采用闪烁光栅的光学放大器监控器的利记博彩app

专利名称：采用闪烁光栅的光学放大器监控器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种光学放大器，特别是涉及对光学放大器的泵功率的监控。
通过同时增加光学信号的传输数据率和距离，对光学放大器的改进大大增强了光学通信系统的应用。光学放大器用于增强沿光纤通信路径上衰减的光学信号。一种对于这种放大器的重大改进是开发出基于掺杂稀土元素的光纤的光学放大器。这些类型的放大器已经取代了光纤通信链路中笨重的电中继器，使真正的全光纤通信系统得以实现。传统的中继器需要复杂的电子线路将光转换为电信号，放大该信号，从放大的信号中恢复数据，并转换回光。比较而言，掺杂光纤的光放大器不中断光信号，只是给它增加能量。光学放大器系统中的元件相对简单。类似地，已提出使用光纤激光器来为光纤通信系统生成光学载体。这些类型的激光器可被外部调制或模锁定，而且在一些情况下可选用二极管激光器作为光纤通信系统中的高功率光源。
光纤放大器和激光器的工作原理相近，光纤的波导部分中的硅玻璃掺杂诸如铒、镱、钕或镨的稀土元素的微量离子。例如，如果激发状态的铒离子数的受激发射率超过自发发射和吸收率，那么铒离子的能量结构使得波长大约在1530-1565nm的信号光可在光纤被放大。在这种情况下，在增益带宽内进入光纤的光将产生净增益并以更大能量射出。如果设置一个装置用来使光纤中的这个放大信号再次循环，例如在光纤的端部放置适当的反射器，那么如果光的净增益等于某一光学带宽内的光损耗，则在光纤内产生激光作用。不管哪种情况，将铒离子激发到适当的激发状态对于产生增益是决定性的。这可通过利用例如980nm或1480nm的适当波长的光激发/泵发铒离子实现，可由耦合到光纤的波导部分的市售高功率二极管激光器极为方便地提供。在这些波长上泵发铒离子，将使铒离子能放大大约1535～1565nm波长范围内的信号光。这部分的横截面积相对较小有助于可确保高强长度，由此使得该信号波长具有相当大的增益。然而，本领域的技术人员知道，采用这种放大器或激光器产生的信号特性将在很大程度上取决于用于泵发光纤的二极管激光器本身的特性。


图1示意了用附图标记110表示的现有技术光学放大器的方框图。该方框图是对市售放大器，如Corning,N.Y公司出品的零件号为CL-10的光纤增益(FiberGainTM)模块的简化示意。放大器110包括一个掺杂有稀土元素离子的光纤112。在该优选实施例中，掺杂剂是铒。诸如钕的其它稀土元素离子业已用作光纤的掺杂剂，但铒仍是最常用和最好的。光纤112提供一个用于接收光输入信号LIN的输入端114，以及一个用于提供经放大的光输出信号LOUT1的输出端116。
放大器110还包括一个典型地为二极管激光器的光源装置118。二极管118通过将能量“泵”入光纤112以将功率耦合到放大器，因此它也可称为激光泵二极管。具体来说，二极管激光器118提供的光被光纤112中的铒离子吸收，将这些离子泵激到一个高能级当减弱的LIN信号进入光纤112时，受激的铒离子在称为受激发射的过程中将其能量传递给该信号。结果，光纤112提供经放大的光输出信号LOUT1。二极管激光器118的阳极提供一个用于接收放大控制电流IC的输入端120。为便于说明，所示的二极管激光器118的阴极接地。然而应理解的是，可利用其它可选结构来实现二极管激光器118的激发和去激。
