CN107438928B - 高阶无种子拉曼泵浦 - Google Patents

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Abstract

将光纤光学地耦合到光学复用器。第一波长选择反射器和第二波长选择反射器形成在所述光纤上。第一波长选择反射器被配置为反射第一波长的辐射，并且第二波长选择反射器被配置为反射第二波长的辐射，其中第二波长比第一波长更长。在用作分布式瑞利反射镜的传输光纤以及第一波长选择反射器和第二波长选择反射器之间形成谐振激光腔。所述第一波长选择反射器和第二波长选择反射器以及所述光纤被配置为使得传输光纤中的拉曼散射和增益将泵浦波长小于第一波长的泵浦辐射转换成第一波长的辐射，并且还将第一波长的辐射转换为第二波长的辐射。

Description

高阶无种子拉曼泵浦
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月31日提交的美国临时专利申请号62/141,155的权益，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的方面涉及光纤拉曼放大器和包括这种放大器的光纤通信系统，更具体地，涉及对光通信系统的传输光纤进行泵浦。
背景技术
在拉曼放大器中，信号通过基于受激拉曼散射(SRS)的拉曼放大来增强。当较高频率ωp的入射泵浦光子释放其能量以产生较低频率ωs的能量减小的另一光子(信号)时(非弹性散射)，这种类型的散射发生在非线性介质中；其余能量ωp-ωs以分子振动的形式被介质吸收(光学光子)。拉曼放大效应可以通过光纤内的信号与泵浦激光之间的非线性相互作用来实现。在光通信中使用拉曼放大以提供全波段波长覆盖和在线内分布式(in-linedistributed)信号放大。具体地，光传输光纤可以用作用于拉曼放大的非线性介质。用正确频率的辐射对传输光纤进行泵浦产生对在传输光纤中行进的光信号的放大。
泵浦光可以耦合到传输光纤中，并且沿着与信号相同的方向(同向泵浦)、相反的方向(反向泵浦)或两个方向行进。由于减少了从泵浦到信号的噪声传递，反向泵浦更为普遍。
拉曼放大的主要优点是其能够在传输光纤内提供分布式放大，从而增加放大器与再生位置之间的跨度(span)长度。拉曼放大器的放大带宽由所使用的泵浦波长限定，因此相较于依赖于掺杂剂和器件设计来限定放大“窗口”的其他放大器类型，拉曼放大器可以在更宽且不同的区域上提供放大。
拉曼放大器有一些基本优点。首先，拉曼增益存在于每个光纤中，这样从终端提供了一种经济有效的升级方式。其次，所述增益是非共振的，这意味着增益可用于范围大约为0.3到2μm的光纤的整个透明区域上。拉曼放大器的第三个优点在于可以通过调节泵浦波长来调整增益谱。例如，可以使用多个泵浦线路来增加光学带宽，并且泵的分配确定了增益平坦度。拉曼放大的另一个优点在于它是带宽＞5THz的相对宽带的放大器，并且增益在较宽波长范围内相当平坦。
针对特定波长频带内的信号在传输光纤中产生拉曼增益要求：在从信号波长向下偏移与该光纤的特征拉曼位移相对应的量的波长下，以相对较高的功率级别(数百毫瓦)对光纤进行泵浦。对于典型的二氧化硅纤维，拉曼增益谱包括以约440cm-1的偏移为中心的相对较宽的波段。因此，为了针对C波段(1530至1565nm)内的信号提供增益，例如需要1455nm区域的泵浦能量。
在典型的现有分布式拉曼放大实施例中，大功率激光源(例如，中心波长为约1455nm的拉曼光纤激光器)或波长在1455nm区域内的复用激光二极管组的输出是从接收端或中继端发射的，以对光纤进行泵浦并为输入的C波段信号提供增益。为了扩展大容量WDM系统的放大带宽，通过使用多个拉曼激光器(每个具有预定功率和波长)或通过多路复用特定波长和功率的附加激光二极管来扩展所发射的泵浦光谱。
在拉曼激光器中，基本光放大机制是受激拉曼散射。相比之下，大多数“常规”激光器依赖于受激电子跃迁来对光进行放大。拉曼激光器是光泵浦的。然而，这种泵浦不像常规激光器那样产生粒子数反转。相反，泵浦光子被吸收并通过受激拉曼散射“立即”重新发射作为低频激光光子(“斯托克斯”光子)。两个光子能量之间的差是固定的，并且对应于增益介质的振动频率。这使得原理上可以通过适当地选择泵浦-激射波长，来产生任意激光输出波长。这与传统激光器不同，在传统激光器中可能的激光输出波长由增益材料的发射谱线来决定。
