CN1815338A - 一种宽带光纤放大器 - Google Patents

Abstract

一种涉及光学的宽带光纤放大器，包括第一放大模块和第二放大模块，其特征在于：第一放大模块输出端和第二放大模块输入端之间串连滤波模块，第一放大模块的输入端连接环行器，第二放大模块的输出端连接反射模块，的滤波模块对短波长波段和长波长波段信号光分别产生反射和透射，反射模块对长波长波段信号光产生反射，环行器的一个端口与第一放大模块输入端相连，环行器的另外两个端口分别接收和输出信号光；第一放大模块用于放大短波长波段和长波长波段信号功率，第二放大模块用于放大长波长波段信号功率，本发明结构简单，成本低，效率高，实用性强。

Description

一种宽带光纤放大器

技术领域

本发明涉及光学，尤其涉及一种宽带光纤放大器。

背景技术

波分复用技术是指在同一根光纤中传输多个波长的光信号的通信技术，如图1所示的波分复用通信***典型结构示意图，发射模块TX1、TX2、TX3……TXn分别发出波长为λ1、λ2、λ3……λn的信号光，不同波长的信号光经过一个波分复用器耦合到同一根光纤中传播，然后信号光输入到光纤放大器中，信号光功率被放大提升，信号光被放大后在传输光纤中传播，由于传输光纤具有损耗特性，在传输光纤中传播的信号光被逐渐衰耗降低，然后信号光再经过下一级光纤放大器放大，以此类推，经过多级传输和放大，最后信号光输入到另一个波分复用器中，这个波分复用器将不同波长λ1、λ2、λ3……λn的信号光分离并传送至不同的输出端，分别被收模块RX1、RX2、RX3……RXn接收。

光纤放大器在波分复用传输***主要用来放大信号光功率，补偿线路损耗，起中继作用。波分复用***中最常用的光纤放大器是掺稀土元素光纤放大器，其基本工作原理是光的受激辐射放大。掺铒光纤放大器具有增益带宽宽，偏振不相关、噪声系数低等优点，而且工作在C波段(1525nm～1565nm)时，对应光纤的最低损耗窗口，得到了广泛应用。通过调整掺铒光纤长度和控制泵浦功率，掺铒光纤放大器的增益谱可以转移到L波段(1570nm～1610nm)，L波段也位于光纤最低损耗窗口附近，L波段掺铒光纤放大器也得到比较广泛的应用。

随着光通信***传输的数据量日益增加，增加光网络的传输带宽成为实际应用中不得不考虑的因素，鉴于这种应用需求，波分复用传输***传输的信号波长越来越多，应用于其中的光纤放大器的工作带宽也越来越宽，出现了C+L波段掺铒光纤放大器。

如图2所示，现有的C+L波段掺铒光纤放大器是由一个C波段的掺铒光纤放大器即第一放大模块2，和一个L波段的掺铒光纤放大器即第二放大模块3，配合C/L波分复用器1并联构成，它包括两个C/L波分复用器1，一个第一放大模块2和第二放大模块3，第一放大模块2和第二放大模块3分别并接于两个C/L波分复用器1之间，其内部构成如图3所示，第一放大模块2和第二放大模块3中各包含一段掺铒光纤、一个泵浦激光器和一个泵浦光合波器，且在其中的输入和输出位置各连接一个光隔离器，对于增益谱的平坦度有严格要求，则在隔离器后串连一个增益平坦滤波器。

如图3所示，信号光从输入端输入，然后经过C/L波分复用器1解复用后分成C波段信号光和L波段两路信号光，然后C波段信号光和L波段信号光分别经过第一放大模块2和第二放大模块3被放大，最后再经过一个C/L波分复用器将放大后的C波段和L波段信号光合并到同一路光纤中输出。

