專利名稱：改進(jìn)了增益傾斜的混合式光放大器的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及具有經(jīng)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性的光信號(hào)放大，尤其涉及一種用于設(shè)計(jì)混合式光信號(hào)放大設(shè)備或其部件的方法，以及一種具有經(jīng)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性的混合式光信號(hào)放大設(shè)備或其部件。
相關(guān)技術(shù)的描述全光學(xué)放大器特別是摻鉺光放大器因其公認(rèn)的相對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)器型放大方案的優(yōu)點(diǎn)而在光纖通信系統(tǒng)中有了廣泛應(yīng)用。例如，摻鉺的光纖放大器(EDFA)能夠方便地在1550納米的第三優(yōu)選通信光譜窗口中工作，它具有對(duì)偏振不靈敏的高增益，不同波長信號(hào)之間的串?dāng)_較低，還有良好的飽和輸出功率以及接近于基本量子極限的噪聲指數(shù)。優(yōu)良的噪聲特性允許在光纖通信鏈路上包含數(shù)百個(gè)放大器，由此通信鏈路的跨度可達(dá)數(shù)千公里。與電子轉(zhuǎn)發(fā)器不同，光放大器特別是EDFA還對(duì)數(shù)據(jù)率、信號(hào)格式以及有限范圍內(nèi)的波長透明，這使它們格外適用于波長復(fù)用的通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對(duì)每個(gè)信號(hào)使用不同波長帶寬，以同時(shí)發(fā)送大量的信號(hào)。
盡管總的來說性能優(yōu)越，EDFA也存在缺點(diǎn)，即它們的譜線寬度較窄并且增益帶不均勻。EDFA的有用通信窗口大約為20-30納米寬，而理想的放大器應(yīng)在大約從1520納米延伸至1570納米的整個(gè)光譜上具有平坦的光譜增益。鉺增益光譜的峰值波長根據(jù)基質(zhì)玻璃材料不同而從大約1530納米變化到1535納米。

圖1示出了某特定的傳統(tǒng)EDFA的特征增益光譜，由該圖可見，增益是波長的函數(shù)；以下將增益變化稱為增益波動(dòng)。已公開有各種使增益光譜加寬和平坦的技術(shù)(即，減小波動(dòng))，例如用Al2O3對(duì)摻鉺的石英玻璃光纖進(jìn)行共摻雜；改變基質(zhì)玻璃材料本身；用各種形式的衰減濾波器降低發(fā)射峰處的增益；以及構(gòu)造混合型器件，這類器件包括兩類或更多類串連的摻鉺光纖，并能獨(dú)立地主動(dòng)調(diào)節(jié)每段光纖中的泵激狀態(tài)，從而補(bǔ)償每類光纖的不同增益斜率。
除了頻繁提及并努力要減小的增益波動(dòng)問題外，本發(fā)明要解決的一個(gè)重大問題是減小或改善動(dòng)態(tài)增益傾斜。在本文中，動(dòng)態(tài)增益傾斜是指當(dāng)通過改變輸入功率(即，泵激功率和/或信號(hào)功率)而改變?nèi)魏我惶幉ㄩL的增益時(shí)，在另一波長處的增益變化。盡管上述用于減小增益波動(dòng)的技術(shù)可以為一組特定的輸入光功率和波長在特定的波長帶內(nèi)提供相當(dāng)平坦的光譜，但當(dāng)改變放大器輸人功率從而使增益不滿足額定條件(即，改變平均反轉(zhuǎn)粒子數(shù))時(shí)，增益均衡性會(huì)快速劣化。一種報(bào)道過的解決該問題的方法是，使用一種混合式光纖器件，該器件具有級(jí)聯(lián)的增益光譜不同的若干放大級(jí)和相等數(shù)量的泵激源，該方法可獨(dú)立地、有效地調(diào)諧個(gè)別級(jí)別的增益光譜，從而當(dāng)總增益改變時(shí)，可以調(diào)節(jié)每個(gè)級(jí)別的相對(duì)貢獻(xiàn)，從而達(dá)到所需的增益，并使所得的增益光譜在選定的波長帶上具有最小的光譜畸變。例如，將一根具有正增益斜率的摻鉺光纖與另一根具有負(fù)增益斜率的摻鉺光纖組合，使混合式器件在特定的輸入功率條件下具有幾乎平坦的增益。但是，如果必須改變混合式器件的總增益，那么當(dāng)輸入一個(gè)級(jí)別的泵激功率變化時(shí)，每個(gè)組成級(jí)別的增益斜率一般將以不同的速率變化。