CN1295728A - 具有宽的平坦增益动态范围的光学放大器 - Google Patents

具有宽的平坦增益动态范围的光学放大器 Download PDF

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Abstract

一种光学放大器,包括掺有诸如铒的杂质离子的光纤段(20),对在光纤段中传播的光学信号提供光学增益。第一抽运波长的第一源(50)将离子从第一基态抽运到第二亚稳态。亚稳态通过受激辐射而衰退到基态,提供光学增益。第二抽运波长的第二源(60)将离子从基态抽运到第三辅助态。辅助态衰退到亚稳态。因此,通过控制在一个或两个抽运波长的抽运功率,有可能控制在亚稳态中的部分离子。这又允许控制增益谱的整个比例因子,而不实质性地影响增益谱的形状。

Description

具有宽的平坦增益动态范围的光学放大器
                          发明领域
本发明涉及光纤放大器，尤其涉及改变光纤放大器的增益谱的整个比例因子而不实质性地改变增益谱的形状的方法。因此，虽然在传统的掺铒光纤放大器(EDFA)中，增益谱的幅度和形状被完全耦合，但本发明提供一种EDFA增益谱幅度和形状的去耦合的技术。
                          发明背景
对于在波长多路复用通信系统中使用的光学放大器，需要实现均匀或平坦的增益谱。利用产生平坦增益谱的铒的主玻璃材料(例如，共同掺铝的二氧化硅或者诸如ZBLAN的氟化玻璃)，以及使放大器在提供相关光谱区内提供最佳平坦增益的平均转化下工作，能够使EDFA的增益平坦度最佳化(C.R.Giles和D.J.D.Giovanni，“掺铒光纤放大器中增益和噪声的光谱依赖关系”，IEEEPhotonics Technology Letters，V.2，pp.797-800，1990)。通过采用增益平坦化滤波器能够进一步改善增益平坦度(M.Tachibana，R.I.Laming，P.R.Morkel和D.N.Payne，“具有平坦增益谱的掺铒光纤放大器”，IEEEPhotonics Technology Letters，V.3，pp.118-120，1991)。然而，所有这些技术仅在单个增益值上提供最佳增益平坦度(即，在任何特定波长上的增益)。众所周知，EDFA的增益是通过改变其转化(例如，通过改变相对抽运率)而改变的，增益以很好限定的光谱依赖方式改变(C.R.Giles和D.J.D.Giovanni，“掺铒光纤放大器中增益和噪声的光谱依赖关系”，IEEE Photonics TechnologyLetters，V.2，pp.797-800，1990；J.Nilsson，Y.W.Lee和W.H.Choe，“WDM的具有动态增益平坦度的掺铒光纤放大器”，ElectronicsLetters，V.31，pp.1578-1579，1995)。结果，如果在其增益需要不同于放大器最平坦增益的应用中使用传统的EDFA，那么，其增益谱将表现过多归一化增益波纹(在有关波长上计算(最大增益-最小增益)/最小增益)。
通过光学放大光纤传输系统提供这是如何成为一个问题的例子，这里，需要支持比设计放大器这些更短的光纤跨距。通常不可能具有为每个光纤跨距所设计的单独放大器习惯。因此，或是迫使放大器具有畸变增益谱或是给系统增加足够损失从而使设计增益是来自放大器的实际需要。后者使用比重新设计放大器更大的光学功率，具有差的噪声性能，即使损失增加在各级EDFA之间(Y.Sugaya，S.Kinoshita和T.Chikama，“WDM系统的低噪声和宽动态范围掺铒光纤放大器的新颖结构”，光学放大器及其应用，1995 OSA Technical DigestSeries，Vol(美国光学学会)158-161)。
本发明的目的是提供一种新颖技术，能够改变诸如EDFA的光学放大器的增益谱的整个比例因子，而基本上不改变增益谱的形状。更一般地，本发明的目的是提供一种对EDFA或其它光学放大器的增益谱幅度和形状去耦合的技术。(在传统的EDFA中使二者完全耦合)。因此，利用本发明，通过控制增益谱的比例因子，可以以短于设计跨距的跨距提供EDFA，而不增加衰退。