现有C+L波段光纤放大器的这种光路结构决定了必须使用两套光器件，光器件使用得越多，放大器成本就越高，而且使用的光器件越多，加工越复杂，因此这种结构的C+L波段光纤放大器制造成本较高；此外，每个光无源器件都具有损耗作用，使用大量的光无源器件增加了***损耗，且这种并联结构促使熔接点的增加，每个熔接点也都会有损耗，影响放大器的输出功率和泵浦功率转化效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带光纤放大器，可同时用于短波长波段和长波长波段信号放大，其结构简单，成本低，效率高，以解决现有技术中的问题。

本发明所采用的技术方案为，这种宽带光纤放大器，包括第一放大模块和第二放大模块，其特征在于：所述第一放大模块输出端和第二放大模块输入端之间串连滤波模块，所述第一放大模块的输入端连接环行器，所述第二放大模块的输出端连接反射模块，所述的滤波模块对短波长波段和长波长波段信号光分别产生反射和透射，所述的反射模块对长波长波段信号光产生反射，所述环行器的一个端口与第一放大模块输入端相连，环行器的另外两个端口分别接收和输出信号光；

所述的第一放大模块用于放大短波长波段和长波长波段信号功率，所述的第二放大模块用于放大长波长波段信号功率，所述的短波长波段指C波段，所述的长波长波段指L波段；

所述的第一放大模块和第二放大模块为掺铒光纤放大器；

所述的第一放大模块中掺铒光纤被充分泵浦，平均粒子数反转率水平高于55％，所述的第二放大模块中掺铒光纤未充分泵浦，平均粒子数反转率水平低于40％；

所述的第二放大模块对L波段信号的增益等于第一放大模块对C波段和L波段信号增益之差；

所述的滤波模块为光纤布拉格光栅型滤波组件，或为光学薄膜型滤波组件；

所述的滤波模块包括C/L波分复用器和反射镜，所述的C/L波分复用器的输入端与第一放大模块的输出端相连，所述的C/L波分复用器具有C波段输出端和L波段输出端，其中，C波段输出端与反射镜相连，L波段输出端连至第二放大模块的输入端；

所述的滤波模块包括C/L波分复用器和环行器，所述的C/L波分复用器的输入端与第一放大模块的输出端相连，所述的C/L波分复用器具有C波段输出端和L波段输出端，其中，C波段输出端与环行器端口2相连，环行器端口3与端口1相连通；L波段输出端连至第二放大模块的输入端；

所述的滤波模块对C波段信号光和L波段信号光的反射率与波长相关，对C波段信号光和L波段信号光起到增益平坦滤波作用；

所述的反射模块为反射镜；或者为环行器，所述环行器端口2与第二放大模块的输出端相连，所述环行器端口3与端口1相连通；

所述的反射模块为2×2分路器，所述分路器端口2与端口3相连通，分路器端口1与第二放大模块的输出端相连，分路器端口1和端口4均输出信号光；

所述的反射模块对L波段信号光的反射率与波长相关，对L波段信号光起到增益平坦滤波作用；

所述的第一放大模块用于放大短波长波段和长波长波段信号功率，所述的第二放大模块用于放大长波长波段信号功率，所述的短波长波段指S波段，所述的长波长波段指S+波段，所述的第一放大模块和第二放大模块为掺铥光纤放大器。

本发明的有益效果为，在本发明中，通过滤波模块对短波长波段和长波长波段信号光所产生的反射和透射作用，以及反射模块对长波长波段信号的反射，短波长波段信号两次经过第一放大模块中的稀土光纤，长波长波段信号两次经过第一放大模块和第二放大模块中的稀土光纤，本发明在不增加稀土光纤长度的前提下，增加了信号光在稀土光纤中的光程，由于增益与信号光所经过的稀土光纤的光程成正比，因此信号得到了相当于两倍稀土光纤长度的放大，显然，相对于现有技术，对于实现相同的增益，在本发明中稀土光纤长度节省了一半，大大降低了成本，本发明的这种串连结构简单，光器件少，且信号光的最终输出不使用波分复用器，而是由环行器直接输出，降低了输出损耗，提高了泵浦功率转化效率，因此，本发明结构简单，成本低，效率高。

