一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202410570465.4 | 申请日 | 2024-05-09 |
| 公开(公告)号 | CN118611764A | 公开(公告)日 | 2024-09-06 |
| 申请人 | 中航光电科技股份有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 张绍惠; 王晓丽; 张韩斌; 亢海龙; | 第一发明人 | 张绍惠 |
| 权利人 | 中航光电科技股份有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 中航光电科技股份有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：河南省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：河南省洛阳市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：河南省洛阳市中国(河南)自由贸易试验区洛阳片区浅井南路6号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：471000 |
| 主IPC国际分类 | H04B10/291 | 所有IPC国际分类 | H04B10/291 ; H04B10/294 ; H04J14/02 ; H04B10/80 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 洛阳公信知识产权事务所 | 专利代理人 | 逯雪峰; |
| 摘要 | 本 发明 涉及一种双波兼容微弱光 信号 高增益低噪声光放大装置，采用特殊的双级旁路掺铒光放大结构设计，并在双级放大单元之间加入了双 波长 匹配滤波单元，使用较少的无源光器件即可实现对经一级预放大后的 光信号 进行双波长兼容的滤波合波处理，双级掺铒光放大结构使一级 泵 浦光和掺铒光纤充分作用，残余的泵浦光经分离后传入下一级光放大单元，降低了多余泵浦光的消耗，抑制ASE自发 辐射 噪声的产生，在降低噪声系数的同时，提高了泵浦利用率；该光放大装置工作波长选择灵活、噪声系数低、 信噪比 高、可靠性高，能够实现空间激光通信的远距稳定接收放大。 | ||
| 权利要求 | 1.一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置，其特征在于，包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元、第二级光放大单元、和驱动控制及功率检测模块，双级光放大单元共用一个泵浦激光器，输入微弱光信号经第一级光放大单元预放大；所述双波长匹配滤波单元设置在第一光放大单元和第二级光放大单元之间，主要由第二解波分复用器（6）、带通光滤波器（7）、第二波分复用器（8）组成，经第一级光放大单元预放大后的光信号接第二解波分复用器（6）的公共端，第二解波分复用器（6）的其中一个分支接带通光滤波器（7）的输入端，另一个分支接第二波分复用（8）的其中一个分支，带通光滤波器（7）的输出端接第二波分复用器（8）的另一个分支，第二波分复用器（8）的公共端接第二级光放大单元； |
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| 说明书全文 | 一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置技术领域背景技术[0002] 空间激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信，凭借其通信频带宽、信息容量大、光学增益高、抗干扰和抗截获能力强、保密性好、功耗低、轻量化等优势，成为当今的热点研究对象。