CN1434995A - 波长可选的光纤激光系统 - Google Patents

Abstract

光纤激光系统(10)包括多个光纤激光器，在以泵波长光学泵激辐射下，这些光纤激光器以各自不同的波长作发射。泵激光器(30)发出泵辐射，泵激一个或多个光纤激光器(12、38)。光纤激光器的输出重新在传输光纤上组合，较佳地应用于波分复用器(WDM)(60)电信系统。在一组实施例中，光学开关(32、41)将泵辐射只切换到光纤激光器(12、38)之一。第二开关(41)按第一开关(32)或无源组合器(较佳为波分复用器(60))控制，将激光光纤的输出导向光学输出路径。在另一例中，一个泵激光器(30)同时泵激所有的光纤激光器。可以并联一个或多个泵激光器，并将其输出组合起来。诸并联的泵激光器(30)可以各自受激而形成冗余度，或同时操作以提高功率。

Description

波长可选的光纤激光系统

                     发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及光纤激光器，尤其涉及波长可选的光纤激光器。

2.技术背景

光纤已成为工作于高数据速率与远距离的电信网选择的传输媒体。单根光纤的光学数据容量以每秒10¹²位计。然而，工作网络的数据速率通常受制于光纤任一端的电子装置。当前，电子数据速率限于每秒约10千兆位(Gb/s)，而以这样的速率工作的电子设备昂贵，且难以在现场环境控制。进一步提高数据速率是可能的，但是用常规设备的提高量不大。事实上，今天使用的许多先进的通信网的操作速率并未超过1Gb/s。

但是，即使在已安装光纤的情况下，使用波分复用(WDM)技术仍可明显提高光纤网的数据容量。在WDM中，数据发送机包括工作于较佳传输波长带内但在该带内工作于略微不同波长的多个激光器。每个波长代表一独立的传输信道，诸信道在带内被间隔开。通过电子调制源激光器本身或者通过光学调制激光器的输出，可以将分立的数据信号加在不同的信道上。不同的数据信道被光学复用至一根光纤的发射端。在接收端，不同的信道被光学分离成在物理上分开的路径，而各自的光学接收机检测这些调制的信号。结果，例如以10Gb/s电子设备工作的16信道WDM系统的有效总容量为160Gb/s。为在单根光纤上使容量最大，当前系统的WDM信道一般以0.4纳米的量级间隔开，在这些波长下，这相当于50GHz。对于远距离传输，一较佳波长带出现在1530～1580纳米，对应于石英光纤最小的衰减或损失。

在光纤通信系统的点对点WDM体系结构中，在一段光纤一端上的一组波长差分发射机用另一端上的一组对应接收机相配。然而，现代网络复杂的布局有许多需要以不同方向切换信道的互联节点。一例相对简单的网络是双光纤环，该环的四周分布了许多节点，若该网络路径在任一点断裂或受阻，则数据可在环上以反向重新引导，避免中断。这类环形网可以做成“自修复”。这类网络的一个特征是，相当大量的业务通过某一节点，好比在该节点增减业务。

若要把输入光纤上不同的WDM信号导入不同的输出光纤，在网上完成常规的点对点光纤设计就要求在每个网节点有一整套发射机与接收机。若信道按频繁程度来切换，则该节点还要配备电子开关。尤其以电信业中现代网络所需的信号调节与控制功能的观点来看，光学接收机与发射机很昂贵，在实用网中，希望尽量减少它们的数量。

为了减少高容量多节点网的成本与复杂度，已有人提出过全光学网络。在这类网中，各节点具有光学切换能力，允许在该节点提出或插入只是某些WDM波长，无须对电子信号作解调，只让这些光学信号通过该节点。运用波长增减(add-drop)复用器(WADM)可实现光学数据信道的这种波选提出与插入。若将WADM用作电子开关或网络的接口，为了将数据信号插入该光纤网络，要求在一个或多个WDM波长下使光学发射机与WADM相关联。作为光学切换的结果，在某一节点仅对源于或终止于该节点的信号波长要求配备光学发射机与接收机以及有关电子设备。

在一例全光学WDM网中的波长指定中，指定第一波长从第一终端接点发射至第二终端节点，第二波长从第一终端节点发射至第三终端节点，第三波长从第二终端节点发射至第三终端节点，以此类推。

