专利名称：增益平整装置和方法及使用该增益平整装置的光学放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及某种改进的增益平整装置，包括适用于诸如电信系统或使用光信号的其它系统之类的光学系统的增益平整装置，本发明还涉及生产和使用增益平整装置的改进的方法，以及包括这种增益平整装置的增益平整放大器。
背景技术：
已知的，通过光纤在延伸距离上传输多条信道的光信号系统使用光学放大器来对所有这些信道同时进行批放大。商用的光学放大器通常提供跨过其光波长范围的不均匀水平的增益，例如，工作在C波段(通常为1525nm到1575nm)中的掺铒光纤放大器(EDFA)可产生公知的两个峰的光谱增益分布。在大型的电信光学系统中，例如，也称作插入损耗变化、增益分布等的EDFA的增益光谱或调制深度，可变化到15dB范围内以及15dB以上。这通常不是所需要的，由于平调增益特性即平调跨过系统工作带宽的电平信号强度，通常对于多路复用光学系统中的增加的传输距离、下降的信噪比和其它非线性效应或满足该系统的其它运行需求来说是十分重要的。因此，已知地，可使用增益平整放大器，例如增益平整光纤放大器或其它增益平整光学放大器。可以使用有源元件或无源元件来使增益平整，即提供增益均衡(gainequalization)，也称为光学均衡或增益补偿等，来构成增益平整放大器。例如，光纤光栅和介质薄膜滤波器是公知的并且在商业上用于使增益平整化。
已知地，例如把介质薄膜增益平整滤波器用在光学放大器，例如EDFA或其它光纤放大器以构成增益平整放大器。薄膜增益平整滤波器具有有益的特性，包括低插入损耗、小尺寸、经济的设计和制造成本、容许的环境稳定性等。已知地，在本领域设计和制造的当前状态下，介质薄膜滤波器具有约6dB的最大峰值损耗(其对于例如电信的通常应用场合，具有容许品质，例如容许低PPEF，这在下面还会深入论述)。可参见Robert B.Sargent的“薄膜滤波器的新发展”。在公开的Hwang等人的美国专利申请2003/0179997 A1(为通用起见，其在此被全部引用作为参考)中，在光学放大器需要的峰值损耗超出一个滤波器的最大峰值损耗时，建议使用串联在一起的多个薄膜增益平整滤波器，例如串联的两个5dB滤波器以提供10dB的总增益校正。在放大器的工作波长段内，薄膜增益平整滤波器被设计为具有传输特性曲线，该传输特性曲线可显示对应放大器的增益分布的衰减分布，也称为损耗特性曲线、损耗分布、峰值损耗等。也就是说，增益平整滤波器被设计为具有匹配或追踪放大器的逆增益分布的光谱响应。结果是，通过放大器和增益平整滤波器组合的光信号的光谱可实现均匀放大，即接近平的增益。
通常情况下，光学放大器生产者或光学系统设计者指定用于光学放大器的增益平整器件所需要的衰减特性曲线，通常称作目标损耗分布。增益平整器件生产者设计的滤波器具有的传输特性曲线尽可能合理接近地匹配目标损耗分布。设计的据限可能导致增益平整的理论传输特性曲线与目标特性曲线有一些差异。另外，由于例如在薄膜滤波器情况下的制造公差、被沉积以形成滤波器的薄膜特性的固有变化、微小基板的不规则性等的影响，增益平整器件的实际传输特性曲线可能与其理论传输特性曲线有稍微不同。因此，增益平整滤波器或其它设备的实际传输特性曲线总是或几乎总是与目标特性曲线稍微不同。其大小通常用分贝或百分数测量的差异，一般跨过传输特性曲线的间隔而从一个波长变化到另一个波长，并可称为增益平整器件的插入损耗误差函数，或简单地称为误差函数。误差函数的最高峰值的组合大小(即在放大增益大部分处于校正的波长下，目标特性曲线和实际传输特性曲线之间差异的大小)加上误差函数的最深下降处或谷底的大小(即在放大增益大部分处于过校正的波长下，目标特性曲线和实际传输特性曲线之间差异的大小)为峰值到峰值误差函数或PPEF。增益平整装置的购买者通常指定最大允许PPEF。
增益平整滤波器和其它增益平整器件的误差函数多少依赖于所需要衰减分布，而随着衰减分布或调制深度变得越来越大或越来越复杂，例如滤波器的薄膜增益平整器件显示出较大误差函数。通常情况下，PPEF约为调制深度的10％。因此，例如，如果一个或多个薄膜增益平整滤波器用于校正6dB的调制深度，PPEF可以期望约为0.6dB，而校正12dB的调制深度会导致约1.2dB的PPEF。考虑到此，如果多个薄膜增益平整滤波器串联使用，如同以上引述的由Hwang等人提议的那样，例如每个可校正6dB调制深度的两个薄膜增益平整滤波器的总增益补偿为12dB，则误差函数和PPEF会积累，这也成为问题。由于薄膜增益平整滤波器通常具有系统误差函数，误差函数会积累。也就是说，在一个薄膜增益平整滤波器到下一个薄膜增益平整滤波器，尤其在使用被设计为相同目标损耗分布和/或同批次制造即来自相同晶片(wafer)的多个滤波器的典型情况下，作为波长函数的增益校正误差是相似或甚至接近相同的。通过使用从相同晶片生产出的两个本质相同的滤波器，可以达到显著的成本节约。一堆薄膜顺序地沉积在大型晶片地表面上，该晶片在感兴趣的波长段中是透明的，这导致跨过晶片表面的接近一致的滤波器特性。之后晶片被切成小片，例如切成1.0mm×1.0mm片直到2.0mm×2.0mm片。薄片之后被封装在适合外壳中，可选地，可与增益平整滤波器装置和/或增益平整放大器的其它元件，例如准直透镜、隔离器、套箍、监控器端口、接头(tap)或用于增加或降低通道的多路复用/去多路复用(mux/demux)元件、监控通道等一起封装。不过，结果是，来自相同批次的薄膜增益平整滤波器不仅具有相同的传输特性曲线，即相同或相似的增益校正性能，而且具有相同或相似的误差函数。作为批次制造过程的结果，从一个元件到下一个元件，作为波长函数的增益校正误差会接近相同。因此，通过把多个滤波器封装到公共外壳内或沿光纤通路、串联设置多个分离增益平整滤波器，具有这种系统误差的级联增益平整滤波器会带来误差的积累。参照Arkell W.Farr，Teraxion公司的高性能光学放大器的增益平整化(加拿大，Cap-Rouge)(http://www.teraxion.com/en/pdf/articles/Lightwave％20Europe％20Article_GAIN-FLATTENING CURVE.pdf)。对它增益平整器件的相似误差函数的关注也得到提高。