在基于光纤的拉曼激光器中，可以在相对较大的距离上保持对泵浦光的紧密空间限制。这将阈值泵功率大幅降低到实际水平，此外可以实现连续波运行。对于光通信应用，希望设计一种拉曼激光器，其将最高可能的发射功率射入传输光纤以激发最高可实现的增益。在传输光纤中实现的较高拉曼增益支持在终端之间达到更长跨度，并改善接收机处的光学信噪比(OSNR)。这种改进与现有的FEC和数字信号处理一起使鲁棒性及现代高比特率数字光学系统覆盖的距离得到最大化。
在本上下文中呈现本发明的实施例。
附图说明
图1是用于实现高阶拉曼泵浦的常规系统的示意图。
图2是用于实现高阶拉曼泵浦的常规系统的示意图。
图3是根据本公开的方面的用于实现高阶拉曼泵浦的系统的示意图。
具体实施方式
虽然为了说明的目的，以下详细描述包含许多具体细节，但是本领域普通技术人员将理解，对以下细节的许多变化和改变在本发明的范围内。因此，下面描述的本发明的示例性实施例在不损失所要求保护的发明的一般性并且没有对其进行限制的情况下被阐述。
术语表
如本文所用，以下术语具有以下含义：
腔体或光学谐振腔是指由光可以沿其往复或循环的两个或更多个反射面限定的光路。与光路相交的对象被称为在腔内。
连续波(CW)激光器是指连续地发射辐射而不是如在脉冲型激光器中那样用短突发发射辐射的激光器。
二极管激光器是指被设计为使用受激发射(stimulated emission)来生成相干光输出的发光二极管。二极管激光器也被称为激光二极管或半导体激光器。
二极管泵浦激光器是指具有被二极管激光器泵浦的增益介质的激光器。
分布布拉格反射器是指由具有变化的折射率的多层交替材料形成的结构，或者通过介质波导的某些特性(诸如高度)的周期性变化从而导致波导中的有效折射率的周期性变化形成的结构。每个层边界引起光波的部分反射。对于波长接近所述层的光学厚度四倍的波，大部分反射有益地干涉，且所述层用作高质量的反射器。
光纤布拉格光栅是指通过在光纤纤芯折射率中产生的周期性变化而在小段光纤中构造的一种分布式布拉格反射器。周期性折射率变化产生反射特定波长的光并透射所有其他波长的光的特定波长介质镜。
增益是指通过放大器从一点向另一点发送的信号的强度、功率或脉冲能量的增加。术语“不饱和增益”是指通过放大器的小信号的增加，其不会显著改变放大器中的反转能级。如本文所使用的，增益和不饱和增益将可互换使用。
增益介质是指如以下针对激光器描述的能够产生光学增益的材料。
红外辐射是指由约700纳米(nm)和约1毫米(mm)之间的真空波长表征的电磁辐射。
激光器是通过辐射的受激发射实现的光放大的简称。激光器是包含可激射材料或增益介质的腔。这是任何材料-晶体、玻璃、液体、半导体、染料或气体，其原子能够在例如通过其他光或电学放电泵浦时发光。由于存在通过光子而激励光发射，这使得发射的光子与激励的光子具有大约相同的相位和方向。光(在本文中称为受激辐射)在腔内振荡，其中一部分从腔射出以形成输出光束。
光：如本文所用，术语“光”一般是指从红外线到紫外线的频率范围内的电磁辐射，大致对应于从约100纳米(10-7米)到约-10微米(10-5米)的真空波长的范围。
非线性效应是指线性叠加原理不再适用的一类光学现象(例如，光输入功率的两倍不会简单地导致光输出功率的两倍)。这些效应通常只能用高强度、几乎单色的定向光束(诸如，由激光器产生的光)来观看。高次谐波生成(例如，二次、三次和四次谐波生成)、光学参量振荡、和频生成、差频生成、光学参量放大和受激拉曼效应是非线性效应的示例。
非线性材料指的是具有对于会引起非线性效应的光学辐射具有非零非线性介电响应的材料。非线性材料的示例包括如下晶体：铌酸锂(LiNbO3)、三硼酸锂(LBO)、硼酸钡-硼酸盐(BBO)、硼酸铯(CLBO)、KDP及其同态晶体、LiIO3以及准相位匹配材料(例如，PPLN、PPSLT、PPKTP等)。对于某些非线性效应，例如受激拉曼散射，普通光纤可以用作非线性材料。
光学放大器是指放大输入光信号的功率的装置。光学放大器类似于激光器，因为它使用由泵浦辐射驱动的增益介质。放大器通常缺乏反馈(即，腔)，使得其具有增益但不振荡。如本文所用，光功率放大器通常是指在将放大的光束传输到目标或波长转换器之前的最后一个光学放大器。在本文中，在辐射源和功率放大器之间的放大器级通常被称为前置放大器。
拉曼散射是指物质对入射光的散射，其中散射光的频率ωs比入射光的频率ωp低。入射光和散射光的频率之间的差(称为拉曼偏移)对应于散射材料的自然振荡频率。
