CN100352113C - 光放大器 - Google Patents

Abstract

一种L波带EDFA可具有三个放大级。在第一级中，高功率980nm激光器用于产生C波带ASE噪声，该噪声用于泵浦第二级的掺铒光纤。第二级光纤设置成***模块，该***模块连接在第一级隔离器以及第二和第三级之间的级中损耗之间。通过选择具有一段光纤的***模块而得到放大器的期望增益，该光纤为给定输入功率设定期望放大器输出功率。

Description

光放大器

技术领域

本发明涉及光放大器，尤其涉及EDFA(掺铒光纤放大器)。特别地，但不排他地，与L波带放大器相关。

背景技术

EDFA在诸如WDM(波分复用)以及DWDM(密集波分复用)的光传输***中是众所周知的，所述的光传输***利用该EDFA来补偿在传输长度上出现的光损耗。在放大点之间的光损耗根据跨距或者光纤特性以及其他因素而发生改变。其结果是，传输线路上的不同放大器的输入功率并不恒定。作为结果，具有变化的光增益的放大器必须确保恒定的发射功率特性。任何固定增益放大器具有高度相关的增益平坦度，该增益度平坦取决于输入功率。现有的***被设计成使用单独的一组色散放大器，每个放大器在有限的输入功率范围内工作。这是人们所不希望的，其价格昂贵，并导致出现库存控制的问题，尤其需要制造和存储各种不同的放大器。

文献US-A-6222670示出了一种多级光放大器，其中第二EDFA的光纤长度作为分析放大器性能的程序的一部分而加载。

一种可替换的方案是设计可变增益放大器，该放大器具有可变光衰减器(VOA)，从而可以管理沿放大器长度的所需反转。这种放大器使得在约8-10dB的动态输入功率范围内不明显地削弱光信号噪声比(OSNR)。然而，它们需要将放大器设计成用于所需的最高增益。这使得价格昂贵。VOA控制复杂，并且与现有昂贵的固定增益放大器相比增加了大约20％的成本。

发明内容

因此，存在的问题是在多个不同放大器需要不同输入功率的情况下提供相对便宜的放大。本发明解决了该问题。

本发明提供了一种掺铒光纤放大器，包括第一和第二放大器级，第一放大器级包括高功率泵浦激光器以及用于在第一波带上产生放大自发发射的掺铒光纤，并且第二放大器级包括设置成由来自第一放大器级的放大自发发射进行泵浦以在比第一波带更长的波带的信号信道上产生增益的掺铒光纤，其特征在于，第二放大器级配置成一个可拆卸***单元，该可拆卸单元包括作为插头的可拆卸的上述掺铒光纤以及用于连接到放大器的连接器，该可拆卸的掺铒光纤被选择成对于给定的输入功率产生所需输出功率，所述连接器位于所述掺铒光纤的端部。

更特别的是，提供一种掺铒光纤放大器(EDFA)，其包括第一和第二放大级，第一放大级包括高功率泵浦激光器以及用于在第一波带上产生放大自发发射(ASE)的掺铒光纤，并且第二放大级包括设置成由来自第一放大级的ASE进行泵浦的掺铒光纤，从而在比第一波带长的波长的信号信道内产生增益，其中第二放大级包括一段可去除的掺铒光纤，对该掺铒光纤进行选择从而对于给定输入功率产生所需要的输出功率。

本发明还提供一种掺铒光纤放大器(EDFA)，包括第一、第二和第三放大级，第一和第三级包括固定增益级，该固定增益级具有泵浦激光器以及一段掺铒光纤，第一级的泵浦激光器为高功率泵浦激光器，用于在比由EDFA放大的信号波带短的波带内产生放大自发发射(ASE)噪声，并且其中第二放大级包括多个***级的一个，每个***级包括不同长度的掺铒光纤，在使用中，掺铒光纤由第一放大级产生的ASE噪声进行泵浦，对***级进行选择从而对于给定的信号输入功率从第三放大级产生预定输出信号功率给第一放大级。

