CN107171169A - 组合拉曼泵浦源及拉曼放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种组合拉曼泵浦源，包括一个或多个1阶拉曼泵浦源，一个或多个2阶拉曼泵浦源……一个或多个N阶拉曼泵浦源，N≥2，以及一个宽带合波器；各拉曼泵浦源的输出端分别连接宽带合波器的各输入端；1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，2阶及2阶以上拉曼泵浦源采用相干激光光源；输入信号光频谱位于N阶相干激光光源频谱的N阶拉曼频移处，N≥2,同时，输入信号光频谱位于1阶非相干宽带光源频谱的1阶拉曼频移处。本发明最少仅采用两个光源就可以实现宽带平坦高增益光谱，降低了成本，且适合应用于多种泵浦方式的拉曼放大器，尤其适合于同向泵浦方式的拉曼放大器。

Description

组合拉曼泵浦源及拉曼放大器

技术领域

本发明涉及一种光传输设备，尤其是一种拉曼泵浦源。

背景技术

拉曼放大器近年来得到越来越广泛的应用。拉曼放大器是利用受激拉曼散射现象实现的光放大器。一个高功率的泵浦光和一个低功率的信号光被导入到同一传输光纤中，来自高功率的泵浦光的能量被转移到低功率的信号光中，这样就完成了信号光的放大；在典型情况下，高功率泵浦光的波长小于低功率信号光的波长，两者之差被设计成近似等于传输介质的斯托克斯转移；泵浦光和输入信号光可以采用同向传输或反向传输结构进入传输光纤，即分别对应于同向泵浦与反向泵浦的方式。

拉曼放大一般采用反向泵浦方式，也就是泵浦光从接收端进入增益光纤，其传输方向与信号光传输方向相反，这种泵浦方式应用比较普遍，因为泵浦光与信号光反向传输，从信号角度看总的放大效果时很多不同时刻的泵浦放大积累的效果，所以能有效平滑相对强度噪声和以泵浦为媒介的信号串扰；另外在放大区信号的功率不是很高，对泵浦的耗尽作用比较小，也能减小上述噪声和干扰的影响。

而同向泵浦，泵浦光从发射端与信号光一起进入光纤，由于信号光对泵浦有很强的耗尽作用，所以信号总功率的波动将引起泵浦相对强度噪声的增加，反过来，泵浦的相对强度噪声又会转移到信号光上，形成以泵浦为媒介的信号串扰；文献表明，为了保证Q值损伤不超过0.5dB，对于True-wave光纤，拉曼增益不得超过6dB, 而对SMF光纤拉曼增益则不允许大于10dB；

目前常采用的泵浦源有复用的半导体激光器组或者光纤激光器两种。半导体激光器属于相干光源，具有波长单色性好（光谱带宽窄），方向性好，相干性好等特点。由于半导体技术的成熟发展，商用半导体激光器最大已经可以达到500mW。拉曼放大器一般采用多个半导体激光器偏振复用的方法构成拉曼泵浦源，消除因泵浦偏振态差异而导致的偏振相关增益。

拉曼放大器的增益带宽可以通过选择泵浦源来灵活配置，而且采用多波长泵浦源还能实现宽带平坦增益特性。例如要获得1dB的平坦增益一般需要使用4～6个半导体激光器，如果想获得0.5dB的增益平坦度，一般需要使用8～10个不同波长的半导体激光器组合起来构成组合拉曼泵浦源。这样带来的问题是激光器泵浦源的成本代价太高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种组合拉曼泵浦源，最少仅采用两个光源就可以实现宽带平坦高增益光谱，降低了成本，且适合应用于多种泵浦方式的拉曼放大器，尤其适合于同向泵浦方式的拉曼放大器。本发明采用的技术方案是：

一种组合拉曼泵浦源，包括一个或多个1阶拉曼泵浦源，一个或多个2阶拉曼泵浦源……一个或多个N阶拉曼泵浦源，N≥2，以及一个宽带合波器；各拉曼泵浦源的输出端分别连接宽带合波器的各输入端；

