抑制光放大器中Q-开关脉冲的器件和方法 本发明总体上涉及一种包含常规四端口波分复用(WDM)耦合器的多波长双向光放大器，尤其涉及一种改进的四端口WDM耦合器和一种用于抑制因器件光路反射点而在器件内形成的增益腔中的Q-开关的方法。
近年来，因诸如掺铒光纤放大器(EDFA)等全光放大器的发展和推广，已使光信号传输系统有了飞速的进步。尽管使用这类放大器可使放大器之间的传输间隔增大，但也提出了对较宽带宽和较高数据率、双向信号传输、系统部件较少，以及系统效率较高的要求。美国专利第5,452,124号揭示了一例解决这些问题的系统，其整体内容通过引用包括在此。第’124号专利揭示了一种包括四端口分色(波分复用)滤光器和单个掺铒光纤放大器的装置，形成了双波长双向(单光纤)光放大器模块。图1示出了一个四端口WDM滤光器1105，其工作情况在第’124号专利中有全面的描述。概括来说，如图2所示，输入端口1的信号λ1经多层介电滤光器反射被引导到端口3。信号λ1穿过光纤链路1110，经EDFA401放大后被进一步传送到四端口WDM的端口4，在端口4，多层介电滤光器再次将信号反射至端口2，以便沿光纤103传输。另一波长不同的信号λ2沿λ1的相反方向传播，该信号从端口2入射四端口WDM，透过多层介电滤光器透射到端口3。随后，沿与λ1相同的光路经链路1110通过EDFA并在端口4入射WDM，在端口4，信号λ2透过多层介电滤光器透射到端口1，并按相反于λ1的方向沿传输光纤103输出。因此，这类器件至少允许两个沿相反方向传播地不同信号的信道沿单根光纤传输，并用单个放大器将信号放大，其优势对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
诸如第’124号专利中揭示的四端口WDM滤光器的技术限制特性是，例如对于沿λ1光路传播的某些波长的光，分色滤光器将起3dB耦合器的作用，即不是反射输入端口1的光的大体部分，而是将在端口1输入耦合器的波长在下文中称为第一3dB交叉波长(crossover wavelength)的光分离，致使一半光被反射至端口3，而另一半光透过介电滤光器到达端口4，并从端口4输出WDM。同样，存在第二3dB交叉波长(λ3db2)的信号，其沿λ2的光路传播，对于该信号，WDM滤光器不是如对λ2所做的使所有的光大体上透过器件，而是反射一半入射光。产生该现象是因为分色滤光器的滤光响应(filter response)不是很陡的阶跃函数，它要求有限的频谱宽度为几个纳米，以便分别对不同的波长进行反射和透射。图3示出了滤光器对不同波长光反射和透射的情况。例如如果出入包含四端口WDM之装置的光路具有一个诸如光纤尾纤连接器的反射点，并且尾纤与传输光纤断开(大约产生14dB反射)，那么经尾纤连接器反射的3dB交叉光将重新进入WDM并沿其来时的相同光路透射。即使装置与传输光纤断开以致于装置的放大部分没有任何波长信号需要放大，但泵源依旧在提供泵激能量，使EDFA中的铒离子充分反转，从而激发出强度足够大持续时间足够短的Q-开关脉冲，损耗光路中的其它元件。这里所称的Q-开关是指高度反转的增益媒质发光所产生的光脉冲。因此，即便是装置中的单个反射点也能形成增益循环或腔体，致使存在泵功率时，将反射经放大的3dB交叉波长的光，并使其沿输入光路返回。引进这种反射将引起可能损坏光路元件的Q-开关脉冲。根据所述说明，需要抑制或消除会引起激光发射的光源，尤其是在光信号放大器光路中形成的增益腔内Q-开关脉冲。
