CN113300197B - 一种多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多芯光纤通信***中以泵浦单元为中心的中继光放大***的结构，包括扩斑器、泵浦单元、掺杂光纤单元、缩斑器以及温度控制单元；泵浦单元设置东西南北4方向的接口组，分别与其余4个器件或单元相连接；来自于多芯光纤输入的光信号，经扩斑器变成了多根单芯光纤的空分多路信号引入泵浦单元，实现信号光与泵浦光的合路；合路的空分光信号经掺杂光纤单元获放大后再返回泵浦单元，分离出放大的光信号，并送至缩斑器，由缩斑器将多根光纤的空分多路信号组合成一根多芯光纤的复合信号输出；泵浦激光器为大功率激光器，采用集中泵浦、集中温控与外置制冷方式；并与温度控制单元相连，实现温度的集中调控，提高泵浦效率，降低能耗与成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种多芯多模高速光纤通信***的中继光放大***。
背景技术
随着高速通信***的发展，常规以波长为基本单元的光通道资源几乎用尽，所谓多维通信(多芯、多模、角动量复用等)是下一步高速大容量通信***的必然选择。其中重要的发展方向之一，就是在一根光纤中采用多芯结构，而每一芯则采用多模式复用，这种实现多芯且多模的光纤，称为多芯多模光纤。利用这种多芯多模光纤，单根光纤的传输容量大大增加，目前P比特(1015比特)1000公里的超长大容量通信***已经进入实验阶段，预示着超大容量的多芯多模高速光纤通信***(以下简称为多芯光纤通信***)将进入商用阶段。目前，已经有7芯多芯多模商用光纤提供，19芯光纤也进入现场试验阶段；然而在1000km的***设计中，每80km增加一个中继站，所以1000km的***要经过12个左右的中继站才可能实现。
在每一个中继站上，光放大是最基本的功能。当光纤增加到十几芯时，每根光纤都需要加增一个掺杂光纤放大器，可能达到10多个，这些放大器的布局、能耗和温度控制就成了一个严重的问题。
首先是如何将这些众多的放大器装配在一起。一个思路是每个放大器单独制作成一块板，这就是传统的结构思路。这种方法的缺点是泵浦源分散，每一个泵浦激光器都是一个独立的蝶形封装的半导体激光器，而这种封装的激光器，不仅输出功率上不去，一般只能达到500mW，电光转换效率也低于30％，而且价格昂贵；同时，制冷器和测温电阻是与激光器芯片封装在一起的，制冷效率低，制冷功率每个都需要2W，而且每个激光器都需要单独的调控***，不便于供电管理和温度调控。当激光器用量较少时，问题还不大，但当泵浦激光器数量增多的时候，比如当芯数达到7芯以上时，其泵浦激光器的数量将达到14只以上，当芯数达到19芯时，泵浦激光器数量可达38只。所以这种泵浦方式无论在泵浦光的电光转换效率、还是制冷效率都不高，造成很大浪费；而且众多的激光器管理不便，***复杂。
当前，功率在数十瓦或者上百瓦以上的大功率泵浦激光器已有商品供应，而且其电光转换效率已经达到50％，因此，采用单个或者少量的泵浦激光器即可实现对多根掺杂光纤的泵浦，而且采用专门的测温***和散热***，可以提高制冷效率和降低温度控制的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多芯多模高速光纤通信***的中继光放大***新结构，旨在解决现有技术中的多个小型泵浦激光器的光电转换效率低、泵浦激光器制冷效率低等能耗大、以及多个泵浦激光器分别温控和制冷电路复杂等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种多芯多模高速光纤通信***(简称多芯光纤通信***)以泵浦单元为中心和采用大功率激光器集中泵浦、外置制冷***的中继光放大***，包括：