在本发明的优选实施例中，放大器为L波带放大器，并且由第一放大级产生的ASE噪声为C波带ASE噪声。对于这种L波带放大器，优选的是由第一放大级泵浦激光器实现在第一级掺铒光纤中铒离子的接近全部的反转，从而产生C波带ASE噪声。因此，优选的是第一级泵浦激光器为980nm激光器。激光器的功率可以是几百MW。

优选的是EDFA具有第三级，该第三级包括设置在***第二级和第三级之间的级中损耗。该级可形成***级的一部分。第三级可为传统的掺铒光纤以及泵浦激光器，例如1480nm泵浦激光器。

本发明的实施例的优点是：可选作***模块的单个放大器可被用于在传输线路上提供所有的同轴放大器，而不管增益需要的不同。其具有的好处是，制造者仅需要进行单一设计并且保留简单的元件，这将降低成本。***模块是简单的，其主要包括一段掺铒光纤，并且保留几段不同长度的光纤的***单元的成本与放大器的整体成本相比要小。

由于放大器的第二级不使用泵浦激光器以及相关的控制电路，所以实施本发明的放大器的成本在现有技术上显著降低，尤其当泵浦激光器设备为该设备最昂贵的一个部分时。本发明中的L波带放大器可比传统L波带放大器便宜大约30％。

在本发明的一个优选实施例中，在第一级中采用980nm的泵浦激光器，从而产生C波带ASE噪声，其好处是可实现接近全部铒离子的反转，从而得到稳定的低噪声放大器。

现在仅通过实施例的方式，参考附图描述本发明的实施例。

附图说明

图1是传统的具有多级放大的DWDM光传输线路的示意图；

图2是EDFA放大器的示意图；

图3是图2的放大器更详细的图；

图4是实施本发明的EDFA的示意图；以及

图5是输出功率相对于图4第一和第二级放大器输出的波长的曲线。

具体实施方式

参考图1，多个波长信道□1到□n由光多路复用器12在单个光纤10上进行多路复用。所得的多路复用信号在沿着传输线路的多个点上进行放大。在该实施例中，示出了三个放大点14，16和18。在最终放大之后，信号多路复用由多路分离器20分成其组成信道□₁到□_n。单个信道由发光二极管22转换成光信号。

每个放大器为EDFA，每个EDFA所需要的输入功率取决于多个因素，包括放大器输入上的信号衰减。传统的信号损耗约为0.2dB/km。放大级之间的跨距是可变的，取决于网络的物理布局。在图1的实施例中，传统的跨距在具有约25dB的损耗的第一和第二EDFA放大器14、16之间为100km，在具有约10dB的损耗的第二和第三放大器16、18之间为20km。

国际电信联盟标准规定在传统WDM***内的信道间隔为100GHz，这意味着承载40个信道的***需要4000GHz的带宽。

众所周知，1550nm落在C波带内并且对于改变波长位于EDFA的相对平坦的区域中心，同时给出高增益系数。

L(长)波带指的是约1570nm和1605nm之间的波长。与C波带相比，这些区域的增益通过减小掺铒光纤的输入泵浦功率而实现。在波带上实现相当平坦的增益曲线，然而，相对增益系数与C波带中实现的增益系数相比更小。所述更小的增益可通过在放大器中使用更长的掺铒光纤以及更高的掺杂浓度来进行补偿。

在放大器的设计中，由每个跨度之间的损耗确定放大器的输入功率。设计者关注的是下一个放大级上的信号损耗。在传统的放大器***设计中，向每个跨度发出恒定的输出功率。当设计该***时，因为多个原因而引入较大的余量，例如为了弥补光纤老化时出现的增益损耗，还有为了弥补在光纤接合时(例如，在偶尔的分离之后)出现的显著损耗变化。

