一種混合型寬帶光纖放大器的製作方法

2023-05-26 17:55:16

專利名稱：一種混合型寬帶光纖放大器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖放大器領域，特別是一種結合拉曼光纖放大器(FRA)和摻鉺光纖放大器(EDFA)的技術，實現C+L波段的寬帶放大的混合型光纖放大器。
技術背景對於現代光波系統，其重點是利用波分復用(WDM)技術同時傳輸多個信道來增加傳輸容量。對於多信道的光波系統，需要採用光放大器對所有的信道同時放大而不需要採用光電中繼器。隨著光通信系統工作帶寬的不斷增加，要求光纖放大器的帶寬也不斷增加。
現今，摻鉺光纖放大器的技術已經非常成熟，它已普遍應用於光傳導系統中。儘管EDFA有著高增益、低噪聲、性能穩定的優點，但是它的增益譜寬度較窄，只有20nm~30nm的3dB增益帶寬，而且增益峰值固定，峰值波長大約在1530nm和1535nm之間變化。圖2給出了普通的EDFA的特性增益譜。儘管有各種平滑技術可以拓寬並平滑增益帶寬，但顯然無法滿足同時放大C+L波段的要求。
拉曼光纖放大器可以實現任意波段內的信號放大，對消偏的泵浦源，其偏振相關增益不敏感，不同波長信號之間串擾噪聲較低，並具有良好的飽和輸出功率和很好的噪聲係數，特別是分布式拉曼光纖放大器，由於其增益介質本身就是傳輸光纖從而可以減小入射光纖的信號光功率，同時在線放大可以避免在光纖傳輸中信號光功率降得太低。
採用多泵浦激勵來均衡拉曼光纖放大器增益，可以實現C+L波段的寬帶放大。例如文獻1「Y.Emori，et al.，『1-THz-spaced multi-wavelength pumping for broadband Ramanamplifiers』，ECOC』2000，Vol.2.pp.73-75.」中，採用N＝12個泵浦雷射器進行合波後作為激勵源，然後通過設定適當的各雷射器的輸出中心波長和功率來實現增益波譜的平坦化。但是這種平滑寬帶信號增益的方法需要數量較多的激勵光源，控制這麼多的激勵光源的功率來平坦增益波譜就會變得很不容易。而且FRA激勵源的功率利用效率較EDFA低很多，達到相同的增益，FRA激勵光源需要更高的功率，而較多的激勵光源又使合波結構變得更複雜，這樣就會大大提高光纖放大器的成本。
本實用新型綜合EDFA和FRA的優點，採用混合放大的方式，利用EDFA的低成本、高增益和FRA的靈活性、多泵浦增益平坦技術，在C+L波段實現信號的寬帶放大。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種成本低、增益高、靈活性好的混合型寬帶光纖放大器，為密集波分復用系統提供大容量的通信。
本實用新型設計的混合型寬帶光纖放大器，由拉曼光纖放大器(FRA)1、摻鉺光纖放大器(EDFA)2、固定光濾波器3和控制部分經電路連接構成，其結構如圖1所示。其中，FRA由隔離器9、信號源浦復用器8、拉曼增益光纖7、信號/泵浦解復用器6、隔離器10依次電路連接，泵浦雷射器陣列4經多泵浦合波器5與信號/泵浦解復用器6連接組成；信號/泵浦復用器8的輸出依次與衰減器16、多泵浦解復用器17、p-i-n管接陣列18連接後與控制器19連接；EDFA由信號/泵浦復用器15、摻鉺光纖14、信號/泵浦解復用器13、隔離器12依次電路連接，且泵浦雷射器11與信號/泵浦復用器連接組成；信號/泵浦復用器15的輸出依次與衰減器21、p-i-n管接陣列20連接後與控制器19連接；而控制器19分別與FRA中的泵浦雷射器陣列4和EDFA中的泵浦雷射器1連接；光濾波器3連接於FRA的隔離器10與EDFA的信號/泵浦復用器15之間。
