CN1203344C - 与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合的混合光放大器 - Google Patents

与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合的混合光放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种与一拉曼光纤放大器和一半导体光放大器耦合的混合光放大器，包括：一激光二极管，用于产生并发射用于拉曼光放大的激光；一波分多路复用器，用于通过入射信号光，将激光二极管发射的激光以与入射信号光相反的方向射出；和一增益箝位半导体光放大器，用于放大波分多路复用器发出的光信号。

Description

与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合的混合光放大器
技术领域
本发明涉及一种用于光通信的光放大器，特别是一种与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合以实现在WDM光传输系统中最佳工作的混合光放大器。该混合光放大器使用一增益箝位半导体光放大器和一拉曼光纤放大器，从而获得足够高的增益和很低的噪声系数。另外，该混合光放大器最好在WDM光网络中工作，在该网络中信道的数目随信道的增加/减少等而动态变化。半导体光放大器和拉曼光纤放大器被封装为很小的尺寸，且并未使用光纤，因此混合光放大器便于使用且成本很低。
背景技术
为了适应最近快速增加的光通信容量，目前正在积极发展高容量主通信网络和光纤与用户级的连接。在这样的系统中，光放大器是补偿出现的损耗的关键装置，例如，长距离传输或/和插入部件引起的损耗。
参铒光纤放大器(下文中简称为“EDFA”)通常用作光放大器，且正在努力研究发展尺寸、可用带宽、和成本都更佳的新的光放大器。该光放大器的选择物包括半导体光放大器(下文称为“SOA”)、拉曼光纤放大器(RFA)、和包括SOA和拉曼光纤放大器的混合放大器。
SOA的优点在于尺寸很小、能耗低、成本低、放大带宽易于调节。但是，SOA的不利之处在于功率输出较低、噪音系数比典型的EDFA还差，信道之间的串扰很严重。
正在有限制性地研究在具有很大需求的测量WDM系统中使用SOA。但是，为了避免信道之间的严重的串扰，并且由于它的噪音系数相对较高和输出功率较低，因此它的使用还没有被广泛的接受。
同时，RFA的优点在于易于调节放大带宽，只需利用传输光纤作为增益介质来改变泵浦激光波长就可实现。特别是，当它与现有的EDFA耦合时，由于增益增加和有效噪音系数降低，因此可以实现远距离传输。但是，当RFA不与其它放大器，如EDFA一起使用而单独使用时，由于为了获得足够大的增益，如大于20dB，而需将大约1W的泵浦光源插入到单一模式的光纤中，因此它的实际使用会很困难。
为了解决上面放大器的问题目前正在发展耦合SOA和RFA的混合类型的光放大器。图2为一方块图，示出耦合SOA和RFA的混合类型光放大器。
如图2所示，由于发生在传输光纤中的模拟拉曼散射，具有较高输出的泵浦激光二极管(LD)121将通过传输光纤110的入射信号光放大，该泵浦激光二极管的输出在通过波分多路复用器122的反方向上。反向泵浦拉曼光纤放大器放大的信号通过第一隔离器130并入射到SOA 140中，然后前进到几十公里的远处。然后，在下面的步骤中重复相同的操作。
由于入射到SOA 140的信号被预先放大时加入很小的噪声，因此加入SOA中的噪声级相对很小，因此有效噪声系数被降低。这样，SOA 140的增益被增加且噪声系数被降低，从而混合类型光放大器可作为一具有高性能的光放大器使用。此时，由于SOA140由半导体芯片制成，拉曼泵浦激光二极管LD122由另一半导体芯片制成，因此系统的成本可有效降低。
但是，上述的传统技术很难适当地执行WDM信号放大。这是因为当多个不同波长的信道被放大时，由于增益特性相似且增益动态以大约1ns很快的变化，因此出现串扰现象，总增益值根据一个信道的输入信号变化而改变，因此其它信道的增益值也改变。因此，为了避免串扰现象，只可以在增益饱和不严重的区域使用足够小的输入信号。该系统不能在动态增加/降低很频繁的WDM网络中使用。