因此，本发明旨在一种能够提供这些特征的设备和方法。为了避免在装置中所形成的腔体内激发3dB波长的激光，本发明的实施例描述了一种可以抑制与WDM分色滤光器相关的各3dB交叉波长之透射和/或反射的装置和方法。
本发明还提供了一种改进的四端口WDM，该器件特别适于在光信号放大器或包含应用四端口WDM的光信号放大器的光通信传输系统中使用，用于抑制这类器件中的Q-开关。
本发明的优点容易在发生以下情况时发现，例如由断开的尾纤所形成的反射源在光信号放大器内产生一个循环或腔体，其可能对腔内传输的光提供增益并产生损坏光学系统元件的Q-开关脉冲。
在本发明的一个实施例中，提供了一种四端口波分复用器，该器件包括一分色滤光器，滤光器将输入器件的的第一波长频带基本上反射至用于第一波长频带的器件输出端，并将输入器件的第二波长频带基本上透射至用于第二波长频带的器件输出端，其中滤光器透射第一波长频带中的第一3dB波长的一部分，并且滤光器反射第二波长频带中第二3dB波长的一部分。所述四端口WDM器件还包括另外的第一分色滤光器，第一分色滤光器的滤光函数是为第一或第二3dB波长中至少一种波长的光提供了插入损耗，基本上足以使第一3dB波长的所有的光反射或基本上使第二3dB波长的所有的光透射，从而消除可能在该器件光路中所形成的腔体内发出激光的光源。
在该实施例的一个方面，器件还包括另外的第二分色滤光器，第二分色滤光器的滤光函数不同于WDM中滤光器和另外的第一分色滤光器的滤光函数，为另外的第一滤光器没有抑制的第一或第二3dB波长的光提供了插入损耗，基本上分别足以使3dB波长的所有的光反射或透射。
在这些实施例的一个方面，另外的第一和第二分色滤光器是陷波滤光器。
本发明的另一实施例描述了一种多波长双向光信号放大器，该放大器包括EDFA，用于将输入EDFA的通信信号放大；第一光纤链路，其一端与EDFA的输入端耦连；第二光纤链路，其一端与EDFA的输出端耦连；以及四端口WDM，它包括一分色滤光器，该滤光器将输入WDM的第一波长频带基本上反射至用于第一波长频带的WDM输出端，并将输入WDM的第二波长频带基本上透射至用于第二波长频带的WDM输出端，其中滤光器透射第一波长频带中第一3dB波长的一部分，并且反射第二波长频带中第二3dB波长的一部分，所述WDM还包括另外的第一分色滤光器，第一分色滤光器的滤光函数不同于WDM中滤光器的滤光函数，为第一或第二3dB波长中至少一种波长的光提供了插入损耗，基本上足以使第一3dB波长的所有的光反射，或者基本上足以使第二3dB波长的所有的光透射，另外的第一滤光器位于WDM本身内，或者位于与WDM和EDFA相连的光路中。
在本实施例的一个方面，器件还包括另外的第二分色滤光器，第二滤光器的滤光函数不同于WDM中滤光器和另外的第一滤光器的滤光函数，为另外的第一滤光器没有抑制的第一或第二3dB波长的光提供了插入损耗，并且基本上分别足以使第一或第二3dB波长的所有的光反射或透射，另外的第二滤光器位于WDM本身内，或者位于与WDM和EDFA相连的光路中。
本发明的另一实施例描述了一种通信发射/接收系统，该系统包含诸如上述的多波长双向光信号放大器，放大器中包括这里所揭示的改进的四端口WDM。
本发明的另一实施例描述了一种单光纤多波长双向光放大器，该放大器包含两个四端口WDM，除了一般位于四端口WDM内的滤光器之外，每个WDM还具有与其相关的一个或多个分色滤光器，它们提供增大的插入损耗，如上所述足以抑制不希望有的3dB的光，不让其通过系统传播并在器件光路中所形成的腔体内放大。
在每个实施例中，其余的分色滤光器一般是多层光学干涉的滤光器，由于它们对某些波长的光进行反射并使另一些波长的光透射，并通过透镜将光引导到器件的输入和输出端，所用滤光器本身起四端口耦合器的作用。