本實用新型中，FRA主要用於放大L波段(1570nm-1610nm)，EDFA主要用於放大C波段(1530nm-1560nm)，兩者的有機結合，可實現C+L波段(1530nm-1610nm)的寬帶放大。
本實用新型中，控制器19為通常的控制器，它包括有轉換器(A/D)和微處理器(MCU)等。
本實用新型的工作原理如下信號光依次經過FRA1、光濾波器3、EDFA2實現放大。在經過FRA1的過程中，光信號從隔離器9輸入，依次經過信號/泵浦復用器8、拉曼增益光纖7、信號/泵浦解復用器6，然後從隔離器10輸出。在經過EDFA2的過程中，光信號從信號/泵浦復用器15輸入，經過摻鉺光纖14、信號/泵浦解復用器13，然後從隔離器12輸出。
控制動作過程的步驟如下一、分別測量激勵FRA1的泵浦源和激勵EFDA2的泵浦源的殘餘功率(1)激勵FRA1的泵浦源的殘餘功率經過衰減器16和多泵浦解復用器17到達p-i-n管接收陣列18；激勵EDFA2的泵浦源殘餘功率經過衰減器21到達p-i-n管接收20；把激勵FRA1的泵浦源的各個波長的殘餘功率和激勵EDFA2的泵浦源的殘餘功率轉化為相應的電信號。
(2)控制器包括了模數轉換器(A/D)，把各波長泵浦源殘餘功率相應的電信號由模擬量轉化成數位訊號，以便於微處理器(MCU)的測量處理。
(3)MCU保存測得的各波長的殘餘功率。
二、根據測得的各波長的殘餘泵浦源功率，調整激勵FRA1的各波長泵浦雷射器和激勵EDFA2的泵浦雷射器的功率(1)控制器包括對每一個泵浦雷射器的控制電路，它由MCU控制並改變每個泵浦雷射器輸出的功率。
(2)比較測得的各波長殘餘功率和增益平坦所要求的各波長殘餘功率。
(3)調整激勵FRA1的各波長泵浦雷射器和激勵EDFA2的泵浦雷射器的功率直到測得的各波長殘餘功率與增益平坦所要求的各波長殘餘功率一致。
增益平坦所要求的各波長殘餘功率由手動輸入到控制器中。


圖1為本實用新型提供的一種混合型的寬帶光纖放大器的結構圖。
圖2給出了一個普通的EDFA的特性增益譜線。
圖3給出了和EDFA相應的，主要放大L波段的FRA的特性增益曲線。
圖4給出了結合具有圖2和圖3兩級的輸出特性，所得到的放大輸出譜線。
圖5給出了與圖4相應的具有增益平滑效果的固定光濾波器衰減曲線。
圖6為結合圖4與圖5輸出特性，所得到的C+L波段的信號增益曲線。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例進一步具體描述本實用新型。
輸入信號光依次經過拉曼光纖放大器(FRA)1、固定光濾波器3和摻鉺光纖放大器(EDFA)2實現C+L波段的寬帶放大。FRA部分包括一組泵浦雷射器陣列4、泵浦合波器5、信號/泵浦解復用器6、拉曼增益光纖7、信號/泵浦復用器8、隔離器9和10，其EDFA部分包括一個泵浦雷射器11、隔離器12、信號/泵浦解復用器13、摻鉺光纖14、信號/泵浦復用器15。FRA的電路和EDFA的電路與原來的相同。FRA典型的噪聲係數為0dB左右，而EDFA典型的噪聲係數為5dB左右，因此信號光現經過FRA再經過EDFA，可以使該光纖放大器具有更加良好的噪聲特性。兩個光纖放大器中間級聯一個固定光濾波器，使信號波段內的增益更加平滑。其結構見圖1所示。
