专利名称：用于wdm光传输的光直接放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光直接放大器，更具体地，涉及一种优选用于波分复 用(WDM)光传输的光直接放大器。
背景技术：
近年来，对于WDM光传输系统，由于光学元件或装置(例如光互连) 的性能增强、旨在实现40Gbit/s光信号传输的光发射机/接收机的运行加速 等原因，电功耗不断增加。鉴于此原因，担心WDM光传输系统中使用的 各种光学装置的功耗过大。此外，已经有降低功耗的需求，这当中也包括 对环境政策的考虑。这样，在WDM光传输系统中，功耗降低的重要性日
益上升o
当在利用光中继器的WDM光传输系统中通过光直接放大器发送光信 号时，由于使用的光直接放大器的放大频带中的增益偏差，传输特性可能 会恶化(即，发生数字误差)。这是由于掺杂稀土元素的光纤(用作光直 接放大器的光放大介质)的增益的波长特性具有温度依赖性，并且所述增 益的温度依赖性随着环境温度的改变而增加，导致传输特性恶化。因此， 存在这样的需要光放大介质要保持在比其允许温度范围更高的温度上，
以避免由增益的波长特性改变所引起的信道之间的增益偏差。为了满足该 需要，常规上使用图1中所示的光直接放大器。
图1是具有常规典型结构的现有技术光直接放大器110的透视图，示 意性地示出了放大器110的结构。在该放大器110中，光放大介质lll由 安装在放大器110 —侧的加热介质112加热。
光放大介质111由巻盘llla和绕巻盘llla设置的放大用光纤lllb形 成。温度传感器113安装在光纤lllb的附近。加热介质112是电加热器， 其响应供电而产生热量。温度控制电路114经由电缆116禾卩117分别电连 接到加热介质112和光放大介质111。温度控制电路114总是监控光放大
介质111的温度，控制加热介质112，使得光放大介质111的温度保持在 比环境温度高的预定温度。
由于现有技术的光直接放大器IIO具有上述结构，增益具有温度依赖
性的光放大介质lll (即，光纤lllb)的温度能够保持恒定。因此，光纤
lllb增益的温度偏差的影响被抑制，从而可获得不受环境温度影响的稳定 WDM光传输特性。换句话说，光放大介质111的增益-波长特性的温度依 赖性可被抑制，从而产生与环境温度无关的增益-波长特性。
另外，在图l的结构中，仅仅在光放大介质lll (即，巻盘llla)的 一侧设置加热介质112。然而，加热介质112可设置在图1的结构中的光 放大介质lll (即，巻盘llla)的每一侧。
下面是本发明除了上述现有技术光直接放大器110外的其它相关技术。
2001年公开的专利文献1 (日本未审专利公开No. 2001-7428)公开了 一种光放大器，其能够容易地保持增益平坦。该光放大器用于WDM光传 输系统。
专利文献1的光放大器包括光波导，用于光学放大信号光，其掺杂 有能够通过激发光激发的荧光材料(例如，掺杂有荧光材料的放大用光 纤)；和激发装置，用于向光波导提供激发光。该光放大器还包括输出 控制装置，用于控制输出，使得从光波导输出的信号光功率保持在目标值； 和温度控制装置，用于基于输入到光波导中的信号光功率控制至少一部分 光波导的温度。
具体来说，放大用光纤绕由具有极佳导热性的材料(例如，铝)制成 的绕线管设置。用于调节光纤温度的珀耳帖(Peltier)元件和用于检测光 纤温度的热敏电阻被粘附到该绕线管上。因此，如果输出信号光功率试图 随输入信号光功率的波动而改变，则控制光纤的温度，使得输出信号光的 功率保持在目标值。因此，光放大性能的退化被抑制，即便输入信号光功 率波动。结果，可容易地保持增益平坦。(参见专利文献l的权利要求1、 图1以及段落0018-0022。)
1996年公开的专利文献2 (日本未审专利公开No. 8-173560)公开了 一种激光治疗仪以及所用的探头，其能够同时实施激光治疗和温热疗法，
用于慢性疼痛治疗，而不会导致半导体激光器的任何热损坏。
