CN100442093C - 光纤、光纤模块和喇曼放大器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种在抑制非线性相移的同时能得到足够喇曼放大的光纤、光纤模块和喇曼放大器。放大用光纤(2a)其喇曼增益系数GR对有效芯断面积Aeff的比，即喇曼增益效率(GR/Aeff)是4(m/W)以上，非线性参数γ对喇曼增益效率(GR/Aeff)的比是3或者3以下。

Description

光纤、光纤模块和喇曼放大器

技术领域

本发明涉及适合于高速光通信的光纤、光纤模块和喇曼放大器。

背景技术

近年来喇曼放大器可以在希望的波长带宽放大，而且作为在100nm的宽的波长带区域也能实现增益的放大器被关注。在这种喇曼放大器的放大介质中使用的光纤是石英基体的无论何种光纤都能适用，但作为集中型喇曼放大器一般是使用喇曼增益效率(GR/Aeff＝喇曼增益系数/有效芯断面积)6.5或者6.5以上的光纤，用500mW左右的激励光得到20dB或者20dB以上的增益。

但该现有的光纤尽管用500mW左右的激励光得到20dB或者20dB以上的放大，但同时也产生大的非线性相移，有由于信号光的波形恶化而通信质量降低的问题，是阻碍高速光通讯的的一主要因素。

在此，长度L的光纤中信号光的非线性相移用下式表示。

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{NL}}\left(L\right)=\frac{2\mathrm{\π}{n}_2}{{\mathrm{\λ}}_S{A}_{\mathrm{eff}}}{\∫}_0^L{P}_S\left(z\right)\mathrm{dz}$

P_S是信号光功率，λ_S是信号光波长，n2是光纤的非线性折射率，Aeff是光纤的有效芯断面积，(2π/λ_S)·(n2/Aeff)是光纤的非线性参数γ。非线性光学现象的自身相位调制和相互相位调制等根据上式是光纤的非线性参数γ越大越容易发生。非线性参数γ((2π/λ_S)·(n2/Aeff))对喇曼增益效率(GR/Aeff)是成比例地变大，所以当为了提高喇曼放大器的效率而增大高非线性光纤的喇曼增益效率时，非线性参数γ也增大，就发生大的非线性相移。

换言之，非线性相移是模场直径MFD(Aeff)越小越容易发生，而且是光纤中心芯的锗浓度越高越容易发生，喇曼放大大的光纤一般地非线性折射率n2大，所以在得到大的喇曼放大的同时也发生大的非线性相移。

发明内容

本发明是鉴于上述而开发的，其目的在于提供一种在抑制非线性相移的同时能得到足够喇曼放大的光纤、光纤模块和喇曼放大器。

本发明的光纤，包括：中心部具有α型分布的第一芯区域；包围所述第一芯区域的第二芯区域，该第二芯区域的折射率低于所述第一芯区域；包围所述第二芯区域的包层，该包层的折射率低于所述第一芯区域而高于所述第二芯区域，其特征在于，所述第一芯区域与所述包层的折射率差Δ1是2.4％或者2.8％，喇曼增益系数对有效芯断面积的比的喇曼增益效率是4或者4以上，非线性参数对所述喇曼增益效率的比是3或者3以下，波长1550nm的有效芯断面积对波长1450nm的有效芯断面积的比是1.2或者1.2以上。

为达到所述目的，本发明的光纤其喇曼增益系数对有效芯断面积的比，即喇曼增益效率是4或者4以上，非线性参数γ对所述喇曼增益效率的比是3或者3以下，波长1550nm的有效芯断面积对波长1450nm的有效芯断面积的比是1.2或者1.2以上。

本发明的光纤在所述发明中其波长1450nm的有效芯断面积是9.0μm²或者9.0μm²以下，且其波长1550nm的有效芯断面积是11.0μm²或者11.0μm²以上。