当将一部分铒杂质离子激发到4I13/2亚稳态时在EDFA中能够获得增益。入射在受激离子上的信号能带光子(波长典型地为1525-1600nm)能够激发光子释放与其相等的能量，引起铒离子返回到4I15/2基态。在电信系统中使用的基于二氧化硅的EDFA通常在接近(+/-25nm)1480nm或980nm的波长上被抽运。正如图1所示，前者将离子从基态直接激励到亚稳态，而后者利用4I11/2辅助态。其它抽运波段是可能的，但是由于受激状态吸收(ESA)通常在650nm和800nm中发现较低的功率转换效率，因此在商用系统中不采用它们。
EDFA的增益谱可以大致表示为： G dB ( λ ) = 10 log 10 ( e ) Γ ( λ ) L EDF [ N 2 - σ e ( λ ) - N 1 - σ a ( λ ) ] - - - - ( 1 ) 式中GdB是以分贝表示的放大器增益，LEDF是放大器中掺铒光纤(EDF)的总长度，σe和σa分别是发射和吸收截面，N1和N2分别是基态和亚稳态能级的平均粒子数(单位体积的离子数)(C.R.Giles和E.Desurvire，“掺铒光纤放大器的模型化”Journal of Lightwave Technology，V.9，pp.271-283，1991)。
局部分数平均转化(即，光纤在特定轴点上的截面面积取平均的转化)计算为：
Figure 9980465300071
这对于以下改写方程式(1)将是方便的。
EDFA通常是这样使用的，几乎所有铒离子处于4I13/2亚稳态(能级2)或者4I15/2基态。这是因为如果不是这种情况降低ESA的效率可以成为问题。当在980能带内抽运时，离子主要从基态到4I11/2能级。在二氧化硅中，这种状态的寿命短，在10微秒的量级上，离子经受向亚稳态的非辐射衰退。由于4I11/2能级的寿命比亚稳态的寿命短这么多(在商用通信系统中经常碰到的功率电平上)，这一能级的粒子数同时可忽略不计。在诸如ZBLAN的低光子能量的玻璃(即光子能量显著地低于二氧化硅的玻璃)中，4I11/2能级的寿命在10毫秒的量级上，这占亚稳态寿命的较大部分。此外，在980nm抽运波段存在ESA，导致离子从4I11/2到4I7/2态的激发，这一过程会降低放大器的效率。结果，由低光子能量玻璃制成的EDFA通常不在980nm能带中被抽运[6]。最近，在寻找980nm能带波长上一直在进行工作，该波长提供有效放大，主要为了获得高转化，以得到低噪声指数(良好的噪声性能)(M.Yamada、Y.Ohishi、T.Kanamori、H.Ono、S.Sudo和M.Shimizu，“由0.97μm激光二极管抽运的低噪声和增益平坦化基于氟化物的掺Er3+光纤放大器”，Optics Letters，V.33，pp.809-810，1997；M.Yamada、Y.Ohishi、T.Kanamori、S.Sudo和M.Shimizu，“由0.97μm激光二极管抽运的低噪声和增益平坦化基于氟化物的掺Er3+光纤放大器”，OpticsLetters，V.22，pp.1235-1237，1997)。良好的功率转换效率也已得到演示，尽管如此，经济有效的980nm能带抽运也已得到证实。由于N1+N2约等于放大器中活性铒离子的总数，方程式1可以用分数粒子数写为： G dB ( λ ) = 10 log 10 ( e ) Γ N tot L EDF [ N 2 - ( σ e + σ a ) - σ e ] - - - - ( 3 ) 式中ni=Ni/Ntot。一旦EDF已经制造出来，切割长度并构造到放大器中，在方程式1中除n2以外，在方程式右侧的所有变量是固定的。因此，如果放大器的增益被改变，n2(平均转化)需要改变。然而，ΔGdB/Δn2(转化中每Δn2变化的增益变化)正比于Γ(σe+σa)，这是光谱独立的。结果，传统EDFA的增益不能以光谱均匀方式被增大或减小。而是，如果在特定波长上采取步骤增大或减小增益，增益谱的形状与波长的函数关系将会畸变。
