宽增益带宽C波段光纤放大器的制作方法

宽增益带宽c波段光纤放大器
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求在2018年8月30日提交的美国临时申请号62/725,029的权益，并通过引用将其在此并入。
技术领域
3.本发明涉及基于光纤的光放大器，更具体地说，涉及掺铒光纤放大器(edfa)，其被配置成使用特殊设计的光纤拉曼放大器在c波段光谱范围的大范围内提供增益，以扩展增益带宽并将增益波动减小到可接受的水平。
现有技术
4.edfa由于在高功率转换效率(pce)、低噪声系数(nf)方面的优越性能而被广泛部署在光纤通信系统中。典型的现有技术c波段edfa在1528
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1565nm的光波长范围内工作(也被表示为约37nm量级的增益带宽)。下一步，对于诸如电信的应用，将c波段edfa的增益带宽增加到至少42nm，并且优选地增加到46
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48nm(即，将波长范围扩展到大约1525
‑
1573nm)是很重要的。在其上可以实现可接受水平的增益的这个附加的10nm左右的带宽允许增加传输系统的容量、降低系统成本、允许使用自适应信号调制格式等。
5.虽然可以通过例如改变增益光纤中的掺杂剂浓度来扩展edfa增益带宽，但结果是在不同的各个波长下提供的增益量的不均匀性(称为“增益波动”)显著增加，可能增加到常规增益平坦滤波器(gff)不能补偿增益变化的水平。这种扩展增益带宽的方法必然降低功率转换效率(pce)并增加噪声系数(nf)，这两者都与期望的系统要求相反。
6.扩展c波段光放大器的增益带宽的另一种方法是利用传统的离散拉曼放大器(dra)来代替edfa。虽然提供了扩展的增益带宽，但是已知dra具有比edfa更低的pce和更高的nf，并且还易受其他技术问题的影响，例如与双瑞利散射相关联的多径干扰(mpi)以及与dra结构中使用的光纤的相对小的有效面积相关联的非线性影响。分布式拉曼放大器(其利用原位传输光纤代替如在离散拉曼放大器中提供的单独的“增益光纤”)以及基于edfa与分布式拉曼放大器的组合的各种类型的“混合”光纤放大器已经被发现仍然表现出与安装相关的实际问题。例如，存在与接合和安全问题以及依赖原位传输光纤作为分布式拉曼放大器的放大介质相关的已知问题。


技术实现要素：

7.本发明解决了本领域中存在的需求，本发明涉及基于光纤的光放大器，并且更具体地，涉及掺铒光纤放大器(edfa)，该edfa被特别地配置为使用特别设计的离散拉曼放大器与高反转水平edfa的组合来在c波段光谱范围的大范围内提供增益，以扩展c波段光放大器的增益带宽，同时将增益波动保持在可接受值以下。
8.根据本发明的原理，提出了一种基于光纤的宽增益带宽c波段光放大器，其利用(在高反转水平下工作的)edfa，该edfa是由具有特定参数的专用(specialized)的离散拉
曼放大器(sdra)元件实现的，该特定参数被选择以增加c波段的长波长边缘处的增益，同时还减小了由于在相对高的反转水平下工作的edfa产生的增益波动。本发明的sdra组件例如通过使用相对较短长度的光增益光纤来保持在“小增益”状态(例如，不大于4db的平均增益)下工作。特别地，已经发现小于大约6km(优选地小于4km，并且更特别地在大约2
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4km的范围内)的长度将增益维持在“小增益”状态内。除了使用小长度的光增益光纤之外或者代替使用小长度的光增益光纤，可以通过控制泵浦功率(即，相对低的功率)和/或光纤本身的拉曼增益系数，将sdra配置成在“小增益”状态下工作。