在FRA部分，由N個(12≥V＞1)泵浦雷射器(Laser Diode)構成泵浦雷射器陣列，經泵浦合波後把所有的雷射器能量耦合在一起作為FRA的激勵光源，該激勵光源經過信號/泵浦解復用器6送到拉曼增益光纖7。所有的光纖都有受激拉曼效應，都可以作為拉曼增益光纖。本實用新型作為分立式光纖放大器可採用色散補償光纖(DCF)，這樣既能進行色散補償，又有較大的拉曼增益。激勵光源經過拉曼增益光纖的傳輸後在增益光纖7的另一端通過信號/泵浦復用器8耦合出去，成為FRA用的殘餘激勵光。該殘餘光通過相應的衰減器16後，由多泵浦解復用器17分離出與泵浦雷射器陣列各個泵浦波長相應的N路殘餘激勵光，然後由p-i-n管接收陣列18檢測各個泵浦波長的殘餘光功率，並輸出相應的電信號。控制器19包括對殘餘光功率相應電信號的接收，並根據各波長的殘餘光功率對泵浦雷射器陣列中各路泵浦雷射的功率進行控制，以平滑相應信號帶寬內的增益曲線。
相應的在EDFA部分，泵浦雷射器11輸出的EDFA用激勵光經過信號/泵浦解復用器13送到摻鉺光纖14中，經傳輸後在摻鉺光纖的另一端，通過信號/泵浦復用器15耦合出去，成為EDFA用的殘餘泵浦光。該殘餘光通過相應的衰減器21後，由p-i-n管20接收檢測該泵浦殘餘光的功率，並輸出相應的電信號。控制器19接收該電信號，並根據測得的泵浦殘餘光功率對EDFA用的泵浦雷射器的功率進行控制，以平滑相應信號帶寬內的增益曲線。
圖2給出了一個普通的EDFA的特性增益譜線。由圖中可見EDFA可以產生很高的信號增益，但是它的增益峰值固定，峰值波長大約在1530nm和1535nm之間變化，而且它的平坦的增益譜寬較窄，只有20nm~30nm的3dB增益帶寬，因此必須採用增益平滑技術來擴大其工作帶寬。由於到EDFA在1560nm以後的信號增益斜率為負，只要採用1560nm以後信號增益斜率為正的放大器進行補償，則正好可以實現寬帶放大。考慮到FRA可以放大任意波段的信號，因此，採用增益與EDFA相適應的FRA與EDFA相級聯。
圖3給出了本實施例中和EDFA相應、主要放大L波段的FRA的特性增益曲線。與圖2相適應，FRA從短波長到1600nm，其增益斜率為正。本實施例中，FRA中採用了N＝2的泵浦雷射器陣列，即FRA用的激勵光源為一雙波長激勵源。和文獻1相比較，本實用新型大大降低了FRA中所需泵浦雷射器的數量，使增益平坦的控制更加容易，也大大降低了成本。
圖4給出了結合具有圖(2)和圖(3)兩級的輸出特性，所得到的信號輸出譜線。EDFA和FRA兩者的增益曲線在1560nm到1600nm之間，其增益斜率正好相互補償。但是由於EDFA增益譜線的不平坦性以及EDFA和FRA兩者的增益斜率並不完全匹配，因此，其寬帶的增益曲線仍然不平滑。
圖5給出了本實施例中與圖4相應的具有增益平滑效果的固定光濾波器衰減曲線。由於單有EDFA和FRA的兩級輸出特性的信號增益曲線在寬帶內仍然不夠平滑，因此採用固定光濾波器使信號波段內的增益更加平滑。固定光濾波器設置在FRA之後而不是之前，避免信號光功率在到達光纖放大器之前降得過低，從而降低信躁比，影響傳輸性能；並且使輸入信號光的功率滿足EDFA對輸入光功率的要求，其要求包含了兩點一是使輸入信號光功率滿足增益平滑的要求；另一點是避免輸入EDFA的信號光功率過大，滿足儘量減少EDFA中功率飽和的要求。在本實施例中，固定光濾波器採用了3個高斯型光濾波器級聯的形式。
