CN1193519C - 低噪声光放大器和采用该光放大器的光通信系统 - Google Patents

Abstract

一种用于光通信系统中的低噪声光放大器，包括光放大元件、光发散装置、长度为(L₁)的第一路径和长度为(L₂)第二路径。其中光放大元件用于对从其端部(F₁、F₂)入射的特定波长的光信号进行放大，并在ASEs之间赋予相位差；光发散装置对从两端(F₁、F₂)来的已放大光信号和ASEs进行干涉；第一路径使一端(F₁)与光学发散装置的第一出入口(D₁)进行光连接，而第二路径使另一端(F₂)与光学发散装置的第二出入口(D₂)进行光连接。第一和第二路径距离为(L₁-L₂)，于是放大的光信号在第三出入口(D₃)产生增强干涉，而在第四出入口(D₄)产生相消干涉，同时ASE在第三出入口(D₃)产生相消干涉，而在第四出入口(D₄)产生增强干涉。

Description

低噪声光放大器和采用该光放大器的光通信系统

技术领域

本发明涉及低噪声光放大器(LNOP)和采用LNOP的光通信系统，尤其涉及低噪声光放大器和光通信系统，该放大器和系统用于通过把内部产生的放大自发辐射(ASE)从放大的光信号中分离出，从而避免在接收台降低信噪比(SNR)。

背景技术

光放大器广泛地用在如CATV配电网的光学传输系统、中央电话总局之间的远程传输和以及国家之间的水下领土传输等各个领域。另外，半导体光放大器(SOA)由于在集成化和低价格方面比光纤放大器强，于是在各种光学开关和波长转换器中作为关键元件。

在光放大器中，光信号在不进行光电(OE)转换的情况下被放大。这样，光放大器的结构比传统再生器的结构更简单，并能进行高速传输。

特别是，掺饵光纤放大器(EDFA)可以在1550nm的较宽波长的区域内直接进行光学放大，该放大器的发展在光学通信技术中产生了巨大的革新。另外，波分复用(WDM)技术中，具有不同波长光信号的相互作用可以忽略，因此极大地扩大了通信容量。

图1为EDFA(掺饵光纤放大器)的简图。

传统的掺饵光纤放大器包括一个泵浦源(11)、波分复用器(WDM)(13)和一盘掺饵光纤(EDF)(14)。

掺饵光纤14通常是通过把饵掺入到硅石制成单模光纤(SMF)纤芯。在硅石基质内的饵离子具有亚稳能量级，可通过受激辐射而辐射出1.55Pm波长的光子。也就是说，在所述的亚稳级能量的电子具有相对较长的激发态寿命(～11毫秒msec)。当1.55μm波段的光信号同时存在于激发态电子的寿命期间时，光信号使光子受激辐射，这样就使光信号放大。

如上所述，需要使饵电子停留在亚稳状态，用于信号通过受激辐射放大。为了使饵电子激发成亚稳状态，采用了WDM(13)和泵浦源(11)。泵浦源(11)用于产生波长为980nm或1480nm的较高的光功率。980nm或1480nm的波长是最优选的，因为这样的波长在把饵电子转换成激发态中具有高效率。

WDM(13)是用于把从泵浦源(11)发射出的泵浦光和经过输入端口(12)引入的光信号送到EDF(14)的元件。

不考虑受激辐射的信号放大，处于激发态的饵始终产生自发的发射，这种自发发射的光子沿着EDF(14)传播时，本身也产生受激辐射。因此，在放大器的输出端口，总存在放大自发辐射(ASE)。由于被放大自发辐射(ASE)的存在，在放大器输出端，信噪比(SNR)就降低了。

图2为放大的光信号和ASE光谱分量之间的差拍噪声示意图。图3为ASE光谱分量之间的差拍噪声的示意图。

具体地说，图2中的光谱对波长图表示了差拍噪声(18)的构成，该构成是放大的光信号(16)和放大的ASE(17)之间的光电混合的结果。

同样，图3表示了由不同ASE光谱分量(17)之间的光电混合而产生的差拍噪声(19)的构成，其中没有考虑光信号的存在。

这两种差拍噪声在声学上与已知的差拍现象是相似的。由于光电检测器的输出电流与入射的光信号强度而不是与振幅成正比(平方律探测器)，当具有邻近频率f1和f₂的两种光波到达光电检测器时，光电电流具有两种信号：一种是具有输入光频率和(f1+f₂)；另一种是具有频率差(f₁-f₂)。一般地，用于光通信的光源频率处在2×10¹⁴的量级，这比光电检测器的一般电带宽(B_E)大很多。因此，具有与光信号或两种频率和(f₁+f₂)频率相同的光电信号仅在接收端以平均敏感度被探测。然而，由于两种频率(f₁，f₂)的差(f₁-f₂)比光电检测器的带宽小，于是就在接收端口存在有具有差拍频率(|f₁-f₂|)的信号。这样，即使在发送端要发送DC信号的话，也在接收端存在了振荡信号成分。而且，当光源具有许多频率成分时，由于不同的频率组合，产生了差频成分。当这些频率成分都存在时，就产生了随机波动的差拍噪声。如果放大的光信号和ASE同时存在于放大器的输出端口，那么两种差拍噪声同时产生；即产生于光信号和具有与该光信号频率接近频率的ASE信号之间的信号-自发差拍噪声和产生于ASEs之间的自发-自发差拍噪声。

这些差拍噪声是接收端的主要噪声源，并导致信号的失真。

传统上，单路光放大器可通过增益(G)、输出饱和功率和噪声系数(NF)来估计。

噪声因数(F)是输出信噪比(SNR_out)除以输入信噪比(SNR_in)的值，同时噪声系数(NF)是噪声因数的常用对数值的10倍(即NF＝10log₁₀F)。这样，光放大器的噪声系数不低于3dB意味着所有的光放大器把输入SNR降低到至少是原来数值的一半。

以半经典的观点，光放大器的噪声系数理论可进行如下解释。

首先，在对经过光放大器输入端口进入的光信号的SNR(信噪比)进行测量时，假定具有一定波长、强度和带宽的理想激光源直接与理想检测器连接，而没有任何功能性或系统损耗。

在该理想的结构中，仍然有两种噪声；热噪声和激光发射噪声。假定负载阻抗和温度是恒定的，热噪声由不考虑输入光信号强度的常数给出。对于光信号输出超过了一定值，热噪声与激光发射噪声比是微不足道的，因此可以忽略不计。

因此，SNR_in(输入信噪比)由下面等式得出。

SNR_in＝P_s/2h v B_e    (1)

(h v：光子能量；Ps：输入信号的光功率；Be：检测器的带宽)

通过该等式，可以发现通过光放大器输入端口进入的输入信号的信噪比(SNR_in)与输入信号的光功率(Ps)，或者更具体地说与每单位时间光子的输入量(Ps/h v)成正比。

在测量输出信号的信噪比(SNR_out)中，假定光源通过无损耗跨接线与光放大器的输入端口连接，光放大器的输出端类似地在没有损耗的情况下与理想检测器连接。

一般地，放大信号的光电电流包括热噪声、放大信号和ASE的散射噪声、信号-自发差拍噪声和自发-自发差拍噪声。

由于热噪声在SNR_in的测量中被认为是忽略不计的，于是在确定SNR_out(输出SNR)中也可以是忽略不计的。另外，与散射噪声和信号-自发噪声相比，自发-自发差拍噪声可通过把窄带的光带通滤波器放置在探测器的前面而明显地降低。

因此，SNR_out(输出信噪比)由放大信号的散射噪声和信号-自发差拍噪声来决定，其中如下等式给出。

SNR_out＝(RGPS)²/2qRGP_sB_c+4R²GP_sρ_ASEB_c    (2)

(q：电子电荷；R：检测器响应度；G：增益；P_s：输入信号的光功率；B_c：检测器的带宽；ρ_ASE：单极的噪声功率谱密度)

这样，光放大器的噪声因数就可由下面等式给出。

F＝(SNR_in/SNR_out)＝(2ρ_ASE/Gh v)+1/G      (3)