发明内容
本发明的一个目的在于提供改进的增益平整装置和方法。本发明的另一目的在于提供设计和生产增益平整装置的改进的方法。通过本发明的以下公开内容和一些示例性实施例的详细描述，本发明的另外目的和优点将会明显。
根据本发明的一方面，用于补偿光学放大器在一定波长段中的信号的光谱增益分布的增益平整装置包括a.第一GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述放大器在该波长范围中的光谱增益分布的光谱损耗分布；和b.第二GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。
根据在此公开的增益平整装置的各实施例，所述第一GFF元件和第二GFF元件可以包括任何适合的增益平整器件，例如薄膜增益平整滤波器、光纤布喇格光栅等和/或其任意组合。
根据本发明的另一方面，一种增益平整光学放大器包括a.可操作以接收、放大和输出一定光波长范围中的光信号的光信号放大器，其中该光学放大器具有光谱增益分布；和b.用于补偿所述光学放大器在该波长范围中的信号的光谱增益分布的增益平整装置，该装置包括i)第一GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述光信号放大器在该波长范围中的光谱增益分布的光谱损耗分布；和ii)第二GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。
所述放大器可以是一级放大器或多级放大器，所述放大器的元件可以与该GFF装置的元件封装在一起或单独封装。而且，所述放大器可以封装在一个外壳或包装中或多个包装中，例如为了便于制造或使用，把前置放大器封装在一个外壳中，而把助推放大器封装在第二外壳中，从而利于访问所述放大器不同级之间的信号或是为了其它的原因。如果封装在多个外壳中，该GFF装置的任何或所有元件或子元件可以封装在任何一个或多个这种放大器封装中或可以单独封装在自身的外壳中。可以理解，相似地，这些元件和器件的封装通常会使用例如外壳，来封装其它光纤光学器件，例如商品化的DWDM(密集波多路复用)滤波器等。
根据本发明的另一方面，一种用于同轴补偿光学放大器的光谱增益分布的增益平整滤波器包括含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，该第一GFF元件传输特性曲线具有对应所述光信号放大器的光谱增益分布的光谱损耗分布；和含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件具有传输特性曲线，该传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。根据在此公开的增益平整滤波器的一些示例性实施例，所述第一GFF元件和第二GFF元件的组合合成(net)插入损耗误差函数(PPEF)小于0.3dB。在一些示例性实施例中，PPEF可以低至0.2dB或甚至更低。
如上所提到的，之前已知地，可以使用采用多个滤波器的增益平整滤波器，其中该多个滤波器中的每个使用相同的滤波器设计，以提供超出单个薄膜滤波器的实际界限大小的增益校正。这导致了误差函数的积累，即误差函数的增加。在此公开的增益平整滤波器中，根据本公开的第一方面，第二GFF元件没有使误差函数增加，而是使误差函数下降，这是因为第二GFF元件具有的传输特性曲线带有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。因此，所述第一GFF元件和第二GFF元件组合的合成PPEF小于第一GFF元件单独的PPEF。
应该理解，所述第一GFF元件和第二GFF元件可以彼此相关的任何顺序进行设置。也就是说，可以设置在另一方的上游，其中上游指的是沿着从此处接收已处理信号的光信号通路的方向。同样地，所述第一GFF元件和第二GFF元件可以用于单级或多级光学放大器，并可以用作末端滤波器、中路滤波器等以及其中的任意组合。该第一GFF元件还可以在此处和所附权利要求中称作主GFF元件或概略(gross)GFF元件。该第二GFF元件还可以在此处和所附权利要求中称作“细调”(tweak)GFF元件或校正GFF元件。所述第一GFF元件和第二GFF元件，以及封装增益平整滤波器或连接到光学通路等中需要或有用的任何其它元件，例如透镜、套箍等，可以安置在单个外壳中作为单个器件或可以安置在多个外壳中。不过，所述第一GFF元件和第二GFF元件优选地用于紧接的光学组合中，在此处所定义的该术语指的是在携带被放大和增益平整化的光信号的光学通路中，该第二GFF元件用于对第一GFF元件的光学邻近中，这样使得该第二GFF元件的光谱损耗分布对应该第一GFF元件的误差函数，而不会由除了光学放大器的元件和增益平整滤波器的上述元件之外的中间光学元件改变。
根据在此公开的GFF装置的一些示例性实施例，第二GFF元件仅具有单个增益平整滤波器。由于误差函数通常与峰值损耗成比例，有利地，在此处公开的GFF装置的典型实施例中的最终PPEF，会低于其损耗分布与第一GFF元件的误差函数的对于的第二GFF元件被设计为校正小于第一GFF元件的调制深度的情况下的合成PPEF。优选地，尤其在提供至少6dB总增益补偿的示例性实施例中，第一GFF元件提供至少5dB的增益补偿或调制深度，而第二GFF元件提供小于2dB的增益补偿，在一些实施例中小于1.5dB。因此，在一些优选实施例中，由于其低峰值损耗需求正好位于单个增益平整滤波器的峰值损耗的商用实际范围内(当前约6dB)，所以仅有单个增益平整滤波器用于第二GFF元件。因此，第二GFF元件通常不需要多个增益平整滤波器，因为多个增益平整滤波器可能需要另外地进行制造和封装，在某些情况下，另外的辅助元件等会导致重量增加、复杂化、插入损耗和成本。根据在此公开的增益平整滤波器的一些示例性实施例，使用在C波段中的EDFA，第一GFF元件和第二GFF元件的组合在C波段中的最终插入损耗误差函数(PPEF)小于0.3dB。在一些示例性实施例中，PPEF可以低至0.2dB或甚至更低。
