长波段光放大器 (1)技术领域
本发明一般涉及长波段光放大器。更具体地说，本发明涉及使用掺稀土光纤和改进的双重抽运技术的长波段光放大器。
(2)背景技术
光放大器通过称作受激辐射的过程增加光波长的幅度，在受激辐射中，作为输入信号的光子激发光学材料中的电子到高能级，接着电子又跃迁到低能级。在该过程中，材料发射一个与初始光子有相同频率，方向和偏振的相干光子。接着这两个光子能够激发另外两个相干光子的发射，等等。于是产生了相干光放大。当光子能量几乎等于原子跃迁能量差时发生受激辐射。由于这个原因，该过程产生了由原子线宽决定的一个或更多的频率波段的放大。
虽然现在有许多不同有光学放大器结构可以使用，但光纤放大器在光通信应用中是极为普遍的。光纤放大器一般包括了诸如玻璃之类的光学材料，材料中结合了诸如铒这样的稀土杂质并且构造成光波导。掺稀土石英光纤现在十分流行，部分原因是因为它们提供了光波单模传导的优点。由这类光纤制造的光纤放大器可以工作在广阔地波长范围内，这是由主体材料和稀土杂质的原子特性决定的。例如，掺铒光纤放大器(EDFAs)工作在光纤传输窗口的两个信号波段。这些信号波段是波长范围从大约1528nm到大约1565nm的常规波段(C波段)和波长范围从大约1568nm到大约1610nm的长波段(L波段)。
在使用掺铒石英光纤制造的光放大器中，电子被980nm的抽运或1480nm的抽运从基态(4I15/2)激发(抽运)到亚稳态(I13/2)。在980nm抽运的情况下，电子首先被抽运到激发态(4I11/2)然后无辐射地衰减到亚稳态(4I13/2)(见图11)。在1480nm抽运的情况下，电子直接被抽运到4I13/2态。当I13/2上的电子通过受激辐射衰减到基态时发生了放大。在电子衰减到基能级4I15/2后，它们可以再被抽运到激发态能级4I11/2，在那里它们可以参加另一次受激辐射过程。
掺铒光纤放大器(EDFAs)通常由多级盘绕的掺铒光纤制成。这样的掺铒光纤放大器如图2所示。EDFAs性能中最重要的参数是噪声系数(NF)和增益G。噪声系数NF由dBs表示，定义为放大器输入端信号(S)噪声(N)比与放大器输出端的信号(S)噪声(N)比之比值的Log10值的10倍。那样，NF＝10×Log10(S/N)in/(S/N)out。增益G定义为信号输出功率对信号输入功率之比。在多级放大器中，噪声系数NF主要由放大器前端决定。这样，EDFA第一盘光纤的增益G越高，NF越低。另一个衡量EDFA的性能是功率效率，功率效率定义为被放大的光子数与被抽运激发的光子数之间的比率。由于通信系统的性能由系统的放大器噪声性能，放大器的信号功率和光纤传输性能决定，光通信系统需要EDFAs有尽可能低的噪声系数(NF)和尽可能高的增益(G)。
图3示出了掺铒光纤(EDF)的吸收光谱。这个图示出了在980nm抽运波段的强吸收峰。因为980nm波段的强吸收，一些长波段EDFA使用连着第一EDF盘的980nm抽运。采用980nm波长的抽运在光放大器的前端产生了高的粒子数反转，从而导致低的噪声系数(见图2)。980nm抽运不如1480nm抽运的功率转换效率高并且相对较难建立。因此，980nm抽运是昂贵的。但是，一般认为需要使用较低效率，较高花费的980nm抽运(作为长波段放大器的第一抽运源)来提供低的噪声以产生高的信噪比，这样可以为第二盘EDF提供更纯净的信号以作进一步放大。
为了得到最大的功率，第二级抽运(也就是，耦合到第二盘EDF的抽运源)通常是更有效，制造成本更低的1480nm波长抽运源(见图2)。我们知道第二级抽运将提高多级EDF放大器的效率而不会为系统引入太多噪声。
所以需要提供低噪声的L波段光放大器，它也比现有技术的长波段光放大器更有效。
(3)发明内容
本发明由附加的权利要求限定。为了更彻底的理解本发明和它的优点，可以参考下面的说明书和附图。在下面的详细描述中描述了本发明进一步的较适宜的特性和优点。
可以理解下面的详细描述只是本发明的示例，目的是为理解本发明所要求的本质和特性提供概貌或框架。所包括的附图为进一步理解本发明提供了手段，并且在此合并组成说明书的一部分。附图示出了本发明的多种特征和实施例，并且和详细描述一起解释本发明的原理和操作。
(4)附图说明
图1是掺铒石英玻璃的能级图；
图2是示出现有技术的两级抽运光纤放大器的示意图；
图3是掺铒光纤吸收光谱的曲线图；
图4是根据本发明第一个实施例的两级光放大器的示意图；