另外，由于ρ_ASE对于线性放大器可由ρ_ASE＝n_sph v(G-1)给出，于是等式3可简化成下面式子。

F＝2n_sp((G-1)/G)+1/G                      (4)

对于较大的增益值(G＞10)，噪声因数可由F＝2n_sp近似给出。由于自发辐射因数(n_sp)始终大于1，于是当对应于增益媒质的总粒子数反转n_sp＝1时，可得到最小噪声因数。于是可得到相应的噪声系数

NF＝10log₁₀F＝10log₁₀2＝3.01dB。

这可以认为是能实现的最低噪声系数。这说明每次对光信号进行放大，信噪比就降到一半。于是，在许多光放大器用于远程通信或功率分配的光传输系统中，得到的最大增益可通过由于累积的ASE产生的增益饱和来限制，由信号-自发差拍噪声产生的信号失真可限制级联的光放大器总数量。如果是一个半导体光放大器(SOA)，即使是比光纤放大器有许多优点，如对波长的灵活选择、高能量效率、低制造成本、小型化和集成化，但是SOA由于具有的高噪声系数，也没有广泛应用在光传输系统中。

如上所述，噪声系数被认为是光放大器最重要的特性之一，并是可通过物理基本定律来限定的唯一特性。因此，与降低光放大器噪声系数相关技术的发展有望在科学和工业中产生巨大影响。于是为提高光放大器的噪声系数已经做出了许多努力。

然而，传统光放大器不能更好地降低信噪比。改进也并没有离开传统理论，如通过窄带光滤波器来使粒子数反转最大化和进行ASE过滤。

这些传统的光放大器在第5,191,390号、第4,809,285号、第5,636,053号和第、5,403,572号的美国专利以及在第556,973、第470,497号和第647,000号欧洲公开专利中已经公开过。

一个最普通的方法是把光放大器分成两个等级，并在这两级之间放置光隔离器，使得该光隔离器可通过向后传播ASE来阻止输入端粒子反转总数降低。通过在光接收机前面采用窄带通滤波器，就能使自发-自发差拍噪声降到最小。

另一个方法包括：将放大区域制成曲线形状，来抑制比信号有更大传播损耗的ASE；将放大纤芯制成两部分，以吸收剩余的泵浦功率；利用偏振器来消除具有与光信号偏振光正交的偏振光的ASE；降低光放大系统的温度，以降低噪声。

然而，需要注意的是，这些传统方法中的任何一种都不能克服3dB的理论限制。于是，需要开发出能有效地从光信号中分离出ASE的光放大器，从而能极大地提高接收端口的SNR。

发明内容

本发明源自于上述技术需求，本发明的目的是提供一种可把ASE从放大的光信号中分离出的光放大器。

具体地说，本发明提供一种低噪声光放大器，该放大器通过分离在光放大期间不可避免产生的ASE而使噪声系数小于3dB，于是消除了放大自发辐射噪声和信号自发差拍噪声。

在参照表示本发明一些优选实施例的附图同时，通过研究下面的描述和附加的权利要求书，本发明的上述和其他特征和优点以及实施方式将得到更详细的解释，同时发明本身将得到最好的理解。另外，本发明的目的和优点将通过权利要求书中的方法及方法结合而实现。

为了实现上述目标，本发明优选实施例的低噪声光放大器包括：一个光放大元件、光束分开装置、长度为L₁的第一路径，以及长度为L₂的第二路径。光放大元件用于对经一端或两端(F₁、F₂)进入的具有预定波长(λ)的光信号进行放大，并把固定相差加在具有预定波长(λ)的ASE(放大自发辐射)上，该ASE是在上述光放大元件内产生并经过两端(F₁、F₂)辐射；光束分开装置使从光放大元件的一端(F₁)来的放大光信号和ASE与从光放大元件另一端(F₂)来的放大光信号和ASE进行干涉，该光束分开装置具有四个端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中经过第一端口(D₁)或第二端口(D₂)进入的光束分成第三端口(D₃)和第四端口(D₄)，同时经过第三端口(D₃)或第四端口(D₄)进入的光束分成第一端口(D₁)和第二端口(D₂)；长度为L₁的第一路径把光放大元件的一端(F₁)连接到光束分开装置的第一端口(D₁)；以及长度为L₂的第二路径把光放大元件的另一端(F₂)连接到光束分开装置的第二端口(D₂)。

此时，第一和第二路径(L₁和L₂)之间的路径长度差是这样设计的，可使放大的光信号在光束分开装置的第三端口(D₃)相长干涉，而在第四端口(D₄)具有相消干涉，反之，内部产生的具有与该信号相同波长的ASE在光束分开装置的第三端口(D₃)相消干涉，而在第四端口(D₄)相长干涉。

本发明的光放大器还包括光束分离装置，该装置用于把通过光束分开装置第三端口(D₃)进入待放大的光信号与经过第三端口(D₃)输出的已放大的光信号分离。

较优选的是，光束分离装置具有至少三个端口(S₁、S₂、S₃)，其中经过一个端口(S₁)进入待放大的光信号一部分或全部，经过另一个端口(S₂)输出，同时经过另一个端口(S₂)进入已经放大的部分或全部光信号经过另一个端口(S₃)被输出。

另外，本发明的光放大器还包括一个非反射装置，该装置与光束分开装置的第四端口(D₄)连接，防止ASE朝光束分开装置反射。

光束分离装置设置在第一或第二路径(L₁、L₂)上。在这种情况下，光束分开装置最好设计成具有光束分开比例，使经过光束分开装置的第一端口(D₁)进入并经过第三端口(D₃)输出的ASE强度，等于经过光束分开装置的第二端口(D₂)进入并经过第三端口(D₃)输出的ASE强度。

本发明的光放大器还包括光束衰减装置，该装置位于第一或第二路径(L₁、L₂)上，对光信号和ASE进行衰减，于是使经过光束分开装置第一端口(D₁)进入并经过第三端口(D₃)输出的ASE强度，等于经过光束分开装置第二端口(D₂)进入并经过第三端口(D₃)输出的ASE强度。

此时，光放大元件应该这样选择，可使具有特定波长的ASEs在该光放大元件的两端(F₁、F₂)具有不随时间变化的固定的相差，最好是具有相同的相位。然而，ASEs不需要确实具有相同相位。如果ASEs之间的相差是恒定的，那么本发明的目的可通过调整适合于相差的光路之间长度差来实现。

作为具有上述特征的光放大元件的实例，可采用DFB(分布反馈)光放大元件。该光放大元件具有光栅结构，在该结构中，具有厚度为(t₁)、有效折射率为(n₁)的第一媒质和厚度为(t₂)、有效折射率为(n₂)的第二媒质交替规则地沿着光束传播方向布置，其中在两个光栅之间的栅线间距近似地满足下面等式：(n₁×t₁)+(n₂×t₁)＝mλ/2，其中λ为指定波长，m为自然数，以及其中第一和第二媒质中至少一种具有增益。

当等式中m为1时，本光放大元件表现出最理想的特征。另外，光放大元件最好具有围绕中心的反射对称结构，以均衡在光放大元件两端的相位。这样，光放大元件的两端和中心最好由第一媒质制成。

具体地说，光放大元件具有这样的增益光栅结构，其中折射率的虚数部分具有周期性的变化量，而不是这样的这样的指数光栅结构，其中增益媒质均匀地分布，同时折射率的实数部分具有周期性的变化量。

假定光放大元件具有增益光栅结构，同时第一媒质为增益媒质，则第一媒质的厚度(t₁)应该比指定波长(λ)小得多，最好由下面等式给出：t₁≤λ/(4n₁)。

光束分开装置的光束分开比例的期望值是50∶50，以及在第一和第二路径之间的光路长度差(ΔL＝L₁-L₂)由下面等式给出：ΔL＝λ/(4n₀)，其中λ是指定波长，n₀是光路L₁和L₂的有效折射率。

