專(zhuān)利名稱(chēng)：光放大的方法和設(shè)備以及含此設(shè)備的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及適用于光纖通訊中的光放大，其中利用波分多路復(fù)用光信號(hào)，這些光信號(hào)包括多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及這種光放大的方法和設(shè)備以及含此設(shè)備的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，低損耗(例如，0.2dB/km)光纖的制造技術(shù)和使用技術(shù)已經(jīng)成熟，采用光纖作為傳輸線的光通訊系統(tǒng)已投入實(shí)際使用。此外，為了補(bǔ)償光纖中的損耗，從而可用于長(zhǎng)距離傳送，已建議利用光放大器來(lái)放大光信號(hào)或已付諸實(shí)施。
已知的光放大器包括光放大媒質(zhì)和泵浦裝置，待放大的光信號(hào)提供給光放大媒質(zhì)，泵浦裝置用于泵浦(激光)光放大媒質(zhì)，使光放大媒質(zhì)有一個(gè)含光信號(hào)波長(zhǎng)的增益波段。例如，摻鉺光纖光大器(EDFA)包括作為光放大媒質(zhì)的摻鉺光纖和泵浦光源，泵浦光源把有預(yù)定波長(zhǎng)的泵浦光提供給EDF。泵浦光波長(zhǎng)初步設(shè)定在0.98μm波段或1.48μm波段范圍內(nèi)，能夠得到包含1.55μm波長(zhǎng)在內(nèi)的增益波段。另外，還知道另外一類(lèi)光放大器，它是用半導(dǎo)體芯片作為光放大媒質(zhì)。在此情況中，將電流注入半導(dǎo)體芯片以完成泵浦。
波分多路復(fù)用(WDM)作為增大單根光纖傳輸容量的方法是已知的。在采用WDF的系統(tǒng)中，使用具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光載波。多個(gè)光載波被分別調(diào)制以得到多個(gè)光信號(hào)，這些光信號(hào)被光學(xué)多路復(fù)用器波分多路復(fù)用以得到WDM光信號(hào)，得到的WDM光信號(hào)輸出到光纖傳輸線。在接收站一側(cè)，接收到的WDM光信號(hào)被光學(xué)多路分解器分成幾個(gè)單獨(dú)的光信號(hào)，傳送的數(shù)據(jù)按照每個(gè)光信號(hào)被再現(xiàn)。因此，采用WDM方法，單根光纖中的傳輸容量能夠隨WDM信道數(shù)目的增多而增大。
把光放大器合并到采用WDM方法的系統(tǒng)中，傳輸距離受到增益與波長(zhǎng)有關(guān)的限制，增益與波長(zhǎng)的關(guān)系用增益坡度或增益偏差來(lái)表示。例如，在EDFA中，眾所周知，信號(hào)波段內(nèi)有復(fù)雜的增益特性，增益特性隨輸入總功率和提供給EDFA的泵浦光功率而變化。
為了抑制增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性，已建議把光放大器與光學(xué)濾波器組合在一起。組合配置及由此所獲得的效果在公布的日本專(zhuān)利中有詳細(xì)描述，專(zhuān)利號(hào)為3-44206，3-196125，8-213676，以及OAA0.90，MD1，PP44-47。
光學(xué)濾波器放置在光放大器上行一側(cè)(輸入側(cè))的這種組合中，噪聲指數(shù)變高(壞)。在此情況中，光學(xué)濾波器的插入損耗可以通過(guò)調(diào)整光放大器增益加以補(bǔ)償。與此相反，光學(xué)濾波器放置在光放大器下行一側(cè)(輸出側(cè))的情況中，噪聲指數(shù)不高，但輸出光功率因光學(xué)濾波器的插入損耗而降低(減小)。所以，在現(xiàn)有技術(shù)中必須做這樣的選擇，或有意提高輸出光功率而允許噪聲指數(shù)增大，或有意降低噪聲而允許輸出光功率減小。
適當(dāng)?shù)卦O(shè)定泵浦光功率，尤其是EDFA中的功率，可以抑制1540nm至1560nm波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。在泵浦光功率相對(duì)低的情況中，得到正的增益坡度，即增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，而在泵浦光功率相對(duì)高的情況中，得到負(fù)的增益坡度，即增益隨波長(zhǎng)的增大而減小。因此，可以控制泵浦光功率使增益坡度變得平埋。然而，使增益坡度平坦所需的泵浦光功率一般很高，所以就需要一個(gè)高功率泵浦光源。獲得高功率泵浦光的激光二極管是昂貴的。而且，在利用組合的多個(gè)激光二極管以獲得高功率泵浦光的情況中，光路的配置變得很復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種光放大的方法，此方法能獲得低噪聲指數(shù)和高輸出光功率，而且能抑制增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)此方法的設(shè)備。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是，提供一個(gè)光放大設(shè)備，此設(shè)備能夠在低泵浦光功率條件下抑制增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是，把按照本發(fā)明的方法或設(shè)備應(yīng)用于一個(gè)系統(tǒng)，如光纖通訊系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一個(gè)含光放大器的設(shè)備，此光放大器包括光放大媒質(zhì)，以及與光放大器有效相連的第一光學(xué)濾波器和第二光學(xué)濾波器，這兩個(gè)濾波器用來(lái)抑制增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。光放大媒質(zhì)有光信號(hào)的輸入端和輸出端。對(duì)光放大媒質(zhì)進(jìn)行泵浦，使光放大媒質(zhì)提供一個(gè)增益波段。此增益波段有第一波段和第二波段，第一波段給光信號(hào)提供相對(duì)高的增益和相對(duì)高的噪聲指數(shù)，第二波段給光信號(hào)提供相對(duì)低的增益和相對(duì)低的噪聲指數(shù)。第一光學(xué)濾波器在光路上連接到光放大媒質(zhì)的輸入端，且具有這樣的特性，第一光學(xué)濾波器抑制第二波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。第二光學(xué)濾波器在光路上連接到光放大媒質(zhì)的輸出端，且具有這樣的特性，第二光學(xué)濾波器抑制第一波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。
按照本發(fā)明的第一方面，分別放在光放大器輸入側(cè)和輸出側(cè)的兩個(gè)光學(xué)濾波器(第一光學(xué)濾波器和第二光學(xué)濾波器)用于抑制增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性，從而允許適當(dāng)?shù)匾种泼總€(gè)光學(xué)濾波器中增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性，以獲得低噪聲指數(shù)和高輸出光功率。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種包括下列步驟的方法(a)對(duì)光放大媒質(zhì)進(jìn)行泵浦，使此光放大媒質(zhì)提供一個(gè)含第一波段和第二波段的增益波段，第一波段給光信號(hào)提供相對(duì)高的增益和噪聲指數(shù)，第二波段給光信號(hào)提供相對(duì)低的增益和噪聲指數(shù)；(b)給光放大媒質(zhì)提供通過(guò)第一光學(xué)濾波器的光信號(hào)，第一光學(xué)濾波器有這樣的特性，它抑制第二波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系；(c)給第二光學(xué)濾波器提供從光放大媒質(zhì)輸出的光信號(hào)，第二光學(xué)濾波器有這樣的特性，它抑制第一波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
利用沿光信號(hào)傳播方向級(jí)聯(lián)的第一光放大器和第二光放大器，實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明第二方面的方法時(shí)，將此方法應(yīng)用于第二光放大器是特別有效的，因?yàn)?，若此方法僅應(yīng)用于第一光放大器，第二光放大器中可能出現(xiàn)新的增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。因此，若利用一般情況下多個(gè)級(jí)聯(lián)的光放大器以實(shí)現(xiàn)此方法，將此方法應(yīng)用于最后一級(jí)的光放大器(即，在輸出側(cè))是很有效的。
