用于水下应用的光传输系统和光放大器装置

摘要

一种用于水下应用的光放大器装置。该光放大器装置包括：第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器，其分别具有用于对各自在各个光纤上传播的光信号(OS，OS’)进行放大的第一光纤放大器和第二光纤放大器，所述光纤运行于相反的运行方向(W－E，E－W)上；以及包括多个泵浦光源的公共泵浦源，该公共泵浦源作为共同传播泵浦通过耦合器耦合到第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的第一光纤放大器和第二光纤放大器。所提出的光放大器装置还包括在第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的两个光纤放大器之间的增益平坦滤波器。由此，所提出的光放大器装置可以在恒定泵浦功率下提供关于输出功率的提高的效率，并且允许调整用于维持给定输出功率的泵浦功率而不会造成过度的NF降级。

说明书

本发明基于欧洲优先权申请EP 05 292 484.2，在此通过引用包括其内容。

技术领域

本发明涉及一种用于水下应用的光放大器装置，包括：第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器，其分别具有用于对在各个光纤上传播的每个光信号进行放大的第一光纤放大器和第二光纤放大器，所述光纤运行于相反的运行方向上；以及公共泵浦源，其包括多个泵浦光源，所述公共泵浦源通过耦合器耦合到所述第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的所述第一光纤放大器和第二光纤放大器。

本发明还涉及一种用于水下应用的光传输系统，包括第一光纤，用于在第一运行方向上传播光信号；以及第二光纤，用于在与所述第一运行方向相反的第二运行方向上传播光信号。

背景技术

在目前的用于水下应用的光放大器装置中，在包括于光放大器装置中的单个两级光纤放大器的第二光纤放大器的输出端插入增益平坦滤波器(GFF)，以便使该两级光纤放大器的增益平坦且不会使放大器的噪声指数(NF)降级。然而，在这种情况下，两级光纤放大器的输出功率会由于滤波器而减小(插入损耗)。

如果考虑高增益(＞16dB)和宽传输带宽(27nm或更多)，则由于现有技术的光放大器装置而造成的插入损耗将变得极大。因此，在现有技术中，光放大器装置的输出功率，即包括于光放大器装置中的单个两级光纤放大器的输出功率被限制得只有中等功率级别。作为替代，达到较高输出功率级别所需的泵浦功率变得极高，从而必须使用很大数量的泵浦光源，例如激光二极管，这会导致减小整个系统的成本有效性。

对于将来的应用，希望继续提高跨距长度，即水下光传输系统中连续的光放大器装置之间的距离(并且因此相应的跨距损耗)，以减小传输系统中放大器的数目，使得整个系统的成本降低。此外，具有极大有效面积(达到200μm²)的将要出现的新一代光纤可能会造成跨距损耗增大大约4dB，这必须通过相应的EDFA(掺铒光纤放大器)输出功率的增大来补偿，以便维持当前光传输系统的性能参数。

此外，必然希望在将来使系统带宽增大到32nm或者甚至38nm。作为这些系统修改的结果，导致的GFF损耗将急剧增大。然而，出于上述原因，相应地增大现有技术光放大器装置的输出功率将是不可能的。

目前使用的大多数水下光传输系统具有相对中等的跨距损耗(最大15dB)，并且其中一些系统具有宽带宽(27nm)。具有较短的到达距离和相应的较高跨距损耗(达到30dB)的系统使用窄带宽放大器(＜17nm)并且不需要增益平坦滤波器。在本发明的上下文中，如果考虑与宽带宽放大器有关的高跨距损耗，则现有技术传输系统中所提出的解决方案将使泵浦功率增大几个分贝以补偿GFF的额外损耗，或者将使用只具有低输出功率的放大器，这显然不会得到最佳的系统性能。然而，如果在光传输系统中所用的放大器输出功率太低，就只能通过在系统中增加更多的放大器以降低跨距损耗来将整个系统的性能提高到可接受的级别。然而这样一种方法，将导致增大整个系统的成本。另一方面，通过提供大泵浦光源来增大输出功率将遇到这样的现实，即不能得到高于500mW的泵浦功率。简单地提供越来越多的单个泵浦光源将又一次地给整个系统成本带来负面影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于水下应用的光放大器装置，其可以在消除上述缺点的同时提供高输出功率且不会使NF降级。