放大器110还包括一个典型地为光电二极管的泵功率探测器122。功率探测器122离提供光源的二极管激光器118很近，因此，提供一个与泵二极管激光器118的光强LPLD直接成正比的电信号IINT1。在放大器110的输出端124可检测信号IINT1。市售的放大器中，由于功率探测器122与二极管激光器118之间的物理关系，它常被称为“背面探测器”。具体来说，二极管激光器118发出的一小部分光“向后”反射到该探测器，由此给该探测器取这个名字。在本技术领域中我们知道，光电二极管将光转换为电信号，即，IINT1，指示被探测光的强度。
虽然图1中的放大器110与中继器相比有很多优点，但试图提高包括设备稳定性的光学系统性能的开发工作一直在继续。例如，在本技术领域我们知道，需包括一个调节IC以使光输出信号LOUN1保持恒定的反馈电路。因此，当LIN的强度或波长改变时，改变IC以使LOUT1保持在恒定电平。当LIN降至低于某一电平或完全消失时，反馈系统将试图大大增加IC的幅度。然而，当超出一定的光输出功率电平时，二极管118将被损坏。因此，这种系统将包括一个IC的限流器，将该电流限制在不会产生光输出功率的破坏电平的值。随着二极管118的老化，其功效降低。产生的光输出电平低于给定的IC。这就降低了放大器性能而且缩短了其使用寿命。
因此，显然需要精密监控光学放大器的泵功率。
目前已经有包括光纤在内的各种已知光波导结构，在它们的波导的一个中间位置或不同的中间位置装有嵌入式光栅，用于从各自的光波导注入或射出光。例如，在1988年6月7日颁证给Aberson,Jr等人的美国专利NO.4,749,248，公开了一种用于从单模光纤分接射出或注入光的装置。Aberson,Jr.等人公开了通过至少在光纤的核芯上形成一个适当周期的光栅，可将光纤中的导模转变为隧道效应漏模，或相反，或者通过将其转变为漏模，将导模从核芯移入包层，以及最终全都从光纤，或通过将适当波长的光从光纤外部导向光栅以在光纤包层内传播，并通过光栅转变为核芯内的导模，将适当波长的光注入核芯以在其上形成一个导模。从核芯移出的导模可用于监控光学放大器的激光泵功率。即使这种装置在某些应用上可取得满意的结果，但仍然存在一个大的缺陷，即，这种方法导致大量光功率从光纤中流失。这至少部分归因于一个事实，由于光栅垂直于核芯的纵向轴施加，导模向漏模的转换在光纤轴附近都均匀分布，这样当利用这种方法从光纤分接出光时，很大比例的漏模没有被传感装置捕获。
本发明的目的是提供一种具有嵌入式闪烁光栅光波导的光学放大器监控器。
本发明的另一目的是提供一种用于高精度测量光学放大器中的激光泵功率的装置。
监控激光泵功率的传统技术解决方案是使用激光泵的背面来监控其功率。然而，背面的稳定性和老化问题使得利用这种方法难于或根本不可能高精度测量泵功率。泵激光器经常采用光纤布拉格光栅来稳定其波长。然而，如果使用闪烁光栅，则泵功率从光栅流出耦合到探测器并被监控。本发明的方法使元件最少，而且能实现对光纤耦合功率的直接监控。另外，可以类似方法采用从WDM耦合出光来监控泵功率。
根据本发明，提供一种具有监控器分接头的反馈、前馈光学电路，该电路包括一个在激光波长λL有一反射带的布拉格光栅，用于将入射其上的不大于10％的光向后反射以提供反馈，所述布拉格光栅设置在有核芯和包层的光纤内，而且其中所述布拉格光栅有一个反射光谱，该光谱有一个或多个邻近该波长反射频带的旁瓣，用于反射波长对应不同于激光波长λL的一个或多个旁瓣的光，所述布拉格光栅还有一个相对于光纤的光轴的光栅最强光区，该光栅有一个闪烁角将入射到其上不足5％的光从光纤透过包层射出，所述光的波长对应波长λL，而且光栅的传输光谱使得入射到其上的至少85％的光通过光栅传播，而不在波长λL反射回来；以及包括一个探测器，用于接收和探测从包层透射出的光。