光斑扩斑器(简称扩斑器)、泵浦单元、掺铒光纤单元、光斑缩斑器(简称缩斑器)和温度控制单元，其中，所述的泵浦单元设置有4个方向接口组：分别称为西向输入接口组、东向输出接口组、北向输出输入接口组、南向输入输出接口组；其中，来自于外部单根多芯多模光纤输入的光信号，经过扩斑器变成了多根单芯光纤的空分多路信号输出，并经由西向输入接口组将这组空分信号引入泵浦单元，实现与泵浦光的合路；然后这组与泵浦光合路的空分光信号经由北向输出接口组进入掺杂光纤单元获得光放大，放大后的空分多路光信号并经过北向输入接口组返回到泵浦单元；在泵浦单元实现剩余泵浦光与放大后的光信号的分离，然后经由东向输出接口组与缩斑器输入端相连，最后经由光斑缩斑器将多根光纤的空分多路信号组合成一根多芯光纤的复合信号输出。
其中，所述的泵浦单元还包括瓦级大功率的激光器，采用少数(比如2个)泵浦激光器实现多根(7根以上)掺杂光纤的泵浦，并采用集中温控与外置制冷方式；
其中，掺杂光纤单元中包括掺铒光纤、或者镱铒共掺光纤之一作为光放大的增益介质。
进一步的，所述泵浦单元还包括前泵单元；所述的前泵单元包括第一组光隔离器、多个波分复用器、第一大功率泵浦激光器和一个光分路器，第一组光隔离器的每个输入端与泵浦单元的西向输入接口组的一个端口相对应，第一组光隔离器的输出端与波分复用器的第一输入端相连，其输出端与泵浦单元的北向输出接口组的相对端口相连；第一大功率泵浦激光器与光分路器的输入端相连，光分路器的输出端(分路端)分别与波分复用器的第二输入端的对应端口相连。
进一步的，所述泵浦单元还包括后泵单元；所述的后泵单元包括多个波分解复用器、一个多输入的合路器、第二泵浦激光器和第二组光隔离器，波分解复用器的输入端与泵浦单元的北向接口组的输入端相连，每个波分解复用器的第一输出端口与光隔离器的输入端相连，波分解复用器的第二输出端口与多输入合路器的输入端相连、多输入合路器的合路端与泵浦激光器的输出端相连，第二组光隔离器的输出端与泵浦单元的西向输出接口组的对应端口相连接。
进一步的，所述的泵浦单元还包括外置的制冷***，所述制冷***包括测温元件和制冷元件，所述的测温元件测得的温度信息经由泵浦单元的南向输出接口组传递给所述的温度控制电路，所述的制冷元件的制冷电流，经由南向输入接口组接受温度控制电路的控制。所述制冷元件为半导体制冷器、风冷、水冷中的一种，或者它们的组合，实现泵浦激光器温度的集中调控，提高制冷效率。
进一步的，在所述的合路器和分路器的多路端，设置有用于调节掺杂光纤增益的可调衰减器，以实现不同掺杂光纤的增益均衡。
进一步的，泵浦单元的南向输出接口组与温度控制单元相连，把泵浦单元内的大功率激光器的温度信息传给温度控制单元，温度控制单元调节泵浦激光器的电流，并经过南向输入接口组送至激光器的外置制冷***，实现对于多芯多模高速光纤通信***的中继光放大***的温度集中调控。
进一步的，所述温度控制单元还包括主控器，对所述泵浦激光器进行电流与温度监测，所述电流与温度监测装置的信息输出端均与泵浦单元的南向输出接口组电气连接。
本发明的有益效果在于：
(1)采用以泵浦单元为中心和四个方向接口的布局，接口定义明确清晰，便于实现标准化；
(2)采用大功率激光器作为泵浦源，转换效率高，实现节能，降低发热；
(3)制冷***与激光器分离，从激光器内置制冷改为外置制冷，降低成本，提高致冷效率，节能降耗；
(4)集中式温控***，降低调控***的复杂性，使调控便捷易行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的多芯光纤通信***以泵浦单元为中心和采用大功率激光器集中泵浦的的中继光放大***的结构示意图。
图2是本发明的泵浦单元的结构示意图
图3是本发明的前泵单元的结构示意图
图4是本发明的后泵单元的结构示意图
附图标记：
图1中：
1-输入多芯多模光纤；2-光斑扩斑器；3-泵浦单元；4-掺杂光纤单元；5-光斑缩斑器；6-输出多芯多模光纤；7-温度控制单元；31-泵浦单元的西向输入接口组；32-泵浦单元的北向输出接口组；33-泵浦单元的北向输入接口组；34-泵浦单元的东向输出接口组；35-泵浦单元的南向输出接口组；36-泵浦单元的南向输入接口组；
图2中：
37-前泵单元；38-后泵单元；39-外置制冷***；
