CN1445939A - 喇曼放大的色散补偿组件 - Google Patents

Abstract

一种喇曼放大的色散补偿组件，包括一具有一输入端和一输出端的第一色散补偿光纤(DCF)。该第一DCF具有已知的喇曼增益系数(g_r(λ))，喇曼有效光纤面积(A^R _eff)和色散特性。将第二DCF的输入端设置成接收来自第一DCF的输出端的光信号。第二DCF具有已知的增益系数和有效面积，以及所选择的色散特性，以与第一DCF的色散特性相配合，产生所需的总组件色散。以使总组件增益最佳的方式选择这些DCF的长度。

Description

喇曼放大的色散补偿组件

发明背景

发明领域

本发明涉及对通过光纤传输的光信号的色散进行补偿的组件。

对现有技术的讨论

通常，将包括一或多根色散补偿光纤(DCF)的色散补偿组件(DCM)称为用于对通过光纤通信系统的光纤传输的光信号的色散进行补偿的装置。因而DCM能够使现有的系统对具有该系统最初未设计的带宽和波长的信号进行处理，而不必用更新、更高级的缆线来更换大段已安装的光缆。随着传输带宽需求的增大，从而将因此增大DCM必须提供有效色散补偿的波长范围。

在DCM中使用不止一种类型的光纤具有一定的优点，包括更小的制造公差，以及对宽带宽(50nm或更大)上的色散、色散斜率，甚至更高阶色散同时进行控制。因为DCM本身可以使用几千米的具有某种信号衰减系数的光纤，故将色散补偿和喇曼放大功能组合成单一的喇曼放大的色散补偿组件或“RADCM”是有益的。

当信号传输波长接近于已知的稀土掺杂放大器不能处理的区域，或者当传输带宽超过当前的掺铒光纤放大器的带宽时，极其需要具有宽带宽增益的单独的放大器。单个喇曼放大器的优点在于(a)它们可以工作在任何波长范围内，仅取决于所提供的泵浦波长，以及(b)通过使用处于几种波长的多个泵浦，它们可以得到宽增益带宽产品。

不过，具有优良色散特性的现有DCM不是总能被改良成有效的RADCM。例如，给定的DCM可以提供良好的色散补偿，不过不能对于可用的喇曼泵浦功率提供足够大的增益。并且，用于色散补偿的DCM中所使用的光纤可能太长，并且由于多路干扰(MPI)会产生噪音，或者用于色散补偿的DCM中所使用的光纤可能具有太小的有效面积，并引起所不需要的四波混合(FWM)。

如所提到的，用喇曼泵浦单根光纤DCM来补偿信号损失的概念是众所周知的。参见例如美国专利5,887,093(1999年3月23日)，其所有相关的部分引作参考。在S.A.E.Lewis等人发表于36 Elec.Lett.(2000)，第1355页的文章中，描述了一种宽带RADCM，其具有长度经过仔细选择的两个光纤，并将一定量的泵浦功率输送给每根光纤。为了保持低噪声因数，将相对较小的泵浦功率供给提供大部分色散补偿的光纤，该光纤提供小于25％的增益。不过，主要的补偿光纤贡献了超过一半的噪声。另外，需要具有多个循环器的复杂的中跨(mid-span)泵浦装置。因此，虽然Lewis等人论证了可以独立地实现喇曼增益和色散补偿，不过该文章没有表示出同时实现所需的色散补偿和喇曼增益，或者DCF可以实现宽带或斜率和曲率补偿。

在美国专利6,335,820(2002年1月1日)中描述了一种可选择使用DCF的多级放大器，其所有相关的内容引作参考。不过通过使用诸如光学隔离器的中间损耗元件和中跨泵浦结构，可以实现低噪声操作。

从已知的技术看，需要一种RADCM，可以提供足够大的增益、色散和色散斜率补偿，由于DRS(双瑞利散射)，MPI和FWM所产生的噪声低，不必需要任何复杂的中跨泵浦系统或损耗元件。