根据本发明的另一方面，一种用于同轴补偿EDFA在C波段中信号的光谱增益分布的增益平整滤波器装置包括至少包括一个薄膜滤波器的第一GFF元件，该第一GFF元件在C波段中的传输特性曲线具有对应EDFA在C波段中的光谱增益分布的光谱损耗分布；和至少包括一个薄膜滤波器的第二GFF元件，该第二GFF元件在C波段中的传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。根据一些示例性实施例，第一GFF元件的峰值损耗至少为5dB，而第二GFF元件的峰值损耗小于2dB或甚至小于1.5dB。根据本公开的这一方面或其它方面，在该平整滤波器装置的一些示例性实施例中，所述第一GFF元件和第二GFF元件组合的峰值损耗至少为8dB。
根据本发明的另一方面，一种用于同轴补偿光学放大器的光谱增益分布的增益平整滤波器装置包括含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，和含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件；其中第一GFF元件的峰值损耗是第二GFF元件的峰值损耗的至少三倍。根据该增益平整滤波器装置的一些示例性实施例，第一GFF元件的峰值损耗是第二GFF元件的峰值损耗的至少四倍或更多倍。
根据本发明的另一方面，一种用于补偿即校正光学放大器的光谱增益分布的增益平整滤波器装置包括第一GFF元件和第二GFF元件；其中第一GFF元件的峰值损耗至少为5dB，而第二GFF元件的峰值损耗小于2dB或者甚至小于1.5dB。根据一些示例性实施例，第一GFF元件的峰值损耗可以大于5dB。根据例如其中第一GFF元件为单个薄膜滤波器的一些示例性实施例，第一GFF元件的峰值损耗可以是通过本领域当前状态的产生的具有足够质量(PPEF等)的任何值。
根据本发明的另一方面，一种用于同轴补偿光学放大器在一定光信号波长范围上的光谱增益分布的增益平整滤波器装置包括
a.含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，该第一GFF元件被设计为其传输特性曲线具有匹配目标损耗分布的光谱损耗分布，该目标损耗分布对应所述光学放大器在该光信号波长范围上的光谱增益分布；和b.含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件；该第二GFF元件被设计为其传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布，其中该误差函数为测量的第一GFF元件的实际光谱损耗分布与该目标损耗分布之间的差。根据本公开的这一方面或其它方面的增益平整滤波器的一些示例性实施例，所述第一GFF元件和第二GFF元件组合在该光信号波长范围上的峰值损耗至少为8dB。根据本公开的这一方面或其它方面的增益平整滤波器的一些示例性实施例，所述第一GFF元件和第二GFF元件组合在该光信号波长范围上的总插入损耗误差函数(PPEF)小于0.3dB，或在一些优选实施例中，优选地小于0.2dB。根据本公开的这一方面或其它方面的增益平整滤波器的一些示例性实施例，第一GFF元件在该光信号波长范围上的峰值损耗是第二GFF元件在该光信号波长范围上的峰值损耗的至少三倍，甚至四倍或更多倍。根据本公开的这一方面或其它方面的增益平整滤波器的一些示例性实施例，第一GFF元件在该光信号波长范围上的峰值损耗至少为5dB，而第二GFF元件在该光信号波长范围上的峰值损耗小于2dB。
根据本发明的另一方面，一种增益平整光信号放大器包括a.可操作以接收、放大和输出一定光信号波长范围中的光信号的至少一个光信号放大器，其中该光学放大器具有光谱增益分布；和b.用于同轴补偿所述至少一个光学放大器在该光信号波长范围中的信号的光谱增益分布的增益平整滤波器，该滤波器包括i.含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，该第一GFF元件在该光信号波长范围中的传输特性曲线，具有对应所述光信号放大器的光谱增益分布的光谱损耗分布；和ii.含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件，该第二GFF元件在该光信号波长范围中的传输特性曲线，具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。
根据在此公开的增益平整光信号放大器的一些示例性实施例，所述光信号放大器为，例如一个或多个光纤放大器、一个或多个喇曼(Raman)放大器、一个或多个半导体光学放大器(SOA)或其中的任意组合。根据在此公开的增益平整光信号放大器的一些示例性实施例，所述光信号放大器为光纤放大器，例如所述光信号波长范围为C波段的掺铒光纤放大器；或者可选地为所述光信号波长范围为L波段的掺杂光纤放大器；或者所述光信号波长范围为S波段为掺杂光纤放大器。而且，根据一些示例性实施例的GFF装置能够适用于运行在这些波段和/或其它波长范围的任意组合的光学放大器。
根据本发明的方法，在特定应用场合，例如用于特定光学放大器，其中用户已经把目标损耗分布提供给增益平整滤波器制造商的情况下，可以生产增益平整滤波器。至少依据使光学放大器提供的增益平调所需要的调制深度即总峰值损耗的大小而具有一个或多个增益平整滤波器的第一GFF元件，被设计为具有的传输特性曲线带有对应该光学放大器的增益分布的光谱损耗分布。也就是说，第一GFF元件被设计为具有匹配目标损耗特性曲线的传输特性曲线，其中该目标损耗特性曲线与商用元件的尽量接近。之后，制造该第一GFF元件，并通过测试实际传输特性曲线的光谱损耗分布与目标损耗特性曲线之间的差异来确定该第一GFF元件的误差函数。然后，设计具有传输特性曲线的第二GFF元件，该传输特性曲线具有对应第一GFF元件的误差函数、而非对应目标损耗分布的光谱损耗分布。之后，制造该第二GFF元件，并组合该第一GFF元件和第二GFF元件。例如，通过识别一起使用的或在一些示例性实施例中通过一起组合在例如公共外壳中的良好匹配的单元，第一GFF元件和第二GFF元件可以被组合。
