光学放大器

申请号 CN201180031235.1 申请日 2011-05-11 公开(公告)号 CN102986096A 公开(公告)日 2013-03-20
申请人 奥兰若技术有限公司; 发明人 伊恩·彼得·麦克林; N·K·扎耶尔; 巴里·弗林塔姆; J·S·德雷克;
摘要 本 发明 提供了一种光学 放大器 系统,其包括第一和第二光学放大器(1、2),用于放大光纤通信链路中的光 信号 ,以及公共 泵 (3),用于光学地泵送第一放大器(1)和第二放大器(2)以实现这种放大。还提供了一种光学 开关 (6),用于在第一切换状态在泵和第一放大器之间提供光通路,并且在第二切换状态在泵和第二放大器之间提供光通路,以允许由泵按序地泵送第一和第二放大器。有利的是,该设置向泵(3)的输出(4、5)提供了高精确性,并且降低了低功率泵噪声。
权利要求

1.一种光学放大器系统,包括:
(i)第一和第二光放大器,用于放大光纤通信链路中的光信号
(ii)公共,用于光学泵送第一放大器和第二放大器以实现这种方法,(iii)切换装置,用于在第一切换状态在泵和第一放大器之间提供光通路,并且在第二切换状态在泵和第二放大器之间提供光通路,以允许由泵按序地泵送第一和第二放大器。
2.根据权利要求1所述的光学放大器系统,其中切换装置包括耦合至泵的输入和耦合至第一放大器和第二放大器的输出。
3.根据权利要求1或2所述的光学放大器系统,还包括光栅,其耦合至切换装置的输入或输出,以在第一切换状态定泵和第一放大器之间的光通路,而在第二切换状态锁定泵和第二放大器之间的光通路。
4.根据权利要求1或2或3所述的光学放大器系统,其中切换装置适于将提供至第一和第二放大器中之一的功率从0%独立地改变至最大泵功率。
5.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置适于将最大泵功率提供至第一和第二放大器的另一个上。
6.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置适于改变由泵提供的光学信号的标记-空间比例,以改变提供至第一和第二放大器中之一上的功率。
7.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置包括具有至少两个输出的光学开关
8.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置包括脉冲宽度调制(PWM)单元。
9.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置包括模拟控制方案。
10.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置包括数字控制方案。
11.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置包括电子单元。
12.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置以高频操作在小于泵送至输出功率传递功能的数量级的切换阶段。
13.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置是GaAs Mach-Zehnder(MZ)调制器
14.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中切换装置是多组GaAs Mach-Zehnder(MZ)调制器。
15.根据权利要求13或14的光学放大器系统,其中MZ调节器以光电技术与泵集成在同一芯片上。
16.根据前述任意一项权利要求所述的光学放大器系统,其中泵包括泵激光器二极管
17.一种控制光学放大器系统的方法,包括:
(i)借助于第一和第二光放大器而放大光纤通信链路中的光信号
(ii)借助于公共泵,光学泵送第一放大器和第二放大器以实现这种放大,以及(iii)在第一切换状态在泵和第一放大器之间提供光通路,并且在第二切换状态在泵和第二放大器之间提供光通路,以按序地光泵送第一和第二放大器。
18.根据权利要求17所述的方法,包括:
通过使用脉冲宽度调制(PWM)技术而控制切换;以及将提供至第一和第二放大器中之一的平均功率从0%改变至最大泵功率。
19.根据权利要求18所述的方法,还包括改变由泵提供的光学信号的标记-空间比例,以改变提供至第一和第二放大器中之一的功率。

说明书全文

光学放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及光学放大器,并且尤其、而非排外地涉及铒线圈或者增益级掺铒的纤维放大器(EDFA)。

