CN1190914C - 全波段拉曼光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
一种全波段拉曼光纤放大器，包括五个信号传输及放大臂和一对波带解复用器/复用器，五个放大臂分别传输放大不同波长范围的光信号，波带解复用器将输入光信号解复用成不同的五个波带，经半导体激光器泵浦放大后，通过波带复用器合波输出。对于分布式拉曼放大，放大臂使用非零色散位移光纤作传输和增益介质，对于集中式拉曼放大，放大臂使用色散补偿光纤作传输和增益介质。每个放大臂分别采用若干个发射波长不等的激光器泵浦，用于反向泵浦该臂中的非零色散位移光纤或色散补偿光纤，分布放大或集中放大其中传输的光信号。本发明利用分带结构和多波长泵浦相结合的方法，带宽可以达到400nm，覆盖全波光纤所有的低损耗通信窗口。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光纤放大器，尤其涉及一种基于拉曼效应的全波段光纤放大器，适用于光纤通信系统和网络。
背景技术：
近年来，用户对光纤通信系统的容量要求越来越大，主干密集波分复用(DWDM)光纤通信系统的波道数已超过80个，单通道速率已向40Gb/s迈进，最大总容量已超过80×40Gb/s。超大容量和长距离的DWDM光纤通信系统不仅需要多波长光源，而且需要大量光放大器。半导体光放大器对偏振和温度很敏感，工作不稳定，噪声较大；掺铒光纤放大器(EDFA)中心波长在1550nm附近，最大带宽在80nm左右，性能优越，已经商品化，但随着DWDM带宽不断增加，已难于满足宽带要求，尤其不能满足1310nm和1620nm以上波长区要求。拉曼光纤放大器具有宽带宽、低噪声等其它放大器所不具备的优点，近年来逐渐成为光通信的热点课题。拉曼光纤放大器有两种类型：一种为集中式拉曼放大器，所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段。另一种为分布式拉曼放大器，所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵浦功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在DWDM系统中，传输容量，尤其波长复用数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式拉曼放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比。由于系统传输容量提升的需要，这种分布式拉曼放大技术得到快速的发展。多波长泵浦方法是实现宽带拉曼放大的有前途的泵浦方法，它将多个单模半导体泵浦激光器的波长直接用复用器复用在一起，其优点一是由于复用多个波长而提供了一个很宽的增益谱，二是可以通过调整单个激光器的功率方便调整增益斜率。
为了提高拉曼放大带宽，美国TYCO SUBMARINE SYSTEM公司的KidorfHoward David(US6052219，Wide bandwidth Raman amplifier capable of employingpump energy speetrally overlapping the signal)和Xiabing Ma(US6151160，Broadband Raman pre-amplifier for wavelength division multiplexed opticalcommunication systems)对此先后进行了研究。前者采用1455nm和1495nm两个泵浦源反向泵浦，可以获得1530-1610nm范围(C波段和L波段)的信号放大，后者提出采用多个分带结构，每个分带可以用掺稀土离子光纤或拉曼效应放大所对应的光信号，可以实现宽带放大，由于后者在分带放大之前，还利用了一个掺铒光纤放大器或拉曼光纤放大器，其分带放大的带宽受它前面的放大器的制约，其放大带宽不超过120nm。
随着用户对带宽的日益需求，光纤通信正在向着高速率和高带宽的方向发展，无水峰的石英光纤已研制成功(ALLWAVE光纤)，不久将会投入商用。无水峰的石英光纤的低损耗带宽为400nm(1250-1650nm)，覆盖了第二、第三、第四和第五个通信窗口。然而，目前发明的光纤放大器的最大平坦带宽只有120nm，其带宽还不到全波光纤可利用带宽的三分之一。因此，研究带宽更宽的超宽带光纤放大器成为近期密集波分复用技术的研究主题。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种全波段拉曼光纤放大器，使之具有更宽的传输带宽，更适应全波光纤通信系统的传输要求。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，利用分带结构和多波长泵浦相结合的方法，分别采用非零色散位移光纤和色散补偿光纤，设计出400nm带宽的全波段分布式和集中式拉曼光纤放大器。