然而，这类分布网络用不同节点产生各个光学信号并将它们插到同一网上，要求严密对准各节点间的波长。例如，若一个接收节点正在接收不同发射节点发出的两个紧密相同的波长，而且若这些信号随温度或时间有不同的漂移，好像两台广泛分散的发射机，则这两个信号会干扰，接收机无法正确地分离它们。

国际电话联盟(ITU)已在1530～1580纳米波长带内以100GHz间隔(常称为ITU栅格)限定了一组分立的WDM波长，强烈要求遵循该ITU栅格的源激光器具有小于1MHz的窄线宽，并在-40～+85℃的全环境温度范围内有稳定的频率。在该范围内，要求最大热频率漂移为±1GHz(0.01纳米)；对紧密的波长间隔要求还要小。源激光器还应具有低的相对强度噪声，即信号与固有噪声之比。

半导体激光器呈现出源激光器所需的大部分特性，但其发射波长的温度相依性极高。因此，不管环境温度变动很大，为使半导体激光器的输出保持在窄波带内，要求有效地温度或波长控制。尽管严密有效的控制不难实现，但是对现场的商业系统来说，其复杂性与成本是不理想的。

光纤激光器已得到发展，它可满足基于光纤的电信系统中激光器源的大多数要求，包括低的相对强度噪声。通常，半导体二极管激光器或其它强光源将掺有特定离子的光纤激光器光泵成有光活性，从而在光纤发射带内产生辐射。写入光纤的透射或反射Bragg光栅可在光纤发射带内建立精密的激发波长。对该Bragg光栅选择一个ITU栅格频率。将该频率写入石英纤维的一个优点是石英的热膨胀系数很小(～5×10^-7/℃)，而且谐振Bragg频率以同样的相依性变化。具体而言，在100℃范围内，石英中Bragg光栅的中心频率的变化一般小于10 GHz(0.1纳米)，而且对于环境温度的这种变化，若合理地封装光纤激光器，该变化可远远小于该值。

然而，光纤激光器只是最近才发展成WDM网的源。在典型结构中，各WDM波长要求一根用正确的WDM波长编写的独立的光纤，且有其自己的泵源。

在许多电信体系结构中，各发射机在任一时刻仅以ITU波长网络中许多波长之一或许以有限数量的ITU波长作发射。然而，十分希望该节点能在ITU栅格申请不同波长之间改变其发射波长。例如，由于业务模式的改变，在各不同节点之间重新指定波长是有利的，并希望在重新指定时对所有受影响的节点不在物理上置换激光器源。

另外，在准备阶段，希望不要对各ITU频率标识某个独立的部件，因为在库中或检修车上要盘存的部件数量与使用的ITU频率数量同量地增加。最好是减少可能有的激光器源数量，而且单个激光器源以若干ITU频率中的任一频率发射，激光器源的频率在现场通过机械或最好电气调节来选择。

波长交换交接(WIXC)(一种联接两个或更多WDM网的光学装置)也要配用多波长激光器。WIXC能用可在两个网间变化的载波波长把一个WDM网的一个或多个选用信号切换到另一个网。由于通常只是将有限的业务量作网间切换，所以波长转换保留了若干波长。目前，波长转换要对电子信号作解调，而以新波长发射的激光器源由该电子信号调制。出于供应准备和波长重新指配两方面的原因，WIXC希望配备多波长激光器源。

还有，二极管激光器较昂贵，其致冷较复杂，使用起来比实际需求很不经济。另一方面，考虑到其高的工作温度，二极管激光器的寿命较短。希望设计出一种WDM系统，其中激光器二极管的数量减少了，但是仍能迅速地置换失效的激光器。还希望能提高二极管激光器的泵功率而无须更改二极管设计。

常规光纤激光系统不能满足这些不同的要求。

                     发明内容

在本发明的一个方面，一个光学泵源用来泵激多个光纤激光器，各光纤激光器以各自不同的频率产生激光，特别紧密间隔的频率用于波分复用电信系统。诸光纤激光器的输出经调制与组合在单根光纤上传输。或者，将该输出作为多波长通信系统的波选输入。

诸激光光纤可同时泵激，或可将一光学开关置于泵源与光纤激光器之间，在任一时刻只泵激一个激光器。可以设置对应于第一光学开关而受控的第二光学开关，它用于接收光纤激光器的输出以将一根发激光光纤切换至单个输出。还可使用无源组合器，最好如波分复用器。