本发明的光纤在所述发明中其喇曼增益效率是6.5或者6.5以上，其非线性参数的值是20或者20以下。

本发明的光纤在所述发明中其模场直径大致在10μm或者10μm以上，且其具备设置在连接于该光纤上的单模光纤与该光纤的输入端和/或输出端之间进行变换模场直径的连接装置。

本发明的光纤模块具备所述光纤。

本发明的喇曼放大器具备所述光纤模块。

附图说明

图1是表示本发明实施例喇曼放大器结构的方块图；

图2是表示图1所示的喇曼放大器中使用的放大用光纤折射率曲线图；

图3是表示图1所示的喇曼放大器中使用的放大用光纤的一例和现有放大用光纤特性的图；

图4是表示传播折射率的比与有效芯断面积的比的关系的图；

图5是表示传播折射率与有效芯断面积的芯径依赖性的图；

图6是表示传播折射率的比的芯径依赖性的图；

图7是表示图1所示的喇曼放大器中使用的放大用光纤其他折射率曲线图；

图8是表示图7所示的放大用光纤特性的图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施例。图1是表示本发明实施例喇曼放大器结构的方块图。该喇曼放大器1是集中型的喇曼放大器，其具有光纤模块2。信号光输入端子Tin通过光连接器3a和隔离器4a连接在光纤模块2上。光纤模块2通过隔离器4b和光连接器3b把放大了的信号光连接在输出端子Tout上。光连接器3b与激励激光器5连接，并把来自该激励激光器5激励光输出到光纤模块2一侧。

光纤模块2具有卷绕在骨架上的后述的放大用光纤2a，并且在各隔离器4a、4b侧的单模光纤(SMF)光纤2b与放大用光纤2a之间具有进行变换模场直径用的变换部2c。单模光纤的模场直径是约10μm左右，放大用光纤2a的模场直径是约4μm左右。

从端子Tin输入的信号光通过光连接器3a和隔离器4a输入到光纤模块2内的放大用光纤2a。放大用光纤2a通过从激励激光器5输入的激励光把放大用光纤2a内变成能放大的状态，并把输入的信号光放大，然后通过隔离器4b和光连接器3b从端子Tout输出。

图2表示放大用光纤2a的折射率曲线图。该放大用光纤2a具有所谓的W型曲线图，在中心部具有α型的折射率分布，具有比包层高的折射率的第一芯区域，在其外周具有比包层低的折射率的第二芯区域。第一芯区域的径是“a”，第二芯区域的径是“b”。包层区域与第一芯区域折射率的差是“Δ1”，包层区域与第二芯区域折射率的差是“Δ2”。包层一般来说实际上是由纯石英构成，但也可以掺杂氟。

图3是表示各种放大用光纤2a特性的图，“A”～“D”的放大用光纤是该实施例的光纤，“E”和“F”的放大用光纤是用于比较的现有光纤。图3中表示了对各放大用光纤“A”～“F”的折射率差Δ1、Δ2，第一芯径a对第二芯径b的比a/b，波长1550nm的传送损失，截止波长λc，喇曼增益效率(GR/Aeff)，非线性参数γ(＝(2π/λS)·(n2/Aeff))，1550nm(信号光)和1450nm(激励光)中的有效芯断面积Aeff，波长1550nm的有效芯断面积Aeff对1450nm的有效芯断面积Aeff的比，和对喇曼增益效率(GR/Aeff)的非线性参数γ，的各值。

在此，所说的截止波长λc是指ITU-T(国际电气通信联合会)G.650中定义的光纤截止波长λc。另外，本说明书中没有特别定义的用语则依从ITU-T G.650.1中的定义和测量方法。

这些光纤所有的包层实际上是由纯石英构成的。

如图3所示，该实施例的放大用光纤“A”～“D”其各自的喇曼增益效率(GR/Aeff)在4(m/W)或者4(m/W)以上，非线性参数γ对喇曼增益效率(GR/Aeff)的比在3或者3以下。波长1550nm的有效芯断面积Aeff对1450nm的有效芯断面积Aeff的比在1.2或者1.2以上。波长1450nm的有效芯断面积Aeff是9.0μm²或者9.0μm²以下，波长1550nm的有效芯断面积Aeff是11.0μm²或者11.0μm²以上。