在本发明中，通过控制泵浦功率，使处于前级的第一放大模块中稀土光纤充分泵浦，维持较高的粒子数反转率水平，对处于后级的第二放大模块中稀土光纤未充分泵浦，如第一放大模块和第二放大模块采用掺铒光纤放大器，增益谱的形状主要受平均粒子数反转率的影响，如图4所示，对于短波长C波段(1525nm～1565nm)和长波长L波段(1570nm～1610nm)信号而言，当粒子数反转率增加时，C波段增益的增加比L波段的增加更为显著，对于C波段信号，通常平均粒子数反转率在60％～70％时增益谱相对比较平坦，对于L波段信号，通常平均粒子数反转率在35％左右时增益谱相对比较平坦，在本发明中，通过对第一放大模块和第二放大模块的泵浦功率控制，使得从整体上来看，C波段信号光所经过的掺铒光纤的总的平均粒子数反转率处于C波增益系数比较平坦的水平，L波段信号光所经过的掺铒光纤的总的平均粒子数反转率处于L波增益系数比较平坦的水平，从而使得本发明在整体上使C波段信号和L波段信号都达到比较平坦的增益谱。

由于C波段增益系数远远高于L波段的增益系数，因此第一放大模块对C波段信号光增益远大于对L波段信号光增益；通过控制第二放大模块中的泵浦功率，使第二放大模块中掺铒光纤维持较低的粒子数反转率水平，第二放大模块只对L波段信号光放大，在本发明中，第二放大模块对L波段信号的增益等于第一放大模块对C波段和L波段信号增益之差，就可实现C波段信号和L波段信号总体增益相同的效果，对于第二放大模块和第一放大模块的这种控制选择从技术来说仅仅涉及有关参数的选取。

通过以上分析可知，本发明中对于保证对C波段和L波段增益平坦性和信号同等增益，本发明技术实现具有内在的一致性，即通过控制泵浦功率，使第一放大模块粒子数反转率维持较高水平，使第二放大模块粒子数反转率维持较低水平，从而获得整体上比较平坦的增益谱，因此，本发明实用性强。

滤波模块在C波段的反射率和L波段的透射率与波长相关，对C波段信号光和L波段信号光起到到增益平坦滤波作用，以及反射模块在L波段的反射率与波长相关，对L波段信号光起到增益平坦滤波作用，则相当于在滤波模块和反射模块集成增益平坦滤波器，进一步提高本发明的增益平坦性，同时，由于这种增益平坦滤波作用点对于C波段和L波段来说，均处在掺铒光纤光路中部，相对于现有技术，增益平坦滤波器置于输出端附近，本发明中增益平坦滤波对信号光的能量损耗较小，进一步提高泵浦功率转化效率。

附图说明

图1为现有技术中波分复用通信***典型结构示意图；

图2为现有C+L波段光纤放大器总体示意图；

图3为现有C+L波段光纤放大器内部构成示意图；

图4为增益系数谱线、波长与粒子数反转率对应关系示意图；

图5为本发明总体结构示意图；

图6为本发明与现有技术的增益谱比较示意图；

图7为本发明滤波模块应用例示意图；

图8为本发明滤波模块应用例示意图；

图9为本发明滤波模块应用例示意图；

图10为本发明滤波模块应用例示意图；

图11为本发明反射模块应用例示意图；

图12为本发明反射模块应用例示意图；

图13为本发明反射模块应用例示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

根据图5，本发明包括第一放大模块2和第二放大模块3，第一放大模块2用于放大短波长波段和长波长波段信号功率；第二放大模块3用于放大长波长波段信号功率，对于本实施例，具体而言，短波长波段可指C波段，长波长波段可指L波段。

如图5所示，第一放大模块2输出端和第二放大模块3输入端之间串连滤波模块4，第一放大模块2的输入端连接环行器6，环行器6端口2与第一放大模块2输入端相连；环行器6的另外两个端口分别接收和输出信号光，环行器6端口1接收信号光输入，环行器6端口3输出信号光；第二放大模块3的输出端连接反射模块5，滤波模块4对C波段和L波段信号光分别产生反射和透射，反射模块5对L波段信号光产生反射。

