專利名稱：具有動(dòng)態(tài)成形的增益的光放大器的制作方法
背景技術(shù)：
近年來，工作波長范圍寬達(dá)1520至1580nm光譜區(qū)域的光放大器被引入光纖通信系統(tǒng)。此舉使密集型波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)成為可行。在DWDM系統(tǒng)內(nèi)，與16個(gè)甚至多達(dá)64個(gè)波長的一組波長同時(shí)在光纖內(nèi)傳輸，每個(gè)波長由快到10Gb/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制。此大容量通信系統(tǒng)包括光發(fā)射器、光纜、光放大器、波長多路復(fù)用器和光接收器，它需要得到嚴(yán)密監(jiān)視以檢測可能破壞信息傳輸?shù)娜魏喂收?。誤碼率(BER)是這樣一個(gè)量度，它定義為給定時(shí)間間隔內(nèi)出錯(cuò)的比特?cái)?shù)除以接收到的比特總數(shù)的一個(gè)量。BER對傳輸系統(tǒng)的若干參數(shù)敏感，諸如接收機(jī)處的光功率、發(fā)射機(jī)的質(zhì)量等，但尤其對接收機(jī)處的信號功率與噪聲功率之比(稱為信噪比(SNR))敏感。而SNR又取決于接收機(jī)熱噪聲散粒噪聲的相加以及因系統(tǒng)中光放大器而增添的噪聲。
光放大器最重要的參數(shù)之一在于其各個(gè)波長的增益。為了正常工作，人們期望工作于各個(gè)波長的接收機(jī)有共同的且實(shí)際相等的光信號噪聲比以及實(shí)際相等的光功率。由于發(fā)射機(jī)通常在各個(gè)波長輸出基本等值的功率，故人們期望系統(tǒng)中的放大器能夠在各個(gè)信道波長提供相等的增益。
使光放大器增益均等或平整的幾種方法已披露于某些文獻(xiàn)。由EmmanuelDesurvire撰寫的《攙鉺光放大器》一書第480頁討論了此種增益平整技術(shù)。由Bertrand Clesca在“光放大器及其應(yīng)用”會議上發(fā)表的“平坦增益放大器以及在WDM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳輸”一文(論文編號FA1-1)也比較了增益平整技術(shù)。在攙鉺光纖中，任何給定波長處的增益具有來自若干加寬的原子共振的貢獻(xiàn)。這些共振的每一個(gè)以稍微不同的波長居中于1520至1580nm波長范圍內(nèi)，并且由鉺離子電子能級的不同的Stark次能級對產(chǎn)生。含鉺的玻璃基質(zhì)的材料以及該基質(zhì)內(nèi)的攙雜物對鉺中原子共振的位置和加寬產(chǎn)生影響。用以平整增益曲線的一種已知技術(shù)是采用攙鉺光纖的同時(shí)攙鋁。另一種技術(shù)是利用氟化物玻璃替代二氧化硅玻璃作為光纖材料。例如，當(dāng)攙鉺時(shí)使用氟化鋯玻璃在波長范圍內(nèi)得到更為平坦的增益是眾所周知的。以氟化鋯為基質(zhì)的攙雜光纖可以從馬薩諸塞州的Sturbridge的伽利略公司得到。氟化物光纖的缺點(diǎn)在于其熔點(diǎn)低，使其制造以及與系統(tǒng)中的其他光纖連接非常困難，而且其吸濕性質(zhì)使之容易因潮濕而受到損壞。
另一種技術(shù)是在具有放大器的線路中插入特定成形的光譜濾波器，以補(bǔ)償不同波長處的增益的差異。授權(quán)給Di Giovanni和Giles的第5,050,949號美國專利披露了采用兩級光纖放大器實(shí)現(xiàn)平坦增益。該兩級方式的缺點(diǎn)是仍然對1520至1535nm光譜區(qū)域內(nèi)的增益缺乏足夠的抑制而難以實(shí)現(xiàn)所需的平坦度。