专利文献2公开的激光治疗仪所用的探头包括半导体激光器；热模 块(例如，珀耳帖元件)，用于冷却半导体激光器；热敏电阻，用于检测 热模块的温度；接触传感器电极，用于检测与人体的接触；陶瓷，发出远 红外线；以及探头外壳，用于封闭这些元件。热模块在其中心位置具有开 口，半导体激光器的照射口插入该开口中。半导体激光器的散热板固定在 热模块的冷却侧上。用于发射远红外线的陶瓷固定在热模块的相对加热侧 上。在使用时，陶瓷与人体接触以实施温热疗法。由于上述的结构，半导 体激光器能够被强制冷却，并因此增强了可靠性和耐久性。(参见专利文 献2的图1和段落0005、 0009以及0014-0015。)
然而，如图1所示的现有技术光直接放大器110中，电力不仅对于驱 动用于激发光放大介质lll (即，放大用光纤lllb)的激发光源、对于所 述激发光源的温度调节、以及对于驱动控制它们的控制电路是必须的，而 且对于驱动加热介质112也是必须的。因此，希望通过低成本的简单结构 来降低现有技术光直接放大器110的功耗。
发明内容
做出本发明以满足上述要求，本发明的目的是提供一种光直接放大 器，能够以低成本的简单结构降低功耗。
根据下面的说明，本领域技术人员将会清楚上述的以及其它未具体提 及的目的。
根据本发明的一种光直接放大器，包括 激发光源，用于光激发；
光放大介质，响应激发光源的光激发实现光放大功能； 温度控制器，用于控制光放大介质的温度； 散热元件，用于散发由激发光源产生的热量；以及 热传递调节器，设置在光放大介质和散热元件之间，用于允许热量从
激发光源流入光放大介质，并防止热量从光放大介质流入激发光源；
其中，光放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加由激发光源
产生的热量而被加热。
根据本发明的光直接放大器中，用于光激发光放大介质的激发光源产 生的热量被传递到散热元件，然后，其被散发或辐射到所述光直接放大器 的外部。此外，用于允许热量从激发光源流入光放大介质并防止热量从光 放大介质流入激发光源的热传递调节器设置在光放大介质和散热元件之 间。从而，光放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加激发光源产 生的热量而被加热。
因此，光放大介质的温度可利用激发光源产生的热量而上升，从而保 持光放大介质处于比环境温度高的预定温度。结果，用于加热光放大介质 所需的电功率不是必须的，从而所述光直接放大器的功耗可因此降低。
此外，除了现有技术光直接放大器中包括的光放大介质、激发光源以 及温度控制器外，提供散热元件和热传递调节器就足够了。此外，散热元 件可容易地以具有良好热传导性的刚性元件实现，热传递调节器可容易地 通过例如热电效应元件实现。这表明，所述光直接放大器的结构是简单的， 且以低成本实现。
由于上述结构被结合到根据本发明的光直接放大器中，显然该放大器
不同于专利文献1公开的现有技术光直接放大器与专利文献2公开的激光
治疗仪的组合。
在根据本发明的光直接放大器中，例如，热电效应元件可优选用作热 传递调节器。然而，任何元件或装置可用于该目的，只要其具有防止热量 从光放大介质流入激发光源的功能。
根据本发明的光直接放大器优选用于WDM光传输。然而，该放大器 可用于WDM光传输外的任何其他类型的光传输，只要其需要响应于激发 光源的光激发来实现光放大功能的光放大介质以及用于控制光放大介质 温度的温度控制器，其中光放大介质需要加热。
在根据本发明的放大器的优选实施例中，激发光源固定到散热元件的 一个表面上，光放大介质经由热传递调节器固定到散热元件的另一表面 上。在该实施例中，存在另外一个优点，即所述放大器的结构更加简单。
在根据本发明的放大器的另一优选实施例中，热电效应元件用作热传 递调节器。在该实施例中，存在另外一个优点，即热传递调节器能够以简 单且低成本的结构实现。 在根据本发明的放大器的又一优选实施例中，热电效应元件形成为板 状，并且该热电效应元件的一个表面紧密接触散热元件，而该热电效应元 件的另一表面紧密接触光放大介质。在该实施例中，存在另外一个优点， 即热量被有效地从散热元件经由热传递调节器传递到光放大介质。
在根据本发明的放大器的另一优选实施例中，额外设置用于加热光放 大介质的加热器。在该实施例中，存在另外一个优点，S卩，即使由于例如 环境温度极低这样的原因而难以利用激发光源产生的热量保持光放大介 质处于比环境温度高的预定温度，也可使用所述光直接放大器。
