掺铋光纤放大器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月13日由DiGiovanni提交的标题“Bismuth Doped FiberAmplifier to Extend O-Band”的美国临时专利申请序列号62/730,766的权益，并通过引用将其在此并入。

技术领域

本发明一般涉及光学器件，更具体地，涉及光纤放大器。

背景技术

光纤通信系统中的O波段(指原始波段)在从约1260纳米(～1260纳米)到～1360纳米的波长(λ)范围之间工作。在O波段中工作的一个优点是发射器波长位于零色散波长(λ0)附近。因此，通常既不需要光学色散补偿也不需要电子色散补偿。由于这些和其它优点，正在努力改进在O波段中工作的光纤系统和处理。

发明内容

本公开提供了采用掺铋(Bi)光纤的光学系统。该系统的一个实施例包括掺Bi光纤(或掺Bi纤维(BiDF))，其包括增益波段和辅助波段。增益波段具有第一中心波长(λ1)和第一六分贝(6dB)增益带宽。辅助波段具有第二中心波长(λ2)。该系统还包括光学地耦合到BiDF的信号源。信号源将在增益波段内的光信号提供给BiDF。此外，泵浦源光学地耦合到BiDF。泵浦源向BiDF提供泵浦波长(λ3)的泵浦光。对于一些实施例，多个泵浦源向BiDF提供多个波长的泵浦光。

在研究了以下附图和详细描述之后，其它的系统、设备、方法、特征和优点对本领域技术人员而言将是或将变得显而易见。所有这些附加的系统、方法、特征和优点都旨在被包括在本说明书中，在本公开的范围内，并且由所附权利要求保护。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地示出本公开的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记在多个附图中表示相应的部分。

图1A是示出包括掺铋(Bi)光纤(或掺Bi增益光纤或截短的掺Bi光纤(BiDF))的系统的一个实施例的示意图。

图1B是示出图1A的系统中的放大自发辐射(ASE)的曲线图，针对具有约1155纳米(～1155nm)、～1175nm、～1195nm、～1215nm以及～1235nm的中心波长(λ)的泵浦激光器。

图1C是示出对于图1A的系统，增益(G)、增益峰值(单位为微米(μm))和功率转换效率(PCE)对泵浦λ的依赖性的曲线图。

图1D是示出对于～1195nm的泵浦λ，图1A的系统的输入和输出光谱的曲线图。

图1E是示出对于～1235nm的泵浦λ，图1A的系统的输入和输出光谱的曲线图。

图2A是示出对于反向泵浦的掺Bi光纤放大器(BiDFA)系统的一个实施例，在～500毫瓦(mW)泵浦功率下的G和噪声系数的曲线图。

图2B是示出对于用于获得图2A的曲线图的反向泵浦BiDFA系统，在～750mW的泵浦功率下的G和噪声系数的曲线图。

图3A是示出BiDFA系统的一个实施例的光谱的曲线图，具有代表发射器输出、在40公里(km)传输后的BiDF输入和放大器输出的光谱。

图3B是示出对于获得图3A的曲线图的BiDFA系统，40km链路的G.652传输光纤和可变光衰减器(VOA)与背靠背性能相比的平均误码率(BER)随着信号功率变化的曲线图。

图3C是示出图3A的BiDFA系统中不同波长信道的BER的表格。

图3D是示出对于图3A的BiDFA系统，BER劣化随光信噪比(OSNR)变化的曲线图。

图3E是示出使用图3A的BiDFA系统的各种传输距离的BER的曲线图。

图4A是示出其中用另一BiDFA预放大信号的BiDFA系统的另一实施例的光谱的曲线图，该光谱表示发射器输出、BiDF输入和放大器输出。

图4B是示出使用图4A的BiDFA系统的各种传输距离的BER的曲线图。

图4C是示出图4A的BiDFA系统中针对不同波长信道的BER的表格。

图5是示出具有级联放大级的BiDFA系统的一个实施例的示意图。

图6是示出具有附加光源的BiDFA的一个实施例的示意图。

图7是示出图6的BiDFA的光损耗的改善的曲线图。

具体实施方式

最近，通过使用例如由约26.6千兆波特每秒(～26.6Gbaud/s)的四级脉冲强度调制(PAM-4)信号调制的八(8)个局域网(LAN)波分复用(WDM)信道，总的O波段应答器速率被增加到425千兆比特每秒(Gb/s)。LAN WDM和复杂调制格式的使用降低了在接收器处可用的每信道功率和接收器灵敏度，从而使得期望进行光放大。尽管半导体光放大器可用于提升O波段信号，但是半导体光放大器引入由于自增益调制和交叉增益调制而引起的失真。因此，半导体光放大器不适于复杂强度调制格式(例如PAM-4)的WDM传输。

