专利名称：用于光通讯设备的光放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于光通讯设备的光放大器。
近年来，已经采用波分多路复用(WDM)传输系统。在发射台，信道数目的增多导致所用后置放大器数目的增多。光放大器在光发射设备中占了很大空间。所以，希望减小光放大器的尺寸以及把光放大器制成集成形式。
在光放大器中，激光二极管(LD)用作泵浦光源，发出LD产生热量的元件与光源有关系。在构成光放大器的元件中，光源及其关联的辐射器体积很大，所以不可能减小光放大器的尺寸。因此，想到了把泵浦光源与光放大器分开，以及把用作泵浦光源必需的元件，如光源及其相关的驱动电路，组合在一起作为泵浦光源单元。
图1A,1B和1C表示几种普通泵浦光源单元的布置。
如图1A,1B和1C所示，可以设想三种类型的泵浦光源单元(注意，图1A的例子使用四个泵浦LD)。图1C的例子用于CIENA研制的WDM系统(见手册“CIENA多波段线路放大器方框图”)。
在图1A至图1C中，1表示驱动泵浦光源的电路；2,3,4,5和8，泵浦光源；6，偏振光分束器(PBS)；7，波分多路复用(WDM)耦合器；9，分解泵浦光的分光器；10，耦合和分解泵浦光的光耦合器/分光器。
在图1A中，四个泵浦光源2,3,4,5中的每一个被四个泵浦光驱动电路1中相应的一个驱动(例如，供给电流)以产生光，来自泵浦光源2至5中每一个发出的光是线偏振光输出。从泵浦光源2和3输出的光束在波长上可以设置成基本相同，而偏振方向不同，波长基本相同而偏振方向不同的两个光束被偏振光分束器6偏振耦合。泵浦光源4和5与泵浦光源2和3类型相同，但泵浦光源4和5的输出波长与泵浦光源2和3的不同。这一情况表明，由于制造过程的差别，即使泵浦光源4和5与泵浦光源2和3类型相同，它们的输出波长不一定相同。来自泵浦光源2和3的偏振耦合泵浦光与来自泵浦光源4和5的偏振耦合泵浦光被WDM耦合器7耦合。从WDM耦合器输出的光被送到光放大媒质，例如，掺铒光铒(EDF)，用作放大光信号的泵浦光。所以称之为WDM耦合器是因为，它把波长多路复用信号光与特定波长的泵浦光进行耦合，但实际上可以是一个普通的光耦合器。
这一布置用于这样一种情况，当只有一个泵浦光源不能给光放大媒质提供足够的放大作用时，而打算通过利用两个或更多个泵浦光源以得到更大功率的泵浦光。
图1B的泵浦光源单元包括一个泵浦光源驱动器1，一个泵浦光源8，和一个分解泵浦光的分光器9，此泵浦光是从泵浦光源8输出的。这一布置用于这样一种情况，当泵浦光源有足够大的功率提供给两个或更多个光放大媒质(未画出)时，这一布置允许一个泵浦光源均衡地运行两个或更多个光放大媒质，此泵浦光源有单个波长和单个偏振光波。
图1C的泵浦光源单元包括两个或更多个泵浦光源驱动器1，相同数量的泵浦光源8，和一个耦合和分解泵浦光束的光耦合器/分光器10，此泵浦光束来自泵浦光源。这一布置是利用单个泵浦光源单元的泵浦光供给两个或更多个光放大媒质，但此布置有两个或更多个泵浦光源8以提供较高功率的泵浦光，因为仅仅单个泵浦光源不能给所有的光放大器提供足够的放大作用。然而，如上所述，两个或更多个泵浦光源8之间波长上有差别。因此，对于每个光放大媒质采用相应一个泵浦光源8会使其相应的放大作用有差别。由于这个原因，此泵浦光源单元安排成这样，首先，把来自多个泵浦光源8的泵浦光束进行耦合以产生单个光束，然后分解此单个光束，从而给每个光放大媒质提供相同性质的泵浦光。
此后，把包含泵浦光源单元，一个或多个光放大媒质，和包括其他电路在内控制电路的总体称之为光放大器。
在光放大器中，自动增益控制(AGC)或自动电平控制(ALC)有时是控制给光放大媒质提供的泵浦光量。在普通的光放大器中，通过改变泵浦光源的驱动电流，使此泵浦光源输出光量发生变化，从而改变给光放大媒质提供的泵浦光量。
在WDM传输系统中，不同波长的信号光束共同地被一个光放大器放大。在系统运行开始之后，有时要改变WDM系统以增多信号多路复用级次(即，系统升级)。当多路复用级次增多时，为了增大供给光放大媒质的泵浦光量，光放大器就需要更大的泵浦功率。
在图1B和1C所示的泵浦光源单元中，每个泵浦光输出功率之比相对于分光器9或光耦合器/分光器10分光之比是固定的，在每个输出口的泵浦光量不能任意变动。
光放大器包含与辐射热量的泵浦光源相关联的元件。这些元件在组成光放大器的诸多元件中体积是相对大的，妨碍了光放大器尺寸的减小。倘若LD作为产生热量的泵浦光源，因而多个驱动电路在光放大器内靠得很近放置时，就会使温度升高很多，因此降低了光放大器的性能和可靠性。
在此之前，即使WDM传输系统已经升级，泵浦光只能输出系统运行开始时安装在光放大器内泵浦光源允许的最大输出功率。作为一个例子，假定在16个信道的WDM系统中，在系统运行开始时只使用四个信道。在此情况下，光放大器当然装备了供应16个信道所需的泵浦光源，这就增大系统安装时的先期投资。
在配备机内泵浦光源类型的光放大器的光通讯设备中，设备内产生的热量很难辐射出去，所以就需要用风扇冷却该设备，因此消耗额外的功率。
作为泵浦光源LD发射窄宽度谱的泵浦光从组成光放大器的光学部件或光纤接头反射，返回到泵浦LD时，LD的运行变得不稳定，这就使光放大器的运行也不稳定。为了避免这个问题，光放大器通常在泵浦LD的输出侧有一个机内光隔离器。这种布置就需要更多的光学部件。