图1是根据本发明一示例性实施例的增益平整滤波器的示意截面图；图2是用于EDFA同轴补偿在C波段中信号的光谱增益分布的、根据本发明一示例性实施例的GFF装置的第一GFF元件或第二GFF元件的示意截面图；图3是根据本发明一示例性实施例的增益平整光学放大器的示意图；图4-8是关于根据本发明一示例性实施例的增益平整光学放大器的性能曲线图。
具体实施例方式
本发明一些示例性实施例的下列论述的焦点在于，用于诸如电信系统之类的多路复用光信号系统中的增益平整装置。不过，本发明的GFF装置、使用该GFF装置的增益平整光学放大器、它们的设计和生产以及方法，通常适用于光学系统。为了论述的方便，在此公开的一些实施例中，增益平整装置使用薄膜滤波器。为了论述的方便，在此公开的一些实施例中，增益平整装置被设计为工作在C波段并且使用EDFA放大器的密集波长划分多路复用电信系统。不过，本领域的技术人员可以容易地理解，根据在此所公开原理的GFF装置、使用该GFF装置的增益平整光学放大器、其设计和生产方法在本发明的范围内适用于其它系统，包括工作在其它波长段并且使用其它放大器的电信系统，以及其它要求增益补偿的光学系统，应该理解，在本公开和下面权利要求中，单数不定冠词或定冠词(例如，“a”、“an”和“the”等)的使用遵循对“至少一个”的意思的传统途径，除非在特定示例中可以清楚地从上下文中得出，该特定实例中的用语用于表示一个且仅一个。
在EDFA放大器适用于C波段的一些示例性实施例中，一个或多个增益平整器件，例如介质薄膜增益平整滤波器、光纤布喇格光栅或第一GFF元件即主GFF元件或概略GFF元件的其它增益平整器件，它们中的每个都具有对应EDFA在C波段中的非均匀增益光谱的光谱响应或传输特性曲线。因此，在这些实施例中，每个增益平整滤波器或第一GFF元件的其它器件的通过C波段的光谱响应，传输特性曲线将是具有通常所说的两个谷值的结构、通过C波段的放大光信号的EDFA增益特性曲线的公知的两个峰值结构的近似倒置。可选实施例适用于在L波段中的光信号的掺杂光纤放大器。根据这些实施例，GFF装置的概略GFF元件的增益平整滤波器被设计和生产为具有传输特性曲线，该传输特性曲线对应掺杂光纤放大器的增益分布，即具有通常符合其倒置的光谱分布。可选实施例适用于在S波段中的光信号的掺杂光纤放大器。根据这些实施例，GFF装置的概略GFF元件的增益平整滤波器被设计和生产为具有传输特性曲线，该传输特性曲线对应掺杂光纤放大器的增益分布。如上所提到的，放大器制造商或光学系统设计者通常会提供由GFF装置相匹配的准确目标损耗分布。
在此处所公开的GFF装置的一些示例性实施例中，概略增益平整元件的传输特性曲线对应EDFA的增益光谱并提供至少约5dB的补偿，在一些实施例中至少为6dB，在一些实施例中至少为8dB或大于8dB。在至少需要8dB增益校正的应用场合下，认识到误差函数在调制深度上趋于增加，可由此处所公开的GFF装置良好设计及良好制造实施例来实现低误差函数，是尤其有利的。如上所公开的，较低的合成插入损耗误差函数可由此处所公开的GFF装置来实现，这至少部分因为第二GFF元件，即校正或细调元件具有对应第一GFF元件的误差函数的传输特性曲线。虽然期望第一GFF元件的运行可校正通过放大器的信号中的100％增益不均匀性，但如上所提到的，这通常是不能实现的。通常情况下，第一GFF元件的运行可提供至少75％的校正，并且通常至少约80％或甚至90％或更多的放大光信号的预增益平整调制深度。第二GFF元件提供另外的校正，但如上所提到的，它具有对应第一GFF元件的误差函数的传输特性曲线，并产生这两个元件组合的较小的合成误差函数和PPEF。也应该认识到，一些示例性实施例可选的包括另外的GFF元件，来提供另外的增益校正和/或其它功能。
在一些优选实施例中，第二GFF元件提供小于2dB的增益校正，在一些优选实施例中，提供小于1.5dB的增益校正。如上所提到的，具有一个或多个介质薄膜增益平整滤波器的增益平整滤波器以及被很好的被设计及生产为具有与目标损耗分布相匹配的传输特性曲线，以为EDFA提供增益平整滤波器元件可以具有约10％增益校正的PPEF的增益平整化，这通常是因为例行薄膜设计和生产的限制和不准确性。不过，由于使用介质薄膜增益平整滤波器或光纤布喇格光栅或其它增益校正器件作为次级或校正或“细调”GFF元件，使之具有对应初级GFF元件的误差函数而非对应放大器的原始目标损耗分布的传输特性曲线，并具有小于第一GFF元件的损耗分布，根据本公开的GFF装置能够有效地提供过程插入损耗误差函数小于第一GFF元件单独的插入损耗误差函数的最终增益校正。在其中第二GFF元件提供小于2dB的增益校正的优选实施例中，GFF装置能够产生可能仅有0.4dBPPEF或甚至小于0.3dB的增益校正，在包括良好设计和生产元件的优选实施例中，小至0.2dB或甚至小于0.2dB。例如，在一些实施例中，工作在C波段的电信系统的EDFA放大光信号的调制深度能够减小到0.4dB，在有些优选实施例中，小于0.3dB或甚至为0.25bB或更小，例如为0.2dB或更小。
在细调GFF元件中通常只需要一个滤波器或光纤布喇格光栅等。在此处所公开的增益平整EDFA的典型实施例中，用于细调元件的增益平整滤波器的传输特性曲线提供了放大光信号的预增益平整调制深度的不超过约2dB的补偿。这正好在用于GFF装置的第二GFF元件的单个薄膜滤波器或单个光纤布喇格光栅的增益补偿范围内。如上所提到的，即使具有10％的误差函数，由于细调增益平整器件所提供的增益校正很小并且对应增益平整滤波器、光纤布喇格光栅或第一GFF元件的其它器件所留下的残余非均匀增益，在仅使用一个或多个、被设计为具有对应放大器的目标损耗分布的传输特性曲线的增益平整器件的增益平整装置上，GFF装置的概略和细调细调元件所提供的组合增益校正得到明显的改进。