本发明设计的全波段拉曼光纤放大器，包括五个信号传输及放大臂和一对波带解复用器/复用器。五个放大臂分别用于传输和放大1250-1310nm、1310-1380nm、1380-1460nm、1460-1550nm及1550-1650nm波长范围的光信号。波带解复用器/复用器用于将1250-1650nm范围的输入光信号解复用成上述不同的五个波带。
对于分布式拉曼放大，设置有五个总体平行的放大臂，五个放大臂使用非零色散位移光纤(NDSF)作传输和增益介质。使用基于带通滤波器的波带解复用器将来自输入端的1250-1650nm波段的光信号解复用成五个波带(1250-1310nm，1310-1380nm，1380-1460nm，1460-1550nm，1550-1650nm)，经过非零色散位移光纤反向泵浦放大后，通过波带复用器合波输出。
对于集中式拉曼放大，设置有五个总体平行的放大臂，五个放大臂使用色散补偿光纤(DCF)作传输和增益介质。使用基于带通滤波器的波带解复用器将来自输入端的1250-1650nm波段的光信号解复用成五个波带(1250-1310nm，1310-1380nm，1380-1460nm，1460-1550nm，1550-1650nm)，经过色散补偿光纤反向泵浦放大后，通过波带复用器合波输出。
每个放大臂分别采用若干个发射波长不等的激光器泵浦，用于泵浦该臂中的非零色散位移光纤，以便分布放大其中传输的光信号，或泵浦色散补偿光纤，以便集中放大其中传输的光信号。
本发明的全波段拉曼光纤放大器的带宽可以达到400nm，覆盖全波光纤所有的低损耗通信窗口。在全波光纤通信系统中，可以充分利用全波光纤的有效带宽。
附图说明：
图1为本发明的全波段分布式拉曼光纤放大器的结构示意图。
如图1所示，本发明的全波段分布式拉曼光纤放大器设置有五个总体平行的信号传输及放大臂，分别用于传输五个不同波长范围的光信号，五个臂采用非零色散位移光纤作传输和增益介质。多波长泵浦激光二极管阵列连接并泵浦非零色散位移光纤。基于带通滤波器的波带解复用器将输入的全波光纤信号解复用成五个波带，每个波带由非零色散位移光纤传输放大后，经波带复用器合波输出。
图2为本发明的全波段集中式拉曼光纤放大器的结构示意图。
如图2所示，本发明的全波段集中式拉曼光纤放大器设置有五个总体平行的信号传输及放大臂，分别用于传输五个不同波长范围的光信号，五个臂采用色散补偿光纤作传输和增益介质。多波长泵浦激光二极管阵列连接并泵浦色散补偿光纤。基于带通滤波器的波带解复用器将输入的全波光纤信号解复用成五个波带，每个波带由色散补偿光纤传输放大后，经波带复用器合波输出。
具体实施方式：
1.分布式拉曼放大
本实施例中的全波段拉曼光纤放大器包括五个信号传输及放大臂，第一个放大臂用于传输1250-1310nm波长范围的超短波长信号，第二个放大臂用于传输1310-1380nm波长范围的短波长信号，第三个用于传输1380-1460nm波长范围的短波长信号，第四个用于传输1460-1550nm波长范围的信号，第五个用于传输1550-1650nm波长范围的信号，使用25km长的非零色散位移光纤(NDSF)作传输和增益介质，非零色散位移光纤参数如表1所示，用于放大的泵浦波长和泵浦功率的优化配置如表2所示。
表1 用于分布式拉曼放大的非零色散位移光纤参数
| 1550nm处损耗 | β1，β2 | D1，D2 | λ0 | PMD | A | L |
| 0.2dB | 2.55ps2/km，0.11ps3/km | -2ps/nm/km，0.07ps/nm2/km | 1580.0nm | 0.1pskm1/2 | 55μm2 | 25km |
表中，β1，β2：一阶色散和二阶色散；D1，D2：色散的一阶导数和二阶导数；
λ0：零色散波长；PMD：偏振模色散；A：纤芯有效面积；L：光纤长度
表2 用于分布式拉曼放大的泵浦波长和泵浦功率的优化配置
| 输入信号波长范围(nm) | 优化配置的泵浦波长和泵浦功率 | |||||||
| 1250-1310 | 波长(nm) | 1184.4 | 1212.1 | 1241.2 | ||||