现今，激光通信逐步从星间链路逐渐向星地、星空、空空、空地和地面间链路延伸，以LEO、GEO和MEO卫星为基础，与地面终端的通信网络一起构建天、地、空一体化的、无缝通信系统已成为必然趋势，建立通信链路组网，实现通信全球覆盖、网络互联互通，必将成为未来激光通信的发展方向。 [0003] 虽然激光通信系统具有非常高的光学增益、非常小的束散角和非常好的方向性，但由于空间传输距离非常远、传输损耗极大，接收端接收到的光信号十分微弱，可能会低至‑60dBm左右。加之在高背景噪声场的干扰情况下，信噪比非常低，这就需要高灵敏度、高增益、低噪声的光通信接收单元。前置光放大器是激光通信系统光通信接收单元的关键器件，可实现微弱光信号的高增益、低噪声放大，提高接收光信号灵敏度，从而提高整个激光通信系统的传输距离，降低误码率。 [0004] 针对非常微弱的输入信号光（如‑60dBm左右），由于系统产生的ASE噪声与信号光接近而难以区分，致使接收机无法正确识别信号，造成误码。传统的星间、星地等激光通信系统中，成对的激光通信终端各采用互不相同的单个波长进行对传通信，且各自接收端的前置光放大器仅能实现对单波长光信号的有效放大处理。 [0005] 双波兼容的微弱光信号高增益低噪声光放大装置，一方面能够提高通信速率、增大传输容量；另一方面，有利于激光通信终端的统型和批量生产。随着激光通信发展对于传输速率提升、信息容量增大，以及统型等需求，该类产品已逐步开始应用于激光通信系统。 [0006] 目前极少见到有能够实现双波或多波兼容微弱光信号的低噪声高增益光放大方案。仅查询到中国专利CN115296630B，双波长极弱光信号低噪声高增益光放大装置及放大方法中提到一种方法，但该方法的双波长匹配滤波单元设计较为复杂，所需光器件较多，会导致光学指标劣化，该方法还需额外的温度调谐模块对滤波器的TEC进行调节，可靠性也会受到影响；且其双级光放大单元各采用一个泵浦激光器，泵浦利用率低，会导致系统功耗较大。 [0007] 因此，在产品的体积、功耗几乎不增加，成本上升较少的前提下，设计一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置，充分提高泵浦利用率，能够根据系统需要选用具体的发射和接收波长，实现通信速率提升、通信容量增大，便于激光通信终端的统型和批产，是非常必要的。 发明内容[0009] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置，包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元、第二级光放大单元、和驱动控制及功率检测模块，双级光放大单元共用一个泵浦激光器，输入微弱光信号经第一级光放大单元预放大；所述双波长匹配滤波单元设置在第一光放大单元和第二级光放大单元之间，主要由第二解波分复用器、带通光滤波器、第二波分复用器组成，经第一级光放大单元预放大后的光信号接第二解波分复用器的公共端，第二解波分复用器的其中一个分支接带通光滤波器的输入端，另一个分支接第二波分复用的其中一个分支，带通光滤波器的输出端接第二波分复用器的另一个分支，第二波分复用器的公共端接第二级光放大单元；第二级光放大单元实现对经过放大后光信号的进一步高增益放大，并具备光功率探测功能； 驱动控制及功率检测模块用于实现泵浦激光器的恒流驱动控制、TEC温度控制，以及实现输出光功率的实时检测，通过反馈闭环控制实现APC恒功率输出控制。 [0010] 进一步地，输入微弱光信号为C波段中单个ITU波长的光信号或双ITU波长光信号，在所述光放大装置中，输出光信号与输入光信号波长成分一致。 [0011] 进一步地，双波长匹配光滤波单元中的第二解波分复用器（6）和第二波分复用器均选用与兼容的双波输入光信号其中一个波长及带宽匹配的DWDM器件，带通光滤波器选用与兼容的双波输入光信号中另一个波长及带宽匹配的器件。 [0012] 进一步地，带通光滤波器根据需要选取50GHz、100 GHz 、或200GHz的光滤波器。 [0013] 进一步地，所述第一级光放大单元主要由第一光隔离器、第一波分复用器、第一掺铒光纤、第一解波分复用器、第二光隔离器、泵浦激光器组成；输入微弱光信号接所述第一光隔离器的输入端，第一光隔离器的输出端接第一波分复用器的信号端，泵浦激光器接第一波分复用器的泵浦端，第一波分复用器的公共端接第一掺铒光纤的一端，第一掺铒光纤的另一端接第一解波分复用器的公共端，经第一解波分复用器解波后的泵浦端接第二级光放大单元，作为第二级光放大单元的泵浦源信号，经第一解波分复用器解波后的信号端接第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端接双波长匹配光滤波单元。 [0014] 进一步地，第一级光放大单元中，第一光隔离器、第二光隔离器工作波段均为C波段，泵浦激光器为980nm泵浦激光器，泵浦激光器与驱动控制及功率检测模块连接。 [0015] 进一步地，第一波分复用器采用98/15波分复用器，第一解波分复用器选用98/15解波分复用。 [0016] 进一步地，所述第二级光放大单元实现对经过放大后光信号的进一步高增益放大，第二级光放大单元主要由第三波分复用器、第二掺铒光纤、第三光隔离器、分光耦合器、光电探测器组成；经过双波长匹配光滤波单元输出的光信号接所述第三波分复用器的信号端，第三波分复用器的泵浦端接第一级放大单元中经第一解波分复用器解波后的多余泵浦信号光，第三波分复用器的公共端接第二掺铒光纤的一端，第二掺铒光纤的另一端接第三光隔离器的输入端，第三光隔离器的输出端接分光耦合器的公共端，分光耦合器的大分光比端输出放大后的光信号，分光耦合器的小分光比端接光电探测器。 [0017] 进一步地，分光耦合器选用1:99分光耦合器，其中99%分支作为放大后的光信号输出，1%分支接入光电探测器，并通过驱动控制及功率检测模块进行实时采样及光功率校准。 [0018] 进一步地，在所述第二级光放大单元中，根据具体需要确定是否加入增益平坦滤波器，当需要增加增益平坦功能时，在第三光隔离器和分光耦合器之间设置所述增益平坦滤波器，第三光隔离器的输出端接增益平坦滤波器的输入端，增益平坦滤波器的输出端接分光耦合器的公共端。 [0019] 有益效果：（1）本发明通过双波长匹配滤波单元设计，使用较少的无源光器件即可实现对经一级预放大后的光信号进行双波长兼容的滤波合波处理，抑制ASE自发辐射噪声，获得较高的信噪比，从而实现能够兼容双波长的输入微弱光信号放大的功能。工作波长选择灵活，能够根据系统需要选用具体的工作波长，可选择单一波长，也可选择双波长；通过滤波单元对ASE自发辐射噪声的抑制，滤除了带外噪声，减小噪声系数，提高系统信噪比，降低误码率。 [0020] （2）本发明设计了一种双级旁路结构的高增益、低噪声掺铒光放大装置，采用双级掺铒光放大结构，通过调节EDF掺铒光纤的长度配比，并将泵浦光和经一级预放大的信号光进行分离后，将残余泵浦光传入二级光放大系统，结合波长匹配滤波单元，将滤波处理后的预放大光再次合波放大，使泵浦光和掺铒光纤充分作用，降低了多余泵浦光的消耗，抑制ASE自发辐射噪声的产生，在降低噪声系数的同时，提高了泵浦利用率。 [0021] （3）本发明能够简化激光通信终端的系统设计复杂度，配合具有多波放大功能的高功率光放大装置，激光通信终端的A机、B机可实现集成化、无差异化设计，便于统型和批量生产，具有尺寸小、维护成本低等特点。 [0023] 图1 一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置的结构示意图。 [0024] 附图标记：1‑第一光隔离器、2‑第一波分复用器、3‑第一掺铒光纤、4‑第一解波分复用器、5‑第二光隔离器、6‑第二解波分复用器、7‑带通光滤波器、8‑第二波分复用器、9‑第三波分复用器、10‑第二掺铒光纤、11‑第三光隔离器、12‑增益平坦滤波器、13‑分光耦合器、14‑泵浦激光器、15‑光电探测器、16 ‑驱动控制及功率检测模块。 具体实施方式[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。 [0026] 本发明设计了一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置，实现对微弱光信号的高增益、低噪声放大，并可兼容双波长输入，波长选择灵活。包括第一级光放大单元、双波长匹配滤波单元、第二级光放大单元、驱动控制及功率检测模块。 [0027] 如附图1所示，在本实施例中，一种双波兼容微弱光信号高增益低噪声光放大装置包括第一级光放大单元、双波长匹配光滤波单元、第二级光放大单元、驱动控制及功率检测模块。其中，输入微弱光信号可以为C波段中单个ITU波长的光信号也可为双ITU波长光信号（即包含λ1和λ2中单个波长或同时包含双波长），如激光通信常用波长C18或C46，输出光信号与输入光信号波长成分一致。 [0028] 第一级光放大单元实现对输入的微弱光信号进行低噪声预放大，使泵浦光与掺铒光纤充分作用，采用旁路结构设计将残余泵浦光分离出来并传递至第二级光放大单元，减小一级残余泵浦光的消耗，提高泵浦利用率，抑制ASE自发辐射噪声，获得较低的噪声系数。 [0029] 具体地，第一级光放大单元主要由第一光隔离器1、第一波分复用器2、第一掺铒光纤3、第一解波分复用器4、第二光隔离器5、泵浦激光器14组成。输入微弱光信号（包含λ1和λ2中单个波长或同时包含双波长）接所述第一光隔离器1的输入端，第一光隔离器1的输出端接第一波分复用器2的信号端，泵浦激光器14接第一波分复用器2的泵浦端，第一波分复用器2的公共端接第一掺铒光纤3的一端，第一掺铒光纤3的另一端接第一解波分复用器4的公共端，经第一解波分复用器4解波后的泵浦端接第二级光放大单元，作为第二级光放大单元的泵浦源信号，经第一解波分复用器4解波后的信号端接第二光隔离器5的输入端，第二光隔离器5的输出端接双波长匹配光滤波单元。 [0030] 第一级光纤放大单元采用980nm泵浦作为激励源对输入信号光进行低噪声的预放大，采用前向泵浦方式，为整个系统提供较低的噪声系数；第一光隔离器1、第二光隔离器5工作波段为C波段；第一掺铒光纤3所用长度根据产品的性能要求进行配比优化设计；第一光隔离器1用于防止放大过程中产生的ASE光沿着掺铒光纤反向传输从而对信号光源造成干扰或损坏；第一泵浦激光器14为980nm泵浦激光器，用于提供能量激励掺铒光纤以实现粒子数反转输出放大信号光；第一波分复用器2采用98/15波分复用器，用于将泵浦光和信号光有效耦合注入第一掺铒光纤3中，实现对输入光信号的一级放大作用；第一解波分复用器4选用98/15解波分复用，将C波段的信号光与980nm的残余泵浦光分离，结合第一掺铒光纤3的长度配比优化，使泵浦激光器14和第一掺铒光纤3充分泵浦作用，获得较小的噪声系数，并将多余的泵浦光传送至第二级放大单元作为其泵浦源，减小一级残余泵浦光的消耗，提高泵浦利用率；第二光隔离器5的作用是避免正向传播的ASE光及信号光在第一级光放大单元的输出端反射回掺铒光纤，造成噪声系数的增大及对泵浦光的消耗，从而影响系统增益特性。 [0031] 双波长匹配滤波单元采用双波长滤波设计，实现对经第一级放大单元预放大后的信号光的ASE自发辐射噪声滤除，既能保留与输入光信号波长成分一致的光信号，又能进一步降低噪声系数，提高系统信噪比。 [0032] 双波长匹配光滤波单元主要由第二解波分复用器6、带通光滤波器7、第二波分复用器8组成，第二解波分复用器6的公共端接经第一级光放大单元预放大后的光信号，第二解波分复用器6的其中一个分支接带通光滤波器7的输入端，第二解波分复用器6的另一个分支接第二波分复用8的其中一个分支，带通光滤波器7的输出端接第二波分复用器8的另一个分支，第二波分复用器8的公共端接第二级光放大单元。 [0033] 双波长匹配光滤波单元采用双波滤波设计，主要实现对经第一级放大单元预放大后的信号光的ASE自发辐射噪声滤除，保留与输入光信号波长成分一致的光信号。