為了在新的工作點(diǎn)獲得良好的補(bǔ)償，必須重新調(diào)節(jié)每個(gè)組成增益級(jí)別的相對(duì)增益，從而再次使增益斜率相互補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)這類放大器，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將兩個(gè)(或多個(gè))不同的摻鉺光纖組合物串接，并在每一級(jí)的一端為每個(gè)放大級(jí)提供分立的泵激源，從而使接頭最少，并且盡可能便于獨(dú)立控制每一級(jí)的泵激功率。但是，用于降低或改善動(dòng)態(tài)增益傾斜的這一技術(shù)要求采用一種復(fù)雜的控制方案，用于在工作中仔細(xì)調(diào)整多個(gè)泵激源的總功率，從而在不同增益的范圍內(nèi)對(duì)增益斜率進(jìn)行補(bǔ)償(即，改變輸入功率而保持固定的目標(biāo)輸出功率)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是，描述一種用于設(shè)計(jì)混合式光信號(hào)放大器件或其部件(最好是EDFA)的方法，所述放大器件包括由不同的共摻雜組合物構(gòu)成的摻鉺光纖(EDF)，能有效地自動(dòng)改變諸組成EDF分段之間的泵激分布或分配，從而可以重新調(diào)節(jié)諸組成EDF分段的相對(duì)增益。因此，與摻雜的組成光纖相比，混合式器件的總增益變化將在一增益值的范圍內(nèi)盡可能地接近于光譜均勻(即動(dòng)態(tài)增益傾斜優(yōu)化)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種混合式光信號(hào)放大器件或其部件，并描述一種方法，當(dāng)輸入信號(hào)功率和/或泵激功率的變化使增益發(fā)生變化時(shí)，該方法能在一選定的波長帶上就不同的波長對(duì)增益進(jìn)行自動(dòng)或被動(dòng)均衡。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種混合式光放大器件，并描述一種用于制造這種器件的方法，該方法可以在一組給定的工作條件下調(diào)節(jié)增益光譜的形狀(增益波動(dòng)控制)，并同時(shí)降低或改善與使用該器件相關(guān)的動(dòng)態(tài)增益傾斜。
這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)可以在一混合式光波導(dǎo)放大器件的實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，所述放大器件包括(n)段組成摻雜波導(dǎo)(n≥2)，每段摻雜波導(dǎo)中至少有一部分相互串行連接，并且每段組成波導(dǎo)具有唯一的組分和一個(gè)可測(cè)量的動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)γ(i)(λ)(i=1至n)=[g*(i)(λ)+α(i)(λ)]，其中g(shù)(j)*(λ)是在無限泵激功率的極限時(shí)第i段摻雜波導(dǎo)的增益系數(shù)，這時(shí)基本上所有的摻雜離子都處于激發(fā)態(tài)，而α(i)(λ)是在無泵激功率極限下用弱探測(cè)信號(hào)測(cè)量時(shí)第i段摻雜波導(dǎo)的吸收系數(shù)，這時(shí)基本上所有的摻雜離子都處于基態(tài)；還包括最多(n-1)個(gè)泵激輻射源，它們用于增加混合式器件的較高的放大能級(jí)的粒子數(shù)；其中混合波導(dǎo)器件的可測(cè)動(dòng)態(tài)增益傾斜為Γ(λ)=[ΔG(λ)/ΔG(λref)]，ΔG是因輸入(信號(hào)或泵激)功率變化而引起的光增益的變化(放大器摻雜光纖長度固定)，它小于任何組成光纖的γi(λ)/γi(λRef)值。
在該實(shí)施例的一個(gè)方面，光放大器摻雜劑是一種或多種稀土元素，例如鉺。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，上述混合式器件將構(gòu)成一種包括平面型組成波導(dǎo)的平面型器件。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，組成摻雜波導(dǎo)是光纖。在該實(shí)施例的一個(gè)方面，光纖是摻鉺的鋁硅酸鹽和摻鉺的鍺硅酸鹽組合物。在其他實(shí)施例中，一種或多種組成波導(dǎo)可以是Z-BLAN或鹵氧化物，包括以氟化物為基的玻璃組合物。