应该认识到，此处所公开的GFF装置的光谱损耗分布与目标损耗分布的对应性并不排除这种可能性，封装的GFF装置的实际光谱损耗分布可能与单独的GFF装置的光谱损耗分布有些不同。连接器、封装等，甚至与滤波器封装的无源元件，例如套箍、透镜等，可能对在现场中，即实际用于例如电信系统或其它光信号系统的光学系统中的GFF装置的实际光谱损耗分布有稍微影响。在此处所公开的GFF装置的任何特定实施例的设计中是否考虑这些影响将依据该特定实施例的周围环境而定。
根据一些示例性实施例，其中光学放大器要求峰值损耗超出用于特定实施例的单个薄膜滤波器或其它增益平整器件的特定界限时(例如超出通过之后可利用的及适于商用的技术和材料等实现的增益损耗)时，多个设备能够用作GFF装置的第一GFF元件，例如薄膜滤波器、光纤布喇格光栅和/或其它设计为具有目标损耗分布的设备的任何组合。例如，在调制深度超出商用薄膜增益平整滤波器的增益均衡容量(gain equalization capacity)时，多个薄膜增益平整滤波器串联使用以校正，即使光学放大器的增益平调。在一些示例性实施例中，第一GFF元件的总增益校正在第一GFF元件的多个增益平整滤波器之间或之中均分。例如，在一些实施例中，第一GFF元件的增益平整滤波器都来自相同的制造批次(batch)，例如来自相同晶片。第一GFF元件的多个薄膜增益平整滤波器可以被封装在公共的外壳或单独的外壳中。同样地，第二或细调GFF元件的增益平整滤波器可以与第一GFF元件的增益平整滤波器封装在一起或分别封装。
根据一些示例性实施例，其中使用多个器件，例如第一GFF元件的多个薄膜滤波器和/或光纤布喇格光栅等，尤其是但不是必需是在光学放大器需要峰值损耗超出单个这种器件例如单个薄膜滤波器的实际界限时，至少第一个这样滤波器或其它器件被设计为具有目标损耗分布，至少另外一个这样滤波器或第一GFF元件的其它器件被设计为具有对第一个这样设备的测量误差函数细调的原始目标损耗分布。这些实施例的第一GFF元件的第一和之后另外的增益平整器件可能会在这些实施例中顺序制造而非同批次制造。优选地，在这些第一和另外设备中，每个都具有至少约5dB的峰值损耗，并且每个提供的增益校正等于该装置的细调GFF元件所提供的增益校正的至少三倍或甚至四倍或更多倍。这些实施例尤其适用于例如，在使用薄膜滤波器并且此时可用的薄膜设计技术不允许第一滤波器的传输特性曲线被设计为符合由系统设计者或放大器制造商提供的、具有在感兴趣整个波长范围上的容许决策的目标损耗分布的情况。
用于此处所公开的GFF装置的一些示例性实施例进行增益补偿的薄膜滤波器，例如具有EDFA或其它光学放大器，能够根据任何技术、设备和现在已知或未来已知的技术进行设计并制造，其中这些技术和设备都适合生产具有传输特性曲线的滤波器，该传输特性曲线具有充分准确地对应光学放大器的增益分布(在用于该装置的第一GFF元件的增益平整滤波器的情况下)或对应第一GFF元件的误差函数(在用于该装置的第二GFF元件的增益平整滤波器的情况下)的损耗分布。可根据当前技术，例如使用商用软件，象Essential Macleod软件、光学薄膜设计和分析的综合软件封装或软件光谱公司的TFCalc等，来进行设计适合的滤波器。可根据当前各种已知技术，例如使用溅射蒸发或离子助蒸发镀膜技术等。来进行制造适合的滤波器。第一GFF元件和/或第二GFF元件的增益平整滤波器的适合结构如图1所示，其中透明基板10由在感兴趣的波长段中透明的任何适合材料来制成，例如商业上生产DWDM滤波器所用的基板晶片。许多适合材料都是商用的并且得益于本公开的，这对本领域的技术人员来说是明显的。基板10的第一表面14上的镀层12具有对应光学放大器的目标损耗分布的传输特性曲线，并且由一连串的薄膜层形成。增益平整滤波器进一步包括在基板10的第二表面18上的AR(抗反射)镀层16。GFF镀层12和AR镀层16能够通过溅射涂敷或任何适合可选技术来沉积，例如上述的那些技术。同样地，可使用当前已知的材料和技术以及使用未来发展的适合材料和技术，来制造光纤布喇格光栅。
现在参照图2，GFF元件40时根据本发明的GFF装置的第一GFF元件的一实施例。该实施例适用于单独封装的第二(即细调)GFF元件，得益于本公开的，本领域的技术人员可以理解，相同封装设计能够用于这样的第二GFF元件。总的来说，第一GFF元件和第二GFF元件适合，例如同轴(in-line)补偿EDFA在C波段中的信号的光谱增益分布。GFF元件40包括外壳42，第一套箍44安置在外壳42中，第一套箍44提供用于把光信号载入外壳内的输入光纤46，第二套箍48在相反端设置于外壳内，并提供用于把光信号输出外壳的输出光纤50。增益平整滤波器54安置在外壳内的第一套箍和第二套箍之间，并且固定在透镜57和GRIN透镜59之间。增益平整滤波器54具有对应EDFA或其它光学放大器的增益分布的传输特性曲线。在可选实施例中，一个或多个另外增益平整滤波器能够与滤波器54串联地固定在外壳内。如上所提到的，在可选实施例中，该滤波器可以是细调滤波器，该滤波器具有对应第一GFF元件的误差函数的传输特性曲线。在元件40是第一GFF元件时，滤波器54具有对应光学放大器的增益分布的传输特性曲线时，可以与单独封装的第二GFF元件一起使用。在外壳42内的固定元件包括镀金不锈钢固定件41和43、环氧树脂小滴45和焊料47。(仅标出代表性环氧树脂小滴和焊料。)得益于本公开的，本领域的技术人员可以认识到，可选和/或附加元件可以用于此处公开的GFF装置和此处公开的包括这种GFF装置的增益平整放大器。可选和附加元件包括那些目前已知的元件和未来随着时间发展的那些元件。例如已知有多种套箍设计，如果有的话，在此次公开的GFF装置和增益平整放大器的各种不同实施例中，本领域的技术人员将能够选择和使用适合的套箍。同样地，对于准直透镜和其它可能使用的透镜，包括球状透镜、GRIN透镜、鼓形透镜等，已知有多种可选设计。因此，例如球状透镜和/或准直透镜可以用于代替图2所示实施例中的GRIN透镜。
