專利名稱：光放大器動態(tài)泵浦耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通用的光纖放大器，特別涉及到擴展光放大器動態(tài)輸 出范圍，改善小信號工作點穩(wěn)定度和提高泵浦利用效率的光放大器。
背景技術(shù)：
在當前光通訊技術(shù)領(lǐng)域中，現(xiàn)有光纖放大器的典型結(jié)構(gòu)為采用一
只或多只激光二級管LD作為泵源，經(jīng)波分復用耦合器，對一段稀土 摻雜光纖進行正向、反向或雙向泵浦，LD波長通常為980nm或1480腿波段。
基于光纖放大器的工作原理，圖l給出了增益恒定為20dB的情 況下，放大器的信號輸入功率與需求的泵浦輸入功率的關(guān)系曲線。由 圖1可見，在增益恒定時，需要的泵浦功率隨信號輸入功率單調(diào)遞增。 因此，放大器的穩(wěn)定輸出范圍，直接取決于泵浦激光器的穩(wěn)定工作范 圍。在實際使用的泵浦激光器中，由于激光器的工作原理、生產(chǎn)工藝 等原因，可使用的激光器的最大輸出功率、最小穩(wěn)定輸出功率都有一 定的范圍限制。例如，對于一只常用的980nm, 300mW泵浦激光器， 在輸出上限為300mW。在小功率，其輸出光功率大于20mW時，輸出 穩(wěn)定性典型值在4%左右，輸出在12-20mW時，則穩(wěn)定性惡化到10 %,.低于12mW，激光器基本不能正常工作。因此，該最小穩(wěn)定輸出 功率，又限定了激光器可使用的最小工作點，從而也就確定了光放大 器的動態(tài)增益范圍。
通常設(shè)計光放大器時，為了在小功率點時避免泵浦工作不穩(wěn)定時
導效輸出光的不穩(wěn)定，主要采用兩種方式來解決
1. 根據(jù)計算分析，在泵源輸出端或主光路上人為通過熔接方式產(chǎn)
生一定損耗14,使得泵源的最小工作點提高，其典型熔接位置如圖2 所示熔接位置可位于泵源11的尾纖后；如圖3所示熔接位置可 位于波分復用器12與摻鉺光纖13之間、可位于泵源11與泵浦分光 器15之間、可位于泵浦分光器15與波分復用器12之間；如圖4所 示熔接位置可位于第一級鉺纖13與第二級鉺纖131之間以及Bypass 光路中。例如，系統(tǒng)分析的最小工作點需要泵源穩(wěn)定在8mW，而實際 滿足輸出穩(wěn)定性要求時泵源的工作點在12mW,則在泵源輸出熔接 10*log(12/8) :1.76dB損耗。于是，泵源的最小工作點從8mW提 高到12mW,滿足輸出的穩(wěn)定性要求。此種方案的弊端在于此方案 在提高小功率工作點的同時，也相應提高了高功率工作點，如果不熔 接損耗所對應先前的高功率點需要200mW泵浦時，熔接損耗后則需要 用到300mW，顯然極大的浪費了泵源功率。同時，由于可使用的泵源 功率有限，采用此方案使得放大器的高工作點相應降低了許多；
2. 脈寬調(diào)制泵源。通過外接電路和軟件控制產(chǎn)生高頻調(diào)制波型調(diào) 制泵源，控制調(diào)制波占空比使泵源的平均輸出功率為所要求的輸出功 率。此方案的好處是泵源利用充分，泵源平均功率可以控制到4艮小。 缺點是需要軟、硬件結(jié)合控制，外接電路復雜，提高了成本，且控制 穩(wěn)定性與軟、硬件皆有關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可以動態(tài)衰減泵浦的方法，能夠有效的解決小 信號輸入時放大器輸出的穩(wěn)定性問題，并將此方案應用到放大器設(shè)計 中，使得在相同工作條件下泵浦利用效率得到很大提高，從而充分的 節(jié)省成本，并且，該方案簡單易行。
本發(fā)明的方案如下光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于
在所需衰減位置熔接一定長度摻雜稀土元素光纖，用以提供與泵浦功 率相關(guān)的衰減，其對泵浦光功率的衰減量與泵浦輸入光功率相關(guān)，泵 浦輸入光功率越小，其衰減量越大。
其中，所需衰減位置可為泵源的輸出端。
