光纤放大器增益的平坦化制造技术

光放大器具有一个基本平坦并在一个宽范围上独立于泵浦功率、输入信号功率以及输入信号数目的增益分布。该放大器通过在增益介质的至少一个吸收尾部的至少一个波长上泵浦该增益介质而利用一个有该增益介质的光谐振腔。该增益介质的增益展宽表现为非均匀的。该谐振腔是一个优选地包括一个掺铒光纤的环形谐振腔。共掺质可以添加到光纤中以提高非均匀展宽效果。一种增益平坦化方法将一种泵浦信号引入增益介质。该泵浦信号有一个在增益介质吸收分布的尾部的波长。多个不同波长的光信号被引入增益介质。增益介质中的受激发射将增益介质的增益钳位。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
专利
本专利技术一般地涉及光放大器，更具体地涉及一种放大不同波长光信号的装置和方法，以使光信号经历基本上相等的增益。相关领域描述目前商用的掺铒光纤放大器(EDFA)普遍在一个大的光带宽(在基于二氧化硅的光纤中达到约50纳米)上有增益。在这个带宽上，增益可能强烈地依赖于输入信号的波长。尽管如此，对很多应用，特别是长距离光纤通信，非常需要获得不依赖于波长的增益。为了利用光纤巨大的带宽，在EDFA增益带宽内的不同波长的信号在相同的光纤总线(bus)中同时被传送。如果这些信号经历不同的增益，那么它们将在总线的输出端有不同的功率。当信号穿过每个连续的EDFA时，这种不平衡变得更为严重，并且对很长距离而言可能变得更加显著。例如，在越洋的包括有许多EDFA的总线输出端，在每个EDFA中都经历较低增益的信号可能比经历较高增益的信号的功率低几十分贝。对数字系统，信号功率水平的差异必须不超过7分贝，否则较低功率的信号将会噪音太大以至于不能使用。使EDFA的增益平坦化能减小这种问题，并生产出能支持相当大的光带宽从而有一个较高数据速率的放大器。因为工程界对EDFA的需求极大，所以开发在保持高功率性能的同时使放大器增益平坦化的方法已经而且继续很重要。过去几年已经开发了几种方法用来制造在尽可能宽的光谱区上具有平坦增益的EDFA。第一种方法是调节光纤(铒浓度、系数分布、性质以及芯体共掺质的浓度)和泵浦(功率和波长)二者的参数。这种方法能产生相对平坦的(±1-2分贝)增益，但是仅仅在具有10纳米量级光谱宽度的光谱区上，这对大多数应用太有限。另一种方法是用两个连接起来的光纤放大器的组合来代替每个EDFA，其中两个放大器有各自不同的依赖于信号波长的增益。这些依赖性被设计成相互补偿并产生一个具有在一个宽光谱区上几乎不依赖于波长的增益的光纤放大器组合。(例如，参见M.Yamada，M.Shimizu，Y.Ohishi，M.Horigushi，S.Sudo and A.shimizu，“Flatterning theGain Spectrum of an Erbium-Doped Fibre Amplifier by Connectingan Er3+-Doped SiO2-Al2O3Fibre and an Er3+-doped MulticomponentFibre，”(通过结合掺Er3+SiO2-Al2O3光纤和掺Er3+多元光纤使掺铒光纤放大器的增益光谱平坦化)Electron.Lett.，Vol.30，no.21，pp.1762-1765，October 1994.)这已经通过使用具有不同基质(如氟化物和二氧化硅光纤)和与一个拉曼(Raman)光纤放大器组合的EDFA的光纤实现。第三种增益均衡方法是在掺铒光纤的信号输出末端添加一个滤波器，其中滤波器在显示较高增益的那些光谱段引入损耗。这种方法已被利用标准刻痕光纤光栅制成的滤波器所证明。(例如，参见R.Kashyap等，“Wideband Gain Flattened Erbium Fibre amplifier Using aPhotosensitive Fibre Blazed Grating，”(使用光敏光纤刻痕光栅的宽带增益平坦化铒光纤放大器)Electron.Lett.，vol.29，pp.154-156，1993)这种方法也已经被利用长周期光纤光栅制成的滤波器所证明。(例如，参见A.M.Vengsarkar等，“Long-PeriodFiber-Grating-based Gain Equalizers，”(长周期光纤光栅为基础的增益均衡器)Opt.Lett.