近年来，光纤被广泛用于例如是在大的远程通信系统中传输信 息，这主要是由于它们的高可靠性、它们对电干扰的不敏感性以及它 们的大容量。当然，人们希望在已有的远程通信网中，能尽量使用它 们网络内的可用光纤。尤其是对于长距离通信，这是因为这种光纤显 然具有高昂的安装费用。通过将波分多路复用WDM引入已有的使用光 纤的通信系统，以及通过将其引入需要建立能在同一光纤上传输若干 单独波长的信道的新通信系统，从而，使得在光纤上传输的信息量倍 增。
在用于远距离传输的光纤网络中，需要放大光信号。当然，可以 用在直通线路中所建立的中继器来实现这种放大，在这种线路中，包 括将光信号转换为电信号、对电信号进行放大、并将电信号转换为光 信号的一些部件。对于WDM信号，需要在WDM传输中对每种波长信道 使用一个光电也可以是电光转换器，还需要一个滤波器或一个多路分 解器，用于滤出输入信号中的不同波长。这样做，显然非常费钱，而 且也会由于所需的电器件和光器件数目过多，而引起可靠性的问题。
另一种放大器包括以掺有稀土金属的光纤为基础的光纤放大 器，主要是掺铒光纤放大器。当用于光纤系统中时，例如是由于这种 放大器与光纤的兼容性以及它们的高增益，所以这种放大器具有很大 的优点，尤其是当将这种放大器用于波长多路复用传输系统时，更具 有优势，这是因为它们能够同时对若干个WDM信道进行放大，而且只 需要有限数目的电子器件。掺铒光纤放大器的基本设计包括一种长度 的有源掺铒光纤，该光纤的输入端与一个2至1光耦合器的输出端相 连，该耦合器在其一个输入端上接收将要放大的信号，在其另一个输 入端上接收能为放大所述信号提供动力的更高能的光。这种更高能量 的输入光被称作泵浦光，并且是由被称作光泵浦的光功率源得到的。 与信号波长相比，泵浦光具有较短的波长，且一般能量更高，并能够 在掺铒光纤内，使铒离子从低能量状态跃迁到高能量状态。当铒离子 返回到较低的能级时，就在光纤内产生了光。
但是，在掺铒放大器中，可能存在与自发发射相关的问题。自发 发射是由光纤内的泵浦光与铒金属离子相互作用而引起的，并表现为 加到需要放大的信号上的噪声。此外，当光在光纤内传播期间，在两 个方向上，由自发发射而引起的光都被放大，这就引起了所谓的被放 大的自发发射ASE。ASE几乎与放大器增益成正比，因此，ASE谱与增 益频谱非常相似，在增益峰值处具有功率优势。
在美国专利No.5,375,010中，公开了一种光放大器，它包括通 过一个隔离器串联连接的两种长度的掺铒光纤。该隔离器减小了在将 光泵浦功率提供给第一长度的光纤时，由第二长度的光纤至第一长度 的光纤的被回行放大的自发发射ASE的传输。
美国专利No.5,260,823公开了一种掺铒光纤放大器，它在两种 长度的掺铒光纤之间具有一个增益整形滤波器。该滤波器是工作于增 益谱的峰值波长处的一个带阻滤波器。可以对该带阻滤波器的衰减进 行选择，使得它能精确地消除峰值波长处的较大增益，这样它就能将 整个增益谱修正为一个更均匀的形状。典型的滤波器值包括在1531nm 处的一个8dB的衰减，用于4nm的一个3dB带宽。所使用的滤波器 是以由光纤的传播核心模式耦合至包层泄漏模式的波长选择谐振为 基础的。所使用的单独的光滤波器是通过周期性地干涉光纤而得到 的，且它是由周期为775μm的一个光栅构成的，光纤象三明治一样 夹在光栅和平板之间。也可以使用介电干涉滤波器。