在一些O-波段应用中，使用具有在约1280纳米(～1280nm)与～1320nm之间的增益带宽的掺镨光纤放大器(PrDFA)。然而，PrDFA需要非硅石基质玻璃，从而使得PrDFA既昂贵又复杂。

为了解决这些缺点，本公开教导了一种硅石基质的掺铋(Bi)光纤放大器(BiDFA)，其允许扩展O波段传输范围和O波段传输容量。本发明公开的硅石基质BiDFA具有大于～60nm的六分贝(6dB)增益带宽。增益波段的中心依赖于泵浦波长，并且可以灵活地居中在～1305nm与～1325nm之间。BiDFA使用基本上不含铒(Er)的光纤，同时表现出与掺Er光纤放大器(ErDFA)系统相当的参数。所公开的实施例能够将400GBASE-LR-8传输距离扩展到超过符合ITU-TG.652工业标准的光纤的大约四十公里(～40km)。

在提供了对技术问题的概括技术解决方案之后，现在详细参考如附图中所示的实施例的描述。虽然结合这些附图描述了若干实施例，但是不旨在将本公开限制于这里公开的一个或多个实施例。相反，意图是覆盖所有的替代例、修改例和等同例。

图1A是显示包括掺铋(Bi)光纤(或掺Bi纤维(BiDF))的系统的一个实施例的图。具体地，图1A示出了光放大器系统，其具有信号输入端105、耦合到信号输入端105的第一光隔离器110以及光学地耦合到第一光隔离器110的BiDF 115。BiDF 115光学地耦合到宽波段三分贝(3dB)耦合器120，其允许通过反向泵浦光源125引入泵浦光。应该理解，BiDF 115也可以用同向泵浦方案或同向泵浦和反向泵浦方案的组合来进行泵浦。在同向泵浦和反向泵浦方案在本领域中已知的情况下，在此省略同向泵浦和反向泵浦方案的进一步讨论。输出传输光纤130把来自3dB耦合器120的信号传送到第二光隔离器135，然后传送到信号输出端140。

在图1A的实施例中，BiDF 115包括磷硅酸盐玻璃的掺杂Bi的纤芯，其具有小于约0.01摩尔百分比(＜0.01mol％)的Bi浓度。如本领域所公知的，例如改进的化学气相沉积(MCVD)的制造工艺或使用玻璃管来形成预制件的包层，同时从气相沉积纤芯的成分(例如硅(Si)、磷(P)和Bi的化合物)。

本领域已知的其它制造方法可以产生BiDF 115。

当制造时，BiDF 115具有约七微米(～7μm)的纤芯直径，在纤芯和包层之间的约6e-3(～0.006)的折射率差以及～1100nm的截止波长。～7μm的纤芯直径允许与其它的硅石基质光纤的良好接合匹配。在此省略了对光纤制造过程的进一步讨论，只要它们在本领域普通技术人员理解的MCVD和其它BiDF制造过程的范围内。

如图1A中具体示出的，系统包括长度为约八十米(～80m)的BiDF 115，其由中心波长(λ3)在～1155nm和～1255nm之间的一个或多个泵浦源125反向泵浦。具体而言，图1A的实施例使用一(1)个泵浦来选择五(5)个不同的中心波长，～1155nm、～1175nm、～1195nm、～1215nm以及～1235nm。此外，对于图1A的实施例，信号输入105包括工作在～1310nm的分布反馈(DFB)激光器，并且从400GBASE-LR8收发器的波长范围为～1272nm到～1310nm的输出用八通道梳来测量光纤增益(G)、饱和输出功率和功率转换效率(PCE)，所有这些都在图1C中示出。