9.本发明的示例性实施例采用基于光纤的c波段光放大器的形式，包括掺铒光纤放大器(edfa)模块和离散拉曼放大器(dra)模块。edfa模块被配置成在高反转水平下工作，并且包括响应来自在足以实现高反转水平的功率水平下工作的第一激光泵浦源的泵浦光的一段掺铒光纤。dra模块包括一段拉曼光增益光纤，用于接收以c波段范围内的波长传播的一个或多个光信号作为输入，以及用于向光增益光纤部分提供泵浦光的第二激光泵浦源。这一段拉曼光增益光纤被选择为具有将dra保持在小增益状态(例如，小于7db)内工作的长度、拉曼增益系数和泵浦功率的组合。edfa模块和dra模块的组合在1525
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1573nm的c波段波长范围内提供至少42nm的增益带宽。
10.本发明的另一个示例性实施例涉及一种放大在1525
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1573nm的c波段范围内的波长处传播的光信号的方法，包括以下步骤：(1)将在c波段范围内工作的多个光输入信号作为输入施加到离散拉曼放大器(dra)，所述dra被配置成呈现倾斜的增益轮廓，该倾斜的增益轮廓对于较长波长，增益增加，对于1573nm的长波长边缘，增益不大于6.6db，并且对于整个c波段波长范围，平均增益不大于4db；(2)提供来自sdra的经放大的光输出信号作为小增益状态输出，所述放大遵循所述倾斜的增益轮廓；(3)以及将来自dra的经放大的光输出信号作为输入施加到在至少0.69的反转水平下工作的掺铒光纤放大器(edfa)，edfa和dra的组合产生至少42nm的增益带宽。
11.在以下讨论的过程中并通过参考附图，本发明的其它和进一步的实施例和方面将变得明显。
附图说明
12.现在参照附图，
13.图1示出了根据本发明形成的示例性宽增益带宽c波段光放大器；
14.图2包含了图1所示放大器中使用的专用离散拉曼放大器的增益作为波长函数的曲线图；
15.图3示出了本发明的一个可选实施例，其中宽增益带宽c波段光放大器利用高铝比率edfa和基于正色散增益光纤的离散拉曼放大器；
16.图4包含对于专用dra、高铝比率edfa以及由专用dra和高铝比率edfa的组合形成的示例性发明放大器的增益作为波长函数的一组曲线图；
17.图5具有在提供增加的带宽所需的条件下工作的edfa和本发明的放大器(包括专用dra与高铝比率edfa的组合)的比较增益轮廓曲线图，示出了由本发明的放大器配置提供的增益波动的减小和增益带宽的扩展；
18.图6示出了根据本发明形成的宽增益带宽c波段光放大器的另一个实施例；
19.图7包括图6的放大器的两个部件(edfa和sdra)的噪声系数(nf)图，以及与它们的组合相关的总nf；以及
20.图8示出了根据本发明形成的宽增益带宽c波段光放大器的另一个实施例。
具体实施方式
21.已知用于放大c波段中的光信号的典型现有技术edfa仅在1528nm和1565nm之间的有限波段内提供可接受的增益(即，大约37nm的增益带宽)。本发明的目的是将这个增益带宽扩展到至少42nm的值，并且优选地在46
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48nm的范围内，提供在1525
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1573nm的波长上的增益。
22.如下面将描述的，工作在相对较高的反转水平(例如，不小于约0.69)下的edfa被用于产生总增益的大部分，而使用具有特定拉曼增益光纤特性(在长度方面，以及可能在色散和/或有效面积方面)的专用离散拉曼放大器(sdra)被用来增大高反转水平edfa的增益谱，使得该组合具有宽带宽并表现出可由传统增益平坦滤波器(gff)控制的增益波动。由于edfa具有固定的波长范围，所以专用dra能够扩展实现增益的波长范围(在长波长边缘上扩展)。