其中，所需衰減位置可為多級光路放大器的各級泵浦光路徑中， 調(diào)節(jié)泵源功率比例。
其中，所需衰減位置可為多級分泵浦光路放大器的各分泵浦光支 路中，調(diào)節(jié)泵源功率比例。
其中，所需衰減位置可為多級Bypass光路放大器的Bypass支路 中，調(diào)節(jié)泵源功率比例。
其中，所述摻雜稀土元素光纖可為,光纖、摻鐿光纖、摻銩光纖。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1. 擴展光放大器的動態(tài)范圍，使光放大器能穩(wěn)定工作在更小
的功率點。
2. 在多級光路中，簡單靈活的調(diào)節(jié)泵浦功率分配，使泵源得 到充分有效的利用，節(jié)省了泵源，改善了;^文大器的噪聲指標。
3. 提升了對光放大器的瞬態(tài)響應過沖的抑制。


下面結(jié)令附圖和實施例對本實用技術(shù)的光路結(jié)構(gòu)進一步說明。 圖1為現(xiàn)有技術(shù)在dB空間泵浦輸出功率和泵浦輸入功率之間的 關(guān)系圖。
圖2, 3, 4為現(xiàn)有技術(shù)提高放大器小功率輸出穩(wěn)定性的光路結(jié)構(gòu)圖。
圖5為本發(fā)明光放大器動態(tài)泵浦耦合方法的第一實施例的光路結(jié)構(gòu)圖。
圖6為熔接特定長度摻雜光纖的情況下不同泵浦輸入功率所對
應的衰減曲錢，摻雜光纖長度分別為3m, 4m, 5m， 6m。
圖7為本發(fā)明光放大器動態(tài)泵浦耦合方法的第二實施例的光路
結(jié)構(gòu)圖。
圖8為本發(fā)明光放大器動態(tài)泵浦耦合方法的第三實施例的光路 結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明增大光放大器動態(tài)范圍，提高泵浦利用效 率的結(jié)構(gòu)作進一步說明。
圖5為本發(fā)明的第一實施例的光路原理圖，如圖5所示，在泵浦 激光器21尾端熔接一定長度摻稀土光纖22，后經(jīng)波分復用耦合器23, 對EDF24進行正向泵浦，信號光Xs從光纖前端輸入，經(jīng)波分復用耦 合器23進入EDF 24，從EDF24尾端輸出。
為了更好的說明熔接摻稀土光纖后對泵浦輸出的影響，圖6給出
曲線，4參雜光纖長度分別為3m, 4m, 5m， 6m。
在工程應用中，dB和mW之間的換算關(guān)系為dB = 10 x log( mW), 在線性空間輸出功率和輸入功率之間的關(guān)系為Pout(mW) =Pin (mW) x Gain (倍)；在dB空間輸出功率和輸入功率之間的關(guān)系為 Pout ( dBm) = Pin ( dBm) + Gain ( dB )，這樣，從圖6中可以看出， 當摻雜光纖長度恒定時，泵浦的損耗隨泵浦信號輸入功率增大而減 小，以5m摻雜光纖為例，當入射泵浦光功率為12mW時，其衰減值為 2. 3dB，當入射泵浦光功率為20mW時，其衰減值為1. 5dB，而當入射 泵浦光功率增加到400mW時，其衰減值為0. 23dB。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)圖1做比較，圖1為現(xiàn)有技術(shù)在dB空間泵浦
輸出功率和泵浦輸入功率之間的關(guān)系圖，假定不考慮其他元器件的損
耗，設(shè)計要求最大輸入光功率Pin為2. 0mW(+3. OdBm),增益恒定Gain 為20dB (即100倍)，對應圖中輸出為上述在dB空間系統(tǒng)輸出功率 (Pout)和輸入功率(Pin)之間的關(guān)系為Pout ( dBm) = Pin ( dBm) 十Gain(dB) = 3. 0+20dBm = 23dBm (以dB為單位)。圖1中所需泵浦 (Pump)對應為400mW。然而對于400mW泵源，現(xiàn)有4支術(shù)可得其泵 源(Pump)的輸出穩(wěn)定度Pump〉20mW時為4% (約0.2 dB )， 12mW〈P腿p〈20mW時為10% (約0. 5 dB )。々支定要求系統(tǒng)輸出(Pout) 穩(wěn)定度小于O.雄，則最小穩(wěn)定所需泵浦(P卿)為20mW，對應最小 輸入功率(Pin)為-11.5dBm。因此穩(wěn)定的輸入功率(Pin)動態(tài)范圍 為0.07mW 2.0mW,即穩(wěn)定輸出光功率范圍7mW~200mW。
