CN107154575A - 光纤放大器 - Google Patents

Abstract

一种光纤放大器，包括泵浦源、信号源、及构成光学主路的波分复用器、掺铒光纤和波分解复用器，其中：泵浦源，用于提供泵浦光；信号源，用于提供信号光；波分复用器，用于耦合泵浦光和信号光得到复合光；掺铒光纤，用于吸收复合光中的泵浦光以对复合光中的信号光进行增益放大；波分解复用器，用于将增益放大后的复合光分解为残余泵浦光和输出信号光。本公开的信号光和泵浦光，通过波分复用器耦合形成复合光，使得信号光和泵浦光从同一方向注入掺铒光纤中，从而降低光纤放大器的噪声系数；且本公开的光纤放大器可以明显增大增益倍数，实现光纤放大器的高增益。

Description

光纤放大器

技术领域

本公开属于光纤通信领域，更具体地涉及一种光纤放大器。

背景技术

光纤通信是当今世界上发展最快的领域之一，在传统的光纤通信系统中，为了克服光纤损耗对信号传输的影响，需要每隔一定的距离对衰减了的光信号进行再生中继。而传统的中继器放大光信号时，需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换，尽管这个过程对于中等速率的单波长很适用，但对于高速多波长系统则不适用，存在传输瓶颈，所以各种光放大技术的研究对于光纤通信系统的发展具有很重要的意义。

作为光放大器的一种，掺铒光纤放大器(EDFA)在光纤通信系统中有广泛的应用，比如作为长距离通信系统中的中继放大器、作为光纤通信系统中光发送机后级的功率提升放大器和光接收机前级的前置放大器、作为高速大容量多信道光纤通信系统的宽带放大器，及作为高速长距离光纤孤子通信系统中的孤子能量补偿放大器。

在某些需要高增益的光纤放大器通信链路中，往往采用多个EDFA级联的方案，但在提高增益的同时，链路噪声系数和长度都会增加，导致链路性能下降。

公开内容

基于以上技术问题，本公开的主要目的在于提出一种光纤放大器，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，本公开提出了一种光纤放大器，包括泵浦源、信号源、及构成光学主路的波分复用器、掺铒光纤和波分解复用器，其中：

泵浦源，用于提供泵浦光；

信号源，用于提供信号光；

波分复用器，用于耦合所述泵浦光和信号光得到复合光；

掺铒光纤，用于吸收所述复合光中的泵浦光以对所述复合光中的信号光进行增益放大；

波分解复用器，用于将掺铒光纤输出的复合光分解为残余泵浦光和输出信号光。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括第一光学支路，该第一光学支路包括光纤布拉格光栅，用于反射残余泵浦光，以使残余泵浦光经由波分解复用器返回至掺铒光纤进行再次吸收。

在本公开的一些实施例中，上述布拉格光栅的周期结构与泵浦光的波长相匹配。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括第二光学支路，该第二光学支路包括定向耦合器和光环形器，其中：

光环形器，用于将掺铒光纤再次吸收后剩余的部分残余泵浦光，经由波分复用器传输至定向耦合器；

定向耦合器，用于将部分残余泵浦光与泵浦源再次提供的泵浦光耦合后作为后续泵浦光。

在本公开的一些实施例中，上述光环形器为三端口无源器件，其中的一个端口仅作为输入端，用于输入泵浦源提供的泵浦光；其中的另外两个端口作为输入/输出端。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括两个光隔离器，其中：

两个光隔离器的其中之一置于波分复用器和信号源之间，用于防止反向的自发辐射噪声沿掺铒光纤传输至信号源；

两个光隔离器的其中另一置于波分解复用器远离掺铒光纤的一端，用于防止反馈的所述输出信号光返回至光学主路。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括两个抽头耦合器，其中：

两个抽头耦合器分别位于光学主路的两端，用于比较信号光和输出信号光，得到光纤放大器的增益倍数。

在本公开的一些实施例中，上述两个抽头耦合器的分光比相等；优选地，该两个抽头耦合器的分光比为99∶1至95∶5。

在本公开的一些实施例中，上述信号光的波长大于泵浦光的波长；优选地，信号光的波长为1550nm，泵浦光的波长为980nm。

在本公开的一些实施例中，上述掺铒光纤的长度与光纤放大器的增益放大倍数相匹配；优选地，掺铒光纤的长度具有一最佳值，以使光纤放大器的增益放大倍数最大。

本公开提出的光纤放大器，具有以下有益效果：

1、本公开的信号光和泵浦光，通过波分复用器耦合形成复合光，使得信号光和泵浦光从同一方向注入掺铒光纤中，从而降低光纤放大器的噪声系数；

2、本公开的结构中具有光纤布拉格光栅，从而可将掺铒光纤未吸收的泵浦光返回至掺铒光纤进行再次吸收，因此可高效利用泵浦光，实现光纤放大器的高增益；且本公开的结构还可以包括定向耦合器和光环形器，从而可将掺铒光纤未吸收的部分残余泵浦光与泵浦源再次提供的泵浦光耦合后再次使用，从而可进一步提高泵浦光的利用率，进一步增大光纤放大器的增益倍数，降低泵浦功耗；

