CN110120624A - 用于光学放大器的整合部件 - Google Patents

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郑嘉敏
B.P.基沃思
P.科尔伯恩
D.普卢姆王罗特
G.琼斯
S.麦克劳林
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Abstract

一种光学装置可以包括封装结构，其具有用于接收信号光的第一端口、用于提供泵浦光的光源、用于将信号光和泵浦光组合为组合光的组合器、用于发送组合光的第二端口、用于接收经放大光的第三端口、和用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光的自由空间光学***、和用于发送经放大信号光的第四端口。自由空间光学***可以包括光束整形光学器件，其在滤光之前将经放大光的光束尺寸进行扩大。

Description

用于光学放大器的整合部件
技术领域
本发明涉及光学放大器,且更具体地涉及组装在平坦光学封装结构(planaroptical package)上紧凑光学放大器。
背景技术
光学放大器是接收信号光并产生经放大信号光(即具有相对更高光功率的信号光)的装置。通常，光学放大器使用所谓的增益介质提供光学放大，该增益介质通过光源进行“泵浦”(即被提供能量)，例如泵浦激光器。在一些情况下，光学放大器可以光纤作为增益介质(这种装置可以称为光纤放大器)。在这种情况下，增益介质可以是掺杂有例如是铒、钕、镱、镨、铥和/或诸如此类的稀土离子的玻璃光纤。这种光纤可以称为有源光纤。在操作中，信号光与泵浦光传播通过有源光纤，且有源光纤输出从信号光和泵浦光产生的经放大信号光。通常，这种光学放大器包括与对光学放大进行控制、启用和/或监测有关的其他分立部件。这种分立部件例如可以包括一个或多个隔离器、组合器(例如波分多路复用器(WDM))、可调谐滤光器、分接头(tap)、光电二极管和/或诸如此类。
发明内容
根据一些可行的实施方式，一种光学装置可以包括封装结构，其具有：第一端口，用于接收信号光；光源，用于提供泵浦光；组合器，用于将信号光和泵浦光组合为组合光；第二端口，用于发送组合光；第三端口，用于接收经放大光；自由空间光学***，用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光，其中自由空间光学***包括光束整形光学器件，其在滤光之前将经放大光的光束尺寸进行扩大；和第四端口，用于发送经放大信号光。
根据一些可行的实施方式，光学封装可以包括：多个端口，其包括：用于接收信号光的第一端口、用于发送组合光的第二端口、用于接收经放大光的第三端口、和用于发送经放大信号光的第四端口；光源，用于提供泵浦光；组合器，用于将信号光和泵浦光组合为组合光；和自由空间光学器件，用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光，其中自由空间光学器件包括用于对经放大光重新设定尺寸的光束整形光学器件。
根据一些可行的实施方式，方法可以包括：通过光学装置的第一端口接收信号光；通过光学装置的光源提供泵浦光；通过光学装置的组合器将信号光和泵浦光组合为组合光；通过光学装置的第二端口发送组合光；通过光学装置的第三端口接收经放大光；通过光学装置的光束整形光学器件对经放大光的光束尺寸重新设定，其中光束整形光学器件被包括在光学装置的自由空间光学***中；通过光学装置的自由空间光学***且在重新设定尺寸之后对来自经放大光的经放大信号光进行滤光；和通过光学装置的第四端口发送经放大信号光。
附图说明
图1A是现有技术光学放大器的示意图；
图1B是本文所述的示例性紧凑光学放大器的概览图；
图2A-2E是紧凑光学放大器的示例性实施方式的示意图；
图3A-3D是与紧凑光学放大器的另一示例性实施方式有关的示意图；和
图4A和4B是紧凑光学放大器的额外示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
示例性实施方式的以下详细描述参照了附随的附图。相同附图标记在不同附图中可以表示相同或相似的部件。下文所述的实施方式仅仅是例子且目的不是将实施方式限制为确切公开的形式。替代地，实施方式被选择为用于描述，使得本领域技术人员能实现所述实施方式。
典型的光学放大器(例如掺杂铒的光纤放大器(EDFA))用几个分立部件构造，例如泵浦激光器、一个或多个隔离器、WDM、有源光纤(有时称为掺杂光纤)、可调谐滤光器、分接头、光电二极管、和/或诸如此类。图1A是现有技术光学放大器100的图，其包括用于泵浦激光器的分立部件、一对隔离器(例如在有源光纤之前的隔离器和有源光纤之后的隔离器)、WDM、可调谐滤光器、分接头和光电二极管。
如图1A所示，典型的光学放大器(例如现有技术光学放大器100)的分立部件通过在分立部件之间拼接光纤而互连。然而，这些分立部件、耦合到这些分立部件的光纤和/或光纤接头(fiber splice)会要求大量的物理空间(即光学放大器的总体尺寸会不期望地大)和/或会对光学放大器***引入大量损耗。进而，由于对分立部件之间管理光纤和拼接光纤的需要，这种光学放大器的制造会很耗时、昂贵和/或不适应自动化。
在一些情况下，多个功能(其通常通过单独的分立部件提供)可整合为单个所谓的“混合”部件(例如执行多个功能的单个部件)。例如，在一些情况下，通过图1A中的虚线和点状线所示，泵浦激光器和WDM可以整合以形成单个混合部件。作为另一例子，在一些情况下，如图1A中的虚线矩形所示，隔离器和WDM可以整合以形成单个混合部件。虽然图1A中未示出，但是实践中，混合部件包括两个或更多分立部件，其彼此实体地附接(它们之间没有光纤)。尽管使用这种混合部件(伴有泵浦激光器的可实现的尺寸减小)、使用高浓度有源纤维和其他这种改善可以减小光学放大器的总体尺寸(例如从数百毫米的尺寸到数十毫米的尺寸)和/或可以降低光学放大器的损耗(例如通过需要更少的光纤接头)，但是由于使用混合部件会带来许多问题。
一个问题是，尽管在使用一个或多个混合部件时可减少光纤和/或光纤接头的数量(例如与仅包括分立部件的光学放大器相比)，但是一些混合部件(和分立部件)仍然需要使用光纤互连。由此，使用混合部件不能完全解决如上所述的可制造性的问题。
