專利名稱：性能改進(jìn)的增益平坦的摻鉺光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于改善多級(jí)摻鉺光纖放大器(EDFA)之性能的技術(shù)，其中摻鉺光纖放大器包含增益平坦的濾光器(GFF)，以及其它可能有損耗的部件，包括可變光衰減器(VOA)。
但是，靜態(tài)的GFF只能在單個(gè)增益值(即，在任一特定波長處的增益)上提供最佳的增益平坦度。如果通過改變反轉(zhuǎn)(例如，通過改變抽運(yùn)功率或信號(hào)功率)，改變了EDFA的增益，那么增益會(huì)按依賴光譜的方式改變抽運(yùn)功率或信號(hào)功率(例如參見，C．R．Giles和D．J．D．Giovanni在1990年的IEEE光子學(xué)技術(shù)快訊，第2卷，第797-800頁上發(fā)表的“摻鉺光纖放大器中增益和噪聲對光譜的依賴關(guān)系”；以及J．Nilsson，Y．W．Lee和W．H．Choe在1995年的“電子快訊”，第31卷，第1578-1579頁上發(fā)表的“用于WDM的具有動(dòng)態(tài)增益平坦度的摻鉺光纖放大器”)。結(jié)果，如果將傳統(tǒng)的EDFA用于需要其增益不同于放大器之設(shè)計(jì)增益的場合，那么如在所關(guān)心的波長帶中計(jì)算得到的，其增益光譜將顯現(xiàn)出過大的歸一化增益波紋((最大增益-最小增益)／最小增益)。一種光放大的光纖傳輸系統(tǒng)舉例說明了此情況是如何成為一個(gè)問題的，在該系統(tǒng)中，人們需要支持的光纖跨度短于設(shè)計(jì)放大器時(shí)所針對的光纖跨度。一般來說，為每種光纖跨度定制設(shè)計(jì)獨(dú)立的放大器是不現(xiàn)實(shí)的。因此，要么被迫使用具有畸變增益光譜的放大器，要么被迫向系統(tǒng)增加足夠的損耗，致使從放大器得到真正需要的設(shè)計(jì)增益。為了達(dá)到增益平坦的目的而故意加入系統(tǒng)的光衰減器試圖增加被加入信號(hào)中的噪聲量，并且相對于一個(gè)類似的放大器級(jí)聯(lián)來說，需要附加的抽運(yùn)功率，而所述放大器級(jí)聯(lián)已被重新設(shè)計(jì)成在實(shí)際需要的增益級(jí)上提供平坦的增益。通過在多級(jí)光放大器的增益級(jí)之間添加光衰減器，可以降低此性能損耗(例如，參見Y．Sugaya，S．Kinoshita和T．Chikama在1995年美國光學(xué)協(xié)會(huì)技術(shù)讀者叢書，《光放大器及其應(yīng)用》第？卷(美國光學(xué)協(xié)會(huì)，Washington DC)，第158-161頁上發(fā)表的“用于WDM系統(tǒng)的具有低噪聲和寬動(dòng)態(tài)范圍的摻鉺光纖放大器的新型結(jié)構(gòu)”；以及N．E．Jolley，F(xiàn)．Davis和J．Mun在1997年美國光學(xué)協(xié)會(huì)技術(shù)讀者從書，《光纖通信會(huì)議》第6卷(美國光學(xué)協(xié)會(huì)，Washington DC)第134-135頁上發(fā)表的“對具有低動(dòng)態(tài)增益傾斜且增益和輸出功率可變的EDFA進(jìn)行帶外電子增益箝位”)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是，利用這種在包含GFF的放大器中將衰減放置在增益級(jí)之間的方法，同時(shí)保持良好的光學(xué)性能。這對于所需GFF只能衰減部分增益光譜的寬帶EDFA來說尤其重要。當(dāng)只使用高衰減GFF，或者高衰減GFF與其它衰減光學(xué)元件一起使用時(shí)，也可以應(yīng)用該方法。
眾所周知，通過在兩個(gè)增益級(jí)之間適當(dāng)?shù)夭迦隚FF可以降低該GFF對光放大器性能的影響(例如參見M．Tachibana，R．I．Laming，P．R．Morkel和D．N．Payne在1991年IEEE光子學(xué)技術(shù)快訊第3卷，第118-120頁上發(fā)表的“具有平坦增益光譜的摻鉺光纖放大器”)。對于傳統(tǒng)的線路放大器，通過適當(dāng)?shù)姆胖脼V光器，可以明顯減小GFF的負(fù)面影響。但是，當(dāng)放大器向更寬的帶寬方向移動(dòng)時(shí)，因許多原因，GFF的影響將更大。較寬的帶寬要求GFF具有更大的峰值衰減。當(dāng)濾光器的峰值衰減增加時(shí)，其對放大器噪聲／輸出功率性能的負(fù)面影響一般也將增加。帶寬較寬的放大器還經(jīng)常使用鉺增益光譜(或者藍(lán)色帶)中波長較短的部分，它大致為1525-1540納米。一般來說，更難在這部分光譜中獲得最佳的噪聲性能，因?yàn)榉糯蠊饫w的本征噪聲性能對局部反轉(zhuǎn)更敏感。如以下所說明的，在最終功率級(jí)具有極低反轉(zhuǎn)的多級(jí)放大器中，這些效應(yīng)會(huì)彼此混合。