本发明的另一个目的是提供一种用于水下应用的光传输系统，其运行于高跨距损耗和宽带宽下，而不造成整个系统的过多成本。

根据本发明的第一个方面，通过提供一种用于水下应用的光放大器装置来实现该目的，该光放大器装置包括：第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器，其分别具有用于对各自在各个光纤上传播的光信号进行放大的第一光纤放大器和第二光纤放大器，所述光纤运行于相反的运行方向上；以及包括多个泵浦光源的公共泵浦源，该公共泵浦源作为同向传播泵浦通过耦合器耦合到第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的第一光纤放大器和第二光纤放大器。该光放大器装置还包括在第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的两个光纤放大器之间的增益平坦滤波器。耦合器可以设计为标准耦合器，偏振合束器，或任意类型的复用器，特别是波长复用器，为了简便起见，所有这些都用统一的术语“耦合器”来引用。

根据本发明的第二个方面，还通过提供一种上述类型的光传输系统来实现该目的，其中所述光传输系统包括至少一个根据本发明的第一个方面的光放大器装置。

作为一个基本的思想，本发明提出使用在两个放大器级之间插入了GFF的两级光纤放大器体系结构。这种特定方法还通过提供一种为获得各种增益和输出功率特性而在第一放大器级和第二放大器级之间优化泵浦功率插入的可能性，而支持在两个放大器级之间的各种泵浦功率分路方案，以确保整个系统的水下可靠性。

在根据本发明的光放大器装置的一个实施例中，公共泵浦源包括与耦合器可操作地连接的多个泵浦场组合器，泵浦场组合器适于对多个泵浦光源进行复用。优选地，泵浦光源设计为激光二极管，并且泵浦场组合器设计为偏振合束器(PBC)。以这种方式，可以将很多单个的泵浦光源有效地耦合到放大器级，由此提高整个系统的可靠性，这是水下应用的重要特征。此外，使用偏振合束器可以有效地减小光传输系统中的偏振依赖增益(PDG)。

在根据本发明的光放大器装置的另外的实施例中，耦合器是星状耦合器，适于将相同的泵浦功率插入第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的第一光纤放大器和第二光纤放大器中。以这种方式，可以实现50∶50的泵浦功率分路比。

为了能够改变输入到两级光纤放大器的第一级和第二级的泵浦功率，在根据本发明的光放大器装置的另一个实施例中，通过所述耦合器将泵浦源耦合到具有预定分路比的第一分路器和第二分路器中，其中第一分路器以所述预定的分路比将泵浦光耦合到第一两级光纤放大器的第一光纤放大器和第二光纤放大器中，并且第二分路器以所述预定的分路比将泵浦光耦合到第二两级光纤放大器的第一光纤放大器和第二光纤放大器中。作为替代，第一分路器和第二分路器可以具有不同的分路比，下文中将其称为“泵浦功率分路比”。然而，由于水下系统通常是完全对称的，正常的情况下在东-西方向与西-东方向上使用相等的分路比。在根据本发明的光放大器装置的另一个优选的实施例中，所述耦合器设计为熔锥型光纤耦合器形式。以这种方式，可以容易地实现各种泵浦功率分路比。

然而，为了获得应用特定的增益和功率输出特性，在根据本发明的光放大器装置的一个优选实施例中，所述耦合器优选地是3dB耦合器，并且在各运行方向上的第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器中的预定的分路比定义为偏向于第一光纤放大器的泵浦功率分路比，优选为70∶30。更一般地，将预定的分路比定义为使得以偏向于第一光纤放大器即第一放大器级的方式在各两级光纤放大器的两级之间对可用泵浦功率进行分路。

作为替代，尤其当要求大增益和高输出功率时，所插入的泵浦功率的绝大部分应当被送入两级光纤放大器的第二级。因此，在根据本发明的又一个实施例中，所述耦合器优选地为3dB耦合器，并且在各运行方向上的第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器中的预定分路比定义为偏向于第二光纤放大器的泵浦功率分路比，优选为70∶30的分路比。

由于两级光纤放大器中的单个光纤放大器级优选地设计为采取掺铒光纤放大器(EDFA)的形式，在确定用于特定增益和/或泵浦功率级别的上述泵浦功率比时必须考虑第一光纤放大器和第二光纤放大器的组合光纤长度在两个放大器级上的分布。因此，在根据本发明的光放大器装置的另一个实施例中，在各运行方向上的第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器中的第一光纤放大器具有比在相应运行方向上的第二光纤放大器更长的光纤长度，其中所述第一光纤放大器优选地构成第一光纤放大器和第二光纤放大器的组合光纤长度的70％。在本上下文中，术语“运行方向上的第一/第二光纤放大器”表示在双级光纤放大器中由在所述运行方向上传播的光信号首先/然后遇到的特定放大器级。