鉴于以上情况，本发明的进一步的目的是提供一种EDFA，其中能够以光谱均匀方式增大或减小增益。换句话说，本发明的目的是提供一种EDFA或者其它光纤放大器，可以调节放大器增益谱的整个比例因子，而与增益谱的形状基本上无关。
已经提出了掺铒光纤放大器(EDFA)的双波长或多波长(或混合)抽运，以实现多个目的(见美国专利5710659)。例如，在第一级中通常采用980nm抽运，因为它能够实现铒离子的完全转化，因此达到最好的噪声性能。另一方面，1480nm抽运增益级可以具有比980nm抽运级更好的功率转换效率(较低能量1480nm光子的较少部分在放大器中被耗散，以便产生1530nm信号光子)，在有些情况中，1480nm抽运激光器成本要低。因此，第一级用980nm抽运而第二级用1480nm抽运的两级放大器可以将这些优点中的一部分合并在一起。然而，通过简单地用不同抽运波长从相对两端对其抽运，可以将这一方法扩展到单个增益级。这提供了可以合并多个泵的附加好处。
本发明的一个特定目的是提供一种能够利用多个抽运波长以光谱均匀方式增大或减小增益的EDFA。
                          发明概要
在本发明中，这样使用一个或多个辅助“抽运”或控制波长，即可以将一部分掺杂物离子有意地置于基态或亚稳态能级以外的其它状态中，从而Ntot＞N1+N2。在这种情况中，方程式(1)可以写为： G dB ( λ ) = 10 log 10 ( e ) Γ L EDF N tot [ N 1 - + N 2 - N tot ] { n 2 - [ σ e ( λ ) + σ a ( λ ) ] - σ a ( λ ) } - - - - ( 4 ) 在这种情况中的增益谱的形状再次由相对平均转化n2决定，但是增益谱的整个比例因子现在正比于项fact=[(N1+N2)/Ntot]，在当前EDFA中这通常为单位一或者不可控制。然而，根据本发明，fact可以小于一并可控制，从而能够将相同增益谱形状保存在不同绝对增益值上。在更一般的意义上，放大器增益谱的形状能够与绝对值本身分离。结果，可以将放大器设计为灵活的“动态增益倾斜”补偿器。可以调谐其增益形状，消除由级联的其它放大器中动态增益倾斜引起的不平衡。然后调节其绝对增益电平，与例如链路终端设备要求的功率电平相匹配。
本发明的一个说明性实施例(它实现上述内容)可以作如下描述。光学放大器包括掺有杂质离子的光纤段，为在所述光纤段中传播的光学信号提供光学增益。
第一抽运波长的第一源将离子从第一基态抽运到第二亚稳态。亚稳态通过受激辐射衰退到第一基态，以提供光学增益。第二抽运波长的第二源将离子从基态抽运到第三辅助状态。辅助状态自发地衰退到亚稳态。因此，通过控制一个或两个抽运波长的抽运功率，有可能控制在亚稳态中的离子部分。这又允许控制增益谱的整个比例因子，而不实质性地影响增益谱的形状。
示例地，
(a)离子是铒离子；
(b)第一抽运波长是1480nm；
(c)亚稳态是4I13/2；
(d)第二抽运波长是980nm；以及
(e)第三状态是4I11/2。
较佳地，光纤段是由诸如ZBLAN的低光子能量玻璃形成的。(其它的低光子能量玻璃包括碲化物或铝酸铯)。在这种情况中，辅助状态的寿命占亚稳态寿命的一个重要部分。这使得通过将一部分离子抽运到辅助状态而控制亚稳态的粒子数，因而控制增益谱的比例因子成为可能。
                          附图简述
图1是Er3+的缩写能级图。
图2是示意性地示出根据本发明说明性实施例的光纤放大器。
图3A和3B是图2所示EDFA的成对增益谱的曲线图。
图4是图3A和3B中数据导出的归-化增益差的曲线图。
图5是曲线图，表明利用本发明的技术可提供增益谱范围的扩展。
                          本发明的详细描述