根据本发明的方法，用于光学放大器的增益平整滤波器装置被设计和制造为具有对应EDFA或其它光学放大器的增益分布的传输特性曲线。更具体地说，根据以上所提出的原理，增益平整滤波器可对第一或概略GFF元件和第二或细调GFF元件进行不同地设计和生产。根据一些示例性实施例，该方法包括设计第一GFF元件以具有传输特性曲线，该传输特性曲线具有对于光学放大器的目标损耗分布的光谱损耗分布。该第一GFF元件的一个或多个增益平整滤波器可被制造，第一GFF元件(可选地，在实地中封装使用)的误差函数可被确定，例如通过直接测量批次中的每个单元或通过测量各单元的代表数量来确定。第二GFF元件的增益平整滤波器之后被设计以具有传输特性曲线，并之后被制造，其中该传输特性曲线具有对应第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。第一和第二GFF元件之后被组合。可选地，它们可以在公共外壳内被封装在一起。可选择地，基于第一和第二GFF元件的测量传输特性曲线，第一和第二GFF元件的增益平整滤波器被等同一起用载GFF装置中。
根据依据此处所公开原理来构建的增益平整光学放大器的一些示例性可用作第二GFF元件的目标损耗分布的第一GFF元件的误差函数，可基于第一GFF元件的计划设计、通过理论计算来确定。第一GFF元件的可选择(或附加)误差函数可根据实验确定，例如通过第一GFF元件的误差函数的实际测量。在使用实验确定误差函数的实施例中，可以基于一个单元接一个单元、基于一组接一组或基于这两者来确定。可选地，无论是通过理论计算还是实验或通过这两者，第一GFF元件的误差函数可以基于单独第一GFF元件或在可能会使用的情况下与增益平整滤波器的GFF装置的其它元件和/或器件组合来确定。因此，例如第一GFF元件能够和与之包括的一些或所有其它元件或器件一起生产和组合(例如封装在外壳中)，这样组合的误差函数也能确定。之后，第二GFF元件可被设计和生产以对应组合的第一GFF元件的这种误差函数。例如，对于可选的误差函数一组接一组确定，若干这种第一GFF元件组合能够被生产并且它们的误差函数(单独或组合)被测量以及平均或以其它方式统一以确定第二GFF元件的目标传输特性曲线。在薄膜滤波器用于第一GFF元件时，例如第一GFF元件的若干样品可从一批滤波器，例如从晶片获得的滤波器中产生。例如，对于可选的误差函数一单元接一单元确定，第一GFF元件可被生产并且误差函数(单独或组合)被测量以确定第二GFF元件的目标传输特性曲线。例如，在第二GFF元件使用光纤布喇格光栅的实施例中，与所有或一些其它元件或器件相组合的第一GFF元件的误差函数可被测量，之后光纤布喇格光栅被该单元定制并在此时或以后生产以使GFF装置完整。
现在参照图3，根据在此公开的本发明的一些示例性实施例，可以看出，光学放大器60包括光纤绕组，例如掺铒光纤绕组等，用于多路复用信号例如C波段中的多路复用信号的放大，以及用于增益补偿的GFF装置，它们在外壳61中安置在一起。光纤62把多路复用光信号载入外壳61中给隔离器64。从隔离器64起，光信号输送到多路复用(多用)装置66，该装置66还在EDFA放大的适合波长上，例如约980nm或1480nm或其它适合波长上通过光纤68接收来自适合源(未示出)的泵浦光输入光输入。组合的光输出被馈给封装在外壳中的掺铒光纤的适合长度，如绕组70上，用于上述多路复用光信号的放大。通常具有不均匀增益的EDFA放大器的放大信号被馈给具有传输特性曲线的增益平整滤波器72，该传输特性曲线具有对应绕组70的增益分布的损耗分布。滤波器72的输出供给隔离器74。可以理解，在例如需要更大增益补偿的可选择实施例中，滤波器72可以由多个这样的滤波器代替。与隔离器74串联地，信号馈给多用装置76，该多用装置76在EDFA放大器的适合波长上通过光纤78接收来自适合源(未示出)的泵浦光输入光输入。组合的光输出被馈给封装在外壳中的掺铒光纤的适合长度，如绕组70上，用于进一步的放大。具有EDFA放大器的通常传输特性曲线并且由于滤波器72的误差函数具有残余增益不均匀性的放大信号，馈给增益平整滤波器82。滤波器82是概略增益平整滤波器，例如，具有大于5dB的峰值损耗和对应光纤绕组80的增益分布的传输特性曲线。可以理解，在例如需要更大增益补偿的可选择实施例中，滤波器82可用多个这样的滤波器代替。信号从概略滤波器82通到细调滤波器83，该细调滤波器83具有小于2dB的峰值损耗和对应滤波器72和82的组合误差函数、相对用于校正绕组70和80的组合增益不均匀性的传输特性曲线。滤波器83的输出馈给隔离器84。多路复用信号通过EDFA和放大器60的GFF装置的放大和增益平整，经由光纤86被带出外壳61之外。如上所提到的，各种另外元件可以合并到增益校正放大器60内。
从隔离器64到隔离器74之间的光学部件可以认为是增益校正放大器60的前置放大器或一级放大器88。从隔离器74到隔离器84之间的光学部件可以认为是助推放大器或二级放大器89。可选地，这些一级放大和二极放大可以单独封装，即在单独的外壳内。这是有利地，例如以允许辅助信号处理在两级之间可以访问。这种在多级光学放大器的各级之间的辅助信号处理可以包括，例如色散补偿，这可以通过使部分放大信号通过色散补偿光纤或其它适合器件的适合长度来进行。在多级光学放大器的各级之间的辅助信号处理还可以包括，例如多路复用/去多路复用处理以增加和/或降低信号等。为了公开的目的，本实施例中的两级放大可以被认为是包括光纤绕组70和80的相同光学放大器的部分，由此，增益平整滤波器72和82一起认为是合并到增益平整放大器内的GFF装置的第一GFF元件。增益平整滤波器83可以认为是GFF装置的第二GFF元件。本领域的技术人员可以理解，即使各自传输特性曲线的损耗分布互不相等，两个滤波器72和82可以互相转换而对GFF装置提供的总增益校正没有实质的影响。如果两个滤波器不相等，转换它们的位置将预期地，在光信号从第一级88通到第二级89即在两级之间时，对这些光信号的增益或其它特性具有影响，而在可选择实施例中，即上述的这两级安置在单独外壳内以提供在这两级间信号处理的访问时，这不是所期望地。