| 功率(mW) | 487.54 | 154.79 | 77.17 | |||||
| 1310-1380 | 波长(nm) | 1237.1 | 1268.5 | 1298.1 | 1307.2 | |||
| 功率(mW) | 534.09 | 153.65 | 23.304 | 38.271 | ||||
| 1380-1460 | 波长(nm) | 1300.4 | 1336.4 | 1373.1 | ||||
| 功率(mW) | 559.8 | 162.56 | 77.352 | |||||
| 1460-1550 | 波长(nm) | 1371.2 | 1409.9 | 1452.3 | ||||
| 功率(mW) | 585.86 | 176.49 | 82.218 | |||||
| 1550-1650 | 波长(nm) | 1450.3 | 1493.7 | 1539.7 | ||||
| 功率(mW) | 620.49 | 191.4 | 83.46 | |||||
每一个输入信道功率为-20dBm，信道间距为1.6nm。第一个传输和放大臂用波长分别为1184.4nm，1212.1nm，1241.2nm、总功率为720mW的3个半导体激光器泵浦，光信号波长范围为1250-1310nm，所得平坦带宽为60nm，平均增益在10dB左右，平坦度在1dB以内。第二个传输和放大臂用波长为1237.1nm，1268.5nm，1298.1nm，1307.2nm、总功率为744mW的4个半导体激光器泵浦，光信号波长范围1310-1380nm，所得平坦带宽为70nm，平均增益在10dB左右，平坦度在1dB以内。第三个传输和放大臂用总功率为798mW、发射波长为1300.4nm，1336.4nm，1373.1nm的3个半导体激光器泵浦，光信号的波长范围为1380-1460nm，所得平坦带宽为80nm，平均增益在10dB左右，其平坦度在1dB以内。第四个传输和放大臂用总功率为855mW、发射波长为1371.2nm，1409.9nm，1452.3nm的3个半导体激光器泵浦，光信号的波长范围为1460-1550nm，所得平坦带宽为90nm，平均增益在10dB左右，其平坦度在1dB以内。第五个传输和放大臂用总功率为896mW、发射波长为1450.3nm，1493.7nm，1539.7nm的3个半导体激光器泵浦，光信号波长范围为1550-1650nm，所得平坦带宽为100nm，平均增益在10dB左右，其平坦度在1dB以内。经过以上五个传输和放大臂后，从波带复用器耦合输出的增益谱平坦带宽可以达到400nm。
由上可见，本发明的全波段拉曼光纤放大器的平坦带宽可以达到400nm带宽，覆盖的波长范围为1250-1650nm。
2.集中式拉曼放大
本实施例中的全波段拉曼光纤放大器包括五个信号传输及放大臂，第一个放大臂用于传输1250-1310nm波长范围的超短波长信号，第二个放大臂用于传输1310-1380nm波长范围的短波长信号，第三个用于传输1380-1460nm波长范围的短波长信号，第四个用于传输1460-1550nm波长范围的信号，第五个用于传输1550-1650nm波长范围的信号，使用1km长的色散补偿光纤(DCF)作传输和增益介质，参数如表3所示。用于集中式拉曼放大的泵浦波长和泵浦功率的优化配置如表4所示。
表3 用于集中式拉曼放大的色散补偿光纤参数
| 1550nm处损耗 | β1，β2 | D1，D2 | λ0 | PMD | A | L |
| 0.55dB | 102.03ps2/km，0.14ps3/km | -80ps/nm/km，0.19ps/nm2/km | 3825.0nm | 0.1pskm1/2 | 20μm2 | 20km |
表中，β1，β2：一阶色散和二阶色散；D1，D2：色散的一阶导数和二阶导数；
λ0：零色散波长；PMD：偏振模色散；A：纤芯有效面积；L：光纤长度
表4 用于集中式拉曼放大的泵浦波长和泵浦功率的优化配置
| 输入信号波长范围(nm) | 优化配置的泵浦波长和泵浦功率 | |||||||
| 1250-1310 | 波长(nm) | 1161.4 | 1162.3 | 1163.2 | 1164.1 | 1165 | 1206.3 | 1239.2 |
| 功率(mW) | 682.16 | 682.16 | 682.16 | 682.16 | 682.16 | 225.72 | 146.21 | |
| 1310-1380 | 波长(nm) | 1235.0 | 1237.1 | 1239.1 | 1268.5 | 1301.5 | ||