如图5所示，第一放大模块2和第二放大模块3均为掺铒光纤放大器，包括泵浦激光器、波分复用器和掺铒光纤，其中，第一放大模块2中掺铒光纤被充分泵浦，平均粒子数反转率水平高于55％；第二放大模块3中掺铒光纤未充分泵浦，平均粒子数反转率水平低于40％。

在本发明中，滤波模块4包括C/L波分复用器31和反射镜32，如图9所示，C/L波分复用器31的输入端与第一放大模块2的输出端相连，C/L波分复用器31具有C波段输出端和L波段输出端，其中，C波段输出端与反射镜32相连，L波段输出端连至第二放大模块3的输入端，该滤波模块4可反射第一放大模块2和第二放大模块3的残余泵浦光。

如图11所示，反射模块5采用反射镜51，反射镜51可以采用光学薄膜、光纤光栅、镀金属膜或全反射设计结构，可同时反射L波段信号光和第二放大模块3的残余泵浦光。

如图5所示，C波段和L波段的信号光从环行器6端口1输入，从环行器6端口2输出，然后进入到第一放大模块2，第一放大模块中的掺铒光纤被充分泵浦，粒子数反转率水平较高，如60％～70％，C波段和L波段的信号光在第一放大模块2中都得到放大，并从第一放大模块2输出，进入到滤波模块4。

如图5所示，滤波模块4中的反射镜32把C波段的信号光反射回来，C波段的信号光再次通过C/L波分复用器31进入第一放大模块2，在第一放大模块2中继续被放大，然后进入到环行器6端口2，并从环行器6端口3输出；同时，L波段的信号光则通过滤波模块4中的C/L波分复用器31进入到第二放大模块3，第二放大模块3维持较低的平均粒子数反转率水平，如35％，进入第二放大模块3的L波段信号光被继续放大，然后输出至反射模块5，反射模块5，即反射镜51将信号光反射回第二放大模块3中，L波段信号光再次被第二放大模块3放大，然后再经过滤波模块4，再次进入到第一放大模块2被继续放大，然后输入到环行器6端口2，最终也从环行器6端口3输出。

其中：C波段信号光的光路为：

环行器6端口1→环行器6端口2→第一放大模块2→

滤波模块4→第一放大模块2→环行器6端口2→环行器6端口3。

L波段信号光的光路为：

环行器6端口1→环行器6端口2→第一放大模块2→

滤波模块4→第二放大模块3→反射模块5→第二放大模块3→

滤波模块4→第一放大模块2→环行器6端口2→环行器6端口3。

由此可见，C波段信号光被第一放大模块2放大两次，L波段信号光被第一放大模块2和第二放大模块3各放大两次，本发明在一定掺铒光纤长度的前提下，C波段和L波段信号光均获得了两倍的相应掺铒光纤长度的光程，即，C波段信号光的光程为：第一放大模块2中掺铒光纤长度的两倍；L波段信号光的光程为：第一放大模块2与第二放大模块3中掺铒光纤长度之和的两倍。

在第一放大模块2中，粒子数反转率水平较高，对于C波段信号增益谱相对比较平坦；在第二放大模块3中，粒子数反转率水平较低，对于L波段信号增益谱相对比较平坦；从而本发明在整体上使C波段信号和L波段信号都达到比较平坦的增益谱。

第二放大模块3对L波段信号的增益等于第一放大模块2对C波段和L波段信号增益之差，这样，本发明就实现对C波段信号和L波段信号总体增益相同的效果。

在本发明中，滤波模块4可对C波段信号光的反射率与波长相关，对C波段信号光起到增益平坦滤波作用，如上述C波段信号光的光路说明可知，这种增益平坦滤波作用点处在掺铒光纤光路中部，该作用点前后各有第一放大模块2的掺铒光纤；反射模块对L波段信号光的反射率与波长相关，对L波段信号光起到增益平坦滤波作用，同样，这种增益平坦滤波作用点处在掺铒光纤光路中部，该作用点前后各有串连的第一放大模块2和第二放大模块3的掺铒光纤。

