專利名稱：使用光學(xué)部件塊的低成本放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光放大器，更具體說，是涉及能與光纖耦合的在線光放大器，其中的放大介質(zhì)比與它耦合的光纖有顯著更大的模場直徑。
用摻稀土的光纖放大器放大本地和長途兩種光通信網(wǎng)絡(luò)的弱光信號，是備受關(guān)注的。摻稀土的光放大光纖呈現(xiàn)低的噪聲，較大的帶寬和低的偏振依賴性，使串?dāng)_問題顯著降低，并且在光通信使用的相關(guān)工作波長上，有低的插入損耗。此外，摻稀土光纖放大器能與傳輸光纖端對端地耦合，還能通過定向耦合器與激光二極管泵浦耦合。定向耦合器的目的是使其在泵浦波長上有高的耦合率，而在信號波長上有低的耦合率，從而把最大泵浦能量耦合進(jìn)放大器的同時，信號損耗又最小。當(dāng)用泵浦激勵光放大介質(zhì)時，通過光放大器的信號光獲得增益。泵浦能量相對于信號能量的傳播方向，可以做成同向的或反向的，以便選擇更高的功率效率或更佳的噪聲性能。
迄今，在克服信號損耗所必須的高放大上，鉺光纖放大器似乎最有潛能。摻鉺光纖放大器(EDFA)工作在1550nm，這是光通信系統(tǒng)特別感興趣的，因為在此波長區(qū)，放大器呈現(xiàn)低的插入損耗，寬的增益帶寬(近似30nm)和相對的偏振不靈敏的增益。用波長980nm的光泵浦這類放大器，能夠獲得的增益高達(dá)26dB，但要求注入的泵浦功率亦高達(dá)76mW。一般希望獲得更高增益的同時，還要求耦合進(jìn)光纖的泵浦功率有較低的值，EDFA的這種最優(yōu)化是追求的目標(biāo)。把信號注入單模光纖所需要的泵浦是十分昂貴的。
本發(fā)明已實現(xiàn)了一種設(shè)計，它使用非常高功率的泵浦，發(fā)送近似1W泵浦功率的多模信號。目前有市售的高功率光泵浦激光器，價格低廉。這類高功率泵浦在制造EDFA時，不適合與摻鉺光纖共同使用。但是，本發(fā)明提供一種不那么昂貴的光放大器，適合光纖通信系統(tǒng)使用或作其他用途。
本發(fā)明還提供一種裝置，它不要求用長度難以操縱的摻鉺光纖來構(gòu)成放大器。相反，當(dāng)前的發(fā)明使用一玻璃塊，它的模場直徑比摻鉺光纖的模場直徑大好幾個數(shù)量級。
通過增大信號光束的模場，能夠毫不困難且沒有損耗地施加更大的泵浦能量，而當(dāng)把泵浦能量耦合進(jìn)單模光纖放大器時，困難和損耗是存在的。
使用內(nèi)含稀土的一玻璃塊，放大器的封裝、溫度穩(wěn)定、和溫度調(diào)諧變得切實可行。
還有，帶平面端面的圓柱形玻璃塊，有助于在其上鍍膜或加上濾波器，從而在摻鉺塊的端面上形成選擇性濾波器，讓泵浦光進(jìn)入，并讓信號光從相反的端面進(jìn)入，同時阻止泵浦波長的光隨被放大的信號傳播出去。
按照本發(fā)明，提供一種光放大器，它包括一種傳送待放大光信號的光波導(dǎo)，光波導(dǎo)有把光信號耦合出去的輸出端；一個基本準(zhǔn)直透鏡，與光波導(dǎo)的輸出端光學(xué)耦合，以接收光信號并提供一基本上準(zhǔn)直的待放大的光束，此基本上準(zhǔn)直的光束的模場直徑，比光波導(dǎo)傳送的光信號顯著大得多；一塊透光材料塊，大小適合傳送待放大的基本上準(zhǔn)直的光束，此透光材料塊由摻稀土元素的增益介質(zhì)組成，該塊被放置以接收基本上準(zhǔn)直的光束；和一高功率的泵浦，被放置以便把光能送至此透光材料塊；以及一輸出光波導(dǎo)，被放置以便與透光材料塊內(nèi)已經(jīng)被放大了的光信號的聚焦光進(jìn)行耦合。
按照本發(fā)明，還提供一種光放大器，它包括提供待放大信號的第一光波導(dǎo)，此光波導(dǎo)具有平均模場直徑d1；與第一光波導(dǎo)光學(xué)耦合的第二光波導(dǎo)，用于接收被放大之后的光信號，第二光波導(dǎo)具有模場直徑d2，這里d1和d2顯著小于d3；一種引導(dǎo)模場直徑至少為d3的光束的透光放大介質(zhì)，放置所述透光放大介質(zhì)，以便從第一光波導(dǎo)接收光并向第二光波導(dǎo)提供放大了的光；一種與透光放大介質(zhì)光學(xué)耦合的泵，向放大介質(zhì)提供泵浦能量。
