具有增益平坦濾波器的光纖放大器的製作方法
2023-12-01 06:13:41 1
專利名稱：具有增益平坦濾波器的光纖放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於摻鉺光纖並具有一個增益平坦濾波器的光放大器，還涉及包括這樣一種光放大器的一個纖維光網絡。
在用於遠距離傳輸的光纖網絡中，需要放大光信號。當然，可以用在直通線路中所建立的中繼器來實現這种放大，在這種線路中，包括將光信號轉換為電信號、對電信號進行放大、並將電信號轉換為光信號的一些部件。對於WDM信號，需要在WDM傳輸中對每種波長信道使用一個光電也可以是電光轉換器，還需要一個濾波器或一個多路分解器，用於濾出輸入信號中的不同波長。這樣做，顯然非常費錢，而且也會由於所需的電器件和光器件數目過多，而引起可靠性的問題。
另一种放大器包括以摻有稀土金屬的光纖為基礎的光纖放大器，主要是摻鉺光纖放大器。當用於光纖系統中時，例如是由於這种放大器與光纖的兼容性以及它們的高增益，所以這种放大器具有很大的優點，尤其是當將這种放大器用于波長多路復用傳輸系統時，更具有優勢，這是因為它們能夠同時對若干個WDM信道進行放大，而且只需要有限數目的電子器件。摻鉺光纖放大器的基本設計包括一種長度的有源摻鉺光纖，該光纖的輸入端與一個2至1光耦合器的輸出端相連，該耦合器在其一個輸入端上接收將要放大的信號，在其另一個輸入端上接收能為放大所述信號提供動力的更高能的光。這種更高能量的輸入光被稱作泵浦光，並且是由被稱作光泵浦的光功率源得到的。與信號波長相比，泵浦光具有較短的波長，且一般能量更高，並能夠在摻鉺光纖內，使鉺離子從低能量狀態躍遷到高能量狀態。當鉺離子返回到較低的能級時，就在光纖內產生了光。
但是，在摻鉺放大器中，可能存在與自發發射相關的問題。自發發射是由光纖內的泵浦光與鉺金屬離子相互作用而引起的，並表現為加到需要放大的信號上的噪聲。此外，當光在光纖內傳播期間，在兩個方向上，由自發發射而引起的光都被放大，這就引起了所謂的被放大的自發發射ASE。ASE幾乎與放大器增益成正比，因此，ASE譜與增益頻譜非常相似，在增益峰值處具有功率優勢。
在美國專利No.5,375,010中，公開了一種光放大器，它包括通過一個隔離器串聯連接的兩種長度的摻鉺光纖。該隔離器減小了在將光泵浦功率提供給第一長度的光纖時，由第二長度的光纖至第一長度的光纖的被回行放大的自發發射ASE的傳輸。
美國專利No.5,260,823公開了一種摻鉺光纖放大器，它在兩種長度的摻鉺光纖之間具有一個增益整形濾波器。該濾波器是工作於增益譜的峰值波長處的一個帶阻濾波器。可以對該帶阻濾波器的衰減進行選擇，使得它能精確地消除峰值波長處的較大增益，這樣它就能將整個增益譜修正為一個更均勻的形狀。典型的濾波器值包括在1531nm處的一個8dB的衰減，用於4nm的一個3dB帶寬。所使用的濾波器是以由光纖的傳播核心模式耦合至包層洩漏模式的波長選擇諧振為基礎的。所使用的單獨的光濾波器是通過周期性地幹涉光纖而得到的，且它是由周期為775μm的一個光柵構成的，光纖象三明治一樣夾在光柵和平板之間。也可以使用介電幹涉濾波器。