根据本发明的另一个实施例，提供一种低噪声光放大器，用于单独地把具有不同波长(λ₁～λ_m)的一组光信号根据每个波长进行放大

(λ_i：其中1≤i(整数)≤n)，该光放大器包括：光放大元件阵列(A₁～A_n)、第一多路复用及解复用装置、第二多路复用及解复用装置、光束分开装置、第一路径和第二路径。该光放大元件阵列具有一组用于每个波长(λ_i：其中1≤i(整数)≤n)的光放大元件，对经过一端或两端(F₁₁、F_i2)进入的具有一定波长(λ_i)的光信号进行放大，并把固定的相位差加在有一定波长(λ_i)的ASE(放大自发辐射)上，该ASE是在光放大元件A_i内产生的；第一多路复用及解复用装置对经过放大元件一端(F₁₁～F_n1)输出并沿着用于每个波长的分路(L₁₁～L_n1)传输的放大光信号和ASEs多路复用到一个共路(L_c1)，并把经过基于每个波长的共路(L_c1)传输的具有不同波长的光信号分开，然后对光信号多路解复用至每个波长的分路；第二多路复用及解复用装置用于对经过放大元件另一端(F₁₂～F_n2)输出并沿着每个波长的分路(L₁₂～L_n2)传输的光信号和ASEs多路复用到一个共路(L_c2)，并把经过基于每个波长的共路(L_c2)传输的具有不同波长的光信号分开，然后对光信号多路解复用到每个波长的分路，第一和第二多路复用及解复用装置具有对应于每个波长的分开的端口(W₁₁～W_n1和W₁₂～W_n2)，该端口用于把具有不同波长的每个光束引入和输出，同时还具有共用端口(W_c1、W_c2)，用于把具有不同波长的一组光束引入和输出；光束分开装置用于把由第一多路复用及解复用装置复用的具有不同波长的一组放大光信号和ASEs与由第二多路复用及解复用装置复用的具有不同波长的一组放大光信号和ASEs进行干涉，光束分开装置具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中经过第一端口(D₁)或第二端口(D₂)任意之一进入的光束分开成第三端口(D₃)和第四端口(D₄)，同时，经过第三端口(D₃)或第四端口(D₄)任意之一进入的光束分开成第一端口(D₁)和第二端口(D₂)；第一路径包括第一分路(L₁₁～L_n1)和第一共路(L_c1)，第一分路用于把放大元件的一端(F₁₁～F_n1)与第一多路复用及解复用装置的每一个分开端口(W₁₁～W_n1)进行光连接，第一共路用于把第一多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1)与光束分开装置的第一端口(D₁)进行光连接；第二路径包括第二分路(L₁₂～L_n2)和第二共路(L_c2)，第二分路用于把放大元件的另一端(F₁₂-F_n2)与第二多路复用及解复用装置的每一个分开端口(W₁₂～W_n2)进行光连接，第二共路用于把第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c2)与光束分开装置的第二端口(D₂)进行光连接。

此时，还包括设置在第一或第二共路(L_c1、L_c2)上的光束分离装置，该装置用于把经过第一或第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1、W_c2)进入的待放大光信号，从经过第一或第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1、W_c2)输出的已放大光信号中分离出。

另外，当采用把相同相位加在两端(F_i1、F_i2)的具有一定波长ASE时，第一和第二路径之间的光路长度差(ΔL_i)由下面等式给出：ΔL_i＝(L_i1+L_c1)-(L_i2+L_c2)＝λ_i/(4n₀)，其中1≤i(整数)≤n，L_i1和L_i2是分路长度，L_c1和L_c2是共路长度，λ_i是指定波长，n₀是光路的有效折射率。

根据本发明的另一个方面，还提供采用上述光放大器的光通信系统。

附图说明

在下面结合附图的详细描述中更充分地介绍本发明优选实施例的上述内容以及其他特征、方面和优点。其中：

图1为普通掺饵光纤放大器(EDFA)的结构示意图；

图2为表示放大的光信号和ASE光谱成分之间的差拍噪声的示意图；

图3为ASE光谱成分之间的差拍噪声的示意图；

图4为根据本发明实施例的光通信系统的结构示意图；

图5为本发明第一优选实施例的光放大器的结构示意图；

图6为本发明优选实施例的光放大器的光栅结构；

图7为第一优选实施例的光放大器一个改型实例的示意图；

图8为第一优选实施例的光放大器又一个改型实例的示意图；

图9a到图9c为在光束分开装置端口产生相长和/或相消干涉的ASE的机理示意图；

图10a到10f为在光束分开装置端口产生相长和/或相消干涉的放大输入信号的机理示意图；

图11为本发明第二优选实施例的光放大器的结构示意图；

图12为本发明第三优选实施例的光放大器的结构示意图；

图13为本发明第四优选实施例的用于波分复用(WDM)或密集波分复用(DWDM)通信系统中的光放大器的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来详细描述本发明的优选实施例。

图4为本发明第一实施例的光通信系统示意图。在该光通信系统中，依次有n级光放大器(1a～1n)，光纤线路分别把发射台(2)连接到光放大器(1a)上、把光放大器(1b～1(n-1))连接到光放大器(1c～1n)上以及把光放大器(1n)连接到接收台(3)上。

下面参照图5至图13来说明光放大器应用于此光通信系统的优选实施例。

在图5至图13中，光放大元件虽然不能避免产生ASE，但是当来自光放大元件的ASE拥有一定模式时，可以把ASE从输出光信号中分离出来。当从光放大元件的两端发射来的ASE具有相同的强度和固定的相差时，就能利用光干涉在输出光信号的端口去除掉ASE。比如，把光放大元件设置在了Sagnac干涉仪内。这样，通过把到光放大元件的两端的光路长度差调整到Sagnac干涉仪的分支点，就能分别把ASE和输出光信号分离出并输出。

因此，在本发明中采用的光放大元件应能把一定模式加在从一端(F₁)和另一端(F₂)输出的ASEs的强度和相位上。当ASEs从输出光信号中分离出并去掉后，就没有ASE发射噪声和信号-自发差拍噪声。这样噪声系数就能降低到3dB的理论极限下。

下面将参照图5到10来详细描述本发明的第一实施例。

第一实施例

如图5所示，第一实施例的光放大器包括光放大元件(20)、具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)的光束分开装置(35)、可把光放大元件(20)的两端(F₁、F₂)光连接到光束分开装置(35)的第一和第二端(D₁、D₂)的第一和第二光路径(30a、30b)、光信号(32)可进入的信号输入端口(P₁)、与第四端口(D₄)连接以输出ASE(33)的噪声输出端口(P₂)以及位于信号输入端口(P₁)和第三端口(D₃)之间的光束分离装置(34)。

具有预定波长(λ)的入射光信号(32)从信号输入端口(P₁)经过光放大元件(20)的两端(F₁、F₂)进入，该信号被放大到足够的增益。于是放大的光信号(37)经过光放大元件(20)的两端(F₁、F₂)输出。具体地说，该实施例的光放大元件需要使预定波长(λ)的ASEs具有相同强度和固定相差。ASE的相差最好为零并且ASEs具有相同相位和强度。

如上所述，为了把光信号放大成足够的增益，同时把一定的模式加到内部产生的ASEs上，光放大元件最好具有如图6所示的光栅结构，该结构为本发明的一个具体实施例。

在该实施例中，光放大元件(20)具有这样的光栅结构，其中具有不同有效折射率(n₁和n₂)的两种媒质(21、22)沿着光束传播方向有规则地交替布置，其中折射率一般为复数。其中，第一和第二媒质中的至少一种媒质具有增益。

当厚度为(t₁)的媒质(22)具有有效折射率为(n₁)，而厚度为(t₂)的媒质(21)具有有效折射率为(n₂)时，光栅常数(Λ＝t₁+t₂)可近似地为：

(n₁×t₁)+(n₂×t₂)＝mλ/2    (5)

(λ：指定的波长；m：自然数)。

从基于转换矩阵方法的严格理论中可以得到更精确的色散关系。

上述光放大元件具有光栅常数为Λ的m^th级布拉格光栅结构。具体地说，最期望的是m＝1的第一级布拉格光栅。然而，在制造第一级布拉格光栅有困难时，也可采用较高级(m＞1)布拉格光栅。另外最好的是，光放大元件的光栅结构在中心周围具有反射对称结构，以均衡从光放大元件的两端输出的ASEs相位。