另一问题是使用混合部件在光学放大器中引入光学对准的问题(例如在需要自由空间光***与光纤的耦合和/或光纤与自由空间光***的耦合时)。例如，通常会按与光学放大器的对准部件相关联的六个自由度来操作分立部件，且给定的分立部件可***作而导致另一分立部件的未对准。然而，因为给定混合部件包括两个或更多实体连接的分立部件，所以会丧失一个或多个自由度(例如因为每一个部件不能被单独对准)。进一步地，从给定混合部件的每一个部件而来的未对准会叠加(例如使得混合部件的其中一个部件的未对准被混合部件的另一部件的未对准所复合)，这会造成光学放大器的另一部件不易修正的未对准。如此，在使用一个或多个混合部件的现有技术光学放大器中，由于使用混合部件，使得光学对准更难和/或变得不可能，由此造成增加的损耗和/或降低的可制造性。
由于继续存在需要尺寸减小的趋势(具有改进的性能或至少维持性能)，光学放大器需要进一步的尺寸和损耗减小。然而，通过如上所述的现有技术光学放大器(例如现有技术光学放大器100、使用混合部件的现有技术光学放大器、和/或诸如此类)无法实现所需的尺寸和/或损耗减小。例如，为了允许光学放大器装配在独立可插拔光学放大器模块(例如独立可插拔EDFA)中或允许光学放大器整合到包括发射器和/或接收器(例如可插拔收发器)的可插拔模块中，需要光学放大器的尺寸进一步减少(例如小于约10毫米)，尤其在厚度方面(即薄厚)。通常，如上所述的现有技术光学放大器共享圆柱形平台(在两端部具有光纤尾纤)。由此，光学放大器的厚度减少有限(例如因为圆柱形平台的截面是旋转对称的)。进而，如上所述，甚至在通过使用混合部件实现一些尺寸减小时，尺寸减小也会造成损耗增加和/或装置可制造性降低。
本文所述的一些实施方式提供一种紧凑的光学放大器，其使用组装在平坦光学封装结构(例如光具座(optical bench))上的部件。如下所述，紧凑光学放大器在高度、长度和/或宽度方面尺寸减小(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)。另外，因对自由空间光***对光纤耦合和/或光纤对自由空间光***耦合以让光传播经过光学放大器***的更少需求，该紧凑光学放大器能降低损耗(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)。进而，该紧凑光学放大器提供一种包括前述混合部件不可能提供的进一步特征的能力，如下所述。
图1B是示例性紧凑光学放大器150的概览图。如图1B所示，紧凑放大器150可以包括一组端口110(例如端口110-1到端口110-4)、包括光束整形光学器件(本文有时称为光束整形器)的自由空间光学器件115、组合器118、有源增益介质(active gain medium)120和光源122。
如图1B所示，端口110-1可以是这样的端口，其用于接收信号光和向组合器118发送信号光以与泵浦光(通过光源122提供)组合为组合光。如进一步所示的，端口110-2可以是这样的端口，其用于将组合光发送到有源增益介质120，用于从组合光产生经放大光。如进一步所示的，端口110-3可以包括这样的端口，其用于从有源增益介质120接收经放大光，且将经放大光提供到自由空间光学器件115，用于从对来自经放大光的信号光进行过滤。在一些实施方式中，包括在自由空间光学器件115中的光束整形器可以包括一组部件(例如一个或多个透镜、棱镜和/或诸如此类)，其在滤光之前将经放大光的光束尺寸扩大(例如用于通过包括在自由空间光学器件115中的滤光器改善分辨率，用于满足自由空间光学器件115的一个或多个部件的性能要求，和/或诸如此类)。在一些实施方式中，在滤光之后，光束整形器可以减小经放大信号光的光束尺寸(例如用于让光束尺寸返回到之前的光束尺寸)。如进一步所示的，端口110-4可以包括用于发送经放大信号光的光。在以下的例子中描述紧凑光学放大器的部件的额外细节。
如图1B所示，在一些实施方式中，紧凑光学放大器150的部件可以组装在平坦光学封装结构上。应注意，尽管本文所述的实施方式是针对光学封装描述的，但是其他实施方式也是可行的，例如光学器件组装在光具座或置于光学封装中的载体上的实施方式。
在一些实施方式中，使用平坦光学封装结构能改善紧凑光学放大器150可制造性(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)。例如，因为紧凑光学放大器150的部件经由自由空间耦合(而不是通过拼接光纤)，所以可以消除对光纤管理和拼接的需要。由此，紧凑光学放大器150的组装可以适应自动化(例如自动拾取-放置过程)，由此降低制造成本。
进而，使用平坦光学封装结构可以允许紧凑光学放大器150的尺寸减小(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)。例如，在一些实施方式中，紧凑光学放大器150可以具有减小的高度(例如小于约4毫米(mm))，如与被现有技术光学放大器通常使用的圆柱形平台相比。
而且，该尺寸减小可在不牺牲性能的情况下实现。例如，因为紧凑光学放大器150的部件是基本上分立的部件，经由自由空间耦合，并组装在平坦光学封装结构上，所以每一个部件可针对任何自由度被单独操作，以便优化光学对准(即不损失自由度，如在使用混合部件的情况下)。紧凑光学放大器150的光学对准可以容易地实现(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)，这可以降低紧凑光学放大器150的成本和/或改善紧凑光学放大器150的性能。
另外，使用平坦光学封装结构并经由自由空间进行部件耦合可以提供将额外部件整合到现有技术光学放大器中不存在的光学封装结构中的能力。例如，由于使用平坦光学封装结构(和其上组装的部件的自由空间耦合)，一个或多个部件可以整合在光学封装中。这种部件的例子包括可调谐滤光器、可变光学衰减器、反射镜阵列(例如MEMS阵列)、色散性的部件(例如衍射光栅)、用于缓解串扰(cross talk)的一个或多个部件(例如挡板(baffle)、空间滤光器等)和/或诸如此类。
进一步地，使用平坦光学封装结构并经由自由空间进行部件的耦合可以提供处理热学方面问题的能力。例如，紧凑光学放大器的部件可以布置为使得具有高热敏感性的部件与热源(例如光源)相距足够距离，以便不影响性能。
针对图1B所示和所述的部件的数量和布置方式是作为例子提供的。实践中，与图1B所示的相比，紧凑光学放大器150可以包括额外部件、更少部件、不同部件、不同尺寸的部件和/或不同布置的部件。进一步地，提供紧凑光学放大器150作为紧凑光学放大器的示例性特征和能力的总览，在一些实施方式中，紧凑光学放大器可以包括一个或多个其他特征或能力，其例子在下文描述。