附加的光学泵源可与第一光学泵源并联设置，在第一泵源失败或未激活时工作。或者将诸泵源结合起来使用，其组合输出可提高供给光纤激光器的泵功率。

                  附图简介

图1是单个光纤激光器的示意图；

图2是本发明第一实施例的光电子电路图，在输入端使用一1×N光学开关，输出端使用一般的组合器；

图3是本发明第二实施例的光电子电路图，输入与输出端都使用光学开关；

图4是本发明第三实施例的光电子电路图，输出端使用波分复用器；

图5是本发明第四实施例的光电子电路图，使用了一只开关和后向泵激光纤激光器；和

图6是本发明第五实施例的光电子电路图，使用了多个泵源和许多同时发射光纤激光器。

                较佳实施例的详细描述

本发明可用一个光学泵源泵激以不同或分立波长工作的多个光纤激光器。

图1示出代表多个光纤激光器的一个光纤激光器10，其活性部分以掺铒光纤12为基础，长为几厘米到几十米。光学泵源以泵波长λp将强光学泵信号注入光纤12的输入端16，合适波长的泵信号把光纤12(石英或其它材料)中的铒离子E_r ⁺³激光成一系列受激原子态之一。泵源一般为半导体激光二极管，其发射泵波长λp由其精密的半导体组分和有关结构确定。如果在980微米或1480纳米附近波长带内的泵信号足够强，并且将光纤形成在光学腔体里，那么掺铒光纤里对应于1530～1630纳米范围内波长的光学跃迁能以该波长带内的信号波长λs产生激光。为在其它波长下产生激光，可使用其它光活性掺杂离子。

通常把呈现出窄发射线宽与稳定发射频率的激光器构成分布反馈(DFB)激光器或分布Bragg反射器(DBR)激光器。DFB激光器的Bragg光栅分布在至少一部分活性或激光作用区，以连续选择波长，而DBR激光器在活性或激光器区两端有一个或多个Bragg光栅，用作频选镜。图1示意示出光栅18，但并不限制其尺寸、位置和可能的光栅多样性。一个或多个光栅的周期性使它们可用作波长选择器，因为光栅周期限定了激光波长λs或等效的激光频率，可把激光频率设置成ITU网络的频率之一。

众所周知，通过合适的掩模将光纤暴露于紫外线，可将Bragg光栅写入石英光纤。光栅强度可从激光作用区一端变化到另一端，以控制大多数光出射激光器的方向。

若泵激光足够强，包含掺杂光纤的腔体就以Bragg光栅18决定的波长λs产生激光，并从输出端22以λs输出激光。

其它光纤激光器结构也是可能共享图1中激光器10的许多基本特性。如下面要说明的，可对光纤12的同一端输入泵激光并从中输出激发光。示意图未包括通常应用于操作系统的若干元件，如隔离器、功率限制器和在泵激光与激发光之间进行鉴别的光学滤波器或反射器，这些都是与本发明不直接相关的普通元件。

本发明的第一实施例在图2中示为电光电路，包括以泵波长λp发射泵辐射的单个泵激光器30、在输入端上接收泵信号的1×N光学开关32，以及从1×N开关32的N个输出端中各个口接收泵信号的N个光纤激光器10₁……10_N。N个光纤激光器10₁……10_N的结构可与图1的激光器10相同，但各Bragg光栅18₁……18_N具有不同而分立的周期，对应于N个波长λ₁……λ_N。虽然实际上把光纤激光器设计成工作于同一波长而输出略不同的波长，但是在本发明范围内，不同的波长具有分立而可识别的值，与配用这些波长的系统有关。对于光通信网而言，这N个波长λ₁……λ_N都是ITU栅格中不同的波长。泵源30的结构并非关键，只要收发射高强度的具有所需波长的辐射就行。

1×N开关32能以机械方式移动光纤或反射镜，或者基于不同的光学效应，如热光开关或各类配备电光控制元件的阵列式波导结构。1×N开关32的控制件34控制通过开关32的光学切换，从而确定哪个激光器10j通过开关32接收泵信号。激光器10j向输出端以波长λj发射光信号，其它未泵激的激光器不发射激光。泵激光器30、开关32和激光器10₁……10_N之间的光学连接最好用光纤，也可应用自由空间的光路、平面波导或其它光学传输媒体。

