一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器

摘要

本发明公开了一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，包括输入模块、泵浦发射模块、抗辐射光模块、晶体集成模块、检测电路、微型计算机，晶体集成模块包括波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器。本发明从环形腔的结构特性出发，利用光在环形腔中循环工作的特点，持续对掺铒波导条通光，以提高掺铒波导放大器的抗辐射能力，减少信号光的辐射损耗，实现掺铒波导放大器在辐射条件下的稳定输出。本发明采用光波导结构，将上述模块集成在晶体芯片上，硬件的设计与制作过程都不复杂，便于大批量的制作与投入使用。

权利要求

1.一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，包括输入模块、泵浦发射模块、抗辐射光模块、晶体集成模块、检测电路、微型计算机，所述晶体集成模块包括波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器，其中，输入模块，用于接收激光信号并传输至波导耦合器；

泵浦发射模块，用于输出泵浦光至波导耦合器；

抗辐射光模块，用于输出抗辐射光，该抗辐射光经波导环形腔传输至波导耦合器；

波导环形腔，用于抗辐射光的循环利用；

波导滤波器，用于滤除光信号中的抗辐射光；

检测电路，用于检测波导环形腔中抗辐射光的功率；

微型计算机，用于根据检测电路的检测结果控制抗辐射光模块的输出功率；

所述激光信号、泵浦光和抗辐射光经波导耦合器耦合后传输至掺铒波导条，掺铒波导条输出的光信号分为两路，一路传输至波导滤波器进行滤波，波导滤波器的输出即为原激光信号的放大光；另一路传输回波导环形腔后再次分为两路，一路传输至检测电路，另一路通过波导环形腔再次被耦合进掺铒波导条；检测电路将检测结果传输至微型计算机，微型计算机根据检测结果控制抗辐射光模块的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，抗辐射光的波长与激光信号、泵浦光的波长均不相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器均集成在晶体芯片上。

4.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，泵浦发射模块为泵浦激光器，抗辐射光模块为抗辐射激光器。

5.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，泵浦光的波长为980纳米。

6.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，抗辐射光的波长为1350纳米。

7.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，掺铒波导条输出的光信号按1:1分为两路。

8.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，检测电路为光探测器。

9.根据权利要求1所述的一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，其特征在于，波导环形腔为环形光波导。

说明书

一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种掺铒波导放大器，特别涉及一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器。

背景技术

[0002] 损耗间题是光纤传输的一大障碍,在远距离光纤传输中,为了保证信号在传输中的质量,一般在信噪比稍有下降时即进行传输损耗的补偿,以提高信号电平,这就需要信号的中继放大。在以长距离光纤通信系统中，通常在通信线路上建设大量的电中继站，对信号进行接收、转换再放大，来减少信号的衰减与色散。随着大信息时代的来临，传统的电中继由于其数据处理的电子瓶颈，已经不能适应人们对于高速率通信的需求。1985年英国南安普顿大学首先研制成功掺铒光纤放大器（EDFA），并从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。这对于通信领域来说，具有跨时代的意义。由于EDFA直接对光信号进行放大，且具有高增益、低噪声、长带宽、结构简单、不受偏振态影响等优点，一经推出就迅速得到广泛的使用。

[0003] 然而，在高辐射工作环境下，EDFA各个组件要面临强烈的空间辐射，组件的性能受到的影响不可忽视。现有研究EDFA抗辐射特性的文献并不少，于抗辐射EDFA的研究也更多依靠实验对材质进行改变，缺乏理论研究。1989年R.H.West and A.P.Lenham.提出给掺铒光纤持续注入光以降低其辐射损耗的概念，但实施过程中光功率浪费严重，没有给出符合实际系统的高效率的高抗辐射EDFA。

[0004] 1969年Marcatili提出环形波导谐振腔的概念，环形器是一种使电磁波单向环形传输的器件，在近代雷达和微波多路通信系统中都要用单方向环行特性的器件。光纤环形器广泛应用于多种领域，已成为微波通讯、雷达、电子对抗等微波整机设备中的重要器件。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于环形波导腔的具有高抗辐射特性的掺铒波导放大器结构，通过环形腔结构为掺珥波导放大器提供抗辐射光，实现了掺铒波导放大器的稳定输出，能够明显地提高掺铒波导放大器的抗辐射能力，减少掺铒波导放大器增益由于受到辐射而引起的衰减，保持恒定功率输出并有效提高抗辐射光的利用效率，降低该抗辐射系统的总功耗。本发明在晶体上集成光波导器件，利用循环光持续给掺铒波导放大器通光，以提高其抗辐射能力。