作为替代，在根据本发明的光放大器装置的另一个实施例中，给定两级光纤放大器中的第一光纤放大器和第二光纤放大器具有相等的光纤长度，并且在根据本发明的光放大器装置的另一个实施例中，在各个运行方向上的第一光纤放大器具有比相应运行方向上的第二光纤放大器更短的光纤长度，其中所述第一光纤放大器优选地构成所述第一光纤放大器和第二光纤放大器的组合光纤长度的30％。

为了进一步增强泵浦节省的可能性和/或输出功率，在根据本发明的光放大器装置的又一个相应的实施例中，所述第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器包括旁路装置，该旁路装置适于将来自关于所述运行方向的第一光纤放大器的残余泵浦功率作为反向传播泵浦的插入关于该运行方向的第二光纤放大器。使用泵浦功率(在980nm的波长下)来激发铒离子。然后，铒离子将其能量转移给波长大约为1550nm的信号光子。当波长为1550nm的信号功率很高时，铒离子将其能量很快地转移给该波长为1550nm的信号，并且因此可以吸收更多的波长为980nm的泵浦功率。由于衰减，光纤中的泵浦功率会随着掺铒光纤的长度而降低，因此10m之后的泵浦功率低于1m之后的泵浦功率。因此，如果铒光纤长度太短，或者如果泵浦功率太高，或者还有如果信号功率太低，则在第一EDFA级的输出端的泵浦功率是不能忽略的。该泵浦功率称为在第一级输出端的“残余泵浦功率”。可以对该波长为980nm的泵浦功率进行解复用，并且随后将其在此插入到第二级以提高泵浦效率。另外，较高的残余泵浦功率可能会引发问题，原因是波长为980nm的功率没有被放大器的输出端的隔离器发送出去，并且可能会使隔离器变热并损坏它。

从以下参考附图而描述的优选实施例中可以总结出本发明的更多优势和特性。可以根据本发明单独地或关联地使用以上和以下所提及的特征。所提及的实施例不应理解为穷尽的列举，而应理解为关于本发明的基本概念的示例。

附图说明

图1是根据本发明的光传输系统的示意性框图，该系统包括根据本发明的另一个方面的光放大器装置；

图2是根据本发明的光放大器装置的第一实施例的框图；

图3是根据本发明的光放大器装置的第二实施例的框图；以及

图4是根据本发明的光放大器装置的第三实施例的框图。

具体实施方式

以下对本发明的详细描述参考了附图。在不同的附图中使用相同的标号标识相同或相似的元件。

图1示出了根据本发明的一个方面的用于水下应用的光传输系统1的示意性框图。光传输系统1包括第一光纤2和第二光纤3。第一光纤2适于在相应的第一运行方向W-E上传播光信号OS，如图1中的箭头所示。第二光纤3适于在与所述第一运行方向相反的第二运行方向E-W上传播光信号OS’，如图1中的箭头所示。对于水下应用，可以用西-东光纤/光缆来标识所述第一光纤2，而用东-西光纤/光缆来标识所述第二光纤3。为了补偿光信号OS、OS’在上述类型的光传输系统1中的跨距损耗，通常在光纤2和光纤3上布置多个光放大器装置4.1-4.3。

为了获得高放大器增益(可能在32nm-38nm量级的相对较宽的系统带宽下)和/或节省包含在光放大器装置4.1-4.3中的光放大器所需的泵浦功率，本发明提出使用现在将参考附图2和附图4来描述的光放大器装置。

图2示出了根据本发明的光放大器装置的第一实施例的框图。为了与上述图1中的说明一致，已经为图2的光放大器装置指定了参考标号4.x，其中参考标号4.x以一般的方式代替了图1的参考标号4.1-4.3。