3、由于本公开的结构可以明显增大增益倍数，实现光纤放大器的高增益，因此仅使用单个掺铒光纤即可，本公开的光纤放大器无需使用级联结构，从而在实现高增益的同时能够有效保证低噪声系数；

4、本公开的结构还包括两个光隔离器，置于结构的两端，从而可有效防止反向自发辐射噪声对信号源的影响，保证信号源的稳定输出；同时可防止可能的反馈以避免光纤放大器发生激射；

5、本公开的结构可以采用980nm波长的泵浦光，由于980nm波长的光子能量高，因此可实现大的粒子数反转，进一步保证高增益；

6、本公开利用光纤布拉格光栅和光环形器来多次利用残余的泵浦光，实现铒离子最大数量的跃迁，在保持泵浦低功耗和单段掺铒光纤低噪声系数的同时提高了放大器的增益，可用来实现高速长距离光纤通信系统中信号的放大。

附图说明

图1是本公开的一实施例提出的光纤放大器的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

现有技术中，高增益光纤放大器主要是由多段掺饵光纤放大器(EDFA)级联构成，每段EDFA都需要泵浦源提供能量激发铒离子，且每段EDFA引入的噪声系数会叠加导致整个光纤链路噪声系数很大，影响链路性能。

基于上述问题，本公开提供了一种光纤放大器，包括泵浦源、信号源、及构成光学主路的波分复用器、掺铒光纤和波分解复用器，其中：

泵浦源，用于提供泵浦光；

信号源，用于提供信号光；

波分复用器，用于耦合泵浦光和信号光得到复合光；

掺铒光纤，用于吸收复合光中的泵浦光以对复合光中的信号光进行增益放大；

波分解复用器，用于将掺铒光纤输出的复合光分解为残余泵浦光和输出信号光。

因此，本公开的信号光和泵浦光，通过波分复用器耦合形成复合光，使得信号光和泵浦光从同一方向注入掺铒光纤中，从而可有效降低光纤放大器的噪声系数。

本公开的波分复用器和波分解复用器具有双色波长选择性，来实现信号光和泵浦光的耦合与分离。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括第一光学支路，该第一光学支路包括光纤布拉格光栅，用于反射残余泵浦光，以使残余泵浦光经由波分解复用器返回至掺铒光纤进行再次吸收。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括第二光学支路，该第二光学支路包括定向耦合器和光环形器，其中：

光环形器，用于将掺铒光纤再次吸收后剩余的部分残余泵浦光，经由波分复用器传输至定向耦合器；

定向耦合器，用于将部分残余泵浦光与泵浦源再次提供的泵浦光耦合后作为后续泵浦光。

因此，本实施例的结构可将掺铒光纤未吸收的泵浦光返回至掺铒光纤进行再次吸收，因此可高效利用泵浦光，实现光纤放大器的高增益；且本实施例的结构还可以包括定向耦合器和光环形器，从而可将掺铒光纤未吸收的部分残余泵浦光与泵浦源再次提供的泵浦光耦合后再次使用，实现未吸收泵浦光的多次再吸收，从而可进一步提高泵浦光的利用率，进一步增大光纤放大器的增益倍数，降低泵浦功耗。

在本公开的一些实施例中，上述布拉格光栅的周期结构与泵浦光的波长相匹配。具体的，布拉格光栅是利用光写入技术在光纤中形成的一种周期性结构，该结构设计的理论依据为布拉格方程，以实现对泵浦光的反射传输。

在本公开的一些实施例中，上述光环形器为三端口无源器件，其中的一个端口仅作为输入端，用于输入泵浦源提供的泵浦光；其中的另外两个端口作为输入/输出端。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括两个光隔离器，其中：