根据本发明，还提供一个具有监控器分接头的反馈、前馈光学电路，该电路包括(a)一个用于提供激光波长为λL的光的泵激光器；(b)一个设置在光纤的核芯内用于从泵激光器接收激光波长λL的闪烁光纤布拉格光栅，所述闪烁光纤布拉格光栅在激光波长λL处有一个反射带，用于将入射到其上不大于10％的光向后反射以提供反馈，所述闪烁光纤布拉格光栅有一个反射光谱，该光谱有一个或多个邻近该反射带的旁瓣，所述旁瓣有用于反射波长对应一个或多个旁瓣的光，而且其中所述旁瓣的波长不同于激光波长λL，所述闪烁光纤布拉格光栅的传输光谱使得入射到其上的至少85％的光通过光栅传播，而不在波长λL反射回来，而且所述闪烁光纤布拉格光栅还有一个相对于光纤的光轴的光栅最强光区，该闪烁光纤布拉格光栅的闪烁角使得它能将入射到其上的不足5％的光从光纤透过包层射出，所述从光纤射出的光波长对应波长λL；(c)一个探测器，用于接收和探测从闪烁光纤布拉格光栅透过光纤包层射出的光，其中所述探测器用于提供一个控制信号；以及(d)一个控制电路，用于接收来自探测器的控制信号，并为泵激光器提供控制信号用于监控泵激光器的功率电平。
现在根据附图描述本发明的示例性实施例，其中图1示意了现有技术光学放大器的方框图；图2示意了现有技术光波导的局部剖面图；图3表示另一现有技术光波导的局部剖面图；图4示出了根据本发明一个实施例的光学放大器监控器分接头的原理图；图5示出了根据本发明另一个实施例的光学放大器监控器分接头的原理图；图6示出了通过闪烁光纤布拉格光栅的光信号的典型的探测器响应；图7(a)和7(b)示出了通过根据本发明的闪烁光纤布拉格光栅的光信号有旁瓣的探测器响应；图8示出了已通过根据本发明一个实施例的闪烁光纤布拉格光栅的光信号的探测器响应，其中旁瓣与主信号相邻。
转到图2，图2所示意的现有技术光波导的局部剖面图在美国专利NO.4,725,110中Glenn等人已经阐明。光波导200的核芯220优选为掺杂锗的硅或玻璃丝。核芯220包含布拉格反射光栅210。通过将核芯透过包层暴露在两个相关紫外光束的干涉图形的照射下，这两个光束以相对于光纤轴彼此成180°互补的两个角度射入光纤，周期性光栅210或折射率扰动被永久地施加到核芯。这导致出现光栅垂直光纤轴230放置的情况，以便它反射射入核芯220的光以在传播方向在其上被引导传播，只有在极窄范围内有一段波长，沿光纤轴230朝着与原传播方向相反的方向返回，以便这种反射光在核芯220内被引导回原始光射入核芯220的点。另一方面，光栅210对于前面提到的窄波带以外波长的光是透射的，这样它就不影响这种其它光的进一步传播。可以看到这个方法也有其缺陷，即，它不适合于从光纤各自端部以外的任何其它位置射出或射入大量光。
图3示意了Meltz和Glenn在美国专利NO.5,042,897公开的另一现有技术光波导300的局部剖面图。所示的波导300形成一段光纤，在此只描绘了其相对较短的一个纵向部分，而且它包括核芯360和围绕核芯360的光纤包层320。核芯360结合了光栅区340，该光栅区340包括大量光栅元件310，每个光栅元件310都沿与核芯360的纵向轴330基本上成同一倾斜角α350延伸。光栅元件310在光纤300纵向彼此之间间距a370排列。