传输光纤和BiDF 115被利用本领域技术人员公知的标准接合器和自动接合程序接合。虽然图1A中示出了可以使用五(5)个泵浦源125中的一(1)个，但是另外实施例可以允许以任何组合使用任何数量的泵浦源。这样的实施例可以被用于加宽增益带宽。

图1B示出了在约275毫瓦(～275mW)的泵浦功率下，所有五(5)个泵浦波长的放大自发辐射(ASE)光谱。如图1B所示，每～1nm的泵浦有～0.5nm的ASE强度峰偏移。另外，ASE光谱呈现钟形曲线，其具有～60nm的3dB带宽和～85nm的6dB带宽。

在约-2分贝毫瓦(-2dBm)的输入功率下，图1C中示出了G、功率和PCE对泵浦波长(λ3)的依赖性。具体地，对于图1A的实施例，对于～1195nm到～1235nm的λ3，该放大器系统产生～15dB到～18dB的G、～20dBm的功率以及～23％到～27％的PCE。对于较短的λ3(在～400mW的泵浦功率下)，所有参数急剧衰减。应当理解，通过使用LR-8收发器与三(3)个法布里-珀罗激光器的组合来覆盖～1272nm到～1380nm的输入信号范围。400mW泵浦功率的输入(约-6dBm的总信号功率)光谱和在～1195nm和～1235nm处的输出光谱分别在图1D和图1E中示出。增益峰与ASE峰波长一致，并且在～1195nm到～1235nm的λ3范围内，6dB增益带宽至少为～80nm。基于图1B至图1E，图1A的光放大器系统对于～80m的增益光纤长度表现出至少～16dB的增益。对于相同的长度，系统表现出至少～20％的PCE和至少～16dBm的输出功率。

对于另一个实施例，第二光隔离器135被移除(以简化设计和提高性能)，并且3dB耦合器120被传输在覆盖信号和泵浦的波长范围内的光的熔接光纤波分复用器(WDM)代替(其中引起的损耗可能高达～4dB)。短波长信道的增益对于～1195nm的λ3增加。对于WDM实施例，在图2A中示出了对于～500mW泵浦功率的G和噪声系数(NF)的曲线图，而在图2B中示出了在～750mW泵浦功率下的G和NF的曲线图。如图2A和图2B所示，在～1272nm到～1310nm的波长范围内，放大器系统具有～18dB的最大G，其具有～2dB的增益平坦度和～5dB的典型NF，并且在～1272nm处最高NF是～5.5dB。

BiDFA性能被用400GBASE-LR8收发器和ONT604测试器测试。测试器在发送器侧生成16×26.6吉比特每秒(Gb/s)的2

图3A示出了传输后的光谱(G.652光纤和BiDFA)。具体地，图3A示出了发射器输出、在～40km之后的BiDF输入以及BiDFA输出。在图3A中，增加了波长偏移以增加可视性。该系统展现了～14.6dB的平均光纤损耗(包括连接器)，而短波长信道承受比长波长信道高出高达～2dB的损耗。为了实用的目的，泵浦功率被限制在～500mW。

利用这些参数，作为～40km传输光纤和14.6dB VOA的信号功率的函数的平均误码率(BER)被在图3B中与背靠背(back-to-back)性能进行比较。对于VOA和传输光纤二者，在1e-5BER处的功率代价小于～2dB，而对于在～40km距离上的放大的传输，长期BER(大于～8小时)为5e-6。

图3C是示出了图3A的BiDFA系统中不同波长信道的BER的表格。如图3C所示，短波长信道具有较高的BER，并且信道BER随波长减小。这种波长的依赖性可归因于短波长信道中较高的累积色散(与长波长信道相比)以及低～3dB的接收功率和低～2dB的光信噪比(OSNR)。

在G.652光纤和BiDFA之间插入VOA，将接收功率保持在～6dBm，并将最佳和最差信道之间的差保持在～3dB，允许从OSNR调查BER劣化，该劣化是由于放大器产生ASE噪声而引起的，并且还允许估计链路损耗容限。这在图3D中示出。对于～11.7dBm的发射器功率和具有～14.6dB的损耗的～40km光纤跨距，在达到1e-5的BER之前，可以加上高达～1.8dB的损耗。如图3E所示，还可以在所有通道上、对于高达～55km距离来测量BER。然而，随着距离的增加，错误平层逐渐增加到～1.3e-4。

