专利名称：具有受控增益的光纤放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以掺铒光纤为基础的光放大器，且还涉及一种装有这种光放大器的光纤网路。
背景目前，光纤广泛在例如大型电信系统中用来进行信息通信，主要原因在于，光纤可靠性高，不受电气干扰的影响，而且容量大。当然，这类光纤显然安装费高，因而总希望在现有的电信网路中能使现行的光纤在其网络中尽可能高效地发挥作用，特别是在长途通信中。在现行光纤通信系统中和待建的新型通信系统中通过采用波分多路复用(WDM)可以在同一条光纤上传送多个专用波长的信道，从而提高光纤的信息传送量。
在长途通信光纤网路中，可能需要放大光信号。这类放大当然可以通过直接构成的中继器进行，这包括一些光/电信号转换元件、电信号放大元件和电/光信号转换元件。信号是WDM信号时，WDM传输中使用的每一个波长信道需要一个光电转换器和一个电光转换器，还需要一个滤波器或多路分解器，用于滤除进来的信号中不同的波长。这显然会使费用非常庞大，而且由于需要大量的电子和光学零部件，故在可靠性方面也成问题。
另一种类型的放大器是以掺有稀土金属的光纤为基础的光纤放大器，这主要是掺铒光纤放大器。这类放大器举例说，与光纤的兼容性好，增益又高，因而用在光纤系统中大有好处，用在波长复用传输系统中特别有利，这是因为这种放大器能同时放大一系列WDM信道，而且只需要少量的电子元件。掺铒光纤放大器的基本设计是将一定长度的有源掺铒光纤的输入端接一个2×1光耦合器的输出端，耦合器的一个输入端接收待放大的信号，另一个输入端接收给信号的放大提供能源的更强劲的光。这种输入的更强劲的光叫做抽运光，是从叫做光泵的光能源得出的。抽运光的波长比信号的短，通常更为强劲，在掺铒光纤中能将铒离子从较低的能态提高到较高的能态。离子恢复到较低的能级时，光纤中就有光产生。
在一般的WDM系统中，使用的波长信道数目的变化通常是不规则的。掺铒光纤放大器在一般饱和状态下工作时的增益与波长信道数有关，参看
图1的曲线图，这是由于放大器总的输出功率不变的缘故。图1绘出了一般掺铒光纤放大器在只用一个WDM波长信道的情况下随波长而变化的增益曲线(见上曲线)和所有信道都工作或使用情况下的相应曲线(见下曲线)。在1540-1560纳米重要波长下的增益差至少约为10分贝。这意味着在电信用的一般WDM系统中使用掺铒光纤放大器时增益的变化也是不规则的。
在WDM系统中显然重要的一点是使所使用的波长带中的输出增益保持不变和平直，因为这样可以例如使其它元件处于最佳状态。此外，采用使增益平直的滤光片时效率不高(见例如1997年10月10日第9卷的《电气与电子工程师协会光子技术通讯》中Paul F.Wysocki等人写的“用长周期光栅滤光片平化的宽带掺铒光纤放大器”一文)，因为这类滤光片必须按放大器实际的增益曲线设计。可能的解决办法是控制提供给有源光纤的抽运功率，但这样会因处于受激状态的铒离子在有源光纤中长久的使用寿命而带来不利。
已公布的欧洲专利申请0777344中公开了通信系统中使用的一种光放大器，这种放大器由光放大媒质(即一定长度的掺铒光纤)、泵光源和探头光源组成，两光源都往放大媒质中注入光。探头光的波长在光放大媒质的放大带内，最好与信号光的波长不同。输入信号的增益由控制器件控制，使其保持不变。在控制探头光功率和输入光功率时，彼此给对方加光，在加光操作中各功率经过适当加权。加权加光的结果通过调节探头光的功率控制得使其恒定。
概要本发明的目的是提供一种增益曲线与占线波长信道的数目无关的光纤放大器。
本发明的另一个目的是提供一种对于不同波长信道其增益都相同的光纤放大器，由于在尽可能短的时间内受另一不工作或工作的信道的影响不大，因而这个增益对各有关信道来说大致保持恒定。
本发明的另一个目的是提供对一种不同波长信道其增益都相同的光纤放大器，这个增益对各有关信道来说大致保持恒定，这种光纤放大器只需要简单的控制部分。
因此，本发明所解决的问题是如何提供一种用来放大不同波长的光信号且无论输入信号的数目多少对所有进来的光信号来说其增益大致相同的光纤放大器，和如何使波长信道的增益受其它信道的影响尽可能小。
