CN109462135A - 一种光信号的放大输出方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光信号的放大输出方法以及***，放大输出方法包括以下步骤：所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，发出直流信号驱动激光器，激光器以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤放大输出光信号；以及，所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，设定PWM信号的高电流和低电流的占空比，发出PWM信号驱动激光器，激光器以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤放大输出光信号。无论激光器所需目标功率是大还是小，均能够保持光信号稳定，保证增益效果。

Description

一种光信号的放大输出方法及***
技术领域
本发明涉及光放大领域，具体涉及一种光信号的放大输出方法以及***。
背景技术
掺铒光纤放大器(EDFA)作为光纤通信链路上不可或缺的放大单元，在设计和应用中，需要综合考虑输入、输出功率大小，功率稳定性、增益范围、噪声要求等多种光学指标，以适应不同的应用环境。
较为典型的应用场景是，在较低的输入功率下，需求适中的光信号增益，此时放大器最后的输出功率也不会很大。EDFA是利用pump光在摻铒光纤中发生受激辐射，将能量转移到信号光上，从而达到放大特定信号光的目的，通过增大或减小pump光功率，就可以相应的增大或减小掺铒光纤所提供的光增益。在低输出功率的应用场景下，往往只需要pump激光器提供一定的pump光功率，所提供的能量就可以在掺铒光纤中达到增益要求。而现在商用的EDFA中使用的pump激光器都是LD(激光二极管，Laser Diode)，它有一个参数叫阈值电流，只有当驱动电流超过阈值电流时，LD才会随着电流的增大较为线性的输出光功率。在阈值电流附近，增加一点小的驱动电流，所输出的pump功率可能就可以使掺铒光纤中增益超过目标增益。而此时降低驱动电流的话，又会使驱动电流小于阈值电流，pump激光器完全不出光，掺铒光纤又失去增益能力。
因为上述原因，在目标输出光功率较低的应用场景下，EDFA的输出光功率非常不稳定。如果这个问题放任不管，轻则影响EDFA增益控制逻辑的实际效果，重则输出光的极度不稳定会导致EDFA在完全无法在低输出功率的工作状态下使用。若想保证EDFA完全胜任目标输出光功率较低的应用场景，EDFA在设计和应用时需要考虑合适到响应的增益范围和输出光功率范围，以及考虑噪声、平坦度、增益光谱范围等因素的限制，进行针对性的设计，才能够完全实现。
目前，EDFA还有另外一种方式，采用的pump激光器使用FBG构成外谐振腔结构进行稳频，具体来说，在激光器后的耦合输出光纤上，加入FBG(光纤布拉格光栅，Fiber BraggGrating)反射一部分pump光，一般为3％到5％，增强激光器谐振腔的反馈强度，从而达到稳定LD输出光的波长和功率的目的。使用FBG的方法优点是简单易得，直接在输出耦合光纤上刻蚀光栅即可。但是，在小pump光下，稳定pump光波长和功率的效果依然很差；且可能不同的激光器需求不同的反射功率，刻蚀的光栅反射率无法达到最佳匹配。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光信号的放大输出方法及***，解决激光器的目标输出功率较小时无法实现光信号放大的问题。
为解决该技术问题，本发明提供一种光信号的放大输出方法，所述放大输出方法包括以下步骤：所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，发出直流信号驱动激光器，激光器以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤放大输出光信号；以及，所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，设定PWM信号的高电流和低电流的占空比，发出PWM信号驱动激光器，激光器以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤放大输出光信号。
其中，较佳方案是，所述高电流的公式为：Ihigh＝Ith+I0，所述低电流的公式为：Ilow＝Ith-I0，其中，Ihigh为高电流，Ilow为低电流，Ith为激光器的阈值电流，I0为设定电流。
其中，较佳方案是，所述设定电流在10至40mA范围内。
其中，较佳方案是，所述放大输出方法还包括以下步骤：在激光器输出光纤的纤芯刻蚀光纤布拉格光栅，激光器发出的pump光经过光纤布拉格光栅反馈之后输出。
其中，较佳方案是，所述增益光纤为摻铒光纤。
其中，较佳方案是，所述激光器为激光二极管。