已有人提議將長周期濾波器用於增益平坦摻鉺放大器。在美國專利No.5,430,817中，在被兩種不同波長在相反方向激勵的放大光纖的長的每一端，都放置有長周期光柵濾波器，這些濾波器消除了通過放大纖維的長度的無用的泵浦能量。在IEEE Photonics Techn.Lett.1997年10月，第9、10卷，由Paul F.Wysocki等人寫的「Broad-band Erbium-Doped Fiber Amplifier Flattened Beyound40nm Using Long-Period Grating Filter」的文獻中，公開了在兩種長度的摻鉺光纖之間使用一種長周期光柵濾波器，這兩種長度都是在不同波長處被分別激勵的。在J.Lightw.Techn.,1997年5月第15卷第5期，由R.Lebref等寫的「Theoretical Study of the GainEqualization of a Stabilized Gain EDFA for WDM applications」中，原理性地研究了在某種情況下的增益平坦，在這種情況中，在兩種長度的摻鉺光纖之間插入一個第一帶阻濾波器，並具有連接在摻鉺光纖輸出端的一個第二帶阻濾波器，第一濾波器比第二濾波器更消耗功率。這些濾波器可以是具有近似為高斯特性的長周期纖維光柵。第一濾波器具有對於7nm的帶寬的在1531nm處的5.2dB的最大衰減，第二濾波器具有對於5nm的帶寬的在1533.4nm處的一個3dB的最大衰減。第一濾波器應當被插入在全摻雜光纖的第一個1/4之後，以便獲得最低的噪聲指數，或是放在第一個1/10之後，以便獲得最穩定的增益，但是後一種情況會引起很糟的噪聲指數。例如在1996Tech.Dig.Ser.Washington DC的Optical Fiber Communications會議文集中的Opt.Soc.Amer.1996年第2卷，第269-270頁，paper ThP4中，由A.Vengsarkar所寫的「Long-Period fiber gratings」中就說明了了如何製造長周期纖維光柵。
概述本發明的目的是一種提供具有低噪聲指數和高增益的光纖放大器。
由本發明所解決的問題是如何設計一種具有以傳統方式使其增益平坦、保持高增益以及低噪聲指數的光纖放大器。
被用作摻有象鉺這樣的一些稀有金屬的一種長度的光纖的這樣一種有源媒體的一種光纖放大器被設計為能對一些有用波段例如是1540-1555 nm的範圍內的光信號進行放大。有源光纖以傳統方式接收將要放大的光信號，以及來自泵浦源的第一泵浦波長的泵浦光。增益平坦濾波器連接於有源光纖長度內，以便給予該放大器一個增益，該增益對有用波段內的所有波長基本上都是恆定的。也可以將噪聲濾波器連接在有源光纖內的這樣一個位置上，該位置距離有源光纖的輸出端並不比距離增益平坦濾波器更近。這樣可以將有源光纖長度分為串聯連接的三個部分以及將這些濾波器連在一起的節點。噪聲濾波器有效地阻塞了具有位於自發發射的增益峰值附近的波長的光波，且增益濾波器對有用信道頻段內的波長進行衰減，以便產生平坦的增益曲線。噪聲濾波器的引入增加了放大器的總放大量，並保持了低噪聲指數。
附圖的簡要說明以下，將通過參照附圖的非限制性的實施例詳細說明本發明，其中
圖1是一張原理圖，它顯示了光纖放大器的一般結構；圖2是一張原理圖，它顯示了具有附加濾波的光纖放大器的結構；圖3是一張圖，它顯示了沒有以及具有噪聲濾波器的光纖放大器的在沿有源光纖的方向上的作為位置函數的總ASE功率；圖4是在沒有以及具有噪聲濾波器的光纖放大器內，沿有源光纖方向的，作為位置函數的標準化的粒子數反轉；圖5是在沒有以及具有噪聲濾波器的光纖放大器內，沿有源光纖方向，作為位置函數的泵浦功率以及飽和信號功率的圖；圖6是一張圖，它分別顯示了在僅具有連接於有源光纖長度之後的一個增益平坦濾波器的、在有源光纖長度的兩個部分之間僅具有一個增益平坦濾波器的、以及既具有一個增益平坦濾波器又具有一個噪聲濾波器的光纖放大器內，作為波長函數的輸出信號功率；圖7是一張圖，它顯示了在不具有、僅具有一個增益平坦濾波器以及既具有一個增益平坦濾波器也具有一個噪聲濾波器的光纖放大器內，作為波長函數的噪聲指數；圖8是一張圖，它顯示了在既具有增益平坦濾波器也具有噪聲濾波器的一個光纖放大器內，在有源光纖的長度方向上，作為位置函數的標準化粒子數反轉；圖9是ASE頻譜圖，它顯示了作為波長函數的ASE功率；圖10是一張噪聲濾波器的特性圖，它顯示了作為波長函數的濾波器的傳輸；圖11是一張原理圖，它顯示了光纖放大器的另一個實施例的一般結構；圖12是一張原理圖，它顯示了具有兩個泵浦源的光纖放大器的另外一個實施例的一般結構，以及圖13是一張原理圖，它顯示了使用光纖放大器的一個簡單的纖維光網絡。