[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0007] 本发明提供一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，包括输入模块、泵浦发射模块、抗辐射光模块、晶体集成模块、检测电路、微型计算机，晶体集成模块包括波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器，其中，输入模块，用于接收激光信号并传输至波导耦合器；

[0008] 泵浦发射模块，用于输出泵浦光至波导耦合器；抗辐射光模块，用于输出抗辐射光，该抗辐射光经波导环形腔传输至波导耦合器；波导环形腔为环形光波导，用于抗辐射光的循环利用；

[0009] 波导滤波器，用于滤除光信号中的抗辐射光；检测电路，用于检测波导环形腔中抗辐射光的功率；微型计算机，用于根据检测电路的检测结果控制抗辐射光模块的输出功率；激光信号、泵浦光和抗辐射光经波导耦合器耦合后传输至掺铒波导条，掺铒波导条输出的光信号分为两路，一路传输至波导滤波器进行滤波，波导滤波器的输出即为原激光信号的放大光；另一路传输回波导环形腔后再次分为两路，一路传输至检测电路，另一路通过波导环形腔再次被耦合进掺铒波导条；检测电路将检测结果传输至微型计算机，微型计算机根据检测结果控制抗辐射光模块的输出功率。

[0010] 作为本发明的进一步优化方案，抗辐射光的波长与激光信号、泵浦光的波长均不相同。

[0011] 作为本发明的进一步优化方案，波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器均集成在晶体芯片上。

[0012] 作为本发明的进一步优化方案，泵浦发射模块为泵浦激光器，抗辐射光模块为抗辐射激光器。

[0013] 作为本发明的进一步优化方案，泵浦光的波长为980纳米。

[0014] 作为本发明的进一步优化方案，抗辐射光的波长为1350纳米。

[0015] 作为本发明的进一步优化方案，掺铒波导条输出的光信号按1:1分为两路。

[0016] 作为本发明的进一步优化方案，检测电路为光探测器。

[0017] 作为本发明的进一步优化方案，波导环形腔为环形光波导。

[0018] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0019] （1）本发明从掺铒波导的特性出发，持续对掺铒波导条通除激光信号和泵浦光以外的第三路光，能够明显地提高掺铒波导放大器的抗辐射能力，减少其增益由于受到辐射而引起的衰减；

[0020] （2）本发明利用波导环形腔，结构简单，可以实现抗辐射光的循环利用，替代了以往持续通光造成需要消耗较多光能和光利用率低的特点，硬件装置的设计与制作过程都不复杂，便于大批量的制作与投入空间通信领域的使用；

[0021] （3）本发明的掺铒波导放大器（EDWA）性能的改善，对于光通信来说，其误码率将会有显著的降低，而且此配置调整模块既可做成光波导结构，用于集成光学，也可做成光纤结构，易于设计且可控性强。

附图说明

[0022] 图1是本发明的结构框图。

[0023] 图2是晶体集成模块的示意图。

[0024] 其中，1-激光信号输入端，2-泵浦光输入端，3-抗辐射光输入端，4-波导耦合器，5-5%输出端，6-掺铒波导条，7-波导环形腔，8-50%输出端，9-50%输出端，10-晶体芯片，11-波导滤波器，12-输出端。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0026] 本发明利用晶体的光学特性，采用集成光学平面工艺，在晶体芯片上制作光学回路和光学器件，不仅可以实现要求的全部光学功能，运用于外太空抗辐射的条件下，而且能以低的成本，可靠、重复地生产大量高性能的掺铒波导放大器。本发明还利用波导环形腔的结构特点，利用环形腔的结构特点，不仅可以提高掺铒波导放大器的抗辐射能力，而且能够提高抗辐射光的利用效率，降低抗辐射系统整体功耗，因而具有高抗辐射特性的掺铒波导放大器结构与环形腔的利用密不可分。

[0027] 本发明在研究掺铒波导放大器抗辐射性能的基础上，构建了一个能够循环利用光进行抗辐射的掺铒波导放大器结构。本发明一种基于环形波导腔的掺铒波导放大器，如图1所示，包括输入模块、泵浦发射模块、抗辐射光模块、晶体集成模块、检测电路、微型计算机，晶体集成模块包括波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器。