设计掺铒光纤放大器时，放大器的增益是按所有的WDM信道都工作的情况计算的。放大器的增益取决于受激铒离子的数目，而这个数目在输入的抽运光功率充分时大致恒定，而且会放大器在饱和状态下工作。这使放大器的输出功率无轮待放大输入信号的数目多少都大致保持恒定，从而使增益在一个或多个WDM信道不工作时增加。受激铒离子的数目可以通过改变提供给放大器的抽运光功率加以改变，从而改变增益特性。为使控制效果恰到好处，可以将放大器构制得使其增益大致恒定，不受占线WDM信道数目的影响，这是控制光纤放大器通常使用的方法。然而，上面说过，由于受激铒离子在有源光纤中的寿命过长，大约为10毫秒，因而这种控制的响应时间会太长。
而在光纤放大器中，断开的一个或多个信道可以用波长在WDM信道使用的波长带以外或通常与WDM信道所使用的不同(例如在两波长带之间的波长)的假信道或空闲信道取代。在实际情况下，空闲信道使用的波长可以是大于传送信号用的波长带的波长，例如大于通常使用的1530-1550纳米左右的波长带。提供空闲波长信道的一个激光二极管可以迅速控制得改变其输出功率从而使整个放大器的输出大致保持恒定，无论在改善响应时间和使增益更为恒定方面都比控制输入的抽运功率所能达到的好。
因此，通常WDM信号(即通常包含在波长带或波长区的不同波长信道的光信号)的光纤放大器由一个那种掺以稀土金属的有源光纤组成。光纤长度用诸如激光二极管之类的激射光源来的抽运光泵激。为使放大器的WDM信号增益无论有源WDM信号的数目多少都保持不变，配备了另一个光源，令其必要时，即一个或多个WDM信号不起作用时，往有源光纤中注入额外的光，以取代失灵的输入光能。额外光的注入可以只在有源光纤长度的一部分进行，然后在有源光纤长度靠近其输出端的最末部分或端部部分进行。注入通过有源光纤长度中在所要求位置连接的某种功率组合器进行。所注入的光选择得使其不致干扰信号光在有源光纤中的传播，因而其波长与各WDM信道的不同。此外，这个波长最好比所有信号光的波长都长，从而使其不致在有源光纤中起放大或泵激作用。但波长应选择得使其仍然可在有源光纤中加以放大。光源由获自输出功率测定装置的信号控制，使其在WDM信道不工作时注入额外光，因此额外光的功率是为使光纤放大器饱和而选择的，光纤放大器饱和才能使增益无论信号信道有多少(即输入光信号的功率多少)都保持恒定。最好给有源光纤接上一个滤光片，以阻止额外注入的光传播到有源光纤所要求的部分以外。
因此，本发明提供了一种旨在放大WDM信号、各不同信道的增益恒定的光纤放大器，所述增益对各有关信道来说在时间上是恒定的。另一信道转入不工作或工作状态时对有关信道增益的影响不大。另一波长信道转入不工作或工作状态时，有关信道的恒定增益保持短的响应时间或调节时间，从而在其它信道转入工作状态或不工作状态时增益不致大幅度或短暂地增加或减小。
附图的简单说明现在参看附图通过一些非限制性的实施例详细说明本发明。附图中图1是现有技术光纤放大器随波长而变化的增益的曲线圈；图2是增益稳定性有所提高的光纤放大器一般结构的示意图；图3是增益稳定性有所提高的光纤放大器另一种设计的一般结构的示意图；图4是采用光纤放大器的简单光纤网络的原理图。
最佳实施例的说明目前，光纤网络内的不同位置采用了光纤放大器，如图4中所示。这里，传输节点101接收电信号，由激光器103将信号转换成光信号。光信号经升压放大器105放大，从放大器105沿长光纤107传送。信号沿光纤107传播时会衰减，因而由线路放大器109加以放大。光纤107上的光信号由收信节点111接收下来，在节点111中先由前置放大器113将其放大。放大后的信号经光检测器115检测，在检测器115中转换成电信号，从节点111提供出去。在这类网络中，升压放大器105、线路放大器109和前置放大器113都由光纤放大器组成，这是一些用一定长度的有源光纤作为放大媒质或元件的光纤放大器。
