專利名稱：分配泵浦級(jí)聯(lián)光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及光纖放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
普通光纖放大器采用1只或2只激光二極管(LD)做泵源，通過(guò)波分復(fù)用光纖耦合器(MUX)，對(duì)一段稀土摻雜光纖進(jìn)行正向、反向或雙向泵浦，為避免光路中的光反饋的影響，需在輸入和輸出端設(shè)置光隔離器。在這種結(jié)構(gòu)中，放大的自發(fā)輻射(ASE)不僅大量消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有礙放大器光增益和光功率的增長(zhǎng)，而且構(gòu)成放大器的主要噪聲源。
為抑制ASE的不利影響，RLLaming等人曾提出采用兩段級(jí)聯(lián)、內(nèi)插隔離器或?yàn)V波器(或兩者兼?zhèn)?的方法。理論分析表明，當(dāng)采用正向泵浦方式時(shí)，輸入端必不可少的波分復(fù)用光纖耦合器引入的損耗直接加大了放大器的噪聲系數(shù)若采用反向泵浦方式，雖然避免了上述損耗，但由于通常條件下?lián)诫s光纖的輸入端附近泵浦不夠充分也會(huì)造成噪聲系數(shù)的上升。為解決這一矛盾，AT&T Be11實(shí)驗(yàn)室的J.LZyskind等人提出從中間泵浦的光纖放大器結(jié)構(gòu)，如


圖1所示。該放大器采用一個(gè)分波比為1∶1的分波器BS11將由一個(gè)或兩個(gè)泵浦激光二極管LD產(chǎn)生的泵浦光分成均等的兩束，其中一束經(jīng)光纖耦合器MUX11耦合至第一段摻雜光纖EDF11，另一束光經(jīng)另一個(gè)光纖耦合器MUX12耦合至第二段摻雜光纖EDF12，MUX11和MUX12之間經(jīng)過(guò)一個(gè)光隔離器ISO11和一個(gè)光濾波器F11相連，形成了內(nèi)插隔離器和濾波器的兩段級(jí)聯(lián)放大光路。其工作過(guò)程為兩束泵浦光分別從光纖耦合器MUX11的111、113端和MUX12的121、123端注入摻雜光纖EDF11和EDF12，并使之受激發(fā)而產(chǎn)生增益信號(hào)光則從輸入端101進(jìn)入第一段摻雜光纖EDF11得到放大，然后從MUX11的113端和112端經(jīng)隔離器ISO11、濾波器F11再?gòu)腗UX12的122端和123端進(jìn)入第二段摻雜光纖EDF12再次放大，最后從輸出端102輸出，在第一段摻雜光纖中，信號(hào)光與泵浦光相向傳輸(稱之為反向泵)，在第二段摻雜光纖中，信號(hào)光與泵浦光同向傳輸(稱之為正向泵)。隔離器ISO11阻斷了第二級(jí)反向ASE對(duì)第一級(jí)的干擾，濾波器F11阻斷了其帶寬以外的第一級(jí)正向ASE對(duì)第二級(jí)的干擾，該放大器采用的是完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，兩段摻雜光纖正、反向?qū)ΨQ泵浦，故又稱為平衡放大器或?qū)ΨQ放大器(balanced opticalamplifier)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，這種光路結(jié)構(gòu)用于低噪聲前置放大器效果良好。
然而，信號(hào)功率在放大器中是不平衡的。第一級(jí)信號(hào)較小，消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不多，第二級(jí)信號(hào)大，需要的泵浦功率較大，在要求大功率輸出的放大器中尤其如此，上述平衡放大器對(duì)兩級(jí)進(jìn)行均等的泵浦，必然造成泵浦功率在第一級(jí)的剩余而浪費(fèi)。在大功率泵浦二極管價(jià)格昂貴的今天，這一浪費(fèi)是可觀的。
