低噪声指数增益钳制掺铒光纤放大器

摘要

一种低噪声指数增益钳制掺铒光纤放大器属于光通讯领域。本发明由可调谐激光器提供的信号光输入到90∶10光耦合器的1输入端口，90∶10光耦合器90％输出端口连接到隔离器，隔离器的另一端连接1550/980nm波长选择耦合器的1550端口，其980端口连接980nm泵浦激光器；波长交错复用器的另一端连接掺铒光纤，掺铒光纤的另一端再连接一个隔离器，然后接到波长交错复用器的输入端；波长交错复用器的偶数输出端口连接到光谱分析仪，其奇数输出端通过一个可变衰减器再连接到90∶10光耦合器的2输入端口，形成一个闭合环形腔。本发明被放大的信号光可以不含激光的单独输出，且噪声指数较低，通过改变波长交错复用器的类型，可以使该放大器用于与之相匹配的不同WDM系统。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种掺铒光纤放大器，特别是一种低噪声指数增益钳制掺铒光纤放大器，属于光通讯领域。

背景技术

随着光通讯的迅猛发展，光纤放大器在主干光网络以及城域网系统中的应用都越来越为人们所重视。尤其是掺铒光纤放大器(EDFA)对密集波分复用(DWDM)系统的发展起到了里程碑式的作用。对于应用于DWDM系统的对掺铒光纤放大器，增益钳制，或者叫做增益均衡，是一个重要的特性，它确保掺铒光纤放大器的放大性能不依赖于系统中输入信号功率的大小以及信道的多少。有不少方案可以解决普通掺铒光纤放大器中的增益钳制问题，目前有两种带光纤环形腔的增益钳制结构：一种是同向传播结构，在此结构中，信号与激光沿同一方向传播，因而放大器噪声指数较低，但缺点是不能分离信号光和激光；另一种是反向传播结构，信号与激光反向传播，可以轻易将信号与激光区分开来，但放大器噪声指数较高。因此，在传统的增益钳制掺铒光纤环形激光放大器中，低的噪声指数和信号与激光分开输出难以同时满足。

经文献检索发现，清华大学蔡明、刘晓铭等人所发表论文“Study on NoiseCharacteristics of Gain-Clamped Erbium-Doped Fiber-Ring LasingAmplifier(增益控制掺铒光纤环形激光放大器噪声指数的研究)”，IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.9，NO.8，AUGUST 1997(1997年8月发表于美国电子电气工程学会光电子技术快报)。该文献中掺铒光纤放大器的增益控制是靠环形激光腔实现的，通过改变环形腔中隔离器的方向，可以得到不同性能的增益控制EDFA。文中着重比较了三种情况下EDFA的噪声指数性能差异，即激光腔中隔离器方向和腔外隔离器方向一致，相反以及腔内无隔离器。这三种传播情况各有其优缺点。腔内外隔离器方向相反时，信号光与激光传播方向相同，称为同向传播情况，此时输出光中既有放大的信号光，也有环形腔中输出的激光，因此无法将放大的信号光和激光分开输出，但其优点在于噪声指数较小，该文献得到5.1dB的噪声指数。当腔内外隔离器方向相同时，信号光和激光沿相反方向传播，此时，放大的信号光受激光的冲击，噪声指数增大(6.1dB)，但其优点在于激光不会和放大信号光一起输出。如果腔内没有隔离器，则腔中的激光沿两个方向传播，这是一种折中的情况，也是最坏的情况，其噪声指数介于上面两种情况之间(5.5dB)，达不到很好的效果，同时又不能得到单独的放大信号光输出。本发明就是基于解决上述情况的出发点设计出来的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低噪声指数增益钳制掺铒光纤放大器，通过在光路中使用一个100G/200G的波长交错复用器(Interleaver)，使增益得到钳制，解决上述两个存在于传统的增益钳制掺铒光纤环形放大器的问题，即被放大的信号光可以不含激光的单独输出，并且由于信号光与激光的同向传播和波长交错复用器的滤波作用，得到较低的噪声指数。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明主要包括：90：10的光耦合器、两个隔离器、波长选择耦合器、半导体激光二极管、波长交错复用器、可变光衰减器、可调谐激光器、光谱分析仪(OSA)、掺铒光纤、980nm泵浦激光器，其连接方式为：由可调谐激光器提供的信号光输入到2×2的90：10光耦合器的1输入端口，90：10光耦合器90％输出端口连接到隔离器，隔离器的另一端连接1550/980nm波长选择耦合器的1550端口，其980端口连接980nm泵浦激光器；波长交错复用器的另一端连接掺铒光纤(EDF)，掺铒光纤的另一端再连接一个隔离器，然后接到波长交错复用器的输入端；波长交错复用器的偶数输出端口连接到光谱分析仪(OSA)，检测放大的信号光，其奇数输出端通过一个可变衰减器再连接到2×2的90：10光耦合器的2输入端口，形成一个闭合环形腔。