最近，授權(quán)給Huber的第5,557,442號美國專利披露了一種技術(shù)，它包括采用環(huán)行器、刻入光纖內(nèi)的一連串光纖布喇格(Bragg)反射器以及一組衰減器以實(shí)現(xiàn)增益平坦。環(huán)行器是具有3或多個(gè)光纖端口的光學(xué)器件，它將光從端口I引導(dǎo)到端口I+1。布喇格光柵是通過紫外光刻入光纖纖芯的周期折射率光柵，它反射與光柵周期匹配的特定波長的光纖傳播光。在第5,557,442號美國專利中，光進(jìn)入放大器，然后進(jìn)入環(huán)行器并引導(dǎo)到布喇格反射器和衰減器鏈。具有第一波長w1的光在放大器中增益較低，它由第一布喇格光柵反射，在返回環(huán)行器和被引出之前未受到衰減。具有第二波長w2的光增益比波長w1的光稍高一些，它由后面的布喇格光柵反射，在其返回環(huán)行器和被引出之前必須通過一或多個(gè)衰減器。具有波長w3的光在放大器中增益最高，它由光纖中的最后的布喇格光柵反射回來，在其到達(dá)環(huán)行器和被引出之前使其兩次通過整個(gè)衰減器鏈。
Huber專利的主要缺點(diǎn)在于它需要復(fù)雜的可變衰減器以動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)損耗量，以修正因輸入功率變化而引起的放大器增益的變化?？刂圃鲆?響應(yīng)于輸入至放大器的功率變化)的其它動(dòng)態(tài)方法已見諸于文獻(xiàn)。例如，授權(quán)給Zirngibl的第5,088,095號美國專利利用反向傳播光束來鉗制增益。然而，因功率轉(zhuǎn)移至反向傳播的光束，這種方法減少了放大器中的有用功率而對增益的平整得很少。
因此，從對現(xiàn)有技術(shù)的評價(jià)來看顯然需要這樣一種方法，它能在響應(yīng)于輸入功率變化在整個(gè)波長范圍內(nèi)平整放大器的增益。
因此，本發(fā)明的首要目的在于提供一種方法，它能在整個(gè)波長范圍內(nèi)均衡或平整攙雜光纖放大器的增益，而不會影響放大器的光學(xué)特性，諸如平均增益和噪聲指數(shù)。
本發(fā)明的次要目的在于與輸入放大器的功率電平無關(guān)地平整放大器的增益。
發(fā)明概述稀土摻雜光纖在特定波長處的光增益是兩個(gè)主要的多重能級或簇中斯塔克次能級之間的若干電子躍遷貢獻(xiàn)的組合總和。例如，如果增益原子僅有兩個(gè)斯塔克次能級，能量為e2和e1，則增益基本上等于特定次能級之間的電子躍遷概率σ12乘以兩個(gè)次能級的電子數(shù)之差(P2-P1)，乘以共振函數(shù)(當(dāng)光的頻率進(jìn)一步與能量之差e2-e1諧振時(shí)它更小)的乘積。這一共振函數(shù)通常為高斯形，數(shù)學(xué)上寫作exp{-hω-(e2-e1)}，其中，ω=2πc/λ，h為Plank常數(shù)。一對斯塔克次能級之間的每一躍遷與不同的波長諧振，諧振條件為hω=2π(e2-e1)。
由于諸如稀土原子(鉺、釹、鐠等等)具有許多斯塔克次能級，任何波長處的增益是許多能級對貢獻(xiàn)的組合總和。使增益具有一定形狀的現(xiàn)有技術(shù)的以往的努力集中于通過利用含有稀土離子的玻璃基質(zhì)的影響改變躍遷概率σij。
在本發(fā)明中，我們認(rèn)識到，使具有高的躍遷概率σij的斯塔克次能級具有成比例的較低的粒子數(shù)，將在整個(gè)有限的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生基本恒定的增益系數(shù)。通過在合適的波長利用一或多個(gè)泵浦激光器有選擇地抽運(yùn)斯塔克次能級j(動(dòng)態(tài)地使稀土離子的基態(tài)能級或受激態(tài)能級的斯塔克簇內(nèi)的電子重新分布)實(shí)現(xiàn)次能級中粒子數(shù)P(j)的成形。在一個(gè)實(shí)施例中，采用兩個(gè)激光器經(jīng)由兩步驟過程在同一電子能級簇的斯塔克次能級之間轉(zhuǎn)移電子，該兩步驟過程稱為雙光子躍遷，首先使電子躍遷到上簇，然后使它們返回到起始簇中的不同的斯塔克次能級。在物理上，這種通過光抽運(yùn)的重新分布過程相當(dāng)于將簇中的電子的溫度提升到一個(gè)極高的溫度，使它們在斯塔克次能級中間更均等地分布。在第二個(gè)實(shí)施例中，來自上放大器簇中次能級的電子通過單個(gè)抽運(yùn)激光器的作用轉(zhuǎn)移到上能量簇，由此衰變?yōu)榛鶓B(tài)。