按照本发明的说明性实施例，在EDFA中，降低fact(即能够提供增益的铒离子的部分)的一种方法是对在1480nm和980nm两个波长上在4I11/2能级中具有长寿命(例如大于1ms)的EDF进行抽运。由每个抽运源提供的功率总量是可以调节的，以产生可提供增益谱的整个范围。1480nm能带泵将粒子从基态直接激发到4I13/2亚稳态能级。980nm能带泵将粒子从基态直接激发到4I11/2辅助状态。由980nm能带抽运光平均地激发的铒离子在自发地衰退到会参与放大过程的亚稳态之前被延迟一段时间，这段时间等于4I11/2的寿命。结果，一部分铒掺杂物离子将占据4I11/2(由于ESA较高能级)以及fact将被降低到一以下。辅助状态的寿命越长，利用辅助或控制抽运激光器“兼并(sideline)”一部分离子所用的功率越小。
总之，根据本发明，诸如EDFA的光学放大器是这样工作的，即可控制的一部分活性掺杂物离子处于这样的能量状态中，即它们(暂时)不与被放大的光学信号相互作用，以便独立地控制光学放大器增益的形状和幅度。较佳地，掺杂物离子离开基态并经辅助状态到达亚稳态所用的时间至少为1或2ms(在ZBLAN的情况中这为10ms)。
图2示意性地示出按照本发明工作的光纤放大器。光纤放大器10包括掺铒光纤段20。示例性地，光纤段20为以1000ppm掺有铒的一段4.6m长的ZBLAN。较佳地，光纤段20是由诸如ZBLAN的低光子能量的玻璃形成的，使得辅助状态4I11/2具有相对较长的寿命。待放大的光学信号在输入端22进入放大器10并通过隔离器24。光学信号的波长在1525-1600nm波段内或许超出1700nm。经放大的光学信号通过隔离器34并经输出端32退出放大器系统。放大器10包括两个泵50和60。泵50是980nm能带的激光器。980nm抽运波段中的光学能量通过WDM(波分多路复用器)42被耦合到光纤20中并在光纤20中与光学信号同向传播。泵60是1480nm能带的激光器。1480nm抽运波段中的光学能量通过WDM 44被耦合到光纤20中并在光纤20中与光学信号逆向传播。
本发明还能够用逆向安排实施(980nm抽运功率与信号逆向传播而1480nm波段抽运功率与信号同向传播)。如果采用接近970nm的抽运波长，980nm抽运功率与信号逆向传播具有降低放大器噪声指数的优点(M.Yamada、Y.Ohishi、T.Kanamori、H.Ono、S.Sudo和M.Shimizu，“由0.97μm激光二极管抽运的低噪声和增益平坦化基于氟化物的掺Er3+光纤放大器”，OpticsLetters，V.33，pp.809-810，1997；M.Yamada、Y.Ohishi、T.Kanamori、S.Sudo和M.Shimizu，“由0.97μm激光二极管抽运的低噪声和增益平坦化基于氟化物的掺Er3+光纤放大器”，Optics Letters，V.22，pp.1235-1237，1997)。然而，由于ESA造成的效率损失在这种结构中会比如果逆转抽运方向的话更高。因此，泵的最佳安排将不得不基于逐个情况确定。
图3A和3B示出用宽带源和时域消光技术测量的上述的放大器的增益谱。所有增益谱是在同一放大器上测量的。较高的增益谱主要利用1480nm能带抽运光测量的。较低增益谱是通过增大980nm抽运光量和减小1480nm抽运光量获得的。图3A和3B中的成对曲线演示了如何明显地降低增益而通常伴随这种增益变化的增益形状没有大的变化。
图4进一步示出这一情况，这里图3A和3B的增益曲线之间的差别是利用单个1480nm能带泵为这一放大器测量的动态增益倾斜函数绘出的。在所有情况中，已经用峰值对曲线进行了归一化，以表示增益变化与波长的依赖关系。动态增益倾斜函数代表从抽运/信号功率调节得出的增益偏差量，沿着它简单改变平均转化。从图3A和3B导出的数据中相对偏差明显小于传统放大器的偏差。可以本放大器的归一化增益差(较大增益减较小增益)曲线的斜率或为正或为负斜率，或者通过适当内插为零斜率。后者是典型安排，但是能够采用改变符号的能力提供对由多种放大器技术组成的系统中增益斜率误差的补偿。为了确定特定需要请求的抽运和辅助“控制抽运”光的合适的量(诸如尽可能提供光谱最平坦增益减小)，在与实际部署条件匹配的条件下同时利用不同抽运功率的测量量可以进行放大器增益谱的一系列测量。然后能够导出将驱动电流与增益形状和输入功率相联系的查看表。然后在标定测量中所使用的激励功率之间能够内插中间增益谱。