雖然本發(fā)明一實(shí)施例設(shè)想的最簡單的混合式器件包含兩種不同的相互串接的摻鉺光纖，以及單個(gè)與一根組成光纖的一端耦連的泵激源，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，因?yàn)楫?dāng)輸入功率變化時(shí)，在沿?fù)姐s光纖的不同點(diǎn)上，由單一組合物構(gòu)成的摻鉺光纖，其按截面平均的反轉(zhuǎn)數(shù)會(huì)改變不同的量，所以可以有多種光纖長度和至少部分光纖之次序的組合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。對(duì)于許多放大器設(shè)計(jì)方案，特別是那些采用前向泵激的方案(因?yàn)樵谶@種設(shè)計(jì)中，噪聲性能有許多優(yōu)點(diǎn))，只將一根組合物光纖與另一根不同的組合物光纖串連的混合式EDF不能最大程度地進(jìn)行自動(dòng)有效的泵激補(bǔ)償。因此，與當(dāng)前實(shí)踐的混合式放大器設(shè)計(jì)不同，可以將一段組成摻鉺光纖組合物安排在另兩段不同的組成摻鉺光纖組合物之間。但是，在混合式器件包含兩種以上摻鉺光纖組合物的情況下，每種組合物具有特定排序的混合式器件。優(yōu)于相同組合物的摻鉺光纖段發(fā)生重復(fù)的混合式器件。因此，例如當(dāng)一段EDF1位于兩段EDF2之間時(shí)，對(duì)增益改變進(jìn)行最佳自動(dòng)補(bǔ)償所需的EDF1的量或長度將依賴于EDF2的總長度在其兩組成部分之間是如何分配的。這種選擇性的排序可以同時(shí)進(jìn)行對(duì)一給定的工作狀態(tài)(增益波動(dòng))下的增益形狀的調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)增益傾斜調(diào)節(jié)。
本發(fā)明還描述了一種用于構(gòu)造混合式光波導(dǎo)放大器件或其部件的方法，該方法包括以下步驟選擇不同的組成摻雜波導(dǎo)(用下標(biāo)“n”表示)；使每個(gè)組成波導(dǎo)中的至少一部分(用下標(biāo)“m”表示)與其它組成波導(dǎo)中的至少一部分相互串行連接；用泵激源泵激混合式器件，泵激源的數(shù)目最多為所用組成波導(dǎo)的數(shù)目減1；確定組成波導(dǎo)最佳線性組合的性能，并選擇波導(dǎo)組件的長度和次序，以使混合式器件的動(dòng)態(tài)增益傾斜在選定的波長帶上，其絕對(duì)偏差小至所需的程度。該方法包括下述步驟確定目標(biāo)動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)Target=∑(i)wTARGET(i)γNORM(i)；在一選定的泵激功率電平和/或輸入信號(hào)功率電平下確定增益值G(λ)=∑(i){n2i[g(i)*(λ)+α(i)(λ)]-α(i)(λ)}Li；改變泵激功率電平和/或輸入信號(hào)功率電平，產(chǎn)生增益變化ΔG，并計(jì)算摻雜離子平均反轉(zhuǎn)數(shù)的改變值Δn2(i)AVG；并且用迭代方法確定實(shí)際加權(quán)函數(shù)wACTUAL(i)=□Δn(i)2Liγmax(i)/∑j(Δn2(j)Ljγmax(j))□的值，直至實(shí)際動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)Target的接近程度令人滿意。
本發(fā)明的方法還包括如上所述修正增益光譜，以便與傳統(tǒng)可用的濾波器的濾波響應(yīng)相匹配。
以下將參照附圖，描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
附圖概述圖1示出了傳統(tǒng)EDFA的典型的增益光譜；圖2是一曲線圖，表示兩根摻鉺的組成光纖以及由組成光纖組成的混合光纖的動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)對(duì)波長的變化，該圖示出了混合光纖相對(duì)任一組成光纖，其動(dòng)態(tài)增益傾斜在所選波長帶上的變化有所改善。