附圖簡述從以下結(jié)合附圖對說明書的詳細(xì)描述和所附的權(quán)利要求書將能更清楚地看到本發(fā)明的其它目的和特征，其中

圖1是一個(gè)示意圖，它表示稀土離子的光放大所包含的4個(gè)電子能級；圖2表示玻璃基質(zhì)中鉺離子的若干電子躍遷的貢獻(xiàn)的組合導(dǎo)致的非平坦增益的曲線圖3是一個(gè)示意圖，它表示應(yīng)用于本發(fā)明、在斯塔克次能級之間重新分布電子的雙重電子躍遷類型；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的攙鉺光纖中經(jīng)過平整的組合增益的曲線圖；圖5表示本發(fā)明的第一物理實(shí)施例的示意圖；圖6表示本發(fā)明一個(gè)不同的實(shí)施例的示意圖。
較佳實(shí)施例描述參見圖1，它表示一個(gè)示意圖，示出提供激光放大的原子中的4個(gè)能級。每個(gè)能級的垂直位置表示該能級的能量。每個(gè)能級包括稱之為斯塔克簇的多重次能級?；芗墭?biāo)為G，激光能級標(biāo)為L，抽運(yùn)能級標(biāo)為P，更高能級標(biāo)為U。連接起始能級和終止能級的彎曲箭頭，表示光產(chǎn)生的電子躍遷。虛線箭頭表示聲子引起或振動(dòng)引起的躍遷。每個(gè)能級中的次能級用諸如i或j的整數(shù)標(biāo)出。次能級j的能量為ej。電子由抽運(yùn)激光常規(guī)地從基態(tài)G抽運(yùn)到抽運(yùn)能級P，它們由那里衰變到上激光能級L并布居于所有次能級Li。Li次能級中電子的正常熱分布P(i,J)由下式給出p(i,j)=exp{-(ej-ei)/kT}/∑ijexp[-(ej-ei)/kT]其中，ei為第i能級相對于基能級的能量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。
將λ定義為波長，ω=2π/λ定義為光頻率，作為光頻率的函數(shù)每單位長度增益G(ω)由下式給出G(ω)=σeN2-σaN1(1)其中，N1和N2分別為基能級和上激光能級中的平均電子數(shù)，且σa=hv∑ijσijg(i,j)p(1,j)；(2)σc=hv∑ijσijg(i,j)p(i,2)；g(i,j)=exp{-(ej-ei-hω/2π)}
∑符號表示對能級指標(biāo)求和，并且求和對所有次能級對(i,j)進(jìn)行，其第i個(gè)能級來自基能級簇，而第j個(gè)能級來自受激能級簇。ν=ω/2π和σij為歸一化電子躍遷截面。
參見圖2，它表示波長范圍為1520至1560nm內(nèi)增益對波長的曲線，由抽運(yùn)激光抽運(yùn)玻璃基質(zhì)內(nèi)的鉺離子形成。這里，鉺用作可以用于放大系統(tǒng)的更普遍一類的攙雜離子的例子。圖2示出用1至4標(biāo)出的4條虛線曲線。曲線1至4的每條曲線都表示來自鉺離子中的特定一對能級的增益貢獻(xiàn)。實(shí)線曲線5為總的組合增益的曲線，它是所有4對次能級的貢獻(xiàn)的總和。曲線5表示上述等式(1)中的增益G(ω)?？梢姡撛鲆嬖?530nm波長區(qū)域?yàn)檩^高。
使等式2中的總和∑ijσijg(ij)p(1,j)與ω?zé)o關(guān)可在諸如1530至1560nm的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生基本為常數(shù)的增益。這是通過對函數(shù)p(ij)整形使之對所有次能級j基本上相同而實(shí)現(xiàn)的。對粒子數(shù)p(ij)的整形是通過利用一或多個(gè)抽運(yùn)激光器對斯塔克次能級作有選擇的抽運(yùn)而實(shí)現(xiàn)的。該激光器對稀土離子的基能級或受激能級的斯塔克簇內(nèi)的電子動(dòng)態(tài)地進(jìn)行再分布。