本发明还提供一种光信号的放大输出***，所述放大输出***用于实现如上所述的放大输出方法，所述放大输出***包括第一驱动模块、第二驱动模块、激光器和增益光纤，其中，所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，所述第一驱动模块发出直流信号驱动激光器，所述激光器以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，所述增益光纤放大输出光信号；以及，所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，所述第二驱动模块设定PWM信号的高电流和低电流的占空比，并发出PWM信号驱动激光器，所述激光器以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，所述增益光纤放大输出光信号。
其中，较佳方案是，所述第一驱动模块为pump激光器，所述第二驱动模块为晶体振荡器。
其中，较佳方案是，所述放大输出***还包括加法器，所述加法器分别与pump激光器和晶体振荡器连接；所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，所述加法器汇聚直流信号和PWM信号驱动激光器，所述激光器以第三输出功率发出pump光，其中，所述第三输出功率等于第一输出功率与第二输出功率相加之和；所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，所述pump激光器关闭，所述加法器以PWM信号驱动激光器，所述激光器以第二输出功率发出pump光。
其中，较佳方案是，所述高电流的公式为：Ihigh＝Ith+I0，所述低电流的公式为：Ilow＝Ith-I0，其中，Ihigh为高电流，Ilow为低电流，Ith为激光器的阈值电流，I0为设定电流。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种光信号的放大输出方法及***，在驱动电流远大于阈值电流时，采用直流驱动激光器的方式，以第一输出功率输出pump光到增益光纤中，再进行光放大，而在驱动电流临近于阈值电流时，采用PWM驱动激光器的方式，以第二输出功率输出pump光到增益光纤中，再进行光放大，如此一来，无论激光器所需目标功率是大还是小，均能够保持光信号稳定，保证增益效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明直流驱动激光器的流程框图；
图2是本发明PWM驱动激光器的流程框图；
图3是本发明PWM信号的示意图；
图4是本发明第一驱动模块驱动激光器的结构框图；
图5是本发明第二驱动模块驱动激光器的结构框图；
图6是本发明第二驱动模块的示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种光信号的放大输出方法的优选实施例。
具体地，一种光信号的放大输出方法，所述放大输出方法针对以下两种不同情况采取不同的方式进行光信号的放大输出。
情况一、参考图1，当所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，所述放大输出方法包括以下步骤：
步骤11、发出直流信号驱动激光器，激光器以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中；
步骤12、增益光纤放大输出光信号。
其中，最终放大输出的光信号需要增益光纤提供某一数值的增益，该增益与激光器的某一数值的驱动电流相匹配，以该数值的驱动电流对激光器进行驱动的话，激光器才能以相匹配的输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤再通过增益放大输出光信号，并且输出的光信号是所需光信号。但是，激光器设有阈值电流，当驱动电流较大于阈值电流时，激光器才能随着驱动电流的增大或减小输出较为线性的输出功率，并且输出功率较大，此时，定义驱动电流与阈值电流成第一关系。需要采取的放大输出方法如下描述：发出直流信号到激光器，驱动激光器以第一输出功率产生pump光，并将pump光发射耦合到增益光纤上。随后，增益光纤增益放大pump光之后，再进行光信号的输出。当直流信号增大或减小时，激光器能够增大或减小第一输出功率，使得增益光纤增大或减小增益。
情况二、参考图2，所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，所述放大输出方法包括以下步骤：
步骤21、设定PWM信号的高电流和低电流的占空比；
步骤22、发出PWM信号驱动激光器，激光器以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中；
步骤23、增益光纤放大输出光信号。