按照本發(fā)明的第三方面，提供一個(gè)包含光放大媒質(zhì)，泵浦裝置和光學(xué)濾波器的設(shè)備，光放大媒質(zhì)有光信號(hào)的輸入端和輸出端，泵浦裝置對(duì)光放大媒質(zhì)進(jìn)行泵浦，使此光放大媒質(zhì)在預(yù)定波段內(nèi)具有非常簡(jiǎn)單的增益特性，光學(xué)濾波器在光路上連接到光放大媒質(zhì)輸入端和輸出端中至少一端，此光學(xué)濾波器有這樣的特征，它抑制預(yù)定波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。
最好是，光放大媒質(zhì)包括EDF，預(yù)定波段在1.54μm至1.56μm波長(zhǎng)范圍。在此情況下，上述非常簡(jiǎn)單的增益特性給出這樣的增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，光學(xué)濾波器特征給出這樣的損耗坡度，損耗隨波長(zhǎng)的增大而增大。
按照本發(fā)明的第三方面，非常簡(jiǎn)單的增益特性能夠在低泵浦光功率條件下保持，此光學(xué)濾波器能夠抑制增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。所以，增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性能夠在低泵浦光功率條件下被抑制。
按照本發(fā)明的第四方面，提供一個(gè)包含摻雜光纖，泵浦裝置和光學(xué)濾波器的設(shè)備，摻雜光纖的摻雜劑含Er(鉺)，泵浦裝置對(duì)摻雜光纖進(jìn)行泵浦，使摻雜光纖具有這樣的增益坡度，在預(yù)定波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，此光學(xué)濾波器與摻雜光纖有效相連，且具有這樣的損耗坡度，光學(xué)濾波器能抑制增益坡度。
按照本發(fā)明的第五方面，提供一個(gè)包括第一終端站和第二終端站，連接第一終端站與第二終端站的光纖傳輸線，以及放在光纖傳輸線上至少一個(gè)光學(xué)中繼器。第一終端站包括多個(gè)光學(xué)發(fā)送器和一個(gè)光學(xué)多路復(fù)用器，多個(gè)光學(xué)發(fā)送器分別輸出具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)，光學(xué)多路復(fù)用器波分多路復(fù)用光信號(hào)以得到WDM光信號(hào)，并把此WDM光信號(hào)輸出到光纖傳輸線上。第二終端站包括一個(gè)光學(xué)多路分解器和多個(gè)光學(xué)接收器，光學(xué)多路分解器把光纖傳輸線傳送的WDM光信號(hào)分成多個(gè)光信號(hào)，多個(gè)光學(xué)接收器分別接收多個(gè)光信號(hào)。光學(xué)中繼器包括按照本發(fā)明第一方面，第三方面或第四方面的設(shè)備或包括以下描述的各種優(yōu)選實(shí)施例設(shè)備。
在此說(shuō)明書(shū)中，一個(gè)元件與另一個(gè)元件有效相連的用語(yǔ)包括這兩個(gè)元件直接相連的情況，也包括另一種情況，這兩個(gè)元件之間互相有聯(lián)系，電信號(hào)或光信號(hào)可以在這兩個(gè)元件之間互相傳送。


從研究以下描述和所附權(quán)利要求書(shū)并參照附圖著手，可以很清楚地理解本發(fā)明的內(nèi)容，這些

本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)這些目的，特征和優(yōu)點(diǎn)的方法會(huì)變得更加明顯。
圖1是方框圖，畫(huà)出按照本發(fā)明設(shè)備的第一種基本配置；圖2是一曲線圖，說(shuō)明圖1所示光放大媒質(zhì)12提供的增益波段；圖3A和圖3B是曲線圖，分別說(shuō)明圖1所示第一光學(xué)濾波器6和第二光學(xué)濾波器10特性的實(shí)例；圖4是一曲線圖，說(shuō)明圖1所示設(shè)備的輸出光譜實(shí)例；圖5是一曲線圖，說(shuō)明光放大器中增益與輸入光功率之間關(guān)系的實(shí)例；圖6是方框圖，畫(huà)出圖1所示設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；圖7A至圖7D是幾個(gè)方框圖，畫(huà)出對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備的配置；圖8A至圖8C是曲線圖，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中所用各種光學(xué)濾波器的特性；圖9A至圖9D是曲線圖，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中所得到的光譜曲線；圖10是方框圖，畫(huà)出按照本發(fā)明設(shè)備的第二種基本配置；圖11是一曲線圖，說(shuō)明增益坡度隨泵浦光功率變化的曲線；圖12是方框圖，畫(huà)出圖10所示設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；圖13是一曲線圖，說(shuō)明圖12所示光放大器8′中的增益坡度；圖14是一曲線圖，說(shuō)明圖12所示光學(xué)濾波器66′的特性；圖15是一曲線圖，表示光學(xué)濾波器放置在輸出側(cè)情況下所需泵浦光功率，噪聲指數(shù)與坡度之間關(guān)系的曲線；圖16是一曲線圖，表示光學(xué)濾波器放置在輸入側(cè)情況下所需泵浦光功率，噪聲指數(shù)與坡度之間關(guān)系的曲線；圖17是方框圖，畫(huà)出按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)；圖18A和圖18B是示意圖，說(shuō)明色散符號(hào)隨光纖光柵插入方向不同而不同。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，結(jié)合參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。在全部附圖中基本相同的部件用相同參考數(shù)字表示。
圖1是一方框圖，畫(huà)出按照本發(fā)明光放大設(shè)備的第一種基本配置。圖1所示設(shè)備有一個(gè)接收待放大光信號(hào)的輸入口2和一個(gè)輸出放大光信號(hào)的輸出口4。第一光學(xué)濾波器6，光放大器8，和第二光學(xué)濾波器10按這個(gè)順序沿光信號(hào)傳播方向放在輸入口2與輸出口4之間。光放大器8包括光放大媒質(zhì)12和泵浦裝置14，光放大媒質(zhì)12有光信號(hào)的輸入端12A和輸出端12B，泵浦裝置14對(duì)光放大媒質(zhì)12進(jìn)行泵浦，使光放大媒質(zhì)12提供一個(gè)增益波段。
對(duì)圖1所示光放大媒質(zhì)12提供的增益波段結(jié)合參照?qǐng)D2給以說(shuō)明。在圖2中，豎直軸代表光功率(dBm)或增益(dB)，水平軸代表波長(zhǎng)。當(dāng)光放大媒質(zhì)12被泵浦裝置14泵浦時(shí)，產(chǎn)生增益波段GB，它把增益特性16給了光信號(hào)譜S1和S2。增益特性16代表光放大媒質(zhì)12中增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
小信號(hào)下的增益特性可以用光放大媒質(zhì)中ASE(放大的自發(fā)輻射)噪聲譜近似表示。
如圖2所示，增益波段GB包含第一波段B1和第二波段B2，第一波段B1給光信號(hào)(譜S1)相對(duì)高的增益，第二波段B2給光信號(hào)(譜S2)相對(duì)低的增益。在第一波段B1中，由于產(chǎn)生了相對(duì)高的ASE噪聲，噪聲指數(shù)是高的(不好)。在第二波段B2中，由于產(chǎn)生了相對(duì)低的ASE噪聲，噪聲指數(shù)是低的(好)。
圖3A和圖3B是曲線圖，分別說(shuō)明圖1所示第一光學(xué)濾波器6和第二光學(xué)濾波器10的特性。在每個(gè)曲線圖中，豎直軸代表傳輸損耗(dB)，水平軸代表波長(zhǎng)。如圖3A所示，第一光學(xué)濾波器6具有這樣的特性，它抑制(最好是抵消)第二波段B2中增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。在第二波段B2以外的各個(gè)波長(zhǎng)上，傳輸損耗由光學(xué)濾波器6的最小插入損耗所確定，這一傳輸損耗在理想上為0(dB)，實(shí)際上為很小值。如圖3B所示，第二光學(xué)濾波器10具有這樣的特性，它抑制(最好是抵消)第一波段B1中增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。在第一波段B1以外的各個(gè)波長(zhǎng)上，傳輸損耗由光學(xué)濾波器10的最小插入損耗所確定，這一傳輸損耗在理想上為0(dB)，實(shí)際上為很小值。