本實(shí)用新型的目的在于為克服上述放大器的不足之處，設(shè)計(jì)出新的光路結(jié)構(gòu)的放大器，即在上述兩段級(jí)聯(lián)光路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在第二段摻雜光纖EDF的未端增加一個(gè)光纖耦合器MUX和泵浦源LD，取消兩段摻雜光纖之間的濾波器而保留光隔離器，該光路可實(shí)現(xiàn)第一段反向泵浦第二段雙向泵浦的方案，第一段的泵源和第二段的正向泵源可以由同一只泵浦二極管經(jīng)分波器分配提供，通過(guò)調(diào)整這兩束泵浦光的比例及兩段摻雜光纖的長(zhǎng)度而達(dá)到整個(gè)光路結(jié)構(gòu)的總體優(yōu)化匹配。同時(shí)達(dá)到高增益、低噪聲和高輸出功率。由于取消了兩級(jí)之間的光濾波器，加大了整個(gè)放大器的增益帶寬。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的分配泵浦兩段級(jí)聯(lián)光纖放大器，包括由一個(gè)分光器、三個(gè)波分復(fù)用光纖耦合器、一個(gè)以上隔離器連接的兩段摻雜有源光纖構(gòu)成的兩段級(jí)聯(lián)光路，以及分別與所說(shuō)的分光器的1端和第三個(gè)光纖耦合器的1端相連的兩個(gè)泵浦激光二極管以及激光二極管的溫控和驅(qū)動(dòng)電源。其特征在于分光器的2端、3端分別與第一、第二個(gè)光纖耦合器的1端相連，第一、第二個(gè)光纖耦合器的3端分別與第一段、第二段摻雜光纖相連，所說(shuō)的光隔離器分別與第一、第二個(gè)光纖耦合器的2端相連，所說(shuō)的第三個(gè)光纖耦合器的3端與第二段摻雜光纖的末端相連，所說(shuō)的第一段摻雜光纖的第二端和第三個(gè)光纖耦合器的2端分別為放大器的輸入端和輸出端，其結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程如圖2所示，泵浦二極管LD21產(chǎn)生的泵浦激光從分波器BS21的B211端輸入，經(jīng)分束后的兩束泵浦光分別從B212和B213端輸出，其中從B212端輸出的泵浦光經(jīng)第一個(gè)波分復(fù)用光纖耦合器MUX21的211、213端進(jìn)入第一段摻雜光纖EDF21，而從BS21的B213端輸出的泵浦光經(jīng)第二個(gè)耦合器MUX22的221、223端進(jìn)入第二段摻雜光纖EDF22；另一只泵浦源LD22產(chǎn)生的泵浦激光從第三個(gè)耦合器MUX23的231和2233端進(jìn)入第二段摻雜光纖EDF22的另一端。信號(hào)光則從第一段摻雜光纖EDF21的自由端201進(jìn)入該段光纖得到放大，然后經(jīng)耦合器MUX21的213端和212端進(jìn)入光隔離器ISO21，經(jīng)過(guò)光隔離器后的信號(hào)光經(jīng)耦合器MUX22的222和223端進(jìn)入第二段摻雜光纖EDF22并再次得到放大，最后經(jīng)耦合器MUX23的233和232端耦合輸出。為克服通常條件下反向泵浦工作時(shí)ASE功率較大而引起噪聲系數(shù)惡化的問(wèn)題，第一段有源光纖的長(zhǎng)度和泵浦功率的選配應(yīng)保證其增益在15-25dB(根據(jù)總增益的設(shè)計(jì)要求而定)范圍而光纖長(zhǎng)度盡可能短，這是因?yàn)樵谟性垂饫w比較短且泵浦功率較大的條件下，由于摻雜光纖得到足夠的漂白，反向工作和正向工作時(shí)所產(chǎn)生的ASE功率相差不大。分波器的分波比即用于第一段和第二段的泵浦光功率的分配比例在很大程度上影響整個(gè)放大器的性能。分波比的選擇應(yīng)在保證第一段達(dá)到增益和噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上將盡可能多的泵浦功率分配到第二段，以得到盡可能大的總增益和輸出功率。第二段有源光纖長(zhǎng)度的選擇則應(yīng)使泵浦光充分被利用而得到最佳的增益和(或)輸出功率。在單只泵浦激光二極管功率不夠大的情況下，第一段的泵浦源和第二段的正向泵浦源也可以分別由兩只泵浦激光二極管提供。該結(jié)構(gòu)除具有如