图2A-2E是紧凑光学放大器150的示例性实施方式200的示意图(本文称为紧凑光学放大器200)。如图2A所示，紧凑光学放大器200可以包括一组端口210(例如端口210-1到端口210-4)，一组透镜212(例如透镜212-1到透镜212-6)，隔离器214，一组反射镜216(例如反射镜216-1到反射镜216-5)，组合器218，有源增益介质220，光源222，色散性部件224，反射性部件226，和光电二极管(PD)228。端口210-1、210-2、210-3、和210-4可以分别对应于图1B所示的紧凑光学放大器150的端口110-1、110-2、11-3、和110-4。类似地，组合器218、有源增益介质220、和光源222可以对应于图1B所示的紧凑光学放大器150的组合器118、有源增益介质120和光源122。紧凑光学放大器200的一个或多个其他部件(例如隔离器214，反射镜216-1到反射镜216-5，色散性部件224，反射性部件226，PD 228，和/或诸如此类)可以对应于图1B中的紧凑光学放大器150的自由空间光学器件115。
如图2A所示，且如在下文进一步详细描述，紧凑光学放大器200可以接收信号光250，从信号光250和泵浦光252产生经放大光254，且对经放大光254进行滤光，使得通过紧凑光学放大器200输出等于或约等于期望波长的一部分经放大光254(本文称为经放大信号光256)。紧凑光学放大器200的部件如下文所述，随后是紧凑光学放大器200的示例性操作。
端口210-1包括在紧凑光学放大器200的光路上发送(即发射)光的端口。例如，如图2A所示且如在下文进一步详细描述的，端口210-1可以在朝向端口210-2的光路上发射信号光250。在一些实施方式中，端口210-1耦合到输入光纤，该输入光纤提供信号光250，用于被紧凑光学放大器200放大。
在一些实施方式中，如紧凑光学放大器200的情况，端口210-1可以包括从端口210-1以特定角度(例如与端口210-4发射经放大光254的角度不同的角度)发射信号光250的端口。在一些实施方式中，端口210-1和端口210-4可以间隔开，使得通过端口210-1以第一角度发射的信号光250和通过端口210-4以第二角度发射的经放大光254可在不同光路上被反射镜216-1引导，同时有利地允许共同部件(例如透镜212-1和隔离器214)的共享，这有助于紧凑光学放大器200的成本和/或尺寸的减小(例如因为相同部件可在不同光路上使用，而不是在不同光路上包括分离且重复的部件)。通常，紧凑光学放大器200的一个或多个部件可以布置在多个光路上(例如这样的一个或多个部件被多个光路上传播的光束共享)。例如，在一些实施方式中，单个隔离器214可以被信号光250和经放大信号光254共享，如图2A所示。虽然未被紧凑光学放大器200示出，但是可以在紧凑光学放大器中共享的部件的其他例子包括透镜212、反射镜216、分接滤光器(例如针对紧凑光学放大器300在下文所述的分接滤光器232)和/或诸如此类。
在一些实施方式中，使用单独端口210-1来发射信号光250和经放大光254可以减少紧凑光学放大器200中信号光250和经放大光254之间的串扰。
端口210-2包括一端口，以接收要被输入到紧凑光学放大器200的有源增益介质220中的泵浦光252和信号光250。例如，如图2A所示且如在下文进一步详细描述的，端口210-2可以接收信号光250和泵浦光252，两者可以被组合器218引导到端口210-2。在一些实施方式中，端口210-2耦合到有源增益介质220的输入，且由此操作作为与有源增益介质220关联的输入(即有源增益介质输入)。
端口210-3包括一端口，以在紧凑光学放大器200的光路上接收经放大信号光256(即等于或约等于期望波长的一部分经放大光254)。例如，如图2A所示且如在下文进一步详细描述的，端口210-3可以在紧凑光学放大器200的光路上接收经放大信号光256。在一些实施方式中，端口210-3耦合到输出光纤，该输出光纤输出通过紧凑光学放大器200产生的经放大信号光256。
端口210-4包括一端口，以在朝向反射性部件226的另一光路上发射经放大光254。在一些实施方式中，端口210-4耦合到有源增益介质220的输出，且由此操作作为与有源增益介质220关联的输出(即有源增益介质输出)。
透镜212-1可以包括透镜(例如圆形透镜)，以在朝向端口210-2的光路上让通过端口210-1发射的信号光250准直，和在朝向反射性部件226的光路上让通过端口210-4发射的经放大光254准直。
透镜212-2包括一透镜(例如圆形透镜)，以让信号光250和泵浦光252在端口210-2处聚焦。透镜212-3包括一透镜(例如圆形透镜)，在朝向端口210-2的光路上让通过光源222发射的泵浦光252准直。在一些实施方式中，透镜212-2和透镜212-3可以共同操作以对泵浦光252重新设定尺寸(例如放大)。例如，通过光源222发射的泵浦光252的光束尺寸可以与应在端口210-2处提供的泵浦光252的光束尺寸不同(例如比之更小)。在这种情况下，透镜212-2和透镜212-3可以布置为使得，在经过透镜212-2和透镜212-3之后，泵浦光252被重新设定尺寸为端口210-2处所需的(例如较大的)光束尺寸。
在一些紧凑光学放大器(例如紧凑光学放大器200，与图3A关联的紧凑光学放大器300)中，透镜212-4和透镜212-5用作光束整形光学器件，以在朝向反射性部件226的光路上对经放大光254重新设定尺寸，和在朝向端口210-3的光路上对经放大信号光256重新设定尺寸。在一些实施方式中，需要对经放大光254重新设定尺寸，以便改善与紧凑光学放大器200的可调谐滤光器(例如通过色散性部件224和反射性部件226共同形成的可调谐滤光器)有关的分辨率，和/或满足紧凑光学放大器200的另一部件(例如色散性部件224，反射性部件226，和/或诸如此类)的性能要求。在这种情况下，透镜212-4和透镜212-5可以布置为使得，在经过透镜212-4和透镜212-5之后，经放大光254被重新设定尺寸为色散性部件224和/或反射性部件226处所需的光束尺寸。类似地，透镜212-4和透镜212-5可以对经放大信号光256重新设定尺寸(例如使得光束尺寸恢复到之前的尺寸)，用于耦合到端口210-3。透镜212-4和透镜212-5可以在本文中共同被称为紧凑光学放大器200的光束整形光学器件。进一步地，在一些实施方式中，光束整形光学器件可以例如通过允许相对于给定部件处入射的光束尺寸来设定该给定部件的尺寸，而有助于减小紧凑光学放大器200的尺寸。应注意，在一些实施方式中，与紧凑光学放大器200中所示的相比，光束整形光学器件可以用一个或多个其他部件(例如不同数量的透镜、不同类型的透镜、一组棱镜等)形成。
