CN1313878C - 使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置 - Google Patents

Abstract

一种增益箝位半导体光放大装置，它使用拉曼放大原理。将拉曼放大器和增益箝位半导体光放大器集成到光放大器模块上。所述的增益箝位半导体光放大装置包括：具有拉曼增益特性的光纤；以及增益箝位半导体光放大器，用于通过使用分布式布拉格反射器(DBR)栅格，由激光振荡向光纤提供泵浦光。DBR具有相互不对称的输入和输出端子，至少对由光纤进行拉曼放大的信号光进行放大。

Description

使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置

技术领域

本发明涉及对光放大装置的使用。更具体地说，本发明涉及一种使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置，其中，拉曼放大器和半导体光放大器相互单片地进行集成。

背景技术

在具有发射机和接收机以及光纤等的光通信***中，从发射机发出的信号光遭受传输损耗。结果，到达接收机的信号具有比初始发射的信号要小的能量。如果出现到达接收机信号的能量降到阈值之下的情况，则由于接收的错误，不能够进行正常的光通信。因此，公知的是将光放大器设置在发射机和接收机之间，以便对信号光进行放大。因而，光放大器对通过光传输线路传输的光信号的传输损耗的至少一部分损耗进行补偿。

此外，使用光放大器可以极大地增加传输距离，而无需光电转换。

用于以上提到的目的的光放大器典型地包括：掺铒光纤放大器(EDFA)、拉曼放大器，以及半导体放大器(SOA)。

EDFA使用掺杂有稀土元素(诸如铒)的光纤来进行放大，其特征在于具有高增益、低噪声系数(NF)，以及高饱和输出功率，从而已经广泛地应用于骨干网或者城域网中。然而，EDFA的缺点在于：与该特定放大器相关的成本较高。而且，EDFA的工作波长限制在1.5μm波段。

然而，通过控制增益材料的频带间隙(band gap)，可以使SOA的增益谱从1.1μm变化到1.6μm。半导体光放大器的优点在于：它具有等于几厘米的较小的尺寸，并且不需要价格高昂的泵浦光源。

图1示出依据现有技术的增益箝位半导体光放大器(GC-SOA)的增益特性。GC-SOA具有极佳的增益特性及饱和输出功率特性。

然而，如图2所示，该增益箝位半导体光放大器还具有高达8dB的非常高的噪声系数，从而限制了其在大城市区或访问区(access area)的应用。

最后，存在在光纤中使用受激拉曼散射(SRS)的拉曼放大器。拉曼放大方法是通过使用所谓的SRS，对光信号进行放大的方法，其中将作为强光的泵浦光入射到光纤上，从而通过SRS，使增益出现在离泵浦光的波长距离约为100nm(纳米)的较长波长一侧。随后，使出现增益的上述波段的信号光入射到激发光纤(excited optical fiber)上，从而对信号光进行放大。拉曼放大器具有通过适当地设置用于拉曼放大器的泵浦光的波长，可以相当容易地进行控制的放大频带，并且拉曼放大器的特征在于具有较低的噪声系数。

拉曼放大器的缺点在于：这种类型的放大器不仅具有非常低的光放大效率，而且拉曼放大器还需要价格高昂的泵浦光源。除了由于需要价格高昂的泵浦光源导致增加了成本之外，随着整个光放大器模块尺寸的增加，还存在与尺寸相关的问题。为了克服不同的现有技术光放大器的弱点，近来已经提出了将半导体光放大器与拉曼放大器进行组合的技术。

图3示出了其中具有依据现有技术的半导体光放大器(SOA)和拉曼放大器的光放大器的结构的实例。

光放大器100包括：拉曼放大部分110以及半导体光放大部分120，其中，拉曼放大器部分110包括：第一光隔离器111、单模光纤(SMF)112、波分复用(WDM)耦合器113，以及泵浦激光二极管114；半导体光放大部分120包括：半导体光放大器121以及第二光隔离器122。

下面将描述图3所示的光放大器的工作原理。首先，当通过WDM耦合器113，按照相反的方向入射由激光二极管114产生的1470nm泵浦光时，由在单模光纤112中产生的拉曼散射现象，对通过输入端子输入的1560nm波段的光信号进行放大。然后，将由后向泵浦拉曼放大器放大的光信号输入到半导体光放大器121，以便进行充分地放大，然后，将放大后的信号通过第二光隔离器122输出。如上所述，输入信号经历了由位于半导体光放大部分120前端的拉曼放大部分110产生的拉曼增益，从而与增益同样多地降低了半导体光放大器121的噪声系数。

与操作单个的拉曼放大器的需要相似，由拉曼放大器和半导体光放大器组成的混合光放大器必须使用高功率的泵浦激光二极管。因此，使用激光泵浦将非常难以降低光放大器的尺寸，以及制造低成本的光放大器。此外，由于传统的光放大器驱动两个有源元件(active element)，因此，另外的缺点在于能量消耗将会较大。