23.图1示出了根据本发明的原理形成的示例性c波段光放大器10，其在输出侧使用高反转水平edfa来提供大部分增益，在输入侧使用专用dra(sdra)来扩展增益带宽的长波长边缘并确保增益波动是能应付的。如图1所示，c波段光放大器10响应于工作在1525～1573nm的c波段范围内的波长的多个光输入信号。
24.放大器10被示为包括edfa模块12，该模块包括一段掺铒光纤14和泵浦光源16。光耦合器18(例如wdm耦合器)用于将泵浦光引入掺铒光纤14，其中在放大器10的配置中，泵浦光在与输入信号相同的方向上传播(即，同向泵浦)。泵浦光源16包括工作在约980nm波长的激光二极管，源16被配置成提供相对高的输出功率。利用相对高的输出功率来确保掺杂光纤14内的大部分铒离子“反转”，从而在与通过掺杂光纤14的输入信号相互作用时提供相当大一部分(即大部分)的增益。对于本发明的目的，已经发现0.69的反转水平(即，69％的铒离子反转到较高能态)是可接受的。约0.72的量级的反转水平被认为是优选的。
25.根据本发明，通过在整个放大器结构中包括专门设计的离散拉曼放大器(sdra)，提供了扩展基于光纤的c波段光放大器的增益带宽的能力。图1中示出了示例性sdra 20，其包括相对较短的一段光纤22(具有小于约6km、优选在2
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4km的范围内的长度l)。光纤22(以下称为“拉曼增益光纤22”)由工作在约1464
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1472nm范围内的泵浦波长的半导体激光器24反向泵浦。第二wdm耦合器26用于将该泵浦光注入光纤22的输出，使得泵浦光相对于输入光信号反向传播，从而提供“反向泵浦”配置。在一些情况下，拉曼增益光纤22被配置为具有相对小的有效面积(a
eff
)，大约为20μm2。
26.为了实现低噪声系数(nf)并使来自sdra 20的非线性损伤最小化，拉曼增益光纤22需要在泵浦和信号处都表现出高拉曼增益系数、低衰减。图2中绘制出了示例性sdra 20的增益轮廓。如图所示，其轮廓向c波段的长波长端倾斜，在1573nm的最长波长处提供不大于6.6db的最大增益。与相对较长的传输光纤(例如，几十kms)被用作增益介质的传统的分布式拉曼放大器相反，根据本发明使用的“离散”拉曼放大器是耦合到现有传输光纤的自足的模块。因此，对于离散的拉曼放大器，所提供的增益量可以通过例如选择适合于该目的的
32和sdra 40的组合的总放大器增益，该总放大器增益被示出为产生20db的总平均增益和48nm的增益带宽。传统的增益平坦滤波器(gff)可以用来补偿4.7db的增益波动。
33.图5包含了更好地说明通过使用专用dra(sdra)结合高铝比率edfa以提供在c波段工作波长范围内接近48nm的增益带宽来改进性能的曲线图。图5中的曲线a是与作为c波段放大器工作的高铝比率edfa相关联的增益轮廓。通过使用足够高功率的泵浦输入(例如，600mw的泵浦功率)，能够驱动高铝比率edfa以呈现接近期望的48nm值的增益带宽，但是这是以向增益中引入显著的波动为代价而发生的。如图5所示，相关的波动在7.3db的量级，这导致不可接受的低pce值，并且超出了利用典型的增益平坦滤波器进行校正的能力。
34.图5的曲线b示出了通过将(具有上述特征的)专用dra与高铝比率edfa结合而实现的性能改善。如图所示，增益带宽现在进一步沿着c波段的长波长边缘扩展，并且增益波动被减小到4.74db的值(可以通过使用传统的增益平坦滤波器来补偿的波动)。