这样，光放大元件(20)的两端(F₁、F₂)最好由相同媒质制成。(例如，图6中的第一媒质)。

具体地说，放大元件(20)最好具有这样的光栅增益结构，其中增益媒质呈周期地分布，同时折射率的虚数周期地变化，而不是这样的光栅增益结构，其中增益媒质均匀分布，同时折射率的实数周期变化。

假定光放大元件(20)具有增益光栅结构，媒质(22)具有增益，媒质(22)的厚度(t₁)应小于指定的波长(λ)，最好满足下面等式：

t₁≤λ/(4n₁)    (6)

采用其中重复设置有一组增益媒质的光栅结构的理由如下。

假设增益媒质的尺寸比光波长小，那么从一块增益媒质中发射成两个方向的自发辐射具有较高的相干性。这种自发辐射可通过布置放大器结构来从输出端口进行消除，于是就满足了相消干涉的条件。然而，仅利用一块增益媒质，限制了总的增益。这样，厚度均小于指定波长的几种媒质重复而有规则地以恒定间隔布置，以使整个增益提高一个有用的值，同时保持ASE的相干性。如果每个增益媒质之间的间隔不能是恒定的，在每种增益媒质的ASEs之间的相差为随机值，同时总体上，从光放大元件两端输出的ASEs不再具有相干性。对于所有从单块增益媒质输出产生相消干涉的有一定波长的ASEs，需要的是，光栅间距是光放大元件内部输入信号的半波长的倍数。因此，光放大元件具有m^th级的布拉格光栅结构。

另外，π/2(90°)的相移最好加到本实施例的光放大元件(20)的光栅结构中心，以提高总的增益，同时增强了在指定波长内的稳定性。这种相移光放大元件具有与已知相移分布反馈激光器相同的优点。

光放大元件(20)两端还包括非反射装置，以阻止输入光信号被反射而产生有害效果。

光束分开装置(35)具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中通过第一或第二端口(D₁或D₂)进入的光束分成第三和第四端口(D₃和D₄)，而通过第三或第四端口(D₃或D₄)进入的光束分成第一和第二端口(D₁和D₂)。

在图5中，第一端口(D₁)与第一路径(30a)连接；第二端口(D₂)与第二路径(30b)连接；第三端口(D₃)与光束分离装置(34)的端口(S₂)连接；第四端口(D₄)与噪声输出端口(P₂)连接。

这样，待放大的光信号(32)通过光束分离装置(34)的端口(S₂)进入到第三端口(D₃)，由光束分开装置(35)以一定比例分开；并经过沿着第一和第二路径(30a、30b)的端口(D₁、D₂)传播然后经过光放大元件(20)的两端(F₁、F₂)进入。

放大的光信号(37)和ASE沿着第一路径(30a)传播，经过第一端口(D₁)进入；以一定比例分开；然后经过端口(D₃、D₄)被输出。同样，放大的光信号(37)和ASE沿着第二路径(30b)传播，经过第二端口(D₂)进入；以一定比例分开；然后经过端口(D₃、D₄)被输出。

虽然该实施例采用了具有一定光分开比例(具体地说，3dB耦合器把输入信号以50∶50比例分开)的定向耦合器作为光束分开装置(35)，但是在本发明中可采用其他器件。例如，在图7中用标号105表示的以及在图8中用标号203表示的光束分开器也可作为光束分开装置(35)。

另外，在光束分开装置(35)的第四端口(D₄)，其中在该端口有ASE(33)相长干涉发生，可利用非反射单元避免ASE(33)反射回到光束分开装置(35)。

光纤、光波导或自由空间可用于图7和8中的第一和第二路径(30a和30b)。实际上，只要不脱离本发明的技术实质，光可穿过传播的任何媒质均可用作本发明的光路。

第一路径(30a)和第二路径(30b)之间的光路长度差(ΔL＝L₁-L₂)这样设计，即可使放大的光信号(37)在光束分开装置(35)的第三端口(D₃)相长干涉，而在第四端口(D₄)相消干涉，反之，从光放大元件(20)的两端(F₁、F₂)输出的ASEs在光束分开装置(35)的第三端口(D₃)相消干涉，而在第四端口(D₄)相长干涉。

如果光放大元件通过两端(F₁、F₂)输出相同相位的ASEs，那么在第一路径(30a)和第二路径(30b)之间的光路长度差(ΔL)由下面等式给出。

ΔL＝λ/(4 n₀)    (7)

(λ：指定波长；n₀：有效折射率)。

光束分离装置(34)是把通过信号输入端口(P₁)进入的待放大的光信号(32)从经过光束分开装置(35)的第三端口(D₃)输出的放大光信号(36)分离出来的器件。

光束分离装置(34)具有与信号输入端口(P₁)连接的端口(S₁)、与光束分开装置(35)的端口(D₃)连接的端口(S₂)以及放大的光信号通过输出的端口(S₃)。这样，通过信号输入端口(P₁)进入的待放大的光信号(32)通过端口(S₁、S₂)输入到光束分开装置(35)的第三端口(D₃)。从光束分开装置(35)的第三端口(D₃)输出的放大光信号(36)通过端口(S₂)输出到端口(S₃)。

在本发明中，光束分离装置可以是循环器、定向耦合器和光束分离器等等。

在本实施例中的光放大器也可在图7和图8所示的自由空间内实现。

图7示出了第一实施例的另一个实例，其中包括光放大元件(100)、三面镜子(第一面镜子：101；第二面镜子：102；第三面镜子：104)、反向反射器(103)和光束分开器(105)。

如图所示，从光放大元件(100)两端输出的光信号和ASEs经过两个不同路径传播；第一路径通过第三面镜子(104)和反向反射器(103)而连接到光束分开器(105)；而第二路径通过第一面镜子(101)和第二面镜子(102)而连接到光束分开器(105)。

在第一路径和第二路径之间的光路长度差可以通过适当地沿着箭头方向移动反向反射器(103)而进行调整。适当的光路长度差可在光束分开器(105)的端口导致光信号和ASEs的相长和相消干涉，这样就可使它们分离到不同端口。

图8示出了第一实施例的又一个改型的实例，其中包括光放大元件(200)、两面镜子(第一面镜子：202；第二面镜子：201)和光束分开器(203)。

在图8中，可通过沿着箭头方向向左和向右来移动光放大元件(200)而适当地调整第一路径和第二路径之间的光路长度差。其中第一路径从第一面镜子(202)连接到光束分开器(203)，而第二路径从第二面镜子(201)连接到光束分开器(203)。同理，光信号可从ASE中分离到光束分开器(203)的不同端口。

基于上述结构，下面参照图9到10来说明在该实施例中的低噪声放大器的操作机理。

为了方便起见，假定光束分开装置(35)为3dB的耦合器，从光放大元件(20)两端输出的ASEs相差为0°；同时在第一路径和第二路径之间的光路长度差(ΔL＝L₁-L₂)为λ/4n₀。

参照图9a到9c，本描述的下面部分说明这样的机理，通过该机理，从光放大元件(20)的两端(F1、F2)输出的ASEs在3dB耦合器(35)的一个端口(D3)相消干涉，而在另一个端口(D4)相长干涉。

如图9a所示，预定波长(λ)的ASEs在本实施例的光放大元件(20)内产生，然后通过光放大元件(20)的两端以相同强度和相位输出。标记(O和X)放在表示ASE的箭头的尾部，以把从光放大元件(20)一端(F1)发射的预定波长(λ)的ASE与从另一端(F2)发射的预定波长(λ)的ASE区别开。

ASE的场幅度可由E_N来表示，相应的相位写在圆括号内。此时，相位应该理解成是相对值，而不是绝对值。换句话说，在图9a中写出的相位0°意味着由(a)和(b)表示的通过一端(F₁)和另一端(F₂)输出的ASEs的相位彼此相等，但并不意味着从光放大元件(20)的两端(F₁和F₂)输出的ASEs的相位始终停留在0°。实际上，大家都知道，行波的相位是时间或行进距离的正弦函数，于是随着时间或距离连续变化。