另一方面，为了去除当前技术中传统SOA中的串扰，如图3所示，示出一种具有一与输入光信号的功率无关的箝位增益的增益箝位SOA(GCSOA)220类型。最近另一类通过提供光轴方向的反馈的箝位增益的GCSOA和通过提供垂直于光轴方向的反馈的箝位增益的GCSOA，所谓的LOA，可以在市场上买到。该LOA在增益箝位特性方面很优秀，且没有表现出达到20GHz的驰张振荡。这种情况下，由于没有串扰且即使出现信道的增加/减少，各信道的增益也不会改变，因此GCSOA可用于图1所示的WDM网络中。该GCSOA(LOA)在增益箝位特性方面比箝位的增益的EDFA更为优越。
但是，像传统的SOA一样，该GCSOA，包括LOA，其输出功率也很低，噪音系数又很高，因此只能用于短途传输。
另外，图2所示的混合类型的光放大器使用与光纤连接的SOA和同样与光纤连接的激光二极管。此时，由于很难将半导体芯片封装在光纤中，且装置成本的大部分来自于封装，因此降低成本方面有所局限。另外，由于各部分通过不短的光纤耦合，因此混合光放大器的整体尺寸变得很大。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种混合光放大器，它与一拉曼光纤放大器和一半导体光放大器耦合，具有足够的增益、低噪声系数和很好的增益箝位特性，适于用于WDM网络。
本发明的另一个目的是提供一种较小封装的混合光放大器，从而降低制造成本，且具有很好的增益和噪音系数特性。该放大器对扩大增益带宽非常有效。
为了实现上述目的，本发明最佳实施例提供一种与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器，包括：一激光二极管，用于为拉曼光放大器产生并照射激光；一波分多路复用器，用于通过入射信号光，将激光二极管发射的激光以与入射信号光相反的方向射出；和一增益箝位半导体光放大器，用于放大波分多路复用器发出的光信号。
本发明还提供一与一拉曼光纤放大器和一半导体光放大器耦合的混合光放大器，包括：一激光二极管，用于为拉曼光放大器产生并照射激光；一波分多路复用器，用于通过入射信号光，并将激光二极管发射的激光以与入射信号光的相反的方向射出；具有不同增益带宽的多个增益箝位半导体光放大器，用于放大波分多路复用器射出的光信号；和一波长带宽分割器(wavelength band divider)，用于与并行的多个增益箝位的半导体光放大器耦合，以根据不同的波长带宽执行放大。
本发明还提供一种与一拉曼光纤放大器和一半导体光放大器耦合的混合光放大器，包括：一激光二极管，用于用于为拉曼光放大器产生并照射激光；一波分多路复用器，用于通过入射信号光，并将激光二极管发射的激光以与入射信号光相反的方向射出；和一半导体光放大芯片，它不使用光纤而直接耦合以放大波分多路复用器射出的光信号，其中激光二极管芯片、波分多路复用器和半导体光放大芯片被封装在一起。
附图说明
为了更完整的理解本发明和本发明的优点，将在结合附图参见下面的说明，其中相同的附图标记表示相同的部分，图中：
图1为一方块图，示出信道增加/减小的WDM光传输系统；
图2为一方块图，示出耦合SOA和RFA的传统混合类型光放大器；
图3为一方块图，示出传统的增益箝位的半导体光放大器；
图4为一方块图，示出本发明第一实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。
图5为一方块图，示出本发明第二实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。
图6为一方块图，示出本发明第三实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。
图7为一方块图，示出本发明第四实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。
图8为一方块图，示出本发明第五实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。
图9为一曲线图，示出本发明实施例中与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器的特性；