參見圖3，它表示借助于波長λ1的光子使電子從次能級Li移到上能級U，并借助于波長λ2的光子使電子返回到次能級Lj的過程。利用兩個(gè)光子而不是直接從Li躍遷到Lj的主要原因是通常難于找到進(jìn)行Li至Lj躍遷的所需的合適波長的抽運(yùn)激光器。對波長λ1和λ2有大量的選擇，使相應(yīng)能量差匹配能量差ei-ej，因此，可以容易地找到一對抽運(yùn)激光器實(shí)現(xiàn)所需的躍遷。
注意到中間電子能量無需對應(yīng)于實(shí)際能級U，使λ1和λ2的選擇范圍變得更寬。本領(lǐng)域眾所周知，盡管量子概率較低，具有虛擬中間態(tài)的雙光子過程物理上是允許的。當(dāng)中間電子能量接近實(shí)際能級U時(shí)，此雙光子躍遷的物理概率引人注目地增加了。這種非共振雙光子躍遷用以產(chǎn)生光和放大光，這在文獻(xiàn)中稱之為喇曼型放大器。
通過減少形成圖2中的曲線1的斯塔克次能級的粒子數(shù)，而達(dá)到圖4中的曲線1’，使總的增益曲線5修改為5’如圖4所示，圖中，整個(gè)波長范圍內(nèi)的增益變化大大減小。
現(xiàn)在參見圖5，它表示本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，其中，載帶信號的光經(jīng)由光纖12進(jìn)入放大器，并通過波長敏感組合器13與來自第一抽運(yùn)激光器10的光組合。進(jìn)一步，組合器13的輸出通過第二組合器14再與來自第二抽運(yùn)激光器11的光組合，全部3種光(信號光、第一抽運(yùn)光、第二抽運(yùn)光)的總和進(jìn)入攙雜增益光纖16。在光纖16的另一端，第三抽運(yùn)激光器22將波長λ2的光經(jīng)由第三組合器18送入攙雜光纖16。經(jīng)放大的信號經(jīng)由光纖20從放大器出射。第一抽運(yùn)激光器10將電子抽運(yùn)到抽運(yùn)能級P。波長λ1的第二抽運(yùn)激光器11使電子從次能級Li移到U，波長λ2的第三激光器22使電子從U轉(zhuǎn)移到Lj。所述的兩個(gè)步驟過程稱為雙光子躍遷。光纖耦合器24引出小部分輸出光到光纖26，后者將光引導(dǎo)到控制器28?？刂破?8包含必要的濾波器或光譜分析儀以評估輸出端的增益平坦度。這樣一種光譜分析儀在本發(fā)明人96年1月30日提交的題為“監(jiān)視光放大器的輸入和輸出的方法”的第08/593899號美國專利申請中作了描述，其作為參考資料結(jié)合于此?？刂破?8可以為抽運(yùn)激光器引入電流和溫度控制，這在第5594748號美國專利中已經(jīng)作了描述，該專利引用于此作為參考?？刂破?8分別經(jīng)由電線23和21連接到抽運(yùn)激光器10和11并控制激光器電流和溫度。溫度控制能精細(xì)調(diào)節(jié)有選擇地減少特定斯塔克次能級粒子數(shù)所需的抽運(yùn)波長。輸入組合器13的第四條支路(為了清楚起見，圖5中未圖示)可以用來監(jiān)視至放大器的輸入功率，并使控制器28相應(yīng)調(diào)節(jié)抽運(yùn)激光功率或波長。這里，把組合器及其相關(guān)的光纖的任何組合稱為光導(dǎo)器件。附加的抽運(yùn)激光器(例如抽運(yùn)激光器11和22)及其相關(guān)的光導(dǎo)器件稱為電子粒子數(shù)再分布系統(tǒng)。
下文中，每當(dāng)給出特定的原子實(shí)例時(shí)，總是采用用于原子能級的經(jīng)典光譜符號，其中，大寫字符諸如S、H、I表示原子能級的軌道角動(dòng)量，上標(biāo)表示其自旋角動(dòng)量，下標(biāo)表示其總的角動(dòng)量，如4I13/2。具有角動(dòng)量J的能級具有2J+1個(gè)斯塔克次能級并將稱為一個(gè)簇。