而在泵源尾纖熔接5m摻雜光纖衰減后，其泵浦穩(wěn)定輸出(Pump out)范圍相當于變成14mW 380mW，對應的穩(wěn)定泵浦信號輸入功率 (Pump in )動態(tài)范圍為0.038mW ~ 1.90mW,即穩(wěn)定輸出光功率范圍 3.8mW 190mW。可見，通過采用本發(fā)明，該放大器將能穩(wěn)定的工 作在更小的輸入功率點，其動態(tài)范圍增加到約1. 75倍。
圖7為本發(fā)明光放大器動態(tài)泵浦耦合方法的第二實施例的光路 結(jié)構(gòu)圖。該實施例為本發(fā)明在多級光路中的應用，有效的提高泵浦利 用效率、改善放大器的噪聲系數(shù)指標。如圖7所示在泵浦激光器 31尾端熔接一定長度摻稀土光纖321,后經(jīng)980nm波分復用耦合器 33,分成一級放大分路371和二級放大分路372分別和第一 EDF341 進行正向泵浦以及第二 EDFA342進行正向泵浦，所述一級力t大分路 371和二級放大分路372分別熔接一定長度摻稀土光纖322以及323， 信號光入s從光纖前端輸入，經(jīng)波分復用耦合器351進入EDF 341、 后經(jīng)過中間元器件36,經(jīng)波分復用耦合器352從EDF342尾端輸出。 如圖7所示通常放大器在特定增益下要求噪聲系it保持不變， 而對于相同增益下不同的輸入光功率，所要求前后經(jīng)980nm波分復用
耦合器33的第一級放大分路371和第二級放大分路372的分光比不 一致。舉例說明，假定該系統(tǒng)工作在增益為20dB時的噪聲系數(shù)要求 為5.5dB,對應20dB增益的最大輸入為-3dBm,最小輸入為-23dBm。 經(jīng)專業(yè)仿真軟件和實驗測試結(jié)果表明，在圖7的多級光放大器中，輸 入耦合到第一級放大分路371的泵浦功率主要影響放大器的噪聲系 數(shù)，即耦合的泵浦功率越大，噪聲系數(shù)越小；耦合到末級鉺纖的泵浦 功率則直接彩響放大器的輸出功率。試驗測試對應輸入為-3dBm時， 若要求噪聲泉數(shù)小于5. 5dB,第一級放大分路371的泵浦功率應不小 于100mW，第二級放大分路372的泵浦功率為200mW，即980nm波分 復用'耦合器33前端的分光比應不小于100/ ( 100+200 ) = 33 %。同 時，對應輸入為-23dBm時，若要求噪聲系數(shù)小于5. 5dB,第一級放大 分路371的泵浦功率應不小于12mW,第二級放大分路372的泵浦功 率為8mW,即980nm波分復用耦合器33前端的分光比應不小于60%。 為了同時照顧到高低功率點的噪聲要求，因此，必須采用60%的 980腿分光.器，泵浦功率則需要用到200*100/40 = 500mW。
對于上述圖7中的多級;改大器，本發(fā)明將980nm分光器33后端 熔接一定長度摻雜光纖，假定仍為5m,其參數(shù)關(guān)系見圖6,如泵浦 31選用200mW功率的泵浦對應的損耗約為0.3dB,對13mW功率泵 浦的損耗約為2.0dB。則在-3dBm高功率輸入點時，要求的泵浦功率 變?yōu)?00mW+214mW,在-23dBm低功率輸入點時，要求的泵浦功率 變?yōu)?2mW+13mW。由此，我們可以選擇〉48%的分光器即可，對應 的高功率點泵浦需求為214*100/52 = 411mW，成功的將泵浦功率減 少了卯mW。如果不減少泵浦功率，則可以選擇較大分光比的980nm 分光器33,由于第一級放大分路371分得的泵浦功率相對變大，放 大器的噪聲系數(shù)將會得到改善?？梢姡褂帽景l(fā)明成功的節(jié)省了大量 泵源功率，從而使得放大器的成本得以降低。