由于独立控制放大器的增益的幅度和放大器有效平均转化(它决定增益谱的形状)的能力，对放大器的增益谱的控制比以前可能做到的要高得多。虽然方程式(3)预示将特定放大器的增益谱构造成不交叉的单个参数曲线族，图5表明利用这里所描述的方法可以提供增益谱的显著扩展范围。例如，可以使上部两条曲线交叉，由此对增益谱两端提供更高增益。
在掺铒的基于二氧化硅光纤的980nm抽运波段内抽运波长的变化自身表现为在铒增益波段(约1540-1565nm)的较长波长部分中增益斜率的变化(K.W.Bennett、F.Davis、P.A.Jakobson、N.Jolley、R.Keys、M.A.Newhouse、 S.Sheih和M.J.Yadlowsky，“EDFA的增益谱的980nm波段抽运波长调谐”，光纤放大器及其应用，1997 OSA Technical Digest Seeries，Vol.(OpticalSociety of America，Washington，DC)PD4-1-PDR-4)。由于本发明能够用于改变在该区域中的增益斜率，它提供补偿这一效应的一种潜在手段，尽管在掺Er/铝的二氧化硅中所需功率可能是高的。
通过利用抽运波长的其它组合能够实现上述的增益谱控制。例如，可以采用铒在850nm的ESA将离子激发到4S3/2能级。从这一状态，典型的衰退路径是返回到亚稳态级的非辐射级联。这一过程发生所花的时间(这与主材料高度相关)代表离子不能参与1.5μm放大过程的期间。因此，参与ESA过程的所有离子之和降低fact。采用在约850nm的ESA单独控制fact以及平均转化可以提供对这些参数的更独立控制。通过使波长在ESA峰左右最佳化，以便使ESA与基态吸收(GSA)的比率达到最大，能够使抽运功能和增益控制操作相对于1480nm/980nm能带抽运去耦合，尽管在有些情况中这可能以需要更高总抽运功率为代价。对于铒(或其它掺杂物)的其它ESA线(例如1140nm，790nm等)存在类似的争论[10]。然而，850nm ESA能带具有实用优点，低成本的GaAs二极管激光器技术可以提供合适的波长波段。在辅助“抽运”或者ESA波长上所需的功率通常与离子自发地从“陷获”状态衰退返回到基态或亚稳态能级并再次参与放大过程所用的时间相关。这一过程用的时间越长，需要的功率越小，所有其它事情是相同的。这建议采用具有长寿命的ESA能级或者衰退到长寿命能级的能级。此外，这建议采用低光子能量的玻璃，由此受激状态通常将具有更长的寿命。当发生具有有害效应的附加ESA过程时，出现上述争论的例外。缺少病理结论，附加ESA不会引起问题。具有较高阶ESA的潜力包括具有比目标更短寿命的状态激发(由此需要附加辅助“抽运”功率)或者在带隙上促进离子和可能导致光暗淡的上转换级联。
以上方法应当也可以应用于除铒以外的稀土族掺杂放大器，如果掺杂物在放大跃迁之外具有合适的辅助能级。
最后，以上描述的本发明的实施例仅仅希望是示例性的。本领域专业技术人员可以作出许多替代的实施例，而不偏离以下权利要求书的精神和范围。

Claims (19)

1．一种操作包括掺有杂质离子的光纤段的光学放大器的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)用第一抽运波长对所述光纤段进行抽运；
(2)用第二抽运波长对所述光纤段进行抽运；
(3)选择所述第一和第二波长中至少一个波长的抽运功率，由此选择所述光学放大器的增益谱的比例因子，而不改变所述增益谱的形状与波长的函数关系。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离子是铒离子。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光纤段是由低光子能量玻璃形成的。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述玻璃是碲化或氟化玻璃。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述光纤段是由ZBLAN玻璃形成的。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一和第二抽运波长中的一个为980nm，所述第一和第二抽运波长中的另一个为1480nm。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述选择步骤包括选择所述第一和第二抽运波长二者的抽运功率。