圖3A是一示意圖，示出了前向泵激的、含兩段單一組分的鋁硅酸鹽摻鉺光纖放大器件；而圖3B示出了一種混合器件，該器件在兩段鋁硅酸鹽組成光纖之間具有一鍺硅酸鹽摻雜組成光纖；表1A和1B分別列出了當(dāng)圖3A和3B中兩個(gè)EDFA之每條信道的信號(hào)功率增大4dB時(shí)，兩條信道和探測(cè)信道中增益的變化。
本發(fā)明較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述對(duì)于各種玻璃基質(zhì)，可有效地使摻稀土元素的光放大器特別是EDFA均勻加寬，并且摻雜離子與各種信號(hào)模式的重疊幾乎與波長無關(guān)。因此，增益光譜將限制為單參量的依賴于波長的函數(shù)，這里增益光譜是較小的信號(hào)增益，它可以在固定放大器工作點(diǎn)時(shí)用較弱的探測(cè)信號(hào)來測(cè)量。因此，如果因輸入變化(即，泵激功率變化和/或信號(hào)功率變化)而使放大器在某一參考波長處的增益改變，那么放大器在其他波長處的增益將改變相當(dāng)確定的量，該變化量可能與參考波長處的增益變化量不同。這里將因輸入變化引起的放大器增益的變化對(duì)波長的依賴性稱為動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ。因此，動(dòng)態(tài)增益傾斜是當(dāng)工作狀態(tài)不同于為放大器設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)時(shí)，放大器增益光譜的畸變，EDFA的動(dòng)態(tài)增益傾斜可以用一個(gè)依賴于波長的函數(shù)定量表示，該函數(shù)等于輸入功率發(fā)生某一變化時(shí)增益(以dB為單位)在A、B兩個(gè)工作點(diǎn)之間的變化除以光輸入發(fā)生相同變化時(shí)放大器增益在參考波長處的變化，其中增益是波長的函數(shù)。換種方式表示，Γ(λ)=[G(λ)B-G(λ)A]/[G(λref)B-G(λref)A]其中G(λ)是可測(cè)量的增益，而λref是ΔG(λ)為最小值時(shí)的波長。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，假設(shè)基本上所有的放大摻雜離子在徑向上受到充分約束，致使光輸入的模場(chǎng)在波導(dǎo)的摻雜橫截面上基本上不變，那么可以簡化動(dòng)態(tài)增益傾斜的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)。更普遍地說，即假定信號(hào)模場(chǎng)和較高放大能級(jí)上百分粒子數(shù)的徑向分布的重疊與信號(hào)波長無關(guān)。如此簡化可將單根摻鉺光纖(EDF)的增益G(λ)(單位為dB)表示成G(λ)=[n2AVG(g*+α)-α]L其中，L是EDF的長度，g*是EDF在強(qiáng)泵激極限(即，基本上所有的鉺離子都處于高能的或受激的放大狀態(tài))下每單位長度的增益(dB/長度)，α是在弱探測(cè)信號(hào)極限(即，幾乎使所有的摻雜離子都處于其基態(tài))下測(cè)得的吸收系數(shù)，而n2AVG是EDF歸一化的平均反轉(zhuǎn)數(shù)，n2AVG=(Lρ)-1∫O-LN2(z)dz，其中N2(z)是處于高能態(tài)的摻雜離子的局域密度，而ρ是活性摻雜離子的總密度。在該近似情況下，Γ(λ)=γ(λ)/γ(λ0)，其中動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)γ(λ)=g*(λ)+α(λ)。對(duì)所有可買到的EDF，Γ(λ)僅僅(至多)較弱地依賴于工作點(diǎn)(即，泵激方案)和ΔG(即，點(diǎn)A和B)，它實(shí)際上由EDF本身的光學(xué)性能確定。
已知g*和α分別正比于光纖的發(fā)射截面積σE和吸收截面積σA，但它們比截面積本身更容易測(cè)量。當(dāng)改變放大器的平均反轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，EDFA增益的對(duì)數(shù)的變化正比于摻鉺光纖之吸收截面積與發(fā)射截面積的和(σE+σA)，并且該變化量與器件中平均反轉(zhuǎn)數(shù)的變化量有關(guān)。截面積之和可以具有非常尖的特征，特別是在靠近鉺峰(大約1532納米處)的波長帶中。由于動(dòng)態(tài)增益傾斜，增益光譜將出現(xiàn)相應(yīng)的變化，與截面積之和一樣，光譜變化也具有尖銳的特征。通過用不同的摻鉺光纖組合物即截面光譜不同的光纖制作EDFA，相信可以自動(dòng)、有效地加寬截面積之和的峰。如果混合式光纖放大器的有效截面積之和在某一波長帶上比較恒定，那么放大器增益光譜將以光譜均勻的方式變化，使增益變化引起的動(dòng)態(tài)增益傾斜量最小。本發(fā)明對(duì)于下述波長帶特別有效，該波長帶位于一對(duì)具有不同組合物的摻雜光纖的兩個(gè)鉺增益峰之間。