1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，2阶及2阶以上拉曼泵浦源采用相干激光光源；

输入信号光频谱位于N阶相干激光光源频谱的N阶拉曼频移处，N≥2，同时，输入信号光频谱位于1阶非相干宽带光源频谱的1阶拉曼频移处。

进一步地，所述的组合拉曼泵浦源，包括一个1阶拉曼泵浦源，一个或多个2阶拉曼泵浦源，以及一个宽带合波器；各拉曼泵浦源的输出端分别连接宽带合波器的各输入端；

1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，2阶拉曼泵浦源采用相干激光光源；

输入信号光频谱位于2阶相干激光光源频谱的2阶拉曼频移处，同时，输入信号光频谱位于1阶非相干宽带光源频谱的1阶拉曼频移处。

更进一步地，相干激光光源的频率高于非相干宽带光源的频率，非相干宽带光源的频率高于信号光的频率；高阶的相干激光光源频率高于低阶的相干激光光源频率。

更进一步地，2阶拉曼泵浦源的中心波长位于1320nm～1380nm之间，带宽较窄，其3dB带宽为0.1～5nm之间；1阶拉曼泵浦源的中心波长在1400nm～1500nm之间，带宽较宽，其3dB带宽为10～100nm之间。

更优地，1阶拉曼泵浦源的中心波长在1420nm～1500nm之间，3dB带宽为20～50nm。

进一步地，如果组合拉曼泵浦源包括采用非相干宽带光源的1阶拉曼泵浦源和采用相干激光光源的2阶拉曼泵浦源，而不存在3阶或以上采用相干激光光源的拉曼泵浦源时，相干激光光源的功率大于非相干宽带光源的功率。

进一步地，当N≥3时，高阶的相干激光光源功率大于低阶的相干激光光源功率。

进一步地，宽带合波器各输入端允许通过与之对应连接的拉曼泵浦源波长范围的光，而对其它波长范围的光阻碍通过；公共端允许透过与各输入端连接的所有拉曼泵浦源波长范围的光。

一种同向拉曼放大器，包括发射端、功率放大器、信号泵浦合波器、所述的组合拉曼泵浦源、传输光纤、前置放大器、接收端；

发射端通过光纤连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第一端，所述组合拉曼泵浦源的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第二端；信号泵浦合波器的公共端通过传输光纤连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端通过光纤连接接收端。

一种反向拉曼放大器，包括发射端、功率放大器、传输光纤、信号泵浦合波器、所述的组合拉曼泵浦源、前置放大器、接收端；

发射端通过光纤连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过传输光纤连接信号泵浦合波器的公共端；信号泵浦合波器的第一端通过光纤连接前置放大器的输入端；所述组合拉曼泵浦源的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第二端；前置放大器的输出端通过光纤连接接收端。

本发明的优点在于：

（1）运用相干光源和非相干光源结合构成的组合拉曼泵浦源充分利用了相干光源单色性好，相位一致和高功率输出的特点，同时利用了非相干光源宽带宽的特点，只用两个光源就可以实现宽带平坦高增益光谱。

（2）克服了传统单一相干光源构成的拉曼泵浦源在光纤中功率密度过高引起的受激布里渊散射,拉曼激射等非线性现象，能够获得更高的拉曼增益；而且结合(1)的优点,可以获得更高更宽的拉曼增益光谱。

（3）通过选择相干光源和非相干光源的频率使其构成的级联拉曼频移，使信号在光纤传输中功率更加平稳，噪声指数更低。

（4）利用相干光源和非相干光源结合的方式，克服了现有的同向拉曼泵浦传输过程中固有的泵浦-泵浦,泵浦-信号,泵浦-信号-泵浦引起的噪声串扰等问题，使同向拉曼增益达到25dB，接收端光信噪比OSNR提高5dB以上，获得了更好的传输效果；与传统泵浦方式相比，不仅节省了拉曼放大器的成本，同时使系统传输性能得到大幅度提高，传输距离延长30km以上。