| 功率(mW) | 688.35 | 688.35 | 688.35 | 710.83 | 295.44 | |||
| 1380-1460 | 波长(nm) | 1298.2 | 1300.4 | 1302.7 | 1336.4 | 1373.1 | ||
| 功率(mW) | 753.19 | 753.19 | 753.19 | 713.67 | 303.59 | |||
| 1460-1550 | 波长(nm) | 1339.4 | 1340.6 | 1341.8 | 1343 | 1386.4 | 1413.9 | 1452.3 |
| 功率(mW) | 772.41 | 772.41 | 772.41 | 772.41 | 736.18 | 144.44 | 282.58 | |
| 1550-1650 | 波长(nm) | 1448.9 | 1450.3 | 1451.7 | 1453.1 | 1495.2 | 1541.3 | |
| 功率(mW) | 651.24 | 651.24 | 651.24 | 651.24 | 716.58 | 346.06 | ||
每一个输入信道功率为-20dBm，信道间距为1.6nm。第一个传输和放大臂用波长分别为1161.4nm，1162.3nm，1163.2nm，1164.1nm，1165.0nm，1206.3nm和1239.2nm、总功率为3782mW的7个半导体激光器泵浦，光信号波长范围为1250-1310nm，所得平坦带宽为60nm，平均增益在10dB左右，平坦度在1dB以内。第二个传输和放大臂用1235.0nm，1237.1nm，1239.1nm，1268.5nm，1301.5nm、总功率为3071mW的5个半导体激光器泵浦，所得平坦带宽为70nm，平均增益在10dB左右，平坦度在1dB以内。第三个传输和放大臂用总功率为3276mW、发射波长为1298.2nm，1300.4nm，1302.7nm，1336.4nm，1373.1nm的5个半导体激光器泵浦，所得平坦带宽为80nm，平均增益在10dB左右，其平坦度在1dB以内。第四个传输和放大臂用总功率为4252mW、发射波长为1339.4nm，1340.6nm，1341.8nm，1343nm，1386.4nm，1413.9nm，1452.3nm的7个半导体激光器泵浦，所得平坦带宽为90nm，平均增益在10dB左右，其平坦度在1dB以内。第五个传输和放大臂用用总功率为3668mW、发射波长为1448.9nm，1450.3nm，1451.7nm，1453.1nm，1495.2nm，1541.3nm的6个半导体激光器泵浦，所得平坦带宽为100nm，平均增益在10dB左右，其平坦度在1dB以内。经过以上五个传输和放大臂后，从波带复用器耦合输出的增益谱平坦带宽可以达到400nm。
由上可见，全波段拉曼光纤放大器的平坦带宽可以达到400nm带宽，覆盖的波长范围为1250-1650nm。
Claims (5)
1、一种全波段拉曼光纤放大器，其特征在于包括五个信号传输及放大臂、一个波带解复用器及一个波带复用器、多个半导体激光器，波带解复用器的输出端连接五个信号传输及放大臂，五个信号传输及放大臂分别连接相应个数的半导体激光器，并同时连接到波带复用器的输入端，波带解复用器将1250-1650nm范围的输入光信号分解成1250-1310nm、1310-1380nm、1380-1460nm、1460-1550nm及1550-1650nm五个波带，这五个波带的光信号分别经对应的信号传输及放大臂、半导体激光器反向泵浦放大后，通过波带复用器合波输出。
2、如权利要求1所述的全波段拉曼光纤放大器，其特征在于该拉曼放大器为分布式拉曼放大器，其中所述的五个平行放置的信号传输及放大臂使用非零色散位移光纤作传输和增益介质。
3、如权利要求1所述的全波段拉曼光纤放大器，其特征在于该拉曼放大器为集中式拉曼放大器，其中所述的五个平行放置的信号传输及放大臂使用色散补偿光纤作传输和增益介质。
4、如权利要求2所述的全波段拉曼光纤放大器，其特征在于用作增益介质的五段非零色散位移光纤分别用3个、4个、3个、3个、3个发射波长不等的半导体激光器泵浦。
5、如权利要求3所述的全波段拉曼光纤放大器，其特征在于用作增益介质的五段色散补偿光纤分别用7个、5个、5个、7个、6个发射波长不等的半导体激光器泵浦。
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