盡管對(duì)于單一組合物的EDFA，可用(g*+α)表示動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)，但是混合式光纖放大器不能如此簡單地表征，因?yàn)樗⒉痪哂形ㄒ坏钠骄崔D(zhuǎn)數(shù)，而是每種EDF具有一個(gè)平均反轉(zhuǎn)數(shù)。因此，可以將混合傾斜參數(shù)寫成各組成光纖的(g*+α)的加權(quán)和。于是，當(dāng)混合器件的加權(quán)和在有關(guān)波長帶上盡可能平坦時(shí)，可以改善動(dòng)態(tài)增益傾斜。
根據(jù)上述討論，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種混合型放大的光波導(dǎo)，它在所選的波長帶Δλ上具有改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性，并且包含n個(gè)組成摻雜波導(dǎo)(n≥2)和至多(n-1)個(gè)用于增加器件較高的放大能級(jí)的粒子數(shù)的泵激輻射源，其中每個(gè)波導(dǎo)組件至少有一部分相互串連，并且每個(gè)組成波導(dǎo)具有唯一的組分和唯一的動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)γ(i)(λ)(i=1至n)，而γ(i)(λ)(i=1至n)=[g*(i)(λ)+α(i)(λ)]；混合波導(dǎo)具有下式定義的可測(cè)的有效動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)Γ(λ)=∑(i)wACTUAL(i)γNORM(i)Γ(λ)小于任何γ(i)(λ)，而wACTUAL(i)是歸一化的加權(quán)函數(shù)，其定義是wACTUAL(i)=□Δn2(i)Liγmax(i)/∑j(Δn2(j)Ljγmax(j))□其中Δn2(i)AVG是當(dāng)泵激功率變化時(shí)混合波導(dǎo)第i段之摻雜離子平均反轉(zhuǎn)數(shù)的變化，L(i)是第i段波導(dǎo)的長度，而γ(i)NORM=γi(λ)/γmax(i)，這里γmax(i)是γi(λ)在Δλ上的最大值。摻雜波導(dǎo)最好摻鉺，并且光纖波導(dǎo)比平面波導(dǎo)好。波長帶Δλ最好在幾納米至大約100納米之間，并且對(duì)于摻鉺的情況，波長帶宜在1520納米至1570納米的范圍內(nèi)，最好在1530-1540納米以及1540-1560納米的范圍內(nèi)。
參照?qǐng)D2，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，混合放大光纖的有效動(dòng)態(tài)增益傾斜比任一組成光纖至少小30％。圖2中，沿水平軸表示波長帶Δλ(這里在1532納米附近)，而垂直軸表示整個(gè)波長帶Δλ上的動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)(g*+α)。EDF1曲線表示鋁硅酸鹽摻鉺組成光纖的情況，其增益傾斜系數(shù)基本上呈線性下降，而EDF2曲線表示鍺硅酸鹽摻鉺光纖的情況，其增益傾斜系數(shù)為線性上升。用混合標(biāo)注的實(shí)線表示混合光纖對(duì)增益傾斜參數(shù)之偏差的改善，其中混合光纖的增益傾斜參數(shù)由65％權(quán)重的EDF1和35％權(quán)重的EDF2組成(權(quán)重即指上述wi)。重申一遍，混合式器件的有效截面積之和的改善是指，當(dāng)因輸入信號(hào)和/或泵激功率變化而改變放大器的增益時(shí)，兩種組成EDF的相對(duì)增益貢獻(xiàn)將自動(dòng)改變，從而使增益變化對(duì)光譜的依賴關(guān)系幾乎相等。圖3A例示了一種混合式摻鉺放大光纖，該光纖包括分離的單一組分的鋁硅酸鹽EDF(27,29)，其α峰L的值為79.4dB。