（5）本发明提出了一种优化的泵浦源结构，通过采用数量不多的光源就可以获得较高的平坦增益光谱，节省了成本。

（6）本发明的组合拉曼泵浦源适合各种泵浦方式的拉曼放大器（包括同向泵浦，反向泵浦，双向泵浦结构，以及遥泵拉曼放大器结构），而且在同向泵浦结构中优势更为明显，能够获得比传统拉曼放大器（只采用相干光源做泵浦源）更好的放大器特性和系统传输特性。

（7）本发明中的拉曼泵浦源具有易于实现的特点。高阶采用相干光源，低阶采用非相干光源，与市场实际供应情况契合。一般非相干光源功率很难达瓦级以上，而相干光源非常容易实现高功率，而且价格较为便宜。

附图说明

图1a为传统采用相干光源组合而成的2阶拉曼放大器结构示意图。

图1b为传统采用相干光源组合成2阶拉曼放大器的光谱图。

图1c为传统的相干光源的2阶拉曼放大器的增益光谱图。

图2a为本发明的组合拉曼泵浦源的结构示意图。

图2b为本发明的组合拉曼泵浦源的平坦增益光谱图。

图3a为本发明一个实例中的2阶拉曼泵浦源的光谱图。

图3b为本发明的一个拉曼泵浦频移的示意图。

图4为应用本发明的一个同向拉曼放大器的实例图。

图5为应用本发明的一个反向拉曼放大器的实例图。

图6为应用本发明的一个双向拉曼放大器的实例图。

图7为应用本发明的一个遥泵拉曼放大器的实例图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1a所示的一种2阶拉曼放大器需要6个相干光源作为泵浦源，其中1阶拉曼泵浦源4个，波长分别为1425nm，1435nm，1445nm，1455nm；2阶拉曼泵浦源为2个，波长分别为1340nm, 1360nm；图1a中的IPBCD1、IPBCD2为隔离偏振泵浦合波器，MUX1和MUX2为宽带合波器；

高阶拉曼泵浦频移的原理是用高功率短波长的泵浦光通过增益光纤功率转移给长波长的泵浦光，然后再用长波长的泵浦光来泵浦信号光；2阶拉曼泵浦频移的原理如图1b所示，波长15xx纳米的信号光频谱位于波长13xx纳米泵浦光频谱的2阶拉曼频移处，波长15xx纳米的信号光频谱位于波长14xx纳米泵浦光频谱的1阶拉曼频移处；泵浦的转移过程是从13xx->14xx->15xx纳米；

图1a所示的2阶拉曼放大器的增益光谱图参见图1c，从图1c中可见，其增益平坦度的指标如果要求严格的话，还需要更多的相干光源作为泵浦源；

本发明提出的组合拉曼泵浦源，如图2a所示，包括一个或多个1阶拉曼泵浦源，一个或多个2阶拉曼泵浦源……一个或多个N阶拉曼泵浦源，N≥2，以及一个宽带合波器；该组合拉曼泵浦源最少只需要一个1阶拉曼泵浦源，一个2阶拉曼泵浦源和一个宽带合波器；图2a中亦示意了本发明在同向拉曼放大器中的位置；各拉曼泵浦源的输出端分别连接宽带合波器的各输入端；

1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，2阶及2阶以上拉曼泵浦源采用相干激光光源；相干激光光源为激光器类型,可以选择拉曼光纤激光器或者半导体激光器,具有单色性好,相位一致,输出功率高等特点；非相干宽带光源为普通宽带光源,具有光谱宽度宽等特点，可采用自发辐射光源，LED光源等；其中在频率选择上具有如下的特征：