其中，当驱动电流邻近于阈值电流时，若还是采用直流驱动激光器的方法，增加一点小的驱动电流，激光器所输出的第一输出功率就可以使得增益光纤中的增益达到甚至超过目标增益，并且第一输出功率较小，而此时减小驱动电流，又会使得驱动电流小于阈值电流，激光器完全不出光，增益光纤也就失去增益功能。例如，在最终的输出功率在-10至0dBm的范围内，根据转换效率，只需1mW的pump光就可以达到增益要求。此时，定义驱动电流与阈值电流成第二关系。需要采取的放大输出方法如下描述：直流信号直接降到零，设定PWM信号的高电流和低电流的数值，以及高电流和低电流的占空比，也就等同设定了高电流和低电流的持续时间，值得一提的是，当驱动电流为高电流时，激光器发射pump光，当驱动电流为低电流时，激光器不发射pump光。随后，发出PWM信号到激光器，驱动激光器以第二输出功率产生pump光，并将pump光发射耦合到增益光纤中，需要说明的是，参考图3，PWM信号即是脉冲宽度调制信号，利用调节周期性脉冲信号的脉冲宽度，达到控制某一参数的目的。而后，增益光纤增益放大pump光之后，再进行光信号的输出。通过控制高电流的电流强度以及持续时间，电流转换速度极快，就可以控制激光器在一个小的输出功率范围内变化，而不是直接从有pump光到无pump光，或者从无pump光到有pump光发生变化，达到有效的控制增益精度和输出功率稳定性的目的。值得一提的是，当采用直流信号驱动激光器进行大功率输出时，驱动电流基本不受PWM信号的影响。
在本实施例中，所述高电流的公式为：Ihigh＝Ith+I0，所述低电流的公式为：Ilow＝Ith-I0，其中，Ihigh为高电流，Ilow为低电流，Ith为激光器的阈值电流，I0为设定电流。在采用PWM驱动激光器的方式时，直流驱动的驱动信号直接降到零，激光器通过PWM驱动。通过上述公式确定好Ihigh和Ilow的参数，再改变PWM信号周期的高电流占空比，就可以调节激光器的输出功率，以第二输出功率输出pump光，达到增光纤的目标增益要求，且输出功率稳定。其中，所述设定电流不做限定，根据不同的阈值电流可有不同的最佳数值，优选在10至40mA范围内。
进一步地，所述放大输出方法还包括以下步骤：
在激光器输出光纤的纤芯刻蚀光纤布拉格光栅，激光器发出的pump光经过光纤布拉格光栅反馈之后输出。
其中，先在激光器输出光纤的纤芯刻蚀光纤布拉格光栅(英文简称为FBG，英文全称为Fiber Bragg Grating)，构成外谐振腔结构，可进行稳频。随后，激光器发射的pump光到增益光纤时，会经过光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅反射部分pump光，一般为3％至5％范围内，增强谐振腔的反馈强度，从而达到稳定激光器输出的pump光的波长和功率的目的。需要说明的是，上述方法只在直流信号驱动激光器时使用，或者，在直流信号驱动激光器时以及在PWM信号驱动激光器时均可使用。
在本实施例中，所述增益光纤掺有铒元素，即是说，所述增益光纤为摻铒光纤，摻铒光纤为掺杂了少量稀土元素铒的光纤。所述激光器为激光二极管，所述激光器为常用的泵浦激光器，泵浦激光器是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器。
如图3至图6所示，本发明还提供一种光信号的放大输出***的较佳实施例。
具体地，一种光信号的放大输出***，所述放大输出***用于实现如上所述的放大输出方法，所述放大输出***包括第一驱动模块1、第二驱动模块2、激光器3和增益光纤4，所述激光器3分别与第一驱动模块1、第二驱动模块2和增益光纤4连接。
其中，参考图4，所需输出光信号相匹配的激光器3驱动电流与激光器3阈值电流成第一关系时，所述第一驱动模块1发出直流信号驱动激光器3，所述激光器3以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤4中，所述增益光纤4放大输出光信号。
以及，参考图5，所需输出光信号相匹配的激光器3驱动电流与激光器3阈值电流成第二关系时，所述第二驱动模块2设定PWM信号的高电流和低电流的占空比，并发出PWM信号驱动激光器3，所述激光器3以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤4中，所述增益光纤4放大输出光信号。
进一步地，参考图6，所述第一驱动模块11为pump激光器，所述第二驱动模块12为晶体振荡器。以及，所述放大输出***还包括加法器2，所述加法器2分别与pump激光器和晶体振荡器连接。所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，所述加法器2汇聚直流信号和PWM信号驱动激光器，激光器以第三输出功率发出pump光，其中，所述第三输出功率等于第一输出功率与第二输出功率相加之和。需要说明的是，由于直流信号的数值与PWM信号的数值相差较大，即是说，后续的第一输出功率和第二输出功率相差较大，所以，所述晶体振荡器对pump激光器的驱动基本无影响，例如，所述pump激光器最大输出2.5V电压，所述晶体振荡器输出10至20mV电压，所述加法器2最大输出2.51至2.52V电压到激光器，可知，所述晶体振荡器对pump激光器的驱动影响非常小，可忽略不计。所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，所述pump激光器关闭，所述加法器2以PWM信号驱动激光器，激光器以第二输出功率发出pump光。例如，所述pump激光器关闭，所述晶体振荡器输出0.01至0.02V电压，所述加法器2输出0.01至0.02V电压到激光器。值得一提的是，常用的掺铒光纤放大器的电路***本来就需要使用晶体振荡器，因此，在本放大输出***中，无需在电路上添加过多器件，只需增加加法器2，制造成本低。当然，所述第二驱动模块12也可以采用软件与硬件结合方式，通过软件编写输出的PWM信号。