发明人均为Meltz等人的名称为“嵌入式光波导光改向布拉格光栅装置”的美国专利5,042,897和名称为“嵌入式光学波导光改向和聚焦布拉格光栅装置”的美国专利5,061,032，均包括含有光波导的光波导光改向装置，如图3所示，它有一个固体部分沿纵向轴330的第一路径引导光，在远离该固体部分的端部位置嵌入至少一个光栅区340。光栅区340包括大量纵向间距a370以及与纵向轴330成倾斜角α350延伸的光栅元件310，以使到达第一路径和沿波导300外部延伸的至少一个第二路径之间的光栅元件310的光，以及位于从波导300预定距离的焦点和光栅区之间发散的光改向。当光在第一或第二路径导向光栅区340时，它被光栅元件310分别改向至第二和第一路径中的另外一个相应路径，同时在光波长在围绕中心波长范围内的另一个路径上同相组合。通过将波导300暴露在两个紫外辐射光束的干涉图形下，光栅元件310可在波导300内形成，这两个紫外辐射光束相对于光栅区340的中心处与波导轴330成倾斜角α延伸的平面对称。
在这些专利中提供的技术解决方案涉及与波导区(如核芯)的纵向轴成一个倾斜角写入光栅元件，这样由此形成的闪烁光栅改向在波导区纵向延伸的第一路径，以及在光栅与波导外部之间以依赖于轴向波数或如此改向的光波长的方向延伸的至少第二路径之间的光。所示的第二路径有一个在波导的纵向方考虑的尺寸，该尺寸基本上对应光栅的相关尺寸，而且在第二路径上有一个外部透镜，根据光栅是用作从波导中分接出光还是向波导中注入光，该外部透镜用于聚焦从光纤射出的光或校准由外部光源向光栅射入的光。
并列式(in-line)光纤光栅已经很普遍地用于制造光通信组件，短周期反射光栅和长周期传输光栅很有用，并被广泛用作光纤。曾特意使用长周期并列式光栅用于将光耦合到光纤的包层中，而短周期布拉格光栅在多路复用器和弥散补偿电路中通常用作反射光纤。例如以Ip名义申请的名称为“色散补偿装置”、并转让给JDS Fitel公司的美国专利NO.5,557,468，公开了反射布拉格光栅在弥散补偿器中的应用。以Ip名义申请的名为“采用光纤布拉格光栅的多波长滤波装置”、并转让给JDS Fitel公司的美国专利NO.5,608,825，公开了反射布拉格光栅在多路复用器中的应用。以Duck等人名义申请的名为“用于双向传输的波长相关转接器系统”、并转让给JDS Fitel公司的美国专利NO.5,748,363，公开了布拉格光纤衍射光栅和单独掺杂铒的光学放大器(EDFA)实现至少两波长双向-单光纤-光学放大器模块。在上面提到的‘468,‘825和‘363专利中，布拉格光栅设计成在布拉格反射波长内尽可能接近100％的反射率。
根据本发明的一个实施例，采用并列式光纤布拉格光栅，允许大部分信号通过闪烁光栅传输，而且小百分比的信号流到监控器分接头。例如，根据本发明的一个优选的实施例，闪烁光栅允许约97％传输，2-4％反射回进入激光器光腔，以及约1％或更少的信号强度分给监控器。
图4提供了根据本发明一个实施例的光学放大器监控器分接头的原理图。采周散射光430来监视光学放大器400中的泵功率。泵激光器410发出光信号415。光信号415通过闪烁光纤布拉格光栅420，该光栅使得一小百分比的信号415反射回到泵激光器，更小百分比的光信号415，即1％或更小，被送至光电探测器440。光电探测器440向控制电路450发送信号445。控制电路450又向泵激光器发送信号460用于控制激光泵功率。在现有技术中，泵激光器410的背面用于监视激光泵功率。正如上面提到的，背面的稳定性和老化问题对激光泵功率的高精度测量带来困难。泵激光器常使用光纤布拉格光栅来稳定波长。然而，如果采用闪烁光栅，一些信号能耦合出光栅进入到监控信号的探测器。