具體地說，
圖1示意地示出了三級(jí)EDFA 10。需要放大的光信號(hào)在輸出端11輸入EDFA 10，而放大后的光信號(hào)在輸出端12離開EDFA。EDFA 10包括三個(gè)增益級(jí)，它們的功率增益用G1、G2和G3表示。增益級(jí)G1、G2和G3中的每一級(jí)都包括一段被抽運(yùn)的摻鉺光纖。鉺摻雜物為該光纖段中傳播的光輻射提供了光增益。另一種方法是，可以用諸如稀土元素等除鉺以外的其它元素來提供合適的增益。
在圖1中，Ti是達(dá)到第i個(gè)增益級(jí)的凈(線性)透射系數(shù)。因此，Ti是有損耗部件之線性透射系數(shù)與放大部件之增益系數(shù)的乘積。因此，可以把Ti視作所指位置針對增益級(jí)Gi的所有部件的功率傳輸系數(shù)(考慮插入損耗)，其中i=1，2，3。Ti和Gi的量可以是波長的函數(shù)。Ftotal=F1Tin-1+F2Tin-2+F3Tin-3(1)]]>其中Fi是第一增益級(jí)的噪聲系數(shù)(線性單位)，而Tin-1是從放大器輸入端到第一增益級(jí)開始的所有光學(xué)部件的凈線性功率透射系數(shù)。與其它級(jí)的噪聲貢獻(xiàn)有關(guān)的符號(hào)用類似的方式表示。對于增益較高的放大器(G＞～20dB)，F(xiàn)1的最小可能值為2。一般如此設(shè)計(jì)光放大器，使得運(yùn)算時(shí)，等式1中的第一項(xiàng)支配總的噪聲系數(shù)，使F1盡可能地接近量子力學(xué)極限(高粒子數(shù)反轉(zhuǎn))。由于一般在后續(xù)的增益級(jí)中使用較低的反轉(zhuǎn)(一般，抽運(yùn)功率對信號(hào)功率的轉(zhuǎn)換效率較高最容易獲得較低的反轉(zhuǎn))，所以使這些級(jí)對總放大器噪聲系數(shù)的影響較小的唯一方法是使Tin-1=T1G1+…+Ti-1Gi-1(2)盡可能的高。即，使從放大器輸入端到第i級(jí)的凈功率傳輸系數(shù)盡可能的高。一般，這可以通過在第一級(jí)中使用高增益(～20 dB)來實(shí)現(xiàn)。由于建立了放大自發(fā)發(fā)射，所以較高的增益很難用單個(gè)級(jí)獲得。但是，寬帶放大器的GFF峰值衰減經(jīng)常達(dá)到或超過10 dB，同時(shí)10 dB增益動(dòng)態(tài)范圍會(huì)要求(可變)光衰減器的峰值衰減＞10 dB(10工作范圍+最小損耗)。另外，低反轉(zhuǎn)的噪聲系數(shù)可以在接近10至大于10的范圍內(nèi)。如果在放大器內(nèi)直接級(jí)聯(lián)具有插入損耗的部件(諸如這些)，那么它們的總衰減將導(dǎo)致低數(shù)值的Tin-i，并且影響放大器的總噪聲系數(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，克服此問題，以便改善多級(jí)EDFA的性能。
發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例，緩解了現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，并且改進(jìn)了多級(jí)光放大器。依照本發(fā)明，這可以用下述方式來實(shí)現(xiàn)，即在諸如多級(jí)EDFA等多級(jí)光放大器中，在GFF和光衰減器之間提供一種附加的增益級(jí)。
