专利名称：全光纤混合掺铒－布里渊放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的放大器，特别是一种全光纤混合掺铒-布里渊放大器。
背景技术：
在模拟光纤通信中，光源的性能将直接决定模拟信号传输的性能，如动态范围、载噪比等，而系统成本也是需要考虑的一个重要因素。因此高输出功率、低噪声、低成本的光源可以在模拟系统中采用。半导体激光器是模拟系统中的常用光源，但其最大输出功率受到工艺条件的限制。为了得到高的输出功率，人们通常使用掺铒光纤放大器(EDFA)来放大激光器的输出功率，但是EDFA放大导致的自发辐射噪声将引起大的信号-自发辐射拍频噪声，从而影响系统性能。固体激光器可以同时满足高输出功率和低噪声，但其体积庞大并且成本高昂，在实际通信系统中不大适用。因此高功率、低噪声、低成本的光放大器是有效解决此问题的最佳方案。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利“Hybrid Brillouin/erbium dopedfiber amplifier apparatus and method，(“混合布里渊/掺铒光纤放大器方法和技术”)申请号为20030142392，该专利中提出了一种实现高功率、低噪声、低成本的光放大器的技术。这一技术利用混合铒-布里渊放大器来放大激光器的输出功率，首先使用布里渊频率(约10.8GHz)对激光进行相位调制，调制产生的一个边带得到布里渊放大成为新的激光输出；同时布里渊放大的窄带宽性能过滤掉高频信号噪声拍频，从而导致低相对强度噪声输出。相比固体激光器，该放大器可以很大程度降低成本。但该放大器也存在很多问题。首先，由于光纤的布里渊频移会随着环境温度变化，典型变化幅度为1.35M/℃，因此为了实现有效的布里渊放大，在实际应用中该放大器需要信号监控以及温度控制。其次，该放大器需要使用高频相位调制器以及信号发生器，从而增加了成本。再次，相位调制器会产生多个调制边带，这些边带以及直流功率会和放大的激光功率一起输出，从而影响输出信号的质量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种全光纤混合掺铒-布里渊放大器，使其具有高功率、低噪声、低成本以及输出稳定不受温度影响的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括一个半导体激光器、两个50/50光分路器、两段单模光纤、两个光环形器、两个掺铒光纤放大器。半导体激光器的输出被第一50/50光分路器分成两路，一路与第一光环形器相连。第一光环形器有三个端口，其剩余的一个端口连接第一单模光纤(如200m)，另一个端口与第二50/50光分路器相连，第二50/50光分路器与第一单模光纤之间连接第一掺铒光纤放大器。第一50/50光分路器的另一路连接第二掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器的输出连接第二光环形器，在第二光环形器的一个端口与第二50/50光分路器的另一输出端之间连接第二单模光纤(如25km)。放大的光信号由第二光环形器的另一个端口输出。所有组件之间的连接均采用裸纤熔接方式，方便集成封装。
所述的半导体激光器，用于输出低功率的连续激光，其波长为掺铒光纤放大器的放大波段。
所述的两个50/50光分路器，均使用1×2型，第二50/50光分路器也可根据输出功率要求换为30/70或20/80，小功率端口用于输出激光。
所述的第一掺铒光纤放大器，为低功率放大器，其中使用的掺铒光纤长度较短(小于10m)，泵浦功率较小(小于50mW)。
所述的第二掺铒光纤放大器，为高功率放大器，其饱和输出功率至少大于14dBm。
所述的第一光环形器，与第二50/50光分路器、第一单模光纤、第一掺铒光纤放大器组成一个布里渊/铒光纤激光器。第一光环形器用于输入布里渊/铒光纤激光器的泵浦以及保证布里渊激光在腔中的逆时针传播。
所述的第二光环形器，与第二单模光纤、第二掺铒光纤放大器组成一个布里渊放大器。第二光环形器用于输入布里渊放大器的泵浦以及输出最终的放大信号。
所述的第一单模光纤，其类型为标准单模光纤(G652)，长度为数百米，用于产生布里渊激光。
所述的第二单模光纤，其类型为标准单模光纤(G652)，长度为数十公里，用于放大布里渊激光。