作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)例，利用980nm激光將玻璃光纖內(nèi)的鉺離子抽運(yùn)到4I11/2能級，由那里它們衰變?yōu)?I13/2上激光能級。波長為850nm的第二抽運(yùn)激光器用來將電子從位于基能級上方的能量6540cm-1處的4I13/2簇內(nèi)的最低次能級轉(zhuǎn)移到4S3/2簇。波長為855nm的第三激光器用以將電子從4S3/2轉(zhuǎn)移到6644cm-1處的4I13/2簇內(nèi)的第二能級。也可選擇波長為514nm,630nm,715nm,790nm,850nm,1140nm和1680nm的其它激光器，每個(gè)都從4I13/2引導(dǎo)到不同的上能級U。用于放大光纖中的其它稀土離子諸如釹和鐠需要選擇不同的抽運(yùn)激光波長。例如釹需要1060nm的主抽運(yùn)。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，電子通過單個(gè)抽運(yùn)激光器的作用從位于上放大器簇L中的次能級Li轉(zhuǎn)移到更高能量簇U，它們從那里衰變到基態(tài)。此導(dǎo)致減少次能級Li的粒子數(shù)，該次能級Li被選擇為具有高躍遷概率的次能級。在此情況下，僅有兩個(gè)抽運(yùn)激光器被采用，第一個(gè)抽運(yùn)激光器使上激光能級L的粒子數(shù)增加，第二個(gè)抽運(yùn)激光器有選擇地使具有高增益貢獻(xiàn)的次能級的粒子數(shù)減少。
參見圖6，它表示本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中，信號光經(jīng)由光纖32進(jìn)入放大器，并通過組合器36與來自第一抽運(yùn)激光器34的抽運(yùn)光組合。經(jīng)組合的光束進(jìn)一步通過第二組合器39與來自第二抽運(yùn)激光器38的光組合，并進(jìn)入放大光纖40。低損耗耦合器42出放大器的一小部分光輸出并將其送到控制器46內(nèi)的光譜分析儀60。在本發(fā)明人于96年1月30日提交的題為“監(jiān)視光放大器輸入和輸出的方法”的第08/593899號美國專利申請(在此結(jié)合為參考資料)中描述了這樣一種光譜分析儀?？刂破?6可以為第5,594,748號美國專利(在此結(jié)合為參考資料)中所述的抽運(yùn)激光器引入電流和溫度控制?？刂破?6分別通過電線50和48連接到抽運(yùn)激光器34和38，并控制激光器的電流和溫度。溫度控制能夠精細(xì)調(diào)節(jié)有選擇地減少特定斯塔克次能級粒子數(shù)所需的抽運(yùn)的波長。輸入耦合器(圖6中未圖示)也可以用來監(jiān)視至放大器的輸入功率，并使控制器能相應(yīng)地調(diào)節(jié)抽運(yùn)激光器。
可以采用多個(gè)抽運(yùn)激光器來控制上簇內(nèi)斯塔克次能級的粒子數(shù)，然而對抽運(yùn)激光器的良好選擇將使所需的抽運(yùn)激光器局限于1或2個(gè)。事實(shí)上，可以采用單個(gè)抽運(yùn)激光器來增加上激光能級L的粒子數(shù)，以及將電子轉(zhuǎn)移到更高能級。目的是發(fā)現(xiàn)匹配所需能級躍遷的激光波長。作為一個(gè)特例，在攙鉺二氧化硅玻璃光纖的情況下，可以采用波長為800至830nm范圍的激光器將電子從I16/2基態(tài)抽運(yùn)到I9/2抽運(yùn)能級，電子由那里自然地衰變到I13/2上激光能級。同一個(gè)820nm激光可以再激勵(lì)電子到更高能級S3/2。
在設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中可以預(yù)先設(shè)定實(shí)現(xiàn)平坦增益所需的功率設(shè)置和波長，這些參數(shù)可以存儲在控制器28或46的存儲器內(nèi)，控制裝置實(shí)現(xiàn)合適的操作。