已有人提议将长周期滤波器用于增益平坦掺铒放大器。在美国专 利No.5,430,817中，在被两种不同波长在相反方向激励的放大光纤 的长的每一端，都放置有长周期光栅滤波器，这些滤波器消除了通过 放大纤维的长度的无用的泵浦能量。在IEEE Photonics Techn. Lett.1997年10月，第9、10卷，由Paul F.Wysocki等人写的 “Broad-band Erbium-Doped Fiber Amplifier Flattened Beyound 40nm Using Long-Period Grating Filter”的文献中，公开了在 两种长度的掺铒光纤之间使用一种长周期光栅滤波器，这两种长度都 是在不同波长处被分别激励的。在J.Lightw.Techn.,1997年5月 第15卷第5期，由R.Lebref等写的“Theoretical Study of the Gain Equalization of a Stabilized Gain EDFA for WDM applications” 中，原理性地研究了在某种情况下的增益平坦，在这种情况中，在两 种长度的掺铒光纤之间插入一个第一带阻滤波器，并具有连接在掺铒 光纤输出端的一个第二带阻滤波器，第一滤波器比第二滤波器更消耗 功率。这些滤波器可以是具有近似为高斯特性的长周期纤维光栅。第 一滤波器具有对于7nm的带宽的在1531nm处的5.2dB的最大衰减， 第二滤波器具有对于5nm的带宽的在1533.4nm处的一个3dB的最大 衰减。第一滤波器应当被插入在全掺杂光纤的第一个1/4之后，以便 获得最低的噪声指数，或是放在第一个1/10之后，以便获得最稳定 的增益，但是后一种情况会引起很糟的噪声指数。例如在1996Tech. Dig.Ser.Washington DC的Optical Fiber Communications会议 文集中的Opt.Soc.Amer.1996年第2卷，第269-270页，paper ThP4 中，由A.Vengsarkar所写的“Long-Period fiber gratings”中就 说明了了如何制造长周期纤维光栅。
概述
本发明的目的是一种提供具有低噪声指数和高增益的光纤放大 器。
由本发明所解决的问题是如何设计一种具有以传统方式使其增 益平坦、保持高增益以及低噪声指数的光纤放大器。
被用作掺有象铒这样的一些稀有金属的一种长度的光纤的这样 一种有源媒体的一种光纤放大器被设计为能对一些有用波段例如是 1540-1555 nm的范围内的光信号进行放大。有源光纤以传统方式接 收将要放大的光信号，以及来自泵浦源的第一泵浦波长的泵浦光。增 益平坦滤波器连接于有源光纤长度内，以便给予该放大器一个增益， 该增益对有用波段内的所有波长基本上都是恒定的。也可以将噪声滤 波器连接在有源光纤内的这样一个位置上，该位置距离有源光纤的输 出端并不比距离增益平坦滤波器更近。这样可以将有源光纤长度分为 串联连接的三个部分以及将这些滤波器连在一起的节点。噪声滤波器 有效地阻塞了具有位于自发发射的增益峰值附近的波长的光波，且增 益滤波器对有用信道频段内的波长进行衰减，以便产生平坦的增益曲 线。噪声滤波器的引入增加了放大器的总放大量，并保持了低噪声指 数。
附图的简要说明
以下，将通过参照附图的非限制性的实施例详细说明本发明，其 中：
图1是一张原理图，它显示了光纤放大器的一般结构；
图2是一张原理图，它显示了具有附加滤波的光纤放大器的结 构；
图3是一张图，它显示了没有以及具有噪声滤波器的光纤放大器 的在沿有源光纤的方向上的作为位置函数的总ASE功率；
图4是在没有以及具有噪声滤波器的光纤放大器内，沿有源光纤 方向的，作为位置函数的标准化的粒子数反转；
图5是在没有以及具有噪声滤波器的光纤放大器内，沿有源光纤 方向，作为位置函数的泵浦功率以及饱和信号功率的图；
图6是一张图，它分别显示了在仅具有连接于有源光纤长度之后 的一个增益平坦滤波器的、在有源光纤长度的两个部分之间仅具有一 个增益平坦滤波器的、以及既具有一个增益平坦滤波器又具有一个噪 声滤波器的光纤放大器内，作为波长函数的输出信号功率；
图7是一张图，它显示了在不具有、仅具有一个增益平坦滤波器 以及既具有一个增益平坦滤波器也具有一个噪声滤波器的光纤放大 器内，作为波长函数的噪声指数；
图8是一张图，它显示了在既具有增益平坦滤波器也具有噪声滤 波器的一个光纤放大器内，在有源光纤的长度方向上，作为位置函数 的标准化粒子数反转；