输入信号光频谱位于N阶相干激光光源频谱的N阶拉曼频移处，N≥2，同时，输入信号光频谱位于1阶非相干宽带光源频谱的1阶拉曼频移处；相干激光光源的频率高于非相干宽带光源的频率，非相干宽带光源的频率高于信号光的频率；高阶的相干激光光源频率高于低阶的相干激光光源频率。

当相干激光光源和非相干宽带光源的光共同进入增益传输光纤后，首先高阶的相干激光光源通过拉曼频移效应将其功率逐阶转移到低阶的相干激光光源，然后2阶相干激光光源将其功率转移到1阶非相干宽带光源频谱上对非相干宽带光源进行放大，放大后的非相干宽带光源功率得到提高后又进一步通过拉曼频移将功率转移给输入信号光；

单纯的非相干光源虽然可以获得较为平坦的增益谱，但是由于光谱宽度很宽，所以光功率是分散的，光谱密度也非常低,所以很难获得较高的拉曼增益，也就是说泵浦效率比较低。利用相干光源与非相干光源结合的方式，尤其是本发明所述的高频采用相干光源，低频采用非相干光源的方法，即可以获得平坦增益又能获得高增益,泵浦转换效率非常高。另一方面，结合目前市场供应的光源的形势，高频的拉曼激光器非常容易获得数十瓦的高功率，而低频的非相干光源功率一般很难达到瓦级。所以说本发明是结合现实情况提出的有效方案，更加适合实际情况,也更加容易实施。

以下是一个组合拉曼泵浦源的实例，包括一个1阶拉曼泵浦源，2个2阶拉曼泵浦源，以及一个宽带合波器；该组合拉曼泵浦源实现的宽带平坦增益光谱图参见图2b；

2个2阶拉曼泵浦源采用半导体激光器或拉曼光纤激光器，能够提供瓦级以上的足够高的泵浦功率；激光器具有单色性好，相位一致，输出功率高的特点；同时其RIN（相对强度噪声）噪声指数比较低，一般小于-110dB/Hz；

2阶拉曼泵浦源为相干光源，其频率高于采用非相干宽带光源的1阶拉曼泵浦源，2阶拉曼泵浦源频率选择的方案是让信号光位于其斯托克斯频移处，即令输入信号光频谱位于高频的2阶拉曼泵浦源（相干激光光源）的2阶拉曼频移处。

2个2阶拉曼泵浦源的光谱如图3a所示，波长分别为1340nm和1360nm；典型地，2阶拉曼泵浦源的中心波长位于1320nm～1380nm之间；2阶拉曼泵浦源的带宽较窄，其3dB带宽为0.1～5nm之间；

低频的1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，比如波长14xx nm的自发辐射光源（非激光器）或LED光源，非相干宽带光源的中心波长在1400nm～1500nm之间，非相干宽带光源具有光谱带宽宽，带宽10～100nm之间，相位杂乱等特点。非相干宽带光源的中心波长优选在1420m～1500nm之间，非相干宽带光源的典型3dB带宽例如20～50nm；其RIN噪声指数低于-110GHz。其频率选择方案在于：输入信号光频谱位于非相干宽带光源的1阶拉曼频移处；所以非相干泵浦源可对光信号直接放大，放大后的信号光谱具有带宽宽，增益平坦的特点；本发明中仅采用一个非相干光源就可以代替传统方案中若干个半导体激光器获得宽带平坦增益光谱；所以本发明具有低成本的特点。

非相干光源具有宽带光谱等特点。利用光源宽带光谱的特点，不仅可以大大减少泵浦源中激光器的数量，而且因为非相干光源的宽光谱特性可以有效降低光纤中的SBS（受激布里渊散射）损伤。由于非相干泵浦的相位杂散的特点，可以有效抑制同向拉曼传输中泵浦-泵浦，泵浦-信号之间ASE(放大器自发辐射)噪声之间的四波混频（FWM）等非线性效应。