圖6給出了本實施例中結合圖4與圖5輸出特性，最後得到的C+L波段平滑的信號輸出增益曲線。
本實用新型綜合了FRA和EDFA的優點，並利用兩者增益曲線的互補性實現了C+L波段的寬帶放大，同時大大減少了增益平滑所需的泵浦雷射器數，從而使的增益平滑控制更加容易，也降低了整個光放大器結構的複雜性和成本。
權利要求1.一種混合型寬帶光纖放大器，其特徵在於由拉曼光纖放大器(FRA)(1)、摻鉺光纖放大器(EDFA)(2)、固定光濾波器(3)和控制部分經電路連接構成，其中，FRA由隔離器(9)、信號源浦復用器(8)、拉曼增益光纖(7)、信號/泵浦解復用器(6)、隔離器(10)依次電路連接，泵浦雷射器陣列(4)經多泵浦合波器(5)與信號/泵浦解復用器(6)連接組成；信號/泵浦復用器(8)的輸出依次與衰減器(16)、多泵浦解復用器(17)、p-i-n管接陣列(18)連接後與控制器(19)連接；EDFA由信號/泵浦復用器(15)、摻鉺光纖(14)、信號/泵浦解復用器(13)、隔離器(12)依次電路連接，且泵浦雷射器(11)與信號/泵浦復用器連接組成；信號/泵浦復用器(15)的輸出依次與衰減器(21)、p-i-n管接陣列(20)連接後與控制器(19)連接；而控制器(19)分別與FRA中的泵浦雷射器陣列(4)和EDFA中的泵浦雷射器(1)連接；光濾波器(3)連接於FRA的隔離器(10)與EDFA的信號/泵浦復用器(15)之間。
2.根據權利要求1所述的光纖放大器，其特徵在於信號光依次經過拉曼光纖放大器、固定光濾波器和摻鉺光纖放大器(2)實現C+L波段寬帶放大，其中拉曼光纖放大器主要放大L波段，摻鉺光纖放大器主要放大C波段。
3.根據權利要求2所述的光纖放大器，其特徵在於泵浦雷射器陣列(4)中包含有N個泵浦雷射器，經多泵浦合波器合波後採取反向激勵的方式，通過信號/泵浦解復用器(6)送入拉曼增益光纖(7)，1＜N≤12。
4.根據權利要求2所述的光纖放大器，其特徵在於作為分立式放大器其拉曼增益光纖採用色散補償光纖。
5.根據權利要求1所述的光纖放大器，其特徵在於FRA用的殘餘泵浦光功率經過衰減器(6)、多泵浦解復用器(7)後由p-i-n管接收陣列(18)接收測量；EDFA用的殘餘泵浦光功率經過衰減器(21)後由p-i-n管(20)接收測量。
6.根據權利要求1所述的光纖放大器，其特徵在於控制部分分別根據p-i-n管接受陣列和p-i-n管接受測得的殘餘FRA激勵光功率和EDFA激勵光功率，分別控制FRA激勵用的泵浦雷射器陣列和EDFA激勵用的泵浦雷射器。
專利摘要本實用新型涉及一種混合型的寬帶光纖放大器。信號光依次經過拉曼光纖放大器(FRA)、固定光濾波器和摻鉺光纖放大器(EDFA)實現C+L波段(1530 nm~1610 nm)寬帶放大。其中FRA主要放大L波段(1570 nm~1610 nm)，而EDFA主要放大C波段(1530 nm~1560nm)。兩個光纖放大器中間級聯一個固定光濾波器，使信號波段內的增益更加平滑。控制部分分別根據p－i－n管接收陣列和p－i－n管接收測得的殘餘FRA激勵光功率和殘餘EDFA激勵光功率，分別控制FRA激勵用的泵浦雷射器陣列和EDFA激勵用的泵浦雷射器，使信號光波段內增益譜的平坦化更加容易。
文檔編號G02F1/35GK2631132SQ0325527
公開日2004年8月4日 申請日期2003年7月3日 優先權日2003年7月3日
發明者蔣鳳仙, 李蘇明, 沈駿 申請人:復旦大學, 上海亨通光電科技有限公司