圖8為本發(fā)明光放大器動態(tài)泵浦耦合方法的第三實施例的光路 結(jié)構(gòu)圖。本實施例是應用于Bypass結(jié)構(gòu)的多級;^丈大器，如圖8所示 泵浦多級光路，同理，由于后端加入了該摻雜光纖41，本發(fā)明也可 以有效改善放大器的噪聲系數(shù)。因此，對應小功率輸入的時候，實際 工作的泵浦功率較未使用該技術(shù)的泵浦功率要大得多，因此，進入第 一級鉺纖的泵浦功率相對要大得多，故而能較好的改善放大器的噪聲 系數(shù)。
由于本發(fā)明的上述特性，其也可以應用于光電模塊的瞬態(tài)響應抑 制中。對于瞬態(tài)響應的上波過程，即當輸入光功率突然增大時，要求 電路能控制泵浦馬上輸出到一個很小的值，使系統(tǒng)增益保持不變。實 際使用中，由于關(guān)閉泵浦輸出到再次打開泵浦輸出的時間相對較長， 需要將泵浦的最小輸出做一定限制，而同時由于受到所使用的泵浦小 功率輸出穩(wěn)定度的限制，這個限制值不能太小。引入本發(fā)明將可以使 泵輸出耦合至放大器的功率穩(wěn)定在更'J 、的工作點，從而減小了瞬態(tài)響 應的過沖，改善放大器的瞬態(tài)響應性能。
綜上所述，本發(fā)明采用全新的設(shè)計理念，成功的實現(xiàn)了泵浦的動 態(tài)耦合技術(shù)；從而實現(xiàn)了如下改進
1. 擴展光放大器的動態(tài)范圍，使光放大器能穩(wěn)定工作在更小的功率點。
2. 在多級光路中，簡單靈活的調(diào)節(jié)泵浦功率分配，使泵源得到充 分有效的利用，節(jié)省了泵源，改善了放大器的噪聲指標。
3. 提升了對光放大器的瞬態(tài)響應過沖的抑制。
以上所述者，僅為本發(fā)明最佳實施例而已，并非用于限制本發(fā)明 的范圍，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的等效變化或修飾，皆為本發(fā) 明所涵蓋。
權(quán)利要求
1、光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于在所需衰減位置熔接一定長度摻雜稀土元素光纖，用以提供與泵浦功率相關(guān)的衰減，其對泵浦光功率的衰減量與泵浦輸入光功率相關(guān)，泵浦輸入光功率越小，其衰減量越大。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于所需衰 減位置可為泵源的輸出端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于所需衰 減位置可為多級光路放大器的各級泵浦光路徑中，調(diào)節(jié)泵源功率比例。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于所需衰 減位置可為多級分泵浦光路放大器的各分泵浦光支路中，調(diào)節(jié)泵源功率比 例。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于所需衰 減位置可為多級Bypass光路放大器的Bypass支路中，調(diào)節(jié)泵源功率比例。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于所述摻 雜稀土元素光纖可為摻鉺光纖、摻鐿光纖、摻銩光纖。
全文摘要
光放大器動態(tài)泵浦耦合方法，其特征在于在所需衰減位置熔接一定長度摻雜稀土元素光纖，用以提供與泵浦功率相關(guān)的衰減，其對泵浦光功率的衰減量與泵浦輸入光功率相關(guān)，泵浦輸入光功率越小，其衰減量越大。本發(fā)明的優(yōu)點在于擴展光放大器的動態(tài)范圍，使光放大器能穩(wěn)定工作在更小的功率點；在多級光路中，簡單靈活的調(diào)節(jié)泵浦功率分配，使泵源得到充分有效的利用，節(jié)省了泵源，改善了放大器的噪聲指標；提升了對光放大器的瞬態(tài)響應過沖的抑制。
文檔編號G02F1/39GK101354516SQ200710075408
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者甘慶云, 虞愛華 申請人:昂納信息技術(shù)(深圳)有限公司