宽带合波器能够将高频的相干激光光源和低频的非相干宽带光源的光合成一束光，宽带合波器能够将不同波长的光合成一束，各输入端允许通过与之对应连接的拉曼泵浦源波长范围的光，而对其它波长范围的光阻碍通过；公共端允许透过与各输入端连接的所有拉曼泵浦源波长范围的光；比如，其中一个输入端可以通过1320～1380nm的光，另外一个输入端可以通过1400～1500nm的光，其公共端,允许1320～1380nm &1400～1500nm波长的光透过。

运用该组合拉曼泵浦源构成的一个同向拉曼放大器（或称为前向拉曼放大器）的实例如图4所示，包括发射端、功率放大器、信号泵浦合波器、组合拉曼泵浦源、传输光纤、可选的前置放大器、接收端；发射端通过光纤连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第一端，组合拉曼泵浦源的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第二端；信号泵浦合波器的公共端通过传输光纤连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端通过光纤连接接收端；

传统拉曼前向放大由于泵浦光和信号光同时注入光纤，由于相干光源的带宽很窄，只有2nm左右，所以其光谱密度很高，非常容易达到非线性阈值，在光纤中产生严重的非线性；光纤中的非线性效应将引起信道间串扰和能量损失，影响信号的传输质量，限制系统的传输速率和传输距离；采用本发明的技术方案，1阶拉曼泵浦源采用宽带的非相干光源，光谱带宽可以达几十纳米，光谱密度低不容易达到非线性阈值，进而避免在光纤中产生非线性效应。另外一方面，本发明中2阶以上拉曼泵浦源采用采用高功率的相干泵浦源，1阶采用非相干的宽带泵浦源，这种组合方式尤其适合前向泵浦方式。这种组合方式降低了对1阶拉曼泵浦源的功率要求，因为在传输光纤中2阶泵浦源的功率通过拉曼频移转移给1阶泵浦源，这种转移是在传输中逐步进行的，所以光纤中各处都不会出现大的1阶泵浦功率，同理，1阶泵浦源将功率也是通过拉曼频移逐渐转移到信号光波长上，这种功率转移也是在光纤中逐步进行的。通过这种方式不仅可以获得平坦的信号增益光谱，而且信号在光纤中的传输过程都是处处均匀的，有效地避开了光纤中非线性效应。同时，将这种泵浦源应用到前向传输的系统中，降低前向的ASE噪声功率。

本发明与采用普通的半导体激光器泵浦构成的前向泵浦方式（增益低于10dB）相比，前向拉曼增益达到20dB以上，系统传输余量增加6dB，传输距离增加30km以上；光信噪比OSNR提高5dB以上。

如果组合拉曼泵浦源包括采用非相干宽带光源的1阶拉曼泵浦源和采用相干激光光源的2阶拉曼泵浦源，而不存在3阶或以上采用相干激光光源的拉曼泵浦源时，相干激光光源的功率大于非相干宽带光源的功率。

当组合拉曼泵浦源中还包括3阶或以上采用相干激光光源的拉曼泵浦源时，高阶的相干激光光源功率大于低阶的相干激光光源功率，效果会更佳；而2阶拉曼泵浦源的功率可以小于1阶拉曼泵浦源（非相干宽带光源）的功率；如图3b所示，λ_signal为信号光波长，λ_1st、λ_2nd、λ_3rd分别为1阶、2阶、3阶拉曼泵浦源的光波长；

运用该组合拉曼泵浦源构成的反向拉曼放大器如图5所示，包括发射端、功率放大器、传输光纤、信号泵浦合波器、所述的组合拉曼泵浦源、前置放大器、接收端；发射端通过光纤连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过传输光纤连接信号泵浦合波器的公共端；信号泵浦合波器的第一端通过光纤连接前置放大器的输入端；所述组合拉曼泵浦源的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第二端；前置放大器的输出端通过光纤连接接收端。