在大多数使用的光放大器类型中，放大媒质的放大特性与波长有关，由于制造过程中的差异，泵浦LD的波长有差别。由于这个原因，光放大器因波长的差别而使其放大特性也有差别。
在用连接器把泵浦光源单元与光放大媒质连接在一起的光放大器中，在连接器脱离的情况下发出声音报警是有必要的，因为泵浦光通过连接器的泄漏对于正在工作的人员是非常危险的。
本发明的一个目的是提供一种光放大器，它具有改变给放大媒质提供泵浦光量的功能，其体积小，且受泵浦光源产生热量的影响很小。
按照本发明的第一方面，提供一个放大入射信号光的光放大器，放大作用是对泵浦光加到光放大器上的响应，其特征是，包含一个可变衰减器以改变加到光放大器上的泵浦光输入功率，从而调整此光放大器的放大特性。
在本发明的光放大器中，含光放大媒质的两个或更多个光放大单元组合成一组。
本发明的光通讯设备包括一个泵浦光源单元，它至少有一个产生泵浦光的泵浦光源；分解或耦合来自至少一个泵浦光源泵浦光的单元；以及光放大单元，用于放大入射信号光以响应加到光放大器上来自泵浦光源单元的泵浦光，其特征是，泵浦光源单元放置在光通讯设备中这些地方，该处的热辐射条件很好。
按照本发明的第二方面，提供一个放大入射信号光的光放大器，放大作用是对来自泵浦光源单元泵浦光的响应加到光放大器上的响应，此泵浦光源单元有一个产生泵浦光束的泵浦光源和一个耦合多个泵浦光束的光耦合器单元，其特征是，泵浦光源单元包括一个偏振面旋转单元，用于旋转光耦合器单元输出泵浦光的偏振面，转过第一转角用于传输，还用于旋转输出泵浦光的返回光偏振面，此输出泵浦光是从泵浦光源单元与光放大器其他元件连接的连接器反射，返回到泵浦光源单元，转过第二转角，把返回光输入到泵浦共源，此返回光的波长不同于泵浦光源产生的泵浦光波长。
按照本发明的第三方面，提供一个放大入射信号光的光放大器，放大作用是对来自泵浦光源单元泵浦光加到光放大器上的响应，此泵浦光源单元有多个泵浦光源，每个泵浦光源产生一个泵浦光束，此泵浦光源单元还有一个光耦合器/分光器，用于耦合多个泵浦光束以及把它分解成单独的光束，其特征是，泵浦光源单元包括一个偏振面旋转单元，用于旋转来自光耦合器单元输出泵浦光的偏振面，转过第一转角用于传输，还用于旋转来自输出泵浦光的返回光偏振面，此输出泵浦光是从泵浦光源单元与光放大器其他元件连接的连接器反射，返回到泵浦光源单元，转第二转角，把返回光输入到泵浦光源，此返回光的波长不同于泵浦光源产生的泵浦光波长。
按照本发明的第四方面，提供一个光放大器，其中泵浦光源单元有一个产生泵浦光的泵浦光源，光放大单元有一个放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对泵浦光加到光放大单元上的响应，泵浦光源单元与光放大单元之间用一个连接器连在一起，可以使泵浦光传送到光放大单元，其特征是，光放大单元包括一个确定泵浦光源单元与光放大单元之间连接器是否连在一起的单元，这是根据泵浦光源单元输出的泵浦光输出功率确定的。
按照本发明的第五方面，提供一个光放大器，其中泵浦光源单元有一个产生泵浦光的泵浦光源，光放大单元有一个放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对泵浦光加到光放大单元上的响应，泵浦光源单元与光放大单元之间用一个连接器连在一起，可以使泵浦光传送到光放大单元，其特征是，泵浦光源单元包括一个确定泵浦光源单元与光放大单元之间连接器是否连在一起的单元，这是根据从连接器反射的返回光功率确定的。
按照本发明的第六方面，提供一个光放大器，其中泵浦光源单元有一个产生泵浦光的泵浦光源，光放大单元有一个放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对泵浦光加到光放大单元上的响应，泵浦光源单元与光放大单元之间用一个连接器连在一起，可以使泵浦光传送到光放大单元，其特征是，包括一个确定泵浦光源单元与光放大单元之间连接器是否连在一起的单元。
本发明的光放大单元有一个放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对单独泵浦光源单元泵浦光加到光放大单元上的响应，光放大单元与泵浦光源单元之间用一个连接器连在一起构成光放大器，其特征是，配置了一个可变衰减器，用于调整输入到放大媒质的泵浦光功率。
本发明的泵浦光源单元有一个产生泵浦光的泵浦光源，此泵浦光是输出到单独的光放大单元，泵浦光源单元与光放大单元之间用一个连接器连在一起构成光放大器，其特征是，配置了一个可变衰减器，用于调整输出到光放大单元的泵浦光功率。
普通系统中的泵浦光输出功率或使其保持恒定，或通过控制泵浦光源自身加以调整，按照本发明，利用可变衰减器能够很容易调整泵浦光的功率，可变衰减器可以使适当强度的泵浦光提供给放大媒质。
另外，由于泵浦光源是与光放大单元分开的，两个或更多个光放大单元可以集合成一组，保证了光放大器的小型化。
由于泵浦光源是与光放大单元分开的，泵浦光源可以放在热辐射条件很好的地方，所以能够抑制热量对光放大单元的影响。
由于泵浦光源单元内配备了把泵浦光源输出的泵浦光偏振面旋转一个预定角度的单元，能够消除由于返回光造成的光源工作不稳定性。
按照本发明，把光放大器分成含泵浦光源的泵浦光源单元和含放大媒质的光放大单元，所以，就需要一个连接器把这两个单元连在一起。连接器在人员工作时可能自行脱离。在连接器脱离的事件中，人员就可能遇到危险。为了避免这种危险，本发明光放大器中配备了检测连接器是否脱离的装置。