盡管以上參照幾個(gè)特定實(shí)施例對本發(fā)明作了描述，但這種描述僅僅用以說明本發(fā)明而并非用于限制本發(fā)明。在不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的實(shí)際精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的熟練人員還可對此作出各種變更。例如，可能有抽運(yùn)激光器其它結(jié)構(gòu)，包括將抽運(yùn)激光器設(shè)置在攙雜光纖的輸入側(cè)，在攙雜光纖的輸出側(cè)或在兩個(gè)位置處。
權(quán)利要求
1．一種光放大器，其特征在于包括抽運(yùn)激光器；攙有有源增益元素的光放大媒質(zhì)，該有源增益元素具有電子基能級、下激光能級、上激光能級和多重較高電子能級；光導(dǎo)裝置，用于同時(shí)把來自抽運(yùn)激光器的光和輸入信號光引導(dǎo)入放大媒質(zhì)；電子粒子數(shù)重新分布系統(tǒng)，它包括至少一個(gè)附加的抽運(yùn)激光器，結(jié)構(gòu)成有選擇地通過至少一個(gè)雙光子喇曼躍遷將電子從有源增益元素的電子能級的一個(gè)斯塔克次能級轉(zhuǎn)移到第二斯塔克次能級，所述喇曼躍遷包括從一個(gè)斯塔克次能級至第二能級的第一躍遷以及從第二能級至第二斯塔克次能級的第二躍遷，第一能級不同于包括第一和第二斯塔克次能級的第二能級，以及至少一個(gè)附加的光導(dǎo)裝置，用以將光從附加的抽運(yùn)激光器引導(dǎo)至放大媒質(zhì)。
2．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，構(gòu)造電子重新分布系統(tǒng)以通過有選擇地調(diào)節(jié)有源增益元素的電子能級的至少一個(gè)斯塔克次能級的電子粒子數(shù)，在整個(gè)波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光放大器的增益曲線，該至少一個(gè)斯塔克次能級是從包含下激光能級和上激光能級的組中選出的。
3．如權(quán)利要求2所述的光放大器，其特征在于，構(gòu)造電子重新分布系統(tǒng)以平直光放大器的增益曲線。
4．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于，至少一個(gè)附加的抽運(yùn)激光器包括分別工作于第一和第二光波長的兩個(gè)抽運(yùn)激光器，這樣，第一與第二波長的光子能量之間的差值接近于一對斯塔克次能級之間的能量差。
5．如權(quán)利要求4所述的光放大器，其特征在于該對斯塔克次能級從有源增益元素的上激光能級的一組電子能級中選出。
6．如權(quán)利要求4所述的光放大器，其特征在于第一光波長從504至525nm,600至650nm,700至750nm,750至820nm,1110至1170nm,1650至1700nm的范圍之一中選出，第二光頻率對應(yīng)于從504至525nm,600至650nm,700至750nm,750至820nm,1110至1170nm,1650至1700nm的范圍之一中選出的波長。
7．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于至少一個(gè)附加的抽運(yùn)激光器包括工作于選出的波長的一個(gè)抽運(yùn)激光器，使電子從上激光能級中選出的斯塔克次能級躍遷到較高的能級。
8．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素為鉺氧化物，抽運(yùn)激光器波長為包括980nm和1480nm的組中的一個(gè)，附加的抽運(yùn)激光器波長從包括504至525nm,600至650nm,700至750nm,750至820nm,820至870nm,1110至1170nm,1650至1700nm范圍的組中選出。