在根据本发明的放大器的又一优选实施例中，光放大介质由光纤形 成。在该实施例中，存在另外一个优点，即凸显本发明的优点。
在根据本发明的放大器的另一优选实施例中，温度控制器被配置为保 持光放大介质的温度处于比环境温度高的预定温度。在该实施例中，存在 另外一个优点，即凸显本发明的优点。
在根据本发明的放大器的又一优选实施例中，所述放大器配置用于
WDM光传输。在该实施例中，存在另外一个优点，即凸显本发明的优点。
为了本发明能够容易实现，现在将参考附图进行说明。
图1为示意性示出现有技术^直接放大器结构的透视图。
图2为示意性示出根据本发明第一实施例的光直接放大器结构的透视图。
图3为示意性示出根据本发明第一实施例的光直接放大器整体结构的 说明图，其中所述放大器用于利用光中继器的WDM光传输系统。
图4为示意性示出根据本发明第二实施例的光直接放大器结构的透视图。
具体实施例方式
接下来，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
第一实施例
如图2所示，根据第一实施例的光直接放大器10包括光放大介质 11，响应于用于激发的半导体激光器19 (即，激发光源)的光激发，实现
光放大功能；以及温度控制电路14，用于控制放大介质11的温度。这点 与先前参考图1说明的现有技术光直接放大器110相同。
然而，与现有技术光直接放大器110不同，该直接放大器10还包括 散热基底(即，散热元件)15,用于散发半导体激光器19产生的热量， 以及珀尔帖模块12 (其是一种热电效应元件)，用于防止热量从放大介质 11流入激光器19，其中珀尔帖模块12设置在放大介质11和散热基底15 之间。珀尔帖模块12用作热传递调节器，用于允许热量从半导体激光器 19流入放大介质11并防止热量从介质11流入激光器19。放大介质11被 配置为经由散热基底15和珀尔帖模块12利用由半导体激光器19产生的 热量加热。换句话说，从半导体激光器19以热量形式发出的电力和从温 度调节元件(未示出)以热量形式发出的电力经由珀尔帖模块12和散热 基底15被传送给放大介质11，其中温度调节元件对激光器19进行温度调 节。
这里，放大介质11由例如由铝制成的近似圆柱的巻盘lla以及绕该 巻盘lla若干次设置的放大用掺铒光纤(EDF) llb形成。然而，也可以 使用掺杂任何其它稀土元素的放大用光纤。可使用任何其它类型的光纤， 只要其响应于激发光源的光激发实现光放大功能。除了光纤，具有任何其 它结构和/或形式的任何光放大^质都可用于该目的。
散热基底15为矩形板，由具有良好导热性的刚性材料制成，例如， 不锈钢。
珀尔帖模块12具有矩形板或片状的形状，比散热基底15小。模块12 的一个表面固定到散热基底15与模块12相对的一平坦表面上。这是为了 确保散热基底15和放大介质11之间的良好导热性，并且减少光直接放大 器10的体积以节省空间。为了确保散热基底15和珀尔帖模块12之间的 良好导热性，珀尔帖模块12位于散热基底15 —侧的整个表面紧密接触基 底15的相对表面。珀尔帖模块12位于散热基底15相对侧的整个表面固 定到放大介质11的巻盘lla的边缘形(brim-shaped)部分的一个表面上 并与之紧密接触。这是为了确保放大介质11和珀尔帖模块12之间的良好
导热性。
半导体激光器19是芯片形的，用于激发放大介质11 (g卩，光纤llb)。 激光器19的一个表面固定到散热基底15与珀尔帖模块12相对的表面上
并与之紧密接触。这是为了确保半导体激光器19和散热基底15之间的良 好导热性，从而使得在其工作中，从激光器19发出的热量被有效传递到 散热基底15。
珀尔帖模块12将从半导体激光器19发出的热量传递到放大介质11;
然而，模块12不执行反方向的热传递。这意味着，珀尔帖模块12是一种 能够仅允许单向热传导的装置。模块12允许热量从半导体激光器19流入 放大介质ll，同时，防止热量从放大介质11流入激光器19。因此，有效 避免了从放大介质11发出的热量被施加到激光器19、而使激光器19不能 正常工作的情况。这里描述的这种单向热传导可容易地实现，例如通过将 珀尔帖模块12的发热侧设置在激光器19 一侧，并且将模块12的吸热侧 设置在放大介质11 一侧。