具體地說，依照本發(fā)明的一個(gè)說明性的實(shí)施例，一種光放大器系統(tǒng)包括多個(gè)增益級(jí)，這些增益級(jí)串聯(lián)布置，用于為系統(tǒng)中傳播的光信號(hào)提供增益。系統(tǒng)還包括一增益平坦濾光器，它用于降低光放大器在一特定波長帶中的增益變化；以及一光衰減元件。作為說明，光衰減元件包括可變光衰減器、開關(guān)、隔離器、添加復(fù)用器和去除復(fù)用器中的一個(gè)或多個(gè)。有一個(gè)增益級(jí)位于增益平坦濾光器和光衰減元件之間，用以降低光放大器系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)。作為說明，每個(gè)增益級(jí)都包括一段被抽運(yùn)的摻鉺光波導(dǎo)。在光信號(hào)于放大器系統(tǒng)中傳播的方向上，光衰減元件位于增益平坦濾光器的前面。或者，在光信號(hào)的傳播方向上，增益平坦濾光器位于衰減元件的前面。
一般來說，可以在前面的級(jí)中提供更多的增益，并且改善任何設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)。但是，一般這將降低抽運(yùn)功率對信號(hào)功率的轉(zhuǎn)換效率。因此，對噪聲性能和抽運(yùn)功率要求在許多感興趣的設(shè)計(jì)是折衷的。在許多情況下，依照本發(fā)明可以在固定噪聲系數(shù)或抽運(yùn)功率要求中的一個(gè)要求時(shí)，改善另一個(gè)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，增益平坦的光放大器包括多個(gè)光增益級(jí)和多個(gè)增益平坦濾光器級(jí)，它們按交替方式串聯(lián)布置。
圖2A是一示意圖，示出了依照本發(fā)明的具有可變光衰減器(VOA)的多級(jí)EDFA，其中VOA與GFF相隔一個(gè)增益級(jí)，并且在光信號(hào)的傳播方向上，GFF在VOA之前。
圖2B是一示意圖，示出了依照本發(fā)明的具有VOA的多級(jí)EDFA，其中VOA與GFF隔開，并且在光信號(hào)的傳播方向上，VOA在GFF之前。
圖3示出了一個(gè)多級(jí)EDFA，它包括位于一增益元件之前的第一GFF，以及位于該增益元件之后的第二GFF。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖2A示出了依照本發(fā)明說明性實(shí)施例的光放大器系統(tǒng)。光放大器系統(tǒng)20包括輸入端22和輸出端24，其中需要放大的光輻射通過輸入端22輸入系統(tǒng)，放大后的輻射通過輸出端離開放大器系統(tǒng)。作為說明，經(jīng)放大的光輻射的波長在鉺增益帶的范圍內(nèi)，例如1530-1560納米，盡管它可能比該范圍更寬。
放大器系統(tǒng)20包括三個(gè)增益級(jí)，其功率增益分別為G1、G2和G3。作為說明，每個(gè)增益級(jí)都包括一個(gè)摻鉺光纖放大器。這種放大器在美國專利第5，710，659號(hào)中有描述。一般，增益級(jí)G1具有相對較大的增益(15-20 dB)。其它增益級(jí)可能具有較低的增益，增益級(jí)G2大致為10-15dB，而增益級(jí)G3大致為5-10dB。這些值高度取決于放大器內(nèi)各部件(諸如GFF和VOA，但也可以是諸如色散補(bǔ)償器、光學(xué)添加／去除等其它部件)所含的衰減量以及對增益帶的選擇(較寬的增益帶要求GFF具有較高的峰值衰減)。T1表示輸入端22和第一增益級(jí)G1之間任何光學(xué)部件的功率傳輸系數(shù)。(在許多情況下，沒有這種部件)。GFF 26位于增益級(jí)G1和G2之間。例如，GFF的峰值衰減為10 dB。GFF峰值衰減取決于帶寬以及鉺光纖提供了多少增益，這里所述的增益是放大器提供的外部增益減去所有部件的總衰減。對于一般使用的摻鉺光纖類型，總的鉺增益為40 dB或更大的話，在1530納米-1560納米的范圍內(nèi)，峰值衰減為10 dB。衰減元件28位于增益級(jí)G2和G3之間。衰減元件28可以包括衰減器、VOA、開關(guān)或添加／去除元件，或者另一個(gè)具有衰減的元件，或者這些元件的組合。例如，衰減元件28的衰減大于10 dB。
將GFF 26與衰減元件28隔開一個(gè)增益級(jí)(即，增益級(jí)G2)的目的是，要獲得較高數(shù)值的Tin-1，以及低噪聲系數(shù)Ftotal。由于Ti在等式(1)的分母上，將其保持高數(shù)據(jù)可以使Ftotal較低。如果在放大器系統(tǒng)內(nèi)使GFF和衰減元件彼此直接級(jí)聯(lián)，那么它們的總衰減將導(dǎo)致Tin-1的數(shù)值較小，從而對放大器的總噪聲系數(shù)Ftotal造成不利的影響；或者導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換效率較差。本發(fā)明通過將GFF與衰減元件隔開一個(gè)增益級(jí)，克服了這一問題。