最佳實施例的說明近年來，光纖放大器被用於圖13所示的纖維光網絡內的各種情況。這裡，一個纖維節點101接收一個電信號，該電信號被雷射器103轉換為光信號。該光信號被升壓放大器105放大，並由此被在長光纖107上傳送。在沿著光纖107進行傳送時，會對信號進行衰減，之後，由線路放大器109對其進行放大。光纖107上的光信號被接收節點111所接收，在該節點中，首先由前置放大器113對信號進行放大。經放大的信號被光檢測器115所檢測，並在其中被轉換為可以由節點向外提供的一個電信號。在這種網絡中，升壓器105、線路放大器109以及前置放大器113通常都包括使用某種長度的有源光纖作為放大媒體或元件的光纖放大器。
在圖1中，顯示了光纖放大器的一般結構，它適合於對輸入的光信號進行放大，這種光信號通常都是電磁單一模式類型的。光纖放大器的有源部分是一片或長度1的摻鉺纖維。摻鉺纖維長度1接收僅包括來自一些圖中未示出的光源的光信號模式的一個光信號，這些光信號到達光連接器3，並穿過普通的光纖從連接器3到達光隔離器5，並從光隔離器到達功率合併器或耦合器7的輸出端，功率合併器7在其另一個輸入端接收來自泵浦源9的泵浦光功率，所述泵浦源會產生例如是波長為980nm或1480nm的光。按常規，泵浦源是一個合適種類的雷射二極體。功率合併器7的輸出與摻鉺光纖1的輸入端相連。
摻鉺光纖1的輸出端與光功率分配器/合併器或耦合器11的輸入端相連。功率分配器/合併器11的一個輸出與光隔離器13相連，光隔離器的輸出端與連接器15相連。這樣，來自有源光纖長度1的光通過連接器15而被傳播到某些未示出的目的地。功率分配器/合併器11還在與其輸出端平行的輸入端接收來自第二泵浦源17的泵浦光，該第二泵浦源例如可以象產生波長為980nm或1480nm的光的第一泵浦源9一樣。在美國專利No.5,140,456以及5,218,608中公開了這種工作於相反入射方向上的兩個泵浦源。
如果泵浦光的傳播僅僅與所要放大的信號光的方向相同，則認為圖1所示的光放大器是同向泵浦的或是被同向泵浦的。在這種情況下，只有第一泵浦源9是有源的。這樣就可以忽略在輸出側的功率分配器/合併器11以及第二泵浦源17。如果泵浦光僅僅在與信號光的傳播方向相反的方向上進行傳播，則認為光放大器是反向泵浦的或是被反向泵浦的。在這種情況下，只有第二泵浦源17是有源的，並可以忽略位於輸出側的功率合併器7以及泵浦源9。如果泵浦光在兩個方向上就是說既在與信號光相同的方向上又在與其相反的方向上傳播，則認為光放大器是雙向泵浦的或被雙向泵浦的。在最後這種情況中，這兩個泵浦9和17都是有源的。
在980nm的較短波長處對光放大器進行泵浦的情況下，所有的光放大器的作用都象是一個三階發射雷射的系統，且最大粒子數反轉等於1，這樣噪聲指數的量子極限為3dB。在1480nm的較長波長處對光放大器進行泵浦的情況下，所有的光放大器的作用都象是一個兩階發射雷射的系統。最大粒子數反轉依賴於在這一泵浦波長處的吸收以及發射橫截面之比。最大粒子數反轉低於1，這樣噪聲指數的量子極限就大於3dB。通常，噪聲指數值為4dB。