本发明可以分为两个大的部分，一部分为布里渊/铒光纤激光器，另一部分为布里渊放大器。半导体激光器被一光分路器分为两路输出，其一路作为布里渊/铒光纤激光器的布里渊泵浦，用于激发该光纤激光器内的单模光纤来产生布里渊激光。该光纤激光器的增益介质由单模光纤和掺铒光纤放大器组成，其中掺铒光纤放大器提供了主要的增益。当增益大于腔损时，布里渊激光形成。单模光纤的线性增益和掺铒光纤的非线性增益混合作用导致了布里渊激光的单模输出特性。半导体激光器的另一路经掺铒光纤放大器放大之后作为布里渊放大器的泵浦，光纤激光器输出的单模布里渊激光则作为布里渊放大器的输入信号得到放大。放大器的布里渊激光即为该混合放大器的最终输出。
本发明使用一个布里渊/铒光纤激光器来取代原有技术中的相位调制器和信号发生器。由于布里渊/铒光纤激光器和布里渊放大器中使用的单模光纤型号相同，因此其布里渊频移随温度变化的特性也相同，布里渊/铒光纤激光器产生的单纵模布里渊激光与布里渊放大器泵浦的频率差精确等于单模光纤的布里渊频移而与温度无关。因此本发明的输出功率不会受温度的影响。温度的变化会引起输出频率的细微改变，约1.35M/℃，在可接受范围之内。本发明不需要高速相位调制器以及信号发生器，可以进一步降低产品成本。布里渊/铒光纤激光器的单纵模输出决定了本发明的单频输出。
图1为本发明结构示意2为本发明输出功率示意3为本发明低噪声示意4为本发明用于模拟光通信系统中的动态范围测试结构5为本发明用于模拟系统中的动态范围测试结果图具体实施方式
如图1所示，第一50/50光分路器2将半导体激光器1的输出分为两路。一路通过第一光环形器6输入一段200m长的第一单模光纤1产生了后向受激布里渊散射，该散射光得到低功率第一掺铒光纤放大器8和200m长的第一单模光纤4的混合放大。其中低功率第一掺铒光纤放大器8的掺铒光纤长度为5m，泵浦功率为30mW。该低功率放大器提供了主要的腔增益。当增益大于腔损时，布里渊激光形成。第一单模光纤的线性增益和掺铒光纤的非线性增益混合作用导致了布里渊激光的单模输出特性，该单纵模布里渊激光从第二50/50光分路器3输出。第一50/50光分路器2的另一路输出经高功率第二掺铒光纤放大器9放大后，经过第二光环形器7输入25km长的单模光纤作为其布里渊泵浦放大光纤另一端输入的单纵模布里渊激光。单纵模布里渊激光得到布里渊增益后从第二光环形器7的另一个端口输出成为最终得到的放大激光。
本发明的输出功率特性如图2所示。按要求连接好所有光路之后，用光功率计测试该放大器的输出功率。半导体激光器1的输出功率为0dBm，其余参数为技术说明中的参数。测得在最大布里渊泵浦功率14dBm条件下，该放大器的输出功率为10dBm。改变布里渊泵浦功率，并检测相应的放大器输出功率，输出功率随布里渊泵浦功率的增加而指数增长，泵浦转化效率约为40％。如果使用高功率EDFA作为泵浦，本放大器可以获得很高的输出功率。
本发明的噪声特性如图3所示。将该放大器的输出连接到一个10G带宽的光电检测器，并在一射频信号分析仪上观测转化后的电噪声谱。经过光电检测器后的电噪声主要包括量子噪声、信号-自发辐射拍频噪声以及信号-信号拍频噪声。其中信号-信号拍频噪声占主要成分。为了直观理解该放大器的噪声性能，同时将EDFA放大的半导体激光器1连接到10G光电检测器并观测其噪声功率。为了在同等条件下比较噪声，两种放大器的输出光功率均为10dBm。从射频信号分析仪观测可得混合放大器的拍频噪声比EDFA的拍频噪声约低10dB。经该混合放大器放大后的半导体激光器1的相对强度噪声约为-150dBm/Hz。提高泵浦功率可提高放大器输出功率，但不会提高其相对强度噪声。
为了证明该混合放大器在模拟通信系统中的低噪声性能所体现出来的优点，测量了使用该放大器的模拟通信系统的动态范围。同样，为了比较，也测量了使用EDFA的模拟通信链的动态范围。测试结构如图4所示，两放大器的输出光功率均为10dBm。输出光功率被1.8GHz和1.9GHz的射频信号强度调制.调制后的光功率经一可变光衰减器进入光电检测器。该光电检测器的饱和输入功率为-7dBm，通过调节可变光衰减器保证进入光电检测器的光功率小于-7dBm，从而保证光电检测器工作在线性区。光电检测器后连接射频信号分析仪观测输出射频信号。增加输入射频信号的功率，由于交叉调制效应，两新的射频信号将产生，分别是1.7GHz和2.0GHz.新频率的产生将影响模拟系统的线性工作性能。当新频率的输出功率等于原始频率的输出功率时，该系统达到工作极限.测量得到使用混合放大器的模拟光纤链的动态范围为81.4dB·Hz2/3，相对使用EDFA的模拟光纤链提高了7.7dB，如图5所示。动态范围的提高正是源于该混合放大器噪声的降低。