图1A,1B和1C表示普通泵浦光源单元的布置；图2说明本发明的原理；图3A表示可变衰减器的布置；图3B表示图3A法拉第旋转器的布置；图4表示本发明第一个实施例的光放大器；图5表示本发明第二个实施例的光放大器；图6表示本发明第三个实施例的光放大器；图7表示第一种泵浦光源单元的布置；图8表示第二种泵浦光源单元的布置；图9表示第三种泵浦光源单元的布置；图10表示第四种泵浦光源单元的布置；图11表示第五种泵浦光源单元的布置；图12表示第六种泵浦光源单元的布置；图13表示第七种泵浦光源单元的布置；图14是光放大器的示意图；图15表示第一种光放大单元的布置；
图16表示第二种光放大单元的布置；图17表示第三种光放大单元的布置；图18表示第四种光放大单元的布置；图19表示第五种光放大单元的布置；图20表示适用于稳定地运行泵浦光源的一种泵浦光源单元布置；图21表示本发明第四个实施例的光放大器；图22表示适用于检测光放大单元与泵浦光源单元之间连接的一种布置；以及图23A和23B是用于解释在泵浦光源单元中如何连接一个泵浦光源或多个泵浦光源。
现参照图2，此图说明本发明的原理。
这里说明一个不包含泵浦光源的光放大器布置。此后，除了泵浦光源之外的光放大器其余部分称之为光放大单元。
参考数字11表示放大媒质，它通过注入泵浦光放大信号光；数字12是耦合器，用于耦合信号光和泵浦光；数字13是可变衰减器，它改变给放大媒质提供的泵浦光量；数字14是驱动器，它驱动可变衰减器。
在本发明中，信号光以及由驱动器14驱动可变衰减器13以调节泵浦光输出功率的泵浦光，二者输入到耦合器12中，然后耦合并传送到放大媒质11。放大媒质是由，例如掺铒光纤构成。借助泵浦光，放大媒质(光纤放大器)11被激发而引起受激发射，因此放大信号光。
在图2的布置中，即使光的多路复用级次增多，只要用可变衰减器13调节泵浦光的输出功率，就能获得足够的光放大。
此外，通过利用可变衰减器13控制泵浦光的输出功率，就不需要控制泵浦光源本身，而且允许泵浦光源与光放大单元分开放置。把发出热量的泵浦光源与对热敏感的光放大单元分开，保证了光放大器稳定运行。
图3A和3B说明一个可变衰减器的例子。
图3A表示整个可变衰减器的布置。
可变衰减器包括一个透镜20，它准直来自光纤25的入射光；一个双折射楔21，它把入射光束分成不同偏振方向的两个分量；一个可变法拉第旋转器22，它能改变法拉第转角；一个双折射楔23，它把入射光束分解成两个分量，以及一个透镜26，它会聚从双折射楔23射出的光。通过透镜24传输的光传向光纤26，这里有两种情况与法拉第旋转器22中的法拉第转角有关，一种情况是100％的光传向光纤，一种情况是一部分光传向光纤。当只有一部分光传向光纤时，传向光纤的光强度是衰减的。另一方面，当100％的光传向光纤时，光强达到最大值。
因此，通过控制法拉第旋转器的法拉第转角，双折射楔23中光程弯折的角度是变化的，使传向光纤26的光强受到控制。
图3B说明一个可变法拉第旋转器的例子。
这个法拉第旋转器包括永久磁铁27，电磁铁28，一磁光晶体29，和供给电磁铁电流的可变电流源30。入射到磁光晶体29的光束31，其偏振面被永久磁铁27和电磁铁28在磁光晶体内产生的磁场所旋转。磁光晶体内产生的磁场方向随电磁铁产生的磁场大小而变化。光束31的偏振面转角是由平行于光传播方向的磁场分量所确定。因此，光束31的偏振面转角可以通过改变磁光晶体29内磁场方向而在磁场大小不变的情况下而改变。此处，永久磁铁27用于使磁光晶体29内的磁场饱和。通过使磁光晶体内的磁场饱和，不管电磁铁28产生多大磁场，内磁场的大小能够保持不变。通过改变内磁场的方向，平行于光束31传播方向的磁场分量大小就增大或减小。因而，光束31的偏振面转角受到控制。
图4表示本发明第一个实施例的光放大器。
这个光放大器包括泵浦光源单元40和光放大单元41。泵浦光源单元在耦合器42中耦合两个或更多个泵浦光源43射出的泵浦光，用于传输到光放大单元41。配置两个或更多个泵浦光源可以使高功率的泵浦光束传送到光放大单元41。若泵浦光源单元40布置成这样，能使一个或多个泵浦光源添加上去，这就适用于以下需要较高功率泵浦光的光放大器要求。
光放大单元41配置了耦合入射信号光与泵浦光的WDM耦合器44，用于经光隔离器45传送到放大媒质46。放大媒质46被泵浦光激发而放大光信号，此光信号依次传向光隔离器47，放大的信号然后输入到选波长滤波器48，其中只有信号光射出，然后输入到分光器49。当放大媒质46中信号光利用泵浦光放大时，此放大媒质射出与传输方向相反的信号光。放置的两个光隔离器45和47阻挡住相反方向的信号光。
在分光器49中，大部分的信号光直接传播，但一部分信号光分叉出来，光电二极管50检测信号光的总输出功率。光电二极管的输出进入监测器电路51，用于判断放大的信号光是否已达到预定的输出功率。若判断的结果是，放大的信号光没有达到预定的输出功率，则监测器电路送出一个信号到衰减器驱动电路52。对这个信号的响应是，驱动电路控制可变衰减器53，从而调整输出到光放大器46的泵浦光。利用这样一个反馈回路，放大信号光的输出功率能够保持恒定。监测器电路51可以由微分放大器构成。
在这个布置中，光放大单元41与泵浦光源43组成的泵浦光源单元是分开的，光放大单元41不会遭受泵浦光源发出的热量。而且，与普通系统不同，泵浦光输出功率是由可变衰减器53调节的。因此，即使信号光中信号多路复用级次改变了，仍能通过控制可变衰减器53容易地获得所需的泵浦光输出功率。