在一些实施方式中，透镜212-4和/或透镜212-5可以是圆形透镜(例如使得经过透镜212-4和/或透镜212-5的光束保持圆形形状)。替换地，透镜212-4和/或透镜212-5可以是圆柱形透镜，其在仅一个方向(例如平行于图2A页面平面的方向)上对经放大光254和经放大信号光256重新设定尺寸。在一些实施方式中，光束整形光学器件可以使用变形棱镜(anamorphic prisms)而不是用透镜212-4和212-5形成，参照图4A和4B显示并描述其例子。
在一些实施方式中，透镜212-4和透镜215与色散性部件224和/或反射性部件226一起可以布置为使得，在经放大光254的光路和经放大信号光256的光路之间形成偏移。换句话说，透镜212-4和透镜215与色散性部件224和/或反射性部件226一起可以布置为使得，经放大信号光256的光路与经放大光254的光路不同。在一些实施方式中，这种偏移允许经放大光254和经放大信号光256被反射镜216-2的同一表面不同地引导，如下所述。
透镜212-6包括透镜(例如圆形透镜)以让经放大信号光256在端口210-3处聚焦，用于被紧凑光学放大器200输出。
隔离器214包括防止(即阻止)光束沿光路在不期望的方向上传播的部件。例如，隔离器214可以布置为防止或阻止反射的信号光250和/或反射的经放大光254(例如从反射镜216-1朝向端口210-4传播的一部分信号光250和/或一部分经放大光254)在端口210-1和/或端口210-4处被接收。如图2A所示，在一些实施方式中，隔离器214可以布置在端口210-1和反射镜216-1之间的光路上和端口210-4和反射镜216-1之间的光路上。
应注意，尽管紧凑光学放大器200包括单个隔离器214(例如信号光250和经放大光254经由该隔离器传播)，但是在一些实施方式中，紧凑光学放大器200可以包括多个隔离器214。例如，为了减少信号光250和经放大光254的串扰，信号光250和经放大光254的光路可以被设计为基本不平行(例如通过以基本上不同的角度发射信号光250和经放大光254，和/或诸如此类)。在一些实施方式中，紧凑光学放大器200可以包括一对隔离器214(例如信号光250经由一隔离器传播，而经放大光254经由隔离器214传播)。
反射镜216包括反射镜，以形成经过紧凑光学放大器200传播的光束的折叠光路。具体说，反射镜216-1和反射镜216-2(例如图2A所示的标记为“L”的棱柱反射镜216-2)可以布置为形成信号光250的折叠光路(folded optical path)。反射镜216-3可以布置为形成泵浦光252的折叠光路。反射镜216-1、反射镜216-2(例如图2A所示的标记为“R”的棱柱反射镜216-2的右表面)和反射镜216-5可以布置为形成经放大光254的折叠光路。反射镜216-5、反射镜216-2(例如图2A所示的棱柱反射镜216-2的右表面)和反射镜216-4可以布置为形成经放大信号光256的折叠光路。
在一些实施方式中，通过紧凑光学放大器200的反射镜216形成的折叠光路允许紧凑光学放大器200的尺寸(例如长度和/或宽度)减小(例如与不执行光路折叠的光学放大器相比，例如如上所述的现有技术光学放大器，其通常使用直线布置方式)。在一些实施方式中，紧凑光学放大器200的一个或多个反射镜216可以是平面反射镜，如图2A所示。另外或替换地，紧凑光学放大器200的一个或多个反射镜216可以是弯曲反射镜，其除了形成折叠光路外还提供光束整形功能。在一些实施方式中，紧凑光学放大器200的一个或多个反射镜216可以是固定反射镜或被促动的反射镜(例如微机电械***(MEMS)反射镜)。
组合器218包括这样的部件，其例如通过基于光束波长、基于光束方向、基于光束来源等传递(即传送)第一光束(例如信号光250)并反射第二光束(例如泵浦光252)，从而组合光束。例如，组合器218可以包括波分复用(WDM)滤光器、低通滤光器、光束组合器等。在一些实施方式中，组合器218可以反射约980纳米(nm)波长的光(例如泵浦光252)，且可以传递约1550nm波长的光(例如信号光250)。然而，其他例子也是可以的，且组合器218可以传递或反射一种或多种其他波长的光。如图2A所示，在一些实施方式中，组合器218可以布置为接收信号光250，且发送(传递)信号光250到端口210-2(例如经由透镜212-2)。如进一步所示的，组合器218可以布置为接收泵浦光252，且发送(反射)泵浦光252到端口210-2。
有源增益介质220包括增益介质(例如掺杂了例如铒，钕，镱，镨，铥，和/或诸如此类的稀土离子的光纤)，以使用泵浦光252来放大信号光250。例如，在有源增益介质220是掺杂了铒的光纤的情况下，具有约980nm波长的泵浦光252激励有源增益介质220的铒离子，其可经由受激发射将具有约1550nm波长的信号光250进行放大。在一些实施方式中，如图2A所示，有源增益介质220可以耦合到端口210-2，使得有源增益介质220的输入从组合器218接收信号光250和泵浦光252(例如经由透镜212-2)。如进一步所示的，有源增益介质220可以耦合到端口210-4使得有源增益介质220的输出(即经放大光254)通过端口210-4发射。在一些实施方式中，如图2A所示，有源增益介质220可以布置在紧凑光学放大器200的平坦光学封装结构上。替换地，在一些实施方式中，有源增益介质220可以在紧凑光学放大器200的平坦光学封装结构以外。在一些实施方式中，有源增益介质220可以是掺杂光纤(如上所述)、掺杂玻璃杆、掺杂平面波导和/或诸如此类(例如除了掺杂光纤以外)。