图2的光放大器装置4.x包括两个泵浦光源5.1、5.2，例如激光二极管，其有效地形成如图2中用虚线框表示的公共泵浦源5。泵浦光源5.1、5.2可操作地与星状耦合器6相连接，星状耦合器将公共泵浦源5即单个泵浦光源5.1、5.2耦合到分别布置在第一光纤2和第二光纤3上、用于放大在其上传播的光信号OS、OS’的各个第一光纤放大器7.1、7.2和第二光纤放大器8.1、8.2。如图2所示，布置在第一光纤2上的第一光纤放大器7.1和第二光纤放大器8.1形成第一两级光纤放大器9.1，如图2中用虚线框所示。相应地，布置在第二光纤3上的第一光纤放大器7.2和第二光纤放大器8.2形成第二两级光纤放大器9.2。分别地，在第一两级光纤放大器9.1的两个光纤放大器7.1、8.1之间以及在第二两级光纤放大器9.2的两个光纤放大器7.2、8.2之间，光放大器装置4.x包括增益平坦滤波器(GFF)10.1、10.2。关于各个光信号OS、OS’的传播方向来指定所述第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2中的第一光纤放大器和第二光纤放大器，即关于光信号OS、OS’的传播方向各个第一光纤放大器7.1、7.2布置在相应的第二光纤放大器8.1、8.2之前。

在图2的实施例中，耦合器6设计为2x4星状耦合器，其适于将相同量的泵浦功率从公共泵浦源5插入第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2的第一光纤放大器7.1、7.2和第二光纤放大器8.1、8.2的每个中。

在根据本发明的光放大器装置的上述实施例中，已经相对于现有技术对GFF 10.1、10.2在各个两级光纤放大器9.1、9.2内的位置进行了优化，以便提高放大器装置的效率，即在恒定泵浦功率下提高输出功率或在保持相同输出功率的同时降低泵浦功率，同时不会不利地造成光放大器装置的噪声指数(NF)降级。

图3示出了根据本发明的光放大器装置4.x的第二实施例的框图。图3的实施例与上述图2的实施例的不同之处在于，插入到第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的第一光纤放大器和第二光纤放大器中的泵浦功率的比是不相等的。特别地，插入到第二光纤放大器8.1、8.2，即两级光纤放大器9.1、9.2的各第二级的泵浦功率可以在以降低插入到相应的第一光纤放大器7.1、7.2的泵浦功率为代价的情况下得到提高。这种解决方案在考虑非常大的增益(＞20dB)时是特别有益的。

在图3的实施例中，光放大器装置4.x包括形成公共泵浦源5的两个泵浦光源5.1、5.2，其耦合到3dB耦合器，即50∶50分路器11。3dB耦合器11平均地将公共泵浦源5的泵浦功率在两个分路器12.1、12.2之间进行分配。分路器12.1、12.2具有预定的分路比x/y，并且可以设计为熔锥型光纤耦合器。在图3的实施例中，分路器12.1、12.2的所述预定分路比定义为x/y＝30∶70。分路器12.1、12.2的输出端分别与第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2的各级相连接，以便各第一光纤放大器7.1、7.2接收到达各分路器12.1、12.2的泵浦功率的x％(30％)，并且各第二光纤放大器8.1、8.2接收到达各分路器12.1、12.2的泵浦功率的y％(70％)。

如果要求较大的输出功率(或归因于增大冗余的较高可靠性)，则还可以使用具有更高数目泵浦光源的配置，例如用4个泵浦光源代替2个泵浦光源。

图4示出了根据本发明的光放大器装置4.x的另一个实施例的框图。图4的实施例余上述图3的实施例的不同之处在于，公共泵浦源5包括4个单个的泵浦光源5.1-5.4，其中成对的泵浦光源5.1/5.2和5.3/5.4耦合到优选地采取偏振合束器(PBC)形式的各个泵浦场组合器13.1、13.2。与图3的实施例类似地，泵浦场组合器13.1、13.2的各偏振组合的输出端耦合到3dB耦合器11。

该特定实施例允许对4个泵浦光源5.1-5.4进行复用，并与上述图3的实施例类似地，获得在两级光纤放大器9.1、9.2的各级之间实现不相等的功率再分配的可能性。

此外，图4的实施例与上述图3的实施例的不同之处在于，分别在第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2中包括增益倾斜补偿装置14.1、14.2，其中所述增益倾斜补偿装置14.1、14.2可以设计为可变光衰减器(VOA)，或设计为有源翻转器(active tilter)，并且被布置在级间，即在各第一光纤放大器7.1、7.2与第二光纤放大器8.1、8.2之间。增益倾斜补偿装置14.1、14.2可以被用于补偿光传输系统1(图1)的老化或修复。由于老化和系统修复，整个系统损耗增大并且导致将使整个传输系统的性能下降的增益倾斜。在图4的实施例中，可以通过调整VOA的衰减或通过有源翻转器的动作来补偿倾斜。可以理解，增益倾斜补偿装置14.1、14.2可以位于GFF 10.1、10.2之前或之后。

