TW486579B - L-band amplifier with detuned 980 nm pump - Google Patents

Description

486579 A7 _____— —五、發明説明（/) ’ 發明領域： 本發明係關於光學放大器，以及特別是關於使用失調 980通泵運光線以改良L頻帶放大之方法以及使用該方法之 裝置。 發明背景： 光學通訊服務供應商持續需求更大數據容量以及更高 數據傳送速度以服務其刻目前客戶以及未來需求。在使用 光#放大為以及特別是EDFA之系統中，頻道密度已受限於 EDFA可使用之增益頻寬。甚至於當增益平坦化濾波器使用 來將多頻适放大铒增益頻譜平坦化時，該頻寬約為35藤。 在多頻逍光波系統中提高系統容量之三種方法包含:（1)提 高每頻道位元傳輸率，（2)藉由減小頻道間隔而提高頻道數 目，以及(3)藉由提高增益介質總增益/傳送頻寬而提高頻 道數目。提高每頻道位元傳輸率為無法永遠可依靠之方法 ，因為許多已裝置之系統無法超過目前QC-48位元傳輸率（ 2· 5Gb/s)。同樣地光纖非線性限制減小頻道間隔低於目前 50GHz-100GHz之數值。因而提高e}?DA增益頻寬為提高系統 容量之直接方式，同時保持頻道間隔與每頻道位元傳輸率 。在 1990年Ainslie夺人之High gain, broadband 1.6 micron ER3+ doped silica fiber amplifier, ElectronicsLetters，volume 26，pp· 1645-1646 (1990)探討摻雜铒 頻譜之長頻帶（1565-1610nm)應用。目前，Srivastava等人 之ITb/s transmission of 100 WDM 10 Gb/s channels over 400 km of Truewave fiber, Tech, Dig. OFC 98, 本纸張尺度適用中国國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公;^ 今' (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁} 、=0 486579 修止 3 五、發明説明（2 ) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製

Post deadline paper PD10-1, San Jose, California, 1998說明石夕石EDFA在1· 6微米頻帶（l-頻帶）之應用情況。 Sun等人之Ultrawide band erbium-doped silica fiber amplifier with 80nm of bandwidth, PROC. OAA， Post deadline paper PD 2-2, Victoria， BC Canada， 1997說 明分裂頻帶結構，其放大傳統C-頻帶（l53〇nm—i56〇nm)以及 L-頻帶，其產生80nm之總增益頻寬。因而l—頻帶放大對wdm 光波系統頻寬限制提供可實現但是尚未開發之解決方式。 熟知此技術者了解操作於L-頻帶(在此定義為156〇一16 15nm頻帶範圍）之EDFA特性與設計運作於1530nn^156〇nm C-頻帶放大器之特性並不相同。其中顯著差異在於在較低 反轉（即0· 4與0· 6-0· 7)情況下為相當平坦之增益頻譜，其 (一般餌濃度情況下）需要摻雜铒光纖長度大於或等於75米 至300米，·而傳統C-頻帶裝置需要小於或等於50米。此情況 至少一部份係由於大於1560nm波長铒發射截面積為相當假所 致。對於低反轉放大需要特別長摻雜铒光纖之結果產生較 大數量反轉運行ASE。除此，獨特的L-頻帶操作環境將影響 選擇980nnj吸收頻帶之泵運波長。在任何情況下，L-頻帶放大器實質地能夠使系統運作於目前所謂第四代通訊. 頻窗之技術。 作為C-頻帶放大之980nm頻帶失調泵運波長主要作為 解除對980nm半導體泵運雷射二極體波長之限制，其已被一 些人揭不出。Pederson專人之Gain and Noise Penalty for Detuned 980nm Pumping of Erbium-Doped Fiber 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） $ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 f 486579 A7 B7 五、發明説明（3 )