或者，以类似方法采用从WDM耦合出的光来监控激光泵功率。这在图5中示意，图5示出了根据本发明另一个实施例的光学放大器监控器分接头的原理，光学装置500提供了到WDM 530的信号输入520。泵激光器510向WDM 530发送激光以放大输入信号520。信号540提供一个放大的输出信号。闪烁光纤布拉格光栅设置在WDM 530内，以提供数射光550作为分路到光电探测器560的光．光电探测器560向控制电路580发出控制信号570，控制电路580又向泵激光器510提供反馈信号590。反馈信号590用于调节激光泵的功率。
根据本发明的一个实施例，闪烁光纤布拉格光栅设置在光纤的核芯内。核芯被包层包覆。核芯结合了一个光栅区，该光栅区包括多个光栅元件，每个光栅元件与核芯的纵轴基本上成相同倾斜角α伸展。光栅元件沿核芯的纵轴方向等间距排列，这与包含图3中描绘的闪烁光纤布拉格光栅的现有技术光纤类似。当光栅元件按此方法排列时，相邻光栅元件以相同周期性间距贯穿整个光栅区，但不包括光栅区两端纵向相连的核芯区域。这样，被导出或射入核芯的光，仅在光栅区而不是在光纤的别处被分别改向出或射入光纤，由此避免不必要和极不想要的光功率损失。虽然由于光栅元件的出现使得折射率改变，通过核芯传播或射入核芯的光中仅一小部分在每个光栅元件处改向，接下来的是，或通过其包层离开光纤，或射入核芯，用于在其内纵向传播，光栅元件的积累效应为，波长在极窄范围的光被大量改向。
此外，在任意一个光栅元件这样改向出光纤的窄范围内的光，与在任何其它光栅元件改向的光之间成这样的相位关系，使得由此形成的积累改向光束有基本平坦的波前，以便基本上没有这种逃逸改向光束丢失而产生破坏性干扰成衍射。另外，这种逃逸改向光束在光纤外沿由前面提到的倾斜角α确定的单个方向传播，虽然沿圆周方向扇面射出，而不是沿光纤周围射出；这便于捕获这种逃逸光以及增加实际捕获这种光的比例。
这种波长选择性、全向改向效应，使得在分路光在远离光纤任意一个端部的光栅区位置从光纤逃逸后，能很容易捕获窄波长带内的分接改向光。这样，含有本发明倾斜光栅元件14的光栅区，构成了光纤内的一个波长选择分接头。
图6示出了光信号通过闪烁光纤布拉格光栅时的典型的探测器响应。选择闪烁光栅以便探测器响应表示被监控的泵激光器的波长。光信号在通过闪烁光栅时产生偏振。闪烁光栅的应用已在发明人均为Strasser和Wagener的美国专利NO.5,850,302、美国专利NO.5,832,156和美国专利NO.6,002,822中公开,这些专利公开了包括光学波导分接头的产品。Strasser等人公开的闪烁角典型地约小于15度，而且闪烁角的选择依据允许的偏振依赖性和想要的模式耦合效率。闪烁角越大，越具有偏振依赖性，这就是光栅的特性。例如，8度的闪烁角表示在耦合功率中的偏振灵敏度小于0.35dB。另一方面，对于给定的折射率变化，耦合效率随闪烁角的增大而减小。
然而，当从激光泵发出的光信号通过闪烁光纤布拉格光栅传播时，信号产生漂移，例如，假设监控波长为980nm，在通过闪烁布拉格光栅后将不再能探测到。根据本发明的一个实施例，这种情况可通过提供一个折射率有明显变化以产生具有旁瓣的探测器响应的闪烁光栅来弥补。这种探测器响应的例子在图7(a)和7(b)中示意。通常，旁瓣由变迹法确定。例如，一个纯理论的高斯变迹法可去掉波瓣。如果不采用变迹法，将产生很多波瓣。然而，采用高斯变迹法和不采用变迹法产生的变迹程度的不同如图7(a)和7(b)所示。如果希望的话，通过在光栅中产生缝合误差可增强旁瓣。缝合误差是光栅内有一系列相位漂移的光栅周期的不规则变化。这些相位漂移典型地为每一个50或100μm。