图2中示出了光纤放大器的一般结构。光纤放大器的有源部分为两种长度1、3的掺铒光纤，彼此串联连接。第一长度1接收来自某信号源(图中未示出)的信号，信号到达接插件7，从接插件7经过光纤到一个功率分配器或耦合器9，光功率的一小部分(例如1％)在光纤上分接至象PIN二极管11之类的功率测定器。光功率的大部分继续传输到光隔离器13，从光隔离器13传到功率组合器或耦合器15，功率组合器15的另一个输入端接收来自在抽运光源或第一光源17的运抽光功率，例如产生980纳米或1480纳米波长的光。功率组合器15的输出端接第一光纤长度1的输入端。
第二光纤长度3的输出端通过滤波器18接光隔离器19的输入端，光隔离器19的输出端接功率分配耦合器21，耦合器21和输入侧的功率分配器9一样，在光纤上将光功率的一小部分(例如1％)分接到输出功率测定器23。输出功率的大部分从功率分配器21通过接插件25传送给一些目的地(图中未示出)。
在第一和第二光纤长度1、3之间连接有另一个功率组合器或耦合器27。功率耦合器27接收来自第二光源29的饱和光，发出1550-1570nm范围波长的光，在任何情况下发出不同于或大于WDM系统中波长信道使用的不同的波长的光。这样，第二光源29发出的光就不会用来“泵激”放大器，而是在有源光纤的第二长度3中经过放大，再由可选择的滤光器18滤除。滤光器18可以是长周期光栅滤光片，参看例如A.Vengsar kar在1996年华盛顿哥伦比亚特区技术文摘服务部化纤通信会议上发表的“长周期光纤光栅”论文(美国光学协会，1996年第2卷第269-270页，ThP4文件)掺铒光纤放大器通常在饱和状态下工作，在工作过程中，若输入的泵激功率足够，其输出功率无论输入功率如何都大致保持恒定。设计掺铒光纤放大器时，放大器的增益必须计算得达到所要求和值或相当于放大器在饱和状态下工作从而使放大器的输出功率合乎要求的值。此外，还必须考虑所有WDM信号都工作，即所有WDM信道波长的光都传送至放大器输入端的情况。图1曲线图中的下曲线示出了一般光纤放大器在那种情况下的增益。若不使用一个或多个信道，则输入功率会减小，输出功率大致恒定，从而增益会增加。因此，所有信道工作或在使用中的情况会使增益曲线最低。图1示出只有一个WDM信道在使用中或工作情况下的增益的上曲线举例说明了信道转入不工作状态所产生的影响。
在至少有一个信道不工作的情况下，为保持增益恒定，不让其按图1曲线所示的形式增加，用激光器29产生的光代替不使用的各信道相应的输入光，从而控制激光二极管29。这一点之所以可能是因为饱和信号功率与放大器的光输出功率有关。输出功率可由一个电路，例如图2中所示的控制部分31，根据收自输出测定器23表示光输出功率的信号确定。
因此，在所有信道都工作的情况下，控制饱和激光器29的光输出功率使其等于0。在一个WDM信道不工作的情况下，控制饱和激光器29使其取代此波长信道的光功率并在有源光纤中产生类似的布局反转，参看D.M.Baney和J.Stimple写的“WDM掺铒光纤放大器的增益特性用减小的饱和信道组进行的鉴定”一文(1996年12月第8卷第12期的《电气和电子工程师学会光子学技术通讯》第1615-1617页)。
这样，第二光源29始终控制得使其发出的光的强度随从输出端的功率测定器23的输出信号得出的控制信号而变化。这个功率测定器设计得使其以某种方式测定输出功率，特别是可以设计得使其测定是否存在放大器拟放大的所有WDM信道。这可通过例如采用导频信号进行，参看已公布的欧洲专利申请0637148 A1。此外，还有一个电子控制部分31连接得使其接收输出功率检测器23来的测定信号并给第二光源29发送控制信号用于控制其输出功率，从而提供饱和光功率。
第一光纤长度1的长度可以为0，从而完全取消。此外，第二光源发出的光会通过所有有源光纤在光纤中得到放大。还可以连接用于注入泵源17来的光的组合器15前面的第二光源发出的光的功率组合器27。在这另一些实施例中，增加了第二光源29发出的光相应的波长介入损耗，从而提高总的噪声系数。
另一个可能有的实施例，见图3，包括将第二光源29来的额外光注入总的有源光纤长度中，使其反方向传播，再将功率组合器/分配器27接第二有源光纤长度3的输出端。可选择的滤光器18连接在两光纤长度1、3之间，为的是清除波长相当于第二光源29所产生光的波长的光。