參照?qǐng)D4，這是圖1所示設(shè)備輸出光譜的一個(gè)實(shí)例。在此實(shí)例中，假定待輸入到輸入口2的光信號(hào)是多個(gè)WDM光信號(hào)，這是對(duì)λ1至λ2不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用得到的，還假定各個(gè)光信號(hào)功率互相一致。如圖4所示，從輸出口4輸出的放大WDM光信號(hào)具有這樣的光譜，它是由各個(gè)光信號(hào)陡峭的光譜疊加到相對(duì)平坦的ASE譜上得到的，由于采用本發(fā)明，ASE譜的增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系變平坦了。因?yàn)楣夥糯竺劫|(zhì)12中增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系受到第一光學(xué)濾波器6和第二光學(xué)濾波器10的抑制，從該設(shè)備中輸出的各個(gè)放大WDM光信號(hào)功率變得基本上互相一致。因此，按照本發(fā)明設(shè)備的第一種基本配置能夠抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
本發(fā)明不受待放大光信號(hào)是WDM光信號(hào)這一情況的限制。待放大光信號(hào)可以是單個(gè)信道中的一個(gè)光信號(hào)。在此情況中，光信號(hào)波長(zhǎng)隨產(chǎn)生此光信號(hào)的光源溫度變化或其他因素變化而改變是可能的。因此，本發(fā)明對(duì)防止單個(gè)信號(hào)中光信號(hào)波長(zhǎng)的變化也是有效的。
現(xiàn)在詳細(xì)說(shuō)明圖1所示設(shè)備能夠獲得低噪聲指數(shù)和高輸出光功率的理由。
在以下描述中，將前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器級(jí)聯(lián)得到兩級(jí)放大器的配置。光學(xué)濾波器插入在這個(gè)兩級(jí)配置的前級(jí)放大器與后級(jí)放大器之間，在此情況下總的噪聲指數(shù)(NF)由下面式子給出NF=10log[NFf+10(NFr+A)/10-110G/10]]]>其中NFf是前級(jí)光放大器的噪聲指數(shù)(dB)，NFr是后級(jí)光放大器的噪聲指數(shù)(dB)，A是光學(xué)濾波器的損耗(dB)，G是前級(jí)光放大器的增益(dB)，每一種參量都是波長(zhǎng)的函數(shù)。
因此，兩級(jí)配置中總的噪聲指數(shù)NF取決于前級(jí)光放大器的噪聲指數(shù)NFf和增益G，后級(jí)光放大器的噪聲指數(shù)NFr，以及插入在前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器之間的光學(xué)濾波器損耗A。上述式子說(shuō)明，光學(xué)濾波器插入損耗A越小，總的噪聲指數(shù)NF就越低。
一種情況是光學(xué)濾波器插入在前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器之間，另一種情況是光學(xué)濾波器放在后級(jí)光放大器的輸出側(cè)，而不是將光學(xué)濾波器插入在前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器之間，將這兩種情況進(jìn)行比較，只要光學(xué)濾波器損耗相同，后一情況中總的噪聲指數(shù)低于前一情況。就是說(shuō)，后一情況中總的噪聲指數(shù)原則上不會(huì)受到光學(xué)濾波器損耗而變壞。
所以，按照本發(fā)明第一種基本配置應(yīng)用于后級(jí)光放大器的情況中，對(duì)于有相對(duì)高噪聲指數(shù)的光信號(hào)，補(bǔ)償增益的光學(xué)濾波器放置在后級(jí)光放大器的輸出側(cè)，為的是不使噪聲指數(shù)進(jìn)一步變壞。然而，光學(xué)濾波器放置在后級(jí)光放大器情況中，輸出光功率因光學(xué)濾波器損耗而減小。與此相反，光學(xué)濾波器插入在前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器之間的情況中，光學(xué)濾波器的插入損耗能夠被后級(jí)光放大器的輸入-增益特性所補(bǔ)償(例如，見(jiàn)圖5)。所以，按照本發(fā)明第一種基本配置應(yīng)用于后級(jí)光放大器的情況中，對(duì)于有相對(duì)低噪聲指數(shù)的光信號(hào)，補(bǔ)償增益的光學(xué)濾波器插入在前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器之間，為的是得到最大的輸出光功率。
如上所述，光學(xué)濾波器插入在前級(jí)光放大器與后級(jí)光放大器之間，使噪聲特性變壞，光學(xué)濾波器放置在后級(jí)光放大器的輸出側(cè)，使輸出光功率減小。因此，對(duì)于一個(gè)其噪聲指數(shù)和增益高于其他光信號(hào)的光信號(hào)，調(diào)整增益的光學(xué)濾波器放在后級(jí)光學(xué)放大器的輸出側(cè)。另外，對(duì)于一個(gè)其噪聲指數(shù)和增益低于其他光信號(hào)的光信號(hào)，調(diào)整增益的光學(xué)濾波器放在后級(jí)光放大器的輸入側(cè)。更普遍地說(shuō)，本發(fā)明中多個(gè)光學(xué)濾波器放在不同的位置上，從而調(diào)整增益隨波長(zhǎng)變化的靈敏度。注意到對(duì)噪聲特性靈敏的信號(hào)來(lái)調(diào)整增益，不用光學(xué)濾波器能夠避免噪聲指數(shù)變壞，并能得到高的輸出光功率，此外，按照本發(fā)明減小了噪聲指數(shù)偏差，這一情況結(jié)合參照驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在以后給以描述。
因此，本發(fā)明不同于普通的增益均衡，普通的增益均衡是使輸出光功率相對(duì)于波長(zhǎng)是均衡的，本發(fā)明提出一個(gè)新方法，稱(chēng)之為光學(xué)SNR(信噪比)均衡。注意到傳輸質(zhì)量是由光學(xué)SNR所決定這樣一個(gè)事實(shí)，此新方法能使輸出光功率維持在相同值上，還能使噪聲指數(shù)維持在較低的相同值上。
作為光放大媒質(zhì)12，可以使用含稀土元素?fù)诫s劑的摻雜光纖。在此情況中，泵浦裝置14包括泵浦光源，它給光放大媒質(zhì)12提供泵浦光，從光放大媒質(zhì)12的第一端12A和第二端12B中至少一端供給泵浦光。為了獲得含1.55μm波長(zhǎng)的增益波段，選用含Er(鉺)的摻雜劑。在此情況下，例如，第一波段B1在1.52μm至1.54μm波長(zhǎng)范圍，第二波段B2在1.54μm至1.56μm或1.54μm至1.58μm波長(zhǎng)范圍。在摻雜劑含Er的情況中，泵浦光波長(zhǎng)最好落在0.98μm波段(0.96μm至1.00μm)?；蚵湓?.48μm波段(1.46μm至1.50μm)。還可以采用半導(dǎo)體芯片作為光放大媒質(zhì)12。在此情況下，泵浦裝置14包括電流源，用于給半導(dǎo)體芯片注入電流。
要求第一光學(xué)濾波器6和第二光學(xué)濾波器12都有下列的性質(zhì)(a)高精度的達(dá)到傳輸特性設(shè)計(jì)值。
(b)減小的傳輸特性的溫度依賴(lài)性。
(c)減小的插入損耗。
(d)減小的偏振依賴(lài)性。
(e)減小的波長(zhǎng)色散。
(f)從信號(hào)傳輸線射出反射光(去除的光)。
為了滿足以上一項(xiàng)或多項(xiàng)要求，可以采用馬赫-曾德?tīng)?Mach-Zehnder)光學(xué)濾波器(側(cè)如，InGaAsP/InP半導(dǎo)體)，干涉薄膜濾光片(多層介質(zhì)薄膜)，或光纖光柵濾波器作為第一光學(xué)濾波器6和第二光學(xué)濾波器10。特別是，采用以下要描述的光纖光柵，上述的多項(xiàng)要求都能滿足。
圖6是方框圖，畫(huà)出圖1所示設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。在此優(yōu)選的實(shí)施例中，摻鉺光纖(EDF)18用作光放大器8的光放大媒質(zhì)12。為了擴(kuò)展增益波段，EDF18中還可以摻Al(鋁)的化合物。泵浦裝置14包括泵浦光源20和WDM耦合器22，泵浦光源20輸出泵浦光的波長(zhǎng)在1.48μm波段內(nèi)，WDM耦合器22從EDF18的第一端18A給EDF18提供泵浦光。光放大器8還有光隔離器24和光隔離器26，光隔離器24連接在WDM耦合器22與EDF18的第一端18A之間，光隔離器26連接在EDF18的第二端18B與第二光學(xué)濾波器10之間。
可變光學(xué)衰減器28和得到輸入監(jiān)測(cè)光的方向耦合器30按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向放置在第一光學(xué)濾波器6與WDM耦合器22之間。輸入監(jiān)測(cè)光供給光電檢測(cè)器(PD)32，如光電二極管。從光電檢測(cè)器32輸出的電信號(hào)反映光放大器8的輸入功率，此電信號(hào)供給自動(dòng)增益控制(AGC)電路34以保持增益特性不變。得到輸出監(jiān)測(cè)光的方向耦合器36放置在第二光學(xué)濾波器10與輸出口4之間。輸出監(jiān)測(cè)光供給光電檢測(cè)器38。從光電檢測(cè)器38輸出的電信號(hào)反映光放大器8的輸出功率，此電信號(hào)供給AGC電路34。AGC電路34根據(jù)光放大器8的輸入功率和輸出功率控制從泵浦光源20輸出的泵浦光功率，使EDF18給出的增益特性保持不變。例如，AGC電路34調(diào)整泵浦光功率，使光放大器8的輸入功率與輸出功率之比保持恒定。從光電檢測(cè)器38輸出的電信號(hào)還提供給自動(dòng)電平控制(ALC)電路40。ALC電路40通過(guò)可變光學(xué)衰減器28控制衰減量，使光放大器8的輸出功率保持不變。