比较图7(a)和7(b)，很明显图7(b)中探测器响应曲线从图7(a)所示的探测器响应曲线向右漂移。方便地通过变迹法其中一个旁瓣移入探测器窗口作为在此讨论的例子监控980nm波长的激光泵。这样，例如激光泵产生的信号中分路的一小部分，例如，约1％，被光电探测器接收。
图8示意了根据本发明的另一个实施例，旁瓣810和820与主信号800在980nm处相邻。闪烁光栅的折射率变化如上所述确定。
根据本发明的另一实施例，为避免光信号在通过闪烁光栅后的强变迹相关性，闪烁角保持在4到10度之间。此外，耦合效率随闪烁角的增大而降低。
上述的本发明实施例只是本发明的示例，在不脱离本发明范围和精神的情况下可对本发明的特定实施例作出许多修改、变化和改动，这些都将落入权利要求书的范围。
权利要求
1．一种具有监控器分接头的反馈、前馈光学电路，包括一个布拉格光要栅，它在激光波长λL有一个反射带，用于将入射其上的不大于10％的光向后反射以提供反馈，所述布拉格光栅设置在具有核芯和包层的光纤内，而且其中所述布拉格光栅有一个反射光谱，该光谱具有一个或多个旁瓣邻近该波长反射带，用于反射波长对应于不同于激光波长λL的一个或多个旁瓣的光，所述布拉格光栅还具有一个相对于光纤光轴的光栅最强光区，该光栅具有一个闪烁角，将入射到其上不足5％的光透过包层射出光纤，所述光具有一个波长对应于波长λL，而且该光栅具有一个传输光谱，以便入射到其上至少85％的光通过该光栅传播，而不在波长λL向后反射，以及一个探测器，用于接收和探测从包层透射出的光，用于提供一个控制信号。
2．根据权利要求1的反馈、前馈光学电路，还包括一个提供具有激光波长λL的激光的泵激光器。
3．根据权利要求2的反馈、前馈光学电路，还包括一个控制电路，用于从探测器接收控制信号，并向泵激光器提供控制信号，用于对泵激光器的功率电平进行监控和调节中的至少一种功能。
4．根据权利要求1的反馈、前馈光学电路，其中通过变迹法获得一个或多个旁瓣。
5．根据权利要求4的反馈、前馈光学电路，其中一个或多个旁瓣邻近波长λL。
6．根据权利要求4的反馈、前馈光学电路，其中通过在布拉格光栅中产生缝合误差而增强旁瓣。
7．根据权利要求1的反馈、前馈光学电路，其中闪烁角大于3°。
8．根据权利要求7的反馈、前馈光学电路，其中闪烁角大于15°。
9．根据权利要求8的反馈、前馈光学电路，其中闪烁角实际上为6°。
10．根据权利要求8的反馈、前馈光学电路，其中闪烁角大于等于4°并小于等于11°。
全文摘要
监控泵激光器功率的传统解决办法是使用激光泵的背面来监控其功率。然而,背面的稳定性和老化问题使得利用该方法很难或甚至不可能高精度测量泵功率。泵激光器常采用光纤布拉格光栅来稳定其波长。然而,如果采用并列式光纤布拉格光栅,则泵功率将从光栅耦合到探测器并被监控。本发明的方法可使元件最少,并提供对光纤耦合功率的直接监控。或者,可以类似方法采用从WDM耦合出光来监控泵功率。
文档编号H01S5/14GK1312623SQ0111723
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月1日 优先权日2000年2月1日
发明者詹妮弗·阿斯白尔, 唐纳德·R.·齐默尔曼 申请人:Jds尤尼费斯公司