按不同波长能动控制其增益的光放大器及可调谐输出光谱的光纤光源

本发明涉及光放大器和光纤光源技术领域，特别是一种可以调节光放 大器的增益率，即可以按所期望的形状调节增益曲线，可以调节光源输出 的分段光谱的输出特性的按不同波长能动控制其增益的光放大器及可调谐 输出光谱的光纤光源。

在光纤通信系统中，关键问题是在数十纳米波长范围内得到一定的增 益率，为达到这一目的以前使用了具有固定衰减率的固定波长滤波器，图 1是现在广泛使用的具有手动增益平坦化功能的两段掺铒光纤放大器的构 成图。如图1：手动型增益平坦化用滤波器(100)位于第1段掺铒光纤( 110)和第二段掺铒光纤(111)之间。手动型增益平坦化用滤波器主要应 用光栅或涂层薄膜滤波器。按照用途不同，各自的掺铒光纤的长度，掺铒 浓镀、泵浦光强大小及其方向等不一样。光信号(130、131)可以单从一 个方向入射，但图1所示的情况是从两个方向都入射。此光放大器中，各 个光信号通过光耦合器(140、141)入射到掺铒光纤(110、111)得到放 大。图1所示的两段光放大器，和一段光放大器比具有增益率和噪声特性 较好的优点。光信号只允许从一个方向入射时，可以在滤波器(100)的 旁边设置光隔离器，限制从逆方向来的自发射光。一般情况下，光经过掺 铒光纤放大之后其增益随着滤长大小有着数dB的偏差。图2所示是采用适 当的滤波器得到平坦化增益曲线的情况。增益的平坦化在光纤通信中非常 重要。但是，光放大器的驱动条件，如入射光信号的大小，光增益率的大 小，泵浦光强的大小，环境温度的高低等情况发生变化时，因掺铒光纤的 增益特性发生变化，得不到平坦化增益曲线。这样的变化在光通信系统的 再构成或老化时也发生，为了实现稳定的光通信系统，必须有一种能够随 着驱动条件的变化而能动产生平坦化增益的智能型光放大器。和掺铒光纤 光放大器一起，利用光纤的拉曼非线形效果的光放大器也广泛研究和应用 于光放大手段。拉曼光放大器的基本构成图类似于图1所示的掺铒光放大 器，但此时所用的增益光纤是一般光纤或拉曼效率高的、数值孔径数 (Numerilal Aperture简称NA)大的光纤。作为泵浦手段采用数百mw以上的高输 出激光，其波长决定于拉曼波长移动值。拉曼增益曲线的波长带宽是100nm左右， 比一般掺饵光纤的范围大，但是其随波长大小的增益率差别较大。所以，用拉曼 光放大器的时候也需要一种具有光平坦化增益，且随着驱动条件的变化能够能动 调节其增益率的智能型光纤光放大器。

本发明的目的是提供一种随着驱动条件的变化，能动地得到所期望形状增益 和能够随着外部环境的变化能动地得到所期望形状输出分段光谱的按不同波长 能动控制其增益的光放大器及可调谐输出光谱的光纤光源。

本发明是这样实现的，该按不同波长能动控制其增益的光放大器，其特征是 由能把特定区域中的各种波长光信号，随波长大小按整体增益率函数放大的，产 生光增益的增益介质，泵浦该增益介质并往增益介质里输入光信号的激光泵浦器 和按不同波长可以改变衰减率函数的至少一个以上的可调谐波滤波器构成。

该可调谐输出光谱的光纤光源，其特征是由掺加增益介质的一定长度的光 纤，引导光纤的增益反转并产生自发光的光泵浦装置，位于增益光纤的至少一处 以上位置、随波长可以调节衰减率函数的至少一个以上的可调谐滤波器和向可调 谐滤波器输人电信号，并控制衰减率函数的滤波器驱动装置。