[0028] 输入模块，用于接收激光信号并传输至波导耦合器；泵浦发射模块，用于输出泵浦光至波导耦合器；抗辐射光模块，用于输出抗辐射光至波导环形腔；波导环形腔为环形光波导，用于抗辐射光的循环利用；波导滤波器，用于滤除光信号中的抗辐射光；检测电路，用于检测波导环形腔中抗辐射光的功率；微型计算机，用于根据检测电路的检测结果控制抗辐射光模块的输出功率；当波导环形腔中光功率较大时，控制激光器输入功率较低，当波导环形腔中光功率较小时，控制激光器输入功率较大，以节省抗辐射光的总消耗能量，提高其利用效率。

[0029] 如图2所示，波导耦合器、波导环形腔、掺铒波导条、波导滤波器均集成在晶体芯片上，从激光信号输入端、泵浦光输入端、抗辐射光输入端分别输入激光信号、泵浦光、抗辐射光，激光信号、泵浦光、进入波导环形腔中的抗辐射光经波导耦合器100%耦合进掺铒波导条；掺铒波导条输出的光信号按1:1分为两路，一路50%传输至波导滤波器进行滤波后输出，该输出即为原激光信号的放大光；另一路50%传输回波导环形腔后再次分为两路，5%的一路传输至检测电路以检测环形腔中的光功率，95%另一路通过波导环形腔再次被耦合进掺铒波导条，如此循环利用，以提高抗辐射光的利用效率。检测电路将检测结果传输至微型计算机，微型计算机根据检测结果控制抗辐射光模块的输出功率。抗辐射光模块与检测电路、微型计算机构成负反馈，在持续给掺铒波导条通光的同时，有效提高了抗辐射光的利用效率，节省系统能耗。

[0030] 本发明中，波导环形腔、波导耦合器、掺铒波导条和波导带通滤波器均集成在晶体芯片上，波导结构中的环形腔类似于光纤环形器，激光信号、泵浦光和波导环形腔中的抗辐射光均经耦合器耦合进掺铒波导条，掺铒波导条的输出光按1:1分两路，分别输出至波导环形腔和波导滤波器，传输回波导环形腔的部分还引出一路光进行光检测，以控制抗辐射光模块的发射光功率大小。

[0031] 本发明中，泵浦发射模块为泵浦激光器，抗辐射光模块为抗辐射激光器，泵浦激光器输出波长为980纳米的泵浦光，抗辐射激光器输出波长为1350纳米抗辐射光。

[0032] 实验表明，持续对掺铒光纤输入不同频率的光，能提高其抗辐射能力，对于掺铒波导放大器同样如此。而利用环形腔结构，能够循环利用抗辐射光，有效降低抗辐射光消耗的总能量，提高抗辐射光的利用效率。

[0033] 无论是掺铒光纤放大器还是掺铒波导放大器，在辐射条件下，其增益都会有很大损耗，而且随着通信距离的增加，其辐射损耗愈加严重。而对掺铒波导条或掺铒光纤进行持续通除原信号和泵浦光外其他波长的光能够有效提高其抗辐射能力，减少放大器的增益因受辐射而造成的损耗，并且利用本发明的波导环形腔结构能有效地提高抗辐射光的利用率，降低系统功耗。

[0034] 如将额定输出功率保持在20mW，测试在不同辐射剂量下EDFA达到最佳泵浦效率时所对应的泵浦光输入功率，根据实验可知在0Gy、1000Gy、2000Gy、3000Gy、4000Gy和5000Gy的辐射剂量时，随着辐射剂量的增加，EDFA的增益会有明显的衰减。因而可以在利用本发明中的晶体光学集成结构，有效提高掺铒波导放大器的抗辐射能力，从而提高泵浦效率。

[0035] 综上可知，当将掺铒波导放大器的结构按照上述方案设计时，可以使本发明过程中设计的掺铒波导放大器晶体芯片集成模块保持高抗辐射特性。并且，在本发明利用波导结构上可实施的较成熟的质子交换技术，硬件装置简单，仅仅基于不同配置的组合，易于实现。对于空间通信系统来说，放大器性能的提升将明显改善系统性能，提高系统的抗辐射能力，降低传输误码率，为空间高速率通信提供更加可靠的技术支持。

[0036] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。