两个光隔离器的其中之一置于波分复用器和信号源之间，用于防止反向的自发辐射噪声沿掺铒光纤传输至信号源，从而保证信号源的稳定输出；

两个光隔离器的其中另一置于波分解复用器远离掺铒光纤的一端，用于防止反馈光返回至光学主路，即防止可能的反馈返回到放大器，从而可避免放大器发生激射。

优选地，该两个光隔离器对偏振不敏感。

在本公开的一些实施例中，上述光纤放大器还包括两个抽头耦合器，其中：

两个抽头耦合器分别位于光学主路的两端，用于比较信号光和输出信号光，得到光纤放大器的增益倍数。

优选地，上述两个抽头耦合器的分光比相等；根据通常设置，该两个抽头耦合器的分光比可以为99∶1至95∶5。

在本公开的一些实施例中，上述信号光的波长大于泵浦光的波长；优选地，信号光的波长为1550nm，泵浦光的波长为980nm。因此，本实施例的光纤放大器可应用于光通信领域，且由于980nm波长的光子能量高，所以用其作为泵浦光产生的噪声较低并且能得到较大的粒子数反转，从而有利于实现高增益。

在本公开的一些实施例中，上述掺铒光纤的长度与光纤放大器的增益放大倍数相匹配；优选地，掺铒光纤的长度有一最佳值，以使光纤放大器的增益放大倍数最大。这是因为掺铒光纤作为增益介质，光纤长度会影响放大器增益，所以先理论计算出EDFA增益和光纤长度的关系，从而确定光纤的最佳长度，以尽可能实现高增益。

以下通过具体实施例，对本公开提出的光纤放大器进行详细描述。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种基于泵浦光高效利用的低噪声系数高增益光纤放大器，该光纤放大器包括泵浦源激光器1，抽头耦合器2和8，光隔离器3和7，波分复用器4，掺铒光纤5，波分解复用器6，光纤布拉格光栅9，光环形器10，定向耦合器11和信号光源12，其中：

泵浦源激光器1的发射的泵浦光波长为980nm，信号光源12发射的信号光的波长为1550nm；光环形器10是单向三端口无源器件，端口1仅作为输入端口，端口2和3作为输入/输出端口，其中，从端口1的输入从端口2输出，从端口2的输入从端口3输出。具体的：

泵浦源激光器1，用于提供能量，泵浦光子直接激励铒离子能级中的基态电子到激发态，电子到达激发态后，会释放一些能量并很快驰豫到受激辐射能级，在这个能级上，信号光子触发它产生受激辐射，以产生新光子的形式释放剩余的能量，新光子的波长等于信号光的波长，最终实现信号光的放大；

抽头耦合器2和8，用于将输入信号和放大的输出信号进行比较，该两个抽头耦合器的分光比相等为97∶1，因此比较结果不受波长影响；

输入端的光隔离器3，用于防止反向的自发辐射噪声(ASE)沿光纤返回影响信号源，使输出光不稳定；

输出端的光隔离器7，用于防止可能的反馈(如输出信号光的反馈)以避免放大器发生激射；

波分复用器4，用于将波长为1550nm的信号光和波长为980nm的泵浦光耦合共同输入到掺饵光纤中实现信号光放大；

掺饵光纤5，作为增益介质；

波分解复用器6，用于将混合的1550nm信号光和未被完全利用的980nm泵浦光分开，一路作为信号光输出；另一路输入到光纤布拉格光栅9中；

光纤布拉格光栅9，用于反射未被完全吸收的980nm泵浦光，使其返回掺饵光纤进行再次激发铒离子；

光环形器10，用于使反射回来的980nm残余泵浦光定向传输到环形器的3端口，从而与原来的泵浦光耦合；

定向耦合器11，用于将泵浦光和反射回来的残余泵浦光结合作为泵浦光。

具体地，1550nm波长的信号光通过抽头耦合器、光隔离器输入到波分复用器4中，此处光隔离器3用于防止反向的自发辐射噪声(ASE)沿光纤返回影响信号源，使输出光不稳定，980nm波长的泵浦源激光器1通过定向耦合器11和光环形器10传输到波分复用器4中，1550nm的信号光和980nm的泵浦光通过波分复用器4耦合，以相同的方向注入到掺杂光纤，即同向泵浦，泵浦光提供能量使掺铒光纤中的铒离子能级中的基态电子跃迁到激发态，实现粒子数反转，电子到达激发态后，会释放一些能量并很快驰豫到受激辐射能级，在这个能级上，信号光子触发它产生受激辐射，以产生新光子的形式释放剩余的能量，新光子的波长等于信号光的波长，从而实现对信号光的放大。

掺铒光纤5作为增益介质，掺杂铒离子是为了使其工作在通信常用的C波段，此处信号光波长设为1550nm，波分解复用器6实现1550nm波长的光和未被利用的980nm波长的泵浦光的分离，其中1550nm的光经过光隔离器7和抽头耦合器8输出，此处的光隔离器7用于防止可能的反馈以避免放大器发生激射，具有相同抽光比的抽头耦合器2和8能够将输入光功率和放大后的输出光功率进行比较，进而得出放大器增益。