背景技术

[0002] 在许多EDFA设计中,需要两个以产生低噪声系数(NF)和高光输出功率。这例如在图1中示出,图1是包括两个泵级1和2的EDFA的示意图。每个泵级包括一个独立的泵激光器(用于第一泵级1的泵激光器1,以及用于第二泵级的泵激光器4)。图2也是具有两个泵级1和2的EDFA的示意图。图2的许多特征类似于图1,但是没有跨越中部的接触区域5。这些是允许包括例如增加下降多路复用器(MUXES)或色散补偿器的装置所需的。对于图1和2的两种设置,在每级1或2中需要一个独立的泵激光器3和4,以提供精确的泵功率。这也是最优化诸如功率和NF的静态性能和瞬时输入条件下的动态控制所需的。在许多不同的输入条件下使用EDFA,其中每个泵所需的功率系数将改变以维持最优性能,例如一方面以单一低功率输入通道使用放大器,或者另一方面使用高光功率计算得的包括完全负载的通道的输入。需要两个泵增加了实施的成本和物理尺寸。
[0003] 同样地,还有其中在相反方向上使用两个放大器、即双向(Bi-Di)放大器的应用系统。使用独立的控制和泵插入功率而最优地实现对每个放大器的控制。在该情况下,改变一个放大器的泵功率不应当影响第二放大器的输出功率。这将基本上指示需要使用两个独立泵。
[0004] 已经证明了一种技术,其中使用平面光波电路(PLC)以将单一泵的功率分裂成可变输入功率的两个路径中。然而,这未提供改进的低功率控制。在WO2009112504中还已经证明了,可以将第一泵的输出分裂至两个端口,而第二端口的功率幅度变化以提供可变的控制。然而,该策略不能提供关于低功率泵噪声的最优放大器性能,并且也不能解决对Bi-Di放大器的需求。
[0005] US7110167公开了一种光放大器系统,其包括泵送增益介质的泵激光器。常规地主要通过电子单元控制泵送,其增加了系统的成本和物理尺寸。
[0006] 因而,需要成本有效的多级放大器,以便于减少低功率泵噪声。
[0007] 本发明的目的是提供对这种放大器系统的简单和成本有效设计,以便于减少低功率泵噪声。

发明内容

[0008] 根据本发明一方面,提供了一种光放大器系统,包括:
[0009] (i)第一和第二光放大器,用于放大光纤通信链路中的光信号,[0010] (ii)公共泵,用于光学泵送第一放大器和第二放大器以实现这种放大,[0011] (iii)切换装置,用于在第一切换状态在泵和第一放大器之间提供光通路,并且在第二切换状态在泵和第二放大器之间提供光通路,以允许由泵按序地泵送第一和第二放大器。有利的是,本发明的优点在于使用单一或公共泵,用于泵送具有两个Er线圈增益级的两个放大器。放大器系统光学地减少了低功率泵噪声,并且解决了Bi-Di放大器需求。而且,光学切换装置减少了光学部件的物理尺寸需求。因而,其节省了成本,并且在现有技术基础上提供了有点。优选地,切换装置包括耦合至泵的输入以及耦合至第一和第二放大器的输出。这允许用户独立地改变提供至第一和第二放大器中之一的功率,而不影响提供至第一和第二放大器中另一的功率。
[0012] 便利地是,切换装置适于将提供至第一和第二放大器中之一的功率从0%改变至最大泵功率。优选地,切换装置适于将最大泵功率提供至第一和第二放大器的另一上。这允许将两个可变泵功率从单一泵激光器经由切换装置的输出而提供至第一和第二放大器。
[0013] 切换装置可以包括具有至少两个输出的光学开关,并且优选包括脉冲宽度调制(PWM)单元。组合使用PWM单元和光学开关提供了光学开关的独立输出的高精确性。
[0014] 优选地,将光栅耦合至切换装置的输入或输出,以在第一切换状态定泵和第一放大器之间的光通路,而在第二切换状态锁定泵和第二放大器之间的光通路。这允许从公共泵激光器提供两个独立锁定的输出。锁定的输出确保将一致的泵波长应用于Er光纤,用于提供EDFA的一致增益形状控制。根据本发明另一方面,提供了一种控制光放大器系统的方法,包括:
[0015] (i)借助于第一和第二光放大器而放大光纤通信链路中的光信号
[0016] (ii)借助于公共泵,光学泵送第一放大器和第二放大器以实现这种放大,以及[0017] (iii)在第一切换状态在泵和第一放大器之间提供光通路,并且在第二切换状态在泵和第二放大器之间提供光通路,以按序地光泵送第一和第二放大器。附图说明
[0018] 为了能够更完整地理解本发明,现在将作为实例参考随附附图描述本发明的大量实施例,其中:图1是在每个Er线圈增益级中具有一个泵的已知双级EDFA的示意图;
[0019] 图2是已知的跨越中部接触的双级EDFA的示意图;
[0020] 图3是单一泵双Er线圈增益级EDFA的示意图;
[0021] 图4是在泵的每个输出端口中具有功率控制的单一泵双Er线圈增益级EDFA的示意图;
[0022] 图5是具有快速光开关的单一泵双Er线圈增益级EDFA设计的示意图;
[0023] 图6a至图6f示出了在可变输出端口功率处光学开关的标记—空间比;
[0024] 图7a示出了恒定功率时泵和开关上的PWM信号的标记—空间比例;
[0025] 图7b示出了50mW功率时光开关的标记-空间比例,以及
[0026] 图8是光学放大器系统的示意图,其中在泵激光器芯片和光栅之间设置光开关。