图5表示本发明第二个实施例的光放大器。
在此图中，对应于图4中相应的部件采用相同的参考数字，省去了对这些部件的说明。
图5的第二个实施例是布置成这样，单个光源62能够给两个或更多个放大媒质70和46提供足够的泵浦光。泵浦光源单元60包括泵浦光源62和分光器63，此分光器用于分解来自泵浦光源的泵浦光以传送到放大媒质70和46。光放大单元61包括两个或更多个放大器(第一放大单元74和第二放大单元75)。第二光放大单元75的布置与图3所描述的相同，因此省去了对它的描述。
第一光放大单元74具有称之为双向激发的结构，其中泵浦光是从两端进入放大媒质70。来自泵浦光源单元60的两个泵浦光束传向第一光放大单元74，两个泵浦光束的输出功率分别由驱动电路65和66驱动的可变衰减器64和67调节，然后由WDM耦合器68和71把两个泵浦光束与信号光耦合。两个泵浦光束是从放大媒质70的两端进入放大媒质，在放大媒质中放大信号光。如前面所描述的，配置了两个光隔离器69和72，为的是去除与信号光传播方向相反方向传播的乱真光。通过光隔离器72传输的光光进入到选波长光滤波器73，其中只有主信号光被滤出，沿传输路径(未画出)传输。
与第二光放大单元75不同，在第一光放大单元74中，没有采用反馈来保持放大的信号光输出功率恒定。当然，也可以在第一光放大单元74中有反馈配置。在这种情况下也是如此，反馈配置安排成这样，利用光电二极管和监测器电路检测从选波长光滤波器73射出的主信号光中一部分输出功率，监测器电路的输出信号提供给驱动电路65和66，由这两个驱动电路65和66分别控制可变衰减器64和67。
第一光放大单元74采用双向激发，双向激发用在掺铒光纤很长的放大媒质70中是很有效的。即，在此情况下，从WDM耦合器68输入到放大媒质70一端的泵浦光，在它到达放大媒质另一端之前已经耦散。所以，若从WDM耦合器71到放大媒质70另一端也输入泵浦光，就可以使泵浦光扩展到整个放大媒质。按照这一方案，即使放大媒质70是由很长的掺铒光纤构成，整个放大媒质可用于放大信号光。
图6表示本发明第三个实施例的光放大器。
如同图5中一样，图6中的光放大单元61包括第一光放大单元74和第二光放大单元75，采用相同的参考数字表示相应于图5中的那些部件。
利用双向激发，光放大单元61中的第一光放大单元74安排成这样，使泵浦光从放大媒质70的两端进入。这一方案的优点前面已提到过了。第二光放大单元75与图4的布置完全相同，只利用一个泵浦光束。与第二光放大单元75情况一样，第一光放大单元74中的反馈控制可以由可变衰减器64和65来完成。
在图6中，含泵浦光源的泵浦光源单元80与光放大单元61是分开放置的，在光放大单元61中，从泵浦光源80输入到放大媒质70和46的泵浦光是由可变衰减器64，67和53控制的。这样一种布置避免了从泵浦光源81发出的热量对光放大单元61的稳定运行造成不利影响，且只要控制可变衰减器64,67和53就可以得到所需的泵浦光。此外，把泵浦光源单元安排成这样，可以使一个或多个泵浦光源添加到其光耦合器/分光器82上，上述安装的泵浦光源81中不能获得高功率泵浦光，而只要把一个或多个泵浦光源添加到泵浦光源单元80中就能适应提供高功率泵浦光的要求。
图6的泵浦光源单元80中配置了两个或更多个泵浦光源单元81，从而提供了单个泵浦光源不能达到的强泵浦光。即，多个泵浦光源81输出的光耦合在一起，然后被光耦合器/分光器分解，传输到放大媒质70和46。如上所述，把来自两个或更多个泵浦光源的光进行耦合，然后再分解，传输到两个或多个放大媒质中，具有这样一个优点，所有的放大媒质能够在基本相同的特性下运行。即，能够消除不同放大媒质之间由于泵浦光源制造过程中的差异而造成运行特性差别，若一个泵浦光源分配给一个放大媒质就会产生运行特性的差别。
图7表示第一种激发光源单元的布置。
图7的泵浦光源单元配置了两个或更多个泵浦光源90，给一个放大媒质提供单个泵浦光源不能达到的高功率泵浦光。与上一个布置不同，此布置中可变衰减器93和衰减器驱动电路92安装在泵浦光源单元内，而不是安装在光放大单元内。在此情况下，为了调节泵浦光以响应被放大媒质放大的信号光输出功率的输出功率，就要求从光放大单元(未画出)输入一个反馈控制信号到驱动电路92。如上所述，由于泵浦光源单元与光放大单元组装成分开的两个单元，反馈控制信号输入到衰减器驱动电路92就需要电路布线，虽然以下不会具体提到反馈控制装置，但对于专业人员来说是很清楚的。
图8表示第二种泵浦光源单元的布置。
此布置也是这样，泵浦光源配置了可变衰减器97和衰减器驱动电路96。这一布置适用于单个泵浦光源94有足够高的输出功率给两个或更多个放大媒质(未画出)中的每一个提供泵浦光。分光器95分解从泵浦光源94输出的光。每个可变衰减器97调节来自分光器相应一个泵浦光的输出功率；这是打算单独地调节每个放大媒质。虽然图8中的多个可变衰减器97共同地由一个驱动电路96控制，但也可以给每个可变衰减器配置一个驱动电路。为了泵浦光输出控制反馈，有一个监测器电路用于检测被放大媒质放大的信号光输出功率，此监测器电路产生的控制信号加到连接监测器电路的衰减器驱动电路96上。
图9表示第三种泵浦光源单元的布置。