光源222是激光二极管，以在朝向端口210-2的光路上发送泵浦光252。例如，在一些实施方式中，光源222可以是分布反馈(distributed feedback：DFB)激光二极管(其包括内置分布式布拉格反射镜(DBR)以控制激光波长)、法布里-珀罗(Fabry-Perot：FP)激光二极管、具有光纤布拉格光栅以控制激光波长的二极管激光器、具有反射式窄频带装置(例如DBR、布拉格光栅、窄频带反射器和/或诸如此类)以控制激光波长的二极管激光器，和/或诸如此类。
色散性部件224包括一部件，以基于波长将经放大光254分离为经色散波长的子光束。例如，色散性部件224可以包括衍射光栅、棱镜、阶梯光栅、棱镜光栅(grism)和/或诸如此类。在一些实施方式中，如图2A所示，色散性部件224可以布置在透镜212-5和反射性部件226之间的经放大光254的光路上。在一些实施方式中，色散性部件224和反射性部件226可以共同形成与在朝向端口210-3的光路上发送经放大信号光256有关的可调谐滤光器，如下所述。
反射性部件226包括一部件，以接收经放大光254并在朝向端口210-3的光路上发送(反射)一部分经放大光254(即等于或接近期望波长的一部分经放大的信号254，也称为经放大信号光256)(例如用于通过紧凑光学放大器200输出)。例如，反射性部件226可以包括微机电械***(MEMS)反射镜，硅上液晶(LCoS)反射镜，和/或诸如此类。在一些实施方式中，反射性部件226可以包括在反射性部件226的表面上的光栅，以便提供如上所述的色散功能。在这种情况下，紧凑光学放大器200可以不包括色散性部件224。
在一些实施方式中，色散性部件224和反射性部件226可以共同形成可调谐滤光器。例如，色散性部件224可以将经放大光254(例如沿平行于图2A平面的方向)分为经色散波长的子光束，使得每一个波长的子光束以不同角度离开色散性部件224。由此，经放大光254的经色散波长子光束入射到反射性部件226表面上的不同位置。这里，反射性部件226可以以特定角度调整，使得在用于在端口210-3处耦合的光路上发送特定波长信道子光束(例如等于或接近期望波长的一部分经放大光254，称为经放大信号光256的经放大光254)。在紧凑光学放大器200中，经放大光254的其他波长子光束不对准，使得这些其他波长子光束不与端口210-3耦合。在一些实施方式中，通过色散性部件224和反射性部件226形成的可调谐滤光器可以通过调整反射性部件226的角度而被调节(例如通过调整供应到反射性部件226的电压量)到期望波长，使得等于或接近期望波长的一部分经放大的信号254在朝向端口210-3的光路上发送。
在一些实施方式中，紧凑光学放大器200的可调谐滤光器可以包括色散性部件224，如上所述。另外或替换地，可调谐滤光器可以包括一个或多个其他部件，例如薄膜滤光器、标准具(etalon)和/或诸如此类。通常，紧凑光学放大器200的可调谐滤光器包括一个或多个部件，其在紧凑光学放大器200的一光路上接收经放大光254，且在紧凑光学放大器200的另一光路上发送经放大信号光256(即等于或接近期望波长的一部分经放大的信号254)，以与端口210-3耦合。在一些实施方式中，在紧凑光学放大器200不包括色散性部件224时，可以布置部分功率反射滤光器(类似于色散性部件224的布置方式)，以便将透射功率或反射功率分接到PD 228。
PD 228包括可选的光电二极管(或光电二极管阵列)以监测经放大信号光256的输出功率。在一些实施方式中，PD 228可以接收零级透射功率(zero-order transmissionpower)的经放大信号光256，其中在经放大信号光256沿朝向端口210-3的光路传播时零级透射功率的经放大信号光256被色散性部件224引导到PD 228。
在一些实施方式中，如图2A所示，紧凑光学放大器200的部件布置在平坦光学封装结构中。在一些实施方式中，平坦光学封装结构可以具有小于约4mm的高度，例如3.5mm。在一些实施方式中，平坦光学封装结构可以具有小于约12mm的宽度，例如8mm。在一些实施方式中，平坦光学封装结构可以具有小于约22mm的长度，例如18mm。在一些实施方式中，紧凑光学放大器200的平坦光学封装结构可以具有小于约一立方厘米的尺寸。
在一些实施方式中，紧凑光学放大器200的一个或多个部件可以布置在平坦光学封装结构的密封部分中。例如，紧凑光学放大器200的光学窗(例如通过图2A中阴影矩形所示)的右侧的部件——例如光源222、反射性部件226、和紧凑光学放大器200的光束整形光学器件(例如透镜212-4和透镜212-5)——可以布置在平坦光学封装结构的密封部分中。应注意，在一些实施方式中，一个或多个部件(例如反射镜216-3)可以布置在密封部分以外，由此在密封部分密封之后实现对准调整。
在紧凑光学放大器200的示例性操作中，且参考图2B，端口210-1(例如耦合到输入光纤)在从端口210-1朝向端口210-2的光路(有时称为第一光路)上发射信号光250。如图2B所示，信号光250传播通过隔离器214且被反射镜216-2的左表面和反射镜216-1引导到组合器218。组合器218经由透镜212-2发送(传递)信号光250到端口210-2(即有源增益介质220的输入)。
参考图2C，光源222在从光源222朝向端口210-2的光路(有时称为第二光路)上发射泵浦光252。如图2C所示，泵浦光252被反射镜216-3引导到组合器218。组合器218经由透镜212-2发送(反射)泵浦光252到端口210-2。在一些实施方式中，如上所述，透镜212-3和透镜212-2操作为对泵浦光252重新设定尺寸。有源增益介质220从信号光250和泵浦光252产生经放大光254。
参考图2D，端口210-4(例如耦合到有源增益介质220的输出)在从端口210-4朝向反射性部件226的光路(有时称为第三光路)上发射经放大光254。如图2D所示，经放大光254传播通过隔离器214且被反射镜216-2的右表面和反射镜216-1引导到紧凑光学放大器200的光束整形光学器件(例如透镜212-4和透镜212-5)。如上所述，紧凑光学放大器200的光束整形光学器件对经放大光254重新设定尺寸(例如增加其光束尺寸)(例如用于改善与通过色散性部件224和/或反射性部件226形成的可调谐滤光器有关的分辨率，以便满足色散性部件224和/或反射性部件226的要求，和/或诸如此类)。如进一步所示的，经放大光254被通过反射镜216-5朝向紧凑光学放大器200的可调谐滤光器(例如色散性部件224和反射性部件226)引导。