图9是ASE频谱图，它显示了作为波长函数的ASE功率；
图10是一张噪声滤波器的特性图，它显示了作为波长函数的滤 波器的传输；
图11是一张原理图，它显示了光纤放大器的另一个实施例的一 般结构；
图12是一张原理图，它显示了具有两个泵浦源的光纤放大器的 另外一个实施例的一般结构，以及
图13是一张原理图，它显示了使用光纤放大器的一个简单的纤 维光网络。
最佳实施例的说明
近年来，光纤放大器被用于图13所示的纤维光网络内的各种情 况。这里，一个纤维节点101接收一个电信号，该电信号被激光器103 转换为光信号。该光信号被升压放大器105放大，并由此被在长光纤 107上传送。在沿着光纤107进行传送时，会对信号进行衰减，之后， 由线路放大器109对其进行放大。光纤107上的光信号被接收节点111 所接收，在该节点中，首先由前置放大器113对信号进行放大。经放 大的信号被光检测器115所检测，并在其中被转换为可以由节点向外 提供的一个电信号。在这种网络中，升压器105、线路放大器109以 及前置放大器113通常都包括使用某种长度的有源光纤作为放大媒体 或元件的光纤放大器。
在图1中，显示了光纤放大器的一般结构，它适合于对输入的光 信号进行放大，这种光信号通常都是电磁单一模式类型的。光纤放大 器的有源部分是一片或长度1的掺铒纤维。掺铒纤维长度1接收仅包 括来自一些图中未示出的光源的光信号模式的一个光信号，这些光信 号到达光连接器3，并穿过普通的光纤从连接器3到达光隔离器5， 并从光隔离器到达功率合并器或耦合器7的输出端，功率合并器7在 其另一个输入端接收来自泵浦源9的泵浦光功率，所述泵浦源会产生 例如是波长为980nm或1480nm的光。按常规，泵浦源是一个合适种 类的激光二极管。功率合并器7的输出与掺铒光纤1的输入端相连。
掺铒光纤1的输出端与光功率分配器/合并器或耦合器11的输入 端相连。功率分配器/合并器11的一个输出与光隔离器13相连，光 隔离器的输出端与连接器15相连。这样，来自有源光纤长度1的光 通过连接器15而被传播到某些未示出的目的地。功率分配器/合并器 11还在与其输出端平行的输入端接收来自第二泵浦源17的泵浦光， 该第二泵浦源例如可以象产生波长为980nm或1480nm的光的第一泵 浦源9一样。在美国专利No.5,140,456以及5,218,608中公开了这 种工作于相反入射方向上的两个泵浦源。
如果泵浦光的传播仅仅与所要放大的信号光的方向相同，则认为 图1所示的光放大器是同向泵浦的或是被同向泵浦的。在这种情况 下，只有第一泵浦源9是有源的。这样就可以忽略在输出侧的功率分 配器/合并器11以及第二泵浦源17。如果泵浦光仅仅在与信号光的传 播方向相反的方向上进行传播，则认为光放大器是反向泵浦的或是被 反向泵浦的。在这种情况下，只有第二泵浦源17是有源的，并可以 忽略位于输出侧的功率合并器7以及泵浦源9。如果泵浦光在两个方 向上就是说既在与信号光相同的方向上又在与其相反的方向上传 播，则认为光放大器是双向泵浦的或被双向泵浦的。在最后这种情况 中，这两个泵浦9和17都是有源的。
在980nm的较短波长处对光放大器进行泵浦的情况下，所有的光 放大器的作用都象是一个三阶发射激光的系统，且最大粒子数反转等 于1，这样噪声指数的量子极限为3dB。在1480nm的较长波长处对光 放大器进行泵浦的情况下，所有的光放大器的作用都象是一个两阶发 射激光的系统。最大粒子数反转依赖于在这一泵浦波长处的吸收以及 发射横截面之比。最大粒子数反转低于1，这样噪声指数的量子极限 就大于3dB。通常，噪声指数值为4dB。
