具有减小的温度相关增益平滑度失真的光纤放大器

摘要

本发明涉及能够减小温度相关增益曲线失真的光纤放大器。光纤放大器使用两种类型的光纤。它们串联以便补偿温度相关增益曲线失真。

说明书

本发明涉及光纤放大器，具体地说，涉及能够减小温度相关增益曲线失真的光纤放大器。

很久以来人们就认识到光纤放大器对于放大光学信号是有吸引力的选择。例如，已经提议把光纤放大器用作辅助放大器，以便提高电信光学发射器的输出功率，或者作为电信中继器，以便不需把光信号变换为电信号而放大光信号。

尤其是，搀铒光纤放大器(EDFA)的出现对于光通信系统的设计、制造和性能具有深远影响。它的低噪声、高光功率、高增益、线性、宽带宽、波长透明度、与偏振无关性和光纤相容性，通过有效去除传输和分离损耗障碍，给光通信带来彻底革命。因此如今，长距离陆地和越洋光纤通讯以及局域和广域网络已经变为现实。

然而，EDFA多信道增益带宽是表征应用于密集波分多路复用(WDM)的EDFA的重要参数。已经进行了艰苦的努力，以便扩展EDFA的增益平滑带宽，包括最近论证的亚碲酸盐基EDFA、长波EDFA、和氟化物基EDFA。在把这些放大器应用于高功率实场WDN系统时，了解它们与温度有关的增益特性是十分重要的。然而，关于EDFA与温度有关的特性的研究限于单信道应用，尤其是集中于它的增益特性，如M.Yamada等在论文“搀Er³⁺光纤放大器中与温度有关的信号增益”(“Temperature Dependence of Signal Gain in Er3+-Doped OpticalFiber Amplifiers”)中描述的那样，论文发表在《IEEE J.量子电子学》(IEEE J.Quantum Electron.)第28卷，第3期，第640页，1992年。众所周知，吸收和发射截面是温度以及波长的函数，但是还没有进行认真的研究以便发现对于多信道情况可能的增益平滑度变形。没有进行认真研究的部分原因可能在于关于信道噪声指数的精确测量技术以及获得多个高光谱纯度发射源的复杂性。

因此，本发明通过数值模拟，理论上研究利用铝锗硅酸盐或氟代锆酸盐基光纤的两种类型光纤放大器与温度有关的多信道增益平滑性。结果表明在ITU(国际电信联盟)指定的温度范围内增益平滑性变化为2.7dB。还发现这一由温度引起的增益平滑性变形不能如单信道应用那样，通过自动增益控制校正，表明应对应用于WDM的EDF进行主动温度控制。

放大器作为均匀加宽的三级系统建模，光谱栅格为0.1nm，光谱范围为120nm，位于1480nm至1600nm之间。该光谱范围足够宽，以便覆盖铒离子的几乎整个吸收和发射截面波长范围，包括泵浦波长和信号波长。通过以前出版的关于二氧化硅和ZBLAN(锆、钡、环巴比妥、铝、钠)光纤(参见N.Kagi et al.的论文“搀铒光纤与温度有关的增益”(“Temperature Dependence of the Gain in Erbium-doped Fibers，”)，发表在IEEE J. Lightwave Technol.第9卷，第2期，第261页，1991年；和J. Kemtchou et al.的论文“不同玻璃宿主的搀铒光纤中吸收和发射截面温度相关性的比较”(“Comparison of Temperature Dependences of Absorption andEmission Cross Sections in Different Glass hosts ofErbium-doped Fibers”)，发表在OAA’96，第126页，论文FD2，1996)的论文中截面对温度的线性外插关系计算感兴趣温度上的吸收截面。然后这一数据序列用于根据McCumber理论计算在所述温度的发射截面。其他假设包括泵浦二极管以及无源元件的固定温度光谱特性。

利用分布在1531至1563nm之间间距0.8nm的41个输入信号进行模拟，每个信道的输入功率为-20dBm。在EDFA模拟中还包括中间级光谱滤波器，该滤波器设计成在25℃工作温度下平滑放大器的多信道增益曲线。对于两个放大器使用这些滤波器获得的增益平滑度在32nm范围内为0.2dB，而且每个信道的输出功率对在25℃的均衡EDFA大约为0dBm。