Power Amplifiers, IEEE Photonics Technology Letters VoL 4，No· 4，pp· 351-353 (April 1992)量測出以980 rai頻帶泵運摻雜铒光纖功率放大器小訊號增益以及噪訊性 能為光纖長度以及泵運波長之函數。當泵運波長由979nm 吸收尖峰值失調±20nm時發現1551nmC-頻帶輸入波長之 訊號輸出功率將減小。Pederson等人之Gain and Noise Properties of Small-Signal Erbium-Doped Fiber Amplifiers Pumped in the 980-nm Band, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 4, No. 6, pp. 556-558 ( June 1992)說明1532nm與1551nm C-頻帶輸入訊號之泵運 波長失調對小訊號EDFA之影響（參閱圖2)。Percival等人 之Erbium-Doped Fibre Amplifier With Constant Gain For Pump Wavelengths Between 966 and 1004 nm, Electronics Letters, Vol. 27, No. 14, pp. 1266-1268 ( July 1991)報導當光纖具有明確截止波長時對於I536nffl之 〇頻帶輸入訊號在980nm中央波長之38nm泵運範圍内具有 固定增益。 濟 加以比較，我們目前說明在訊號輸入大功率情況下失 調L-頻帶放大980nra泵運尚未被人們了解之優點。這些優 點包含L-頻帶增益以及泵運對訊號之反轉效率得到改善。 如在此所說明，訊號輸入大功率係指輸入訊號之條件，當存 在該條件下光學放大器飽和地操作以及產生輸出訊號之功 率並不決定於輸入訊號之功率，但是唯一地決定於泵運功 半，例如Pout=KPpump，其中K表示放大器之效率。加以比較， 尽紙張尺度適用中囡國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公捷） 1 486579 A7 ___________ B7 五、發明説明（斗） (请先Μ讀背面之注意事項存填寫本筲) 小说號放大藉由放大器放大或增益使得輸出訊號功率與輸 入成正比，pcutK；pin。熟知此技術者十分了解這些情 發明大要： 本發明廣泛地係關於一種方法，以及裝置，其包括籍由 失調980nm頻帶泵運改善L-頻帶光學訊號之放大以改善增 益以及泵運對訊號之反轉效率。本發明其他特性以及優點 將揭示於下列說明中及/或可藉由實施本發明而了解。本 發明目標以及其他優點將由詳細說明以及申請專利範圍以 及附圖所揭示出之裝置及方法得到了解及達成。 — 本發明一項實施例係關於操作光學放大器之方法使較 長之波長頻譜區域中例如為1560-1615nra之光學訊號放大 。該頻譜區域係指摻雜稀土族元素增益介質之L_頻帶。人 們了解栗运吸收頻帶中央位於98〇面處以及另外一個中央 位於1480nm處；前者對本發明產生實際意義。該實施例包 含對放大器輸入較大功率之光學訊號以及利用波長異於已 知栗運吸收頻帶中央波長之幕運光線對增益介質泵運。在 該實施例中，已知泵運吸收頻帶之中央波長為980nm;增益 介質為摻雜稀土族元素光學纖維波導以及優先地·為摻雜铒 光纖；泵運光線波長在中央波長任何一側〇-3〇nm範圍内以 及優先地在中央波長任何一側5-30nra範圍内；以及增益介 質長度大於或等於75公尺，通常界於100-300公尺。 本發明另外一項實施例包含一種操作光學放大器之方 法以放大摻雜稀土族元素增益介質發射頻譜之L-頻帶中之 本纸張尺度適用中國國家標準（CRS ) Λ4規格（210X 297公犛） 7 486579 A7 B7 五、發明説明（夕） 光學訊號，該增益介質具有已知的泵運吸收頻帶，其包含輸 入至光學放大器之光學訊號，該光學訊號為較大訊號輪入 功率以及提供偏離已知泵運歿收頻帶中央波長之失調栗運 光線至放大器以放大光學訊號，其中操作失調泵運波長以 產生放大輸出訊號，該輸出訊號功率大於以中央波長录運 所得到之輸出訊號功率。在該實施例中，已知泵運致收頻 帶之中央波長為980M1;增益介質為摻雜稀土族元素之光學 纖維波導以及優先地為摻雜铒之光纖；泵運光線波長在中 央波長任何一側0-30nm範圍内以及優先地在中央波長任何 一側5-30nm範圍内；以及增益介質長度大於或等於75公尺 通常界於100-300公尺。 在另外一個實施例中，本發明包含一種操作放大器之 方法以放大摻雜稀土族元素增益介質發射頻譜之L—頻帶中 光#訊號，該增益介質具有已知的泵運吸收頻帶，該方法包 含提供具有較大訊號輸入功率之光學訊號至放大器以及利 用泵運光線對增益介質泵運，該泵運光線波長為偏離已知 吸收頻帶之中央波長使得與泵運光線逆向運行之放大受激 發射（ASE)量測值小於以泵運頻帶中央波長逆向運行泵運 之ASE量測值。 在另外一個實施例中，本發明係關於光學放大器，其具 书呈現出發射頻譜之摻雜元素增益階以及具有已知的泵運 波長吸收頻帶以放大發射頻譜L—頻帶中之輸入光學訊號， 其中輪入訊號具有較大輸入訊號功率，以及泵運光源操作 於一種波長下，該波長與耦合至增益階泵運吸收頻帶中央 本纸乐尺度適用巾固國家標準（CNS) Λ4规格（21〇χ 297公沒 486579 A7 ---------B7 ------------------ 、五、發明説明（^ ) 波長不同，使得在失調泵運波長下由放大器放大之輸出訊 疏功率大於在泵運中央波長下泵運之輸出訊號功率。