在本实施例中，所述高电流的公式为：Ihigh＝Ith+I0，所述低电流的公式为：Ilow＝Ith-I0，其中，Ihigh为高电流，Ilow为低电流，Ith为激光器3的阈值电流，I0为设定电流。在采用PWM驱动激光器3的方式时，直流驱动的驱动信号直接降到零，激光器3通过PWM驱动。通过上述公式确定好Ihigh和Ilow的参数，再改变PWM信号周期的高电流占空比，就可以调节激光器3的输出功率，以第二输出功率输出pump光，达到增益光纤4目标增益的要求，且输出功率稳定。其中，所述设定电流不做限定，根据不同的阈值电流可有不同的最佳数值，优选在10至40mA范围内。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光信号的放大输出方法，其特征在于，所述放大输出方法包括以下步骤：
所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，发出直流信号驱动激光器，激光器以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤放大输出光信号；以及，
所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，设定PWM信号的高电流和低电流的占空比，发出PWM信号驱动激光器，激光器以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，增益光纤放大输出光信号。
2.根据权利要求1所述的放大输出方法，其特征在于，所述高电流的公式为：Ihigh＝Ith+I0，所述低电流的公式为：Ilow＝Ith-I0，其中，Ihigh为高电流，Ilow为低电流，Ith为激光器的阈值电流，I0为设定电流。
3.根据权利要求2所述的放大输出方法，其特征在于，所述设定电流在10至40mA范围内。
4.根据权利要求1至3任一所述的放大输出方法，其特征在于，所述放大输出方法还包括以下步骤：
在激光器输出光纤的纤芯刻蚀光纤布拉格光栅，激光器发出的pump光经过光纤布拉格光栅反馈之后输出。
5.根据权利要求4所述的放大输出方法，其特征在于，所述增益光纤为摻铒光纤。
6.根据权利要求5所述的放大输出方法，其特征在于，所述激光器为激光二极管。
7.一种光信号的放大输出***，其特征在于，所述放大输出***用于实现如权利要求1至6任一所述的放大输出方法，所述放大输出***包括第一驱动模块、第二驱动模块、激光器和增益光纤，其中，
所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，所述第一驱动模块发出直流信号驱动激光器，所述激光器以第一输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，所述增益光纤放大输出光信号；以及，
所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，所述第二驱动模块设定PWM信号的高电流和低电流的占空比，并发出PWM信号驱动激光器，所述激光器以第二输出功率发出pump光并耦合到增益光纤中，所述增益光纤放大输出光信号。
8.根据权利要求7所述的放大输出***，其特征在于，所述第一驱动模块为pump激光器，所述第二驱动模块为晶体振荡器。
9.根据权利要求8所述的放大输出***，其特征在于，所述放大输出***还包括加法器，所述加法器分别与pump激光器和晶体振荡器连接；所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第一关系时，所述加法器汇聚直流信号和PWM信号驱动激光器，所述激光器以第三输出功率发出pump光，其中，所述第三输出功率等于第一输出功率与第二输出功率相加之和；所需输出光信号相匹配的激光器驱动电流与激光器阈值电流成第二关系时，所述pump激光器关闭，所述加法器以PWM信号驱动激光器，所述激光器以第二输出功率发出pump光。
10.根据权利要求7所述的放大输出***，其特征在于，所述高电流的公式为：Ihigh＝Ith+I0，所述低电流的公式为：Ilow＝Ith-I0，其中，Ihigh为高电流，Ilow为低电流，Ith为激光器的阈值电流，I0为设定电流。
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