣準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 13 ---------裝-- (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央橾车局員工消費合作社印袈 4366 4 4 8 8 8 8 ABCD六、申請專利範圍 Ί. i . ' 大器系統產生所需要增益形狀特性之總衰減，以及 增益階，其位於第一及第二增益平坦濾波器之間。 16, —種光學放大器，其包含： 串連排列之多增益階，以對傳播其中光學訊號產生增益， 每一增益階由菜運區段光學波導所構成， 增益平坦滅波器，以在特定波長頻帶中滅小光學放大褰 增益變化，以及 光學衰減元件， 其中一個增益階位於增益平坦濾波器以及光學衰減元件 之間，以及 其中對增益階所選擇之增益值將對嗓訊特性及泵運功率 要求之一項達到改善，而另外一項保持固定。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> —C 裝 •訂 經濟部中央標準局貝工消費合作杜印袈 Κ -紙 本 適 準 榡 ί家 一囷
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