控制输出响应的斜率的方法和系统的制作方法

专利名称：控制输出响应的斜率的方法和系统的制作方法
一般地说本发明涉及控制一种幅值-波长函数的输出响应的斜率，更具体地说，在本发明的一个方面中涉及一种与光学放大器(比如掺稀土光纤放大器)一起使用的可变的增益倾斜控制系统，在放大器的整个波带上都存在增益倾斜。
在光传输系统尤其是在通信领域中，几乎普遍使用光放大器(特别是掺铒的光纤放大器)。掺铒光纤放大器(EDFA)具有高的对偏振不敏感的增益、在不同波长的信号之间的低串扰、好的饱和输出功率和接近基本限制量的噪声指数。极好的噪声特性允许在几千公里长的光纤上串联几百个这种放大器。与电子中继器不同的是，EDFA对数据率、信号格式和在有限范围上的波长都是透明的，这对于波分复用(WDM)通信系统很有益，该波分复用通信系统对于每个信号用不同的波带来同时传输许多信号。
尽管这些放大器一般具有极好的特性，但是这种EDFA同时也具有谱宽度较窄和增益带宽不平坦的缺点。EDAF的有用的远程通信窗大致为20-30nm宽，而理想的放大器在大约从1520nm到1570nm的整个频谱上具有平坦的光谱增益。根据玻璃基质材料的不同，铒增益频谱的波长峰值从大约1530nm变到大约1535nm。附

图1所示为具体的常规EDFA的特征增益频谱，从该图中可以看出，增益按照波长函数进行变化，此后称这种变化为增益波动。已经公开了许多加宽增益频谱和使其变平坦的技术(即降低波动)，这些技术包括例如对石英玻璃光纤进行铒和AL2O3双掺杂、改变玻璃基质材料本身、应用各种形式的衰减滤波器以降低发射峰值的增益、构造具有串接的两个或更多个不同类型的掺铒光纤的混合型装置以及有效地独立调节在每个光纤段中的泵的状况以对每根光纤的不同增益斜率进行补偿。
除了上述问题和与最小增益波动有关的技术方案外，存在的另一个重要问题是缺少一种简单、低廉且实用的解决方案。本发明通过改善动态增益倾斜能够解决这一重要的问题。这里所使用的术语“动态增益倾斜”是指通过改变输入EDFA工作条件改变在一个波长上的增益而导致在另一个波长上的增益变化。虽然，上面所描述的使增益波动最小的技术能够使在输入的光功率和波长的特定系列的特定波带上的频谱相对地变平坦，但是当通过改变输入到放大器的功率来从额定条件改变(以平均数倒数水平进行改变)增益时，增益均衡性能急剧下降。对这种问题的一个公开的解决方案是通过一种混合型光纤装置实现的，该混合型光纤装置具有串联的放大级，这些放大级具有不同的增益频谱和相等数量的泵源以使能够有效地独立地调整每级的增益频谱，以便当改变总的增益时能够调整每级的相对分布以实现理想的增益，同时所得到的增益频谱在整个所选择的波带上具有最小的频谱畸变量。例如，具有正增益斜率的掺铒光纤可以与具有负增益斜率的不同掺铒光纤相结合，以便这种混合型装置在特定的输入功率条件下具有几乎平坦的增益。然而，如果必须改变这种混合型装置的总的增益，则当改变输入到每级中的泵功率时每个组分级的增益斜率一般以不同的速率改变。为在新的工作点实现较好的补偿，必需重新调整每个组分增益级的相对增益以使增益斜率相互补偿。在实现这种类型的放大器的过程中，本领域的熟练技术人员可能将两个或更多的不同组分的掺铒光纤串联，并在每一级的端部对每个放大级提供一个独立的泵源以便使接头数最少，并且使得能够方便地独立控制每级的泵功率。然而，这种降低或改善动态增益倾斜的技术在工作过程中要求复杂的控制模式图，在该工作过程中必需协调多个泵源的总的功率以便对不同增益的范围进行增益斜率补偿(即，在维持固定的目标输出功率的同时改变输入功率)。
美国专利US 5，764，406(Newhouse等的，题为“Hybrid OpticalAmplifier Dynamic Gain Tilt”，在此以引用的方式结合在本申请中)描述了一种系统，在该系统中掺铒光纤放大器装置具有的动态增益倾斜小于任何组分光纤的增益倾斜。混合型装置的泵源比装置的组成波导数最多少一个。这种混合型装置能够自动地改变在组成的掺杂波导部分中的泵分布以便对每个组成部分的相对增益进行再调整。在一个实施例中，本发明提供具有不同双掺杂组份的EDF，这种EDF能够自动地变化泵分布或者在EDF的组分中进行分配以实现对组成EDF的部分的相对增益进行再调整。