圖2B是一示意圖，示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。圖2B的光放大器系統(tǒng)20′類似于圖2A的放大器系統(tǒng)。區(qū)別在于，衰減元件28位于增益級(jí)G1和G2之間，而GFF 26位于增益級(jí)G2和G3之間。通過避免衰減元件28與GFF 26直接級(jí)聯(lián)，放大器系統(tǒng)20′也提高了噪聲性能。
對最佳結(jié)構(gòu)的選擇(即，圖2A或圖2B)將依賴于所關(guān)心的光譜帶，以及放大器設(shè)計(jì)的其它細(xì)節(jié)。因此，需要各案確定。通常，先放置GFF是有利的，因?yàn)槌谠鲆娣逯蹈浇?，它一般具有較低的插入損耗。因此，遠(yuǎn)離峰值的波長處的信號(hào)將受到相對較小的影響，而那些在峰值附近的波長處的信號(hào)可能會(huì)從第一級(jí)接收到相當(dāng)大的增益。在非峰值波長經(jīng)受相當(dāng)大衰減之前，這種結(jié)構(gòu)會(huì)給非峰值波長提供額外的增益級(jí)。另一方面，第一級(jí)的增益(一般被高度反轉(zhuǎn))通常在藍(lán)色帶(即，大致為1530納米)中較高。但是，如果放大器在平均反轉(zhuǎn)上工作，使得濾光器也補(bǔ)償鉺增益帶中長波長部分中的增益峰值，那么如果峰值衰減小于GFF的紅色帶峰值的峰值衰減，首先放置衰減器／其它部件將是有利的。用等式(1)或眾所周知的數(shù)字技術(shù)可以估計(jì)出噪聲性能。由于噪聲性能和對信號(hào)功率的抽運(yùn)一般要相對各級(jí)間增益的劃分進(jìn)行折衷，所以不能事先確定唯一的最佳方案。
本發(fā)明還適用于需要極高衰減的GFF(例如，峰值衰減＞10 dB)濾光器的情況。在該情況下，可以將GFF分成多個(gè)濾光器，它們的合成衰減等于將提供所需增益形狀性能的總衰減光譜。然后，將各種濾光器插入多個(gè)級(jí)之間。增益平坦濾光器可能在增益級(jí)之間被分開，致使子濾光器的峰值衰減小于所需要的總平坦。另一種方法是，用這種分裂方法簡化制造難度較大GFF的工藝。
圖3是一示意圖，示出了這種類型的光放大器系統(tǒng)30。需要放大的光輻射在輸入端32輸入放大器系統(tǒng)。放大后的輻射從輸出端34輸出。放大器系統(tǒng)包括三個(gè)增益級(jí)，它們的功率增益用G1、G2和G3表示。每個(gè)增益級(jí)都可以是由抽運(yùn)激光器抽運(yùn)的摻鉺光波導(dǎo)段。
在系統(tǒng)30中，T1表示在輸入端22和第一增益級(jí)G1之間的所有部件(如果有的話)的功率傳輸系數(shù)。在G1和G2之間有第一增益平坦子濾光器36，在增益級(jí)G2和G3之間有第二增益平坦子濾光器38。
以下在一個(gè)具體的實(shí)施例中，系統(tǒng)所具有的一些說明性的數(shù)值子濾光器36后的峰值7 dB ＠ 1530 nm子濾光器38后的峰值6 dB ＠ 1558 nm每個(gè)子濾光器36和38都可以用薄濾光器干涉濾光器技術(shù)(或者長周期光纖光柵等)來制作。
在本例中，應(yīng)該考慮增益在各增益級(jí)之間的光譜演化，并且應(yīng)該插入子濾光器，以保持與光譜有關(guān)的噪聲系數(shù)盡可能地均勻。在典型的具有高反轉(zhuǎn)前端的放大器中，這表示首先企圖衰減鉺熒光峰附近的波長(到濾光器分解作用所允許的程度)，然后將較長波長區(qū)域(它們更慢地建立總增益)的增益平坦衰減儲(chǔ)備在放大器中。
最后，本發(fā)明的上述實(shí)施例只是說明性的。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以不脫離以下權(quán)利要求書的范圍，描述各種其它的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1．一種光放大器，其特征在于，包括多個(gè)增益級(jí)，它們按串聯(lián)布置，用于為系統(tǒng)中傳播的光信號(hào)提供增益；增益平坦濾光器，用于降低所述光放大器在一特定波長帶中的增益變化；和光衰減元件；其中所述增益級(jí)中的一個(gè)位于所述增益平坦濾光器和所述光衰減元件之間，用以降低所述光放大器的總噪聲系數(shù)。