按照本發(fā)明，還提供把進(jìn)入的光信號放大的光放大器，它包括一種呈透光介質(zhì)狀態(tài)的玻璃塊，其大小適合傳送模場直徑至少100μm的光束，此玻璃塊用稀土元素?fù)诫s，當(dāng)稀土被泵浦光束激勵時，能把通過玻璃塊的光放大，透光介質(zhì)在它的一個端面上有一濾波器，讓泵浦光通過并基本上阻止待放大的光信號通過，同時在其另一端面上有一濾波器，讓待放大的光信號通過并基本上阻止泵浦光束通過。
按照本發(fā)明，提供一種光放大器，它包括提供待放大信號的輸入光纖；一個透光材料組成的放大介質(zhì)，透光材料的直徑顯著地大于輸入光纖的直徑，用于接收待放大的信號；一個把待放大信號光束的模場直徑顯著擴展的透鏡，在輸入波導(dǎo)與放大介質(zhì)之間進(jìn)行光學(xué)耦合；一個泵浦源，向放大介質(zhì)提供高強度的光泵浦能量；和一個輸出光纖，從放大介質(zhì)接收被放大的光信號。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種放大光信號的方法，包括步驟把光信號從光纖耦合進(jìn)放大介質(zhì)，放大介質(zhì)的直徑比在光纖中傳播的信號的模場直徑大許多數(shù)量級，于是，與光纖中傳播的信號比較，信號的模場直徑變換為顯著增大的準(zhǔn)直光束；把與光信號波長不同的光能，泵浦進(jìn)放大介質(zhì)，并從放大介質(zhì)接收被放大的光信號。
按照本發(fā)明，還提供一種放大光信號的方法，包括步驟從光纖發(fā)送攜帶光信號的光束；顯著地增大此光束的模場直徑，并向放大介質(zhì)提供此光束；把與光信號波長不同的光能，泵浦進(jìn)放大介質(zhì)，并從放大介質(zhì)接收被放大的光信號，和減小被放大的信號的模場直徑，并把被放大的信號耦合至輸出光纖。
現(xiàn)在結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的各個示例性實施例，其中

圖1是常規(guī)的摻鉺光纖光放大器；圖2是按照本發(fā)明的放大器的示意圖；圖3是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖；圖4是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，其中的放大介質(zhì)具有光焦度；圖5是放大介質(zhì)的概略視圖，說明輸入和輸出信號分離的角度；圖6a是放大介質(zhì)的概略視圖，說明泵浦信號的全內(nèi)反射；圖6b是放大介質(zhì)的概略視圖，表明準(zhǔn)直的泵浦信號；和圖7是本發(fā)明的又一個實施例的示意圖，其中的放大介質(zhì)被加大，以容納多個輸入和輸出光纖。
因為摻稀土光纖的低插入損耗、寬增益帶寬、和低的偏振敏感性，用摻稀土光纖放大本地和長途光通信網(wǎng)絡(luò)的弱信號，在一段時間內(nèi)備受關(guān)注。使用時，摻雜的光纖通常與一泵浦耦合，使波長在稀土增益曲線之內(nèi)的弱輸入光信號，經(jīng)受需要的放大。經(jīng)定向耦合器能夠耦合進(jìn)光纖的泵浦光，在光纖內(nèi)相對于信號可以同向傳播，也可以反向傳播。定向耦合器能夠在泵浦波長上有高的耦合率，而在信號波長上有低的耦合率。
當(dāng)光纖不被泵浦時，由于稀土離子的基態(tài)吸收，信號經(jīng)受損耗。當(dāng)加在光纖上的泵浦功率增加時，基態(tài)能級吸收導(dǎo)致的損耗下降(即，增益是負(fù)的且逐漸增加)，直至在某些泵浦功率值上，凈信號吸收消失(即，增益為零)。這一狀態(tài)稱為透明態(tài)。此后，隨著光纖中泵浦功率的增加，更高比例的稀土離子處在它們的激發(fā)態(tài)，并且從上激光態(tài)到基態(tài)的受激發(fā)射變得比從基態(tài)到上激光態(tài)的吸收更強，在各種波長上產(chǎn)生凈的正增益。因此，當(dāng)泵浦這樣使上激光能級的粒子數(shù)增加時，光放大器產(chǎn)生泵浦閾值之上的凈的正增益，從而此光纖的作用就像一個放大器。