ASEs(a)和(b)分别通过长度为(L₁)的第一路径(30a)和长度为(L₂)第二路径(30b)进行传播。当ASEs到达3dB耦合器(35)的端口(D₁、D₂)时，它们具有π/2(90°)的相位差。此时，由于第一路径(30a)比第二路径(30b)长λ/(4n₀)，于是在点(D₁)的ASE相位比在点(D₂)ASE的相位滞后π/2(90°)。

如图9c所示，沿着第一路径30a传播的ASE(a)正进入3dB耦合器(35)的端口(D₁)，并以分开比50∶50分开并通过端口(D₃和D₄)输出。此时，分至端口(D₄)的ASE(b)相位比分至端口(D₃)的ASE(a)相位超前π/2(90°)。可选择的是，耦合器可设计成上述的相位比另外的滞后π/2(90°)。但是，为了方便起见，假定耦合器具有超前的相位。具有滞后相位的耦合器需要对相应路径长度差进行调整，其结构的变化是明显的，这里就不详细描述了。

同理，如图9c所示，沿着第二路径(30b)传播的ASE(b)进入3dB耦合器(35)的端口(D₂)，并以分开比50∶50分开并通过端口(D₃和D₄)输出。此时，分至端口(D₃)的ASE(b)相位比分至端口(D₄)的ASE(b)相位超前π/2(90°)。

这样就导致在耦合器(35)的端口(D₃)在ASE(a)和(b)之间产生180°累积相差，这样就产生相消干涉。相反，由于不存在累积相差，经过3dB耦合器(35)的端口(D₄)而输出的ASE(a)和(b)就相长干涉。

随后，图10a示出了要放大的具有预定波长的光信号通过输入端口(A)进入到3dB耦合器(35)。该光信号的场幅度表示为E_s。

如图10b所示，光信号以这种方式进入到3dB耦合器(35)，然后以分开比50∶50分成第一路径(30a)和第二路径(30b)。此时，分至端口(D2)的光信号(b)相位比分至端口(D₁)的光信号(a)相位超前π/2(90°)。

另外，由于第一路径(30a)比第二路径(30b)要长λ/(4n₀)，当两个光信号到达光放大元件的两端(F₁、F2)时，传播到第一路径(30a)的光信号相位比传播到第二路径(30b)的光信号相位滞后π/2(90°)。这样，如图10c所示，到达光放大元件的一端(F₁)的光信号相位比到达光放大元件另一端(F₂)的光信号相位共延迟π(180°)。到达光放大元件两端(F₁、F₂)的光信号毕竟具有相同强度，但具有彼此相反的相位。

当光放大元件(20)是对称的复杂布拉格光栅放大器时，经过光放大元件(20)输出的放大光信号也具有π(180°)的总相位差，但是具有相同的强度。在图10d中，G表示光放大元件(20)的增益。

从光放大元件(20)两端(F₁、F₂)输出的放大光信号(a)和(b)分别经过长度为L₁的第一路径(30a)和长度为L₂的第二路径(30b)而传播。当放大的光信号到达3dB耦合器(35)的端口(D₁、D₂)时，如图10e所示，它们彼此具有π/2(90°)的相差。换句话说，由于第一路径(30a)比第二路径(30b)长λ/(4n₀)，于是在点(D₁)的光信号(a)的相位比在点(D₂)的光信号(b)的相位滞后π/2(90°)。

如图10f所示，沿着第一路径(30a)传播的光信号(a)进入到3dB耦合器(35)的端口(D₁)，经过端口(D₃和D₄)分开并以50∶50的分开比输出。此时，分至端口(D₄)的光信号(a)的相位比分至端口(D₃)的光信号(a)相位超前π/2(90°)。

同时，如图10f所示，沿着第二路径(30b)传播的光信号(b)进入到3dB耦合器(35)的端口(D₂)，经过端口(D₃和D₄)分开并以50∶50的分开比输出。分至端口(D₃)的光信号(b)的相位比分至端口(D₄)的光信号(b)相位超前π/2(90°)。

随后，经过3dB耦合器(35)的端口(D₃)输出的光信号(a)和(b)没有积累相位差，于是相长干涉，同时经过3dB耦合器(35)的端口(D₄)输出的光信号(a)和(b)积累了π(180°)的相位差，于是相消干涉。

因此，如图10d至10f所示，从两端(F₁、F₂)输出的具有相反相位的放大光信号在光信号的输入端口(A)相长干涉，而在噪声输出端口(B)相消干涉。

如上面参照图9到10进行的描述，放大的光信号在3dB耦合器(35)的端口(D₃)相长干涉，然而在3dB耦合器(35)的端口(D₄)，放大的ASEs通过相消干涉被消除。另外，放大的ASEs在3dB耦合器(35)的端口(D₄)相长干涉，同时放大的光信号在端口(D₄)因受到相消干涉而被消除。

随后，输入到3dB耦合器(35)的端口(D₃)的光信号被光放大元件放大，然后经过端口(D₃)输出，同时由光放大元件产生的ASEs经过端口(D₄)输出。因此，由于本发明该实施例的光放大元件能有效地去掉ASE，其中ASE使放大输出光信号的SNR降低，于是能把光放大器的噪声系数降低到理论极限3dB之下。

第二实施例

下面参照图11来详细说明本发明第二实施例的光放大器。

如图所示，除了光束分离装置(54)位于第一路径(50a)上以把输入光信号从放大光信号和ASE中分离出以外，第二实施例的光放大器具有与第一实施例中的相同结构。

虽然在图11中可以看出光束分离装置(54)位于第一路径(50a)上，但是如果该光束分离装置(54)位于第二路径(50b)上也没有关系。

无论如何，沿着有光束分离装置(54)的光路径(例如第一路径)传播的放大光信号和ASE强度与沿着没有光束分离装置(54)的光路径(例如第二路径)传播的放大光信号和ASE强度是不同的。这样，通过调整光束分开装置(55)的分开比例，在本实施例中，可以均衡ASEs的强度，其中ASEs分别沿着第一路径(50a)和第二路径(50b)传播并经过光束分开装置(55)的端口(D₃)输出。

第三实施例

下面参照图12来详细说明本发明的第三实施例的光放大器。

在第二实施例的光放大器的情况中，光束分离装置既可以位于第一路径上，也可以位于第二路径上，对光束分开装置的分开比例进行调整，以补偿由于结构不对称导致的ASEs的强度差。

在第三实施例的光放大器中，光束分离装置(64)可位于两个路径任意之一上(60a、60b)(图中选择了第一路径)，光束衰减装置(66)位于两个路径任意之一上(60a、60b)(图中选择了第二路径)。

当ASEs沿着第一路径(60a)和第二路径(60b)分别到达光束分开装置(65)时，光束衰减装置(66)可弥补由于放置光束分离装置(64)产生的ASEs强度之间的差值，于是ASEs的强度变得相等。这样，光束分离装置(64)和光束衰减装置(66)可以放或可以不放在相同路径上。从本发明要点可以清楚地知道，光束衰减装置(66)应该放在具有较高ASEs强度的路径上，而不考虑光束分离装置是否存在。

本实施例的光束衰减装置可以是循环器、定向耦合器、光束分开器等，或者也可采用直接光衰减器。

除了光束分离装置(64)和光束衰减装置(66)可位于第一路径(60a)和(60b)任意之一上以外，第三实施例的光放大器具有与第二实施例中的基本上相同的结构和操作机理。

第四实施例

图13示出了适用于波分复用(WDM)或密集波分复用(DWDM)光通信系统中的多波长光放大器。

如图中所示，多波长光放大器包括具有波长为(λ₁～λ_n)的一组光放大元件(A₁～A_n)的光放大元件阵列(80)、由几个分路(71a、72b)组成用于每个波长的第一和第二路径和一个共用路径(72a、72b)、用于与分路和共路进行光连接的第一和第二多路复用及解复用装置(76和77)、具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)的光束分开装置(75)、待放大信号输入的信号输入端口(P₁)、与光束分开装置(75)的第四端口(D₄)连接以把放大的ASE输出的噪声输出端口(P₂)以及位于信号输入端口(P₁)和光束分开装置(75)的第三端口(D₃)之间的光束分离装置(74)。