使用本发明的能动型光放大器，在波分复用光通信系统等的各种不同的驱 动条件下可以取得所期望的各种形式的增益曲线。比如，所期望的增益曲线为平 坦化曲线时，可以克服因入射光强大小变化而产生的光谱烧孔现象和环境温度变 化等影响，维持一定的增益率，因光通信网的变化而增益率发生变化时也可以维 持增益平坦代。在多个光放大器组成光通信线路时，可以都使用能动型放大器， 也可以每几个手动型光放大器使用一个能动型放大器。另外，可以在光源和光线 路之间做为前段放大器，当不同波长的光衰减或光增益不同时，在此前段放大器 上调节各个波长的光强，给光衰减大的波长以小的光强，光衰减小的波长以大的 光强，从而减小不同波长信号之间的噪音。作为本发明的另外一个实施例——可 调谐输出光谱的光纤光源，可以能动地适应外部环境的变化，保持一定的光谱， 能够使用在光纤回转仪、白色光干涉和波分复用光通信元件的特性分析等领域中。 另外它是具有周期性透过率的分段光谱光源，可以作为波分复用光通信系 统的光源。此时可以按照所期望的形状分别控制各个波长通道的光强补偿 各个不同波长通道的不同的光衰减，得到最大的信号比噪音值。

以下结合附图对本发明做进一步的描述；    

图1是现有技术的举例，使用手动型滤波器取得平坦化增益曲线的两 段光放大器构成图。

图2是现有掺铒光纤光放大器的增益曲线图。

图3是本发明实施例光放大器及光纤光源上使用的光纤声光学可调谐 滤波器的构成图。

图4是本发明的实施例能动型光放大器的构成图

图5a及5b是在本发明的实施例光放大器的波长可调谐滤波器上附加电 信号之前与之后的增益曲线图。

图6a及图6b是本发明的实施例光放大器上使用的波长可调谐滤波器的 衰减曲线图。

图7a是本发明实施例光放大器的增益率不同时调节滤波器而得到的平 坦化增益曲线图。

图7b是本发明实施例光放大器的增益率不同时，不调节滤波器时发生 的增益倾斜曲线图。

图8是采用光增益检测系统的本发明另一个实施例能动·智能型光放 大器

图9是采用与图8所示能动·智能型光放大器不一样的光增益检测系统 的另一种能动·智能型光放大器的构成图。

图10是本发明的另外一种形式光纤光源的构成图。

图11是本发明的另外一种形式光纤光源的分段光谱光输出图。

图3所示是使用在光放大器和光纤光源上的光纤声光可调谐波长滤波 器的构成图，此可调谐波长滤波器主要用于增益平坦化。如图3所示，2个 元件(AOTF1，AOTF2)并列连接。声波发生器由压电元件(200、201)和 喇叭(horn；203、204)构成，它靠滤波器驱动器(210、211)发出的交 流电信号产生声波。声波被引入到光纤(220、221)中，当声波的波长和 波形之间的拍长周期一致时发生波形结合。第一个元件(AOTF1)使用数 值孔径为0.11纤芯直径为9.2um、包层直径为125um的一般通信用单模光纤。 声波进行的长度是15cm，用信号发生器(rf1、rf2、rf3)发生的3个电信 号各结合产生了LP12、LP13、LP14包层波。过滤的波带全半值宽各为3.3、 4.1、4.9nm。第二个元件(AOTF2)使用NA(数值孔径)为0.12、纤芯直 径为7.0um、包层直径为100um、遮断波长为1um左右的光纤。用于波形结 合的光纤长度为5cm，用信号发生器(rf4、rf5、rf6)发生的3个电信号 各结合产生了LP11、LP12、LP13包层波。过滤的波带全半值宽为8.0、8.6、 14.5。调谐波长时最大调谐速度由光纤长度所定，此两个元件的调谐速 度为95us、25us。第一个元件(AOTF1)主要用于平坦1530nm领域的增益， 第二个元件(AOTF2)主要用于平坦1555nm领域的增益。两个元件的基本 光损失发生于光纤的连接，小于0.5dB。

图4所示是利用图3中的增益平坦化用可调谐滤波器(300)和信号发 生器(310)而组成的单方向二段光放大器的构成图。掺铒光纤(320、 321)的掺铒浓度是300PPm，在1530nm的光吸收率是2.5dB/m。第1段光纤 的长度是10m，为提高噪音特性用980nm的二极管激光器泵浦，泵浦功率是 20mw、对1550nm、-10dBm的光信号的增益为10dB以上，使其噪音特性达 到4dB以上。第二段光纤(321)的长度是24m，用1480nm的二极管激光器 (331)泵浦。为减少逆方向自发射光和反射信号使用了光隔离器。