特別是，在此優(yōu)選的實(shí)施例中附加的第二光放大器42放在第一光學(xué)濾波器6上行一側(cè)。就是說(shuō)，該設(shè)備具有兩級(jí)配置，光放大器42和光放大器8分別用作前級(jí)放大器和后級(jí)放大器。使光放大器42由多個(gè)光放大器組成，該設(shè)備可以改制成多級(jí)配置。
光放大器42包括EDF44，泵浦光源46，和WDM耦合器48，泵浦光源46輸出泵浦光的波長(zhǎng)在0.98μm波段內(nèi)，WDM耦合器48從EDF44的第一端44A給EDF44提供泵浦光。EDF44的第二端44B通過(guò)光隔離器50和方向耦合器52連接到第一光學(xué)濾波器6。被方向耦合器52分支的輸出監(jiān)測(cè)光供給光電檢測(cè)器54。從光電檢測(cè)器54輸出的電信號(hào)反映光放大器42的輸出功率，此電信號(hào)供給AGC電路56。光學(xué)隔離器58和方向耦合器60按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向放置在輸入口2與WDM耦合器48之間。被方向耦合器60分支的輸入監(jiān)測(cè)光供給光電檢測(cè)器62。從光電檢測(cè)器62輸出的電信號(hào)反映光放大器42的輸入功率，此電信號(hào)供給AGC電路56。AGC電路56根據(jù)光放大器42的輸入功率和輸出功率控制從泵浦光源42輸出的泵浦光功率，使EDF44給出的增益特性保持不變。例如，AGC電路56調(diào)整泵浦光的功率，使光放大器42的輸入功率與輸出功率之比保持恒定。
可以采用激光二極管(LD)作為泵浦光源20和泵浦光源46。在此情況下，可以通過(guò)每個(gè)激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流調(diào)整每個(gè)泵浦光的功率。
輸入到輸入口2的WDM光信號(hào)首先被前級(jí)光放大器42放大。在此放大過(guò)程中，與光放大器42的輸入功率無(wú)關(guān)，增益特性(增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系)因采用AGC電路56而保持不變。放大了的WDM光信號(hào)接著通過(guò)第一光學(xué)濾波器6。在光學(xué)濾波器6中，對(duì)包含在第二波段B2內(nèi)的光信號(hào)完成增益補(bǔ)償。通過(guò)濾波器6的WDM光信號(hào)受到可變光學(xué)衰減器28的可控衰減，接著供給后級(jí)光放大器8。在光放大器8內(nèi)的放大過(guò)程中，增益特性因采用AGC電路34而保持不變，與光放大器8的輸入功率無(wú)關(guān)。被光放大器8放大的WDM光信號(hào)接著通過(guò)第二光學(xué)濾波器10。在濾波器10中，對(duì)包含在第一波段B1內(nèi)的光信號(hào)完成增益補(bǔ)償。通過(guò)濾波器10的WDM光信號(hào)從輸出口4輸出。
輸出光功率因采用ALC電路40和可變光學(xué)衰減器28而保持不變，它與輸入功率無(wú)關(guān)。輸出光功率的ALC是利用可變光學(xué)衰減器28來(lái)完成的，其理由是，控制每個(gè)泵浦光的功率使光放大器8和光放大器42中的增益特性都保持不變，所以，ALC不能通過(guò)調(diào)整每個(gè)泵浦光的功率而完成。
盡管濾波器6和濾波器10都有固定的特性，由于光放大器8和光放大器42中增益特性保持恒定，總是能抑制該設(shè)備中增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。就是說(shuō)，能夠抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系而與輸入功率無(wú)關(guān)。
在此優(yōu)選實(shí)施例中，前級(jí)光放大器42的泵浦光波長(zhǎng)設(shè)定在0.98μm波段內(nèi)，其理由是，在對(duì)相對(duì)低功率光信號(hào)的放大過(guò)程中，可避免其噪聲特性有較大惡化。波長(zhǎng)在0.98μm波段內(nèi)泵浦光對(duì)EDF的泵浦，對(duì)于降低光放大器中的噪聲是有效的。另外，后級(jí)光放大器8的泵浦光波長(zhǎng)設(shè)定在1.48μm波段內(nèi)，其理由是，可以獲得高的輸出光功率。增大1.48μm波段內(nèi)振蕩激光二極管的輸出比增大0.98μm波段內(nèi)振蕩激光二極管的輸出容易。因而，采用這種高功率泵浦光，能夠增大該設(shè)備的輸出光功率。
在圖6所示的優(yōu)選實(shí)施例中，光信號(hào)與泵浦光在光放大器8和光放大器42的EDF中沿著相同的方向傳播。就是說(shuō)，實(shí)現(xiàn)正向泵浦。或者，可以實(shí)現(xiàn)反向泵浦，使光信號(hào)與泵浦光在每個(gè)光放大媒質(zhì)中沿著相反的方向傳播。此外，對(duì)于每個(gè)光放大媒質(zhì)使用兩個(gè)泵浦光源，正向泵浦和反向泵浦可以在每個(gè)光放大媒質(zhì)中實(shí)現(xiàn)。就是說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)雙向泵浦。在此情況下，利用不同波長(zhǎng)的泵浦光(例如，0.98μm和1.48μm)可以在每個(gè)光放大器中實(shí)現(xiàn)混合雙向泵浦。
雖然第一光學(xué)濾波器6，可變光學(xué)衰減器28，和方向耦合器30按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向排列，但是，這些器件排列的順序任意的。此外，第二光學(xué)濾波器10與方向耦合器36的排列順序可以顛倒。就是說(shuō)，濾波器6和濾波器10都可放在AGC回路的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。
圖7A至圖7D是幾個(gè)方框圖，畫(huà)出對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備的配置，這是用來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明第一種基本配置比現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)越。
圖7A畫(huà)出現(xiàn)有技術(shù)不帶光學(xué)濾波器的兩級(jí)配置。前級(jí)光放大器42，可變光學(xué)衰減器28，和后級(jí)光放大器8按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向放置在輸入口2與輸出口4之間。
圖7B畫(huà)出現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)濾波器僅僅插入在兩級(jí)配置以?xún)?nèi)。前級(jí)光放大器42，可變光學(xué)衰減器28，組合光學(xué)濾波器64，和后級(jí)光放大器8按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向放置在輸入口2與輸出口4之間。組合光學(xué)濾波器64的結(jié)構(gòu)是把適用于本發(fā)明的第一光學(xué)濾波器6與第二光學(xué)濾波器10串聯(lián)起來(lái)。
圖7C畫(huà)出現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)濾波器僅僅放在兩組配置的輸出側(cè)。組合光學(xué)濾波器64放置在后級(jí)光放大器8與輸出口4之間。
圖7D表示本發(fā)明所用的設(shè)備。前級(jí)光放大器42，可變光學(xué)衰減器28，第一光學(xué)濾波器6，后級(jí)光放大器8，和第二光學(xué)濾波器10按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向放置在輸入口2與輸出口4之間。
在此實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)前級(jí)光放大器42中泵浦光功率設(shè)定在100mw，每個(gè)后級(jí)光放大器8中泵浦光功率設(shè)定在150mw。此外，每個(gè)可變光學(xué)衰減器28的衰減量設(shè)定在-12.7dB。