9．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素從包括釹、鐠、鈥、銩和鐿氧化物的組中選出，抽運(yùn)激光器波長從包括490nm,520nm,550nm,910nm,1015nm和1060nm的組中選出。
10．如權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于電子粒子數(shù)重新分布系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制器，該控制器能夠監(jiān)視放大器輸入和輸出功率的至少一個(gè)，并調(diào)節(jié)抽運(yùn)激光器功率和波長，以達(dá)到所需的增益曲線。
11．如權(quán)利要求10所述的光放大器，其特征在于該控制器包括用以監(jiān)視光放大器輸出的光譜分析儀。
12．如權(quán)利要求10所述的光放大器，其特征在于該控制器包括用以監(jiān)視光放大器輸出的一組濾光器。
13．一種光放大器，其特征在于包括攙有有源增益元素的光放大媒質(zhì)，該有源增益元素具有電子基能級、下激光能級、上激光能級和多重較高電子能級；具有經(jīng)選擇的波長的抽運(yùn)激光器，以同時(shí)使電子從有源增益元素的基能級躍遷到較高能級之一，并使電子從上激光能級的選出的斯塔克次能級躍遷到更高能級；以及光導(dǎo)裝置，用于同時(shí)把來自抽運(yùn)激光器的光和輸入信號光引導(dǎo)到放大媒質(zhì)。
14．如權(quán)利要求13所述的放大器，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素為鉺氧化物，抽運(yùn)激光器波長為包括960至990nm,800至850nm,630至670nm。500至530nm一組范圍內(nèi)的一個(gè)范圍。
15．如權(quán)利要求14所述的放大器，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素從包括從包括釹、鐠、鈥、銩和鐿氧化物的組中選出，抽運(yùn)激光器波長從包括490nm,520nm,550nm,910nm,1015nm和1060nm的組中選出。
16．在包括抽運(yùn)激光器、光放大媒質(zhì)和光導(dǎo)器件的光放大器中，一種控制次能級電子粒子數(shù)的方法，所述光放大媒質(zhì)用具有電子基能級、下激光能級、上激光能級和多重較高電子能級的有源增益元素?cái)v雜，每個(gè)電子能級具有多重次能級，所述光導(dǎo)器件用于同時(shí)把來自抽運(yùn)激光器的光和輸入信號光引導(dǎo)到放大媒質(zhì)，其特征在于所述方法包括如下步驟通過至少一個(gè)雙光子喇曼躍遷實(shí)現(xiàn)能級之一的次能級之間的躍遷，所述雙光子喇曼躍遷包括從一個(gè)能級中的第一斯塔克次能級至第二能級的第一躍遷，以及從第二能級至第一能級中的第二斯塔克次能級的第二躍遷，該一個(gè)能級不同于第二能級。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過有選擇地控制有源增益元素的電子能級的至少一個(gè)斯塔克次能級的電子粒子數(shù)，在整個(gè)波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光放大器增益曲線的步驟，該至少一個(gè)斯塔克次能級從包括下激光能級和上激光能級的一組中選出。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于調(diào)節(jié)光放大器增益曲線的步驟包括使光放大器的增益曲線平直。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素為鉺氧化物，抽運(yùn)激光器波長為包括980nm和1480nm的組中的一個(gè)波長。