泵浦是用一分開的激光器或燈實現(xiàn)的，燈發(fā)射適當(dāng)能量的光子，其能量要高于信號波長對應(yīng)的能量。電子從基態(tài)被激發(fā)到一個或多個泵浦帶，這些泵浦帶都在上激光能級之上。重要的是，上激光能級的自發(fā)壽命要大大地超過泵浦帶的自發(fā)壽命，以使上能級的粒子數(shù)極大增加。當(dāng)一個激光波長的光子與一個上激光態(tài)的激發(fā)離子相互作用時，能夠出現(xiàn)受激發(fā)射。此光子可以來自早先的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、或輸入信號。
本發(fā)明使用圓柱形摻鉺玻璃塊作為放大介質(zhì)。與摻鉺光纖放大器不同，此圓柱塊的截面比光纖截面大好幾個數(shù)量級。此外，還使用非常高功率的泵浦向此參鉺塊提供所需的能量。從根本上說，在光纖內(nèi)傳播的光束的模場直徑被擴束后再通過并橫過圓柱塊傳播。
現(xiàn)在到圖1，圖上畫出現(xiàn)有技術(shù)的摻鉺光纖放大器10，它有一泵浦12與待放大的進(jìn)入的光信號20耦合。一激光二極管12提供波長為980nm的輸出信號，輸出信號與波長為1550nm待放大的進(jìn)入的光信號20耦合。也可以用1480nm的激光二極管泵浦。耦合器14把這兩個信號耦合一起，輸出至適當(dāng)長度的摻鉺光纖16上。
現(xiàn)在到圖2，圖上畫出直徑近似為350μm的棒狀玻璃塊22；此玻璃塊22用鉺摻雜。一種適用的玻璃是市售的名為MM-2的玻璃，這是由Kigre公司生產(chǎn)的摻鉺磷酸鹽激光玻璃。這種材料包含高摻雜物百分比并提供高的增益。要求凈增益20dB的玻璃塊的典型長度在1cm范圍內(nèi)。然而，整體性能仍依賴許多變數(shù)；當(dāng)前以光纖為基礎(chǔ)的放大器所用的物理原理，這里同樣適用。玻璃塊22放在兩個基本上是四分之一高跨比的GRIN透鏡24a和24b之間，后兩者又放在兩個光纖套23a和23b之間，光纖套內(nèi)裝輸入光纖20a和輸出光纖20b。運行時，波長近似為1550nm待放大的光注入光纖20a，并從光纖20b輸出。光進(jìn)入GRIN透鏡24a之后被準(zhǔn)直，且光束的模場被擴束至摻鉺玻璃塊22能夠支持的直徑。因此，光束直徑被擴束，在它橫過玻璃塊22時，幾乎充滿玻璃塊。同時，波長為980nm、與玻璃塊22光學(xué)耦合的激光器25，輸出1W的高功率信號并泵浦玻璃塊介質(zhì)22，該信號被玻璃塊22和激光器25之間的透鏡27橫穿此玻璃塊散布并進(jìn)入此玻璃塊。當(dāng)信號通過時，它從激發(fā)的介質(zhì)22獲得能量，從而被放大。介質(zhì)的模增益由下面公式計算G=exp(g*L)g=σ*N這里g是增益系數(shù)，L是增益介質(zhì)長度，σ是發(fā)射截面，和N是Er3+的離子密度。這一計算假定的條件是，由于高泵浦功率而產(chǎn)生強的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。給定Er3+濃度為1021cm-3和發(fā)射截面為5×10-21cm2時，得到的增益系數(shù)可達(dá)22dB/cm。
現(xiàn)在參考圖3，圖上畫出本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，其中，輸入光纖和輸出光纖兩者都被耦合進(jìn)此裝置的同一個端。當(dāng)提供的是密封裝置時，這種類型的安排是可取的和有利的。類似于圖2所示的玻璃塊22，在相對的兩端有第一光學(xué)濾波器34和第二光學(xué)濾波器32。濾波器34的目的是讓波長為1550nm的光通過，同時反射泵浦激光器產(chǎn)生的980nm波長的光。相反地，濾波器32的目的是讓波長為980nm的光通過，同時反射入射于其上的1550nm波長的光。泵浦激光器38通過透鏡24b與摻鉺塊22光學(xué)耦合。輸入和輸出光纖30a和30b兩者分別配有光纖套筒23，并通過透光隔離片部件36和GRIN透鏡24a，與摻稀土介質(zhì)塊22光學(xué)耦合。為了最佳耦合，隔離片的光程長最好等于介質(zhì)塊22的光程長，使橫過兩個部件的光束，穿越相等的光程長。