表1A列出了當(dāng)輸入功率變化4dB(-16dbm至-12dbm)時(shí)，在兩個(gè)信號(hào)波長1530納米和1535納米處以及弱探測(cè)信號(hào)波長1532.5納米處的增益變化。對(duì)于該單一組分光纖，在兩個(gè)信號(hào)波長之間增益變化(動(dòng)態(tài)增益傾斜)接近1.0dB。圖3b示意地畫出了依照本發(fā)明的前向泵激混合式摻鉺放大光纖，該光纖是一混合EDF，其總的α峰L與圖3A的EDF相同，該光纖包括一段鍺硅酸鹽EDF(EDF2)(標(biāo)號(hào)為31)和兩段鋁硅酸鹽EDF(EDFi和EDF3)(標(biāo)號(hào)分別為27和29),EDF2的α峰L=15.3dB,EDF1和EDF3的α峰L分別為(α峰L)2=25.43 dB和(α峰L)3=36.68 dB,EDF2連接在EDF1和EDF3之間。由表1B可以看出混合器件對(duì)動(dòng)態(tài)增益傾斜的改善，表明兩個(gè)單信道之間的增益變化只有0.38dB。圖2示出了各組成EDF和混合EDF的增益斜率和動(dòng)態(tài)增益傾斜特性。
本發(fā)明的另一實(shí)施例描述了一種用于構(gòu)造混合式光波導(dǎo)放大器件的方法，其中放大器件在所選波長帶Δλ上具有改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性，所述方法包括一迭代計(jì)算，計(jì)算要求選擇n段不同的組成摻雜光纖，并就波長帶Δλ為有關(guān)的每段組成光纖確定動(dòng)態(tài)增益傾斜參數(shù)γ(i)(λ)(i=1至n)=[g*(i)(λ)+α(i)(λ)]；至少將每段波導(dǎo)組件的一部分Li相互連接，致使所有不同的組成波導(dǎo)中至少有一部分相互串連；最多提供(n-1)個(gè)泵激動(dòng)力源，用于增加混合器件較高放大能級(jí)上的粒子數(shù)；并且通過計(jì)算各組成之增益傾斜參數(shù)的線性組合，選擇最佳的有效截面積之和(即，在所選波長帶上最平坦)。最佳的目標(biāo)動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)Target=∑(i)wTARGET(i)γNORM(i),其中w(i)滿足條件∑(i)w(i)TARGET=1,Γ(λ)Target在Δλ上具有減小的、最好為最小的絕對(duì)偏差，而w(i)TARGET是用數(shù)學(xué)方法通過適當(dāng)選取滿足上述約束的w(i)TARGET而得到的。
對(duì)于選定的泵激功率和/或信號(hào)輸入功率，可以計(jì)算混合器件的增益值G(λ)=∑(i){n2i[g(i)*(λ)+α(i)(λ)]-α(i)(λ)}Li?，F(xiàn)在可以選擇有限的增益變化ΔG，其中ΔG表示增益在想要保持平坦的放大器光譜上的變化。從動(dòng)態(tài)增益傾斜的角度看，混合放大器的性能就象它具有上述有效的動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)Target。如果找到一組目標(biāo)加權(quán)函數(shù)，使得ΓTarget在波長帶Δλ上的相對(duì)變化明顯小于任何組成γ(i)，那么這將有利于依照本發(fā)明決定混合式放大器件的結(jié)構(gòu)。這可以通過給定所需的增益變化ΔG并計(jì)算Δn2(i)AVG的值來完成，這里Δn2(i)AVG表示每個(gè)組成EDF之摻雜離子平均反轉(zhuǎn)數(shù)的變化。但是，為了得到精確的Δn2(i)AVG值，必須已知實(shí)際的組成光纖的長度Li，以及組成EDF的布置或次序。這是本發(fā)明須進(jìn)行運(yùn)算的原因。最好，選擇組成波導(dǎo)的組分，并如上所述將選定長度的各段組成波導(dǎo)相互串連。必須對(duì)長度和次序進(jìn)行初始假設(shè)。一旦計(jì)算出Δn2(i)AVG的值，本領(lǐng)域的技術(shù)人員便可用該信息更新各長度初始值Li，從而通過迭代計(jì)算確定wACTUAL(i)=□Δn(i)2Liγmax(i)/∑j(Δn2(j)Ljγmax(j))□的值，直至Γ(λ)對(duì)Γ(λ)Target的接近程度令人滿意，這里Γ(λ)=∑(i)wACTUAL(i)γNORM(i)。與任何組成光纖的動(dòng)態(tài)增益參數(shù)值γ(i)相比，該過程可以確保Γ(λ)的相對(duì)變化更接近于Γ(λ)Target的值。