图4A是示出BiDFA系统的另一实施例的光谱的曲线图，其中除了接收器后放大(Amp II)之外，还利用另一BiDFA(Amp I)对信号进行前放大。显示的光谱表示发射器输出、BiDF输入和BiDFA输出。具体地说，该系统的具有～20.8dBm的总输出功率(～1215nm的λ3和750mW的泵浦功率)。尽管信道1至4继续发送，但是在图4C中仅示出了来自信道8至15的BER数据。图4B中示出了传输长度为～70km、～81.5km和～85km的G.652光纤的BER。如图4A、图4B和图4C所示并且具体地通过在～81.5km的传输长度中的3e-5的长期错误平层，短波长信道限制了传输距离。此外，对于一些实施例，放大器系统表现出漂白效应，其中放大器信号PCE随着输入信号功率而增加。

对于一些实施例，用于BiDFA的放大级可以级联。图5示出了一个这样的实施例。具体地说，图5的实施例包括第一放大级510和第二放大级550，它们通过连接光纤555光学地耦合到一起。应该理解，可以根据需要级联附加的放大级。如图5所示，第一级510包括信号输入515、第一泵浦源520和第一WDM 525，该第一WDM 525以同向泵浦配置(或方案)将信号与泵浦组合。第一级510还包括光学地耦合到第一WDM 525的输出的第一BiDF 530。第一级510还包括第二泵浦源540和第二WDM 535，该第二WDM 535以反向泵浦配置(或方案)将来自第二泵浦源540的泵浦光耦合到第一BiDF 530。

第二级550包括信号输入515、第三泵浦源560和第三WDM 565，第三WDM 565以同向泵浦配置(或方案)将信号与泵浦组合。第二级550还包括光学地耦合到第三WDM 565的输出的第二BiDF 570。第二级550还包括第四泵浦源580和第四WDM 575，该第四WDM575以反向泵浦配置(或方案)将来自第四泵浦源580的泵浦光耦合到第二BiDF 570。第四WDM 575光学地耦合到信号输出端585。

还应当理解，对于一些实施例，第一放大级510的漂白不同于第二放大级550的漂白，而对于其它实施例，两个级510、550的漂白是相同的。漂白的差异是通过例如改变增益光纤中Bi的浓度来实现的。因此，通过在每个放大级510、550处改进某些参数(例如，增益、漂色水平等)来改进整个级联系统的某些参数(例如，总系统增益、输出功率等)。此外，应当理解，一些泵浦是冗余的，因此可以省略(例如，可以使用仅同向泵浦方案，可以使用仅反向泵浦方案，或者可以使用同向泵浦方案和反向泵浦方案的组合(如图5所示)等等)。而且，每个附加级可配置有一个或多个不同类型的增益光纤(例如，掺Bi、掺Er等)。此外，根据需要，每个泵浦可配置为单个泵浦波长或多个泵浦波长。另外，每个泵浦源可以在与其它泵浦源相同的波长下工作，或者在与其它泵浦源不同的波长下工作。

现在转到图6，示出了BiDFA系统的另一个实施例。具体地，图6的实施例示出了BiDFA系统，其包括工作在中心波长λS的信号源610、泵浦源620和工作在中心波长λA的光源630。泵浦源620可以是中心波长为λ3的单泵浦波长源，或者是多于一个泵浦源的集合。在替代方案中，可将具有中心波长λ4的额外泵浦源添加到图6的配置中。

对于一些实施例，多个泵浦波长可以被复用在一起以呈现许多不同的中心波长(λ3)，每个中心波长对应于其相应的泵浦源。在一些实施例中，λ3(或λ4，取决于配置)在～1155nm与～1255nm之间。具体地，对于一些实施例，λ3(或λ4，取决于配置)包括～1155nm、～1175nm、～1195nm、～1215nm和～1235nm的波长。对于多个泵浦源，VOA平衡λ3(或λ4)的输出功率。