在圖2的框圖中所示的經修改的光放大器中，有源摻雜光纖長度1被分為三段21、23、25，它們彼此串聯連接在一起。第一段21的輸入端與放大器輸入側的功率合併器7的輸出相連。通過這裡的信號光從輸入側的連接器3到達功率分配設備或耦合器27，減少了在光纖上的光功率的一小部分例如是1％，再達到象PIN二極體29這樣的功率測量設備。PIN二極體29的輸出信號表示輸入光信號的功率，並可被用於控制放大器。光功率的基本部分繼續傳輸到光隔離器5。同樣在輸出側，可以是一個監控接頭，這樣，在這一側上的光隔離器13的輸出就連接到功率分配器或耦合器31上，與輸入側上的功率分配器27相似，它也將光纖上的光功率減小一個小部分例如1％，再將其傳輸到向PIN二極體33這樣的一個功率測量設備上。圖2中所描繪的放大器僅僅是被同方向泵浦的，這樣，在與信號光一致的方向中，僅有一個雷射二極體9將光泵浦到有源纖維部分中。
在第一和第二有源纖維長度21、23之間是一個第一濾波器，這樣，所連接的噪聲濾波器37或LNF比總有源纖維長度的輸出端更接近於其輸入端。第一光纖長度21可以具有與總體有源光纖長度的0.1-0.4相應的一個長度。在第二和第三光纖長度23和25之間是一個增益平坦濾波器39或相連的FF，如此連接，使得與噪聲濾波器37相比，其更接近於總體有源光纖長度的輸出端。
在總體有源光纖長度的每一個所考慮的部分中，自發發射的發生是由於泵浦光而引起的。自發發射使得光從所需部分向兩個方向傳播，在對光進行傳輸的總體有源光纖長度部分，對光進行放大，該放大光被稱作經放大的自發發射，正如在前面所討論的那樣。噪聲濾波器37是一個限波濾波器或一個帶阻濾波器，用於阻塞以及強烈衰減對沒有任何濾波器的相同放大器內的峰值增益的波長處的波長，即阻塞大約1531波長處的區域內的波長，請看顯示了ASE頻譜的圖9以及圖10中所顯示的濾波器特性的圖。可將其製造為具有至少15dB的最大衰減的一個長周期的光柵濾波器。噪聲濾波器37對信號頻帶內的其它波長都是透明的。它不會影響光在有源光纖長度內的傳播，特別是，它對信號頻帶內的所有波長以及對於泵浦光的波長將是一種單模式類型。在圖3中，總ASE功率被繪製為其總長度為14m的、沿有源光纖長度方向的位置函數，實線曲線顯示了沒有使用濾波器時的總ASE功率，虛線曲線顯示了當將一個噪聲濾波器37放置在位於與總有源光纖長度相距0.1且沒有使用增益平坦濾波器39的情況下的總ASE功率。
特別是，由噪聲濾波器37所引起的回行總ASE功率的減小將會引起在總有源光纖長度的輸入端處的粒子數反轉的增加。這可從圖4中看出，圖4顯示了沿總有源光纖長度方向的作為位置函數的歸一化的粒子數反轉。平滑曲線說明了沒有任何濾波器時的粒子數反轉，在1.4m處有一個臺階的曲線(=0.1-14m)說明了僅僅有一個如上所述設置的噪聲濾波器37時的粒子數反轉。在輸入端處的較高的粒子數反轉引起了輸出光信號的較低的噪聲指數以及放大器的較高的增益。同時，還存在前向傳輸總ASE功率的減小，這也會引起較高的粒子數反轉以及較高的增益。這可以從圖5中看出，圖5顯示了對於根本沒有濾波器的總光纖長度的，以及對於具有如上所述連接的一個噪聲濾波器37的光纖長度的，沿該總有源光纖長度方向的，作為位置函數的泵浦功率以及飽和信號功率。