图10为一方块图，示出本发明第六实施例的与一拉曼光纤放大器和一半导体光放大器耦合的混合光放大器。
具体实施方式
下面将详细参考本发明实施例，其具体例子如图中所示。
图4为一方块图，示出本发明第一实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。
如图4所示，该混合光放大器包括：一传输光纤410；一拉曼放大激光二极管421a；一波分多路复用器422a，它通过入射信号光，并以沿与入射信号光相反的方向从拉曼放大激光二极管421a发射一激光；一隔离器430，它将拉曼光放大部分420A与一增益箝位的半导体光放大器440隔离；增益箝位的半导体光放大器440，放大通过隔离器430的光信号。因此，入射到传输光纤410的光信号通过波分多路复用器422a被射到隔离器430。
此时，拉曼光放大激光二极管421a产生的激光入射到波分多路复用器422a，从而在与入射信号光相反方向上发射光。该入射的通过波分多路复用器422a的光信号被输入到增益箝位的半导体光放大器440中。隔离器430阻挡从增益箝位的半导体光放大器430反向传输的光，从而将拉曼光纤放大器420A与增益箝位的半导体光放大器440彼此隔离。增益箝位的半导体光放大器440放大的光信号通过一第二隔离器450输出。
因此，本发明的混合光放大器增加了增益箝位的半导体光放大器的增益和有效输出功率，并通过使用拉曼增益器降低了有效噪音系数。因此可作为具有良好性能的增益箝位的光放大器。另外，由于它可被封装为具有多种功能的、与现有通信激光器相似的尺寸，因此本发明的混合光放大器作为增益箝位的光放大器便于使用且成本较低。
图5为一方块图，示出本发明第二实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。图5的混合光放大器在图4的混合光放大器的后部另外包括一拉曼光放大部分420B和一传输光纤460，且结构为光信号通过增益箝位半导体光放大器440放大，通过第二隔离器450入射，并再次被拉曼放大。
因此，虽然增益箝位的半导体光放大器的输出被限制(当前可用输出为10dBm)，且当需要长距离传输或高输出时传输很困难，但图5的混合光放大器利用相对较低的拉曼放大激光二极管，可执行另一次超过5dB的放大，从而可适用于高输出的光传输或长距离传输。
图6为一方块图，示出本发明第三实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。图6的混合光放大器的结构为插入一色散补偿光纤(DCF)470，从而当光信号通过传输光纤时，补偿积累的数字信号的色散。其它的损耗来自于DCF、用于信道增加/减少的部件、或可变衰减器。此时，通过正向或反向拉曼放大DCF470可补偿损耗。如果需要可通过提供一更高的泵浦功率来获得附加的增益。此时，DCF470后的信号放大与图4所示的混合光放大器所执行的相同。
图7为一方块图，示出本发明第四实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。图7的混合光放大器的结构为对图6中输出的信号光再次进行拉曼放大。图7的混合光放大器可对增益箝位的半导体光放大器的输出进行拉曼放大，该输出由相对较低的拉曼放大激光二极管限制得相当低，降低了5dB多，从而最佳的保持了增益箝位的特性，和可适用于高输出光传输系统或长距离传输。
同时，在增益箝位的半导体光放大器的情况下，增益根据波长的改变是平滑和很小的，但是在大于30nm的带宽中通常会出现大约1dB的增益差。为了抵销它，可使用一简单的增益平整滤波器(gain flatteningfilter)，其结果是，增益被箝位，实现具有很小增益差别的增益平整半导体光放大器模块。该增益平整滤波器可根据需要，位于增益箝位半导体光放大器的前面部分或后面部分。
图8为一方块图，示出本发明第五实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。在图8中，具有不同增益带宽的多个增益箝位半导体光放大器平行耦合，从而增加放大带宽和输出功率。此时，一拉曼放大后的WDM光信号被波长带宽分割器481分割，并由增益箝位的半导体光放大器440a-440c中相对应的一个放大。其后，波长带宽分割器482收集放大的光信号，然后通过一个光纤将其输出。此时，可同时实现通过增加使用的增益箝位的半导体光放大器的数目增加输出强度的效果和增加带宽的效果。另外，多个拉曼放大泵浦被耦合以匹配增益箝位的半导体光放大器的带宽。拉曼放大可再执行一次。可根据本发明第五实施例的平行类型修改图4-7的混合光放大器。