運行時，波長為1550nm的信號光從輸入光纖30a注入，并在它橫過GRIN透鏡24a時，被準(zhǔn)直為具有顯著更大模場直徑的顯著更大的光束。然后，光通過濾波器34并進(jìn)入并基本上填滿摻鉺玻璃塊22。同時，高功率激光器38在被透鏡24b基本上準(zhǔn)直之后，向玻璃塊22提供980nm波長的泵浦信號。波長1550nm的放大了的光，被濾波器32反射并通過濾波器34，耦合進(jìn)輸出光纖30b。
如果選定摻稀土塊22的斷面尺寸，使之基本上吸收所有泵浦能量，則不需要濾波器34。此外，泵浦激光器38能夠通過不同于GRIN透鏡的透鏡進(jìn)行耦合，甚至不用透鏡。具體說，稀土介質(zhì)22能夠以一定錐度形成100微米的直徑，并直接與激光器38耦合。
在玻璃塊22的端面上，除了濾波器34和32之外，最好按照本發(fā)明，在玻璃塊22上形成一些附加的光學(xué)部件，例如，用蝕刻、淀積、或粘附等工藝，在玻璃塊22的端面上形成衍射部件或附加的濾波器，或透鏡。輸入光纖20a、30a和輸出光纖20b、30b，最好是保偏光纖的尾纖，以便提供保偏放大器。
圖4畫出本發(fā)明的另一個實施例，其中，兩個四分之一高跨比聚焦/準(zhǔn)直的玻璃GRIN透鏡，用鉺摻雜而形成光放大器。第一GRIN透鏡44a在一個輸入/輸出端面上涂覆1550nm的帶通濾波器54，在此透鏡相對的端面上，是用作980nm帶通濾波器的涂層52。第二透鏡44b直接對著濾波器52放置。在第二GRIN透鏡44b的面向外的端面上，是激光器泵浦38；此裝置的運行基本上與圖3所示放大器相同，但是，放大作用發(fā)生在透鏡內(nèi)。
圖5表明輸入信號30a和輸出信號30b以小角度注入，例如以近似1.5度注入，以便輸入信號與輸出信號易于分離。
如圖6a和6b所示，能夠把放大介質(zhì)122做成泵浦能量的波導(dǎo)形式而無需引導(dǎo)此信號。例如，用金屬鍍層120涂覆玻璃塊22，這將把泵浦光保持在介質(zhì)塊內(nèi)，有助于導(dǎo)致泵浦光的最大吸收。在泵浦源38與帶金屬鍍層的介質(zhì)塊122直接耦合的情形下，全內(nèi)反射使泵浦光在介質(zhì)塊122內(nèi)各個側(cè)壁上反射。如圖6b所示，用準(zhǔn)直透鏡124把激光器泵浦38耦合至介質(zhì)塊122，一擴束的泵浦光束便穿過介質(zhì)122注入。
當(dāng)然，如圖7所示，由于GRIN透鏡的對稱性，可以布置多組輸入和輸出光纖130、230，同時把多于一個信號放大。為防止多束信號光束在介質(zhì)塊222內(nèi)重疊和相互作用，要求有更大的介質(zhì)塊直徑。
權(quán)利要求
1．一種光學(xué)放大器，包括第一光波導(dǎo)，用于提供待放大的信號，此波導(dǎo)的平均模場直徑為d1；第二光波導(dǎo)，與第一波導(dǎo)光學(xué)耦合，用于接收已經(jīng)被放大了的光信號，第二光波導(dǎo)的模場直徑為d2，這里d1和d2顯著小于d3；一種透光的放大介質(zhì)，用于引導(dǎo)模場直徑至少為d3的光束，所述透光放大介質(zhì)被放置以便使之從第一光波導(dǎo)接收光并把放大了的光送至第二光波導(dǎo)；與透光放大介質(zhì)光學(xué)耦合的泵，向放大介質(zhì)提供泵浦能量。
2．按照權(quán)利要求1的光放大器，其中的透光放大介質(zhì)是用稀土元素?fù)诫s的玻璃塊。
3．按照權(quán)利要求2的光放大器，其中玻璃塊的大小，要能傳播模場直徑至少為100μm的光束，此玻璃塊在其一個端面上有一濾波器，讓泵浦光束通過但基本上阻止待放大的光信號在其上通過，還有一個濾波器在其另一個端面上，讓待放大的信號通過但基本上阻止泵浦光束在其上通過。