圖1所示放大光路的優(yōu)點(diǎn)，即利用兩段之間的光隔離器阻擋后級(jí)放大ASE對(duì)前級(jí)的干擾、采用反向泵浦的第一級(jí)避免輸入端光纖耦合器的附加損耗以提高增益、降低噪聲系數(shù)之外，主要技術(shù)特點(diǎn)如下其一，該光路采取第一段反向泵、第二段雙向泵的兩段級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一段主要在保證達(dá)到低噪聲系數(shù)要求的前提下提供增益，第二段主要提供功率。采用分波器分配泵浦的辦法將第一段“剩余”的泵浦功率分給第二段，由于對(duì)第二段摻雜光纖增加了泵浦強(qiáng)度，增益和輸出功率均顯著提高。實(shí)驗(yàn)研究表明，采用分配辦法比采用“再利用”(Recycled)的辦法利用第一級(jí)的剩余泵浦功率有效的多。
其二，第一段采用反向泵浦方式。由于避免了輸入端的波分復(fù)用光纖耦合器的附加損耗而降低了噪聲系數(shù)。同時(shí)，第一段摻雜光纖較短，保證了整段光纖被充分漂白而進(jìn)一步降低了噪聲系數(shù)。
其三，與
圖1所示的結(jié)構(gòu)相比。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的放大器光路結(jié)構(gòu)取消了第一段和第二段之間的濾波器而保留了隔離器，其結(jié)果既保留了隔離器阻斷第二段反向ASE對(duì)第一段干擾的功能，又拓寬了放大器的增益帶寬；而第一段輸出的ASE，由于該段摻雜光纖較短，在一般泵浦條件下容易達(dá)到粒子數(shù)充分反轉(zhuǎn)，已經(jīng)在較大程度上受到壓縮而保證了低噪聲的實(shí)現(xiàn)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1為已有技術(shù)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實(shí)施例放大器機(jī)箱面板布局圖。
本實(shí)用新型研制出一種分配泵浦兩段級(jí)聯(lián)光纖放大器實(shí)施例，其光路結(jié)構(gòu)如圖3所示。結(jié)合附圖詳細(xì)描述如下?lián)诫s光纖EDF31、波分復(fù)用光纖耦合器MUX31、光隔離器ISO31、耦合器MUX32、摻雜光纖EDF32以及耦合器MUX33順序連接成和圖2中相同的信號(hào)通道，為了防止光反饋的影響，摻雜光纖EDF31的自由端301和耦合器MUX33的332端分別連接光隔離器ISO32和ISO33，并分別用作信號(hào)的輸入端和輸出端。耦合器MUX31和MUX32的311端和321端分別與分波器BS31的B312和B313端相連，BS31的B311與泵浦激光管LD31相連，耦合器MUX33的331端還和泵浦激光管LD32相連。該放大器的工作過(guò)程如下泵浦光分別從三個(gè)光纖耦合器注入兩段摻雜光纖，信號(hào)光經(jīng)隔離器ISO32進(jìn)入第一段摻雜光纖放大，然后經(jīng)耦合器MUX31、隔離器ISO31和耦合器MUX32進(jìn)入第二段摻雜光纖再次放大，最后經(jīng)耦合器MUX33和輸出隔離器ISO33輸出。