在图2的框图中所示的经修改的光放大器中，有源掺杂光纤长度 1被分为三段21、23、25，它们彼此串联连接在一起。第一段21的 输入端与放大器输入侧的功率合并器7的输出相连。通过这里的信号 光从输入侧的连接器3到达功率分配设备或耦合器27，减少了在光纤 上的光功率的一小部分例如是1％，再达到象PIN二极管29这样的功 率测量设备。PIN二极管29的输出信号表示输入光信号的功率，并可 被用于控制放大器。光功率的基本部分继续传输到光隔离器5。同样 在输出侧，可以是一个监控接头，这样，在这一侧上的光隔离器13 的输出就连接到功率分配器或耦合器31上，与输入侧上的功率分配 器27相似，它也将光纤上的光功率减小一个小部分例如1％，再将其 传输到向PIN二极管33这样的一个功率测量设备上。图2中所描绘 的放大器仅仅是被同方向泵浦的，这样，在与信号光一致的方向中， 仅有一个激光二极管9将光泵浦到有源纤维部分中。
在第一和第二有源纤维长度21、23之间是一个第一滤波器，这 样，所连接的噪声滤波器37或LNF比总有源纤维长度的输出端更接 近于其输入端。第一光纤长度21可以具有与总体有源光纤长度的 0.1-0.4相应的一个长度。在第二和第三光纤长度23和25之间是一 个增益平坦滤波器39或相连的FF，如此连接，使得与噪声滤波器37 相比，其更接近于总体有源光纤长度的输出端。
在总体有源光纤长度的每一个所考虑的部分中，自发发射的发生 是由于泵浦光而引起的。自发发射使得光从所需部分向两个方向传 播，在对光进行传输的总体有源光纤长度部分，对光进行放大，该放 大光被称作经放大的自发发射，正如在前面所讨论的那样。噪声滤波 器37是一个限波滤波器或一个带阻滤波器，用于阻塞以及强烈衰减 对没有任何滤波器的相同放大器内的峰值增益的波长处的波长，即阻 塞大约1531波长处的区域内的波长，请看显示了ASE频谱的图9以 及图10中所显示的滤波器特性的图。可将其制造为具有至少15dB的 最大衰减的一个长周期的光栅滤波器。噪声滤波器37对信号频带内 的其它波长都是透明的。它不会影响光在有源光纤长度内的传播，特 别是，它对信号频带内的所有波长以及对于泵浦光的波长将是一种单 模式类型。在图3中，总ASE功率被绘制为其总长度为14m的、沿有 源光纤长度方向的位置函数，实线曲线显示了没有使用滤波器时的总 ASE功率，虚线曲线显示了当将一个噪声滤波器37放置在位于与总有 源光纤长度相距0.1且没有使用增益平坦滤波器39的情况下的总ASE 功率。
特别是，由噪声滤波器37所引起的回行总ASE功率的减小将会 引起在总有源光纤长度的输入端处的粒子数反转的增加。这可从图4 中看出，图4显示了沿总有源光纤长度方向的作为位置函数的归一化 的粒子数反转。平滑曲线说明了没有任何滤波器时的粒子数反转，在 1.4m处有一个台阶的曲线(=0.1-14m)说明了仅仅有一个如上所述 设置的噪声滤波器37时的粒子数反转。在输入端处的较高的粒子数 反转引起了输出光信号的较低的噪声指数以及放大器的较高的增 益。同时，还存在前向传输总ASE功率的减小，这也会引起较高的粒 子数反转以及较高的增益。这可以从图5中看出，图5显示了对于根 本没有滤波器的总光纤长度的，以及对于具有如上所述连接的一个噪 声滤波器37的光纤长度的，沿该总有源光纤长度方向的，作为位置 函数的泵浦功率以及饱和信号功率。
增益平坦滤波器39用于获取WDM系统中所要求的平坦的增益外 形，并可被制作为一个长周期的光栅滤波器。如果所连接的平坦滤波 器39与总有源光纤长度的输入端相距过近，则会降低输出信号的噪 声指数。增益平坦滤波器应当具有一个位置，该位置位于与总有源光 纤长度的输入端相距大约为总有源光纤长度的0.3-0.4。由于是一个 适当的位置，所以增益将会增加。这在图6中得以显示，图6中显示 了对于三种不同情况的作为波长函数的输出饱和信号功率，这三种情 况包括：仅有一个增益平坦滤波器连接在有源光纤的尾部，即在第三 光纤片段25的尾部；仅有一个增益平坦滤波器即依据图2的滤波器 39连接在有源光纤的两个片段之间；以及如图2所示，既有增益平坦 滤波器39也有噪声滤波器37。