本发明还打算提供一种用于抑制多波长双向光放大器中的增益腔内发出激光的方法，其中光放大器包括一四端口WDM，增益腔是由器件光路中的反射点或包含该器件系统所形成的，该方法包括提供一个或多个分色滤光器，滤光器具有各自不同的滤光函数，用于抑制这里称为被反射和被透射的3dB波长的光，致使腔体损耗大于腔体在3dB波长处的增益。
本发明的其它特征和优点将在以下描述中叙述，并且部分可以从描述中看出，或者通过实施本发明学习到。本发明的目的和其它优点可用这里写下的说明书和权利要求书以及附图中指出的设备和方法来实现和获得。
可以理解，以上的一般描述和以下的详细描述是例举性的，并试图按权利要求的那样对本发明作进一步的说明。
附图被包括用来帮助理解本发明，并且包括在此作为本申请文件的一部分，图示本发明的实施例，并与说明书一起解释本发明的原理。
图1是一方框图，示出了现有技术的光纤通信系统，该系统包括一个包含EDFA和四端口WDM的放大器模块；
图2是图1所示系统中放大器模块的放大的方框图。
图3简要示出了常规WDM介电滤光器的反射和透射特征曲线，以及3dB波长；
图4是本发明一实施例的方框图，它类似于图2，示出了当尾纤与传输光纤断开时表示潜在反射点的光纤尾纤和光纤尾纤连接器；
图5是一流程图，示出了当器件内形成增益腔时两例3db波长经过器件所走的光路；
图6示出了两例滤光器F1、F2的滤光器反射函数，它们在频谱的蓝色部分具有较低的插入损耗(高反射)，在频谱的红色部分具有较高的插入损耗(低透射)，其中每个滤光器具有不同的3dB滤光点。还示出了相应的透射曲线，指出在频谱的蓝色部分具有较高的透射插入损耗，而在两个滤光器的3dB波长之间具有较高的透射率；
图7示出了一代表性的透射频谱以及两腔体的优值(FOM)曲线，表示对于强(-8dB)反射，该插入损耗不足以防止腔体内产生激光，但对于弱(-14dB)反射，可以得到适当的抑制；
图8示出了本发明使用单个附加滤光器的实施例；
图9示出了本发明使用两个附加滤光器的实施例；
图10示出了本发明用两个四端口WDM滤光器抑制不希望有的3dB光的实施例；
图11是本发明的又一实施例，其滤光器为陷波滤光器。
现将详细介绍附图中例示的本发明较佳实施例。图1示出了一个包含单光纤多波长双向放大器模块的光纤通信系统，其中放大器模块包括一个四端口WDM滤光器1105、东侧和西侧光纤链路1110E和1110W，以及EDFA401。在位置A处，WDM203将两种波长的光(λ1和λ2)合并到单根传输光纤103上。位置A处的发射机发射波长为λ1的光(例如红光)。位置A处的接收机接收来自位置B的波长为λ2的光(例如蓝光)。因此，光信号λ1沿光纤103从位置A传输至位置B(由西向东传输)，而光信号λ2沿光纤103按由东向西方向从位置B传输至位置A。
放大器模块1100内包含一个四端口WDM滤光器1105。端口1与西侧的光纤长度103相连，端口2与东侧的光纤长度103相连，端口3通过西侧的光纤链路1110W接至EDFA401的输入端，而端口4通过东侧的光纤链路1110E接至EDFA401的输出端。位置A处101的WDM滤光器203是被设计用来通过中心波长λ2的分色滤光器。位置B处102的WDM滤光器201也是分色滤光器，但它被设计用来通过中心波长λ1。放大器模块的WDM滤光器1105可以由附加了额外(第四)端口的WDM滤光器201或203构成。