对于余量的要求取决于对信道间串扰和其他非线性影响的控制需要。这些影响随着信号发射功率而增加。随着DWDM***的进化，信道间隔从100GHz变成50GHz甚至于到25GHz。因此希望的是使用最小的必要功率，同时确保每个放大级有相同的输出功率。其结果是，需要放大器在宽范围的增益上工作。理想地，根据前一部分的损耗来调节每个放大器的增益。已经实现了采用几种不同的同轴放大器作为跨度损耗的范围，其可改变大约20dB，20dB太大以至于不能通过改变单个放大器的增益来进行处理。通常是指定多个不同的放大器，每个处理一部分输入功率。根据跨度损耗选择恰当的放大器，然而制造者不得不存有大量不同的放大器。

本发明基于使用C波带来泵浦L波带。其不局限于C和L波带，而是广泛地使用更短波长发射来泵浦更长的波长。例如L波带可用于泵浦XL波带。使用C波带泵浦L波带的理论已经公知，并且已经由M.Karasek在IEEE Photonics Technology Letters Vol II No.9第1111-1113页中标题为“Gain Enhancement in Gain-shifted Erbium-Doped Fibre Amplifiers forWDM Amplifiers”以及由Lee等人在IEEE Photonics Technology Letters VolII No.1第42-44页中的“Enhancement of Power Conversion Efficiency foran L-Band EDFA with a Secondary Pumping Effect in the Unpumped EDFASection”中进行过讨论。

该放大器由一段掺铒光纤30组成，该掺铒光纤30接收来自WDM耦合器32的输出。WDM耦合器的输入包括工作在980nm或者1480nm上的泵浦激光器34以及主传输光纤10上的信号功率。该传输光纤由WDM耦合器之前的隔离器36进行隔离，并且另一隔离器38设置在放大器的输出上。

激光器辐射激发光纤中的Er³⁺离子，并且产生三种跃迁：吸收、受激发射以及自发发射。受激发射出现在泵浦激光器的输入光子使受激离子返回到基态的时候。所发射的光子聚集并导致输入信号放大。对于有效的工作情况，希望使这些发射最大化。通常，希望使受激发射最小化，该受激发射出现在所激励的离子松弛到基态并且伴随着不可控制的光子发射时。这产生了噪声。泵浦激光器的目的是激励铒离子。所传递的能量随着激光波长的增加而减小。因此，980nm激光器比1480nm激光器发出更多的能量。1480nm泵浦将铒3+离子激励到4I 13/2波带顶部。然而，980nm激光泵激励Er3+到4I 15/2波带。激光泵的波长必须低于当它们松弛时由铒离子发射的波长。980nm激光泵给出了更好的噪声性能，然而1480nm泵浦更有效(给出更高的输出信号功率)。

图3示意性地示出了传统L波带EDFA的构造，例如可用于同轴WDM放大器的EDFA。由于增益需要缓慢增加从而平衡光谱平坦度和噪声性能，该放大器具有三个放大级。

在传输光纤10上示为P_in的输入信号到达方框，该方框包括抽头40、隔离器42以及WDM耦合器44。泵浦激光器46提供WDM耦合器44的其他输入，并向前泵浦掺铒光纤(EDF)48的第一级。EDF输出侧由隔离器50进行隔离，然后连接到另一WDM耦合器52上，该另一WDM耦合器52将能量从另一泵浦激光器54耦合到光纤上。在EDF56的第二级之后可包括级中接入(mid-stage access)(具有固定损耗)58。该级可安装在前述的多路复用信号的色散补偿单元中。该级中接入点之后连接另一隔离器60以及由另一WDM耦合器62耦合到***的另一泵浦激光器64，并且其泵浦EDF66的第三部分。最终的放大信号通过另一隔离器68，该另一隔离器68形成放大器的最终级。该点上的输出功率对于传输线路上所有的EDFA可以是相同的。

对于L波带放大器，整个的EDF长度可高达100m。这是在C波带放大器中需要的光纤长度的几倍。另外，光纤的铒离子掺杂浓度比C波带放大更高。

现在返回到色散补偿级58，在一般实践中是在最终的放大级之前***色散补偿。色散补偿光纤的纤芯比标准传输光纤如SMF、DMF或者NZ-DSF要窄。这意味着DCF纤芯中的功率密度比链路其他部分的功率密度高。因此在较好的实践中，在信号功率被最终的功率放大级放大之前使信号通过DCF。