在該 實施例下，泵運中央波長為980ηπι;以及失調泵運光線波長 在中央波長任何一側〇—3〇nm範圍内，以及優先地在中央波 長任何一側5-30nm範圍内。 人們了解先前之一般性說明以及下列之詳細說明為範 例性以及作為說明本發明之申請專利範圍。 附圖在於作為更進一步說明本發明以及在此加入以及 構成說明書之一部份，其顯示出本發明實施例以及隨同說 明解釋本發明之原理。 附圖簡單說明： 第圖（圖1)為本發明試驗性組裝之實施例示意圖，其 量測泵運功率，輸出訊號功率，向後ASE，及殘餘泵運功率。 第二圖（圖2)為本發明實施例四種輸入訊號功率值之 輸出訊號功率曲線圖，為泵運波長之函數。 第二圖（圖3)為本發明實施例四種輸入訊號功率值之 向後ASE功率與泵運波長曲線圖。 第四圖（圖4)為本發明放大器實施例之示意圖。 第五圖顯示出型式I摻雜铒光纖之一般發射分佈。 附圖元件數字符號說明： 泵運雷射12;光學元件14;耦合器16;功率感測器 18;波長區分多工器（WDM) 20;雷射22;隔離器24;主動性 光纖26;分接耦合器28;功率感測器3〇;光纖尾瓣32;波 導路佐34;M'DM 36;隔離器38;濾波器40;功率感測器42 II__:___：___4ILI (請先閲讀背面之>±意事項再填寫本頁) 1, 、\=口 486579 一....................... 修A A7 B7 五、發明説明（7 ㉟疋.、 / 7 —__ 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 •’光學放大器80;光纖增益階82;泵運光源84;柄合器桃。 優先地實施例詳細說明： 圖1為试驗性裝置，其使用來量測光學訊號輸出功率， 向後ASE，泵運功率以及殘餘泵運功率。使用圖1示意性地 顯不之裝置，我們進行詳細試驗以驗證改變98 〇挪吸收波峰 之泵運波韻摻雜L-鮮較大輸人辨光學訊號之影響 。可調整Ti-Sapphire栗運雷射12(以氬離子雷射泵運而並 未顯示出）藉由光學元件14耦合至3dB耦合器16之光纖尾瓣 32。一半輸入泵運光線由3dB耦合器16導引至功率感測器 18,其以圖1巾錢職絲示。殘餘泵運光線傳播至以及 通過WDM 20進入主動性放大器光纖26内，其由1〇〇公尺型式 I摻雜铒光纖所構成。DFB雷射22使用作為光學訊號來源以 及輸出1565mn飽和訊號，其傳播通過隔離器24以及通過分 接搞合器28,在該處訊號同方向地藉由恥μ 20耦合進入主 動性光纖26。位於主動性光纖26下游側之WDM 36傳播放大 光學訊號通過隔離器38以及通過光學旁通濾波器4〇,由該 處訊號傳送至功率感測器（並未顯示出）以量測光學訊號輸 出功率，同時殘餘泵運功率經由WDM 36耦合進入功率感測 器42,其以雙菱形符號表示。光學旁通濾波器中央濾除波· 長為1565nm(訊號波長)以及具有lnm之3dB頻寬。 熟知此技術者了解由於泵運光線莖登ASE形成於光纖 26中，以部份ASE反方向即與輸入光學訊號相反方向運行。 此相反方向運行ASE藉由WDM 20耦合通過波導路徑34進入 分接耦合器28,在該處5%向後運行ASE輸入至以雙菱形符號 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210x297公釐） [C? -------------IT (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 486579 A7 r______________ B7•五、發明説明（？） 表示之功率感測器30。在本發明範例性實施例中，由DFB雷 射22發出之光學訊號輸出設定為I565nm。在該訊號波長下 讀取不同輸入訊號a)2. OdBm，b)0.15dBm，c)-4. 93dBm，以及 (i)-9· 91dBm之四組量測數據，其足以使摻雜铒光纖26飽和 。在輸出光纖處量測功率，以及包含由於WDM(0. 5dB)，隔離 槽(0· 6dB)，以及光學旁通濾波器（丨.4dB)所導致之被動性 損耗。 泵運雷射12提供具有2〇dBm(±0.3dB)固定功率之可調 整輸出訊號。對於情況(c)，其相當於32頻道，每頻道為-20 dBm輪入功率，調整泵運波長由g8Qnni至的4nm(-26nm)或至 1007nm(+27nm)將導致輸出訊號功率3dB之增加，以及因而 提高泵運對訊號之轉化效率，如圖2所示。圖2亦顯示出上 述情況(a)，（b)以及(c)訊號功率與泵運波長之關係曲線圖 ，分別地相當於四種輪入訊號功率情況a，b，c，及d之13dB， 14· 6dB，17· 2dB，以及19. 4dB最小增益。我們相信訊號功率 增加為泵運波長之函數關係，該泵運波長由980nm泵運吸收 頻帶之中央波長失調，其部份係由於向後運行ASE減小所致 ，如圖3曲線所示。向後運行ASE亦決定於光纖線圈之長度 。如先珂所說明，摻雜铒光纖26長度為100公尺以及所有光 學輸入訊唬功率為較大訊號功率。如圖2所示泵運波長失 調以及輪出訊號功率之影響類似於一些對操作於自行飽和 方式下（即小輸入功率）c_頻帶放大器文獻所報導之發現， 然並無實際之優點。在摻雜铒光纖内泵運吸收亦呈現 上述所說明縣。我們認為向後運行ASEHii吸收為相