根据图3所示实施例的一些方面，在其它类似可选实施例中，单独细调滤波器可以提供给概略滤波器72，即具有传输特性曲线的低峰值损耗滤波器，该传输特性曲线具有对应滤波器72单独误差函数的C波段中的损耗分布。在这种情况下，滤波器72能够被认为是增益平整光学放大器60的第一GFF装置的第一GFF元件，相关的细调滤波器可以认为是GFF装置的第二GFF元件。这种情况下，由于滤波器83的传输特性曲线具有对应滤波器82单独误差函数的C波段中的损耗分布，滤波器82和83可以分别认为是放大器60的第二GFF装置的第一和第二GFF元件。有利于本发明的，对于本领域技术人员来说，符合在此所公开原理的其它可选结构是明显的。
现在参照图4-8，示出了根据本公开的增益平整装置的误差函数中的示例性改进，尤其对于在示例性实施例、在用于电信系统的C波段中通过一定波长段的多路复用信号的光学放大器的情况。图4示出了具有目标传输特性分布(“目标传输特性分布”，逆目标损耗分布)的传输特性曲线，即GFF装置所需要的传输特性分布。图5示出了对于被设计和生产以产生需要传输特性分布的第一GFF元件的典型实施例，通过相同波长段的传输特性曲线。在图5中可以看出，该示例性第一GFF元件测量的实际传输特性曲线紧密追踪图4中所示的目标传输特性分布。不过，如在典型实施例中所期望的，测量传输特性曲线与图6中所示的第一GFF元件的目标传输特性曲线和误差函数并不完全相同。可以看出，PPEF约为0.62dB。根据在此所公开原理的本示例性实施例的第二GFF元件被设计为具有传输特性曲线，该传输特性曲线具有对于第一GFF元件的误差函数的损耗分布(当然和其逆传输特性分布)。结果是，包括第一和第二GFF元件的GFF装置的误差函数在第一GFF元件单独的误差函数和PPEF上有明显改进。图8示出了包括第一和第二GFF元件的GFF装置的误差函数。通过比较图6中所示的第一GFF元件单独的误差函数与图8中所示的包括第一和第二GFF元件的GFF装置的误差函数可以看出，误差函数变小了，意味着由跨过C波段的增益平整光学放大器所放大的不同多路复用信号的增益更加均匀了。另外，可以看出，PPEF值从第一GFF元件单独的多0.62dB改进到包括第一和第二GFF元件的GFF装置的小于0.3dB。
尽管按照特定示例性实施例对本发明进行了描述，但对本领域的技术人员来说，可以理解，在不偏离如下列权利要求所提出的本发明精神和范围下，显然，可对本公开内容进行各种修改和替换。
权利要求
1.一种用于补偿光学放大器对于一定波长段中的信号的光谱增益分布的增益平整装置，包括第一GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述放大器在该波长段中的光谱增益分布的光谱损耗分布；和第二GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。
2.如权利要求1所述的增益平整装置，其中所述第一GFF元件包括至少一个薄膜滤波器，优选地包括至少两个串联的薄膜滤波器。
3.如权利要求1或2所述的增益平整装置，其中所述第二GFF元件包括单个薄膜滤波器。
4.如上述权利要求中任何一项所述的增益平整装置，其中所述第一GFF元件包括至少一个光纤布喇格光栅，优选地包括至少两个串联的光纤布喇格光栅。
5.如上述权利要求中任何一项所述的增益平整装置，其中所述第二GFF元件包括单个光纤布喇格光栅。
6.如上述权利要求中任何一项所述的增益平整装置，其中所述光学放大器包括光纤放大器，优选地包括EDFA。
7.如上述权利要求中任何一项所述的增益平整装置，其中所述波长段位于C波段。
8.一种增益平整光学放大器，包括可操作以接收、放大和输出一定光波长范围内的光信号的光信号放大器，其中该光学放大器具有一光谱增益分布；和根据上述任何一项权利要求所述的增益平整装置。
9.如权利要求8所述的增益平整光学放大器，其中所述光学放大器为多级放大器，优选地包括前置放大级和助推放大级。
10.如权利要求9所述的增益平整光学放大器，其中第一GFF元件包括第一GFF子元件，其传输特性曲线具有对应所述光信号放大器的前置放大级在该波长范围内的光谱增益分布的光谱损耗分布；和第二GFF子元件，其传输特性曲线具有对应所述光信号放大器的助推放大级在该波长范围内的光谱增益分布的光谱损耗分布；而且b)第二GFF元件的传输特性曲线，具有对应第一GFF元件和第二GFF元件以及所述增益平整光学放大器的任选其它元件的合成误差函数的光谱损耗分布。
11.如权利要求10所述的增益平整光学放大器，其中第一GFF子元件和所述光信号放大器的前置放大级以及所述增益平整光学放大器的任选其它元件一起封装在第一外壳中，而第二GFF子元件和所述光信号放大器的助推放大级以及所述增益平整光学放大器的任选其它元件一起封装在第二外壳中。
12.根据权利要求8、9、10或11所述的用于同轴补偿EDFA对于C波段的信号的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，其中所述第一GFF元件至少包括第一增益平整滤波器和第二增益平整滤波器，其中第二增益平整滤波器在C波段中的传输特性曲线，其具有对应EDFA在C波段中的光谱增益分布的光谱损耗分布，且该光谱增益分布可被调节，以部分对应第一增益平整滤波器的误差函数。
13.根据权利要求12所述的用于同轴补偿EDFA对于C波段的信号的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，进一步包括在第一光学透明基板的至少一个薄膜滤波器的第二表面上的AR(抗反射)镀层，和在第二GFF元件的至少一个薄膜滤波器的第二表面上的AR镀层。
14.根据权利要求8到13中任何一项所述的用于同轴补偿EDFA对于C波段的信号的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，进一步包括外壳；设置于该外壳中的第一套箍，该第一套箍提供用于把光信号载入该外壳内的输入光纤，和设置于该外壳中的第二套箍，该第二套箍提供用于把光信号输出该外壳的输出光纤，其中所述第一GFF元件和第二GFF元件安置在该外壳中的第一套箍和第二套箍之间。