虽然‘406专利实现了它的预期功能，但是它的动态控制增益倾斜的解决方案复杂且相当昂贵。
大多数已知的校正动态增益倾斜的方案具有相应的功率损失(大约为5dB)，此外，所增加的功率要求额外泵送。这些系统的另一个有害的结果是导致增加了噪声。
本发明的一个目的是提供一种新颖的滤光器和这种滤光器的使用方法，这种滤光器能够同轴放在光放大器中以便当输入信号的功率改变时动态地改变增益倾斜。
本发明的另一个目的是提供一种在控制光放大器的倾斜增益中应用的低廉的滤光器。
依据本发明，提供一种用于放大器的增益倾斜控制并到那里耦合的光路，该光路包括与光放大器信号同轴使用的可变斜率的滤光器，该滤光器设置在光放大器的上游、下游或其内，在放大器的一工作波带内该滤光器具有一定斜率的波长响应，在所说的波带内滤光器的斜率是在零和一个正数或负数之间，该滤光器通过这样的波带具有中心波长λc并且具有是波长的函数并与在该工作波带内的放大器增益倾斜的斜率相反的斜率的幅值响应，该滤光器具有接收偏振光的端口；提供该波带内两预定波长之间的相对偏振差并可控制地改变在两波长之间的偏振差的装置，该装置包括波长相关元件从而以受控的方式提供入射束的两波长之间的相对偏振差；偏振器，该偏振器允许光的预定偏振通过并基本上阻止和/或衰减光的其它的预定偏振通过。
依据本发明，进一步提供一种与光放大器同轴使用的增益倾斜滤光器，包括接收已放大的信号或要放大的信号的端口；产生在已放大的信号或要放大的信号中的两波长之间的偏振旋转之差的装置；偏振器，设置该偏振器以从旋转装置中接收已放大的信号或要放大的信号；和改变两波长之间的偏振旋转之差的装置。
依据本发明的另一方面，进一步提供一种对已放大的信号或要放大的信号的增益倾斜控制的方法，该方法包括如下的顺序步骤a)产生包括一波带内的多个波长的偏振光束，所说的波带具有较长的波长和较短的波长；b)产生在波带内的较长和较短波长之间的偏振态之差的同时，可控制地改变在该波带内的较长或较短的波长的偏振；和c)在执行步骤(b)之后，使光束穿过偏振器。
现在结合附图描述本发明的示例性的实施例。
附图1所示为典型的掺铒放大器的增益(dB)波长(nm)函数曲线；附图2a所示为依据本发明具有传输功能的滤光器的原理图，其中滤光器设置在一对准直/聚焦的透镜之间；附图2b所示为依据本发明的光放大系统的方块图，其中增益倾斜控制光路与光放大器耦接；附图3a、3c、3e所示为由可变的波片和随后的偏振器接收的来自放大器(未示)的光信号视图，其中所示的波片将波长为λ2的光分别旋转了45度、90度和0度；附图3b、3d、3f分别为在附图3a、3c和3e中所示的光路的波长-幅值函数曲线；附图4a所示为应用固定的多阶波片和偏振控制装置的增益倾斜控制光路的一种可替换实施例的方块光路附图4b所示为在附图4a中所示的光路的幅值-波长函数响应曲线，示出了偏振控制装置的3种不同控制水平；附图5a所示为应用固定的多阶波片和液晶作为偏振控制装置的增益倾斜控制光路的一种可替换实施例的方块光路图；以及附图5b所示为附图5a的光路响应曲线。
现在参考附图1，所示为典型的EDFA放大器的增益频谱，从中可以看出增益作为波长的函数进行变化。
对于各种各样的玻璃基质，掺有稀土元素的光放大器(尤其是EDFA)能够被有效地均匀扩宽，并且掺杂剂离子与信号模式的交叠几乎与波长无关。同样地，也能够将增益频谱(这里是在放大器的工作点固定的同时能够通过微弱的探头信号测量的小信号增益)限制到与波长相关的单参数种类中。因此，如果由于在输入(即，泵和/或信号功率)中的变化引起在某些参考波长上的放大器增益改变，则在其它波长上的放大器增益将也变化预定的量，这个预定的量可能不同于在参考波长上的增益变化量。这里称由于输入变化引起的相关波长的放大器增益变化称为动态增益倾斜。因此，动态增益倾斜是在工作条件下的放大器增益频谱的畸变，该工作条件不同于放大器的设计工作点。