当上述的EDFA的输入功率改变时，放大器增益将发生倾斜。当在放大器处发生更多反转时，放大器朝向C波带倾斜。这在L波带放大器中是显然不是希望的。这导致在现有技术中使用了几种不同的同轴放大器。每个放大器可在功率输入范围内运行，其在所有的信道上具有标称的平坦增益。在实践中，约1dB的平坦度是可接受的。为了改变该增益，可在光纤中使用更多的铒。这可通过例如具有包括可变激光泵浦功率的可变第二放大级来实现。然而，由于上述的色散补偿光纤中高功率密度导致的限制，出现了问题。

图4示出了实施本发明的放大器。从Karasek的标题为“GainEnhancement in Gain-Shifted Erbium-Doped Fibre Amplifiers for WDMApplications”以及上述的Lee等人的“Enhancement of Poser ConversionEfficiency for an L-band EDFA with a secondary Pumping Effect in theUnpumped EDF Section”中可以知道，C波带ASE功率可用于泵浦EDF并且提供增益给放大器内的L波带信道。高度反转的第一级产生大量的前向传递的C波带ASE。

我们已经理解高功率980nm泵浦激光器可用于第一级。该激光器可具有约300mW的功率。如图4所示，第二放大级不由激光器泵浦，而是专门依赖C波带ASE作为泵浦功率。我们还理解通过使用C波带ASE作为泵浦功率，就可以利用第二模块部分形成单个放大器，该第二模块部分依据所需的平坦增益进行选择。该模块部分可以是一个***部分。这克服了现有技术中不得不制作并且存储一系列放大器的问题。在图4的实施例中，可使用一系列***的第二级来形成单个放大器。与第一和第三级不同，该***级没有昂贵的外部元件，例如激光器或者耦合器，而是基本由几段EDF组成。

因此，在图4中，放大器的第一和第三级类似于图3。然而，第一级的泵浦激光器70为高功率980nm激光器。尽管作为功率等级的实施例给出的是300mW，但是该功率可依据应用进行改变。激光器功率足够得到全部的或者接近全部的Er³⁺离子反转是很重要的。其好处是可以提供好的噪声特性。

在图4中，第一EDF级48的输出通过隔离器50。EDF72的第二部分(未泵浦部分)作为由线路74所示的***部分***。光纤***部分的端部通过连接器78、80连接到放大器的剩余部分。每个连接器对的一半设置在***模块上，另一半设置在放大器上。

尽管DCF58可设置在***部分之上，但是优选的是***部分设置在色散补偿光纤58之前。第二级光纤吸收C波带ASE增益，从而产生希望的功率。DCF光纤的输入可设计为恒定，其希望能承受上述的DCF的高功率密度。因此，第二部分的光纤长度根据放大器的输入功率P_in以及希望的输出功率点进行选择。任何给定的P_in和P_out所需的长度将取决于光纤特性，例如掺铒浓度。

放大器的第三级与图3的类似，泵浦激光器泵浦EDF的第三级。该级可为传统的1480nm激光器，其优选为具有更好的功率转换效率。

因此，图4的放大器包括两个固定级以及可变增益第二级，该第二级为可变长度的EDF，其由第一级产生的ASE功率进行泵浦。该ASE功率在比第二和第三级的输出更短的波长上。因此，例如，可对第一级激光器进行选择，从而产生L波带ASE，该L波带ASE然后可用于泵浦第二级从而产生XL波带的平坦增益。

图5示出了输出功率相对于第一和第二放大级的波长的曲线。曲线80为第一放大级的输出功率。可以看到在约1560nm处存在大的泄漏。由附图标记90所表示的区域表示C波带的ASE噪声。该C波带从约1530nm延伸到1560nm。可以从曲线85看到C波带噪声已经被吸收，并且对应L波带信道存在功率峰值。可以理解，在C和L波带(1560-1570nm)之间的过渡区域中还有一些吸收。