参照图2可以理解四端口WDM滤光器1105的功能。来自位置A的西侧光纤长度103接至端口11200。来自位置B的东侧光纤长度103接至端口21205。在图示的装置中，指定WDM滤光器1105(即多层介电衬底305)可使波长λ2通过。这意味着波长为λ2的信号将通过WDM滤光器1105(从端口2至端口3，以及从端口4至端口1)，而其它波长的信号则被反射。沿西侧光纤103传入端口11200的波长为λ1的光，经西侧透镜310聚焦到滤光器衬底上后，被滤光器反射到端口31210(提醒注意，只有波长为λ2的光将通过滤光器)。用类似的方式，沿东侧光纤103传入端口21205的波长为λ2的光，经东侧透镜310聚焦到滤光器衬底上后，穿过滤光器，被西侧透镜310再次准直，然后聚集在端口31210处。因此，端口31210接收到波长为λ1和λ2的光。离开端口3的光经光纤链路1110W发送至EDFA401的输入端。用该方法，从位置A传播至位置B的光以及从位置B沿相反方向传播至位置A的光皆单向穿过EDFA401。
放大后，波长为λ1和λ2的光从放大器401输出，并发送至端口41215，在端口4，东侧透镜310将光聚焦到滤光器的衬底305上。波长为λ1的光经东侧透镜反射回端口21205，并从该端口输出滤光器，按其路径到达位置B。波长为λ2的光穿过衬底，并由西侧透镜310聚焦到端口11200内，然后从端口1输出滤光器，按其路径到达位置A。
四端口WDM滤光器1105提供了一种为双向输入信号正确选择路由的装置，致使这些信号单向穿过单个放大器，然后沿其正确的传输方向传输。
四端口WDM中所用的分色滤光器的特点是用一般基本上将所有输入光反射并/或传输至WDM某一特定端口的多层介电衬底传输和/或反射某些波长的光。图3简单示出了一般分色滤光器的实际(相对理想而言)透射和反射特性。不同波长的反射至透射的转变(反之亦然)不会出现在单个离散的波长上，而是发生在大约3-20纳米的波长盲区内。波长λ3dB1(例如这里为1549纳米)与反射曲线上传输一半和反射一半光强(3dB)的3dB转变点相关。同样，第二波长λ3dB2(例如这里为1564纳米)与传输曲线上传输一半和反射一半光强(3dB)的3dB转变点相关。参照图2，第一3dB交叉波长λ3dB1按λ1的方向沿光纤103传播至端口1。不同于理想情况下多层介电滤光器将所有λ3dB1反射至端口3，多层介电滤光器将把λ3dB1射入端口1的一半反射至端口3，而将另一半透射至端口4，并在端口4出射，沿东侧光纤链路1110E传播。按类似的方式，第二3dB交叉波长λ3dB2从端口2入射到WDM上。多层介电滤光器将入射端口2的波长为λ3dB2的光的一半透射至端口3，而将输入端口2的波长为λ3dB2的另一半反射至端口4，并从WDM出射，沿东侧光纤链路1110E传播。
如图4所示，一般由尾纤连接器20E和20W将放大器模块1100与传输光纤103相连，成为分别离开端口1和2的光纤。当断路时，标准的尾纤连接器一般具有大约14dB的反射率。即使没有传输信号，EDFA也将在存在抽运信号时，产生宽频谱ASE。由于ASE频谱包括波长为λ3dB1和λ3dB2的光，例如波长为λ3dB1的光将沿东侧光纤链路1110E传播并输入WDM滤光器的端口4。由于对于λ3dB1为1549纳米的3dB交叉波长光来说，多层介电衬底305起3dB耦合器的作用，所以该衬底不是将所有光基本上都反射到端口2，而是只将λ3dB1的一半反射到端口2，并由此传播到东侧尾纤连接器20E。连接器20E将λ3dB1的光反射回端口2，然后一半光通过多层介电衬底透射至端口3，经EDFA401最终到达端口1，在端口1处，光沿西侧尾纤103传播至西侧光纤连接器20W。西侧光纤连接器20W将光反射回端口1，并由此被多层介电衬底反射至端口3，然后经EDFA放大，再次如前所述沿东侧光纤链路1110E传播。