正如在本发明的背景技术中所指出，到目前为止已有的滤光器能够使常规的EDFA的增益频谱偏移和变得平坦。然而，在改变输入光信号的输入功率的情况下这种固定的滤光器并不能提供控制由动态增益倾斜引起的失真的方案。
依据本发明实施例的基本滤光器应用一种波长相关滤光器，这种滤光器与耦合到光放大器的偏振器同轴布置。这种波长相关滤光器设计为在放大器的工作波带内对较长的波长的功能不同于对较短的波长的功能。在波长相关滤光器的下游同轴设置的偏振器是一种与波长无关的元件，这种元件允许一种偏振基本没有衰减地通过，并线性地衰减其它的偏振，使其透过基本为零。
现在转到附图2a，所示为详细结构并依据本发明进行描述，其中所示以多阶波片14的形式的波长相关滤光器14和与波长无关的偏振相关偏振器16夹在准直/聚焦透镜12a和12b之间，并经过偏振保持光纤10光耦合到EDFA。选择多阶波片的厚度使其基本能够影响波长为λ2的光的偏振但基本不能影响波长为λ1的光的偏振。例如，厚度约为1.77mm的石英片能够用作多阶波片，并且它能够形成1580nm的半波片和1510nm的全波片。可以通过转动波片或通过对材料施加电场来改变波长为λ2的光的偏振，例如，在该实例中可以应用铌酸锂作为波片。因此，通过转动晶体或晶体组合来可控制地改变波片的光轴，或可替换地的是，通过可控制地改变材料的双折射性来实现延迟性变化。
在工作中，可以按照如下的方式现实增益倾斜控制。当一束具有我们所关心的较短的波长λ1和较长的波长λ2的工作波带的放大的偏振光穿过偏振保持(PM)光纤的长度时，它从PM光纤耦合到透镜12a，在其输出端面它变得准直，并与多阶波片14相邻。在这种优选实施例中，铌酸锂晶体作为多阶波片，选择该铌酸锂的厚度以使基本不改变波长为λ1的光的偏振，然而选择该晶体的厚度以使其能够可控制地改变通过的波长为λ2的光的偏振，通过对晶体14施加受控制场和/或通过物理上可控制地沿着与透镜的光轴同轴的轴旋转该晶体来可控制地改变光的偏振。
偏振器16与波长无关。为了实现这样的一种增益倾斜控制，即对最短的波长基本不衰减而对较长的波长(即λ2)衰减，设置偏振器使具有垂直偏振的所有的波长为λ1的光通过。由于这种元件16与波长无关，它也可以通过任何垂直地偏振的波长为λ2的光，并且还能够通过波长为λ2的光的任何垂直偏振分量，但是基本能够阻挡任何波长的光的水平分量。在这种方式中，通过改变波片来实现对增益倾斜的控制。例如，当设置波片的方向来改变偏振时，施加场以将波长为λ2的光的偏振改变90度，偏振器基本没有衰减地通过所有波长为λ1的光，而不通过波长为λ2的任何光。在该实例中，如果偏振仅旋转了一半，例如，45度，则衰减一半的波长为λ2的光。
附图3a至3c所示为依据本发明的实施例的光路工作图。在附图3a中，通过可变波片14接收自放大器(未示)接收的光。波长为λ1的光通过波片14而它的偏振不受影响。旋转波片以使波长为λ2的光的偏振旋转45度。因此它的偏振分量的一半是垂直的，而另一半是水平的。总的效果是一半波长为λ2的光被偏振器16阻挡，而另一半通过。同时，所有的波长为λ1的光都通过偏振器。附图3b所示为整个滤光器的输出响应。附图3c至3f所示为对由波片16所产生的不同旋转量的光路的工作。在附图3d中衰减了所有的波长为λ2的光，而在附图3f的光路中没有衰减。