图3中：
371-第一组光隔离器(下同)；372-波分复用器；373-第一大功率泵浦激光器；374-光分路器；3721-波分复用器的第一输入端，3722-波分复用器的输出端；3723-波分复用器的第二输入端；
图4中：
381-波分解复用器；382-第二大功率泵浦激光器；383-第二组光隔离器；384-多路光合路器；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
【实施例1】参见图1-图4，其中包括：
输入多芯多模光纤1、光斑扩斑器2、泵浦单元3、掺铒光纤单元4、光斑缩斑器5、输出多芯多模光纤6；其中，所述的泵浦单元设置有西向输入接口组31、北向输出接口组32、北向输入接口组33、西向输出接口组34、南向输出接口组35和南向输入接口组36；所述光斑扩斑器2的输入端与所述输入多芯多模光纤1相对应，所述光斑扩斑器2的输出端与泵浦单元3的西向输入接口组31相对应，所述泵浦单元3的北向输出接口组32与所述掺杂光纤单元4的每根光纤的输入端相对应，掺铒光纤单元4的输出端与泵浦单元3的北向输入接口组33的对应端口相连，所述泵浦单元3的东向输出接口组34与所述光斑缩斑器5输入端相对应，所述光斑缩斑器5的输出端与所述输出多芯多模光纤6的输入端相对应。
其中，还包括温度控制单元7，所述泵浦单元3通过南向输出接口组与温度控制单元相连，用以传递泵浦激光器的测温信息；所述的温度控制单元的输出端与泵浦单元3的南向输入接口组相连接，所述温控电路按照控制要求对所述的泵浦单元的泵浦电流、制冷电流进行控制
其中，所述的泵浦单元还设置有前泵单元37；所述的前泵单元37包括第一组光隔离器371、多个波分复用器372、第一大功率泵浦激光器373和一个光分路器374，所述第一组光隔离器中371的每个隔离器输入端与所述泵浦单元3的东向接口组输入端31的一个端口相对应，第一组光隔离器371每个隔离器的输出端与波分复用器的第一输入端3721相连，波分复用器的输出端3722与泵浦单元3的北向输出端32的对应端口相连，波分复用器的第二输入端3723与光分路器374的输出端相对应，光分路器374的输入端与第一大功率泵浦激光器373的输出端相连；泵浦激光器373置于外置制冷***39的制冷环境中。
其中，所述泵浦单元还包括后泵单元38；所述的后泵单元包括多个波分解复用器381、第二大功率泵浦激光器382、第二组光隔离器，以及一个多路光合路器384；所述波分解复用器381的输入端3811与泵浦单元的北向接口组输入端33的对应端口相连，波分解复用器381的第一输出端口3812与第二组光隔离器383对应的隔离器的输入端相连，波分解复用器381的第二输出端口3813与多路光合路器384的对应输入端口相连；多路光合路器384的输出端口与第二大功率泵浦激光器382的输出端相连，第二组光隔离器中的第n个隔离器383的输出端与泵浦单元3的东向输出接口组34的对应端口相连接。第二大功率泵浦激光器382置于外置制冷***39的制冷环境中。
其中，所述泵浦单元3还设置有外置制冷***39，所述制冷***39包括测温元件和制冷元件，所述的测温元件测得的温度信息经由泵浦单元的南向输出接口组35传递给所述的温度控制单元7，所述的制冷元件的制冷电流，经由南向输入接口组36接受温度控制电路的控制。所述制冷元件为半导体制冷器、风冷、水冷中的一种，或者它们的组合，实现泵浦激光器温度的集中调控，提高制冷效率。
其中，所述温度控制单元7还包括主控器，所述泵浦激光器上均设置有电流监测装置，所述电流监测装置的信息输出端均与所述主控器的信息输入端电性连接。
【实施例2】
参见图1-图4，与实施例1各项内容都相同，区别在于：
在所述的泵浦单元3中的前泵单元37中，在光分路器374与波分复用器372的第二输入端3723之间设置有用于调节掺杂光纤增益的可调光衰减器，以实现不同纤芯放大增益的均衡；
在所述的泵浦单元3中的后泵单元38中，在光合路器384与波分解复用器381的第二输出端口3813之间设置有可调光衰减器，以实现不同纤芯反向放大增益的均衡；