往上述光放大器入射1547.4nm的DFB(分布式反馈)激光饱和信号和LED( 半导体发光二极管)探测光，使用波长分析器检测了被放大了的LED光和 自发射光的强度以及增益率和噪音。在实施例中探测光强是在1520nm～ 1570nm中为-27dB，比自发射光强大3dB以上，比DFB饱和光强-13～-7dBm 小很多，以减少检测误差。图5a是DFB饱和光强大小为-13dB时的增益平坦 化前、后的增益曲线。平坦化前是没有往滤波器输入电信号时，平坦化后 是为增益曲线在1528nm～1563nm范围内的增益率接近22dB常数值，而调节 滤波器的衰减曲线时的情况。图示的箭头(410)是饱和信号的波长。

图5b所示是饱和信号强为-7dBm时增益平坦化前(420)和后(422) 的增益曲线。为使增益率在16dB平坦，调节了滤波器的衰减曲线。

图6a及图6b是本发明实施例所构成的光放大器使用的可调谐滤波器的 衰减曲线的各种不同状况，此时的饱和信号强度为-13dB和-7dB。整体衰 减曲线(450、460)是图3的第一元件(AOTF1)的衰减曲线(452、462) 和第二个元件(AOTF2)的衰减曲线(454、464)相加而形成的。如前所 述，第一元件(AOTF1)在1530nm附近、第二元件(AOTF2)在1555nm附近 平坦了增益曲线。

图6a及6b中的个箭头表示由6个交流信号所生成的各个衰减曲线的中 心波长。使用50Ω输出阻抗检测图6a的交流信号的频率和电压为2 0076MHZ；10.04v，2.4015MHZ；9.96V，2.9942MHZ；23.2V，1.0277MHZ； 15V，1.5453MHZ；9V，2.3357MHZ；17.2V，图6b的情况时为2.0078MHZ； 4.74V，2.3989MHZ；7.58V，2.9938MHZ；14.02V，1.0348MHZ；20.02V， 1.5391MHZ；13.2V，2.3375MHZ；15.8V。在改善声波发生器的效率和使用 更小直径的光纤时，可以使用1V以下的驱动电压。

能动型光放大器和现有的手动型光放大器比较，可以在各种条件下取得所 需要的增益曲线。为了验证此优点做了如下实验。先在饱和光强为-10dBm 时调整了滤波器的衰减曲线和第二段的泵浦光强，使平坦化增益为19dB。

图7a是应用本发明实施例光放大器在不同增益率时调节滤波器而得到 的平坦化增益曲线图，图7b是没有调节滤波器时发生的增益曲线倾斜的图 参照图7a，曲线500是泵浦光强为42mw时取得的平坦化增益曲线；为调整 增益率，需调节泵浦光强和滤波器的衰减曲线；曲线502和504是为得到22 5dB和16dB的增益率，调节泵浦光强为75mw和21mw，调节滤波器的衰减曲 线时的平坦化增益曲线的情况。这三种情况的噪音度度(510)在1528nm ～1563nm之间的35nm范围内都在5dB以下。

如上所述，使用提供各种不同衰减曲线的滤波器，在各种不同增益率 的情况下都可以得到平坦化增益曲线。但，现在使用的手动型波波器只能 在特定的增益率情况下取得平坦化增益，当需要调节增益率时不能再取得 平坦化增益。图7b是确认此一问题的实验结果。首先，在泵浦光强为42mw 时，为得到19dB平坦增益调节了滤波器。然后，在不调节滤波器的衰减曲 线的情况下泵浦光强提高为75mw时，虽然增益率522整体提高，但不再平 坦，在35nm范围内出现了3dB的偏差。又把泵浦光强降到21mw时，整体增 益率(524)虽然减少，但在35nm范围内产生了和泵浦光强为75mw时的增 益率522相反的增益倾斜，大约有4dB的偏差。出现上述的增益倾斜是现有 手动型光放大器的缺点。