35.图6示出了根据本发明的一个或多个实施例形成的另一个基于光纤的c波段光放大器。这里，如上结合图3所述，示例性的光放大器60被示出为包括高铝比率edfa 32和sdra 40。在图6的实施例中还示出了设置在edfa 32的输出处的增益平坦滤波器(gff)62。使用本领域公知的技术，gff 62能够将4.74db的剩余增益波动减小到例如大约0.2
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0.3db的值，从而在c波段光放大器60的整个带宽上提供基本上均匀的增益。光隔离器也被包括作为c波段光放大器60的部件，用于减小由反射的光信号产生的噪声量。如图所示，隔离器64、66和68分别设置在sdra 40的输入处、edfa 32的输入处和edfa 32的输出处。
36.除了使用光隔离器之外，可以设计sdra 20、40的特定参数，以保持本发明的基于光纤的光放大器的相对低的噪声系数(nf)。特别地，nf由以下等式确定：
37.其中g
sdra
是与sdra 20、40相关联的平均增益分量。
38.图7绘出了在c频带上的放大器60的计算的总噪声系数，以及与sdra 40(nf
sdra
)和edfa 32(nf
edfa
)相关联的噪声系数分量。在查看nf
edfa
的曲线图时，很明显，高铝比率edfa 32只贡献了总nf的一小部分(因为该放大器特别被配置成在高反转水平下工作)，基本上保持在3.5db的值以下。主要的nf贡献来自sdra 40，其中nf
sdra
的曲线图显示在1473nm的长波长边缘处的4.8db的最大nf。然而，来自这种专用的离散拉曼放大器的nf与传统的离散拉曼放大器的nf相比相对较低。这是因为sdra 40由于其特殊的特性而在“小增益”条件下工作，特殊的特性包括例如拉曼增益光纤42的短长度(即，来自sdra 40的平均增益仅为约4.0db)。其它的特殊特性也可以保持sdra 40的“小增益”工作，例如使用低功率泵浦，以及可以包括具有相对低的拉曼增益系数的增益光纤。另外，通过防止泵浦源的相对强度噪声(rin)被传递到传播的光信号(这发生在同向泵浦的拉曼放大器中)，使用反向泵浦布置进一步降低了拉曼放大器的总噪声。
39.因此，为了实现低nf工作，来自sdra 40的净增益应当小，并且相应地控制拉曼增益光纤42(以及可以控制泵浦源44)的特性。还预料到多径干扰(mpi)很小，因为它在小增益状态下工作。
40.在许多实施例中，本发明的放大器的sdra元件将在低信号功率状态下工作，其位于edfa元件的输入侧。因此，在这些实施例中，预料到来自sdra的非线性损伤将相对较小。实际上，在查看总nf曲线时，很明显在存在足够量的增益的48nm带宽内，最高水平保持在5.5db以下。
41.然而，还有其它应用，其中edfa部件可作为“输入”放大器来定位，而sdra部件布置在edfa部件的输出处。在这些情况下，或者传输系统不受sdra组件中存在的非线性的影响，或者sdra的非线性长度太短以至于不能引入大量的非线性。
42.图8示出了具有这种特定结构的本发明的示例性宽增益带宽光放大器80。如图所示，多个输入信号通过使用例如高功率泵浦源84耦合到工作在高反转水平的edfa 82中。增益光纤86可以只包括铒掺杂剂，或者可以用铝共掺杂，以提供如上所述的附加增益水平。来自edfa 82的经放大的输出此后作为输入施加到sdra 90，该sdra被特别配置成如上所述地扩展增益带宽的长波长端，以及减少由edfa 82产生的增益带宽上的波动量。即，利用或许控制泵浦源94的功率水平的拉曼增益光纤92的特性(在长度、色散、有效面积、拉曼增益系数方面)来保持sdra 90在“小增益”状态下的工作，同时还在扩展增益带宽(例如，高达约48nm)和减少波动方面提供对来自edfa 82的经放大的输出的改进。实际上，图8的配置可以消除对在放大器的输出处的附加gff的需要。
43.虽然已经根据上述实施例描述了前述发明，但是许多变化是可能的。因此，诸如以上所建议的那些修改和改变(但并不限于此)被认为是在所附权利要求的范围内。