圖8A，圖8B和圖8C是三個(gè)曲線圖，分別表示此實(shí)驗(yàn)中所用第一光學(xué)濾波器6，第二光學(xué)濾波器10，和組合光學(xué)濾波器64的特性曲線。在每個(gè)曲線圖中，豎直軸代表傳輸損耗(dB)，水平軸代表波長(zhǎng)(μm)。此實(shí)驗(yàn)由所用的濾波器6，10和64中每一個(gè)濾波器是由一個(gè)光纖光柵或幾個(gè)光纖光柵構(gòu)成的。如圖8A所示，第一光學(xué)濾波器6具有這樣的特性，它抑制約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系，給出相對(duì)低的增益和噪聲指數(shù)。如圖8B所示，第二光學(xué)濾波器10具有這樣的特性，它抑制約1.52μm至約1.54μm波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系，給出相對(duì)高的增益和噪聲指數(shù)。如圖8C所示，組合濾波器64具有這樣的特性，它抑制約1.52μm至約1.56μm波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
圖9A，圖9B，圖9C和圖9D是四個(gè)曲線圖，分別表示圖7A，7B，7C和7D所示配置得到的輸出光譜，在每個(gè)曲線圖中，豎直軸代表光功率(dBm)，水平軸代表波長(zhǎng)(μm)。在此實(shí)驗(yàn)中，利用多個(gè)WDM光信號(hào)，這些光信號(hào)是在1.52μm至1.56μm波段內(nèi)含不同波長(zhǎng)的五個(gè)信道中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用得到的。在每一信道的每一輸入口2處，光信號(hào)的峰值功率設(shè)定在-19.9dBm。在此實(shí)驗(yàn)中，在圖7A至7D的每一配置中測(cè)量最小輸出光功率Pmin(dBm)，輸出光功率偏差(最大輸出光功率與最小輸出光功率之偏差)ΔP(dB)，最大(最壞)噪聲指數(shù)NFmax(dB)，和噪聲指數(shù)偏差(最大(最壞)噪聲指數(shù)與最小(最好)噪聲指數(shù)之偏差)ΔNF(dB)。對(duì)此測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，在表1中列出。
表1

圖7D配置的下列優(yōu)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)從以上比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果中容易明白。
(1)與圖7C比較，噪聲指數(shù)偏差ΔNF減小0.54(＝0.89-0.35)dB。
(2)與圖7B比較，最大噪聲指數(shù)NFmax改善0.62(＝7.042-6.422)dB。
(3)與圖7A比較，輸出光功率偏差ΔP減小4.26(＝6.37-2.11)dB。
(4)與圖7C比較，最小輸出光功率Pmin改善1.83(＝3.35-1.52)dB。
(5)與圖7B比較，在所有信道中光信號(hào)的噪聲指數(shù)得到改善(最大為0.62dB)。
(6)與圖7C比較，在所有信道中光信號(hào)的輸出光功率都增大。
因此，將本發(fā)明第一種基本配置應(yīng)用于多級(jí)配置的最后一級(jí)中獲得從技術(shù)優(yōu)點(diǎn)得到驗(yàn)證。
在圖7A至圖7D的全部配置中，最小輸出光功率Pmin是由實(shí)驗(yàn)中所用五個(gè)信道內(nèi)次最短波長(zhǎng)信道中光信號(hào)給出的，最大噪聲指數(shù)NFmax是由最短波長(zhǎng)信道中光信號(hào)給出的。
圖10是一方框圖，畫(huà)出按照本發(fā)明的第二種基本配置。該設(shè)備有一個(gè)輸入口2和一個(gè)輸出口4，輸入口2接收待放大的光信號(hào)，輸出口4輸出放大了的光信號(hào)。光信號(hào)可以是單個(gè)波長(zhǎng)信道內(nèi)的光信號(hào)，此信道可能有波長(zhǎng)變化，或者可以是多個(gè)WDM光信號(hào)，這是對(duì)多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用得到的。光學(xué)濾波器66和光放大器8′按這個(gè)順序沿著光信號(hào)傳播方向放置在輸入口2與輸出口4之間。光學(xué)濾波器66可以用放在光放大器8′與輸出口4之間的光學(xué)濾波器66′替代。光放大器8′包括光放大媒質(zhì)12和泵浦裝置14′，光放大媒質(zhì)12有光信號(hào)的輸入端12A和輸出端12B，泵浦裝置14′用于泵浦光放大媒質(zhì)12。在此配置中，泵浦裝置14′對(duì)光放大媒質(zhì)12進(jìn)行泵浦，使得光放大媒質(zhì)12在預(yù)定波段內(nèi)有很簡(jiǎn)單的增益特性。光學(xué)濾波器66或66′具有這樣的特性，它抑制上述很簡(jiǎn)單增益特性中給出的增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
作為光放大媒質(zhì)12，可以使用含稀土元素?fù)诫s劑的摻雜光纖。在此情況中，泵浦裝置14′包括泵浦光源，它給光放大媒質(zhì)12提供有適當(dāng)波長(zhǎng)和功率的泵浦光，從光放大媒質(zhì)12的第一端12A和第二端12B中至少一端中供給泵浦光。在預(yù)定波段包含1.55μm的情況下，含Er(鉺)的摻雜劑適用于摻雜光纖。在此情況中，例如，預(yù)定波段是在1.54μm至1.56μm波長(zhǎng)范圍，而泵浦光波長(zhǎng)至少包含在0.98μm波段和1.48μm波段二者之一波段內(nèi)。半導(dǎo)體芯片可以用作光放大媒質(zhì)12。在此情況下，泵浦裝置14′包括電流源，用于給半導(dǎo)體芯片注入電流。
圖11是一曲線圖，表示光放大媒質(zhì)12含EDF(摻鉺光纖)情況下光放大媒質(zhì)8′增益特性的例子。圖11表示輸出光譜，這是在具有波長(zhǎng)1548μm，1551μm，1554μm，1557μm四個(gè)信道中WDM光信號(hào)以相同輸入功率輸入到泵浦的EDF中得到的輸出光譜。圖11中，豎直軸代表光功率(dBm)，水平軸代表波長(zhǎng)(μm)。
以A表示的光譜對(duì)應(yīng)于這一情況，其中泵浦光功率相對(duì)較高，在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)形成負(fù)增益坡度。就是說(shuō)，負(fù)增益坡度是這樣一個(gè)增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，增益(G)對(duì)波長(zhǎng)(λ)的導(dǎo)數(shù)為負(fù)值(dG/dλ＜0)。
W、C表示的光譜對(duì)應(yīng)于這一情況，其中泵浦光功率相對(duì)較低，在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)形成正增益坡度，就是說(shuō)，下增益坡度是這樣一個(gè)增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，增益對(duì)波長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)為正值(dG/dλ＞0)。
以B表示的光譜對(duì)應(yīng)于這一情況，其中泵浦光功率最合適，使得在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)不形成增益坡度，增益對(duì)波長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)為零(dG/dλ＝0)。
每一個(gè)光譜都有這樣的形狀，對(duì)應(yīng)于四個(gè)信道中光信號(hào)的四個(gè)銳譜疊加到ASE譜上。
此外，在每個(gè)光譜中，在含波長(zhǎng)短于1.54μm的波段內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的增益特性，而在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)得到很簡(jiǎn)單的增益特性。例如，在WDM應(yīng)用于含光放大器的系統(tǒng)中，若增益坡度是在光放大器中形成的，則各個(gè)信道之間的增益偏差限制了傳輸距離。所以，要求優(yōu)化光放大器的驅(qū)動(dòng)條件，總是得到B所示的光譜。要保持光譜如B那樣，去掉增益坡度的普通方法是，監(jiān)測(cè)泵浦光的增益，泵浦光功率是反饋受控的，使增益的監(jiān)測(cè)值保持恒定。然而，去掉增益坡度的泵浦光功率很高，所以只通過(guò)控制泵浦光功率來(lái)去掉增益坡度，就要求有一個(gè)高功率且成本低的泵浦光源。
在按照本發(fā)明的第二種基本配置中，控制光放大媒質(zhì)12的增益特性和利用光學(xué)濾波器66或66′是結(jié)合在一起的。因而，可以用低泵浦功率(例如，低泵浦光功率)抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。例如，光放大媒質(zhì)12被泵浦裝置14′泵浦，使得在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)有正增益坡度，如圖11中C所示。在此情況下，光學(xué)濾波器66或66′特性給出的損耗坡度是這樣的，損耗隨波長(zhǎng)的增大而增大。因而，可以用低泵浦光功率抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。