具体实施方式

[0027] 图3是单一泵双Er线圈增益级EDFA的概略图。提供了两个泵级,其第一放大器1包括单一Er线圈,而第二放大器2包括单一Er线圈。为了允许在一个以上的Er线圈增益级中使用一个泵,代替两个独立泵激光器,提供了高功率单一泵激光器3。泵激光器3包括分别耦合至第一放大器1和第二放大器2的两个输出端口4、5。发明者已经意识到固定每级之间的功率比例,从而该设置不能在所有操作情况下提供最优性能,并且可以限制从泵激光器3的每个输出端口4、5提供的最大功率。
[0028] 图4是每个泵功率控制单一泵双Er线圈增益级EDFA的概略图。图4的许多特征类似于图3,但是每个输出端口4、5不具有泵衰减器6、7。每个输出端口4、5中的功率损耗受衰减器6、7的控制。发明者已经意识到该设置可以产生较大的泵损耗,并且可以将每个输出端口4、5中的最大泵功率仅限制至分裂比例所允许的泵功率。图5是具有快速光开关6的单一泵双Er线圈增益级设计的示意图。发明者已经发现对图3和4的设置所提出的问题的可能解决方法是在泵3和分别耦合至第一放大器1和第二放大器2的输出端口4、5之间提供光开关。因而,光开关6提供了泵3和第一放大器1和第二放大器2之间的光通路。
由PWM单元和电子单元(图5中未示出)控制光开关6,以改变两个输出端口4、5之间的功率比例,从而从任一输出端口4、5提供的平均功率可以从0%改变至100%,而另一端口使用相关的控制机制而提供相反的功率。
[0029] 该技术的一个重要特征是能够将每个泵端口4、5的功率从0改变至最大功率,而不影响从另一端口提供的功率。这可以以一种或多种方式实现。首先,通过改变泵激光器3的功率,以及标记-空间比例,可以将任一和两个输出端口4、5的功率从0%改变至全功率或者设置在另一端口的最大功率。
[0030] 在图6a至6f中示出了该技术的实例,其示出了在可变输出端口功率时的光开关的输出端口1(曲线1)和输出端口2(曲线2)的标记-空间比例。在这些附图中,假设总泵功率为100mW,那么输出端口1的功率固定在50mw,而输出端口2的功率以10mW的差距而从0mW改变至50mW。该技术需要将PWM单元的时间阶段分成大量相同长度的阶段,这由电子单元而实施。阶段越多,控制约精确。然而,将意识到,这也将导致在设置可变泵功率中更慢的控制方案。在具有40个阶段的该实例中,设置可变泵功率的精确性可以在目标的2%内。发明者已经意识到,改进其的方法是使用PWM以及光学开关调制泵激光器。该组合形成了设置可变泵功率中的更好的控制方案。图7a和7b中示出了组合包括使用PWM单元的泵功率方案和使用光开关的开关方案的技术的实例。图7a示出了100mW的功率时使用泵代码(曲线1)和开关代码(曲线2)的标记-空间比例。图7b示出了当从输出端口提供
50mW的功率时输出端口1(曲线1)和输出端口2(曲线2)的标记-空间比例。类似于图