在此布置中，从两个或更多个泵浦光源98输出的光首先进行耦合，然后被光耦合器/分光器98分解。这是打算通过耦合两个或更多个泵浦光源98获得所需输出功率的泵浦光，首先耦合来自多个泵浦光源全部的光，然后再分解耦合后的光，以避免给放大媒质的光在波长上有差别。把一个光进行分解消除了送到放大媒质的光束在波长上有差别，可以使每个放大媒质运行一致。图9的布置也是这样，可变衰减器101和衰减器驱动电路100都在泵浦光源单元内。每个可变衰减器100都有分光器输出的光，并受驱动电路100控制，如以上结合图8所描述的，每个可变衰减器可以有一个衰减器驱动电路。为了泵浦光输出反馈控制，控制信号是从未画出的监测器电路加到衰减器驱动电路100上。
在图8和图9的布置中，被分光器95或光耦合器/分光器99分解的泵浦光在其功率上受到每个可变衰减器97或101的控制。这等效于改变分光器或光耦合器/分光器中分光比。
图10表示第四种泵浦光源单元的布置。
这个泵浦光源单元安排成这样，从两个或更多个泵浦光源110输出的光被光耦合器111耦合成一个光，再加到单个放大媒质，而且可以连到耦合器上光源的数目能够增加或减少。例如，光耦合器111有机内光源连接器和光耦合元件，其数目超过光传输系统开始工作时所需的泵浦光源数目，在系统安装时只连接所需最小数量的泵浦光源。当光传输系统中需要增加光学多路复用级次(系统升级)时，添加的一个或多个泵浦光源(包括单独的一个或多个泵浦光源单元)就耦合到事先已安装了光耦合器111的连接器上。即，当光传输系统的光学多路复用级次增加时，相应地增加信号光的功率。在此情况下，若泵浦光的功率保持不变，光纤放大器的增益就下降。因此，就需要提高泵浦光的输出功率。由于这个原因，泵浦光源单元安排成可以添加一个或多个泵浦光源。这就避免在初期投资阶段安装了超过所需数目的泵浦光源。而且，在系统升级时能容易适应更高功率泵浦光的要求。
图11表示第五种泵浦光源单元的布置。
在图11的布置中，从两个或更多个泵浦光源110输出的光首先进行耦合，然后进行分解，传输到每个放大媒质。在此情况下也是一样，光耦合器/分光器113中预先安装了连接器和光学元件，允许添加的一个或多个泵浦光源增加上去。当系统升级需要更高功率泵浦光时，升级的泵浦光源或另外的泵浦光源单元能够连到光耦合器/分光器113上。
如图10或图11所示，做成的光耦合器111或光耦合器/分光器113允许连接添加的一个或多个泵浦光源，在系统开始工作时只要有所需最小数目的泵浦光源已足够。为了系统升级，只要添加一个或多个泵浦光源以获得所需功率的泵浦光。因此，光传输系统的初期投资能够控制到最小，且系统升级十分容易。
图12表示第六种泵浦光源单元的布置。
这一布置是在图10的布置中增加了可变衰减器116和衰减器驱动电路114。虽然在图10中，可变衰减器115和衰减器驱动电路114是放在未画出的光放大单元中，但是也可以放在如图12所示的泵浦光源单元中。这一布置对应于图7的布置，不同的是，做成的光耦合器111允许添加一个或多个泵浦光源。如结合图7所描述的，为了反馈控制从光耦合器111输出的泵浦光，就需要有一个控制信号输入到衰减器驱动电路114的电路布线。
图13表示第七种泵浦光源单元的布置。这一布置对应于图11的布置，它有多个可变衰减器116，每个可变衰减器对应光耦合器/分光器113中相应一个泵浦光输出，以及有一个驱动衰减器的衰减器驱动电路117，这一布置允许每个放大媒质单独地受到控制。这种情况基本上等效于改变光耦合器/分光器113中的分光比。
图13的布置适用于给多个放大媒质提供泵浦光，它能满足这样的情况，光学多路复用级次只是在某些传输路径上增加了，不需要对泵浦光源适用的所有放大媒质提高其泵浦光输出功率。即，随着系统升级，从泵浦光源112或单独的泵浦光源单元输出的泵浦光输入到光耦合器/分光器113中，每个可变衰减器116的光衰减程度是分别设定的。更具体地说，与升级之前相同输出功率的泵浦光加到不需要提高其泵浦光输出功率的放大媒质上，而较高输出功率的泵浦光加到需要提高真泵浦光输出功率的放大媒质上。因此，图13的布置能适应各种系统升级。
如上所述，在图13的布置中，每个可变衰减器有一个衰减器驱动电路。为了反馈控制每个泵浦光的输出功率，控制信号是从未画出的监测器电路加到衰减器驱动电路上。
图14是光放大器的示意图。
图14的光放大器安排成这样，泵浦光源单元120独立于光放大单元，许多光放大单元合成一个组件121。把光放大单元121-1至121-n按照这样方式合成一个组件，在多条光传输路径上的光放大器可以集成，这个集成光放大器在光通讯设备中不占太多空间。泵浦光源单元120安装成独立于光放大单元集成组件121，这就给光通讯设备中放置泵浦光源单元提供更多的自由。因此，发出大量能量并可能对光放大单元中放大媒质产生负面影响的泵浦光源单元120，可以放在光通讯设备内冷却效果良好的位置，例如，放在光通讯设备的上部或靠近风扇。
为了使光放大器有一致的特性，相同类型的光放大单元连接到一个泵浦光源单元。因此，具有相同波长或相同波长元件的泵浦光输入到光放大单元的放大媒质中，可以使光放大器有一致的特性而不依赖于放大媒质与波长之间的关系。
图15至图18表示结合图4和图5描述的各种光放大单元布置。
图15表示第一种光放大单元的布置。
在图15中，131表示由掺铒光纤组成的放大媒质(光纤放大器)，132是耦合泵浦光与信号光的WDM耦合器；133是光隔离器，用于阻止光沿相反方向传播的振荡；134是选波长滤波器，它允许信号光波长分量通过；135是可变衰减器，它改变给放大媒质提供的泵浦光量；136是衰减器驱动电路，它给光衰减器提供驱动电流；137是分光器，用于从滤波器射出的信号光中分出一部分光以控制泵浦光的输出功率；138是光电二极管，它把从分光器分出的信号光转换成电信号；139是控制电路，它接收电信号，完成必要的计算之后送出一个控制信号到衰减器驱动电路。