图9为一曲线图，示出本发明实施例中与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器的特性。在图9所示的曲线中，水平轴表示各信道的输入光强度[dBm]，垂直轴表示增益/噪音数值[dB]。当混合光放大器被用作将一16个信道的光信号以80km的间隔传输至400km处的转发器时，在400km之后，光信号与噪音的比值仍然很好，且对应误码率为4×10-12时最终的Q因子为16.7dB。就是说在传输中没有任何问题。
在图9中，■表示增益箝位的半导体光放大器的增益值，□表示增益箝位的半导体光放大器的噪音值，●表示拉曼光纤放大器+增益箝位的半导体光放大器的增益值，○表示拉曼光纤放大器+增益箝位的半导体光放大器的噪音值。
图4的混合光放大器的信号放大特性单独地与半导体光放大器的放大特性进行比较。图4的混合光放大器的增益和噪音值分别为23dB和3dB，换句话说，本发明的混合光放大器与增益箝位的半导体光放大器相比，在增益和噪音值方面表现出很大的性能提高。
同时，现在进行研究的半导体量子点光放大器(quantum dot opticalamplifier)具有不会发生增益变化和过渡现象的特性，即使信号多次通过光放大器也仍然保持增益平整。
当将混合光放大器中的增益箝位的半导体光放大器用半导体量子点光放大器替换时，多个信道动态变化的WDM网络中将表现出很好的特性。即使放大间隔不同，但整个信道的最终输出也会基本稳定。可通过在量子点光放大器中提供一反馈更加增强增益箝位特性。
另外，根据使用环境，还可增加和去除一隔离器，还可加入一分接光纤接线头以监视输入/输出信号。
作为本发明的另一实施例，利用不同波长的多个拉曼放大激光二极管，可增加光放大增益值和带宽。例如，至少两个不同波长的拉曼光放大激光二极管发出的一激光可通过一波分多路复用器(未示出)或一加入到波分多路复用器中的偏振光束合成器被输入一个光纤中，从而增加光放大增益值和带宽。
图10为一方块图，示出本发明第六实施例的与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器。作为一个封闭组件，图10的混合光放大器包括：传输光纤510和550；拉曼光放大激光二极管520；分色镜521，它使通过第一透镜501的入射信号光通过，并以与入射信号光相反的方向将拉曼光放大激光二极管芯片520发出的激光射出；一隔离器，用于将拉曼光放大部分和半导体光放大部分隔离；一半导体光放大芯片，用于放大通过隔离器530的光信号；一第二透镜，用于将拉曼光放大激光二极管芯片520发出的激光射到分色镜521；一第三透镜，用于收集从隔离器530传输过来的光信号，并将该光信号射到半导体光放大芯片540；和一第四透镜503，用于收集半导体光放大芯片540输出的、将要输入到光纤的光信号。
这里，提供到分色镜521的用于拉曼光放大的激光是由封装的混合光放大器500中的拉曼光放大激光二极管520提供的或一外部部分提供的。
混合光放大器500将第一到第四透镜501-504、激光二极管520、分色镜521、隔离器530和半导体光放大芯片540封装成一个组件，并放大通过光纤510和550入射的光信号，光纤510和550与输入/输出接线端连接。
如上所述，入射到封装的混合光放大器500的光信号通过第一透镜501和分色镜521入射到隔离器530。同时，拉曼光放大激光二极管520产生的激光通过第二透镜504入射到分色镜521，并以与入射信号光相反的方向射出。通过分色镜521入射到隔离器530的光信号通过第三透镜502被输入到半导体光放大器540。隔离器530阻挡从半导体光放大器540反向传输的光，从而将拉曼光放大部分与半导体光放大部分隔离。通过第四透镜503，将半导体光放大器540放大的光信号输出到与混合光放大器500连接的光纤550。
第一透镜501和分色镜521之间，第二透镜504和分色镜521之间、分色镜521和隔离器530之间和隔离器530和第三透镜502之间的光信号传输没有使用光纤而是直接照射。