如上所述，且参考图2E，紧凑光学放大器200的可调谐滤光器(例如包括色散性部件224和反射性部件226)在从反射性部件226朝向端口210-3的光路(有时称为第四光路)上引导经放大信号光256(即等于或接近期望波长的一部分经放大光254)。如上所述，零级透射功率的经放大信号光256可以传递到PD 228。紧凑光学放大器200的光束整形光学器件对经放大信号光256重新设定尺寸(例如减小其尺寸)(例如用于将经放大信号光256重新设定尺寸为之前的光束尺寸)。进一步如图2E所示，反射镜216-5、反射镜216-2的右表面、和反射镜216-4经由透镜212-6将经放大信号光256引导到端口210-3，用于被紧凑光学放大器200输出。
针对图2A-2E所示和所述的部件的数量和布置方式是作为例子提供的。实践中，与图2A-2E所示的相比，紧凑光学放大器200可以包括额外部件、更少部件、不同部件、不同尺寸的部件和/或不同布置的部件。
图3A-3D是与另一示例性紧凑光学放大器300有关的示意图。如图3A所示，紧凑光学放大器300可以包括一组端口210(例如端口210-1到端口210-4)，一组透镜212(例如透镜212-1到透镜212-6)，隔离器214，一组反射镜216(例如反射镜216-1到反射镜216-5)，组合器218，有源增益介质220，光源222，色散性部件224，反射性部件226，PD 228。空间滤光器230，和分接滤光器(tap filter)232。紧凑光学放大器300的一个或多个其他部件(例如隔离器214，反射镜216-1到反射镜216-5，色散性部件224，反射性部件226，PD 228，空间滤光器230,分接滤光器232,和/或诸如此类)可以对应于图1B中的紧凑光学放大器150的自由空间光学器件115。
端口210、透镜212、隔离器214、反射镜216、组合器218、有源增益介质220、光源222、色散性部件224和反射性部件226可以以与针对图2A-2E所述的方式类似地操作和布置。
在紧凑光学放大器300中，PD 228可以被如上所述地操作。然而，如图3A所示，PD228可以布置为使得，在经放大信号光256经过空间滤光器230之后，PD 228接收通过分接滤光器232发送(反射)到PD 228的一部分经放大信号光256(例如不是PD 228在色散性部件224处从零级透射接收经放大信号光256，如紧凑光学放大器200那样)。
空间滤光器230包括一部件，用于过滤(例如阻止、重新导向、和/或诸如此类)经放大光254中的非期望波长的一个或多个部分(例如不等于或不接近期望波长的部分，例如剩余泵浦光252，通过紧凑光学放大器300产生的噪声，和/或诸如此类)。在一些实施方式中，空间滤光器230可以包括一组孔(例如蚀刻金属孔)，通过该一组孔引导经放大光254和经放大信号光256。关于空间滤光器230的额外细节在下文参照图3B和3C描述。
分接滤光器232包括一部件，用于将一部分经放大信号光256引导到PD 228，同时允许经放大信号光256的其余部分继续在朝向端口210-3的光路上行进。在一些实施方式中，分接滤光器232可以将小部分(例如小于或等于约3％的功率)的经放大信号光256反射到PD 228，同时允许经放大信号光256的其余部分(例如大于约97％的功率)继续在朝向端口210-3的光路上行进。
图3B和3C分别是滤光器230的俯视图和空间滤光器230的截面图。如图3B和3C所示，在去往反射性部件226的光路上传播的经放大光254可以经由第一孔而经过空间滤光器230。如进一步所示的，在去往端口210-3的光路上传播的经放大信号光256可以经由第二孔经过空间滤光器230。如图3B和3C所示且分别通过虚线箭头和虚线圆所示，经放大光254的其他部分(例如非期望波长的部分，不通过反射性部件226在去往端口210-3的光路上发送的部分经放大光254)可以入射到空间滤光器的用于阻挡或重新引导这些部分的那部分(例如使得这些部分被吸收或不再在去往端口210-3的光路附近的光路上传播)。
在一些实施方式中，这种空间滤光可以改善PD 228的频率响应。例如，参考图3D的左图，未通过空间滤光器230提供空间滤光，PD 228将对与离开端口210-3的波长范围相比更宽的波长范围作出响应。参考图3D的右图，空间滤光器230就位的情况下，PD 228可以对与端口210-3相似的波长范围作出响应，且由此PD 228可以提供对输出信号功率的更准确指示。
在紧凑光学放大器300的示例性操作中，且参考图3A，端口210-1(例如耦合到输入光纤)在从端口210-1朝向端口210-2的光路(有时称为第一光路)上发射信号光250。信号光250传播通过隔离器214且被反射镜216-2的左表面和反射镜216-1引导到组合器218。组合器218经由透镜212-2发送(传递)信号光250到端口210-2(即有源增益介质220的输入)。
如进一步所示的，光源222在从光源222朝向端口210-2的光路(有时称为第二光路)上发射泵浦光252。泵浦光252被反射镜216-3引导到组合器218。组合器218经由透镜212-2发送(反射)泵浦光252到端口210-2。在一些实施方式中，如上所述，透镜212-3和透镜212-2操作为对泵浦光252重新设定尺寸。有源增益介质220从信号光250和泵浦光252产生经放大光254。
进一步如图3A所示，端口210-4(例如耦合到有源增益介质220的输出)在从端口210-4朝向反射性部件226的光路(有时称为第三光路)上发射经放大光254。经放大光254传播通过隔离器214且被反射镜216-2的右表面和反射镜216-1引导到紧凑光学放大器300的光束整形光学器件(例如透镜212-4和透镜212-5)。如上所述，紧凑光学放大器300的光束整形光学器件对经放大光254重新设定尺寸(例如增加其光束尺寸)。在紧凑光学放大器300中，经放大光254经过空间滤光器230的第一孔。如进一步所示的，经放大光254被通过反射镜216-5朝向紧凑光学放大器300的可调谐滤光器(例如色散性部件224和反射性部件226)引导。
紧凑光学放大器300的可调谐滤光器在从反射性部件226朝向端口210-3的光路(有时称为第四光路)上引导经放大信号光256(即等于或接近期望波长的一部分经放大光254)。紧凑光学放大器300的光束整形光学器件对经放大信号光256重新设定尺寸(例如用于将经放大信号光256重新设定尺寸为之前的光束尺寸)。进一步地，在紧凑光学放大器300中，经放大信号光256经过空间滤光器230的第二孔(例如经放大光254的其他部分被空间滤光器230阻挡或重新导向)。如进一步所示的，反射镜216-5、反射镜216-2的右表面和反射镜216-4将经放大信号光256引导到分接滤光器232。分接滤光器232将一部分经放大信号光256引导到PD 228，且经由透镜212-6并将经放大信号光256的其余部分传递到端口210-3，用于被紧凑光学放大器300输出。