N个激光器10₁……10_N的输出接至光学组合器36的输入端并在这里组合，组合器输出端接至光纤38或其它进入WDM网的光路。根据1×N开关32的选定状态，光纤38载运N个波长λ₁……λ_N中选出的一个波长λj。组合器36可以是一个对频率不选择的无源耦合器，但此种简单组合器的插入损耗较高。对其它实施例将描述其它类型的组合器。一般，在光路38上设单个光学调制器40，以按电气数据信号调制CW激光。

本发明的第二实施例示为图3的光电子电路。泵激光器30、输入1×N开关32和N个光纤激光器10₁……10_N均与图2中相同。然而，最好把Bragg光栅18₁……18_N构制成主要位于输入端16的分布式Bragg反射器，使激光器沿正向(即泵激光传播方向)最强烈地发射激光。激光器10₁……10_N的光学输出由1×N输出开关41的N个输入端接收。输出开关42的切换态控制件42与输入开关32的控制件同步，因而对一般切换态选用两只开关32、41。输出开关41将一个激发波长切换到接至输出线44的单个输出端。要求将这两只开关32、41设计得不同，因为输入开关32必须通过泵波长λp，而输出开关41必须通过激光波长λ₁……λ_N。该结构的另一优点在于，若输出开关41有足够宽的带宽，也可切换其余泵信号，并且额外的泵信号可被掺铒光纤放大器(EDFA)等光学泵激的光学放大器46使用，以进一步放大任一激发波长的信号。N个光纤激光器10₁……10_N仅需一个光学放大器46。

示为图4的本发明第三实施例的光电子方案与图3的实施例相似，但是在输出侧用无源波分复用器50将激光器10₁……10_N产生的无论什么激光信号传送至其接至输出线44的输出端。波分复用器(WDM)一般是一种无源器件，如可以以薄膜滤波器、光纤Bragg光栅或平面波导结构(如无源阵列波导)为基础。以图示反向操作，它能按波长将光信号分成不同的分量。以图示方向操作，图示N个输入端的波长与激发波长λ₁……λ_N匹配，WDM具有简单与插入损耗低的优点。

若将波分复用器50设计成接纳激发波长λ₁……λ_N和泵波长λp，则可加接光学放大器(EDFA)46，利用剩余泵功率提高选用波长的总输出功率。图1的调制器40可以位于光学放大器46的前面或后面。

本发明的第四实施例示为图5的光电子电路，它沿后向泵激激光器10₁……10_N，即相对于泵辐射方向使激光作后向传播。例如，将光纤远端的强分布型Bragg反射器定位成与泵辐射源相对，从而将激光器10₁……10_N做成主要沿后向激发。泵源30将泵辐射传导通过波分复用器60，而后者在一方的泵波长λ_P与另一方的激发波长λ₁……λ_N之间选择。这样，波分复用器60将泵辐射导向1×N开关32，后者将该泵辐射切换到光纤激光器10₁……10_N中被选定的一个。激光器10j以波长λj发射激光，激光辐射经开关32导回波分复用器60。要求开关32能切换泵波长λp与激发波长λ₁……λ_N。波分复用器60经调制器40将激发光以波长λj导向光学输出路径62。

示成图6的本发明第五实施例的光电子方案包括两个或多个同样结构的泵激光器70、72，虽然它们以略微不同的波长发出辐射，但只要多个波长都位于掺杂光纤的泵激波长带内就行。在一子实施例中，多个激光器70、72一起工作，其输出组合在一起，由此提高了供给光纤激光器的泵功率。在另一子实施例中，控制件交替接通一个而关闭另一个，由此提供了冗余度，比单个泵激光器具有更高的可靠性和更长的使用寿命。泵激光器70、72的输出接至耦合器76的输入端并组合起来，而耦合器76的输出端接至有N个输出端的分配器78的输入端。分配器可以是多级Y耦合器，排列方向与图示耦合器76相对。位于泵激光器70、72与光纤激光器10₁……10_N之间的普通光耦合器对于M个泵激光器有M个输入端，对于N个光纤激光器有N个输出端，因而该耦合器以波长λp将泵辐射提供给所有N个以各自波长λ₁……λ_N同时发射的激光器10₁……10_N。激光器10₁……10_N的输出导向N个调制器40₁……40_N中相应的一个，后者按各自的电气数据信号调制该光学载波信号。