运用该组合拉曼泵浦源构成的双向拉曼放大器如图6所示；其就是同向拉曼放大器和反向拉曼放大器的结合；

该组合拉曼泵浦源也可运用在遥泵方式的拉曼放大器，如图7所示，该组合拉曼泵浦源首先为传输光纤2提供反向的拉曼泵浦光源，在传输光纤2中产生后向拉曼增益；传输光纤2的长度一般为70～120km。同时该组合拉曼泵浦源还是远程增益模块的远程泵浦源，图7中的掺饵光纤作为远程增益模块。泵浦光通过传输光纤2后还剩余部分泵浦功率，用来作为掺铒光纤的泵浦，在掺铒光纤中产生较大的铒纤增益。

Claims (10)

1.一种组合拉曼泵浦源，其特征在于，包括一个或多个1阶拉曼泵浦源，一个或多个2阶拉曼泵浦源……一个或多个N阶拉曼泵浦源，N≥2，以及一个宽带合波器；各拉曼泵浦源的输出端分别连接宽带合波器的各输入端；

1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，2阶及2阶以上拉曼泵浦源采用相干激光光源；

输入信号光频谱位于N阶相干激光光源频谱的N阶拉曼频移处，N≥2，同时，输入信号光频谱位于1阶非相干宽带光源频谱的1阶拉曼频移处。

2.如权利要求1所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，包括一个1阶拉曼泵浦源，一个或多个2阶拉曼泵浦源，以及一个宽带合波器；各拉曼泵浦源的输出端分别连接宽带合波器的各输入端；

1阶拉曼泵浦源采用非相干宽带光源，2阶拉曼泵浦源采用相干激光光源；

输入信号光频谱位于2阶相干激光光源频谱的2阶拉曼频移处，同时，输入信号光频谱位于1阶非相干宽带光源频谱的1阶拉曼频移处。

3.如权利要求1或2所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，

相干激光光源的频率高于非相干宽带光源的频率，非相干宽带光源的频率高于信号光的频率；

高阶的相干激光光源频率高于低阶的相干激光光源频率。

4.如权利要求3所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，

2阶拉曼泵浦源的中心波长位于1320nm～1380nm之间，带宽较窄，其3dB带宽为0.1～5nm之间；1阶拉曼泵浦源的中心波长在1400nm～1500nm之间，带宽较宽，其3dB带宽为10～100nm之间。

5.如权利要求4所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，

1阶拉曼泵浦源的中心波长在1420nm～1500nm之间，3dB带宽为20～50nm。

6.如权利要求2所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，

相干激光光源的功率大于非相干宽带光源的功率。

7.如权利要求6所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，

当N≥3时，高阶的相干激光光源功率大于低阶的相干激光光源功率。

8.如权利要求1或2所述的组合拉曼泵浦源，其特征在于，

宽带合波器各输入端允许通过与之对应连接的拉曼泵浦源波长范围的光，而对其它波长范围的光阻碍通过；公共端允许透过与各输入端连接的所有拉曼泵浦源波长范围的光。

9.一种同向拉曼放大器，其特征在于，包括发射端、功率放大器、信号泵浦合波器、如权利要求1～8中任一项所述的组合拉曼泵浦源、传输光纤、前置放大器、接收端；

发射端通过光纤连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第一端，所述组合拉曼泵浦源的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第二端；信号泵浦合波器的公共端通过传输光纤连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端通过光纤连接接收端。

10.一种反向拉曼放大器，其特征在于，包括发射端、功率放大器、传输光纤、信号泵浦合波器、如权利要求1～8中任一项所述的组合拉曼泵浦源、前置放大器、接收端；

发射端通过光纤连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过传输光纤连接信号泵浦合波器的公共端；信号泵浦合波器的第一端通过光纤连接前置放大器的输入端；所述组合拉曼泵浦源的输出端通过光纤连接信号泵浦合波器的第二端；前置放大器的输出端通过光纤连接接收端。