针对图3A-3C所示和所述的部件的数量和布置方式是作为例子提供的。实践中，与图3A-3C所示的相比，紧凑光学放大器300可以包括额外部件、更少部件、不同部件、不同尺寸的部件和/或不同布置的部件。进一步地，图3D仅仅出于展示的目的作为例子提供，且可以想到其他例子。
图4A和4B是分别是额外示例性紧凑光学放大器400和450的示意图。如图4A和4B所示，紧凑光学放大器400和450可以分别包括一组端口210(例如端口210-1到端口210-4)，一组透镜212(例如透镜212-1到透镜212-3和透镜212-6)，隔离器214，一组反射镜216(例如反射镜216-1到反射镜216-5)，组合器218，有源增益介质220，光源222，色散性部件224，反射性部件226，和一组变形棱镜234(例如变形棱镜234-1和234-2被包括在紧凑光学放大器400中，且变形棱镜234-1到234-3被包括在紧凑光学放大器450中)。紧凑光学放大器400和450的一个或多个部件(例如隔离器214、反射镜216-1到反射镜216-5、色散性部件224、反射性部件226、变形棱镜234-1到234-3和/或诸如此类)可以对应于图1B中的紧凑光学放大器150的自由空间光学器件115。
端口210、透镜212、隔离器214、反射镜216、组合器218、有源增益介质220、光源222、色散性部件224和反射性部件226可以以与针对图2A-2E所述的方式类似地操作和布置。应注意，虽然在图4A和4B中未示出，但是紧凑光学放大器400和/或紧凑光学放大器450可以包括PD 228、空间滤光器230、和/或分接滤光器232，其可以以类似于如上所述的方式操作和/或布置。
变形棱镜234是对朝向反射性部件226的光路上的经放大光254重新设定尺寸并对朝向端口210-3的光路上的经放大信号光256重新设定尺寸的棱镜。然而，与圆形透镜(例如透镜212-4和透镜212-5)对比，变形棱镜234仅沿一个方向(例如平行于图4A和4B页面平面的方向)对经放大光254和经放大信号光256重新设定尺寸。图4A显示了包括两个变形棱镜234的示例性紧凑光学放大器400，而图4B显示了包括三个变形棱镜234的示例性紧凑光学放大器450(不包括反射镜216-5)。
在一些实施方式中，如上所述，需要对经放大光254重新设定，用于改善与紧凑光学放大器200的可调谐滤光器(例如通过色散性部件224和反射性部件226共同形成的可调谐滤光器)有关的分辨率，和/或用于满足紧凑光学放大器400的另一部件(例如色散性部件224和/或反射性部件226)的性能要求。在这种情况下，变形棱镜234可以布置为执行这种尺寸的重新设定。换句话说，一组变形棱镜234可以形成紧凑光学放大器400或紧凑光学放大器450的光束整形光学器件(例如而不是透镜212-4和透镜212-5，如紧凑光学放大器200和紧凑光学放大器300的情况那样)。
在一些实施方式中，紧凑光学放大器400和450可以操作为以与如上所述类似的方式放大信号光250。
针对图4A所示和所述的装置的数量和布置方式是作为例子提供的。实践中，与图4A和4B所示的相比，紧凑光学放大器400和/或紧凑光学放大器450可以包括额外部件、更少部件、不同部件、不同尺寸的部件和/或不同布置的部件。
本文所述的一些实施方式提供一种紧凑的光学放大器其使用组装在平坦光学封装结构(例如光具座(optical bench))中的部件。紧凑光学放大器在厚度、长度、和/或宽度方面尺寸减小(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)。另外，因需要更少的自由空间光***对光纤耦合和/或光纤对自由空间光***耦合以让光传播经过光学放大器***，该紧凑光学放大器能降低损耗(例如与如上所述的现有技术光学放大器相比)。
前文内容提供了展示和描述，但是目的不是要将实施方式穷尽或限制为所公开的确切形式。可以在上述内容的启发下或从具体实施方式的实施过程中做出改变和修改。
例如，尽管本文所述的紧凑光学放大器是单级光学放大器，但是在一些实施方式中，多个紧凑光学放大器可以耦合以形成多级光学放大器。例如，第一紧凑光学放大器可以叠置在第二紧凑光学放大器上，以便形成两级紧凑光学放大器。在这种情况下，第一紧凑光学放大器和第二紧凑光学放大器200可以共享一个或多个部件，例如反射镜216(例如通过让反射镜216的高度加倍)，可以包括叠置部件(例如叠置透镜212、叠置隔离器214，叠置光源222，和/或诸如此类)，可以包括叠置端口210，可以包括反射性226的阵列(例如MEMS阵列)，和/或诸如此类。
作为另一例子，紧凑光学放大器的部件可以布置为形成平行光学放大器，其使用通过单个光源222提供的泵浦光252泵浦两个或更多光束信号光250。在这种情况下，与上述例子所示的相比，紧凑光学放大器可以包括额外端口210和/或一个或多个其他额外和/或不同部件或不同布置的部件。
作为另一例子，紧凑光学放大器的部件可以布置为提供泵浦切换功能，由此通过光源222提供的泵浦光252与泵浦信号光250的一个或多个分离光束相关联地被选择性地引导。在这种情况下，与上述例子所示的相比，紧凑光学放大器可以包括额外端口210和/或一个或多个其他额外和/或不同部件或不同布置的部件。
作为另一例子，紧凑光学放大器的部件可以布置为提供泵浦组合功能，由此通过两个或更多相应光源222提供的泵浦光252的两个或更多光束用于泵浦信号光250。在这种情况下，与上述例子所示的相比，紧凑光学放大器可以包括额外源222和/或一个或多个其他额外和/或不同部件或不同布置的部件。
作为另一例子，紧凑光学放大器的部件可以布置为提供偏振复用泵浦组合功能，由此通过相应光源222提供的泵浦光252的光束用于以不同的偏振泵浦信号光250的光束。在这种情况下，与上述例子所示的相比，紧凑光学放大器可以包括额外光源222、端口210、和/或一个或多个其他额外和/或不同部件或不同布置的部件。