此外，VOA或翻转器解除了对包含于两级光纤放大器9.1、9.2的各光纤放大器7.1、7.2、8.1、8.2的制造约束。单个光纤放大器优选地设计为掺铒光纤放大器(EDFA)，因此在尚未将掺铒光纤调整到生成平坦增益所需的长度的情况下，这也可以通过增益倾斜补偿装置14.1、14.2来补偿。

在根据本发明的光放大器装置的另一个实施例中，在各第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2中还提供了旁路15.1、15.2，用于将出现在各第一光纤放大器7.1、7.2的输出端的残余泵浦功率作为反向传播泵浦插入第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2的第二光纤放大器8.1、8.2，如图4的虚线所示。该特定实施例的重要性稍后将变得明显。

如同参考图3和图4已经详细描述的，可以在各第一两级光纤放大器和第二两级光纤放大器的第一放大器级与第二放大器级之间实现各种不相等的泵浦功率再分配。为了获得最佳的系统增益和/或降低全部的所需泵浦功率，必须根据第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2的各放大器级的内部配置，即在EDFA的情况下，根据给定光纤放大器7.1、7.2、8.1、8.2内部的掺铒光纤的各个长度来调整功率再分配方案，即分路器12.1、12.2的分路比x/y的实际数字配置。

在第一种情况下，已经使用本申请人所有的软件对具有较大跨距损耗即在光纤2、3上的两个光放大器装置4.x之间光信号功率损耗为25dB且单个光纤放大器(1535nm-1567nm)的带宽为32nm的光传输系统1(图1)进行了仿真，其中光放大器装置定义为具有21dBm的目标输出功率。所找到的有益系统体系结构的数目已经进一步被限制，因为必须要满足：在获得关于所需泵浦功率的较大节省的同时，各光纤放大器(EDFA)的噪声指数(NF)与现有技术相比不应当高出超过0.1dB。下文中的表1列出了根据作为第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2的整个组合光纤长度L的部分的各第一两级光纤放大器9.1和第二两级光纤放大器9.2的第一光纤放大器7.1、7.2的光纤长度L1和第二光纤放大器8.1、8.2的光纤长度L2而变化的泵浦节省百分比。表1中的结果是在相关联的第一放大器级与第二放大器级之间的泵浦功率分路比为50∶50的情况下获得的。如同可以从表1中所总结出来的，当如图4所示地通过旁路15.1、15.2将第一放大器级7.1、7.2的输出端的残余泵浦功率作为反向传播泵浦插入到各第二光纤放大器8.1、8.2时泵浦节省是最高的。

泵浦节省(％)  L1/L(％)  L2/L(％)    备注    36    30    70在第一级的输出端有较高的残余泵浦功率    38.3    70    30    39.7    50    50    47.5    30    70利用旁路将残余泵浦功率作为反向泵浦插入到第二级

表1

表2列出了利用根据本发明的光放大器装置所获得的结果，其中各第一级与第二级之间的分路泵浦比为30∶70。在该特定情况下，如同可以从表2中总结出来的，只找到一种体系结构可以达到上面提及的噪声指数目标。

泵浦节省(％)  L1/L(％)  L2/L(％)    备注    47.8    50    50

表2

在第二种情况下，已经与32nm的放大器带宽和18dBm的输出功率有关地考虑了跨距损耗为20dB的光传输系统1(图1)。在该特定情况下，只找到一种特定的体系结构可以达到强制的噪声指数目标，即在两级光纤放大器的各第一级和第二级之间的泵浦功率分路比应当定义为偏向于第一放大器级7.1、7.2的70∶30。在下面的表3中给出了相应的结果。

泵浦节省(％)  L1/L(％)  L2/L(％)    备注    20.5    50    50    20.5    70    30

表3

在最后一种配置中，泵浦功率节省对在根据本发明的给定两级光纤放大器中的第一放大器级和第二放大器级之间的光纤长度比不是非常敏感。然而，第一级的光纤长度L1应当至少等于第二级的光纤长度，以便使噪声指数降级最小化。

参考所提出的本发明的实施例，可以显著地降低为获得与以往的光传输系统体系结构相同的输出功率所需的泵浦功率。作为替代，与现有技术相比，可以增大用于水下应用的光放大器装置的输出功率，同时保持各泵浦光源的相同的泵浦功率。如果整个系统受到光信噪比(OSNR)的限制并且不受到非线性效应的限制(这可能是水下系统中具有很长跨距的情况)，则可以改善系统性能，原因是输出功率的提高远远大于可能的相关联的NF降级。