本发明所用信号光可由可调谐激光器和/或多波长激光器提供；90：10的光耦合器(OC)将90％的信号光耦合进光纤环形腔中；两个隔离器(OI1和OI2)使信号光和激光单向传播；1550/980的波长选择耦合器(WSC)，将信号光和激光耦合在一起输入掺铒光纤(EDF)；半导体激光二极管(LD)，输出90mw的980nm泵浦光；波长交错复用器的奇数端接入光路，从波长交错复用器奇数端输出的自发放大辐射被直接反馈入环形腔来产生激光，而其偶数端则用于输出放大信号；可变光衰减器(VOA)也可由多个不同分光比的耦合器级联而成，用于改变环形腔的损耗进而改变信号光的锁定增益；可调谐激光器或者多波长高稳定激光器分别用于输入单信道和多信道信号光；光谱分析仪(OSA)用于测试输入输出信号光功率、增益及噪声指数。

本发明用100G/200G波长交错复用器适用于200Ghz间隔的密集波分复用系统。改用25Ghz/50Ghz或者50Ghz/100Ghz的波长交错复用器，则该装置还可用于50Ghz或者100Ghz间隔的密集波分复用系统。本发明可以用一个与100G/200G的波长交错复用器相匹配的多波长激光器来替代波分复用系统作为多信道输入信号源。

首先测量出波长交错复用器偶数端的输出谱线，由于波长交错复用器是一个梳状滤波器，因而仅与之偶数输出端的输出谱线相吻合的信号光才可得到放大。调节可调谐激光器，使其输出波长恰好能够通过波长交错复用器的偶数端，而多波长高稳定激光器的各输出波长均能通过波长交错复用器的偶数端。从波长交错复用器奇数端输出的自发辐射谱被反馈进环形腔，然后又进入掺铒光纤得到放大，此时的波长交错复用器对这部分光相当于一个通路。如此循环往复，某个波长的光由于功率相对比较强，不断得到放大并且抑制其余波长的放大，最终这个波长的光在环形腔中形成激光。在此装置中，被放大的信号光和激光共存且同向传播，因而本发明可看作激光器和放大器的共同体。腔中振荡激光的存在使得信号光的增益得到钳制。一方面，稳定激光的存在使得掺铒光纤的平均粒子数反转固定，从而使信号光的增益恒定。从另一方面来看，当振荡激光稳定时，腔中激光能量恒定，为了保持能量守恒，信号光的增益也必须保持恒定。增益恒定意味着信号光的增益不依赖于输入信号光的功率大小和输入信道的多少。

信号光与激光同向传播，使得放大器的噪声指数低于相同条件下的反向和双向传播情况。波长交错复用器也起了个滤波器的作用，它滤掉了输出信号中一半的自发放大辐射功率，而自发辐射功率则是噪声功率的主要来源，因此波长交错复用器的使用降低了放大器的噪声指数。基于上述两个原因，本发明放大器的噪声指数可以达到很低的标准。

改变环形腔的损耗可以改变增益和噪声指数。腔损耗越低，形成的激光功率越强，越能有效的抑制自发放大辐射。因此腔损耗越低噪声指数也就越低。但是，低的噪声指数是以降低信号光的增益为代价的，因为激光功率的增强导致了信号光增益的衰减。

本发明具有实质性特点和显著进步，与普通的增益钳制掺铒光纤环形放大器相比，本发明被放大的信号光可以不含激光的单独输出，且噪声指数较低，通过改变波长交错复用器的类型，可以使该放大器用于与之相匹配的不同波分复用系统。

附图说明

图1本发明结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：90：10的光耦合器1、两个隔离器2和3、波长选择耦合器4、980nm泵浦激光器5、波长交错复用器6、可变光衰减器7、可调谐激光器8、光谱分析仪9、掺铒光纤10，其连接方式为：由可调谐激光器8提供的信号光输入到2×2的90：10光耦合器的1输入端口，90：10光耦合器90％输出端口连接到隔离器2，隔离器2的另一端连接1550/980nm波长选择耦合器4的1550端口，其980端口连接980nm泵浦激光器5；波长选择耦合器4的另一端连接掺铒光纤10，掺铒光纤10的另一端再连接隔离器3，然后接到波长交错复用器6的输入端；波长交错复用器6的偶数输出端口连接到光谱分析仪9，其奇数输出端通过可变光衰减器7再连接到2×2的90：10光耦合器1的2输入端口，形成一个闭合环形腔。