现有的放大用光纤“E”的喇曼增益效率(GR/Aeff)与放大用光纤“A”～“D”的喇曼增益效率(GR/Aeff)相比虽然大，但是随着该增大的部分，放大用光纤“E”的非线性参数γ的值也大，成为非线性相移容易发生的状态。与此相反，放大用光纤“A”～“D”抑制了喇曼增益效率(GR/Aeff)，非线性参数γ变小，抑制了非线性相移的发生。

实际上是把放大用光纤“D”作为放大用光纤2a使用来构成图1所示的喇曼放大器。能实现把500mW的1450nm激励光射入时可得到约20dB净增益的喇曼放大器。通过把由变换部2c引起的连接损失抑制在0.1dB，能提高喇曼放大器1整体的特性。

在此，由使用了放大用光纤“D”的喇曼放大器1产生的20dB净增益一般来说对弥补80km传送路的损失是足够的增益。相反地，使用了现有放大用光纤“E”的喇曼放大器的情况是用440mW的激励光能确认有足够的增益，但信号光的非线性失真大。使用了放大用光纤“D”时的非线性失真与使用了放大用光纤“E”时的非线性失真相比减少了15％。这是具有足够喇曼增益效率(GR/Aeff)的同时还能降低非线性参数γ的效果。相对于非线性参数γ依赖于信号带的有效芯断面积Aeff来说，喇曼增益效率(GR/Aeff)依赖于信号带的有效芯断面积Aeff与激励带的有效芯断面积Aeff的相互作用。即之所以能得到上述那样的效果是只有把信号带的有效芯断面积Aeff对激励带的有效芯断面积Aeff的比设定在1.2倍以上的缘故。

放大用光纤“A”～“C”的喇曼增益效率(GR/Aeff)不到6.5，为了得到20dB的净增益就需要700mW的大功率激励。但非线性相移量与放大用光纤“D”是同等的，只要能实现便宜的大功率激光器，其就是十分现实的。相反，现有的放大用光纤“F”其原来的非线性参数γ就大，所以即使进行大功率激励，非线性相移也大，使用困难。

在此汇总一下所述实施例的考虑方法。首先，非线性相移取决于信号带的非线性折射率n2和有效芯断面积Aeff，喇曼放大取决于喇曼增益效率(GR/Aeff)。激励光输出能通过提高激励激光器而变大。但超过1W的，在安全性上有问题，不能作为分布喇曼放大的用途使用。集中喇曼放大中激励光不向喇曼放大器1的模块外部泄露，所以考虑不太有问题。但在分布喇曼放大中不使用的大功率激励激光器考虑其有特殊用途，在现时刻不能预见其成本降低。因此作为集中喇曼放大器1的放大用光纤2a就希望用800mW左右的激励光能得到足够放大的喇曼增益效率。为了构成得到20dB放大的集中喇曼放大器，就必须有4(m/W)的喇曼增益效率。

如上所述，作为喇曼放大器中的问题是非线性相移。非线性相移和喇曼增益效率都是有关非线性现象的参数，一般来说，要增大喇曼增益效率时非线性相移也变大。现有的光纤要得到4(m/W)的喇曼增益效率时则非线性参数(γ)就是其3倍以上。

为了避开这点，如上所述，通过增大1450nm与1550nm的有效芯断面积Aeff的差就能避开。现有喇曼放大用的放大用光纤为了把喇曼放大变成最大，其目标是缩小1450nm与1550nm的有效芯断面积Aeff的差而高效地把1450nm的功率迁移到1550nm上。

这是由于把1450nm的功率迁移到1550nm上时，当1450nm的激励光与1550nm的信号光的有效芯断面积Aeff的值相近，则各波长的光能容易相互影响的缘故。即目标是通过缩小1450nm与1550nm的各有效芯断面积Aeff的值或缩小两者的差来提高喇曼增益效率。