用作温度传感器的热敏电阻13安装在放大介质11 (即，绕巻盘lla 设置的放大用光纤lib)的外表面上。热敏电阻13经由电缆17电连接到 温度控制电路14。珀尔帖模块12也经由电缆16电连接到所述电路14。
温度控制电路14始终通过热敏电阻13监控放大介质11 (即，光纤 lib)的温度。此外，该电路14以使热敏电阻13的电阻保持常数的方式 控制或调节提供给珀尔帖模块12的电流，从而控制放大介质11的温度。 这样，放大介质11的温度保持在预定温度(即，选择温度)。该预定的选 择温度比放大介质11可安装的环境温度允许范围的最高温度要高。
为了保持放大介质11处于该选择温度，需要施加热量。因而，利用 从用于在工作中激发所述介质11的半导体激光器19发出的热量。由于这 一原因，不需要包括先前参照图1说明的现有技术光直接放大器110中所 设置的加热介质(加热器)112。
由于上述这种结构，在工作中，来自半导体激光器19的热量(过去 被散发到空气中)能够用于加热放大介质U。因此，光直接放大器io的 功耗可降低。
光纤18的一端连接到半导体激光器19的输出部分。向激光器19供
给以预定的驱动电流以产生激光振荡，从而从激光器19的输出部分发出 激发用的预定激光。这样输出的激发用激光通过光纤18发送到放大介质11。
当具有上述结构的光直接放大器10应用于利用光中继器的WDM光 传输系统时，放大器10具有图3所示的整体结构。
光直接放大器10包括用于信号光传输的光纤33。 WDM光波导耦合 器34安装在光纤33的输入端子31和输出端子32之间。光纤18的一端 被光连接到WDM光波导耦合器34，半导体激光器19的输出光(即，激 发光)通过这一端发送到所述光纤18的外部。放大介质11的光纤lib被 光连接到光纤33。
WDM光波导耦合器34将通过输入端子31发送到光纤33中的信号光 和从半导体激光器19发出的激发光耦合，同时，波分复用如此耦合的信 号光和激发光。如此产生的波分复用信号和激发光通过光纤33向输出端 子33传输。在该传输过程中，波分复用激发光进入放大介质11的光纤lib 并激发该光纤llb，从而导致所述光纤lib中的预定光放大操作。由于所 述光放大操作，在光纤33中传播的波分复用信号光的波形被放大，此后， 如此放大的波分复用信号光从输出端子32发出。
根据本发明第一实施例的光直接放大器10中，如上所述，由用于光 激发光放大介质11 (即，放大用光纤Ub)的半导体激光器19产生的热 量，被传递到散热基底15，然后，散发或辐射到光直接放大器IO的外部。 此外，允许热量从激光器19流入放大介质11并防止热量从放大介质11 流入激光器19的珀尔帖模块12设置在放大介质11和散热基底15之间。 因此，放大介质11通过经由散热基底15和珀尔帖模块12施加由激光器 19产生的热量(所述热量过去被散发到大气中)而被加热。
因此，利用激光器19产生的热量，放大介质11的温度可上升，从而 保持放大介质11处于比环境温度高的预定温度。结果，不必需要加热放 大介质11所需的电功率，因而能够降低第一实施例的光直接放大器10的 功耗。
此外，除了现有技术光直接放大器IIO包括的放大介质111、半导体 激光器(图1未示出)以及温度控制电路114，只需再为放大器IO提供散
热基底15和珀尔帖模块12就足够了。另外，散热基底15可容易地用具 有良好导热性的刚性构件实现，珀尔帖模块12可容易地利用公知的热电 效应元件实现。这表明，根据第一实施例的光直接放大器10的结构是简 单的，并在低成本下实现。
第二实施例
根据本发明的第二实施例的光直接放大器10A具有图4所示的结构。 根据第二实施例的放大器10A的结构与根据第一实施例的上述光直 接放大器10相同，除了在放大介质11的巻盘lla与珀尔帖模块12相对 的表面上额外安装加热器20。换句话说，放大器10A的结构相当于放大 器10的结构和加热器20的组合。因此，这里采取与图2的第一实施例中
使用的相同的附图标记，省略了相同结构的说明。
加热器20是一种响应于供电产生热量的电加热器。这里，加热器20 的形状为矩形板或片状。该形状是考虑到光放大介质11的巻盘lla的热 传导性以及节省空间而确定的。加热器20经由电缆21电连接到温度控制 电路14。由于温度控制电路14的工作，加热器20可根据需要工作或激活 以产生热量。这样从加热器20产生的热量与半导体激光器19产生的热量