发明内容

因此，提出本发明，以解决在现有技术中出现的以上提到的问题。本发明提出了一种使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置，其中，所述的增益箝位半导体光放大装置具有较高的增益特性和较低的噪声系数，而不需要用于拉曼放大器的另外的泵浦光源。

为了实现请求保护的本发明，提出了一种依据拉曼放大器原理工作的增益箝位半导体光放大装置，所述的增益箝位半导体光放大装置包括：具有拉曼增益特性的光纤；以及增益箝位半导体光放大器，用于通过使用具有相互不对称的输入和输出端子的分布式布拉格反射器(DBR)栅格(lattice)产生的激光振荡，向光纤提供泵浦光，并且对由光纤进行拉曼放大的信号光进行放大。

分布式布拉格反射器(DBR)栅格最好具有相互不对称地排列的输入和输出端子。按照增益箝位半导体光放大器的输入端子的光功率具有比增益箝位半导体光放大器的输出端子的光功率大至少十倍的功率方式来形成这些端子。

此外，最好使向光纤提供的泵浦光具有比发射信号光的波段短至少70nm的波段。

本发明的另一方面，提出一种使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置。所述的增益箝位半导体光放大装置包括：具有拉曼增益特性的光纤，其中，输入端子和输出端子相互不对称；以及增益箝位半导体光放大器，用于通过使用由分布式布拉格反射器(DBR)栅格产生的激光振荡，对光纤中进行了拉曼放大的信号光进行放大。

附图说明

从结合附图所采用的以下详细描述中，本发明的上述特征和优点将变得更加显而易见，

图1是示出依据现有技术的增益箝位半导体光放大器(GC-SOA)的增益特性的图；

图2是示出依据现有技术的增益箝位半导体光放大器(GC-SOA)的噪声系数特性的图；

图3是示出具有依据现有技术的半导体光放大器(SOA)和拉曼放大器的光放大器的结构实例的图；

图4是示出依据本发明，使用拉曼放大原理的半导体光放大装置的结构图；

图5是示出70km(千米)单模光纤的拉曼增益特性的图；

图6是示出普通的增益箝位半导体光放大器的结构的示意图；

图7是示出在依据本发明的半导体光放大器中的分布式布拉格反射器(DBR)的栅格结构的示意图；

图8a和8b是说明在本发明具有DBR栅格结构的增益箝位半导体光放大器的输入和输出端子处，放大的自发发射光和布拉格峰的光谱图；

图9是用来解释依据本发明的光放大装置的增益谱特性的图。

具体实施方式

下面将参考附图，对依据本发明的优选实施例的使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置进行描述。注意，在所有的图中，使用相同的参考符号来表示相同的元件。为了阐明和简化，由于可能会造成本发明主题不清楚，因此省略对本文所引述的公知功能和配置的详细描述。

图4是示出依据本发明的使用拉曼放大原理的增益箝位半导体光放大装置的结构图。所述的光放大装置200包括：单模光纤201、半导体光放大器202，以及光隔离器203。

当向单模光纤201提供泵浦光时，单模光纤201通过受激拉曼散射，在离泵浦光的波长距离为大约100nm的较长波长一侧上提供增益，并且用来对具有与增益波段相同的波段的输入信号光进行放大。

图5是示出70km单模光纤的拉曼增益特性的视图。图5所示的谱线说明依据提供给单模光纤的泵浦功率的增益和依据泵浦波长的增益之间的关系。使用图5所示的增益特性的关系，可以计算能够使增益箝位光放大器(GC-SOA)具有低噪声系数和增益平坦度特性的增益箝位波长和功率的值。虽然图5所示的结果是用来解释本发明的一个实例，但是本发明的范围不局限于本实施例中所示的种类和长度的光纤。

依据本发明的增益箝位半导体光放大器202具有与普通的增益箝位半导体光放大器相同的结构，并且具有通过使用分布式布拉格反射器(DBR)栅格，由激光振荡产生的恒定的载流子密度，因而，虽然驱动电流发生了变化，但是可以使光增益保持恒定。

图6是示出典型的增益箝位半导体光放大器的结构的示意图。为了便于理解本发明，对图6所示的示意结构的描述如下。

在图6中，半导体放大器202包括：n-InP(磷化铟)衬底301、InGaAsP(磷砷化铟镓)无源波导层302、InP隔离层(spacer)303、DBR栅格图案304、有源层波导(active layer waveguide)305、电流阻塞层306、p型InP缓冲层307、用于减少欧姆接触电阻的p型InGaAsP层308、氧化层309、上电极310，以及下电极311。