如表1所示的本发明与现有技术主要性能及有关参数对比表。

其中，现有技术光路结构如图3所示。

	本发明	现有技术
			工作带宽	1529nm～1561nm&1572nm～1604nm	1529nm～1561nm&1572nm～1604nm
信道数目	80(C、L波段各40波，按照100GHz波长间隔分布)	80(C、L波段各40波，按照100GHz波长间隔分布)
			单波输入功率	-20dBm	-20dBm
增益	＞24dB	＞24dB
			总输出功率	23.58dBm	23.42dBm
第一放大模块铒纤长度	6米	13.3米
			第二放大模块铒纤长度	38.7米	97米
铒纤总长度	44.7米	110.3米
			第一放大模块泵浦功率	450mW@980nm	380mW@980nm
第二放大模块泵浦功率	50mW@1480nm	520mW@1480nm
			总泵浦功率	500mW	900mW
泵浦功率转化效率	45.6％	24.4％
			无源器件个数	6	10
泵浦激光器个数	2	2

                                 表1

如图6所示的本发明和现有技术的增益谱比较示意图，其中，由“×”串成的曲线为本发明的增益谱，由“◇”串成的曲线为现有技术的增益谱，将两者对比可知，两者增益都大于24dB，增益平坦度都小于1dB，根据表1可以看出，对相同信号光实现相同的增益，本发明比现有技术节省59％的掺铒光纤用量和44％的泵浦功率；本发明的泵浦功率转化效率约是现有技术的1.85倍；本发明比现有技术少使用了4个光无源器件。

总之，对于实现相同的功能，本发明的光路结构更简单，掺铒光纤长度更短，泵浦功率更低，光无源器件更少，泵浦功率转化效率更高。

在本发明中，滤波模块4可采用其它的应用结构：

例如，滤波模块4可以采用光纤光栅技术和光学薄膜技术的独立组件实现，如图7所示，滤波模块4采用光纤布拉格光栅型滤波组件11；或如图8所示，滤波模块4采用光学薄膜型滤波组件21。

滤波模块4也可以采用分立元件复合构成，如图10所示，滤波模块4包括C/L波分复用器41和环行器42，所述的C/L波分复用器41的输入端与第一放大模块2的输出端相连，所述的C/L波分复用器41具有C波段输出端和L波段输出端，其中，C波段输出端与环行器42端口2相连，环行器42端口3与端口1相连通；C/L波分复用器41的L波段输出端连至第二放大模块3的输入端。

其具体的工作过程如下：如图10所示，第一放大模块2输出的C波段和L波段信号光输入到C/L波分复用器41，然后C波段和L波段的信号光被分开，分别从C/L波分复用器41的C波段输出端和L波段输出端C输出。

如图10所示，L波段信号光输入到第二放大模块3中；由第二放大模块3返回的L波段信号光经过C/L波分复用器41，进入第一放大模块2中。

如图10所示，C波段信号光输入到环行器42端口2，然后传输至环行器42端口3，由于环行器42端口3与端口1连接，因此，C波段信号光输至环行器42端口1，由环行器42端口2返回输出至C/L波分复用器41，经C/L波分复用器41再次进入第一放大模块2中。

反射模块5也可采用其它的应用结构：

例如，如图12所示，反射模块5采用环行器61，环行器61端口2与第二放大模块3的输出端相连，环行器61端口3与端口1相连通。

其具体的工作过程如下：如图12所示，由第二放大模块3输出的信号光和泵浦光从环行器61端口2输入，然后依次经环形器61端口3、端口1返回至端口2，信号光和泵浦光再返回到第二放大模块3。