图6中最下面的曲线显示了对于仅具 有连接在有源光纤尾部的一个增益平坦滤波器的一个单个长度的光 放大器纤维，其饱和信号功率。理论上，最低的平的或固定的曲线将 是用于稍微大于13.8dBm的输出功率。仅通过使用经适当设计的连 接于有源光纤之内的增益平坦滤波器39，就可以得到对于略大于14.4 dBm的一个恒定的值，请看图6中的中间水平曲线。这种增益滤波器 39沿总体有源光纤长度方向，对于不同的位置将具有不同的特性，即 对其进行设计时，应当考虑它在沿有源光纤长度方向上的位置。通过 使用一个增益平坦滤波器39以及一个噪声滤波器37，可以进一步增 加饱和信号功率，正如图6的上部的水平曲线所显示的那样。图7和 8中显示了作为波长函数的相应的噪声指数以及标准化的粒子数反转 的图。
可以利用已有技术的建议来设计增益平坦滤波器39，例如可以参 见所引用的由Paul F.Wysocki等人所写的文献。该滤波器适用于选 择性地对光进行衰减，这种光具有位于用作信号传输的波段内的波 长。特别是对其进行了设计，使其具有一种整个放大器的增益特征， 它能对在用作信号传输的波段内的光，尽可能地固定不变。
如图10所示，噪声滤波器37可以具有一个窄滤波范围，该窄滤 波范围具有例如大约为10到12nm的一个3dB的带宽，并具有大约 -15到-20 dB的峰值衰减。增益平坦滤波器39对于信号频带的波长 具有更低的衰减。例如这种增益平坦滤波器可以具有多于一个的彼此 交叠的衰减波段，正如已有技术中所建议的那样。在设计滤波器时， 首先要选择噪声滤波器的特性。之后，使用如上述参考文献中所提议 的已知数据和算法，就可计算出所期望的增益滤波器的特性，这样就 确定了其设计，它给出了真实特性，它能尽可能地与所期望的滤波器 的特征相符，该特性对信号频带内的波长通常都具有恒定的增益。
噪声滤波器37和增益平坦滤波器39可被合并为具有适当特性的 一个单独的滤波器41，正如图11的框图中所示的光放大器那样。这 样就可省略有源光纤的中间长度23，这样，单个的组合滤波器41就 将第一光纤21的输出端连接到第三光纤长度25的输入端。
对具有如图1中的一般光放大器那样的被以来自有源光纤长度两 端的不同方向泵浦的光的一个光纤放大器，也有可能同时使用噪声滤 波器以及增益平坦滤波器。在图12的框图中，显示了具有连接于两 个光纤长度21、25之间的组合了噪声和增益平坦的滤波器41的一个 被双向泵浦的光放大器。图12的放大器与图11中的放大器的不同之 处在于：它具有与总有源光纤长度的输出端相连的一个功率分配器/ 合并器11。分配器/合并器11接收来自泵浦源17的一个泵浦光，泵 浦光一般具有比由泵浦源9在总有源光纤长度的输入侧所产生的泵浦 光的波长还要长的波长。在一般情况下，在输出侧的泵浦源17发射 1480nm的波长，该波长将要被与由输入侧的泵浦发生器9所产生的 980nm波长的光相比较。
正如前面所说明的那样，可以将这里所说明的放大器中所用的滤 波器设计为一个长周期光栅滤波器。在有源光纤被双向泵浦的情况 下，对滤波器进行设计，使其在非常靠近感兴趣的波段的泵浦波长 处，即一般情况中的大约1480nm处，也具有强烈的衰减，以便在减 少噪声指数的同时能提高增益。
来自泵浦光源9、17的功率输出的电平可以在源内部进行控制， 以及/或由从PIN二极管33中所导出的信号来控制，正如图12中所 示的那样。
正如上面所说明的那样，本文中所说明的放大器主要是为对电磁 信号模式型的光信号进行放大而设计的。这意味着所使用的所有部件 都不应当影响光的这种电磁模式，这其中既包含信号光也包含泵浦 光。这样，各个部件，尤其是光功率合并器以及滤波器，也应当被设 计为能传输单一模式下的信号光和泵浦光中相应波长的光。
这样，本文已经说明了例如是用于WDM网络内的光纤放大器，它 通过使用两种滤波器或具有这两种滤波器的组合特性的一个滤波 器，而提供了低噪声指数以及高增益。