上述放大器都主要旨在放大电磁单模光信号。这意味着所有使用的元件不应影响信号光和抽运光的电磁模，因而各元件，尤其是光功率组合器15和可选择的滤光器18也应设计得使其传送信号光相应波长的光和单模抽运光的光。
综上所述，这里说明了一种用于放大例如WDM网络中的WDM信号的光纤放大器，这种光纤放大器无论实际信道的数目多少所使用的WDM信道的增益大致恒定，而且WDM信道转入不工作或工作状态时控制或调节的时间短。
权利要求
1．一种光纤放大器，用于放大波长带内的光信号，所述放大器包括一个有源光纤，其输入端适宜接收待放大、波长在某一波长区的光信号，其输出端适宜传送在其在有源光纤中传播的过程中得到放大、放大增益系数为其波长所特有的光信号；一个泵源，连接得使其将抽运光注入有源光纤中；一个输出功率测定器，接有源光纤的输出端，用于测定输出端波长在波长区内的光的功率；和一个光源，用于往有源光纤中注入光，所注入光其波长在所述波长区外，且选取得使其不能在有源光纤中产生放大或泵激作用，且选取得使其能够为光纤放大器所放大；其特征在于，为控制光源所注入的光的强度从而保持增益系数恒定，将光源连接输出功率测定器。
2．如权利要求1所述的光纤放大器，配置得使其放大波长区中的波长不同的信号信道的光信号，其特征在于，光源连接得使光源所注入的光的功率使光纤放大器无论信号信道有多少，即无论输入光信号的总功率多少，都在恒定增益下饱和。
3．如权利要求1或2所述的光纤放大器，其特征在于，有源先纤分成两部分，第一部分的输入端接收拟放大的光信号，第二部分的输出端传送经放大的光信号，光源配置得使其往第二部分中注入光。
4．如权利要求3所述的光纤放大器，其特征在于，其中一个光组合器，该光组合器连接在所述第一和第二部分之间接收来自光源准备注入第二部分的光。
5．如权利要求4所述的光纤放大器，其特征在于，其一个滤光器，该滤光器接于第二部分的输出端，让第二部分来的光信号通过，但不让波长与光源发出的光的波长相当的光通过。
6．如权利要求3所述的光纤放大器，其特征在于，其一个光分配/组合器，该光分配/组合器接于第二部分的输出端，让第二部分来的光通过，并接收光源来的、准备沿光信号相反的方向注入第二部分的光。
7．如权利要求4所述的光纤放大器，其特征在于，其一个滤光器，该滤光器连接在第一和第二部分之间，让第一部分来的光信号通过而不让波长与光源发出的光的相当的光通过。
8．一种光纤网络，由至少一个发信节点和一个收信节点和至少一个用于放大波长带内的光信号的光纤放大器组成，放大器包括一个有源光纤，其输入端适宜接收波长在波长区内、有待放大的光信号。其输出端适宜传送在有源光纤中传播的过程中得到放大、放大增益系数为其波长所特有的光信号；一个泵源，连接得使其将抽运光注入有源光纤中；一个输出功率测定器，连接于有源光纤的输出端，用于测定输出端波长在波长区内的光的功率；和一个光源，用于将光注入有源光纤中，所注入的光，其波长在波长区外，且选择得使其不会在有源光纤中引起放大或泵激作用，选择得能为光纤放大器所放大；其特征在于，为控制注入光的强度，保持增益系数恒定，将光源接于输出功率测定器。
全文摘要
一种WDM信号光纤放大器,由用泵源来的抽运光泵激的有源光纤(1,3)组成。为使放大器的WDM信号增益无论有效WDM信号的数目多少都保持恒定,另外配备了一个光源(29)在必要时通过一个功率组合器(27)将光注入有源光纤的至少一部分(3)中。注入的光的波长与WDM信道的不同,最好更长些;从而不致在有源光纤中产生放大或泵激作用,但仍能在有源光纤中加以放大。光源(29)由获自一个输出功率测定器(23)的信号控制,从而会在WDM信号不工作状态时注入额外光,因此额外光的功率选择得无论信号信道的数目有多少,即无论输入光信号的总功率多少都在恒定增益下使光纤放大器饱和。有源光纤(1,3)的输出端可以接一个滤光器(18)不让波长与光源(29)发出的光的波长相当的光通过。通过注入“额外信号光”来控制增益的这种作法比起控制抽运光的功率快得多。
文档编号H04B10/296GK1295743SQ9980466
公开日2001年5月16日 申请日期1999年4月1日 优先权日1998年4月1日
发明者D·卢茨, P·布利克斯特 申请人:艾利森电话股份有限公司