本发明的特征在于分布式布拉格反射器(DBR)的栅格图案。如图7所示，DBR的栅格图案具有处于半导体光放大器的输入和输出端子之间的不对称的结构。在这种情况下，如图8a和8b所示，按照使放大器的输入部分具有比放大器的输出部分的功率大至少十倍的、用于增益箝位的激射波长(lasing wavelength)的功率的方式，形成所述的栅格图案。因此，可以通过改变不对称地形成的栅格的数量、周期及长度，对输入端一侧和输出端一侧的激射波长的功率进行控制。作为参考，图7示出了在依据本发明的半导体光放大器中的DBR的栅格结构。

图8a和8b示出依据图7所示的DBR栅格结构，放大的自发发射光和布拉格峰的功率比，其中，图8a示出在输入端的激射波长的功率，图8b示出在输出端的激射波长的功率。

同时，将本发明构造成使得，通过使用在拉曼放大的情况下使增益出现在离泵浦光的波长距离大约为100nm的较长波长一侧上的拉曼增益特性，使DBR的栅格的布拉格波长位于离所期望的拉曼增益谱的峰距离大约80到100nm的较短波长一侧。

再次参考图4，光隔离器203防止无意中反射的放大的自发发射(ASE)或者放大的信号使放大器的特性恶化。

图9是用于解释依据本发明的光放大装置的增益谱特性的图。在图9中，参考符号“A”表示增益箝位光放大器的增益特性；参考符号“B”表示由用于增益箝位的激射波长形成的拉曼增益特性；以及，参考符号“C”表示关于本发明的增益箝位半导体光放大装置调整布拉格波长情况下的增益特性。虽然没有输入明确的数值，但是结果显示在C波段的增益平坦度低于0.5dB。

同时，增益箝位半导体光放大器的输入端子的功率大于100mW。在单模光纤的情况下，可以获得具有0.02dB/mW的效率的拉曼增益，并且噪声系数与拉曼增益同样多地降低。如果使用另一类型的光纤，例如色散转移光纤，则可以改变拉曼放大器的增益效率。即拉曼放大器的有效噪声系数与增益值成反比地降低，因此，在前端经过拉曼放大并且被输入到半导体光放大器中的信号光变得具有与拉曼增益同样多地降低的噪声系数。

同时，可以使用其中单模光纤的输入和输出端子具有相互不对称的结构的栅格图案来实现本发明的光放大装置。

在这种情况下，如同不对称地形成的DBR栅格图案，输入端子和输出端子具有相互不对称的栅格结构，因而单模光纤的输入功率具有比单模光纤的输出功率大至少十倍的功率。按照相同的方式，可以通过改变不对称地形成的栅格的数量、周期、以及长度，对光输出和布拉格波长的不对称特性进行控制。

同时，通过使用在拉曼增益的情况下，增益出现在离泵浦光的波长距离大约为100nm的较长波长一侧的光纤的拉曼增益特性，使单模光纤的栅格的布拉格波长位于离所期望的拉曼增益谱的峰距离大约80到100nm的较短波长一侧。

如上所述，通过改变增益箝位半导体光放大装置的DBR栅格结构、或者光纤的栅格结构，本发明的光放大装置将拉曼放大的原理应用到传统的增益箝位半导体光放大器，而不需要用于拉曼放大的价格高昂的泵浦激光二极管。

因此，依据本发明的光放大装置具有较高的增益和较低的噪声系数特性，这些特性是通过将拉曼放大器和半导体光放大器进行组合获得的光放大器模块的特性，从而与传统的光放大器模块相比，极大地降低了尺寸和制造成本。

虽然已经参考特定的优选实施例展示和描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围不局限于上述的实施例，而是由所附的权利要求及其等价物来限定。

Claims (4)

1.一种通过使用半导体放大器和拉曼光放大原理提供光放大的增益箝位半导体光放大装置，其特征在于，将泵浦光入射到光纤上，从而由受激拉曼色散使增益出现在离泵浦光距离约为100nm的较长波长一侧，然后，将出现增益的信号光入射到激发光纤上，以便进行放大，所述的增益箝位半导体光放大装置包括：

具有拉曼增益特性的光纤；以及

增益箝位半导体光放大器，用于通过使用具有相互不对称的输入和输出端子的分布式布拉格放大器栅格，由激光振荡向光纤提供泵浦光，并且对由光纤进行拉曼放大的信号光进行放大。

2.根据权利要求1所述的增益箝位半导体光放大装置，其特征在于：按照使增益箝位半导体光放大器的输入端子的光功率具有比所述增益箝位半导体光放大器的输出端子的功率大至少十倍的功率的方式来形成该具有相互不对称的输入和输出端子的分布式布拉格反射器栅格。

3.根据权利要求2所述的增益箝位半导体光放大装置，其特征在于：所述增益箝位半导体光放大器的输入端子的光功率为100mw或者更大。

4.根据权利要求1所述的增益箝位半导体光放大装置，其特征在于：所述的光纤是单模光纤或色散转移光纤。

Images