實(shí)施中采用一只功率為100mW和一只110mW的型號(hào)為QLM9S470的980mm激光二極管作泵源，工作電流約200mA，工作溫度約25℃；鉺/鋁共摻光纖數(shù)值孔徑0.21，截止波長(zhǎng)0.9μm，對(duì)泵浦光和信號(hào)光的吸收分別為3.9dB/m和4.57dB/m，第一段長(zhǎng)7m，第二段長(zhǎng)17.5m；所用三個(gè)光纖耦合器均為EPTSMWDM980/1550波分復(fù)用光纖耦合器，插入損耗小于0.1dB，隔離度大于20dB；所用三個(gè)#I-15-PIPT-X-1A光隔離器插入損耗小于0.5dB，隔離度大于20dB；所用分波器為EPTSMWDM980光纖分波器。采用1553nm波長(zhǎng)的DFB激光作信號(hào)源，獲得小信號(hào)增益45dB，最大輸出功率16.6dBm，噪聲系數(shù)4.2dB(包括輸入端隔離器的損耗)，用可調(diào)諧外腔激光二極管輸出光作信號(hào)源測(cè)得-3dB增益帶寬為40nm，這是目前國(guó)際摻鉺光纖放大器在1550nm波段(光纖通信實(shí)用波長(zhǎng))達(dá)到的最好指標(biāo)。該放大器體積為45×40×9cm3，其機(jī)箱面板布局如圖4所示。
權(quán)利要求1.一種分配泵浦級(jí)聯(lián)光纖放大器，包括由一個(gè)分光器、兩個(gè)波分復(fù)用光纖耦合器、一個(gè)以上隔離器連接的兩段摻雜有源光纖構(gòu)成的兩段級(jí)聯(lián)光路，以及與所說(shuō)的分光器的1端相連的泵浦激光二極管及其溫控和驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于還包括第三個(gè)波分復(fù)用光纖耦合器及與其1端相連的第二個(gè)泵浦激光二極管及其溫控和驅(qū)動(dòng)電源。所說(shuō)的分光器的2端、3端分別與所說(shuō)的第一、第二個(gè)光纖耦合器的1端相連，第一、第二個(gè)光纖耦合器的3端分別與所說(shuō)的第一段、第二段摻雜光纖相連，所說(shuō)的一個(gè)光隔離器分別與第一、第二個(gè)光纖耦合器的2端相連，所說(shuō)的第三個(gè)光纖耦合器的3端與第二段摻雜光纖的末端相連，所說(shuō)的第一段摻雜光纖的第二端和第三個(gè)光纖耦合器的2端分別為放大器的輸入端和輸出端。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的光纖放大器，其特征還在于，由所說(shuō)的分光器分別向第一和第二段摻雜光纖提供的泵浦光分別由兩只激光二極管提供
專利摘要本實(shí)用新型涉及光纖放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本放大器包括由一個(gè)分光器、兩個(gè)波分復(fù)用光纖耦合器、一個(gè)以上光隔離器連接的兩段摻雜有源光纖構(gòu)成的兩段級(jí)聯(lián)光路，以及與分光器的1端相連的泵浦激光二極管，其特征在于還包括第三個(gè)波分復(fù)用光纖耦合器及與其1端相連的第二只泵浦激光二極管。第一級(jí)采取反向泵浦避免了輸入光耦合器的附加損耗而降低了噪聲系統(tǒng)，通過(guò)分波器將第一只泵浦二極管的部分泵浦光用于加強(qiáng)第二級(jí)的泵浦強(qiáng)度，因而同時(shí)達(dá)到高增益、低噪聲和高輸出功率。兩級(jí)之間沒(méi)有光濾波器，加大了放大器的增益帶寬。
文檔編號(hào)G02B6/00GK2265548SQ96203208
公開日1997年10月22日 申請(qǐng)日期1996年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月9日
發(fā)明者彭江得, 劉小明, 唐平生, 劉丹, 周炳琨 申請(qǐng)人:清華大學(xué)