权利要求
1.一种全光纤混合掺铒—布里渊放大器，包括一个半导体激光器(1)、两个50/50光分路器(2、3)、两段单模光纤(4、5)、两个光环形器(6、7)、两个掺铒光纤放大器(8、9)，其特征在于，半导体激光器(1)的输出被第一50/50光分路器(2)分成两路，一路与第一光环形器(6)相连，第一光环形器(6)有三个端口，其剩余的一个端口连接第一单模光纤(4)，另一个端口与第二50/50光分路器(3)相连，第二50/50光分路器(3)与第一单模光纤(4)之间连接第一掺铒光纤放大器(8)，第一50/50光分路器(2)的另一路连接第二掺铒光纤放大器(9)，第二掺铒光纤放大器(9)的输出连接第二光环形器(7)，在第二光环形器(7)的一个端口与第二50/50光分路器(3)的另一输出端之间连接第二单模光纤(5)，放大的光信号由第二光环形器(7)的另一个端口输出。
2.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的半导体激光器(1)，用于输出低功率的连续激光，其波长为掺铒光纤放大器的放大波段。
3.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的两个50/50光分路器(2、3)，均为1×2型。
4.根据权利要求1或者3所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第二50/50光分路器(3)根据输出功率要求，或者为30/70或20/80，小功率端口用于输出激光。
5.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第一掺铒光纤放大器(8)，为低功率放大器，其中使用的掺铒光纤长度小于10m，泵浦功率小于50mW。
6.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第二掺铒光纤放大器(9)，为高功率放大器，其饱和输出功率至少大于14dBm。
7.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第一光环形器(6)，与第二50/50光分路器(3)、第一单模光纤(4)、第一掺铒光纤放大器(8)组成一个布里渊/铒光纤激光器，第一光环形器(6)用于输入布里渊/铒光纤激光器的泵浦以及保证布里渊激光在腔中的逆时针传播。
8.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第二光环形器(7)，与第二单模光纤(5)、第二掺铒光纤放大器(9)组成一个布里渊放大器，第二光环形器(7)用于输入布里渊放大器的泵浦以及输出最终的放大信号。
9.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第一单模光纤(4)，其类型为标准单模光纤，长度为数百米，用于产生布里渊激光。
10.根据权利要求1所述的全光纤混合掺铒—布里渊放大器，其特征是，所述的第二单模光纤(5)，其类型为标准单模光纤，长度为数十公里，用于放大布里渊激光。
全文摘要
一种光纤通信技术领域的全光纤混合掺铒－布里渊放大器。本发明中，半导体激光器的输出被第一50/50光分路器分成两路，一路与第一光环形器相连，光环形器有三个端口，其剩余的一个端口连接第一单模光纤，另一个端口与第二50/50光分路器相连，第二50/50光分路器与第一单模光纤之间连接第一掺铒光纤放大器，第一50/50光分路器的另一路连接第二掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器的输出连接第二光环形器，在第二光环形器的一个端口与第二50/50光分路器的另一输出端之间连接第二单模光纤，放大的光信号由第二光环形器的另一个端口输出。本发明能够提供低相对强度噪声的光功率放大，并且不需要高速器件，放大性能不受温度影响，且具有单频输出功能。
文档编号H04B10/17GK1777069SQ20051011151
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年12月15日
发明者义理林, 胡卫生, 苏翼凯, 詹黎, 沈海根 申请人:上海交通大学