为了组成随着驱动条件的变化不需要外部调节而能够自动调节的智能 型光放大器，需要能够检测光增益曲线的增益检测系统。图8所示是，采 用光增益检测系统的本发明另一个实施例能动·智能型光放大器的构成。 上述的光增益检测系统，采用比较输入光和输出光光谱的方法检测增益。 参照图8，第1段光放大器和第2段光放大器由各自的泵浦激光(604、606) ，波长分离结合器及掺铒光纤(600、602)等组成，其之间有提供衰减曲 线的能动型可调谐滤波器(610)。根据不同的需要，和能动型可调谐滤 波器一起使用提供特定衰减曲线的手动型滤波器。在此实施例中增益检测 系统的运作原理如下。首先，从一个方向入射的多重波长光信号(620) 的一部分以百分之几的结合比通过波长依赖性较小的光纤结合器(630) 入射到法布里一珀罗滤波器(640)，在调谐此滤波器(640)的同时通过 光检测器(650)检测不同波长的强度。从第一段光放大器和第二段光放 大器输出的放大光信号也以百分之几的结合比通过波长依赖性小的光纤结 合器(631)、滤波器(641)、及光检测器(651)检测其不同波长的强 度。比较上面检测的输入光、输出光强大小求出增益曲线，和所期望的增 益曲线比较之后在控制器(660)中计算所需的泵浦光强和滤波器的衰减 曲线。根据此计算结果驱动各自的泵浦激光(604、606)和滤波器(670) 。利用上述的自我反遗回路以1ms以下的反映速度，适应外部条件取得所 需的增益曲线。

图9所示是采用和图8不一样增益检测系统构成的，本发明的另一个实 施例能动智能型光放大器。此一情况虽然和图8的情况类似，它通过入射 光测的光结合器(680)、滤波器(640)和光检测器检测逆方向的自发光 的光谱从此得出增益曲线，然后和所期望的增益曲线比较，在控制器( 660)中计算所需的泵浦光强和滤波器的衰减曲线图，和8一样，根据此计 算结果驱动泵浦激光(604、604)和滤波器驱动器(670)。

另外，图8和图9的光增益检测系统可以再包括能检测光放大器内部温 度的温度检测器，补偿掺铒光纤增益曲线和可调谐滤波器的温度依赖性， 使光放大器的增益曲线随温度变化也能维持所期望的形态。

b图10所示是，本发明的另外一个形式光纤光源的构成。此光纤光源 和前述光放大器的构造类似，但它不需要另外的入射光信号，利用在被泵 浦的光纤里产生的放大自发光，能动地裁剪输出光谱。在使用掺铒光纤时， 可以得到以1550nm为中心，波长范围为30nm以上的光谱。参照图10，和二 段光放大器类似，光纤分成两部分，为得到更高的光强用光泵浦手段( 710、711)往逆方向进行泵浦。第一段光纤(700)的一端剪断并处理成 没有反射，另一端通过可调谐滤波器(730)和第二段光纤(701)相连接。 第二段光纤(701)的另外一端设置了光隔离器(740)，隔断从外部进来 的光。和可调谐滤波器(730)一起设置了中间光隔离器(741)，隔断在 第二段产生、往第一段进行的逆方向放大自发光，提高了正方向光输出力 (750)。根据需要也可以设置固定波长滤波器(760)，得到更多种形状 的输出光谱。比如使用自由光谱区为0.8nm或1.6nm，细度为10以上的法布 里一珀罗固定波长滤波器(760)，可以得到用于波分复用光通信光源的 分段光谱输出光。另外，还可以调节滤波器驱动器(735)使分段光谱的 各个波长通道的光强达到所期望的值。比如，如果所连接的通信系统所提 供的不同波长的光衰减或光增益在各个波长通道中不同时，可以预先调整 不同波长通道中的光强，光衰减大的通道提供更大的光强，光衰减小的通 道提供较小的光强，使各个通道之间的噪音降低。

图11所示是，本发明的另外一种形式，光纤光源提供的具有代表性的 分段光谱输出光的光谱图形。参照图11可以看出在数十nm波长领域中不同 通道的光强得到平坦化的结果。