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大***结构，其特征在于，包括光斑扩斑器、泵浦单元、掺杂光纤单元、光斑缩斑器和温度控制单元，其中，所述的泵浦单元设置东西南北四个方向的接口组，分别与光斑扩斑器、掺杂光纤单元、光斑缩斑器和温度控制单元相连接；并采用大功率泵浦激光器集中泵浦，取代多个小功率激光器的分散式泵浦；其中，来自于单根多芯光纤的输入光信号，经过光斑扩斑器变成了多根单芯光纤的空分多路信号输出，并经由西向输入接口组将这组空分信号引入泵浦单元，实现与泵浦光的合路；然后泵浦光与信号光合路的空分多路光信号经由北向输出接口组进入掺杂光纤单元获得光放大，放大后的空分多路光信号经过北向输入接口组返回到泵浦单元；在泵浦单元实现泵浦光的剩余部分与放大后光信号的分离，然后经由东向输出接口组与光斑缩斑器输入端相连，最后经由光斑缩斑器将多根光纤的空分多路信号组合成为一根多芯光纤的复合信号输出，所述的泵浦单元还包括瓦级大功率的激光器，实现对多根掺杂光纤的泵浦，并采用集中温控与外置制冷方式，所述泵浦单元的南向输出接口组与温度控制单元相连，把泵浦单元内的瓦级大功率激光器的温度信息传给温度控制电路，温度控制电路调节泵浦激光器的电流和制冷电流，并经过南向输入接口组送至激光器与外置制冷***，实现对于多芯光纤通信***的中继光放大***的温度集中调控，所述泵浦单元还包括前泵单元；所述的前泵单元包括第一组光隔离器、多个波分复用器、第一泵浦激光器和一个光分路器，所述第一组光隔离器的输入端与泵浦单元的西向输入接口组的一个端口相对应，第一光隔离器的输出端与波分复用器的第一输入端相连，其输出端与泵浦单元的北向输出接口组的相对端口相连；泵浦激光器与光分路器的输入端相连，光分路器的输出端分别与波分复用器的第二输入端的对应端口相连。
2.如权利要求1所述的多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大***结构，
其特征在于，
所述泵浦单元还包括后泵单元；所述的后泵单元包括多个波分解复用器、一个多输入的合路器、第二泵浦激光器和第二组光隔离器，波分解复用器的输入端与泵浦单元的北向输入接口组相连，每个波分解复用器的第一输出端口与光隔离器的输入端相连，波分解复用器的第二输出端口与多输入合路器的输入端相连、多输入合路器的合路端与第二泵浦激光器的输出端相连，第二组光隔离器的输出端与泵浦单元的西向输出接口组的对应端口相连。
3.如权利要求1所述的多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大***结构，其特征在于，所述的泵浦单元还包括外置的制冷***，所述制冷***包括测温元件、制冷元件，
所述的测温元件测得的温度信息经由泵浦单元的南向输出接口组传递给所述的温度控制电路，所述的制冷元件的制冷电流，经由南向输入接口组接受温度控制电路的控制；所述制冷元件为半导体制冷器、风冷制冷、水冷制冷中的一种，或者它们的组合。
4.如权利要求2所述的多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大***结构，
其特征在于，在所述的合路器和光分路器的多路端，设置有使不同掺杂光纤增益均衡的可调衰减器。
5.如权利要求1所述的多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大***结构，
其特征在于，
所述掺杂光纤单元中作为光放大增益介质的掺杂光纤为掺铒光纤或者镱铒共掺光纤之一。
6.如权利要求1所述的多芯光纤通信***以泵浦单元为中心的中继光放大***结构，其特征在于，
所述温度控制单元包括主控器，对泵浦激光器进行电流与温度监测，所述电流与温度监测装置的信息输出端均与泵浦单元的南向输出接口组电气连接。
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