光放大器的饱和是指当某跃迁频率附近的入射辐射的功率超过特定值时介质在所述频率附近的增益系数的减小。如果增益系数恒定，则介质发射的功率与入射功率成正比。然而，增益介质可以发射功率的速率通常是有限制的。这个限制取决于所涉能级的寿命。当达到这个限制时，受激跃迁变得足够快，足以显著降低上能级粒子数，从而降低增益系数。该效果是随着输入功率使放大功率变平坦。
跨度预算(Span Budget)是指光通信系统的发射机和接收机之间的衰减。
受激拉曼散射(SRS)是一种可以用强光束发生的拉曼散射。拉曼散射光经历增益，且其功率呈指数增长。如果入射光的功率超过阈值，则大部分入射光被转换成频率低于入射光的拉曼散射光。SRS有时也被称为受激拉曼效应或相干拉曼效应。
紫外(UV)辐射是指具备以下特征的电磁辐射：真空波长比可见区域的波长短，但比软X射线的波长长。紫外辐射可以再划分为以下波长范围：近UV，从约380nm至约200nm；远UV或真空UV(FUV或VUV)，从约200nm至约10nm；以及极UV(EUV或XUV)，从约1nm至约31nm。
真空波长：电磁辐射的波长通常是传播波的介质的函数。真空波长是如果给定频率的电磁辐射通过真空传播则该辐射将具有的波长，且表示为真空中的光速除以频率。
概述
根据本公开的多个方面，用于光通信的高阶拉曼泵浦方案可以使用比现有技术的高阶拉曼泵浦方案更少的组件。
美国专利6,480,326描述了一种用于光通信的拉曼激光系统的常规使用。在该方案中，波长为1276nm的主泵浦辐射与来自波长为1355和1455nm的两个低功率次级源的辐射一同被发射到传输光纤中。在拉曼级联的第一阶中，1276nm波长的辐射首先经历到1355nm的受激拉曼转换。在拉曼级联的第二阶中，对所得到的1355nm的大功率辐射进行转换以便产生1455nm的大功率辐射，该波长是在1550nm区域中产生对信号的分布拉曼放大所需的泵浦波长。图1描述了用于实现这种提供反向泵浦和种子辐射来放大行进在传输光纤5的两端1，2之间的信号的方案的系统的示例。主泵浦源6提供第一波长(例如，1276nm)的泵浦辐射，且种子源(例如，二极管激光器8、9)分别提供种子辐射以及第二和第三波长，例如1355nm和1455nm。泵浦辐射和种子辐射通过波分复用器(WDM)7、10、11和连接光纤12耦合到传输光纤5。泵浦源耦合到第一WDM 7，且种子源8、9耦合到第二WDM10，所述第二WDM进而耦合到第三WDM 11。光纤12将第一WDM 7连接到第三WDM 11。来自传输光纤5的到达端子2的信号耦合到第三WDM 11。
图2描绘了图1中的系统的变化，其中种子源8被替换为反射器19，诸如金反射器或光纤布拉格光栅(FBG)。当来自泵浦源6的主泵浦辐射沿着传输光纤5传播时，其经历自发拉曼散射，从而在光纤中产生沿两个方向行进的具有拉曼位移光谱轮廓的辐射。由于由光纤中的泵浦辐射提供的拉曼增益，自发拉曼散射辐射在传输光纤5中行进时得到放大。此外，一部分出射的自发拉曼散射辐射经历后向瑞利散射，并且当朝端部2向后行进时被进一步放大。通过WDM 11和10将返回到端部2的经放大的自发拉曼散射反向耦合到反射器19。如果反射器19是在第二波长处具有峰值反射率的光纤布拉格光栅，则在第二波长处的经放大的自发拉曼散射辐射的该部分光谱通过WDM 11和10向后反射并进入传输光纤5。在该示例中，通过反射器19、分布式瑞利“反射镜”进入传输光纤5形成用于在第二波长的期望种子辐射下进行辐射的放大腔。这样导致实质上在端部2附近的传输光纤5中存在第二波长的能量，其中它与图1系统中的所发射的第二波长的种子源作用相同。
图1和图2的系统通过使用泵浦功率较低的一个或多个种子激光器的大功率光纤拉曼激光器实现高阶泵浦。然而，作为有源光电子二极管部件的种子激光器具有有限工作温度范围，其通常需要冷却，例如热电冷却(TEC)，这增加了额外的电力消耗并限制了可靠性。
与传统的一阶拉曼泵浦方案相比，本公开的方面可以实现3阶拉曼泵浦，以便用有限的附加硬件将跨度预算提高到2.3dB。这样可以用与一阶拉曼泵浦系统基本相同的硬件，有效地在端部之间增加13km的附加距离。