圖12是方框圖，畫(huà)出圖10所示設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。此實(shí)施例在以下幾點(diǎn)上與圖6所示實(shí)施例不同。
(1)按照本發(fā)明第二種基本配置的光放大器8′替代按照本發(fā)明第一種基本配置的光放大器8。
(2)由于圖12所示優(yōu)選實(shí)施例是根據(jù)這樣的前提，使用的光信號(hào)波長(zhǎng)包含在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)，帶阻濾波器68替代按照本發(fā)明第一種基本配置中所用的第一光學(xué)濾波器6，此帶阻濾波器68的阻帶落在1.53μm波段內(nèi)(例如，1.52μm至1.54μm)。
(3)按照本發(fā)明第二種基本配置的光學(xué)濾波器66′替代按照本發(fā)明第一種基本配置中所用的第二光學(xué)濾波器10。
在光放大器8中，連接到泵浦光源20的WDM耦合器22′放置在EDF18的第二端18B與光學(xué)隔離器26之間，為的是把泵浦光源20輸出的泵浦光從第二端18B提供給EDF18。從泵浦光源20輸出的泵浦光功率是受到控制的，使得在EDF18中產(chǎn)生的很簡(jiǎn)單增益特性能借助AGC電路34保持不變。更具體地說(shuō)，AGC電路34調(diào)整泵浦光的功率，使得光放大器8′的輸入功率與輸出功率之比率保持恒定，或者是組合光放大器8′和光學(xué)濾波器66′的輸入功率與輸出功率之比率保持恒定。
現(xiàn)在結(jié)合參照?qǐng)D13，描述借助AGC電路34使增益特性保持恒定的一個(gè)例子。按照所示的增益特性，光放大器8′有這樣的增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大。在圖13中，豎直軸代表光功率(dBm)，水平軸代表波長(zhǎng)(nm)。此例子利用波分多路復(fù)用光信號(hào)在八個(gè)信道中得到WDM光信號(hào)。各個(gè)光信號(hào)的波長(zhǎng)為1546.12，1547.72，1549.32，1550.92，1552.52，1554.13，1555.75和1557.36nm。最小光功率與最大光功率之間偏差為1.16dB。因此，在1546nm至1557nm波段內(nèi)的增益坡度約為0.1dB/nm。最小光功率是由最短波長(zhǎng)提供的，最大光功率是由最長(zhǎng)波長(zhǎng)提供的，增益坡度基本上是線性的(增益用單位dB)表示)。
圖12所示AGC電路34控制從泵浦光源20輸出的泵浦光功率，例如，使增益坡度保持成圖13所示那樣，因此，盡管抑制增益隨波長(zhǎng)變化關(guān)系的光學(xué)濾波器66′有固定的特性，所以采用AGC電路34′可靠地抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。更具體地說(shuō)，光學(xué)濾波器66′有這樣一個(gè)損耗坡度，使此損耗坡度抑制(最好是抵消)圖13所示的增益坡度。
參照?qǐng)D14，此圖表示光學(xué)濾波器66′特性的一個(gè)例子。在圖14中，豎直軸代表傳輸損耗(dB)，水平軸代表波長(zhǎng)(nm)。光學(xué)濾波器66′有這樣的特性，在約1.54μm至約1.56μm波段內(nèi)傳輸損耗隨波長(zhǎng)的增大而增大，損耗坡度約為0.1dB/nm。因此，光放大器8′的增益坡度能夠被光學(xué)濾波器66′的損耗坡度所抵消。
在圖12所示的優(yōu)選實(shí)施例中，帶阻濾波器68和光學(xué)濾波器66′都可以用光纖光柵構(gòu)成。
圖15是一曲線圖，表示按照本發(fā)明第二種基本配置中所需泵浦光功率，噪聲指數(shù)(NF)，與光學(xué)濾波器坡度(損耗坡度)之間關(guān)系，此處的情況是，光學(xué)濾波器放置在輸出側(cè)，即，利用光學(xué)濾波器66′的情況。在圖15中，兩個(gè)豎直軸分別代表所需泵浦光功率(mW)和噪聲指數(shù)(dB)，水平軸代表坡度(dB/nm)。所需泵浦光功率此處表示在整個(gè)設(shè)備中消除增益坡度所需的泵浦光功率。
給出圖15所示曲線的數(shù)據(jù)是按照?qǐng)D12所示優(yōu)選實(shí)施例中的配置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬得到的。為了對(duì)模擬情況進(jìn)行計(jì)算，采用了C.R.Gailes和E.Desnrvire“模擬的摻鉺光纖放大器”一文中的分析模型和分析方法，此篇文獻(xiàn)在Journal of Lightwave Technology，Vol.9，No.2，1991刊登。
在得到給定輸出值(+6.0dBm/ch)的EDF長(zhǎng)度已經(jīng)優(yōu)化條件下，對(duì)所需泵浦光功率進(jìn)行計(jì)算，此泵浦光功率使最短波長(zhǎng)與最長(zhǎng)波長(zhǎng)之間增益相同，并使對(duì)應(yīng)于所需泵浦光功率的噪聲指數(shù)也相同。
在圖15中，零坡度對(duì)應(yīng)于沒(méi)有利用光學(xué)濾波器66′的情況。在此情況下，所需泵浦光功率約為250mW。與此對(duì)比，利用其坡度為0.05至0.2dB/nm的光學(xué)濾波器66′，已證實(shí)，在作為功率放大部分的后級(jí)中所需泵浦光功率減少40％，或減少更多。若坡度太小，減少所需泵浦光功率的效果就很小，若坡度太大，噪聲指數(shù)就高，或所需EDF長(zhǎng)度就大，所以，此坡度最好是在0.05至0.1dB/nm范圍。
所以，用相對(duì)低的泵浦光功率泵浦EDF，目的是產(chǎn)生這樣一個(gè)增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，以及用這樣的光學(xué)濾波器，其損耗坡度為，損耗隨波長(zhǎng)的增大而增大，且其中損耗坡度值是適當(dāng)設(shè)定的，則能夠抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系而沒(méi)有使噪聲指數(shù)變壞。
圖16表示按照本發(fā)明第二種基本配置中所需泵浦光功率，噪聲指數(shù)，與坡度(損耗坡度)之間的關(guān)系，這是在光學(xué)濾波器放在輸入側(cè)的情況下，即，在利用光學(xué)濾波器66情況下得到的。與圖15比較，減小所需泵浦光功率的效果(泵浦效率改進(jìn)效果)較大，但噪聲指數(shù)變壞也較大。坡度最好在0.05至0.1dB/nm范圍，其理由類(lèi)似于討論圖15時(shí)所述的理由。
因此，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第二種基本配置的情況中，若重點(diǎn)放在減小所需泵浦光功率的效果上，光學(xué)濾波器66′最好放置在光放大器8′的輸入側(cè)，若重點(diǎn)放在噪聲特性上，光學(xué)濾波器66′最好放置在光放大器8′的輸出側(cè)。
在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的情況中，光纖光柵適用于每一個(gè)光學(xué)濾波器。采用光纖光柵，上述要求(a)至(f)中很多項(xiàng)都能得到滿足。
若光學(xué)介質(zhì)(例如，玻璃)折射率受到光照后發(fā)生永久性變化，此介質(zhì)稱(chēng)為光敏介質(zhì)。利用這一性質(zhì)，可以把光纖光柵制成在光纖的芯中。光纖光柵的特征是，它布拉格反射共振波長(zhǎng)附近波段內(nèi)的光；此共振波長(zhǎng)由光柵常數(shù)和光纖模式的有效折射率確定。光纖光柵可以這樣制成，例如，利用在248nm或193nm上振蕩的準(zhǔn)分子激光器通過(guò)相位掩模照射一根光纖而制成。
例如，利用線性調(diào)頻(chirp)方法制備光纖光柵，能夠得到圖8A或圖8B所示的特性。在此線性調(diào)頻方法中，光柵常數(shù)是按照一個(gè)恰當(dāng)分布設(shè)定的，從而得到所需的特性。實(shí)際上已經(jīng)證實(shí)，按照?qǐng)D8B的光纖光柵能夠提供1528nm至1562nm波段內(nèi)所設(shè)計(jì)的特性。
為了驗(yàn)證光纖光柵的溫度特性是良好的，對(duì)圖12中所示帶阻濾波器68和光學(xué)濾波器66′(66)做了試驗(yàn)。接受試驗(yàn)的每個(gè)光纖光柵在環(huán)境溫度23.3℃，91.2℃，和一5.4℃下按這個(gè)順序放置一長(zhǎng)段時(shí)間，并對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)量。關(guān)于帶阻濾波器，在阻帶內(nèi)隨著波長(zhǎng)的變化，最小輸出在1.19(nm)；關(guān)于光學(xué)濾波器66′(66)，幾乎都觀察不到坡度和插入損耗有變化。
光纖光柵可以與光纖直接拼接以構(gòu)成光路，拼接損耗為0.1dB。所以，由光纖光柵引起的插入損耗是低的。
利用光源和偏振控制器測(cè)量光纖光柵光纖光柵的偏振依賴(lài)性及偏振依賴(lài)性的溫度依賴(lài)性，結(jié)果，很難觀察到這些關(guān)系。