图15的光放大单元完成自动电平控制(ALC)以便使输出光的电平保持恒定，它具有与图4相同的布置。一部分信号光从分光器137中分出，然后转换成电信号，这个电信号又与控制电路139中预置值的大小进行比较。通过控制经驱动电路136到可变衰减器135的驱动电流，使电信号与预置值之差为零实现ALC。
把光放大器分成含热敏放大媒质的光放大单元和含一个或多个泵浦光源的泵浦光源单元，可以使放大媒质运行稳定，并使泵浦光源单元有上述系统升级的设施。此外，与普通的放大器不同，普通放大器中泵浦光输出电平的控制是通过改变泵浦光源的电流，本发明是利用可变衰减器改变输入到放大媒质的泵浦光功率而同时保持泵浦光源的输出电平恒定，实现泵浦光电平的控制。这就可以用分开的两个单元光放大单元和泵浦光源单元，组成光放大器。
图16表示第二种光放大单元的布置。
在此图中，对应于图15中相同的部件采用相同的参考数字，省去了对这些部件的描述。
在图16中，140表示分光器，它分出一部分入射信号光以控制泵浦光的输出电平；141是光电二极管，把分光器分出的信号光转换成电信号；142是控制电路，它接收光电二极管138和141产生的电信号，完成必要的计算之后产生一个给衰减器驱动电路136的控制信号。
这个放大单元安排成实现自动增益控制(AGC)以便使信号光增益保持恒定。被分光器137分出的一部分输出信号光由光电二极管138转换成电信号，而被分光器140分出的一部分入射信号光由光电二极管141转换成电信号，这两个电信号加到控制电路142上，由此得到输出信号光与输入信号光的比率，即，增益。把这个增益与预置值进行比较产生二者之差。通过控制经驱动电路136到可变衰减器135的电流使二者之差为零完成AGC控制。
WDM耦合器132，光隔离器133，选波长滤波器134和放大媒质131的运行如同上面描述一样。
图17表示第三种光放大单元的布置。
在此图中，对应于图15中相同的部件采用相同的参考数字，省去了对这些部件的描述。
在图17中，143表示分光器，它分出一部分泵浦光用于控制；144是光电二极管，它把分光器分出的泵浦光转换成电信号；145是控制电路，它接收光电二极管产生的电信号，完成必要的计算之后产生一个给衰减器驱动电路136的控制信号。
这个放大单元安排成实现自动功率控制(APC)以便使给放大媒质的泵浦光量保持恒定。被分光器143分出的一部分泵浦光由光电二极管144转换成电信号。此电信号加到控制电路145上，把它与预置值进行比较产生二者之差。通过控制经驱动电路136到可变衰减器135的电流使二者之差为零完成APC控制。
具有恒定电平的泵浦光在WDM耦合器132中与入射信号光耦合，使得在放大媒质131中放大信号光。放大了的信号光进入选波长滤波器134，只有主信号光由滤波器射出，传送到光传输路径(未画出)上。如上所述，放置的光隔离器133避免了沿相反方向传播的光振荡。
在这个泵浦光功率恒定的布置中，若系统升级需要较高功率的泵浦光时，控制电路145中的预置值必须改变到一个适当值。然而，若不需要增大泵浦光的功率，这一布置的作用与ALC控制和AGC控制完全相同。
图18表示第四种光放大单元的布置。这一布置适用于双向泵浦光放大。通过改变经每个驱动电路136到相应一个可变衰减器135的电流，给放大媒质提供的泵浦光量能够从其输入端和输出端分别加以控制。在图18的布置中，使用两个泵浦光源一个泵浦光源从放大媒质的输入端提供泵浦光，另一个泵浦光源从放大媒质的输出端提供泵浦光。
希望采用一个共同的泵浦光源从放大媒质的两端给放大媒质提供泵浦光。采用一个共同泵浦光源的布置画在图19中。
双向激发中每个元件的运行已在结合图5时描述过了，此处就省去了对它们的描述。
图19表示第五种光放大单元的布置。
在图19中，对应于图15至图18中相同的部件采用相同的参考数字，省去了对这些部件的描述。在此图中，146表示分解泵浦光的分光器。
图19的光放大单元具有与图18单元中相同的双向激发布置，但不同的是，来自泵浦光源的泵浦光被分光器146分光，然后输入到可变衰减器135。
可以把单个可变衰减器放在分光器146的前面，在泵浦光被分光器分解之前改变泵浦光量，而不是如图19所示那样放置可变衰减器135。在此情况下，从放大媒质输入端给放大媒质提供的泵浦光量与从放大媒质输出端给放大媒质提供的泵浦光量之比率取决于分光器中的分光比。
图20表示在光放大器的泵浦光源单元中稳定地运行泵浦光源的布置。
通常，适合于光学元件的连接器有不同程度的反射率，但是反射不少产生返回光的入射光。当返回光进入泵浦光源时，泵浦光源的运行变得不稳定了，使振荡光的波长发生漂移。这是因为，当泵浦光源是由带谐振腔结构的激光器构成时，入射的返回光干扰了谐振腔的谐振状态。
为了解决这个问题，放置了两个不同波长的泵浦光源157和158。泵浦光源157和158分别设置成输出波长为λ1和λ2的光束，这两个光束是互相垂直的线偏振光。泵浦光源157和158的输出光束被偏振光束分光器(PBS)159偏振耦合。法拉第旋转器160设定成使入射光的偏振面转过22.5°。在偏振耦合之后，泵浦光的偏振面被法拉第旋转器160转过了22.5°，然后从泵浦光源单元输出。从光放大器内光学元件反射的输出泵浦光形成的返回光，其偏振面在法拉第旋转器中又转过了22.5°。因此，返回光的偏振面相对于原先的光(PBS的输出光)转过了45°。所以，返回光有λ1和λ2的两个波长分量。