图5是掺镨石英玻璃的能级图；
图6是掺钕石英玻璃的能级图；
图7是作为盘绕长度比率函数的一组噪声系数(NF)的曲线图，示出了不同抽运波长对NF的影响；
图8为三种不同的抽运示出了第一盘或EDFA的粒子数反转曲线；
图9示出作为盘绕长度比率函数的第二级所需功率；
图10是一组作为抽运波长函数的NF光谱的预测曲线图；
图11是一组作为抽运波长函数的NF光谱的实验数据的曲线图；
图12是示出本发明第一个实施例的两级抽运的光纤放大器的示意图；
图13是示出本发明第二个实施例的两级抽运的光纤放大器的示意图；
图14是示出本发明第三个实施例的两级抽运的光纤放大器的示意图。
(5)具体实施方式
我们发现改进的双重抽运技术(下面将详细描述)克服了先前技术的困难，而且使用这个双重抽运技术的光放大器不仅展示了低的噪声水平而且比现有技术的光放大器高大约40％的效率。根据本发明的实施例，这个技术使用工作在相同波长的两个抽运源。这些抽运源减小了在中间末端(termination)能级的稳态粒子数并且同时为亚稳态能级重新注入粒子数。根据本发明的一个实例，两个抽运源都工作在1480nm波长并且光放大器使用多盘(级)掺铒光纤。
图4示出光放大器5的示范实施例。较佳的实施例使用两个光波导10a和10b，光波导可以是例如有第一种光学材料的内纤芯和有不同材料外包层的光纤。用于内纤芯和外包层的材料有不同的折射率，这样光能量在内纤芯和外包层的界面间反射从而使光通过波导传输。
在下面将要完全地说明，光波导包括了较适宜是玻璃的主体材料，它包含稀土杂质。多种不同的光学材料和稀土杂质可以用于这个目的。虽然在这个实施例的示例中使用的是掺铒石英光纤，普通的技术人员将清楚也可以使用其它的材料。稀土杂质较适宜有“三能级”或“四能级”的原子能级。其它的稀土杂质例如镨(Pr3+)和钕(Nd3+)。其它的主体材料例如氟(FI)和碲(TI)。图5和图6示出了这些稀土材料的能级图。更具体地说，图5示出了掺镨玻璃的能级。掺镨光纤放大器(PDFA)可以从1.01μm抽运并且产生在1.31μm范围的信号。图6示出了掺钕玻璃的能级。掺钕光纤放大器(NDFA)可以从0.8μm抽运并且在1.37μm范围产生信号。
光放大器5有用作主抽运源的第一抽运源20a。这个抽运源激发光学材料中的稀土离子粒子数，把它们从基态激发到亚稳态能级。亚稳态能级有相对长的荧光寿命的特征，荧光寿命通常大于10毫秒。也就是说，被激发到亚稳态能级的离子保持在有能够进行受激辐射的足够时间的状态中。如图4所示的光放大器5包括可以注入光输入信号S1的输入接口30。输入接口30耦合输入光信号S1进入第一光波导10a(包含了盘绕的有源光纤)由此通过亚稳态能级的光子受激辐射产生了放大。第二光波导10b也包含了盘绕的有源光纤，它被布置在第一光波导10a的后面。光波导10b进一步放大由波导10a提供的光信号。第二光波导10b耦合到输出接口40，被放大的光信号通过输出接口40从放大器5输出。第二抽运源20b耦合到第二光波导10b并且通过激发稀土原子到亚稳态激发在波导10b光学材料中的稀土原子粒子数。离开第一波导10a的被放大光信号用作波导10b的输入信号，而且如上所述将被波导10b进一步放大。放大器5包括输入级、中间级和输出级。这些级可包括诸如耦合器，滤波器，隔离器，衰减器和/或增益平坦器之类的器件。
我们将有不同的第一级抽运源20a的两级掺铒石英光纤放大器(类似于图4)性能作了比较，其中每个抽运源提供三种不同抽运波长的一种。第一抽运源10a的抽运功率是140mW。在每个放大器中，第二波导10b由两个1480nm抽运源20b抽运以取得好的功率转换(也就是高的转换效率)。抽运源20b的抽运功率在130mW和185mW之间变化。总的光纤长度，也就是第一级和第二级的盘绕光纤的长度是130米。下面将讨论从放大器的受激模型和从实际测量中得到的结果。该分析比较了使用由980nm(情况I)，1480nm(情况II)或1510nm(情况III)抽运波长提供的第一抽运源20a的放大器。性能参数是放大器噪声系数(NF)和第二级抽运功率(也就是抽运源20b的抽运功率)。