在交替选用泵激光器时，图6的实施例需要强泵激光器70、72，各激光器都能驱动N个光纤激光器10₁……10_N。该设计在开关昂贵且泵激光器强大的情况下很有利。在多个泵激光器70、72同时发射时，可同等减小它们各自驱动一个或多个光纤激光器所需的功率电平。

图6的设计可以只包括两个泵激光器70、72中的一个。然而，两个泵源的冗余度可防止其中之一失效，从而保护了所有N个信号源，或者并联工作的源乘上泵功率强度的多重性。可以并联两个以上的泵激光器，旨在使功率更大或冗余度更高，或者两者都兼顾。图6的多个泵激光器70、72可与图2～图4的1×N光学开关32结合起来。

因此，本发明提出一种成本有效而且可靠的、能以一个以上波长发射的光纤激光器，但是系统的部件都是常用部件。

本领域的技术人员显然明白，可对本发明作各种修正与变更而不违背本发明的精神与范围。因此，本发明试图覆盖在所附权利要求及其等效技术方案的范围内提出的本发明的各种修正与变更。

Claims (10)

1.一种可以与至少一个发射泵辐射的光源连接的光纤激光系统，其特征在于包括：

光耦合器，它具有至少一个光学输入端和多个光学输出端，所述光学输入端可接至至少一个光源中相应的一个；和

多个光纤激光器，其各自的第一端接至各自一个光学输出端，并在受泵辐射泵激时，都能以多个分立发射波长中各自一个波长发射激光，由此可从各自一个光纤激光器发出激发光。

2.如权利要求1所述的光纤激光系统，其特征在于，每个光纤激光器各自包括沿光纤长度延伸的波长选择器，并在多个分立的选择周期中具有各自的一个选择周期。

3.如权利要求1所述的光纤激光系统，其特征在于，光耦合器包括一光学分配器，因而提供给至少一个光学输入端的泵辐射被同时提供给所有的光纤激光器。

4.如权利要求1所述的光纤激光系统，其特征在于，光耦合器包括一光学开关，其中至少一个光学输入端可选择性地接至多个光学输出端中的任何一个。

5.一种可接至泵辐射源的光纤激光系统，其特征在于包括：

一光学开关，它具有N个光学输出端与一个可接至泵辐射源并可选择性接至N个光学输出端中任一输出端的光学输入端，N大于1；和

N个光纤激光器，它们接至所述光学开关的N个光学输出端中各自一个输出端，并且包括各自的光纤，各光纤掺入的离子可由泵辐射激发成至少一种激发态，从而在一波长带内可在光纤里激发光，并且

还包括各自沿光纤长度延伸的波长选择器，在受泵辐射泵激下，使各个光纤激光器以所述波长带内N个各自分立的波长发射激光。

6.如权利要求5所述的光纤激光系统，其特征在于，各波长选择器包括一个或多个写入各自光纤的光栅。

7.一种可接至多个泵辐射源的光纤激光系统，其特征在于包括：

多个光纤激光器，它们在受泵辐射泵激下，各自能以多个分立发射波长中各自一个波长发射激光；和

光耦合器，它具有多个可接至多个泵辐射源中各自一个源的光学输入端，能把在多个输入端上接收的光组合起来，并具有多个接至多个光纤激光器中各自一个激光器的光学输出端。

8.一种光纤激光系统，该系统可接至向其提供光学泵辐射的光源，其特征在于包括：

第一光学开关，它具有多个第一光学输出端和一个第一光学输入端，后者可接至光源并有选择地接至第一光学输入端中的任一输入端；和

多个光纤激光器，它们接至第一光学输出端中各自一个输出端，并且在光学泵辐射泵激下，每个光纤激光器能以多个分立发射波长中各自一个波长发射激光，从而可从选定的一个光纤激光器发出激发光。

9.一种光纤激光系统，其特征在于包括：

光源，它以泵波长发射辐射；和

多个可接至光源的光纤激光器，在受泵波长的泵激辐射下，各光纤激光器以多个不同发射波长中各自一个波长发射激光，从而可在每根光纤的各自一端发出激发光。

10.如权利要求9所述的光纤激光系统，其特征在于包括：

光耦合器，其多个光学输入端接收多个光纤激光器中各自一个光纤激光器的光学输出，其光学输出端可接至多个光学输入端。

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