另一種方法是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行強(qiáng)制數(shù)值搜索，找出使w(i)ACTUAL與w(i)TARGET(對(duì)所有的i)匹配所必須的組件長度和次序。但應(yīng)該理解，可能不止存在一種，并可能有許多種能使Γ(λ)與Γ(λ)Target匹配的EDF長度與分布的物理實(shí)現(xiàn)方式。因此，可以靈活地從各種設(shè)計(jì)中選擇一種，以獲得經(jīng)改進(jìn)的或最小的增益波動(dòng)。盡管不可能用該技術(shù)實(shí)際使增益光譜平坦，但可以使所得的增益波動(dòng)更易于平坦，因?yàn)榭梢詫?duì)增益光譜整形，以相配于已有濾波技術(shù)所提供的濾波器響應(yīng)。應(yīng)該理解，由于已經(jīng)控制了截面積之和的變化，所以一旦用其他手段使增益光譜平坦，那么當(dāng)EDFA響應(yīng)于裝置輸入功率變化而發(fā)生反轉(zhuǎn)變化時(shí)，它將保持較為平坦的狀態(tài)。
權(quán)利要求
1．一種光放大器用的混合式光波導(dǎo)部件，它在一選擇的波長范圍Δλ內(nèi)具有改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性，其特征在于，包括(n)段組成摻雜波導(dǎo)，n≥2，每段波導(dǎo)中至少有一部分相互串連，每段組成波導(dǎo)具有唯一的組分和唯一的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性γ(i)(λ)(i=1至n)，這里γ(i)(λ)(i=1至n)=[g*(i)(λ)+α(i)(λ)]其中g(shù)(i)*(λ)是在無限泵激功率的極限時(shí)第i段摻雜波導(dǎo)的增益系數(shù)，這時(shí)基本上所有的摻雜離子都處于激發(fā)態(tài)，而α是在無泵激功率的極限和弱探測(cè)信號(hào)時(shí)第i段摻雜波導(dǎo)的吸收系數(shù)，這時(shí)基本上所有的摻雜離子都處于基態(tài)；和最多(n-1)個(gè)泵激輻射源，用于增加器件的較高放大能級(jí)的粒子數(shù)；其中所述混合波導(dǎo)具有下式定義的有效動(dòng)態(tài)增益傾斜Γ(λ)=∑(i)wACTUAL(i)γNORM(i)該值總是小于任何γ(i)(λ)，并且w(i)ACTUAL是歸一化的加權(quán)函數(shù)，其定義是wACTUAL(i)=□Δn(i)2Liγmax(i)//∑j(Δn2(j)Ljγmax(j))□其中Δn2(i)AVG是當(dāng)泵激功率變化時(shí)混合波導(dǎo)第i段之摻雜離子平均反轉(zhuǎn)數(shù)的變化，L(i)是第i段波導(dǎo)的長度，而γ(i)NORM=γi(λ)/γmax(i)，這里γmax(i)是γi(λ)在Δλ上的最大值。
2．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述組成波導(dǎo)摻有一種稀土元素。
3．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述組成波導(dǎo)摻有鉺。
4．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述組成波導(dǎo)是光纖波導(dǎo)。
5．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述確定的波長帶Δλ的數(shù)值在大約幾納米至100納米之間。
6．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述確定的波長帶Δλ在大約1520納米至1570納米的范圍。
7．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述確定的波長帶Δλ在大約1530納米至1540納米的范圍。
8．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述確定的波長帶Δλ在大約1540納米至1560納米的范圍。
9．如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于，n=2，并且第一組成光纖是摻鉺的鍺硅酸鹽組合物，而第二組成光纖是摻鉺的鋁硅酸鹽組合物，其中，Γ(λ)≤無論γ1(λ)還是γ2(λ)的30％。