20．在包括抽運(yùn)激光器、光放大媒質(zhì)和光導(dǎo)器件的光放大器中，一種控制次能級粒子數(shù)的方法，所述光放大媒質(zhì)用具有電子基能級、下激光能級、上激光能級和多重較高電子能級的有源增益元素?cái)v雜，每個(gè)電子能級具有多重次能級，所述光導(dǎo)器件同時(shí)把來自抽運(yùn)激光器的光和輸入信號光引導(dǎo)到放大媒質(zhì)，其特征在于所述方法包括如下步驟通過單光子躍遷實(shí)現(xiàn)能級之一的次能級之間的躍遷，所述單光子躍遷從一個(gè)能級中的第一斯塔克次能級躍遷到第二能級，并從第二能級衰變到一個(gè)能級中的第二斯塔克次能級，該一個(gè)能級不同于第二能級。
21．如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過有選擇地控制有源增益元素的電子能級的至少一個(gè)斯塔克次能級的電子粒子數(shù)，在整個(gè)波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光放大器增益曲線的步驟，該至少一個(gè)斯塔克次能級從包括下激光能級和上激光能級的組中選出。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于調(diào)節(jié)光放大器增益曲線的步驟包括使光放大器的增益曲線平直。
23．如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素為鉺氧化物，抽運(yùn)激光器波長為包括980nm和1480nm的組中的一個(gè)波長。
24．如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于在次能級之間使單光子躍遷的步驟包括以選出的波長操作抽運(yùn)激光器，由此同時(shí)造成從有源增益元素的基能級到較高能級之一的電子躍遷，以及從選出的上激光能級的斯塔克次能級到更高的能級的電子躍遷。
25．如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于光放大媒質(zhì)為光纖，光纖中的有源增益元素為鉺氧化物，抽運(yùn)激光器波長為包括960至990nm,800至850nm,630至670nm,500至530nm的一組范圍中的一個(gè)范圍。
全文摘要
揭示了一種系統(tǒng)和方法,通過有選擇地控制光放大器的有源增益元素的電子能級的至少一個(gè)斯塔克次能級的電子粒子數(shù),調(diào)節(jié)包括抽運(yùn)激光器和有源增益元素的光放大器的增益曲線。通過動(dòng)態(tài)地控制選出的斯塔克次能級的電子粒子數(shù),可以使有源增益元素的增益曲線平直。在控制電子粒子數(shù)的第一種方法中,在有源增益元素的同一能量簇的一對斯塔克次能級之間引起雙光子躍遷。通過兩個(gè)附加的抽運(yùn)激光器激發(fā)雙光子躍遷,該抽運(yùn)激光器工作于這樣的波長,其差接近于被移動(dòng)的電子之間的成對斯塔克次能級中的能量差。在控制電子粒子數(shù)的第二種方法中,在有源增益元素的不同能量簇的一對斯塔克次能級之間引起單光子躍遷。通過附加的抽運(yùn)激光器激發(fā)單光子躍遷,該抽運(yùn)激光器工作于接近能級對之差的頻率差。另外,通過以選出的波長操作放大器的抽運(yùn)激光器激發(fā)單光子躍遷,以同時(shí)產(chǎn)生從有源增益元素的基能級到較高能級的電子躍遷,和從選出的上激光能級的斯塔克次能級到更高的能級的電子躍遷。
文檔編號H01S3/13GK1237281SQ98801191
公開日1999年12月1日 申請日期1998年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月20日
發(fā)明者薩利姆·N·賈布爾 申請人:迪泰克有限公司