作为另一例子，尽管本文所述的紧凑光学放大器使用与色散性部件224关联的反射性部件226以形成可调谐滤光器，在一些实施方式中，反射性部件226可以用作用于可变光学衰减器(VOA)的交换引擎(例如在多级光学放大器中)，作为用于可切换增益光学放大器的光开关，和/或诸如此类。
作为另一例子，在紧凑光学放大器包括WDM滤光器形式的组合器218的情况下，紧凑光学放大器可以在与组合器218关联的光路中包括一个或多个其他光学部件，例如增益修平滤光器(gain flattening filter：GFF)、带通滤光器(BPF)、和/或诸如此类。
即使特征的具体组合记载于权利要求中和/或公开在说明书中，这些组合的目的也不是限制本发明的可能实施方式。事实上，许多这些特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的各种方式组合。虽然每一个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是可行实施方式的公开包括与权利要求书中每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。
本文使用的元件、动作或指令都不应被理解为是关键或必不可少的，除非另有描述。还有，如本文使用的，冠词“一”目的是包括一个或多个项目，且可以与“一个或多个”替换使用。进而，如本文使用的，术语“组”应是包括一个或多个项目(例如关联项目，非关联项目，关联项目和非关联项目的组合等)，且可以与“一个或多个”替换使用。在指仅一个项目的情况下，使用术语“一个”或相似用语。还有，如本文使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等应是开放性的术语。进一步地，短语“基于”应是“至少部分地基于”，除非另有说明。

Claims (20)

1.一种光学装置，包括：
封装结构，具有：
第一端口，用于接收信号光；
光源，用于提供泵浦光；
组合器，用于将信号光和泵浦光组合为组合光；
第二端口，用于发送组合光；
第三端口，用于接收经放大光；
自由空间光学***，用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光，其中自由空间光学***包括光束整形光学器件，其在滤光之前将经放大光的光束尺寸进行扩大；和
第四端口，用于发送经放大信号光。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中自由空间光学***包括一部件，其布置在多个光路上，使得该部件被在多个光路上传播的相应光束共享。
3.如权利要求2所述的光学装置，其中该部件是隔离器，其用于将信号光和经放大光隔离，
其中多个光路包括信号光进行传播所沿的光路和经放大光进行传播所沿的光路。
4.如权利要求1所述的光学装置，其中自由空间光学***包括在封装结构的密封部分中的一个或多个部件。
5.如权利要求1所述的光学装置，其中光源和组合器在封装结构的密封部分中。
6.如权利要求1所述的光学装置，其中封装结构包括平坦光学封装结构，在其上布置第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、光源、组合器、和自由空间光学***。
7.如权利要求1所述的光学装置，其中信号光、泵浦光、经放大光或经放大信号光中的至少一个在光学装置中的折叠光路上传播。
8.如权利要求1所述的光学装置，其中自由空间光学***包括可调谐滤光器***，用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光。
9.如权利要求8所述的光学装置，其中可调谐滤光器***包括微机电***反射镜和衍射光栅。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中自由空间光学***包括空间滤光器，用于进一步对经放大信号光进行滤光。
11.如权利要求1所述的光学装置，其中第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、光源、组合器或自由空间光学***的一个或多个部件布置为对光学装置中的热问题进行管理。
12.如权利要求1所述的光学装置，其中封装结构具有的尺寸小于约一立方米。
13.一种光学封装结构，包括：
多个端口，包括：
第一端口，用于接收信号光，
第二端口，用于发送组合光，
第三端口，用于接收经放大光，和
第四端口，用于发送经放大信号光；
光源，用于提供泵浦光；
组合器，用于将信号光和泵浦光组合为组合光；和
自由空间光学器件，用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光，
其中自由空间光学器件包括用于对经放大光重新设定尺寸的光束整形光学器件。
14.如权利要求13所述的光学封装结构，其中自由空间光学器件包括一部件，其布置在多个光路上，使得该部件被多个光路上传播的相应光束共享。
15.如权利要求13所述的光学封装结构，其中自由空间光学器件包括在封装结构的密封部分中的一个或多个部件。
16.如权利要求13所述的光学封装结构，其中光源和组合器在封装结构的密封部分中。
17.如权利要求13所述的光学封装结构，其中光学封装结构是平坦光学封装结构，在其上布置第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、光源、组合器、和自由空间光学***。
18.如权利要求13所述的光学封装结构，其中自由空间光学器件包括可调谐滤光器***，用于对来自经放大光的经放大信号光进行滤光。
19.如权利要求13所述的光学封装结构，其中自由空间光学器件包括空间滤光器，用于进一步对经放大信号光进行滤光。
20.一种方法，包括：
通过光学装置的第一端口接收信号光；
通过光学装置的光源提供泵浦光；
通过光学装置的组合器将信号光和泵浦光组合为组合光；
通过光学装置的第二端口发送组合光；
通过光学装置的第三端口接收经放大光；
通过光学装置的光束整形光学器件对经放大光的光束尺寸进行重新设定，
其中光束整形光学器件被包括在光学装置的自由空间光学***中；
通过光学装置的自由空间光学***且在重新设定尺寸之后对来自经放大光的经放大信号光进行滤光；和
通过光学装置的第四端口发送经放大信号光。
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