10．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，Γ(λ)≤任一γi(λ)的30％。
11．如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于，至少有一段某種組成光纖位于兩段另一種組成光纖之間。
12．一種用于構(gòu)造混合式光波導(dǎo)放大器件的方法，所述放大器件在一選擇的波長帶Δλ內(nèi)具有改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜特性，其特征在于，包括以下步驟a)選擇(n)個(gè)不同的組成摻雜光波導(dǎo)，并且對(duì)每個(gè)組成波導(dǎo)確定Δλ上的動(dòng)態(tài)增益傾斜值γ(i)(λ)(i=1至n)；b)使一個(gè)組成波導(dǎo)的至少一部分Li與另一組成波導(dǎo)的至少一部分Li互連，以便使(n)個(gè)波導(dǎo)中每個(gè)波導(dǎo)的一部分相互連接；c)最多提供(n-1)個(gè)泵激輻射源，用于增加所述混合器件較高放大能級(jí)上的粒子數(shù)；d)確定目標(biāo)動(dòng)態(tài)增益傾斜，使Γ(λ)Targer=∑(i)w(i)TARGETγNORM(i)，從而∑(i)w(i)TARGET=1，并且Γ(λ)Target在Δλ上具有最小的絕對(duì)偏差。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括下述步驟f)在至少一個(gè)選定的泵激功率電平和輸入信號(hào)功率電平下，確定增益值G(λ)，其中G(λ)=∑(i){n2i[g(i)*(λ)+α(i)(λ)]-α(i)(λ)}Li；g)改變所述的至少一個(gè)選定的泵激功率電平和輸入信號(hào)功率電平，以實(shí)現(xiàn)所需的增益變化ΔG，并計(jì)算表示摻雜離子平均反轉(zhuǎn)數(shù)之改變的Δn2(i)AVG；h)用迭代方法確定值wACTUAL(i)=□Δn(i)2Liγmax(i)/∑j(Δn2(j)Ljγmax(j))□，致使Γ(λ)對(duì)Γ(λ)Target的接近程度令人滿意，這里Γ(λ)=∑(i)wACTUAL(i)γNORM(i)。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括更新諸L(i)中的至少一個(gè)以及各L(j)的位置次序。
15．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，使所述增益偏差(增益波動(dòng))在所選波長帶上最小。
16．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，修正所述增益，以與選擇的濾波器響應(yīng)匹配。
17．如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述組成摻雜波導(dǎo)中至少有一個(gè)包括ZBLAN和以鹵氧化物為基的玻璃組合物中的一種。
18．如權(quán)利要求17所述的器件，其特征在于，包括以氟化物為基的玻璃組合物。
全文摘要
一種混合式摻鉺光纖放大器件(圖3A),其動(dòng)態(tài)增益傾斜小于任何組成光纖的增益傾斜。該混合式放大器件具有的泵激源數(shù)目最多為器件中組成波導(dǎo)數(shù)目減1。能有效地自動(dòng)改變?cè)谥T組成摻雜分段(27,29)之間的泵激分布,從而重新調(diào)整各組成分段的相對(duì)增益。因此,與組成摻雜波導(dǎo)(27,29)相比,混合式器件總增益的變化將在一增益值范圍內(nèi)盡可能地接近于光譜均勻。還提供了一種用于構(gòu)造混合光放大器件的方法,該放大器件具有經(jīng)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)增益傾斜。
文檔編號(hào)H01S3/10GK1231779SQ97198353
公開日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1997年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月1日
發(fā)明者馬克·A·紐豪斯, 邁克爾·J·亞德勞斯基 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司