图1A和1B示出了ZBLAN光纤放大器没有和具有滤波器的情况下在温度25℃时的输出光谱。对于ZBLAN放大器，均衡滤波器的详细光谱曲线也示于图2中。通过假设即使实场中环境发生变化，增益平滑滤波器例如长周期光纤光栅的光谱形状将固定为25℃的形状，发明人计算了这些光纤放大器在0℃和50℃时的多信道增益曲线，以及相应的在这些温度下的吸收和发射截面，以便观察仅来自EDF的增益平滑度的温度相关性。

图3A和3B分别示出了在不同工作温度ZBLAN光纤和二氧化硅基同时搀杂铝的光纤的不同信道的信号增益变化。参考图3A和3B，观察到每个信道中出现的不同增益变化量影响使用为25℃设计的中间级无源光谱滤波器所获得的增益平滑度。对于ZBLAN基EDFA，在波长1544.4nm相对温度的最大增益变化为2.7dB/50℃，在这一工作条件下增益变化在1dB以内的波长范围小于15nm。只调节泵浦功率不足以补偿与温度相关的多信道增益变形，而是大概只移动总输出功率水平。还发现噪声指数是温度的函数，如所期望的，在感兴趣的光谱范围内给定信道上产生高达+/-0.2dB/50℃的变化。对于二氧化硅基同时搀的铝的EDGA，在1560.4nm的最大增益变化为1.45dB/50℃，而且增益变化在1dB以内的波长范围为27nm，比ZBLAN基EDFA的宽。而且，在短波处二氧化硅基EDFA表现出更强的温度相关噪声指数变化(在1534nm最大变化为+/-0.5dB/50℃)，对于噪声指数敏感应用限制了可用温度不敏感带宽。

如上所述，发明人研究了对于密集WDM应用的二氧化硅基同时搀铝的EDFA和ZBLAN基EDFA的温度相关多信道增益特性。结果表明如果不进行温度控制或主动滤波器均衡，目前状态的ZBLAN基EDFA在WDM应用中，尤其是对于恶劣环境中的EDFA级联网络，可能导致严重的增益波动。虽然严重程度较轻，除了在短波处有严重的噪声指数波动以外，铝二氧化硅基EDFA在信道增益上也可能具有类似的问题。

因此，本发明的目的是提供一种能够平滑与温度高度相关的增益曲线的光纤放大器。

为了实现上述目的，本发明提供了具有复合光纤的光纤放大器。复合光纤由至少两股串联的光纤构成，所述光纤由不同的基制成。

光纤股可以搀杂稀土元素，例如铒。

光纤股最好可以包括二氧化硅基同时搀铝的光纤和ZBLAN光纤。

具体参考附图详细描述本发明，其中：

图1A和1B分别示出了在温度25℃时ZBLAN光纤放大器没有和有均衡滤波器时的输出光谱；

图2示出了用于ZBLAN光纤放大器中的均衡滤波器的详细光谱曲线；

图3A和3B分别示出了在不同工作温度下ZBLAN光纤和二氧化硅基同时搀铝的光纤在不同信道上的信号增益变化；

图4示出了根据本发明的实施例的光纤放大器的增益曲线；

图5示出了根据本发明的实施例的光纤放大器在不同工作温度下不同信道上的信号增益变化。

在本发明的实施例中，使用两种类型的搀铒光纤以便补偿增益曲线的温度相关变形。所述光纤是二氧化硅基同时搀铝的光纤和ZBLAN光纤，它们具有不同的温度特性。相同长度的光纤串联连接。

图4示出了根据本发明实施例的光纤放大器的增益曲线。利用分布在1531至1563nm之间间距0.8nm的41个输入信号观察曲线。使用均衡滤波器平滑增益曲线。

图5示出了根据本发明实施例的光纤放大器在不同工作温度0℃和50℃下在不同信道的信号增益变化。参考图5，虽然总增益水平稍微移动了，每个信道的增益平滑度在0.5dB以内。

通过这些结果得出结论：本发明的EDFA优越于那些只使用二氧化硅基同时搀铝的光纤或ZBLAN光纤的EDFA。调整泵浦功率可以补偿总增益水平的变化。