第三放大级的输出曲线形状类似于曲线85。然而，该功率将在波长范围上更大。

本发明的实施例具有多个优点。如上所述，对于同轴或者其他放大级可产生单个基本放大器，同时对便宜而容易***的第二级进行选择从而给出给定输入功率的正确输出功率。实际上，这可合理化到多个无源EDF插头，每个覆盖期望输入功率范围的一部分。这对于不需形成大范围的放大器变体的制造者是有益的。另外，通过将泵浦激光器与相关控制电路一起从一级中消除，实现了更进一步的成本节约。值得考虑的是图4的实施例仅花费图3实施例约70％的成本。

本发明的实施例还具有的好处是：可变长度插头的安装是简单的，减小了安装所花的时间以及所需要的技术人员。这些因素都减少了成本。

本发明的实施例还具有的好处是：在第一级中使用980nm的高功率泵浦激光器可实现接近全部的Er³⁺离子的反转，从而在放大器中产生恒定的较低噪声。这又限制了进一步处理所需的处理量，以及当其他处理涉及一定程度的信号损耗时限制了所需的放大量。

对于本领域的技术人员来说，可以进行上述实施例的各种变形。例如，本发明并不局限于L波带放大器，在理论上，可应用到其中ASE噪声波长比目标波长更短的任何放大中。本发明不局限于上述的三级放大器。尽管现在三级放大器为优选方案，但是其他结构也可行的，并且可在某些情况下进行描述。必要的是在增益级中产生更短波长的ASE噪声并使用该噪声来泵浦随后级，从而产生更长波长的输出。

Claims (11)

1.一种掺铒光纤放大器，包括第一(48)和第二(74)放大器级，第一放大器级包括高功率泵浦激光器(70)以及用于在第一波带上产生放大自发发射的掺铒光纤(48)，并且第二放大器级包括设置成由来自第一放大器级(48)的放大自发发射进行泵浦以在比第一波带更长的波带的信号信道上产生增益的掺铒光纤(72)，其特征在于，第二放大器级(74)配置成一个可拆卸***单元，该可拆卸单元包括作为插头的可拆卸的上述掺铒光纤(72)以及用于连接到放大器的连接器(78，80)，该可拆卸的掺铒光纤(72)被选择成对于给定的输入功率产生所需输出功率，所述连接器(78，80)位于所述掺铒光纤(72)的端部。

2.根据权利要求1的掺铒光纤放大器，包括第三放大器级，用于放大来自第二放大器级的输出，并且包括激光泵以及掺铒光纤。

3.根据权利要求2的掺铒光纤放大器，包括设置在第二和第三放大器级之间的级中损耗。

4.根据权利要求3的掺铒光纤放大器，其中级中损耗设置在***单元中。

5.根据权利要求1的掺铒光纤放大器，其中由第一放大器级产生的放大自发发射在C波带内。

6.根据权利要求1的掺铒光纤放大器，其中由第二放大器级产生的增益在L波带内。

7.根据权利要求1的掺铒光纤放大器，其中第一放大器级的高功率泵浦激光器为980nm激光器。

8.根据权利要求1的掺铒光纤放大器，其中第一放大器级的高功率泵浦激光器具有足以使第一放大器级的掺铒光纤中基本上所有的铒离子反转的功率。

9.根据权利要求1的掺铒光纤放大器，其中第一放大器级的高功率激光器具有300mw功率。

10.根据权利要求2的掺铒光纤放大器，其中第三放大器级泵浦激光器为1480nm激光器。

11.根据权利要求2的掺铒光纤放大器，其中第一和第三级包括固定增益级，并且第二放大级包括多个***级之一，每个***级包括一段不同长度的掺铒光纤，该掺铒光纤在使用时由第一放大级产生的放大自发发射进行泵浦。

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