15.一种用于同轴补偿光学放大器的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，该装置包括含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，和含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件；其中该第一GFF元件的峰值损耗为第二GFF元件的峰值损耗的至少三倍。
16.根据权利要求15的用于同轴补偿EDFA对于C波段的信号的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，其中所述第一GFF元件在C波段中的峰值损耗为第二GFF元件在C波段中的峰值损耗的至少四倍。
17.一种用于同轴补偿光学放大器的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，包括含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，和含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件；其中第一GFF元件的峰值损耗至少为5dB，而第二GFF元件的峰值损耗为小于2dB。
18.一种用于同轴补偿光学放大器在一定光信号波长范围上的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，包括含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，其被设计为具有一传输特性曲线，该传输特性曲线具有匹配目标损耗分布的光谱损耗分布，且该目标损耗分布对应光学放大器在所述光信号波长范围上的光谱增益分布；和含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件，其被设计为具有一传输特性曲线，该传输特性曲线具有对应第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布，其中所述误差函数为所测量的第一GFF元件的实际光谱损耗分布与该目标损耗分布之间的差。
19.根据权利要求18所述的用于同轴补偿光学放大器在一定光信号波长范围上的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，其中第一GFF元件和第二GFF元件组合在该光信号波长范围上的峰值损耗至少为8dB。
20.根据权利要求18或19所述的用于同轴补偿光学放大器在一定光信号波长范围上的光谱增益分布的增益平整滤波器装置，其中第一GFF元件和第二GFF元件组合在该光信号波长范围上的合成插入损耗误差函数(PPEF)小于0.3dB，优选地小于0.2dB。
21.一种增益平整光信号放大器，包括可操作以接收、放大和输出一定光信号波长范围内的光信号的至少一个光信号放大器，其中该光学放大器具有一光谱增益分布；和用于同轴补偿所述至少一个光纤放大器对该光信号波长范围内的信号的光谱增益分布的增益平整滤波器，该滤波器包括含有至少一个薄膜滤波器的第一GFF元件，该第一GFF元件在该光信号波长范围中的传输特性曲线，具有对应所述光信号放大器的光谱增益分布的光谱损耗分布；和含有至少一个薄膜滤波器的第二GFF元件，该第二GFF元件在该光信号波长范围中的传输特性曲线，具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。
22.如权利要求21所述的增益平整光信号放大器，其中所述至少一个光信号放大器为掺铒光纤放大器，所述光信号波长范围为C波段。
23.如权利要求21所述的增益平整光信号放大器，其中所述至少一个光信号放大器为掺杂光纤放大器，所述光信号波长范围为L波段。
24.如权利要求21所述的增益平整光信号放大器，其中所述至少一个光信号放大器为掺杂光纤放大器，所述光信号波长范围为S波段。
25.一种生产用于光学放大器的增益平整滤波器的方法，包括设计第一GFF元件，使该其传输特性曲线具有对应所述光学放大器的目标损耗分布的光谱损耗分布；制造第一GFF元件；确定第一GFF元件的误差函数；设计第二GFF元件，使其传输特性曲线具有对应第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布；制造第二GFF元件；以及组合第一GFF元件和第二GFF元件。
26.如权利要求25所述的方法，其中测量所述第一GFF元件的误差函数，同时将第一GFF元件与GFF装置的至少一些其它元件进行组合。
全文摘要
一种用于同轴补偿光学放大器的光谱增益分布的增益平整滤波器，包括第一GFF元件，其传输特性曲线具有对应光学放大器的光谱增益分布的光谱损耗分布；和具第二GFF元件，其传输特性曲线具有对应所述第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布。一种生产用于光学放大器的增益平整滤波器的方法，包括设计第一GFF元件，使其传输特性曲线具有对应所述光学放大器的目标损耗分布的光谱损耗分布；制造该第一GFF元件；确定该第一GFF元件的误差函数；设计第二GFF元件，使其传输特性曲线具有对应所述(未封装或与该GFF装置的其它元件和/或增益平整光学放大器的其它元件封装的)第一GFF元件的误差函数的光谱损耗分布；制造该第二GFF元件；以及组合所述第一GFF元件和第二GFF元件。
文档编号H04B10/294GK1954525SQ200580015086
公开日2007年4月25日 申请日期2005年3月3日 优先权日2004年5月10日
发明者瑞德·佐默尔, 兰斯·摩根·福特贝瑞, 迈克尔·A·斯考贝, 托比·瑞恩, 保罗·约翰逊 申请人:波科海姆技术公共有限公司