因此，若返回光的一个分量与泵浦光源输出光的波长不同，则返回光对作为泵浦光源的激光器谐振腔内谐振状态的干扰作用就受到抑制。所以能够消除由于返回光给泵浦光源造成的工作不稳定。
即，具有不同输出波长的泵浦光源(LD)的输出光用作泵浦光，被光学元件反射并入射到泵浦光源的泵浦光部分在波长上是不一致的。这可以使入射到LD的返回光波长分量与LD的输出波长不同，因此消除了光放大器的工作不稳定。
图21表示第四种光放大器的布置。
在此布置中，光放大单元170配置了泵浦光输入监测器177，它包括分光器174，用于分光部分泵浦光；光电二极管175，它接收被分光器分出的部分泵浦光；和监测器电路176，用于检测接收到的泵浦光输出功率。此光放大单元的其他元件与图4中所示的没有变化，因此省去了对这些元件的描述。在此布置中，当泵浦光的输出功率出现不正常的下降时，泵浦光的输出功率由泵浦光输入监测器177检测并触发报警，诸如蜂鸣器或亮灯报警。
此外，当给光放大媒质170的泵浦光输入量已经下降时，监测器电路给泵浦光源单元171送出一个电信号以关闭泵浦光源单元。或者，若泵浦光源单元有一个输出调节的光衰减器(图21的布置中没有)，控制此衰减器以增大其光衰减量，使泵浦光的输出量下降至零或下降到安全的水平。
这一控制是从监测器电路176送出一个控制信号到泵浦光源单元171中控制电路173完成的，使光源驱动器172关闭泵浦光源43，或使可变衰减器，如果有的话，增大光衰减量。
这一控制的意图是检测连接泵浦光源单元171与光放大单元170的连接器178已经脱离的一种状态。从泵浦光源单元171输出的泵浦光不仅有很高的功率，而且泵浦光还被光纤会聚。若连接器已经脱离，工作人员就遭受到泵浦光照射，这会给工作人员的皮肤和眼睛带来很大危害。由于这个原因，光放大单元中泵浦光输入监测器177是用于检测泵浦光的输出功率，从而检测到连接器178的状态。当泵浦光的输出功率已经下降到低于预定值时，就认为连接器已经脱离，于是发出报警声响，或者泵浦光源停止工作使工作人员免受危害。
图22表示检测光放大单元与泵浦光源单元之间连接状态的另一种布置。
在此布置中，来自多个泵浦光源183的光束首先耦合，然后被光耦合器/分光器184分解。泵浦光源单元借助连接器180也与光放大单元连接。在这个情况下也是一样，检测每个连接器的状态。
即，其中配置了一个反射监测器128，来自连接器180的反射光被分光器185分解，然后由光电二极管190检测，光电二极管190送出一个检测输出到监测器电路186。若连接器已脱离，来自连接器的反射光功率高于连接器未脱离时的反射光功率。当反射光功率变得高于预置值时，监测器电路产生一个报警信号。另外，若泵浦光源单元中有可变衰减器，监测器电路控制可变衰减器，使泵浦光的输出功率下降到零，或下降到安全的水平。或者，监测器电路186送出一个控制信号到控制电路187，使驱动电路188关闭泵浦光源183。
图23A和23B说明泵浦光源单元中泵浦光源是如何连接的。
在图23A中，泵浦光源(激光二极管，LD)是与晶体管200串联连接的。这种布置需要较少的晶体管，所以比每个LD分别驱动消耗较少功率。
作为一个例子，考虑图23B所示的情况，一个LD与一个晶体管201相连。假定LD两端的电压为V，流过晶体管的电流为I，则晶体管中功率消耗为P=(Vcc-V)I。另一方面，若多个LD是图23A所示的串联连接，则晶体管200中的功率消耗为P’=(V’cc4V)I，其中Vcc=(1+α)V,V’cc=(4+α’)V，假定α与α’大致相等。
比较图23A与图23B之间晶体管功率消耗说明，4P-P’=(4α-α’)，所以4P大于P’。因此，多个串联连接的LD与一个晶体管的组合比每个LD与一个晶体管的多个组合有较少的功率消耗。而且，需要较少的晶体管。
然而，泵浦LD不必串联连接。例如，若泵浦LD在光源驱动电路内并联连接，比串联连接更容易用一个好的LD替换失效的LD，且并联连接有冗余度。
以上各个实施例是用光纤放大器来描述的。也可以采用半导体光放大器，把半导体作为放大媒质。
利用可变衰减器调节给放大媒质的泵浦光输出功率，这就使调节泵浦光输出功率变得更容易。
把光放大器分解成含一个或多个泵浦光源的泵浦光源单元和对热敏感的光放大单元，这就使光放大单元中的放大媒质免受泵浦光源发出热量的影响，因而运行稳定。
通过调节可变衰减器的衰减量以适应系统升级，例如打算增加信号多路复用级次以便使系统升级。把泵浦光源单元安排成这样，使附加的一个或多个泵浦光源可以添加上去，这就不需要在系统安装时放置多余的泵浦光源，可以降低初期投资。
若泵浦光是从泵浦光源单元提供给多个放大媒质，可以对每个放大媒质调整其泵浦光功率。
权利要求
1．一个放大入射信号光的光放大器，放大是响应于加到光放大器上的泵浦光，包括可变衰减器，用于改变加到光放大器上的泵浦光输入功率，从而调节此光放大器的放大特性。
2．按照权利要求1的光放大器，其中配置了提供泵浦光的光耦合装置，把多个泵浦光源产生的泵浦光束耦合成一个泵浦光束。
3．按照权利要求1的光放大器，其中配置地提供泵浦光的分光装置，把一个泵浦光源产生的泵浦光束分解成多个泵浦光。
4．按照权利要求1的光放大器，其中配置了提供泵浦光的光耦合/分光装置，把多个泵浦光源产生的泵浦光束耦合成一个泵浦光束，再把这个泵浦光束分解成多个光束。