根据本公开的方面，三阶拉曼泵浦系统100可以配置为如图3所示，其中两个反射器串联并且消除了图1和图2所示系统中的WDM之一。消除一个WDM减少了耦合损耗和复杂性，同时以最小的额外成本提高了紧凑性和可靠性。系统100通常可以包括作为主泵浦源16的大功率拉曼激光器，被耦合到第一光学复用器17，进而例如通过一段光纤18耦合到第二光学复用器21。作为示例而非限制性地，光学复用器17、21可以是波分复用器(WDM)。传输光纤25在第一端子31和第二端子32之间承载光学信号。作为示例而非限制性地，传输光纤25可以包含一部分掺铒光纤，其作为针对在约1525-1565nm(C带)或1570-1610nm(L波段)之间的波长的远程光泵浦的掺铒光纤放大器(EDFA)。第二WDM 21耦合到所述端部之一，例如用于反向泵浦的第二端部32。
系统100的关键部件是光纤段102，其中第一波长选择反射器和第二波长选择反射器104、106形成在所述光纤上。所述光纤段102耦合到第一光学复用器17。反射器配置成选择性地反射第一波长和第二波长的辐射。作为示例而非限制性地，反射器104、106可以是例如通过使用准分子激光器刻在普通光纤段上的光纤布拉格光栅，根据应用情况具有固定波长或可调波长。在光纤布拉格光栅的情况下，光纤102可以相对较短，例如在约4厘米至约10厘米之间，这取决于反射器104、106可以形成的如何紧密。形成级联的拉曼腔，其使用透射光纤(transmission fiber)25作为非线性介质，反射镜104、106在所述腔的一端，且在所述腔的另一端在作为分布式反射镜的传输光纤中进行瑞利散射。
在所示示例中，第一光学复用器17在第一端口17A从主泵浦源16接收主泵浦辐射λp，并且经由第三端口17C将泵浦辐射传送到光纤18，并且从第二端口17B向第三端口17C传送第一波长和第二波长λ1、λ2的辐射。第二光学复用器21被配置为经由第一端口21A接收初级泵浦辐射以及第一波长和第二波长λ1、λ2的辐射，并经由第二端口21B将所述泵浦辐射λp以及第一波长和第二波长λ1、λ2的辐射发送给传输光纤25，以便对该传输光纤进行泵浦从而放大在其中行进的信号23。在第二端口21B处接收信号23，并经由第三端口21C传送到例如另一段传输光纤(未示出)或传送到光通信系统的终端组件，例如光上下路复用器、波长选择开关或如低噪声前置放大器EDFA的其他组件。
作为示例而非限制性地，光纤102可以被配置为使得在反射器104和106以及用作分布式瑞利反射镜的传输光纤25之间，对1276nm至1362nm辐射处的泵浦辐射存在拉曼增益和波长转换，并且对1362nm辐射至1455nm辐射存在附加拉曼增益和波长转换。1455nm辐射被耦合到传输光纤25，以提供泵浦从而对在传输光纤中行进的1550nm信号进行放大。本领域技术人员将认识到，可以根据要在传输光纤25中放大的信号的波长来使用波长的其它组合。
实施相同配置的另一个常见应用可以被设计为使用来自主泵源16的1310nm辐射，将1390nm作为第一波长λ1并将1480nm作为第二波长λ2。
系统100提供了一种三阶泵，其优点在于没有额外部件(例如，种子激光器和额外的复用器)的成本、复杂性和耦合损耗。该系统使用无源组件、固定或可调谐的反射器，其比种子激光器更可靠和更便宜。通过在同一段光纤上形成反射器104，106，可以减小耦合损耗，可以简化封装并改善可靠性。与此不同，使用图1和图2所示类型的系统中的两个反射器将导致如下布置：将在两个反射器之间存在WDM 10，这将引入更高的耦合损耗。
虽然以上是本发明的优选实施例的完整描述，但是可以使用各种替代、修改和等同物。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求及其等同物的全部范围来确定。任何特征(无论是否优选)可以与任何其他特征(无论是否优选)组合。在下列权利要求中，除非明确说明，否则不定冠词“一”或“一个”是指本文中跟随该项目的一个或多个项目的数量。所附权利要求不应被解释为包括装置加功能限制，除非在给定权利要求中使用短语“用于......的装置”来明确地叙述这种限制。

Claims (15)

1.一种用于高阶无种子拉曼泵浦的系统，包括：
第一光学复用器，所述第一光学复用器具有第一端口、第二端口和第三端口；
光纤，光学地耦合到所述第一光学复用器；以及
用于拉曼散射和增益的传输光纤，
其中在所述光纤上形成第一波长选择反射器和第二波长选择反射器，其中所述第一波长选择反射器被配置为反射第一波长的辐射，并且所述第二波长选择反射器被配置为反射比第一波长长的第二波长的辐射，其中选择第一波长和第二波长，使得传输光纤中的拉曼散射和增益将小于第一波长的主泵浦波长的主泵浦辐射转换成第一波长的辐射，并且还将第一波长的辐射转换成第二波长的辐射，