6a至6f中所示的设置,假设总泵功率为100mW,那么输出端口1的功率固定在50mw,而输出端口2的功率以10mW的差距而从0mW改变至50mW。使用该组合的技术,由于与图6a至6f的设置所使用的40个阶段的方案相比,仅适用了20个阶段的方案,改进了设置可变泵功率中控制方案的精确性。该技术的优点还在于能够以包括如US0710167中限定的控制方案的平台而实现的缺陷(kink)上运行泵,以获得更高的泵输出功率。图8是光学放大器系统的示意图,其中将光开关设置在泵激光器芯片和光栅之间。光纤5从标准泵激光器3的输出连接至快速光开关4的输入10。开关4的两个光纤输出6、7连接至两个独立的光栅8、9,从而在开关4接通的任意时刻,在泵激光器3和光栅8或9之间形成限定的光通路,从而可能发生频率锁定。结果,泵激光器3还具有来自锁定路径的输出。输出光纤6、7以常规方式连接光学放大器。经由电子单元10,可能使用FPGA或者快速处理器或离散数字电路或模拟方案,而控制光开关4。将意识到,也可以将光栅8、9设置在光开关4之前。在这种设置中,光栅将耦合至激光器3的输出光纤5和光开关4的输入10。在任一路径中使用的光栅
8、9可以具有相同或不同的波长。使用具有不同波长的光栅确保从使用不同的泵波长到光学放大器的不同增益级的改进性能。
[0031] 将意识到,放大器系统设计可应用于两个以上的输出,其中需要三个或多个泵插入点。例如,可以包括第三泵插入点,而将泵功率注射回最终Er圈中,其已知为反泵送,以提供甚至更高的泵输出功率。这种设置将需要1×N个开关设计。此外,1×N个开关可以允许控制来自单一泵的数个放大器,与每个放大器单一泵的常规设计相比,这显著地节省了成本和空间。
[0032] 使用的开关类型是对图5和8中的设置所述的技术的关键。例如,需要切换高达每分钟数十亿次。高输出功率的目标速度是0.1s的切换阶段,其足够快以防止在光放大器增益(Er增益)上调制PWM模式或序列。在该情况下,光学开关比放大器的低通特征运作更快,从而泵的脉冲属性不影响增益性能。而且,在光学方案中使用PWM单元的序列,以防止在一些泵激光器、例如980nm泵激光器中观察得的低功率不稳定性。有利的是,使用该光学方案节省了泵激光器的成本,并且减小了光学部件的物理尺寸需求。
[0033] 将意识到,合适的开关可以是Mach-Zehnder(MZ)设计。GaAs MZ调制器、例如10Gb/s数据率GaAs调制器适于该需求。有利的是,该开关可以以光电技术而与泵激光器集成在同一芯片上并且包装在一起。这也改进了装置的操作频率和可靠性。MZ方法的另一优点是可以将多个MZ调制器集成(即单片式)在一起,提供1×N开关输出设计。MZ方法的另一优点是通过简单地DC控制MZ比例、提供简单的控制方案,而可以管理每个端口的输出功率。
[0034] 还将意识到,具有快速的上升和下降时间(毫微秒)的毫微速度开关也可能适于作为光学开关。需要监视这些开关的重复率,以确保在给定的时间范围内进行切换。发明者还已经意识到,尽可能小地设计开关,以实现最佳性能。
[0035] 正如已经提及的,对于具有高增益操作的单通道放大器,需要两个Er线圈增益级,但是由于尺寸限制,使用具有泵旁通方案的单一泵。发明者已经意识到,这可能未在所有可能的操作情况下提供最优性能。有利的是,使用如前文所述的开关方案可以改进多种操作情况的性能。而且,对于阵列放大器存在一种新的需求,其将需要许多泵激光器。使用具有两个泵输出端口的泵的开关方案将在4个放大器矩阵中使用的泵装置的总数量减少为1,同时提供了精确和独立的泵控制。
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