增益平坦濾波器39用於獲取WDM系統中所要求的平坦的增益外形，並可被製作為一個長周期的光柵濾波器。如果所連接的平坦濾波器39與總有源光纖長度的輸入端相距過近，則會降低輸出信號的噪聲指數。增益平坦濾波器應當具有一個位置，該位置位於與總有源光纖長度的輸入端相距大約為總有源光纖長度的0.3-0.4。由於是一個適當的位置，所以增益將會增加。這在圖6中得以顯示，圖6中顯示了對於三種不同情況的作為波長函數的輸出飽和信號功率，這三種情況包括僅有一個增益平坦濾波器連接在有源光纖的尾部，即在第三光纖片段25的尾部；僅有一個增益平坦濾波器即依據圖2的濾波器39連接在有源光纖的兩個片段之間；以及如圖2所示，既有增益平坦濾波器39也有噪聲濾波器37。圖6中最下面的曲線顯示了對於僅具有連接在有源光纖尾部的一個增益平坦濾波器的一個單個長度的光放大器纖維，其飽和信號功率。理論上，最低的平的或固定的曲線將是用於稍微大於13.8dBm的輸出功率。僅通過使用經適當設計的連接於有源光纖之內的增益平坦濾波器39，就可以得到對於略大於14.4dBm的一個恆定的值，請看圖6中的中間水平曲線。這種增益濾波器39沿總體有源光纖長度方向，對於不同的位置將具有不同的特性，即對其進行設計時，應當考慮它在沿有源光纖長度方向上的位置。通過使用一個增益平坦濾波器39以及一個噪聲濾波器37，可以進一步增加飽和信號功率，正如圖6的上部的水平曲線所顯示的那樣。圖7和8中顯示了作為波長函數的相應的噪聲指數以及標準化的粒子數反轉的圖。
可以利用已有技術的建議來設計增益平坦濾波器39，例如可以參見所引用的由Paul F.Wysocki等人所寫的文獻。該濾波器適用於選擇性地對光進行衰減，這種光具有位於用作信號傳輸的波段內的波長。特別是對其進行了設計，使其具有一種整個放大器的增益特徵，它能對在用作信號傳輸的波段內的光，儘可能地固定不變。
如圖10所示，噪聲濾波器37可以具有一個窄濾波範圍，該窄濾波範圍具有例如大約為10到12nm的一個3dB的帶寬，並具有大約-15到-20 dB的峰值衰減。增益平坦濾波器39對於信號頻帶的波長具有更低的衰減。例如這種增益平坦濾波器可以具有多於一個的彼此交疊的衰減波段，正如已有技術中所建議的那樣。在設計濾波器時，首先要選擇噪聲濾波器的特性。之後，使用如上述參考文獻中所提議的已知數據和算法，就可計算出所期望的增益濾波器的特性，這樣就確定了其設計，它給出了真實特性，它能儘可能地與所期望的濾波器的特徵相符，該特性對信號頻帶內的波長通常都具有恆定的增益。
噪聲濾波器37和增益平坦濾波器39可被合併為具有適當特性的一個單獨的濾波器41，正如圖11的框圖中所示的光放大器那樣。這樣就可省略有源光纖的中間長度23，這樣，單個的組合濾波器41就將第一光纖21的輸出端連接到第三光纖長度25的輸入端。
對具有如圖1中的一般光放大器那樣的被以來自有源光纖長度兩端的不同方向泵浦的光的一個光纖放大器，也有可能同時使用噪聲濾波器以及增益平坦濾波器。在圖12的框圖中，顯示了具有連接於兩個光纖長度21、25之間的組合了噪聲和增益平坦的濾波器41的一個被雙向泵浦的光放大器。圖12的放大器與圖11中的放大器的不同之處在於它具有與總有源光纖長度的輸出端相連的一個功率分配器/合併器11。分配器/合併器11接收來自泵浦源17的一個泵浦光，泵浦光一般具有比由泵浦源9在總有源光纖長度的輸入側所產生的泵浦光的波長還要長的波長。在一般情況下，在輸出側的泵浦源17發射1480nm的波長，該波長將要被與由輸入側的泵浦發生器9所產生的980nm波長的光相比較。
正如前面所說明的那樣，可以將這裡所說明的放大器中所用的濾波器設計為一個長周期光柵濾波器。在有源光纖被雙向泵浦的情況下，對濾波器進行設計，使其在非常靠近感興趣的波段的泵浦波長處，即一般情況中的大約1480nm處，也具有強烈的衰減，以便在減少噪聲指數的同時能提高增益。
來自泵浦光源9、17的功率輸出的電平可以在源內部進行控制，以及/或由從PIN二極體33中所導出的信號來控制，正如圖12中所示的那樣。