一起按需施加到放大介质11。
根据第二实施例的光直接放大器IOA中，由于上述结构，除了第一实 施例的放大器10的优点，还存在另外的优点，即，即使由于如环境温度 极低这样的原因而导致利用半导体激光器19产生的热量难以保持放大介 质11处于比环境温度高的预定选择温度，放大器10A也能够使用。
由于第二实施例的放大器10A包括加热器20，如果加热器20工作， 功耗将比第一实施例的放大器10大。然而，主要利用由激光器19产生的 热量来加热放大介质11。因此，放大器10A的功耗比先前描述的现有技 术放大器110低。
其它实施例
上述的第一和第二实施例是本发明的优选实施例。因此，不用说，本 发明不限于这些实施例，可对它们做出任何改进。
例如，第一和第二实施例中热敏电阻13用作温度传感器；然而，任 何其它类型的温度传感器可用于该目的。
虽然在第一和第二实施例中使用其中绕巻盘lla设置放大用光纤lib
的光放大介质11，但本发明不限于此。放大介质II可具有任何其它结构，
例如包括绕巻盘lla设置的放大用宽(即，片状)光纤的结构，或者仅仅
包括放大用光纤而没有巻盘llb的结构。代替放大用光纤，可使用任何其 它类型的光放大介质。
上述实施例中半导体激光器19用作光放大介质11的激发光源。然而， 本发明不限于半导体激光器。可使用任何其它类型的激发光源。
作为温度控制电路14,可使用具有任何结构的温度控制电路，只要可 与根据本发明类型的光直接放大器一起使用。
在上述实施例中，半导体激光器19固定在散热基底15的一个表面上。 然而，本发明不限于此。如果由激光器19产生的热量可传递到基底15， 例如通过使用介于激光器19和基底15之间的合适的热传递元件，激光器 19可安装成离开基底15。
在上述第二实施例中，使用片状电加热器20。然而，可使用任何其它 类型的加热器，只要其能加热光放大介质11。
虽然已经说明了本发明的优选形式，但本领域技术人员不脱离本发明 的精神可进行修改。因此，本发明的范围仅由所附权利要求确定。
权利要求
1.一种光直接放大器，包括激发光源，用于光激发；光放大介质，响应激发光源的光激发实现光放大功能；温度控制器，用于控制光放大介质的温度；散热元件，用于散发由激发光源产生的热量；以及热传递调节器，设置在光放大介质和散热元件之间，用于允许热量从激发光源流入光放大介质，并防止热量从光放大介质流入激发光源；其中，光放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加由激发光源产生的热量而被加热。
2. 根据权利要求1的放大器，其中，激发光源固定到散热元件的一 个表面上，并且光放大介质经由热传递调节器固定到散热元件的另一表面 上。
3. 根据权利要求1的放大器，其中，热电效应元件被用作热传递调 节器。
4. 根据权利要求1的放大器，其中，热电效应元件形成为板状，并 且该热电效应元件的一个表面紧密接触散热元件，而该热电效应元件的另 一表面紧密接触光放大介质。
5. 根据权利要求l的放大器，还包括加热器，用于加热光放大介质。
6. 根据权利要求l的放大器，其中，光放大介质由光纤形成。
7. 根据权利要求1的放大器，其中，温度控制器被配置为保持光放 大介质的温度处于比环境温度高的预定温度。
8. 根据权利要求l的放大器，其中，所述放大器被配置成用于WDM光传输。
全文摘要
一种用于WDM光传输的光直接放大器，以低成本的简单结构降低了功耗。该放大器包括光放大介质(例如，光纤)，其响应于激发光源(例如，半导体激光器)的光激发实现光放大功能；温度控制器，用于控制放大介质的温度；散热元件，用于散发由该光源产生的热量；以及热传递调节器(例如，珀尔帖模块)，用于允许热量从该光源流入放大介质并防止热量从放大介质流入该光源。放大介质通过经由散热元件和热传递调节器施加由该光源产生的热量而被加热。
文档编号H04B10/17GK101350677SQ200810127749
公开日2009年1月21日 申请日期2008年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者滨田聪 申请人:日本电气株式会社