如图13所示，反射模块5采用2×2分路器71，所述分路器71端口2与端口3相连通，分路器71端口1与第二放大模块3的输出端相连，分路器端口1和端口4均输出信号光。

其具体的工作过程如下：如图13所示，由第二放大模块3输出的信号光和泵浦光输入到分路器71端口1，经过分路器71后被分成两路分别从端口2和端口3输出，然后分别输入到分路器71端口3和端口2，再经过分路器71从端口1和端口4输出，其中，端口1中的信号光和泵浦光返回到第二放大模块3中，端口4输出的信号光和泵浦光则被损耗掉，采用此种应用结构会产生3dB的损耗。

以上所述举例说明了滤波模块4和反射模块5的其它应用结构，至于其应用在整个光路时其它部分的结构、原理和工作过程与前面所述相同或相似，此处不再赘述。

以上所述举例说明了C+L波段掺铒光纤放大器的结构、原理和工作过程，采用类似的结构、原理和工作过程，第一放大模块和第二放大模块采用掺铥光纤放大器，可以实现对于短波长波段，如S波段(1450nm～1480nm)和长波长波段，如S+波段(1480nm～1510nm)信号的同时放大。

Claims (13)

1.一种宽带光纤放大器，包括第一放大模块和第二放大模块，其特征在于：所述第一放大模块输出端和第二放大模块输入端之间串连滤波模块，所述第一放大模块的输入端连接环行器，所述第二放大模块的输出端连接反射模块，所述的滤波模块对短波长波段和长波长波段信号光分别产生反射和透射，所述的反射模块对长波长波段信号光产生反射，所述环行器的一个端口与第一放大模块输入端相连，环行器的另外两个端口分别接收和输出信号光。

2.根据权利要求1所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的第一放大模块用于放大短波长波段和长波长波段信号功率，所述的第二放大模块用于放大长波长波段信号功率，所述的短波长波段指C波段，所述的长波长波段指L波段。

3.根据权利要求1所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的第一放大模块和第二放大模块为掺铒光纤放大器。

4.根据权利要求3所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的第一放大模块中掺铒光纤被充分泵浦，平均粒子数反转率水平高于55％；所述的第二放大模块中掺铒光纤未充分泵浦，平均粒子数反转率水平低于40％。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的第二放大模块对L波段信号的增益等于第一放大模块对C波段和L波段信号增益之差。

6.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的滤波模块为光纤布拉格光栅型滤波组件，或为光学薄膜型滤波组件。

7.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的滤波模块包括C/L波分复用器和反射镜，所述的C/L波分复用器的输入端与第一放大模块的输出端相连，所述的C/L波分复用器具有C波段输出端和L波段输出端，其中，C波段输出端与反射镜相连，L波段输出端连至第二放大模块的输入端。

8.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的滤波模块包括C/L波分复用器和环行器，所述的C/L波分复用器的输入端与第一放大模块的输出端相连，所述的C/L波分复用器具有C波段输出端和L波段输出端，其中，C波段输出端与环行器端口2相连，环行器端口3与端口1相连通；L波段输出端连至第二放大模块的输入端。

9.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的滤波模块对C波段信号光和L波段信号光的反射率与波长相关，对C波段信号光和L波段信号光起到增益平坦滤波作用。

10.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的反射模块为反射镜；或者为环行器，所述环行器端口2与第二放大模块的输出端相连，所述环行器端口3与端口1相连通。

11.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的反射模块为2×2分路器，所述分路器端口2与端口3相连通，分路器端口1与第二放大模块的输出端相连，分路器端口1和端口4均输出信号光。

12.根据权利要求1或2所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的反射模块对L波段信号光的反射率与波长相关，对L波段信号光起到增益平坦滤波作用。

13.根据权利要求1所述的宽带光纤放大器，其特征在于：所述的第一放大模块用于放大短波长波段和长波长波段信号功率，所述的第二放大模块用于放大长波长波段信号功率，所述的短波长波段指S波段，所述的长波长波段指S+波段，所述的第一放大模块和第二放大模块为掺铥光纤放大器。

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