4．按照權(quán)利要求3的光放大器，其中鄰近泵的一個濾波器，在泵浦能量的中心波長上有一通帶，而其中另一個鄰近第一與第二光波導(dǎo)的濾波器，在對應(yīng)于待放大信號波長的波長上有一通帶。
5．按照權(quán)利要求4的光放大器，還包括一透鏡，放在兩個波導(dǎo)和其通帶與待放大信號波長對應(yīng)的濾波器之間，此透鏡向玻璃塊提供具有擴展模場的準(zhǔn)直光并向第二波導(dǎo)提供聚焦光束。
6．按照權(quán)利要求3的光放大器，其中的透光介質(zhì)包括一鍍層，以增進(jìn)在介質(zhì)內(nèi)的全內(nèi)反射。
7．按照權(quán)利要求3的光放大器，其中的玻璃塊帶有保持或改變玻璃塊溫度的裝置。
8．按照權(quán)利要求2的光放大器，其中的玻璃塊具有光焦度。
9．按照權(quán)利要求8的光放大器，其中的玻璃塊有漸變的折射率，形成一透鏡。
10．按照權(quán)利要求3的光放大器，還包括在玻璃塊一個端面上形成的一種光學(xué)部件，此光學(xué)部件至少選自下面之一衍射部件、透鏡、和濾波器。
11．按照權(quán)利要求5的光放大器，還包括適當(dāng)放置的光纖，把光送至帶有阻止泵浦光束從其上通過的濾波器的玻璃塊的端面，并從此端面接收放大了的光。
12．按照權(quán)利要求11的光放大器，其中的光纖是保偏光纖。
13．按照權(quán)利要求11的光放大器，其中用于把模場直徑顯著擴展的透鏡，是一種GRIN透鏡，且其中的輸入光纖和輸出光纖兩者都裝在套筒內(nèi)，此放大器還包括一透光隔離片部件，放在套筒與GRIN透鏡之間。
14．按照權(quán)利要求13的光放大器，還包括放在泵浦源與泵浦介質(zhì)之間的一個透鏡，把來自泵浦源的泵浦光基本上準(zhǔn)直。
15．一種光學(xué)放大器，包括光波導(dǎo)，用于傳送待放大光信號，此光波導(dǎo)有一用于發(fā)送光信號的輸出端；基本準(zhǔn)直透鏡，與光波導(dǎo)的輸出端光學(xué)耦合，用于接收光信號并提供基本上準(zhǔn)直的待放大的光束，該基本上準(zhǔn)直的光束比光波導(dǎo)傳送的光信號有顯著較大的模場直徑；一透光材料塊，大小要能傳送待放大的基本上準(zhǔn)直的光束，透光材料塊由摻稀土元素的增益介質(zhì)構(gòu)成，該塊被放置以接收基本上準(zhǔn)直的光束；和高功率泵，被放置以便把光能送至透光材料塊；以及一個輸出光波導(dǎo)，被放置以便在光信號已經(jīng)被透光材料塊放大之后，與聚焦的光信號耦合。
16．一種放大光信號的方法，包括步驟從光纖發(fā)送攜帶光信號的光束；顯著增加光束的模場直徑，并把光束送至放大介質(zhì)；把與光信號波長不同的光能泵浦進(jìn)放大介質(zhì)，并從放大介質(zhì)接收放大了的光信號；和減小放大了的信號的模場直徑，并把放大了的信號耦合至輸出光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能與光纖耦合的在線光放大器,其中的放大介質(zhì)比與它耦合的光纖有顯著更大的模場。本發(fā)明實現(xiàn)了一種設(shè)計,它使用非常高功率的泵浦,把泵浦功率近似1W的多模信號注入摻鉺玻璃塊,摻鉺玻璃塊的模場直徑比摻鉺光纖的模場直徑大好幾個數(shù)量級。本發(fā)明提供一種相對不那么昂貴的光放大器,它可以用在光纖通信系統(tǒng)或其他用途。有利的是,本發(fā)明提供的裝置不要求用長度難以操縱的摻鉺光纖來構(gòu)成放大器。
文檔編號H01S3/16GK1311455SQ0013446
公開日2001年9月5日 申請日期2000年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月2日
發(fā)明者布魯斯·尼曼, 加里·S·達(dá)克, 尼爾·泰特爾保 申請人:Jds尤尼費斯公司