但作为与信号带的有效芯断面积Aeff变小和喇曼放大变大的交换，是非线性参数γ也变大。因此还是信号带的有效芯断面积Aeff增大有利。若是谋求一边扩大信号带的有效芯断面积Aeff，一边缩小激励带的有效芯断面积Aeff的话，则就避开了信号带中的非线性相移，并且至少能使激励带的功率集中，所以能维持喇曼放大。

图7表示与放大用光纤2a的图2所示的折射率曲线图不同的其他的折射率曲线图。该放大用光纤2a具有所谓的W弓型曲线图，在中心部具有α型的折射率分布，具有比包层高的折射率的第一芯区域，在其外周具有比包层低的折射率的第二芯区域，而且在第二芯区域的外周具有第三芯区域，该第三芯区域具有比第一芯区域低但比包层高的折射率。第一芯区域的径是“a”，第二芯区域的径是“b”，第三芯区域的径是“c”。包层区域与第一芯区域的折射率的差是“Δ1”，包层区域与第二芯区域的折射率的差是“Δ2”，与第三芯区域的折射率的差是“Δ3”。包层一般来说实际上是由纯石英构成，但也可以掺杂氟。

图4表示具有W弓型曲线图的放大用光纤中在定为Δ1＝2.8％，Δ2＝0.25％，Δ3＝0.4％，a/b＝0.45，c/b＝1.3时的1550nm对1450nm传播折射率的比与1550nm对1450nm有效芯断面积Aeff的关系。如图4所示，放大用光纤的1450nm和1550nm各有效芯断面积Aeff的比在1.1左右表示出下限。该值随折射率曲线图的形状等的变化而变化，但作为放大用光纤在具有合适特性的光纤中一般是在1.1左右成为下限。

有助于喇曼增益的有效芯断面积Aeff由于对信号带和激励带这两者给予影响，所以能通过缩小激励带的有效芯断面积Aeff，不太缩小信号带有效芯断面积Aeff而得到有效的增益。即通过一边保持喇曼增益效率在4(m/W)或者4(m/W)以上，一边使该有效芯断面积Aeff的比成为1.2或者1.2以上，就能构成一边完成降低非线性效果一边能得到足够喇曼放大的集中喇曼放大器。

如图4所示，放大用光纤的1450nm和1550nm的各有效芯断面积Aeff的比，通过增大1450nm与1550nm的各传导折射率的比的增大而增大。该曲线图中通过使传导折射率的比成为0.9982以上就能使所述有效芯断面积Aeff的比成为1.2或者1.2以上。

图5表示传导折射率与有效芯断面积的芯径依赖性。在此芯径是指第二芯区域的径“b”。当放大用光纤的芯径变小，则传导折射率变小，当传导折射率与包层的折射率一致时则芯变得不能关闭光，作为光纤的功能消失。一般来说，传导折射率变小则有效芯断面积Aeff如图5那样急剧地变大。传导折射率具有波长依赖性，所以能用两个波长附加有效芯断面积Aeff的差。如图6所示，一般来说芯径为小的时，两波长的传导折射率的差就小。

图8表示具有图7所示折射率曲线图的放大用光纤的特性。这些光纤所有的包层实际上是由纯石英构成的。如图8所示，该实施例的放大用光纤“G”～“I”其各自的喇曼增益效率(GR/Aeff)在4(m/W)或者4(m/W)以上，非线性参数γ对喇曼增益效率(GR/Aeff)的比在3或者3以下。波长1550nm的有效芯断面积Aeff对波长1450nm的有效芯断面积Aeff的比在1.2或者1.2以上。波长1450nm的有效芯断面积Aeff是9.0μm²或者9.0μm²以下，波长1550nm的有效芯断面积Aeff是11.0μm²或者11.0μm²以上。

因此具有图7所示的折射率曲线图的放大用光纤也与图2所示放大用光纤同样地在得到足够的喇曼增益效率的同时能降低非线性相移。

Claims (12)