5．按照权利要求2的光放大器，其中多个泵浦光源和光耦合装置组合成一个单元，此单元安排成这样，来自不同泵浦光源或不同泵浦光源单元的泵浦光能够附加地耦合到光耦合装置。
6．按照权利要求4的光放大器，其中多个泵浦光源和光耦合装置组合成一个单元，此单元安排成这样，来自不同泵浦光源或不同泵浦光源单元的泵浦光能够附加地耦合到光耦合/分光装置。
7．按照权利要求2的光放大器，其中多个泵浦光源、光耦合装置和可变衰减器组合成一个单元。
8．按照权利要求3的光放大器，其中泵浦光源，分光装置和可变衰减器组合成一个单元。
9．按照权利要求4的光放大器，其中多个泵浦光源，光耦合/分光装置和可变衰减器组合成一个单元。
10．按照权利要求7的光放大器，其中光耦合装置安排成这样，来自不同泵浦光源或不同泵浦光源单元的泵浦光能够附加地耦合到光耦合装置。
11．按照权利要求9的光放大器，其中光耦合/分光装置安排成这样，来自不同泵浦光源或不同泵浦光源单元的泵浦光能够附加地耦合到光耦合/分光装置。
12．多个光放大单元合并成的一个组件，每个光放大单元包括一个放大入射信号光的放大媒质，这是对泵浦光加到放大媒质上的响应，此泵浦光是由分光装置把一个泵浦光源产生的泵浦光束分解成多个光束提供的，或是由光耦合/分光装置把多个泵浦光源产生的泵浦光束耦合成一个光束并把这个光束分解成多个光束提供的。
13．一个光通讯设备，包括泵浦光源单元和光放大单元，用于放大入射信号光，这是对来自泵浦光源单元的泵浦光加到光放大单元上的响应，其中泵浦光源单元放置在光通讯设备中热辐射条件良好的地方。
14．一个放大入射信号光的光放大器，放大是响应于来自泵浦光源单元的加到光放大器上的泵浦光，此泵浦光源单元有产生泵浦光束的泵浦光源和耦合多个泵浦光束的光耦合装置，泵浦光源单元包括偏振面旋转单元，把来自光耦合装置的输出泵浦光偏振而转过第一转角用作传输，把返回光的偏振面转过第二转角，此返回光是从连接泵浦光源单元与光放大器其他元件的连接器上反射返回到泵浦光源单元的输出泵浦光，从而把波长不同于泵浦光源产生的泵浦光返回光输入到泵浦光源。
15．一个放大入射信号光的光放大器，放大是响应于来自泵浦光源单元的加到光放大器上的泵浦光，此泵浦光源单元有多个泵浦光源和光耦合/分光装置，每个泵浦光源产生一个泵浦光束，光耦合/分光装置用于耦合多个泵浦光束并把耦合成的一个光束分解成多个光束，此泵浦光源单元包括偏振而旋转单元，把来自光耦合装置的输出泵浦光偏振面转过第一转角用作传输，把返回光的偏振面转过第二转角，此返回光是从连接泵浦光源单元与光放大器其他元件的连接器上反射返回到泵浦光源单元的输出泵浦光，从而把波长不同于泵浦光源产生的泵浦光返回光输入到泵浦光源。
16．一个光放大器，其中泵浦光源单元有产生泵浦光的泵浦光源，光放大单元有放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对泵浦光加到放大媒质上的响应，泵浦光源单元与光放大单元借助连接器连在一起，可以使泵浦光传送到光放大单元，此光放大单元包括一个单元，它根据来自泵浦光源单元的泵浦光输出功率，确定泵浦光源单元与光放大单元之间的连接是否被利用连接器建立起来。
17．一个光放大器，其中泵浦光源单元有产生泵浦光的泵浦光源，光放大单元有放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对泵浦光加到放大媒质上的响应，泵浦光源单元与光放大单元借助连接器连在一起，可以使泵浦光传送到光放大单元，此光放大单元包括一个单元，它根据从连接器反射的返回光功率，确定泵浦光源单元与光放大单元之间的连接是否被利用连接器连接起来。
18．一个光放大器，其中泵浦光源单元有产生泵浦光的泵浦光源，光放大单元有放大入射信号光的放大媒质，放大作用对泵浦光加到放大媒质上的响应，泵浦光源单元与光放大单元借助连接器连在一起，可以使泵浦光传送到光放大单元，它包括一个单元，用于确定泵浦光源单元与光放大单元之间的连接是否被利用连接器建立起来。
19．按照权利要求16,17和18中任一条的光放大器，其中当泵浦光源单元与光放大单元之间的连接没有被利用连接器建立起来时，泵浦光源单元把泵浦光输出功率衰减到安全的水平，或停止泵浦光的输出。
20．一个光放大单元，它有一个放大入射信号光的放大媒质，放大作用是对来自不同泵浦光源单元泵浦光加到放大媒质上的响应，光放大单元与泵浦光源单元用一个连接器连成一个光放大器，其中配置了可变衰减器，用于调节输入到放大媒质的泵浦光功率。
21．一个泵浦光源单元，它有一个产生泵浦光的泵浦光源，此泵浦光输出到不同的光放大单元，泵浦光源单元与光放大单元之间用一个连接器连成一个光放大器，其中配置了可变衰减器，用于调节输出到光放大单元的泵浦光功率。
全文摘要
利用一个可变衰减器改变从泵浦光源提供的泵浦光输出功率,此可变衰减器受可变衰减器驱动电路控制。把含泵浦光源的部分与含放大媒质的部分分开,就可以避免泵浦光源发出的热量对放大媒质产生不利影响。把含泵浦光源的部分安排成在需要时可以添加一个或几个泵浦光源,就能够很容易适应系统升级时传输系统需要更多个泵浦光源的要求。把含放大媒质的部集合成一个组件,就可以把光放大器做得很小。
文档编号H01S3/131GK1215264SQ9810844
公开日1999年4月28日 申请日期1998年5月15日 优先权日1997年10月17日
发明者大嶋千裕, 木下进, 近间辉美 申请人:富士通株式会社