正如上面所說明的那樣，本文中所說明的放大器主要是為對電磁信號模式型的光信號進行放大而設計的。這意味著所使用的所有部件都不應當影響光的這種電磁模式，這其中既包含信號光也包含泵浦光。這樣，各個部件，尤其是光功率合併器以及濾波器，也應當被設計為能傳輸單一模式下的信號光和泵浦光中相應波長的光。
這樣，本文已經說明了例如是用於WDM網絡內的光纖放大器，它通過使用兩種濾波器或具有這兩種濾波器的組合特性的一個濾波器，而提供了低噪聲指數以及高增益。
權利要求
1．一種用於對具有一個波段內的波長的光信號進行放大的光纖放大器，該放大器包括一個有源光纖，具有適於接收將要被放大的光信號的一個輸入端，以及適於傳送經放大的光信號的一個輸出端，第一泵浦源，用於將第一泵浦波長的入射泵浦光射入有源光纖內，一個增益平坦濾波器，連接在兩種長度的有源光纖之間，連接在有源光纖的輸入端處的第一長度以及有源光纖的輸出端處的第二長度之間，其特徵在於噪聲濾波器連接在第一長度內，位於第一長度的兩個部分之間，所述噪聲濾波器適於阻塞當光纖放大器內沒有濾波器時，所存在的具有在被泵浦的有源光纖的增益峰值處的波長的光波。
2．依據權利要求1的光纖放大器，其特徵在於所述噪聲濾波器適於基本上阻塞掉具有位於1531nm附近的波長的光。
3．依據權利要求1-2中任何一項權利要求的光纖放大器，其特徵在於所述噪聲濾波器適於基本上阻塞掉具有15-20dB的增益峰值附近的波長的光。
4．依據權利要求1-3中任何一項權利要求的光纖放大器，其特徵在於所述噪聲濾波器具有10-12nm的帶寬。
5．依據權利要求1-4中任何一項權利要求的光纖放大器，其特徵在於所述噪聲濾波器適於基本上阻塞掉具有位于波長1521nm至1541nm之間的波長的光波。
6．依據權利要求1-5中任何一項權利要求的光纖放大器，其特徵在於所述噪聲濾波器連接在與所述增益平坦濾波器相同的位置上。
7．依據權利要求1-6中任何一項權利要求的光纖放大器，其特徵在於一個第二泵浦源，將第二泵浦波長的入射泵浦光射入有源光纖內，所述噪聲濾波器以及/或增益平坦濾波器適於強烈抵制第二泵浦波長的光。
8．依據權利要求7的光纖放大器，其特徵在於所述噪聲濾波器以及/或增益平坦濾波器適於強烈地衰減與所述第一和所述第二泵浦波長中較長的一個相對應的波長的光。
9．包括至少一個傳輸節點以及一個接收節點以及對具有波段內波長的光信號進行放大的一個光纖放大器的至少一個纖維光網絡，所述光纖放大器包括一個有源光纖，具有適於接收將被放大的光信號的一個輸入端以及適於前向放大光信號的一個輸出端，第一泵浦源，將第一泵浦波長的入射泵浦光射入所述有源光纖內，一個增益平坦濾波器，連接在兩種長度的有源光纖之間，位於所述有源光纖的所述輸入端處的第一長度與所述有源光纖的輸出端處的第二長度之間，其特徵在於一個噪聲濾波器連接在所述第一長度內，位於所述第一長度的兩個部分之間，所述噪聲濾波器適於阻塞當在光纖放大器內不存在濾波器時所存在的被泵浦的有源光纖的增益峰值處的波長的光波。
全文摘要
鉺型光纖放大器用於對諸如在1540—1555nm範圍波段內的內的光信號進行放大。有源光纖(21,23,25)接收將要放大的光信號以及來自泵浦源(9)的第一泵浦波長的泵浦光。增益平坦濾波器(39)被連接在有源光纖長度之內。噪聲濾波器(37)也連接在有源光纖之內,它離有源濾波器的輸出端不比離增益平坦濾波器(39)更近。噪聲濾波器(37)阻塞具有位於ASE增益峰值附近的波長的光波,增益濾波器(39)衰減有用信號頻帶內的波長,以便產生一個平坦的增益曲線。噪聲濾波器(37)的引入增大了放大器的總放大量。
文檔編號H04B10/294GK1296681SQ9980482
公開日2001年5月23日 申請日期1999年4月1日 優先權日1998年4月1日
發明者D·盧茨, P·布利克斯特 申請人:艾利森電話股份有限公司