1、一种光纤，包括：

中心部具有α型分布的第一芯区域；

包围所述第一芯区域的第二芯区域，该第二芯区域的折射率低于所述第一芯区域；

包围所述第二芯区域的包层，该包层的折射率低于所述第一芯区域而高于所述第二芯区域，其特征在于，所述第一芯区域与所述包层的折射率差Δ1是2.4％或者2.8％，

喇曼增益系数对有效芯断面积的比的喇曼增益效率是4或者4以上，非线性参数对所述喇曼增益效率的比是3或者3以下，波长1550nm的有效芯断面积对波长1450nm的有效芯断面积的比是1.2或者1.2以上。

2、如权利要求1所述的光纤，其特征在于，波长1450nm的有效芯断面积是9.0μm²或者9.0μm²以下，且其波长1550nm的有效芯断面积是11.0μm²或者11.0μm²以上。

3、如权利要求1所述的光纤，其特征在于，喇曼增益效率是6.5或者6.5以上，非线性参数的值是20或者20以下。

4、如权利要求1所述的光纤，其特征在于，模场直径大致在10μm或者10μm以上，且具备连接装置，其设置在连接于该光纤上的单模光纤与该光纤的输入端和/或输出端之间进行变换模场直径。

5、一种光纤模块，其特征在于，

中心部具有α型分布的第一芯区域；

包围所述第一芯区域的第二芯区域，该第二芯区域的折射率低于所述第一芯区域；

包围所述第二芯区域的包层，该包层的折射率低于所述第一芯区域而高于所述第二芯区域，其特征在于，所述第一芯区域与所述包层的折射率差Δ1是2.4％或者2.8％，

喇曼增益系数对有效芯断面积的比的喇曼增益效率是4或者4以上，非线性参数对所述喇曼增益效率的比是3或者3以下，所述光纤其波长1550nm的有效芯断面积对波长1450nm的有效芯断面积的比是1.2或者1.2以上。

6、如权利要求5所述的光纤模块，其特征在于，所述光纤的波长1450nm的有效芯断面积是9.0μm²或者9.0μm²以下，且波长1550nm的有效芯断面积是11.0μm²或者11.0μm²以上。

7、如权利要求5所述的光纤模块，其特征在于，所述光纤的喇曼增益效率是6.5或者6.5以上，非线性参数的值是20或者20以下。

8、如权利要求5所述的光纤模块，其特征在于，模场直径大致在10μm或者10μm以上，且具备连接装置，其设置在连接于该光纤上的单模光纤与该光纤的输入端和/或输出端之间进行变换模场直径。

9、一种喇曼放大器，其特征在于，中心部具有α型分布的第一芯区域；

包围所述第一芯区域的第二芯区域，该第二芯区域的折射率低于所述第一芯区域；

包围所述第二芯区域的包层，该包层的折射率低于所述第一芯区域而高于所述第二芯区域，其特征在于，所述第一芯区域与所述包层的折射率差Δ1是2.4％或者2.8％，

把激励光输入到喇曼增益系数对有效芯断面积的比的喇曼增益效率是4或者4以上、非线性参数对所述喇曼增益效率的比是3或者3以下的光纤中，以把信号光进行喇曼放大，所述光纤的波长1550nm的有效芯断面积对波长1450nm的有效芯断面积的比是1.2或者1.2以上。

10、如权利要求9所述的喇曼放大器，其特征在于，所述光纤的波长1450nm的有效芯断面积是9.0μm²或者9.0μm²以下，且波长1550nm的有效芯断面积是11.0μm²或者11.0μm²以上。

11、如权利要求9所述的喇曼放大器，其特征在于，所述光纤的喇曼增益效率是6.5或者6.5以上，非线性参数的值是20或者20以下。

12、如权利要求9所述的喇曼放大器，其特征在于，模场直径大致在10μm或者10μm以上，且具备连接装置，其设置在连接于该光纤上的单模光纤与该光纤的输入端和/或输出端之间进行变换模场直径。

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