光放大元件阵列(80)由一组用于不同波长(λ₁～λ_n)的光放大元件(A₁～A_n)组成。

第一和第二多路复用及解复用装置(76、77)均具有一组分端口(W₁₁～W_n1和W₁₂～W_n2)和一个共用端口(W_c1、W_c2)。每个分端口(W₁₁～W_n1和W₁₂～W_n2)与对应的分路(71a、72b)连接，共用端口(W_c1、W_c2)分别与共路(72a、72b)连接。

第一和第二路径的每个长度分别是分路(71a和72b)长度和共路(72a、72b)长度之和。也就是说，第一路径长度为L_i1+L_c1，第二路径长度为L_i2+L_c2(在这里，1≤i(整数)≤n)。

假定在每个光放大元件两端(F_i1和f_i2)的相位是相等的，那么第一和第二路径之间的光路径差(ΔL_i)由下面等式给出：

ΔL_i＝(L_i1+L_c1)-(L_i2+L_c2)＝λ_i/4n₀    (8)

(其中，1≤i(整数)≤n；L_i1、L_i2为分路长度；L_c1、L_c2为共路长度；λ_I为指定波长；n₀为光路径的有效折射率)。

在本实施例中的光束分离装置(74)可进行变化到位于第一和第二路径之间，而不是象第二和第三实施例那样位于第一信号输入端口(P₁)和光束分开装置(75)之间。

在对应于第二实施例和第三实施例的本实施例的改型结构中，光束分离装置(74)可位于第一共路(72a)和第二共路(72b)的任意之一上。

此时，为了补偿由光束分离装置(74)产生的ASEs强度中的差值，象第二实施例中的情况那样，光束分开装置的分开比例可以进行调整，或者象在第三实施例中的那样，光束衰减装置可位于第一或第二共路(72a或72b)上。

根据上述的技术结构，下面描述本实施例的多波长光放大器的操作机理。

输入到信号输入端口(P₁)待放大的光信号经过光束分离装置(74)的端口(S₁、S₂)进入到光束分开装置(75)的第三端口(D₃)。待放大的光信号为多波长光信号。以这种方式输入到端口(D₃)的光信号然后分至端口(D₁、D₂)，并经过第一共路(72a)和第二共路(72b)传播。

经过第一共路(72a)传播的多波长光信号进入到第一多路复用及解复用装置(76)的共用端口(W_c1)，其中第一多路复用及解复用装置(76)把多个波长的光信号分成单个波长信号，并把分开的信号经过分开端口(W₁₁～W_n1)输出到用于单个波长的第一分路(71a)。经过第一分路(71a)传播的不同波长光信号接着经过对应的光放大元件的一端(F₁₁～F_n1)进入到每个光放大元件，其中该对应的光放大元件与每个分路(71a)相连。

同时，经过第二共路(72b)传播的多波长光信号进入到第二多路复用及解复用装置(77)的共用端口(W_c2)，其中第二多路复用及解复用装置把多个波长的光信号分成单个波长的信号，并把分开的信号经过分开端口(W₁₂～W_n2)输出到用于单个波长的第二分路(71b)。经过第二分路(71b)传播的不同波长光信号接着经过对应的光放大元件的一端(F₁₂～F_n2)进入到每个光放大元件，其中该对应的光放大元件与每个分路(71b)相连。

对应的光放大元件对输入到光放大元件(A₁～A_n)的不同波长的光信号进行放大。以这种方式进行放大的光信号然后经过每个对应的光放大元件与放大的ASEs一起被输出。被输出的光信号和ASEs沿着对应的分路(71a、71b)传播到多路复用和解复用装置(76、77)的分开端口(W₁₁～W_n1、W₁₂～W_n2)。在被多路复用和解复用装置(76、77)变成多路复用后，多路复用的光信号和ASEs经过共用端口(W_c1、W_c2)输出到共路(72a、72b)。

本实施例中采用的光放大元件(A_i)、光束分开装置、光束分离装置和光束衰减装置与第一到第三实施例中的那些具有基本上相同的结构和工作机理。实际上，除了待放大的光信号是多个波长外，本实施例是基于与第一实施例相同的原理。

另外，通过把对应于多路复用和解复用装置的棱镜或光栅结构应用在图7和8中所示的光放大器中，还可以对本实施例进行各种改型。

这样，对与第一到第三实施例中重复的本实施例光放大器的结构和机理的说明就省略了。

在第一到第四实施例中描述的光放大器最好在平面光波电路(PLC)结构中实现。PLC即可基于硅石，也可基于化合物半导体来制造。还可利用低成本的聚合物来制造。

具体地说，在光放大器做在硅石基PLC中时，具有光栅结构的光放大器在这样制造的，即通过在波导中心的光栅结构进行刻蚀后，掺入如Er、Yb和Pr的稀土元素的增益材料而制成。

在光放大器做在化合物基PLC中时，光放大元件可通过形成分布反馈半导体光放大器(DFB SOA)而制成。

另外，本发明的光放大元件可通过硅石基PLC和基于InP/InGaAsP的DFB SOA混合集成而制成。

总而言之，本发明的光放大器从输出的光信号中消除了由光信号放大过程不可避免产生的ASEs。由于这种低噪声光放大器有效地避免了ASE产生的发射和差拍噪声，于是不会发生由于采用光放大器产生的SNR降低或信号失真的问题。

另外，放大器可缓解由累积ASE产生的增益饱和，这种增益饱和是在远程通信系统中串联多个光放大器时产生的。

本发明的光放大器的最大优点是，它解决了高噪声系数的问题，而高噪声系数问题是目前使半导体光放大器商业化的最大障碍。其他优点包括高度集成、低制造成本和波长的灵活选择，这些都是半导体光放大器的最优品质。

参照附图已经详细描述了本发明的优选实施例，然而，可以知道的是，详细描述和具体实例在说明发明优选实施例同时，仅仅是通过示意方式给出的。根据该详细描述，在不脱离本发明实质和范围时，对于本领域技术人员来说各种变化和改型是显而易见的。

Claims (45)

1.一种低噪声光放大器，用于对具有预定波长的光信号进行放大，包括：

一光放大元件，该元件用于对经过一端或两端(F₁、F₂)进入的带预定波长的光信号进行放大，并把固定相差加在具有预定波长的放大自发辐射上，该放大自发辐射是在光放大元件内产生并经过两端(F₁、F₂)辐射；

一光束分开装置，该装置使从光放大元件的一端(F₁)来的放大光信号和放大自发辐射与从光放大元件另一端(F₂)来的放大光信号和放大自发辐射进行干涉，

该光束分开装置具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中经过第一端口(D₁)或第二端口(D₂)进入的光束分开成第三端口(D₃)和第四端口(D₄)，同时经过第三端口(D₃)或第四端口(D₄)进入的光束分开成第一端口(D₁)和第二端口(D₂)；

一长度为L₁的第一路径，该路径把光放大元件的一端(F₁)与光束分开装置的第一端口(D₁)进行光连接；以及

一长度为L₂的第二路径，该路径把光放大元件的另一端(F₂)与光束分开装置的第二端口(D₂)进行光连接，

其特征在于，第一和第二路径之间的路径长度差是这样设计的，可使放大的光信号在光束分开装置的第三端口(D₃)相长干涉，而在第四端口(D₄)相消干涉，反之，内部产生的具有与该信号相同波长的放大自发辐射在光束分开装置的第三端口(D₃)相消干涉，而在第四端口(D₄)相长干涉。

2.如权利要求1所述的低噪声光放大器，还包括光束分离装置，该装置用于把通过光束分开装置第三端口(D₃)进入待放大的光信号与经过第三端口(D₃)输出的已放大的光信号分离。

3.如权利要求2所述的低噪声光放大器，其特征在于，光束分离装置具有至少三个端口(S₁、S₂、S₃)，其中经过一个端口(S₁)进入的待放大光信号的一部分或全部经过另一个端口(S₂)输出，同时经过另一个端口(S₂)进入的已放大光信号的一部分或全部经过另一个端口(S₃)被输出。