到现在为止所描述的实施例都是基于偏振的输入光束。然而，在可替换的实施例中，放大器的上游或下游的光都可以是非偏振光。在附图4a中所示的光路提供增益倾斜控制，其中在放大之前或之后光的偏振态都是未知的。虽然光路优选设置在放大器之后、下游，但是它也可以设置在放大器的上游。在附图4a中示出了在光路的输入端和输出端的两个偏振光分束晶体20a和20b，并耦合到光放大器。虽然所示的光路在光放大器的下游，但是它也可以设置在放大器的上游。一个固定的多阶波片40设置在双折射晶体20a和20b之间，该波片40具有的厚度能够使波长为λ2的光旋转90度，而且不影响波长为λ1的光的偏振。法拉第旋转器式的偏振控制装置42以与波长无关的形式提供一种能够可控制地旋转所通过的光的偏振的装置。在一种实例中，法拉第旋转器42使光的偏振旋转45度，而不影响斜率，然而，又产生了不希望的3dB衰减。然而，如附图4b所示，由于法拉第旋转器能够提供0度至90度旋转，晶体20b的输出斜率以相反的方向变化，即从在衰减/阻挡所有的波长为λ1的光并基本阻挡它以双折射晶体的形式透过偏振器的同时允许100％的波长为λ2的输入光通过晶体20b，到在衰减所有的波长为λ2的光的同时允许100％的波长为λ1的输入光通过。
为了更充分地理解光路的工作，通过双折射晶体20a接收自放大器传输的输入光束，并以与波长无关的形式将该光束分解为具有正交的偏振的两束光。光在晶体20a的一个输出端口上垂直地偏振，而光在另一个输出端口上水平地偏振。将这两束光都输入到多阶波片14中，该波片14具有能够使波长为λ2的光旋转90度而同时不影响波长为λ1的光的偏振态的厚度。在偏振控制装置的输入中波长为λ1的光与波长为λ2的光正交地偏振。通过改变偏振控制装置(该装置是一种与波长无关的元件)旋转波长为λ1和λ2的光。附图4b所示为通过法拉第旋转器施加的不同旋转量的传输一波长函数。
虽然附图2a和附图4a所示的光路不同，前者为与偏振相关而后者为与偏振无关，依据本发明的这两种光路都能够提供一种可调斜率的滤光器，该滤光器基于应用能够可控制地旋转所通过的光的偏振的装置，在该装置之后有与光放大器耦合的偏振元件以控制放大器的增益倾斜。
现在参考附图5a，所示为本发明的一个实施例，其中在两个双折射晶体20a和20b之间同轴设置多阶波片40和液晶42。附图5b所示为附图5a的光路的响应曲线。选择多阶波片40以便使它能够在λ2+Δλ波长上产生90度的偏振旋转和在λ1-Δλ波长上产生0度的偏振旋转，Δλ可以依据该装置的线性要求进行选择。
当然，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以设计出许多其它的实施例，例如，在附图4a中不使用法拉第旋转器而应用宽带波片，通过改变宽带波片的方向或通过改变宽带波片的双折射率以便改变波片的延迟来改变该装置的斜率。可以应用比如(但并不限定于)石英、金红石、YVO3、LiNbO3、液晶等的双折射材料形成宽带波片。
权利要求
1．一种用于放大器的增益倾斜控制并到那里耦合的光路，该光路包括与光放大器信号同轴使用的可变斜率的滤光器，该滤光器设置在光放大器的上游、下游或其内，在放大器的一工作波带内该滤光器具有一定斜率的波长响应，在所说的波带内滤光器的斜率是在零和一个正数或负数之间，该滤光器通过这样的波带具有中心波长λc并且具有是波长的函数且与在该工作波带内的放大器增益倾斜的斜率相反的斜率的幅值响应，该滤光器具有接收偏振光的端口；产生在该波带内的两预定波长之间的相对偏振差并可控制地改变两波长之间的偏振差的装置，该装置包括波长相关元件从而以受控制的方式产生在入射光束的两波长之间的相对偏振差；偏振器，该偏振器允许光的预定偏振通过并基本上阻止和/或衰减光的其它预定偏振通过。
2．如在权利要求1中所述的滤光器，其中产生在该波带内的两预定波长之间的相对偏振差和可控制地改变该两波长之间的偏振差并包括波长相关的元件从而以受控制的方式产生入射光束的两波长之间相对偏振差的装置经反馈回路将光耦合到光放大器中，所说的装置产生与由反馈回路提供的反馈信号相应的相对偏振偏差。
3．如在权利要求1中所述的滤光器，其中产生相对偏振差的装置包括多阶波片。
4．如在权利要求3中所述的滤光器，其中多阶波片是一种固定元件，并且具有能够在两波长之间产生相差的厚度，该厚度大于两波长中的一个波长的四分之一。