该单元中的第二解波分复用器6和第二波分复用器8均选用与兼容的双波输入光信号其中一个波长（λ1或λ2）及带宽匹配的DWDM器件（如C18波长100GHz的解波分复用器与波分复用器，其中一个分支传C18波长信号，另一分支传剩余波长信号，也可根据需要选取与光源匹配的50GHz、200GHz的光滤波器），带通光滤波器7选用与兼容的双波输入光信号中另一个波长输入光的波长（λ2或λ1，不同于第二解波分复用器6和第二波分复用器8的波长）及带宽匹配的器件（如C46波长、100GHz的光滤波器，C46波长的光信号可以透过传输，其余波长成分被滤除，也可根据需要选取50GHz、200GHz的光滤波器）。这样，第一级预放大信号经双波长匹配滤波单元处理后，ASE自发辐射噪声得到了有效抑制，减小了噪声系数，同时保留了与输入光信号波长成分一致的有效信号，大大提高光信号的信噪比。 [0034] 第二级光放大单元实现对经过放大后光信号的进一步高增益放大，将经预放大及匹配滤波后的光信号与第一级光放大单元传输过来的多余泵浦光进行合波放大，并具备输出光功率探测功能，根据需要也可增加增益平坦功能。 [0035] 第二级光放大单元主要由第三波分复用器9、第二掺铒光纤10、第三光隔离器11、增益平坦滤波器12、分光耦合器13、泵浦激光器14、光电探测器15组成。经过双波长匹配光滤波单元输出的光信号接所述第三波分复用器9的信号端，第三波分复用器9的泵浦端接第一级放大单元中经第一解波分复用器4解波后的多余泵浦信号光，第三波分复用器9的公共端接第二掺铒光纤10的一端，第二掺铒光纤10的另一端接第三光隔离器11的输入端，第三光隔离器11的输出端接增益平坦滤波器12的输入端，增益平坦滤波器12的输出端接分光耦合器13的公共端，分光耦合器13的大分光比端输出放大后的光信号（波长成分与输入光信号一致），分光耦合器13的小分光比端接光电探测器。 [0036] 第二级光放大单元实现对经过放大后光信号的进一步高增益放大，其与第一级放大单元结构类似，各器件作用类似，只是增加了输出光功率探测功能，并根据需要增加增益平坦滤波功能。分光耦合器13一般选用小分光器器件，如1:99分光耦合器，其中99%分支作为放大后的光信号输出，1%分支接入光电探测器15，并通过驱动控制及功率检测模块16进行实时采样及光功率校准，以实现较高精度的输出光信号探测。根据具体需要确定是否加入增益平坦滤波器12，如：当同时输入双波长光信号且这两个波长增益平坦度要求较高时，选用可使该双波长增益均衡的光滤波器；当同时仅输入单波长信号或当同时输入双波长信号但无平坦度要求时，无需加入增益平坦滤波器12，此时第三光隔离器11的输出端直接连接分光耦合器13的公共端。 [0037] 所述驱动控制及功率检测模块16分别连接泵浦激光器14和光电探测器15，实现泵浦激光器14的恒流驱动控制、TEC温度控制，并通过光电探测器15的实时采样和校准，实现输出光功率的实时检测，反馈闭环控制实现APC恒功率输出控制。 [0038] 通过上述装置，基于一种特殊的双级旁路掺铒光放大结构设计，并在双级放大单元之间加入了波长匹配滤波单元，进行了ASE自发辐射噪声的有效抑制，实现能够兼容双波长的输入微弱光信号放大的功能，最终实现了‑60 ‑30dBm输入弱光信号的放大，增益能力~高达55dB以上，并获得了极低的噪声系数，当在第二级光放大单元中加入增益平坦滤波器时，双波长光信号增益平坦度可达±1dB内。 [0039] 该装置既可应用于非保偏光放大器，也可应用于保偏光放大器，无论是在直接探测的非相干或是相干探测的激光通信体制中，都具有较好的适用性。 [0040] 本发明的光放大装置工作波长选择灵活，能够根据系统需要选用具体的工作波长，可选择单一波长，也可选择双波长；具有泵浦利用率高、噪声系数低、信噪比高、可靠性高等特点，降低系统功耗和误码率；能够简化激光通信终端的系统设计复杂度，配合具有多波放大功能的高功率光放大装置，激光通信终端的A机、B机可实现集成化、无差异化设计，便于统型和批量生产，具有尺寸小、维护成本低等特点。 [0041] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 |
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