4.如权利要求1所述的低噪声光放大器，还包括非反射装置，该装置与光束分开装的第四端口(D₄)连接，阻止放大自发辐射朝光束分开装置反射。

5.如权利要求1所述的低噪声光放大器，还包括设置在第一或第二路径(L₁、L₂)上的光束分离装置，该装置用于把经过光放大元件一端或另一端(F₁、F₂)进入的待放大光信号与经过光放大元件的一端或另一端(F₁、F₂)输出的已放大的光信号和放大自发辐射分离。

6.如权利要求5所述的低噪声光放大器，其中该光束分开装置具有光束分开比例，使经过光束分开装置第一端口(D₁)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度，等于经过光束分开装置第二端口(D₂)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度。

7.如权利要求5所述的低噪声光放大器，还包括光束衰减装置，该装置位于第一或第二路径(L₁、L₂)上，对光信号和放大自发辐射进行衰减，于是使经过光束分开装置第一端口(D₁)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度，等于经过光束分开装置第二端口(D₂)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度。

8.如权利要求7所述的低噪声光放大器，其中光束分离装置和光束衰减装置是耦合器。

9.一种低噪声光放大器，用于单独地把具有不同波长的一组光信号根据每个波长进行放大，包括：

光放大元件阵列(A₁～A_n)，该阵列具有一组用于每个波长的光放大元件，对经过一端或两端(F_i1、F_i2)进入的具有波长的光信号进行放大，并把固定的相位差加带有一定波长的放大自发辐射上，该放大自发辐射是在光放大元件内产生的；

第一多路复用及解复用装置，该装置对经过放大元件一端(F₁₁～F_n1)输出并沿着用于每个波长的分路(L₁₁～L_n1)传输的光信号和放大自发辐射复用到一个共路(L_c1)，并把经过共路(L_c1)传输的具有不同波长的光信号基于每个波长分开，然后对光信号解复用到用于每个波长的分路；

第二多路复用及解复用装置，该装置用于对经过放大元件另一端(F₁₂～F_n2)输出并沿着用于每个波长的分路(L₁₂～L_n2)传输的光信号和放大自发辐射复用到一个共路(L_c2)，并把经过共路(L_c2)传输的具有不同波长的光信号基于每个波长分开，然后对光信号解复用到用于每个波长的分路；

第一和第二多路复用及解复用装置具有对于每个波长的分开端口，该端口用于把具有不同波长的每个光束引入和输出，同时还具有共用端口(W_c1、W_C2)，用于把具有不同波长的一组光束引入和输出；

一光束分开装置，该装置用于把由第一多路复用及解复用装置复用的具有不同波长的一组放大光信号和放大自发辐射与由第二多路复用及解复用装置解复用的具有不同波长的一组放大光信号和放大自发辐射进行干涉，

光束分开装置具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中经过第一端口(D₁)或第二端口(D₂)任意之一进入的光束分开成第三端口(D₃)和第四端口(D₄)，同时，经过第三端口(D₃)或第四端口(D₄)任意之一进入的光束分开成第一端口(D₁)和第二端口(D₂)；

第一路径，该路径包括第一分路(L₁₁～L_n1)和第一共路(L_c1)，第一分路用于把放大元件的一端(F₁₁～F_n1)与第一多路复用及解复用装置的每一个分开端口进行光连接，第一共路用于把第一多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1)与光束分开装置的第一端口(D₁)进行光连接；以及

第二路径，该路径包括第二分路(L₁₂～L_n2)和第二共路(L_c2)，第二分路用于把放大元件的另一端(F₁₂～F_n2)与第二多路复用及解复用装置的每一个分开端口进行光连接，第二共路用于把第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c2)与光束分开装置的第二端口(D₂)进行光连接；

其特征在于，第一和第二路径之间的光路长度差是这样设计的，可使放大光信号在光束分开装置的第三端口(D₃)具有相长干涉，而在第四端口(D₄)具有相消干涉，相反，放大自发辐射在光束分开装置的第三端口(D₃)具有相消干涉，而在第四端口(D₄)具有相长干涉。

10.如权利要求9所述的低噪声光放大器，还包括光束分离装置，该装置用于把经过光束分开装置第三端口(D₃)进入的待放大光信号从经过第三端口(D₃)输出的已放大光信号中分离出来。

11.如权利要求10所述的低噪声光放大器，其特征在于，光束分离装置具有至少三个端口(S₁、S₂、S₃)，其中经过一个端口(S₁)进入的待放大光信号的部分或全部经过另一个端口(S₂)输出，同时经过另一个端口(S₂)进入的已放大光信号的部分或全部经过另一个端口(S₃)输出。

12.如权利要求9所述的低噪声光放大器，还包括一个非反射装置，该装置与光束分开装置的第四端口(D₄)连接，避免放大自发辐射朝光束分开装置反射。

13.如权利要求9所述的低噪声光放大器，还包括设置在第一或第二共路(L_c1、L_c2)上的光束分离装置，该装置用于把经过第一或第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1、W_c2)进入的待放大光信号，从经过第一或第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1、W_c2)输出的已放大光信号中分离出来。

14.如权利要求13所述的低噪声光放大器，其特征在于，光束分开装置具有光束分开比例，使经过光束分开装置第一端口(D₁)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度，与经过光束分开装置第二端口(D₂)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度相等。

15.如权利要求13所述的低噪声光放大器，还包括位于第一或第二共路(L_c1、L_c2)上的光束衰减装置，该装置对光信号和放大自发辐射进行衰减，于是经过光束分开装置第一端口(D₁)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度，与经过光束分开装置第二端口(D₂)进入并经过第三端口(D₃)输出的放大自发辐射强度相等。

16.如权利要求15所述的低噪声光放大器，其特征在于，光束分离装置和光束衰减装置是耦合器。

17.如权利要求1到16任意一项所述的低噪声光放大器，其特征在于，放大自发辐射具有相同的相位。

18.如权利要求1到16任意一项所述的低噪声光放大器，其特征在于，放大自发辐射具有相同的强度。

19如权利要求17所述的低噪声光放大器，其特征在于，放大自发辐射具有相同的强度。

20.如权利要求19所述的低噪声光放大器，其特征在于，光放大元件具有光栅结构，在该结构中，具有厚度为(t₁)、有效折射率为(n₁)的第一媒质和厚度为(t₂)、有效折射率为(n₂)的第二媒质有规则地沿着光束传播方向交替布置，

其中在两个光栅之间的栅线间距近似满足下面等式：

(n₁×t₁)+(n₂×t₁)＝(mλ)/2

其中λ为指定波长，m为自然数，以及其中第一和第二媒质中至少一种具有增益。

21.如权利要求20所述的低噪声光放大器，其特征在于，在该等式中，m为1。

22.如权利要求21所述的低噪声光放大器，其特征在于，位于光放大元件两端和中心的所有媒质是第一媒质，以及光放大元件具有围绕中心的反射对称结构。

23.如权利要求22所述的低噪声光放大器，其特征在于，在光放大元件光栅中心加有π/2(90°)的相移。

24.如权利要求23所述的低噪声光放大器，其特征在于，第一和第二媒质的有效折射率的实数部分相同或者近似，第一媒质具有增益，而第二媒质具有损耗或零增益。

25.如权利要求24所述的低噪声光放大器，其特征在于，第一媒质的厚度(t₁)由下面等式给出：t₁≤λ/(4n₁)。

26.如权利要求17所述的低噪声光放大器，其特征在于，在第一和第二路径之间的光路长度差(ΔL＝L₁-L₂)由下面等式给出：ΔL＝λ/(4n₀)，其中λ是指定波长，n₀是光路L₁和L₂的有效折射率。

27.如权利要求9所述的低噪声光放大器，其特征在于，放大自发辐射具有相同的相位，同时第一和第二路径之间的光路长度差(ΔL_i)由下面等式给出：ΔL_i＝(L_i1+L_c1)-(L_i2+L_c2)＝λ_i/(4n₀)，其中1≤i(整数)≤n，L_i1和L_i2是分路长度，L_c1和L_c2是共路长度，λ_i是指定波长，n₀是光路的有效折射率。