5．如在权利要求3中所述的滤光器，其中多阶波片是一种能够可控制地改变在波带内的两波长之间的偏振差的元件。
6．如在权利要求5中所述的滤光器，其中多阶波片的光轴相对于入射光束的偏振方向能够可控制地改变。
7．如在权利要求5中所述的滤光器，其中多阶波片的延迟性能够可控制地改变。
8．如在权利要求4中所述的滤光器，进一步包括偏振控制装置，该偏振控制装置以基本与波长无关的方式可控制地改变在工作波带内通过的光的偏振。
9．如在权利要求1中所述的滤光器，进一步包括在滤光器的相对端上的第一双折射晶体和第二双折射晶体。
10．一种与光放大器同轴使用的增益倾斜滤光器，包括接收已放大的信号或要放大的信号的端口；产生在已放大的信号或要放大的信号之中的两波长之间的偏振旋转之差的装置；偏振器，设置该偏振器以从旋转装置中接收已放大的信号或要放大的信号；和改变在两波长之间的偏振旋转之差的装置。
11．如权利要求10所述的增益倾斜滤光器，包括在将所说的信号传递到偏振器之前控制已放大的信号或要放大的信号的偏振的控制装置。
12．如权利要求10所述的与光放大器同轴使用的增益倾斜滤光器，进一步包括第一偏振束分路/合路元件以将已放大的信号或要放大的信号分解为具有相互正交的偏振态的两束，所说的分束器与偏振旋转装置进行光耦合。
13．如权利要求12所述的增益倾斜滤光器，其中该偏振器是第二偏振束分路/合路滤光器。
14．如权利要求12所述的增益倾斜滤光器，其中该第一和第二偏振束分路/合路滤光器是双折射晶体。
15．如权利要求10所述的增益倾斜滤光器，其中提供在已放大的信号或要放大的信号之内的两个波长之间的差的装置是多阶波片。
16．如权利要求15所述的增益倾斜滤光器，其中多阶波片具有至少一个可控制的光轴或双折射性以可控制地改变至少所通过的第一波长的光的偏振，而同时基本不影响所通过的第二波长的光的偏振，第一波长和第二波长是在已放大的信号或要放大的信号之内的工作波带的对端。
17．如权利要求15所述的增益倾斜滤光器，其中控制装置包括可控制的偏振旋转元件。
18．如权利要求17所述的增益倾斜滤光器，其中偏振旋转元件是法拉第旋转器。
19．如权利要求17所述的增益倾斜滤光器，其中偏振旋转元件是波片。
20．一种对已放大的信号或要放大的信号的增益倾斜的控制的方法，该方法包括如下步骤a)提供包括在波带内的多个波长的偏振光束，所说的波带具有较长的波长和较短的波长；b)产生波带内的较长和较短的波长之间偏振差的同时，可控制地改变波带内的较长或较短的波长的偏振；和c)在执行步骤(b)之后，使光束穿过偏振器。
21．如权利要求20所述的方法，其中在步骤(b)中偏振光是被放大的信号的一部分，并且对该被放大的信号进行增益倾斜控制。
22．如权利要求21所述的方法，其中通过将偏振束穿过光元件并可控制地改变光轴或光元件的双折射来执行步骤(b)。
23．如权利要求20所述的方法，其中步骤(c)有效地衰减如下之一ⅰ)比在带宽中较短的波长更大程度地衰减在带宽中的较长的波长，和ⅱ)比在带宽中较长的波长更大程度地衰减在带宽中的较短的波长。
24．如权利要求20所述的方法，其中根据从光放大器提供的反馈信号执行如下步骤可控制地改变在波带中的至少较长的波长的偏振的同时基本不影响在波带中的至少较短的波长的偏振。
全文摘要
本发明涉及一种滤光的方法和一种与光放大器同轴使用且可变化斜率的滤光器。该滤光器具有一种在放大器的工作波带内斜率基本为线性的波长响应,滤光器具有是波长的函数并与在该工作波带内的放大器增益倾斜的斜率相反的斜率的幅值响应。该滤光器具有接收偏振光的端口,产生该波带内两预定波长间相对偏振差并可控地改变两波长间偏振差的装置,以及允许光的预定偏振通过并基本阻止和/或衰减光的其它预定偏振通过的偏振器。
文档编号H01S3/067GK1285669SQ00124170
公开日2001年2月28日 申请日期2000年8月18日 优先权日1999年8月20日
发明者程颐浩 申请人:Jds尤尼费斯公司