在光信號(hào)帶寬為30nm和光纖光柵的光柵長(zhǎng)度為30mm情況下，光延遲估算為4.8ps/nm。因此，可以說(shuō)，在實(shí)際使用中光纖光柵引起的色散非常小。然而，若光延遲在高速傳輸中積累起來(lái)，積累的光延遲超過(guò)容限的可能性是存在的。以下描述消除這種可能性的手段。
在光纖光柵是用線性調(diào)頻方法制成的情況下，由于每個(gè)光柵垂直于光纖軸，反射光耦合到光纖導(dǎo)模。所以，在多個(gè)光纖光柵串聯(lián)后得到所需特性的情況下，由于反射光而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的特性是可能的，此外，即使用單個(gè)光纖光柵達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的特性，由于反射光回到了與光纖光柵有光路連接的光放大媒質(zhì)中，不能達(dá)到所要求的增益特性仍是可能的。為了消除這種可能性，采用光學(xué)隔離器是有效的。然而，采用光學(xué)隔離器造成該設(shè)備配置的復(fù)雜性和體積增大。
采用炫耀(blazed)方法或長(zhǎng)周期(long-period)方法以制成光纖光柵，可以有效地去除反射光。在炫耀方法中，每個(gè)光柵相對(duì)于光纖軸是傾斜的，從而把反射光逐出光纖。在長(zhǎng)周期方法中，光柵常數(shù)設(shè)定在相對(duì)大的值上，從而去除反射光。
有關(guān)線性調(diào)頻方法，炫耀方法和長(zhǎng)周期方法的更多細(xì)節(jié)在YuLin等人及P.SAJ Russel等人的文章中有描述Yu Lin et al.“用相位匹配條件分析長(zhǎng)周期和短周期布拉格光纖光柵”，SPIE，Nol 2893，PP441-447，P.SAJ.Russel et al“光纖光柵”，Physics World，Octo-ber，1993，PP41-46。
圖17是方框圖，說(shuō)明按照本發(fā)明光纖通訊系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。此系統(tǒng)包括第一終端站70，第二終端站72，連接第一終端站70與第二終端站72的光纖傳輸線74，以及放在光纖傳輸線74的多個(gè)(本實(shí)施例中有兩個(gè))光學(xué)中繼器76。每個(gè)光學(xué)中繼器76包含按照本發(fā)明第一種或第二種基本配置的設(shè)備78?？梢杂脝蝹€(gè)光學(xué)中繼器76替代。第一終端站70包括多個(gè)光學(xué)發(fā)送器(OS)80(#1至#n)和一個(gè)光學(xué)多路復(fù)用器(MUX)82，多個(gè)光學(xué)發(fā)送器80分別輸出有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)，光學(xué)多路復(fù)用器82波分多路復(fù)用多個(gè)光信號(hào)以得到WDM光信號(hào)，并將這些WDM光信號(hào)輸出到光纖傳輸線74上。第二終端站72包括一個(gè)光學(xué)多路分解器(DMUX)84和多個(gè)光學(xué)接收器86(#1至#n)，光學(xué)多路分解器84把光纖傳輸線74傳送的WDM光信號(hào)分成多個(gè)光信號(hào)，多個(gè)光學(xué)接收器86分別接收這多個(gè)光信號(hào)。
有了這種配置，WDM光信號(hào)的損耗可以用放在光纖傳輸線74上一個(gè)或多個(gè)光學(xué)中繼器76給以補(bǔ)償，從而允許長(zhǎng)距離傳輸。為了達(dá)到這個(gè)效果，第一終端站70可以有一個(gè)作為輔助放大器(后置放大器)的光放大器，第二終端站72可以有一個(gè)作為前置放大器的光放大器。特別是，由于每個(gè)光學(xué)中繼器76含有按照本發(fā)明的設(shè)備，能夠抑制每個(gè)光學(xué)中繼器76內(nèi)增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系，能夠減小由于增益偏差對(duì)傳輸距離的限制。在按照本發(fā)明第二種基本配置應(yīng)用于每個(gè)設(shè)備78的情況中，在低泵浦光功率條件下的每個(gè)設(shè)備78內(nèi)，可以抑制增益隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系，從而允許制造高可靠性和低成本的系統(tǒng)。
在利用光纖光柵作為每個(gè)光學(xué)濾波器以實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的情況下，每個(gè)光纖光柵中出現(xiàn)約4.8ps/nm延遲。本發(fā)明第一種基本配置應(yīng)用于圖17所示系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備78，例如，此設(shè)備78的數(shù)量為9個(gè)，在此情況下，由于每個(gè)設(shè)備78包含兩個(gè)光學(xué)濾波器，則總的色散量變成86.4ps/nm(＝4.8ps/nm×2×9)。若外調(diào)制為10Gbit/s應(yīng)用到一個(gè)系統(tǒng)上，則色散的限度約為750ps/km/nm。在此情況下，上述色散量86.4ps/nm約占以上限度的12％，超過(guò)了容限。
本發(fā)明的第一種基本配置對(duì)于減小每個(gè)設(shè)備78的色散或理想上使色散為零是有效的，對(duì)于控制圖17所示系統(tǒng)總的色散量也是有效的?，F(xiàn)在對(duì)此作更具體的討論。
在利用光纖光柵作為每個(gè)光學(xué)濾波器的情況下，色散的符號(hào)(正或負(fù))可以按照?qǐng)D18A和圖18B中所示光纖光柵插入方向而選定。假定具有不同波長(zhǎng)λA和λB的光進(jìn)入光纖光柵，且假定圖18A中得到的是正色散，將光纖光柵的插入方向顛倒，如圖18B所示，則此光纖光柵給出負(fù)色散，這是因?yàn)椴祭穹瓷湮恢玫牟煌?br> 因此，在本發(fā)明第一種基本配置應(yīng)用于圖17所示每個(gè)設(shè)備78的情況下，將圖1所示第一光學(xué)濾波器6的第一色散設(shè)定為一種符號(hào)，將圖1所示第二光學(xué)濾波器10的第二色散設(shè)定為另一種符號(hào)，這兩種符號(hào)不相同，則可以減小每個(gè)設(shè)備78中的色散。特別是，若使每色散與第二色散的絕對(duì)值基本相等，則每個(gè)光纖光柵中的色散能夠互相抵消，從而使每個(gè)設(shè)備78中的色散基本上為零。所以，控制終端站72與終端站70之間光纖傳輸線74上的色散，在已經(jīng)采用此控制方法的系統(tǒng)中避免了因色散使傳輸特性下降，就可以應(yīng)用現(xiàn)有的控制色散方法，而無(wú)需作這樣的改動(dòng)，使每個(gè)設(shè)備78中的色散基本上為零。
此處提到的控制色散是指，將終端站70與終端站72之間總的色散量設(shè)置在預(yù)定值上，或設(shè)置在預(yù)定的范圍內(nèi)。
在控制終端站70與終端站72之間光纖傳輸線74中色散不夠充分的情況下，將第一色散和第二色散的符號(hào)設(shè)置成相同，借助每個(gè)設(shè)備78中的色散(第一色散與第二色散之和)有效地抵消光纖傳輸線74中的色散。例如，在多根跨線的光纖傳輸線74中，由于光纖制造技術(shù)的不同以及光信號(hào)波長(zhǎng)的漲落，多根跨線中色散的符號(hào)各不相同。所以，在光纖傳輸線74中總的色散為正的情況下，就設(shè)置每個(gè)設(shè)備78中的色散符號(hào)為負(fù)。
為了防止因光纖中諸如自相位調(diào)制的非線性效應(yīng)而使波形變壞，有時(shí)可以在局部地方或一般在終端站70與終端站72之間設(shè)置預(yù)定的色散值。在此情況下，也可以在每個(gè)設(shè)備78中設(shè)置所需的色散值。
如上所述，按照本發(fā)明可以提供一個(gè)方法，一個(gè)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)，它能得到低噪聲指數(shù)和高輸出光功率，還能抑制增益隨波長(zhǎng)的變化。此外，按照本發(fā)明也可以提供一個(gè)方法，一個(gè)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)，它能在光放大媒質(zhì)低的泵浦功率(例如，低泵浦光功率)條件下抑制增益隨波長(zhǎng)的變化。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括光放大媒質(zhì)，所述光放大媒質(zhì)有光信號(hào)的輸入端和輸出端；泵浦裝置，所述泵浦裝置對(duì)所述光放大媒質(zhì)泵浦，使所述光放大媒質(zhì)在預(yù)定波段內(nèi)有實(shí)際簡(jiǎn)單的增益特性；以及光學(xué)濾波器，所述光學(xué)濾波器在光路上至少連接到所述光放大媒質(zhì)的所述輸入端和所述輸出端兩端中的一端，并具有這樣的特性，所述光學(xué)濾波器抑制所述預(yù)定波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性，其中所述實(shí)際簡(jiǎn)單的增益特性給出這樣的增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述光放大媒質(zhì)包括含稀土元素?fù)诫s劑的摻雜光纖；以及所述泵浦裝置包括泵浦光源和光學(xué)耦合器，所述泵浦光源輸出泵浦光，所述光學(xué)耦合器給所述光放大媒質(zhì)從所述輸入端和所述輸出端兩端中至少一端提供所述泵浦光。