信号源610、泵浦源620和光源630光学地耦合到BiDF 670。BiDF 670具有增益波段和辅助波段。增益波段具有中心波长λ1。对于一些实施例，λ1在～1305nm与～1325nm之间。辅助波段具有中心波长λ2，并且辅助波段中的光源具有波长λA。对于一些实施例，λA为～1405nm。该增益波段具有至少～60nm的6dB增益带宽。对于一些实施例，6dB增益带宽和中心波长λ1是依赖于λ3的。优选地，BiDF670基本上不含Er。图6的系统还包括可选的光信号分析器(OSA)690或其它信号输出。根据一些实施例，λA可以在～1360nm～到1500nm(λ2b)的范围内，或者，在～1240nm到～1280nm(λ2a)的范围内。

附加光源630通过减少λS处的信号损耗(或增加λS处的信号增益)来提高放大器效率。具体地说，已知Bi在～1200nm的范围(λ2a)、～1300nm的范围(O-波段)以及～1400nm的范围(λ2b)内具有激发和发射波段。通过在λ2处添加高于特定功率水平的光功率，由于漂白的减少，信号激励可以增加。因此，激励λA(在λ2a或λ2b中)导致在增益波段(例如，～1260nm到～1360nm)中的信号增益增加了～6dB到～10dB之间的某个值。这是因为增益和效率对于基态离子粒子数和激发态离子粒子数之间的竞争很敏感。特别地，较高的反转水平对于较高的增益是必要的。然而，在低输入信号功率(例如，小于约-10dBm)下，波段外波长处的发射(例如，范围λ2a中的～1200nm的λA或范围λ2b中的～1400nm的λA)可以转移功率并降低反转水平。这种转移效应可以通过引入λ2处的波段外光而在一定程度上得到补偿。λS、λ2a、λ2b和λ3的相对位置总结如下：λS位于O-波段(在～1260nm至～1360nm)内；λ3位于～1240nm以下(典型地在～1195nm～1240nm内)；λ2a位于O-波段之下；并且λ2b位于O-波段之上。

例如，对于～1405nm的λA和～1320nm的λS，如果在λ3处存在较大泵浦信号(例如大于～20dBm)的情况下将较低功率水平(例如～4dBm)的λA信号引入到小的λS信号(例如，约-10dBm)中，则在λA处的激发会提高放大效率，因此在λ1处提高～6dB到～10dB的增益。图7示出了一个示例。具体地，图7是比较～100mBiDF中λ1信号的损耗的曲线图。具体地，比较有光源630和没有光源630时的信号损耗。如图7所示，在～1405nm的λA处加入～4.1dBm将BiDF670中的衰减(损耗)从～19dB/100m降低到～15.3dB/100m，这是信号损耗的～3.7dB的降低，并且如果扩展到两个偏振，这又转化为小信号增益的～6dB到～10dB的增加。因此，对于其中在O波段中的数据承载信号在约30dBm到约+3dBm的范围内的通信，在相邻激发波段(λ2)中添加附加光源630增加了放大器效率。注意，光源630可以是激光器或宽波段光源。

改善放大器效率，尤其对于小信号(例如，小于-10dBm)改善放大器效率的另一种方法是改变BiDF的纤芯的波导特性。如上所述，反转在某种程度上依赖于激发态和基态之间的竞争。因此，一种增加反转水平的方法是增加泵浦光(λ3)的强度。

泵浦光(λ3处)的强度可以通过减小波导的模场面积(MFA)来增加。波导的MFA可以通过增加纤芯折射率(例如，通过增加纤芯中不产生增益的共掺杂剂的浓度)和减小芯直径来减小。优选地，不产生增益的共掺杂剂(例如镧(La)或镥(Lu))不会将Bi的增益特性改变为不同于期望的P掺杂的硅石玻璃。或者，可以通过降低包层折射率来降低波导的MFA，这可以通过掺杂氟(F)来实现。不管降低MFA的方法如何，BiDF的MFA的降低都会产生相应的BiDFA效率的提高。还应注意，P-Bi-SiO

尽管已经示出和描述了示例性实施例，但是本领域普通技术人员将清楚，可以对所描述的本公开进行许多改变、修改或变更。例如，虽然大多数值被提供为近似值(使用“～”)，但是这些近似值还包括精确数值，并且因此，近似值反映了到最接近的有效数字的误差容限。因此，所有这些改变、修改和变更应被视为在本公开的范围内。