另外，如前所述多层介电衬底将输入端口的波长为1549纳米的原生ASE半反射，同时另一半光透过介电衬底，传向端口1，并再次从西侧光纤连接器20W反射返回。用类似的方法，由EDFA生成的波长为1564纳米的ASE发射可以入射端口4。多层介电衬底将波长为λ3dB2的光的一半反射至端口2，沿东侧尾纤103传播至东侧尾纤连接器20E，连接器20E再将光反射回端口2，经介电光纤衬底到达端口3，然后由EDFA放大后输入端口4，之后再通过端口1和2到达尾纤103。由此，一个或两个尾纤连接器起反射点的作用，它们形成一个包含增益媒质的腔体，在腔体中生成放大的脉冲。当传输光纤与尾纤连接器20E和20W连接/断开时，会产生Q开关高能量脉冲，使光路中的元件受损。图5用流程图示出了λ3dB1和λ3dB2所走的光路。
图8是本发明一实施例的示意图。在该实施例中，将单个附加滤光器F1添加到图1和图2所示的常规WDM器件中，该附加滤光器对应于例如图6所示的两个滤光器中的一个。应该理解，常规器件已经包含一个滤光器F，其响应函数类似于图6所示滤光器中的一个，但具有不同的3dB点。附加滤光器F1(或F2)可以抑制现有滤光器不能抑制的3dB波长。在本实施例中，传输曲线将具有比图6所示曲线(图6所示曲线是以下描述的一实施例中使用了两个附加滤光器的传输频谱)更宽的传输频谱。还可看到，尽管该实施例和其它将作描述的实施例将附加滤光器放在WDM本身内部，但实际上可将任何或所有附加滤光器包含在WDM和EDFA之间的任何地方。
图9是另一实施例的示意图。在该实施例中，WDM器件使两个附加滤光器(2)F1或(2)F2与现有滤光器F联用。由于该结构为需要抑制的3dB波长提供了改善的插入损耗，所以该结构比图8所示的优越。
在图10所示一较佳实施例中，本发明使用了两个四端口WDMA和B。每个WDM包含两个滤光器F1和F2，滤光器的响应类似于图6所示的曲线。在本实施例中，波长为λ1的信号(例如红色信号)从西侧输入WDM的端口A2。光经透射到达端口A4，然后通过EDFA401传播，输入端口B1。从B1，波长为λ1的光通过WDMB的介电滤光器F1和F2透射至端口B3，然后沿向东方向输出。图6的传输图对此作了描绘，它表示从大约1520纳米至大约1545纳米(蓝色频谱)的透射插入损耗较大，1549纳米与1564纳米之3dB波长之间有较高的透射率(红色频谱)，而在大约1565纳米之后透射损耗又大了。由东向西传播的波长为λ2的信号(例如，蓝色信号)输入WMD的端口B3。该信号反射至端口B2，并传播到端口A1。从A1反射至端口A4，然后经EDFA发送到端口B1。从B1反射到B4，传送到A3，再反射至A2，然后沿向西方向传送。如图6中的反射曲线所示，蓝色频谱具有较低的反射插入损耗(透射率较高)。因此，根据本发明的一个实施例，附加滤光器可以抑制WDM滤光器中对3dB波长的反常透射和反射，从而防止在器件腔体内发出3dB波长的光。
如图11所示，在本发明另一个实施例中描述了一种对现有技术WDM滤光器的改进，在该实施例中，用上述使用F1或F2的相同方法使用中心处于第一3dB波长附近的陷波滤光器。其改进之处在于能够抑制两个3dB波长中的一个波长。在本实施例的一个较佳方面，使用与λ3dB2对应的第二陷波滤光器N2，从而抑制两个3dB波长。
在上述每个实施例中，滤光装置为光路反射点所形成的每一个3dB交叉波长(1549纳米和1564纳米)提供了超过特定3dB交叉波长之腔体增益的插入损耗。例如，这里所述类型和设计的滤光器可以从E-TEK公司买到。