28.如权利要求19所述的低噪声光放大器，其特征在于，光束分开装置的分开比例为50∶50。

29.一种光通信系统，具有一组安装在发射台和接收台之间的光放大器，其特征在于，光放大器包括：

一光放大元件，该元件用于对经过一端或两端(F₁、F₂)进入的带预定波长的光信号进行放大，并把固定相差加在具有预定波长的放大自发辐射上，该放大自发辐射是在光放大元件内产生并经过两端(F₁、F₂)辐射；

一光束分开装置，该装置使从光放大元件的一端(F₁)来的放大光信号和放大自发辐射与从光放大元件另一端(F₂)来的放大光信号和放大自发辐射进行干涉，

该光束分开装置具有四个端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中经过第一端口(D₁)或第二端口(D₂)进入的光束分开成第三端口(D₃)第四端口(D₄)，同时经过第三端口(D₃)或第四端口(D₄)进入的光束分开成第一端口(D₁)第二端口(D₂)；

长度为L₁的第一路径，该路径把光放大元件的一端(F₁)连接到光束分开装置的第一端口(D₁)进行光学连接；以及

长度为L₂的第二路径，该路径把光放大元件的另一端(F₂)连接到光束分开装置的第二端口(D₂)进行光学连接，

其中第一和第二路径之间的路径长度差是这样设计的，可使放大的光信号在光束分开装置的第三端口(D₃)具有相长干涉，而在第四端口(D₄)具有相消干涉，反之，内部产生的具有与该信号相同波长的放大自发辐射在光束分开装置的第三端口(D₃)具有相消干涉，而在第四端口(D₄)具有相长干涉。

借此放大自发辐射从放大的光信号中分离出，避免了在接收台SNR(信噪比)的降低。

30.如权利要求29所述的光通信系统，其特征在于，光放大器还包括光束分离装置，该装置用于把通过光束分开装置第三端口(D₃)进入待放大的光信号与经过第三端口(D₃)输出的已放大的光信号分离。

31.如权利要求30所述的光通信系统，其特征在于，光束分离装置具有至少三个端口(S₁、S₂、S₃)，其中经过一个端口(S₁)进入待放大的光信号一部分或全部经过另一个端口(S₂)输出，同时经过另一个端口(S₂)进入已经放大的光信号一部分或全部经过另一个端口(S₃)被输出。

32.如权利要求29所述的光通信系统，其特征在于，在第一和第二路径之间的光路长度差(ΔL＝L₁-L₂)由下面等式给出：ΔL＝λ/(4n₀)，其中λ是指定波长，n₀是光路L₁和L₂的有效折射率。

33.一种光通信系统，具有一组安装在传输站和接收台之间的光放大器，其中该光放大器用于单独地把具有不同波长的一组光信号根据每个波长进行放大，该光放大器包括：

光放大元件阵列(A₁～A_n)，该阵列具有一组用于每个波长的光放大元件，对经过一端或两端(F_i1、F_i2)进入的具有一定波长的光信号进行放大，并把固定的相位差加带有一定波长的放大自发辐射上，该放大自发辐射是在光放大元件内产生的；

第一多路复用及解复用装置，该装置对经过放大元件一端(F₁₁～F_n1)输出并沿着用于每个波长的分路(L₁₁～L_n1)传输的光信号和放大自发辐射复用到一个共路(L_c1)，并把经过共路(L_c1)传输的具有不同波长的光信号基于每个波长分开，然后对光信号解复用成用于每个波长的分路；

第二多路复用及解复用装置，该装置用于对经过放大元件另一端(F₁₂～F_n2)输出并沿着用于每个波长的分路(L₁₂～L_n2)传输的光信号和放大自发辐射复用到一个共路(L_c2)，并把经过共路(L_c2)传输的具有不同波长的光信号基于每个波长分开，然后对光信号解复用成用于每个波长的分路；

第一和第二多路复用及解复用装置具有对于每个波长的分开的端口，该端口用于把具有不同波长的每个光束引入和输出，同时还具有共用端口(W_c1、W_C2)，用于把具有不同波长的一组光束引入和输出；

光束分开装置，该装置用于把由第一多路复用及解复用装置复用的具有不同波长的一组放大光信号和放大自发辐射与由第二多路复用及解复用装置解复用的具有不同波长的一组放大光信号和放大自发辐射进行干涉，

光束分开装置具有四个光端口(D₁、D₂、D₃、D₄)，其中经过第一端口(D₁)或第二端口(D₂)任意之一进入的光束分开成第三端口(D₃)和第四端口(D₄)，同时，经过第三端口(D₃)或第四端口(D₄)任意之一进入的光束分开成第一端口(D₁)和第二端口(D₂)；

第一路径，该路径包括第一分路(L₁₁～L_n1)和第一共路(L_c1)，第一分路用于把放大元件的一端(F₁₁～F_n1)与第一多路复用及解复用装置的每一个分开端口进行光连接，第一共路用于把第一多路复用及解复用装置的共用端口(W_c1)与光束分开装置的第一端口(D₁)进行光连接；以及

第二路径，该路径包括第二分路(L₁₂～L_n2)和第二共路(L_c2)，第二分路用于把放大元件的另一端(F₁₂～F_n2)与第二多路复用及解复用装置的每一个分开端口进行光连接，第二共路用于把第二多路复用及解复用装置的共用端口(W_c2)与光束分开装置的第二端口(D₂)进行光连接；

其中第一和第二路径之间的光路长度差是这样设计的，可使放大光信号在光束分开装置的第三端口(D₃)具有相长干涉，而在第四端口(D₄)具有相消干涉，相反，放大自发辐射在光束分开装置的第三端口(D₃)具有相消干涉，而在第四端口(D₄)具有相长干涉，

借此，放大自发辐射从放大光信号中分离出，避免了在接收台SNR(信噪比)的降低。

34.如权利要求33所述的光通信系统，其特征在于，光放大器还包括光束分离装置，该装置用于把经过光束分开装置第三端口(D₃)进入的待放大光信号从经过第三端口(D₃)输出的已放大光信号中分离出。

35.如权利要求34所述的光通信系统，其特征在于，光束分离装置具有至少三个端口(S₁、S₂、S₃)，其中经过一个端口(S₁)进入的待放大光信号部分或全部经过另一个端口(S₂)输出，同时经过另一个端口(S₂)进入的已经放大光信号部分或全部经过另一个端口(S₃)输出。

36.如权利要求29到35任意一项所述的光通信系统，其特征在于，放大自发辐射具有相同的相位。

37.如权利要求36所述的光通信系统，其特征在于，放大自发辐射具有相同的强度。

38.如权利要求37所述的光通信系统，其特征在于，光放大元件具有光栅结构，在该结构中，具有厚度为(t₁)、折射率为(n₁)的第一媒质和厚度为(t₂)、折射率为(n₂)的第二媒质有规则地沿着光束传播方向交替布置，

其中在两个光栅之间的栅线间距近似地近似满足下面等式：

(n₁×t₁)+(n₂×t₁)＝mλ/2

其中λ为指定波长，m为自然数，以及其中第一和第二媒质中至少一种具有增益。

39.如权利要求38所述的光通信系统，其特征在于，在等式中，m为1。

40.如权利要求39所述的光通信系统，其特征在于，位于光放大元件两端和中心的所有媒质是第一媒质，以及光放大元件具有围绕中心的反射对称结构。

41.如权利要求40所述的光通信系统，其特征在于，在光放大元件光栅中心加有π/2(90°)的相移。

42.如权利要求41所述的光通信系统，其特征在于，第一和第二媒质的有效折射率的实数部分相同或者近似，第一媒质具有增益，而第二媒质具有损耗或零增益。

43.如权利要求42所述的光通信系统，其特征在于，第一媒质的厚度(t₁)由下面等式给出：t₁≤λ/(4n₁)。

44.如权利要求33所述的光通信系统，其特征在于，放大自发辐射具有相同的相位，同时第一和第二路径之间的光路长度差(ΔL_i)由下面等式给出：ΔL_i＝(L_i1+L_c1)-(L_i2+L_c2)＝λ_i/(4n₀)，

其中1≤i(整数)≤n，L_i1和L_i2是分路长度，L_c1和L_c2是共路长度，λ_i是指定波长，n₀是光路的有效折射率。

45.如权利要求37所述的光通信系统，其特征在于，光束分开装置的分开比例为50∶50。

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