经过波分解复用器6分出的另一路波长为980nm的泵浦光输入到光纤布拉格光栅9中，经过光纤布拉格光栅9的反射返回到掺铒光纤5中，再一次激发铒离子能级中的基态电子到激发态，从而在信号光的触发下产生受激辐射，实现再一次的光放大；这次放大未被完全利用的980nm的泵浦光通过波分复用器4输入到环形器10的2端口中，由于光环形器10的特性，泵浦光将从光环形器10的3端口输出，光环形器10的3端口的输出光与泵浦源激光器1的输出光通过定向耦合器11耦合输入到光环形器10的1端口中，端口1进则由端口2出，端口2的输出光通过波分复用器进入到掺铒光纤5中提供能量，所以在未增加泵浦功率即能耗的情况，实现了泵浦光的高效利用；

本实施例中的。在本实施例中，输入光信号波长为1550nm，泵浦源激光器1的波长为980nm，980nm波长的光子能量高，所以用其作为泵浦光产生的噪声较低并且能得到较大的粒子数反转；抽头耦合器2和8只要保证抽头比相同即可；光隔离器3和7应该与偏振无关；波分复用器4和波分解复用器6是实现980nm和1550nm波长的光的耦合与分开的双色性波长选择耦合器；掺铒光纤5作为增益介质，光纤长度会影响放大器增益，所以先理论计算出EDFA增益和光纤长度的关系，从而确定光纤的最佳长度；光纤布拉格光栅9是利用光写入技术在光纤中形成的一种周期性结构，可以实现对980nm光的反射传输；定向耦合器11是2×2的无源耦合器。根据光环形器10单向传输光的特性和定向耦合器11实现未被利用的泵浦光返回与原泵浦光耦合再次进入光纤，从而在未增加泵浦功率和级联其他EDFA的条件下，实现低噪声系数高增益的光纤放大器。

综上，通过本实施例提供的低噪声系数高增益光纤放大器，可以在不增加泵浦功耗和噪声系数的情况下，实现高增益的光放大，对于高速长距离的光纤通信系统中的光信号放大有很重要的意义。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤放大器，包括泵浦源、信号源、及构成光学主路的波分复用器、掺铒光纤和波分解复用器，其中：

泵浦源，用于提供泵浦光；

信号源，用于提供信号光；

波分复用器，用于耦合所述泵浦光和信号光得到复合光；

掺铒光纤，用于吸收所述复合光中的泵浦光以对所述复合光中的信号光进行增益放大；

波分解复用器，用于将掺铒光纤输出的复合光分解为残余泵浦光和输出信号光。

2.如权利要求1所述的光纤放大器，还包括第一光学支路，该第一光学支路包括光纤布拉格光栅，用于反射所述残余泵浦光，以使所述残余泵浦光经由所述波分解复用器返回至所述掺铒光纤进行再次吸收。

3.如权利要求2所述的光纤放大器，其中，所述布拉格光栅的周期结构与所述泵浦光的波长相匹配。

4.如权利要求2所述的光纤放大器，还包括第二光学支路，该第二光学支路包括定向耦合器和光环形器，其中：

光环形器，用于将所述掺铒光纤再次吸收后剩余的部分残余泵浦光，经由波分复用器传输至所述定向耦合器；

定向耦合器，用于将所述部分残余泵浦光与泵浦源再次提供的泵浦光耦合后作为后续泵浦光。

5.如权利要求4所述的光纤放大器，其中，所述光环形器为三端口无源器件，其中的一个端口仅作为输入端，用于输入所述泵浦源提供的泵浦光；其中的另外两个端口作为输入/输出端。

6.如权利要求1所述的光纤放大器，还包括两个光隔离器，其中：

所述两个光隔离器的其中之一置于所述波分复用器和信号源之间，用于防止反向的自发辐射噪声沿所述掺铒光纤传输至信号源；

所述两个光隔离器的其中另一置于所述波分解复用器远离掺铒光纤的一端，用于防止反馈的所述输出信号光返回至所述光学主路。

7.如权利要求1所述的光纤放大器，还包括两个抽头耦合器，其中：

所述两个抽头耦合器分别位于所述光学主路的两端，用于比较所述信号光和输出信号光，得到所述光纤放大器的增益倍数。

8.如权利要求7所述的光纤放大器，其中，所述两个抽头耦合器的分光比相等；优选地，该两个抽头耦合器的分光比为99∶1至95∶5。

9.如权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述信号光的波长大于所述泵浦光的波长；优选地，所述信号光的波长为1550nm，所述泵浦光的波长为980nm。

10.如权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述掺铒光纤的长度与所述光纤放大器的增益放大倍数相匹配；优选地，所述掺铒光纤的长度具有一最佳值，以使所述光纤放大器的增益放大倍数最大。