3.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述摻雜劑包括Er(鉺)；以及所述預(yù)定波段是在1.54μm至1.56μm波長(zhǎng)范圍。
4.按照權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述泵浦光波長(zhǎng)至少包含在0.98μm和1.48μm波段二者中一個(gè)波段內(nèi)。
5.按照權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述實(shí)際簡(jiǎn)單的增益特性給出這樣的增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大；以及所述光學(xué)濾波器的所述特性給出這樣的損耗坡度，損耗隨波長(zhǎng)的增大而增大。
6.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述損耗坡度在0.05dB/nm至0.1d B/nm范圍。
7.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，還包括控制所述泵浦光功率的控制裝置，使所述實(shí)際簡(jiǎn)單的增益特性保持不變。
8.按照權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所述控制裝置包括檢測(cè)裝置和調(diào)整裝置，所述檢測(cè)裝置用于檢測(cè)所述設(shè)備的輸入功率和輸出功率，所述調(diào)整裝置用于調(diào)整所述泵浦光功率，使所述輸入功率與所述輸出功率的比率保持恒定。
9.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述光學(xué)濾波器包括光纖光柵。
10.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述光信號(hào)包括WDM光信號(hào)，所述WDM光信號(hào)是對(duì)具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用得到的。
11.一種設(shè)備，包括含摻雜劑Er(鉺)的摻雜光纖；泵浦裝置，用于泵浦所述摻雜光纖，使所述摻雜光纖有這樣的增益坡度，在預(yù)定波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)的增大而增大；以及光學(xué)濾波器，所述光學(xué)濾波器有效地連接到所述摻雜光纖，且有這樣的損耗坡度，使所述光學(xué)濾波器抑制所述增益坡度。
12.按照權(quán)利要求11的設(shè)備，其中所述預(yù)定波段是在1.54μm至1.56μm波長(zhǎng)范圍。
13.一種系統(tǒng)，包括第一終端站和第二終端站；連接所述第一終端站與所述第二終端站的光纖傳輸線；以及放在所述光纖傳輸線上的至少一個(gè)光學(xué)中繼器；所述第一終端站包括多個(gè)光學(xué)發(fā)送器和一個(gè)光學(xué)多路復(fù)用器，所述多個(gè)光學(xué)發(fā)送器分別輸出具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)，所述光學(xué)多路復(fù)用器對(duì)所述多個(gè)光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用以得到WDM光信號(hào)，并將所述WDM光信號(hào)輸出到所述光纖傳輸線上；所述第二終端站包括一個(gè)光學(xué)多路分解器和多個(gè)光學(xué)接收器，所述光學(xué)多路分解器將所述光纖傳輸線傳送的所述WDM光信號(hào)分成多個(gè)光信號(hào)，所述多個(gè)光學(xué)接收器分別接收所述多個(gè)光信號(hào)；所述光學(xué)中繼器包括含光放大媒質(zhì)的光放大器和泵浦裝置，所述光放大媒質(zhì)有光信號(hào)的輸入端和輸出端，所述泵浦裝置用于泵浦所述光放大媒質(zhì)，使所述光放大媒質(zhì)提供含第一波段和第二波段的增益波段，所述第一波段給出所述光信號(hào)相對(duì)高的增益和噪聲指數(shù)，所述第二波段給出相對(duì)低的增益和噪聲指數(shù)；第一光學(xué)濾波器，在光路上連接到所述光放大媒質(zhì)的所述輸入端，且具有這樣的特性，所述第一光學(xué)濾波器抑制所述第二波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性；第二光學(xué)濾波器在光路上連接到所述光放大媒質(zhì)的所述輸出端，且具有這樣的特性，所述第二光學(xué)濾波器抑制所述第一波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性。
14.一種系統(tǒng)，它包括第一終端站和第二終端站；連接所述第一終端站與所述第二終端站的光纖傳輸線；以及放在所述光纖傳輸線上的至少一個(gè)光學(xué)中繼器；所述第一終端站包括多個(gè)光學(xué)發(fā)送器和一個(gè)光學(xué)多路復(fù)用器，所述多個(gè)光學(xué)發(fā)送器分別輸出具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)，所述光學(xué)多路復(fù)用器對(duì)所述多個(gè)光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用以得到WDM光信號(hào)，并將所述WDM光信號(hào)輸出到所述光纖傳輸線上；所述第二終端站包括一個(gè)光學(xué)多路分解器和多個(gè)光學(xué)接收器，所述光學(xué)多路分解器將所述光纖傳輸線傳送的所述WDM光信號(hào)分成多個(gè)光信號(hào)，所述多個(gè)光學(xué)接收器分別接收所述多個(gè)光信號(hào)；所述光學(xué)中繼器包括光放大媒質(zhì)，泵浦裝置，和光學(xué)濾波器，所述光放大媒質(zhì)有光信號(hào)的輸入端和輸出端，所述泵浦裝置用于泵浦所述光放大媒質(zhì)，使所述光放大媒質(zhì)在預(yù)定波段內(nèi)有實(shí)際簡(jiǎn)單的增益特性，所述光學(xué)濾波器在光路上連接到所述光放大媒質(zhì)的所述輸入端和所述輸出端兩端中至少一端，使所述光學(xué)濾波器抑制所述預(yù)定波段內(nèi)增益的波長(zhǎng)依賴(lài)性，其中所述實(shí)際簡(jiǎn)單的增益特性給出這樣的增益坡度，增益隨波長(zhǎng)的增大而增大。
15.一種系統(tǒng)，它包括第一終端站和第二終端站；連接所述第一終端站與所述第二終端站的光纖傳輸線；以及放在所述光纖傳輸線上的至少一個(gè)光學(xué)中繼器；所述第一終端站包括多個(gè)光學(xué)發(fā)送器和一個(gè)光學(xué)多路復(fù)用器，所述多個(gè)光學(xué)發(fā)送器分別輸出具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)，所述光學(xué)多路復(fù)用器對(duì)所述多個(gè)光信號(hào)進(jìn)行波分多路復(fù)用以得到WDM光信號(hào)，并將所述WDM光信號(hào)輸出到所述光纖傳輸線上；所述第二終端站包括一個(gè)光學(xué)多路分解器和多個(gè)光學(xué)接收器，所述光學(xué)多路分解器將所述光纖傳輸線傳送的所述WDM光信號(hào)分成多個(gè)光信號(hào)，所述多個(gè)光學(xué)接收器分別接收所述多個(gè)光信號(hào)；所述光學(xué)中繼器包括含Er(鉺)摻雜劑的摻雜光纖，泵浦裝置，和光學(xué)濾波器；所述泵浦裝置泵浦所述摻雜光纖，使所述摻雜光纖有這樣的增益坡度，在預(yù)定波段內(nèi)增益隨波長(zhǎng)的增大而增大，所述光學(xué)濾波器有效地連接到所述摻雜光纖，且具有這樣的損耗坡度，所述光學(xué)濾波器抑制所述增益坡度。
全文摘要
一個(gè)由光放大器以及第一光學(xué)濾波器和第二光學(xué)濾波器組成的設(shè)備，光放大器包括光放大媒質(zhì)，第一和第二光學(xué)濾波器有效地連接到光放大器以抑制增益隨波長(zhǎng)的變化。光放大媒質(zhì)有光信號(hào)的輸入端和輸出端。對(duì)光放大媒質(zhì)泵浦，使其提供一個(gè)增益波段。增益波段包含第一波段和第二波段，第一波段給出光信號(hào)相對(duì)高的增益和噪聲指數(shù)，第二波段給出光信號(hào)相對(duì)低的增益和噪聲指數(shù)。
文檔編號(hào)H04B10/17GK1540389SQ20041000593
公開(kāi)日2004年10月27日 申請(qǐng)日期1998年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月11日
發(fā)明者竹田美紀(jì), 木下進(jìn), 尾中寬 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社