2．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述每個(gè)增益級(jí)都包括一段被抽運(yùn)的摻鉺光波導(dǎo)。
3．如權(quán)利要求2所述的光放大器，其特征在于，在所述放大器中光信號(hào)的傳播方向上，衰減元件位于增益平坦濾光器的前面。
4．如權(quán)利要求2所述的光放大器，其特征在于，在所述放大器中光信號(hào)的傳播方向上，增益平坦濾光器位于衰減元件的前面。
5．一種增益平坦光放大器，其特征在于，包括多個(gè)光增益級(jí)；和多個(gè)增益平坦濾光器級(jí)；其中所述增益平坦濾光器級(jí)和所述增益級(jí)以交替的方式串聯(lián)布置。
6．如權(quán)利要求5所述的光放大器，其特征在于，所述每個(gè)增益級(jí)都包括一段摻鉺光波導(dǎo)。
7．一種光纖放大器系統(tǒng)，其特征在于，包括輸入端，第一光信號(hào)通過所述輸入端輸入所述放大器系統(tǒng)；輸出端，第二光信號(hào)通過所述輸出端離開所述放大器系統(tǒng)；至少第一、第二和第三增益級(jí)，它們串聯(lián)布置在輸入端和輸出端之間，每個(gè)所述增益級(jí)都包括一段光波導(dǎo)，光波導(dǎo)中摻雜了一種用于提高光增益的元素；增益平坦濾光器，它連接在所述第一增益級(jí)和所述第二增益級(jí)之間；和具有光衰減的元件，它連接在所述第二增益級(jí)和所述第三增益級(jí)之間。
8．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一增益級(jí)最靠近所述第一輸入端，而所述第三增益級(jí)最靠近所述輸出端。
9．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一增益級(jí)最靠近所述輸出端，而所述第三增益級(jí)最靠近所述輸入端。
10．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一、第二和第三增益級(jí)中的每一級(jí)包括一段摻鉺的光波導(dǎo)。
11．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，具有光衰減的元件包括一個(gè)可變光衰減器。
12．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，具有光衰減的元件包括一個(gè)開關(guān)。
13．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，具有光衰減的元件包括一個(gè)添加-去除元件。
14．如權(quán)利要求7所述的放大器系統(tǒng)，其特征在于，具有光衰減的元件至少包括可變光衰減器、隔離器、添加復(fù)用器和去除復(fù)用器中的一種。
15．一種增益平坦光放大器系統(tǒng)，其特征在于，包括第一和第二增益平坦濾光器，它們的組合衰減結(jié)果是一總衰減，該總衰減為所述光放大器系統(tǒng)提供了所需的增益整形性能；和一個(gè)增益級(jí)，它位于所述第一和第二增益平坦濾光器之間。
16．一種光放大器，其特征在于，包括多個(gè)增益級(jí)，它們按串聯(lián)布置，用于為放大器中傳播的光信號(hào)提供增益，每個(gè)增益級(jí)都包括一段被抽運(yùn)的光波導(dǎo)；增益平坦濾光器，用于降低所述光放大器在一特定波長帶中的增益變化；和光衰減元件；其中所述增益級(jí)中的一個(gè)位于所述增益平坦濾光器和所述光衰減元件之間，并且為所述增益級(jí)選擇增益值，以便在固定噪聲系數(shù)和抽運(yùn)功率要求中的一個(gè)時(shí)，改善另一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多級(jí)光放大器(20),該放大器具有一個(gè)位于GFF(26)和光衰減器(28)之間的增益級(jí)(G2)。
文檔編號(hào)H01S3/067GK1294767SQ99804388
公開日2001年5月9日 申請日期1999年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月31日
發(fā)明者M·J·亞德勞斯基 申請人:康寧股份有限公司