图7示出作为第一级(波导10a)和第二级(波导10b)之间的线盘长度比率函数的三个放大器模拟模型的最大NF(噪声系数)。从该模拟结果可知抽运源20a工作在1480nm或980nm波长时产生的最大NF是大致相同的。但是，从这个图中可以看出，用1510nm抽运的抽运源20导致了明显的NF恶化。由于抽运源20a抽运波长的吸收和发射系数不同，在光放大器第一级不同波长的抽运会导致不同的前端粒子数反转。对于L波段放大器，由于在980nm情况下的较高的后向ASE(自发辐射放大)，980nm和1480nm抽运的前端粒子数反转大约是相同的。这在现有技术的L波段多级光放大器的设计中是没有考虑到的。
图8示出了沿着第一盘掺铒光纤的粒子数反转曲线，其中掺铒光纤使用工作在相同功率(140mW)但是波长不同的不同方向的抽运源20a。这些波长是980nm，1480nm和1510nm。如上所述，在光放大器前端的高粒子数反转导致了低的噪声系数。当使用980nm抽运时，在放大器前端有明显的粒子数反转饱和。这是光放大器前端的ASE累积导致的强后向ASE(自发辐射放大)的结果。如图所示，相应于1480nm抽运的粒子数反转饱和明显地低于980nm抽运的，而相应于1510nm抽运的粒子数反转曲线表现为没有前端粒子数反转饱和。这样，我们发现在L波段放大器中，1480nm抽运源20a相对980nm抽运源后向ASE较低，并且因为这样，1480nm和980nm的前端粒子数反转几乎相同。因此，令人惊奇的是，这两个抽运源20a(1480nm和980nm)提供了大致相同的噪声系数NF。但是，1480nm抽运源为L波段的工作提供了比980nm抽运源明显高的多的功率和相对980nm抽运源较低的成本。
图9示出了当第一抽运源20a工作在980nm，1480nm或1510nm波长时，作为第一级和第二级之间的线盘长度比率函数的第二级所需抽运功率。垂直轴表示抽运源20b的抽运功率，单位是毫瓦(mw)。图9示出1480nm和1510nm抽运与980nm抽运比较时，有降低的所需抽运功率(线盘比率在大约0.16或更高)。这样降低的所需抽运功率将为放大操作提供较好的抽运界限(margin)。
图10示出上述模拟的NF光谱(NF作为波长的函数)。NF光谱表示每个抽运结构的最佳线盘比率。最佳线盘比率大约0.3并且由能产生给定抽运波长的最低噪声系数(NF)的比率所确定。图10示出由980nm和1480nm波长的抽运产生了相同的噪声系数性能，而1510nm的结构产生L波段光放大器的更差NF光谱。
图11中示出了使用1480nm第一抽运源20a和常规的980nm第一抽运源20a的两级EDFA的NF光谱实验结果。通过首先使用980nm第一级抽运源20a，然后使用1480nm第一级抽运源20a的相同的光放大器得到该结果。第一级抽运源20a工作在固定的40％的线盘比率。正如所料，全1480nm抽运结构显示了相对使用980nm第一级抽运的抽运结构的非常好的NF性能。这和模拟的结果相符。通过这个结构(抽运源20a提供了980nm波长的激光束)，我们观察到总的抽运功率减小了大约35％。
基于实验和理论结果，我们认为在相同波长双重抽运EDFA(例如对EDFA每级用1480nm抽运)可以提高抽运效率同时保持低的噪声水平。更具体地说，我们证明了1480nm抽运可提供足够的前端粒子数反转来保持相等的噪声系数性能。因为较高的功率转换效率，1480nm第一级抽运源20a降低了抽运界限大约10％。从生产观点来看，如此优异的光学性能加上多于40％的成本优势使得全1480nm抽运结构较适于使用L波段EDFAs的许多应用。
图12和13示出了其它EDFA实施例。在图12中示出的EDFA和图4中示出的EDFA相似，但是只使用一个耦合到第二EDF盘的(前向抽运)抽运源20b。图13示出的EDFA使用几个不同的抽运源20b。这个EDFA的抽运源20b为了复合抽运可以工作在不同的波长。
这样，当考虑后向ASE时，由第一抽运源20a提供噪声系数和功率，我们认为L波段EDAFA较适于使用1480nm第一抽运源20a。相同的原理也可以用于其它放大器(掺稀土放大器的光纤有非铒的杂质并且工作在其它波长带宽)。那就是，在选择第一抽运源20a的波长时，需要较适宜地考虑后向ASE和它对噪声系数NF的影响并且选择提供大致相同噪声系数的更有效的第一级抽运。这样的抽运通常不是980nm抽运。
因此，熟练的技术人员将清楚在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行多种修改和变化。这意味着本发明覆盖了本发明的修改和变化范围，所述范围由附加的权利要求和它们的等价物限定。