8．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述抽运波长中的一个与在所述光纤段中传播的光学信号同向传播，所述抽运波长中的另一个与所述光纤段中的所述光学信号逆向传播。
9．一种操作包括掺有杂质离子的光纤段的光学放大器的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(a)用第一抽运波长将所述离子从第一基态抽运到第二亚稳态，所述亚稳态经受激辐射衰退到所述基态，将光学增益提供给所述光纤段中传播的光学信号；
(b)用第二抽运波长将所述离子从所述基态抽运到第三状态，所述第三状态衰退到所述亚稳态，以及
(c)通过控制所述第一和第二抽运波长中至少一个的抽运功率，并由此控制所述离子在所述亚稳态中的部分，选择所述光学放大器的光学增益谱的比例因子，而不实质性地改变所述光学增益谱的形状与波长的函数关系。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述光纤段包括低光子能量玻璃。
11．如权利要求9所述的方法，其特征在于：
(a)所述离子是铒离子；
(b)所述第一抽运波长是1480nm；
(c)所述亚稳态是4I13/2；
(d)所述第二抽运波长是980nm；以及
(e)所述第三状态是4I11/2。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述选择步骤包括选择所述980nm抽运波长的抽运功率。
13．如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述抽运波长中的一个与在所述光纤段中的所述光学信号同向传播，所述抽运波长中的另一个与所述光纤段中的所述光学信号逆向传播。
14．一种光纤放大器，其特征在于所述光纤放大器包括：
掺有杂质离子的光纤段，为在所述光纤段中传播的光学信号提供光学增益；
第一抽运波长的第一源，将所述离子从第一基态抽运到第二亚稳态，该亚稳态经受激辐射衰退到所述第一基态，以提供所述光学增益；
第二抽运波长的第二源，将所述离子从所述基态抽运到第三状态，该第三状态衰退到所述第二亚稳态；
通过控制所述抽运波长中至少一个的抽运功率，并由此控制所述离子在所述亚稳态中的部分，选择所述光学放大器的光学增益谱的比例因子，而不改变所述光学增益谱的形状与波长的函数关系的电路。
15．如权利要求14所述的光纤放大器，其特征在于：所述光纤段包括低光子能量玻璃。
16．如权利要求15所述的光纤放大器，其特征在于：
(a)所述离子是铒离子；
(b)所述第一抽运波长是1480nm；
(c)所述亚稳态是4I13/2；
(d)所述第二抽运波长是980nm；以及
(e)所述第三状态是4I11/2。
17．一种光纤放大器，其特征在于所述光纤放大器包括：
由低光子能量玻璃形成的并掺有杂质离子的光纤段，为在所述光纤段中传播的光学信号提供光学增益；
第一抽运波长的第一源，将一些所述离子从第一基态抽运到第二亚稳态，该亚稳态衰退到所述第一基态；
第二抽运波长的第二源，将一些所述离子从所述基态抽运到第三辅助状态，该第三辅助状态衰退到所述第二亚稳态。
18．如权利要求17所述的光纤放大器，其特征在于：经所述辅助状态将离子从所述基态带到所述亚稳态所花的时间至少为1ms。
19．一种操作包括掺有杂质离子的光纤段的光纤放大器以对在所述光纤段中传播的光学信号进行放大的方法，所述方法包括一些步骤：
用第一抽运波长和第二抽运波长对所述光纤段进行抽运，使可控制的一部分离子处在这样的能量状态中，即它们不与在所述光纤段中传播的所述信号相互作用，从而独立地控制所述放大器的增益谱的形状和幅度。
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