本紐尺度挪巾_ 格(—π II (請先閱讀背面之注意事項再填、¾本頁) τ___ 、-α 線#- 486579 A7 B7 10 發明説明（ 經齊郎中夹漂:·! 互關連的。雖然未作量測當泵運波長調整偏移尖峰吸收波 長時將增加噪訊，其由於增益介質前端反轉減小所致。 依據上述所說明範例性實施例，偏移泵運波長在泵運 吸收頻I之· r央波長任何一側〇—3〇nm範圍内之+27/-26nm 將在L-頻帶訊號放大操作環境中增益以及轉化效率得到改 善。特別地，在1565nm下~4· 93dBm輸入訊號功率之3dB改善 將藉由失調980nm泵運中央波長之泵運達成。除了上述所 說明優點，存在一些情況，其中利用相關技術因素(例如熱 分散)，或銷售因素（可利用性/價格)之148〇服泵運能夠替 代L-頻帶放大器中失調98〇nm泵運雷射二極體。 本發明另外一個實施例示意性地顯示於圖4中，光學放 大為80包含摻雜稀土族元素光纖增益階其優先地為摻 雜斜光纖，其L-頻帶發射頻讀顯示於圖5中，以及已知中央 波長位於980mn之泵運波長吸收頻帶能夠使增益介質飽和 以及訊號波長在發射頻譜之長波長範圍内，所謂^頻帶係 指1560nm至1615+nra。發射980mn泵運頻帶之泵運光源84操 作於中央波長不為980nm之波長下以及優先地在中央波長 士5-30麵範圍内。如圖所示，泵運光線經由耦合器部向前 地耦合至摻雜餌光纖内。亦可能使用其他的泵運方式。例 如，在失娜運範_存麵躺前運行（即舰號共同傳 播）泵運功率能夠使用泵運光線反射器再將殘餘泵運光線f 以相反傳播方向輸入至光纖内，或相反方向向前傳輸訊號 至主動性光纖之輪入端，此為熟知此技術者了解。亦可考 慮同向以及反向泵運。只有反向泵運並不會產生優點，誃