另外，拉曼光放大激光二极管芯片520被置于混合光放大器500中，以提供一拉曼光信号，或者拉曼光信号也可由外部提供。
当使用本发明第一到第五实施例所述的增益箝位的半导体光放大芯片或半导体量子点光放大芯片替换现有的半导体光放大器后，在WDM网络中可以实现具有优秀性能的光放大模块，该网络中信道的数据可以改变。
另外，根据使用条件，可以增加或去除隔离器，可加入一个分接光纤接线端，以监视输入/输出信号。
拉曼光放大激光可通过耦合装置由混合光放大器500外部来提供。此时，位于拉曼激光二极管芯片520中的第三光纤的一端发出的激光可由第二透镜504收集。
作为本发明的另一个实施例，可利用多个具有不同增益带宽的拉曼光放大激光二极管芯片增加光放大增益值和带宽。例如，从不同增益带宽的两个拉曼光放大激光二极管芯片发射的两个激光可通过分色镜(未示出)耦合为一个平行光，然后被传输到分色镜521，从而增加光放大增益值和带宽。
作为本发明的另一个实施例，可在分色镜521和第二透镜502之间或第三透镜503和传输光纤550之间提供一增益平整滤波器560，从而实现增益平整。
作为本发明的另一个实施例，可在波分复用器521和半导体光放大器540之间提供一DCF，从而补偿光信号的累积的色散。此时，增加两个透镜，一个用于收集输入到DCF的平行信号光，另一个用于校准DCF输出的光。为了补偿由于插入DCF引起的损耗，可在DCF的后和/或前部耦合一拉曼放大装置。
作为本发明的另一实施例，补偿光信号的累积的色散的DCF可被置于封装的混合光放大器的外侧，从而补偿数字信号的色散。
如上所述，与拉曼光纤放大器和半导体光放大器耦合的光放大系统增加了输出和性能，降低了噪音系数，而且即使当信道的数目变化时，可以通过增益箝位半导体光放大器箝位增益。而且，通过调节半导体器件的能带，可以很容易的改变半导体光放大器的增益带宽，且通过改变泵浦激光二极管的波长，很容易的改变拉曼放大带宽。因此，本发明的混合光放大器在传统EDFA或掺入稀土元素的光纤放大器不能放大信号的带宽中，具有很好的增益特性。当需要更大的通信容量时，本发明可很容易的实现在新的带宽中的具有优秀特性的光放大器。
另外，通过将半导体光放大器芯片和拉曼放大激光芯片封装成一个小的组件，可以极大地降低制造成本和显著地降低尺寸。
本发明已经参照实施例进行了说明，但本领域技术人员可在不脱离本发明精神和范围的情况下对本发明进行其他形式的变化。

Claims (10)

1.一种与一拉曼光纤放大器和一增益箝位的半导体光放大器耦合的混合光放大器，包括：
一激光二极管，产生并发射用于拉曼光放大的激光；
一波分多路复用器，用于通过入射信号光，将激光二极管发射的激光以与入射信号光相反的方向射出；和
一增益箝位半导体光放大器，用于放大波分多路复用器发出的光信号。
2.如权利要求1所述的混合光放大器，其中增益箝位的半导体光放大器为通过一反馈箝位增益的半导体放大器。
3.如权利要求1所述的混合光放大器，其中增益箝位的半导体光放大器为一半导体量子点光放大器。
4.如权利要求1所述的混合光放大器，还包括一位于增益箝位的半导体光放大器后部的拉曼放大装置。
5.如权利要求1所述的混合光放大器，还包括：
一色散补偿光纤，它与波分多路复用器的后部耦合，用于补偿光信号累积的色散；和
一拉曼放大装置，它与色散补偿光纤的后部耦合。
6.如权利要求5所述的混合光放大器，还包括一位于混合光放大器的输入/输出接线端的分接光纤接线端，用于监视输入/输出信号。
7.如权利要求1所述的混合光放大器，还包括：
一色散补偿光纤，它与波分多路复用器的后部耦合，用于补偿光信号累积的色散；
一拉曼放大装置，它与色散补偿光纤的前部耦合；和
一拉曼放大装置，位于增益箝位的半导体光放大器的后部。
8.如权利要求7所述的混合光放大器，还包括：一位于混合光放大器的输入/输出接线端的分接光纤接线端，用于监视输入/输出信号。
9.如权利要求1所述的混合光放大器，还包括：一位于增益箝位的半导体光放大器的前部和/或后部的隔离器，用于阻挡反射的光。
10.如权利要求1所述的混合光放大器，还包括：一位于增益箝位的半导体光放大器的前部和/或后部的增益平整滤波器，用于进一步平整增益频谱。
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