本发明工作中所用信号光由可调谐激光器和/或多波长激光器提供。波长交错复用器6的奇数端接入光路，从波长交错复用器6奇数端输出的自发放大辐射被直接反馈入环形腔来产生激光，而其偶数端则输出放大信号。可变光衰减器7也可由多个分光比的耦合器级联而成。

本发明采用100G/200G波长交错复用器6适用于200Ghz间隔的波分复用系统；采用25Ghz/50Ghz或者50Ghz/100Ghz的波长交错复用器6，则还可适用于50Ghz或者100Ghz间隔的密集波分复用系统；或者一个与100G/200G的波长交错复用器6相匹配的多波长激光器来替代波分复用系统作为多信道输入信号源。

以下结合实施例对本发明作进一步的说明：

首先，按图1所示连接装置，使用一个带有可变光衰减器的可调谐激光源作为单信道输入信号源。为了比较单信道和多信道输入情况下的增益锁定特性，用一个高稳定的多波长激光源作为多信道输入光源，其输出谱线与波长交错复用器的偶数端口输出谱线基本吻合。最后，用一个50：50的光耦合器将上述两光源耦合进该增益钳制放大器的输入端口。输入输出信号光功率、增益及噪声指数的测量都使用EXFO光谱分析仪。下面结合不同的波长数目和不同的光功率输入作为实施例来分析说明本发明的特性。

实施例一

用一个50：50的光耦合器将单波长可调谐光源和多波长高稳定激光源耦合在一起作为放大器的输入信号源。首先，选择1554.97nm信号光作为参考信号光。测量过程中，调节两激光器，确保在50：50光耦合器的输出端口，1554.97nm信号光的输入功率保持-20dBm。单波长放大信号的测量是在多波长激光器关闭的条件下进行的。当腔损耗为16dB时，得到1554.97nm信号光在多信道和单信道输入条件下的输出功率分别为-7.60dBm和-7.30dBm。通过本实验，可得出在两种不同输入条件下，相同信号光的增益差别可以忽略不计，同时也显示了在本发明放大器中，当腔损耗为16dB时，无论多少信道输入，1554.97nm的信号光均保持约12.6dB的增益。

实施例二

为了展示本发明放大器在不同输入功率下的增益锁定特性，需要测量单信道和多信道输入条件下的增益-输入信号功率变化关系。其中，普通的放大器即没有环形腔的放大器。实验中仅考虑1546.92nm信号光，因为高稳定多波长激光源的输出谱线中它的功率最强，并且它能够从波长交错复用器的偶数端输出。在传统放大器中，单波长和多波长输入条件下增益随输入信号功率变化关系基本相同，即增益随着输入信号功率的增加而衰减，同时输入信道增加时1546.920nm波长的增益减少约3dB。因此，传统的EDFA明显不能满足WDM系统信道增减对增益稳恒定的要求。在增益钳制EDFA中，单波长和多波长输入条件下增益随输入信号功率变化关系也基本一致。在两种输入条件下，均保持腔损耗为18dB。在该增益钳制EDFA中，单波长和多波长输入条件下增益分别锁定为13.8dB和13.4dB。在输入信号功率从-30dBm到-5dBm的变化区域，增益变化小于0.2dB。在两种输入条件下，约0.4dB的增益变化一部分是来自于测量误差以及光谱分析仪的连接损耗。

实施例三

实验还得出1546.92nm信号光在不同腔损耗下，其增益和噪声指数随输入信号功率的变化关系。普通的EDFA(可看作腔损耗为无穷大的增益钳制EDFA)在小信号输入条件下其增益和噪声指数分别为28dB和6.4dB。它们都随着输入信号功率的增加而衰减。而在增益钳制EDFA中，当腔损耗为24dB和18dB时，输入信号功率在-32dBm到-10dBm的变化区域内，增益分别被锁定为17.8dB和14dB。增益以及动态增益钳制区域(增益保持稳定的输入功率变化区域)的大小都随着腔损耗的变化而变化。随着腔损耗的减少，增益变得越来越小，而动态增益钳制区却变长。当腔损耗分别为无穷大、24dB和18dB时，噪声指数相应为6.4dB、5.8dB和4.2dB。增益钳制EDFA的噪声指数低于普通EDFA的原因在于，环形腔产生的激光功率强烈的抑制了自发放大辐射的功率，而自发放大辐射即为噪声的主要来源。腔损耗越低，形成的激光功率越强，越能有效的抑制自发放大辐射。因此腔损耗越低噪声指数也就越低。但是，低的噪声指数是以降低信号光的增益为代价的，因为激光功率的增强导致了信号光增益的衰减。