(請先間讀背而之注意事項再填寫本頁) 線· - - I - 111 - nn 486579 A7 B7 .五、發明説明（丨Ο ) ’ · 優點係由於需要保持放大器良好噪訊性能之較高前端反轉 所導致。 人們了解上述所說明本發明方法之範例性實施例可適 用於目前所說明放大器。 熟知此技術者能夠由本發明方法與裝置作出許多變化 及改變，但是其並不會脫離本發明之精神或範圍。本發明 任何變化及改變均含蓋於下列申請專利範圍内。 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) ΡΙ! 、1Τ 線·, 本纸張尺度適用中国國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公斧） 13

Claims (1)

1. 486579 A8 B8 C8 D8 12 六、甲H寻利範園 俚课作光字放大益之方法，該方法將改善摻雜稀土族 元素增益介質發射頻譜長波長頻譜範圍（L〜頻帶）增益以及 泵運對訊號轉化效率，該方法包含下列步騍： ^提供具有較大訊號輸入功率之光學訊號至放大器，以及 提供泵運光線至放大器，泵運光線波長與已知放^ 光學訊號已知泵運吸收頻帶之中央波長不同。 2·依，申料利顧第城之方法，其中系運光線波長在已 知栗運吸收頻帶之中央波長±30nm範圍内。 3·依據中料繼圍第2項之方法，其巾泵運光線波長在已 知泵運吸收頻帶之中央波長±5至士3〇咖範圍内。 4:依據申請專利範圍第柯之方法，其中放大器由推雜稀土 紅元素之光纖增益介質所構成。5.依據申請專利範圍第4項之方法，其中摻雜稀土族元辛之 光纖包含铒，其作為吸收泵運光線之摻雜劑。 6」=據申請專利範圍第4項之方法，其中放大器換雜稀土族 元$之光纖長度大於或等於75公尺。 7.依據申請專利範圍第2項之方法，其中已知果運吸收頻帶 之中央波長約為980nm。δ. f钟請專利棚第3奴方法，射已知錢吸收頻帶 之中央波長約為980nm。 1依據申請糞利0圍莖1 _ 月j扪祀圍不1項之方法，其中L-頻帶為1565nm-10^種制妓，财法減善摻雜稀土族 U幻1貝發射頻措長波長頻籍範圍（L一頻帶)之增益以 (請先閲讀.背面之注意事項再填寫本頁) -! - -I · --丁 、νύ 二=- 1-= — — - - - -1 ..... .....- · Φ, 486579 ΛΒ Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 及泵運對訊號轉化效率，該方法包含下列步驟： a) 提供具有較大訊號輸入功率之光學訊號至放大器；以及 b) 提供泵運光線至放大器，該泵運光線波長由已知用來放 大光學訊號之泵運吸收頻帶中央波長加以失調，使得在任何 失調泵運波長下之放大訊號功率值大於在泵運頻帶中央波 長下之放大訊號功率。 11*依據申請專利範圍第10項之方法，其中提供泵運光線至放 大裔之步驟包含對泵運光線波長失調偏離中央波長士 3 〇咖範 圍内。· . ~ 12·依據申請專利範圍第10項之方法，其中中央波長為98〇舰。 13.依據申請專利範圍第10項之方法，其中L—頻帶為1565一 1615nm〇 … 14·:種操作光學放大器之方法，該方法將改善摻雜稀土族 兀I增益介質發射頻譜之長波長頻譜範圍（L-頻帶)增益以 及泵運對訊號之轉化效率，該方法包含下列步驟： a)，供具有較大訊號輸入功率之光學訊號至放大器，·及 興）¼供泵運光線至放大器，泫栗運光線之波長為放大光 學訊ί之已知泵運訊號中央波長加以失調，使得在任何失

   縣運光線下躲滅方向運行之趣量測值小於 在泵運頻帶中央波長下之ASE量測值。 、 依據申請專利範圍第i 4項之方法，其中提供栗運光線至 放=器之步驟包含失概運麵波長_中央波長在封 芏30咖範圍内。 16.依射請專利範㈣14項之方法，其巾中央波長為_ 娜尺度 14486579 ABCD 杂 TUJ.#寸 、τ· 申 六 圍 nm ° 17, 依據申請專利範圍第14項之方法，其中L—頻帶為1565—1615nm〇 , 18. —種光學放大器，其包含： 接雜稀土族元素增益階，其具有發射頻譜以及已知泵運 波長吸收頻帶以放大波長在發射頻譜長波長範圍内以及大 輸入訊號功率之輸入訊號； 泵運光源，其發射之操作波長與泵運吸收頻帶之中央波 長不相同，其耦合至增益階； 其中在操作波長下放大輸出訊號之訊號功率大於操作波 長為中央波長下放大輸出訊號之訊號功率。 19·依據申請專利範圍第19項之放大器，其中發射頻譜之長 波長範圍為1565-1615nm，所提及中央波長為98〇nm，以及操 作波長在中央波長土 5-30nm範圍内。 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) 八4規格（2ι〇χ 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 a ------ ml flu I— - - -- i -