[发明专利]多级光放大器

说明书

本发明涉及一种多级光放大器，特别是掺入稀土元素的具有喇曼增益部分(Raman gain section)的光纤放大器。

光放大器，特别是掺入铒的光纤放大器普遍应用于光传导系统中，尤其是电信领域。掺入铒的光纤放大器(EDFAs)具有高的偏振不敏感增益、不同波长的信号之间串扰噪声较低、优良的饱和输出功率和噪音指数接近于基本量限的特点。这种良好的噪音特性使得数以百计的该种放大器可以串联在一起，覆盖上千公里的光纤范围。而且与电中继器不同的是，EDFAs在一有限的范围内对数据速率、信号格式和波长都是透明的，这就使这种光纤放大器可以应用于波分复用(WDM)通信系统中，不同的信号使用不同的波段，从而同时传输大量的信号。

尽管EDFAs具有这些良好的特性，EDFAs也有谱线宽度窄和非均匀增益带宽的缺点。C-段EDFA有用的电信窗口大约为20-30nm宽，而理想放大器应该在整个波谱范围内具有平滑的增益，大约从1520nm延伸到1570nm。随基质玻璃材料的不同，铒增益谱线的峰值波长大约在1530nm和1535nm之间变化。图1给出了普通的EDFA的特性增益谱线。从图中可以看出增益作为波长的函数，变化是相当大的；在下文中，这种变化将被表述为增益波动。迄今为止，已经有大量有关扩展和平滑增益谱线的技术(也就是减小波动)，包括例如向掺铒的石英玻璃纤维中再掺入Al₂O₃；改变基质玻璃材料本身；使用不同形式的衰减滤波器来减小发射峰的增益；或者制造一种混合式设备，将两种或两种以上不同类型的掺铒光纤顺次相联在一起，通过主动对每个光纤段的泵浦条件进行独立调节来补偿每段光纤增益斜率的差别。

Srivastava等申请的、名称为平滑增益光放大器、于1999年5月4日颁布的美国专利5,900,969中，描述了光放大器的平滑增益谱线：首先放大一个接收到的光信号，然后将这个被放大的输入信号调整到一个预定的值，最后放大该被调整的信号，光放大器对波长的依赖性大大减少，可以获得所期望的增益谱线。

除了前面提到有关减小增益波动，以及在期望使用的波长范围上的非均匀增益的问题和解决方法外，还有一个很重要的问题目前还没有简单、廉价、可行的解决方法。本申请解决了这一涉及到改善动态增益波动的重要问题。这里所使用的动态增益波动这个术语，意思是一个波长处的增益波动是由改变输入EDFA的工作条件来改变任一其它波长的增益造成的。虽然前文描述的减小增益波动的技术，对于特定输入光功率和光波长组态可以得到一定光波长范围内的相对平滑的增益谱线，但是当改变放大器的输入功率使得增益的改变偏离额定条件时(改变到寄居数反转的状态)，增益均衡性能迅速降低。对该问题的解决方法已有报道并得到证实，通过采用串联具有不同增益谱的放大级和相同数量的泵浦源的混合放大器来解决这个问题。该泵浦源允许独立有效地调节各级的增益谱，使得当总的增益发生变化时，每一放大级的相应贡献可以被调整到所期望的增益值，结果增益谱线在选定的波段具有一个非常小的谱线失真。例如，具有正增益斜率的一掺铒光纤可以和另一个具有负增益斜率的掺铒光纤结合起来，因此这个混合设备在特定的输入功率条件下具有比较平滑的增益。然而，如果该混合设备的总增益必须被改变，那么当输入其中一个放大级的泵浦功率改变时，组成该多级放大器的每一级的增益斜率的变化率将会不同。为了对这一新工作点进行有效的校准，构成多级放大器的每一级各自的增益必须要重新调整使得增益斜率相互补偿。制造该种放大器时，本领域普通技术人员可能会串联两个或多个不同的掺铒光纤，为了减少接头数量和尽可能方便地独立控制每个放大级的泵浦源，在每个放大级的一端为放大级提供一个分离的泵浦源。然而，这种减小或改善动态增益波动的技术在操作过程中需要复杂的控制机制，因为为了实现一定范围内不同增益的增益斜率补偿，多个泵浦源的总功率必须要相等(即保持固定输出功率，改变输入功率)。

现在将要引用的是美国专利5,764,406，中请人为Newhouse等，名称为混合光放大器动态增益波动(Hybrid Optical AmplifierDynamic Gain Tilt)。该专利描述了这样一种系统，其掺铒光纤放大器的动态增益波动小于任何组成光纤的动态波动。该混合设备的泵浦源数量最多只能比构成该设备的波导数量少一个。该混合设备自动地改变各个掺杂波导段之间的泵浦分配，以便获得各组成部分相应增益的再调整。该发明在一个实施例中，提供了具有不同共掺构成的EDFs组成部分，可以在各个EDF段之间自动地改变泵浦分配以便获得各EDF组成段相应增益的再调整。