其中所述系统还包括第二光学复用器，所述第二光学复用器具有第一端口、第二端口和第三端口，并光学地耦合到所述第一光学复用器的第三端口，
其中级联拉曼腔通过利用设置在所述级联拉曼腔的一端处的所述第一波长选择反射器和所述第二波长反射器以及在所述级联拉曼腔的另一端处用作分布式反射镜的所述传输光纤中的瑞利散射而形成，以及
其中所述第二光学复用器被配置为在所述第二光学复用器的第二端口处接收所述主泵浦辐射以及所述第一波长和第二波长的辐射，并且经由所述第二光学复用器的第一端口将所述主泵浦辐射以及所述第一波长和第二波长的辐射传输给所述第一光学复用器的第三端口。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一波长选择反射器是在所述光纤上形成的光纤布拉格光栅。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二波长选择反射器是在所述光纤上形成的光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一波长选择反射器和第二波长选择反射器是在所述光纤上形成的光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学复用器被配置为在所述第一光学复用器的第二端口处接收来自所述光纤的第一波长和第二波长的辐射，并将所述第一波长和第二波长的辐射传输至所述第一光学复用器的第三端口，并且经由所述第一光学复用器的第一端口接收所述泵浦辐射并将所述泵浦辐射传输至所述第一光学复用器的第三端口。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二光学复用器被配置为在所述第二光学复用器的第一端口处接收所述第一波长和第二波长的辐射，并且经由所述第二光学复用器的第二端口将所述第一波长和第二波长的辐射传输给所述传输光纤。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二光学复用器被配置为将信号从所述第二光学复用器的第二端口传输到所述第二光学复用器的第三端口。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学复用器是波分复用器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二光学复用器是波分复用器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学复用器和第二光学复用器是波分复用器。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括主泵浦源，其中所述主泵浦源光学地耦合到所述第一光学复用器的第一端口。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤的长度在约4厘米至约10厘米之间。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学复用器和具有所述第一波长选择反射器和所述第二波长选择反射器所述光纤布置在任何特征尺寸均小于约四厘米的单个封装中。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤以及所述第一波长选择反射器和第二波长选择反射器是固定的或可调谐的，并且配置为使得所述传输光纤中的拉曼散射和增益将泵浦波长的泵浦辐射转换为所述第一波长的辐射，并且还将所述第一波长的辐射转换为所述第二波长的辐射，其中所述主泵浦波长大约为1276nm，所述第一波长大约为1362nm，并且所述第二波长大约为1455nm。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤以及所述第一波长选择反射器和第二波长选择反射器是固定的或可调谐的，并且配置为使得所述传输光纤中的拉曼散射和增益将泵浦波长的泵浦辐射转换为所述第一波长的辐射，并且还将所述第一波长的辐射转换为所述第二波长的辐射，其中所述主泵浦波长大约为1310nm，所述第一波长大约为1390nm，并且所述第二波长大约为1480nm。
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