，vol.21，pp.336-38，March 1996.)第四种方法是增益钳位。用这种方法，EDFA被放置在迫使它发出激光的光谐振腔中。对一个给定的激光波长，不考虑泵浦功率，在超过阈值的激光腔中往返增益等于往返损耗。(例如，参见Y.Zhao，J.Bryce，And R.Minasian，“Gain Clamped Erbium-doped FiberAmplifiers-Modeling and Experiment，”(增益钳位掺铒光纤放大器-建模与实验)IEEE J.of Selected topics in Quant.Electron.，vol.3，no.4，pp，1008-1011，August 1997.)在Zhao等的增益钳位实验中，谐振腔是由两个光纤光栅制成的，该光栅只在特定波长λ0周围一个很窄带宽上展示高的反射率(而对掺铒光纤的增益光谱区内的其它波长几乎没有反射率)，因此激光发光只在此波长λ0处发生。λ0的选择极大地影响EDFA增益的光谱形状。通过选择合适的激光波长λ0(在他们的实验中为1508纳米)，增益光谱在一个相当宽的区域上可能相对平坦。此外，对任何超过阈值的泵浦功率，在λ0的增益被钳位于在此波长的腔损耗值。如果增益被均匀展宽，则在其它波长的增益也保持不依赖于泵浦功率(假设泵浦功率超过阈值)。另一种使增益钳位的EDFA的增益平坦化的方法是依靠激光离子的非均匀展宽。虽然此处参考的是“激光离子”，但是此讨论可用于任何通过受激发射来产生激光的粒子，例如离子、原子和分子。在纯粹均匀展宽的激光介质中，所有离子都显示出相同的吸收和发射光谱。当这样一种物质被泵浦到激光阈值之下时，在整个激光增益光谱的所有频率上，往返增益比激光谐振腔的往返损耗要低，如附图说明图1A中所示，为不失一般性，这里假定往返损耗在整个光谱区是不依赖于频率的。当刚好泵浦到阈值上时，它在满足条件增益＝损耗的波长λ1处开始振荡(见图1B)。随着泵浦功率(图1C)进一步增加，条件增益＝损耗在λ1处继续得到满足，即在λ1处增益维持不变。这能够从下面的物理观点理解。当泵浦功率增加时，粒子数反转增加，就产生更强烈的发射。在通过光纤循环时，这个较大的激光信号通过受激发射来衰减粒子数反转刚好足够使增益与损耗保持相等。此外，因为展宽是均匀的，所有离子对在λ1的增益的贡献相同，因此增益光谱没有改变。作为必然结果，激光波长(λ1)和激光线宽也保持相同(见图1C)，即它们不依赖于泵浦功率。这是早些时候提到的增益稳定方法的基础。另一方面，在强烈非均匀展宽的激光介质中，并非所有粒子显示相同的吸收和发射光谱。这种表现的一个原因是激光离子驻留的所有物理位置并不都是相同的。例如，在掺铝、基于二氧化硅的基质的情况中，激光离子可以邻近硅离子、氧离子、或铝离子驻留。处于同样位置的激光离子(如邻近硅离子的所有激光离子)将显示相同的吸收和发射光谱，即它们相互之间有均匀的表现。另一方面，驻留在不同位置的激光离子，如一个邻近硅离子驻留而另一个激光离子邻近铝离子驻留，将展示不同的吸收和发射光谱，即它们相互之间有非均匀的表现。在非均匀展宽的情况中，激光介质因此被看成是激光离子子集的聚集。在一个给定的子集中的离子有均匀表现，而在不同子集中的诸离子具有非均匀表现。当非均匀展宽的物质被泵浦到激光阈值之下时，假设往返损耗在整个增益光谱区不依赖于频率，则在整个激光增益光谱的所有频率上，往返增益比激光谐振腔往返损耗要低，如图2A所示。当此物质刚好泵浦到阈值之上时，它将首先在满足条本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光放大器，包括：一个光谐振腔，其用于产生钳位增益，所述谐振腔包括具有吸收分布和增益分布的增益介质，其中增益分布至少部分表现非均匀展宽特征；以及一个光泵浦源，其用于在所述增益介质的吸收跃迁的尾部的至少一个波长上泵浦所述增益介质，以 利用非均匀展宽来使增益平坦化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MJF迪贡尼特，S萨文，
申请(专利权)人：莱兰斯坦福初级大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[]