发明概述

根据本发明，一种具有至少两个色散补偿光纤以补偿通过传输光纤传导的光信号中所产生的色散的色散补偿组件，包括一具有第一长度、一输入端和一输出端的第一色散补偿光纤(DCF)，该第一DCF具有第一喇曼增益系数(g_R(λ))，第一喇曼有效光纤面积(A^r _eff)和第一色散特性。该组件还包括一具有第二长度、一输入端和一输出端的第二DCF，其中该第二DCF的输入端被设置成接收来自第一DCF输出端的光信号，并且在第二DCF的输入端与第一DCF的输出端之间没有泵浦信号源。该第二DCF具有第二喇曼增益系数，第二喇曼有效光纤面积和第二色散特性，选择第二色散特性以与第一色散特性配合产生所需的组件色散，补偿通过传输光纤传导的、并且施加给第一DCF的输入端的光信号中所产生的色散。

一泵浦光源被耦合到第二DCF的输出端或第一DCF的输入端。该泵浦光源在一或多个波长下具有一定的功率电平，以产生所需的具有确定带宽的组件增益，用于放大该光信号，并且以这样一种方式选择第一和第二DCF的长度，使该组件增益最佳，同时保持所需的总组件色散。

为了更好地理解本发明，参考下面结合附图的描述和所附的权利要求。

附图的简要说明

在图中：

图1为根据本发明第一实施例的RADCM的示意图；

图2为表示使用不同长度的DCF的两个RADCM的剩余色散曲线；

图3为表示图2中两个RADCM的增益的曲线；

图4为表示将其中DCF的顺序交换的RADCM的增益的曲线；

图5为表示具有和不具有HNLF光纤的RADCM的剩余色散的曲线；

图6为表示图5中RADCM的增益的曲线；

图7为根据本发明第二实施例的RADCM的示意图；

图8为表示以图7中RADCM的输入端处被反射的泵浦数量为函数的增益曲线；

图9为表示具有和不具有泵浦反射器的两个RADCM的增益的曲线；

图10为表示用于图9中两个RADCM的双瑞利散射的曲线；以及

图11为表示以工作波长为函数的DCF的色散曲线。

本发明的详细说明

在根据本发明构成的RADCM中，组合两或多个色散补偿光纤(DCF)以获得对色散、相对色散斜率(RDS)和更高阶色散同时进行控制。理论上，可以将无穷多段具有不同色散特性的多个光纤组合起来，以获得对于给定信号波长范围的所需的总组件色散，通过应用下列的一或多个判据，可以使组件的喇曼增益和噪声特性最佳：

1.选择组件中DCF的长度，使总组件增益最大，同时保持目标色散。

2.可以使用反射器，如光纤布拉格光栅(FBG)，在RADCM的信号输入端再次注入未吸收的泵浦光，以增大泵浦利用率，同时降低双瑞利散射所导致的噪声，在输入信号波长下没有显著的插入损耗。

3.可以选择一或多个DCF的长度，以引入大于50ps/nm-km的色散，并且至少一个DCF可以引入小于20ps/nm-km，而A_eff＜20μm²(下面，称之为高度非线性光纤或“HNLF”)。HNLF具有高喇曼增益系数，低色散，低色散斜率和曲率。HNLF的低斜率和曲率，能够使整个组件的色散保持不受到其它DCF的长度轻微改变的影响，且显著地增大总组件增益。

4.对于RADCM提供的总色散补偿而言，光纤顺序可能并不重要，为了使喇曼增益最大，同时使双瑞利散射、MPI和FWM导致的噪声最小，应该考虑包括光纤损耗、喇曼增益和瑞利散射在内的参数，使光纤顺序最佳。

在具有多个共向-/反向传输泵浦和信号波长，和具有不同增益系数、损耗和瑞利散射系数的不同长度的光纤的RADCM中，通过求解下面对于每个光纤的相联系的微分方程式，可以确定总组件增益和噪声特性，该微分方程式说明不同波长信号之间的喇曼相互作用：

(公式1) $\frac{{\mathrm{dP}}_f(z,v)}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\α}\left(v\right)P_f(z,v)+\mathrm{\γ}\left(v\right)P_b(z,v)$ $+{\∫}_{\mathrm{\ζ}>v}\left\{\frac{g_r}{A_{\mathrm{eff}}}(v-\mathrm{\ζ})\right[P_f(z,\mathrm{\ζ})+P_b(z,\mathrm{\ζ})]P_f(z,v)$ $+2\mathrm{hv}\frac{g_r}{A_{\mathrm{eff}}}(v-\mathrm{\ζ})[P_f(z,\mathrm{\ζ})+P_b(z,\mathrm{\ζ})]$ $\·[1+\frac{1}{e^{h(\mathrm{\ζ}-v)/k\·T}-1}]\}\mathrm{d\ζ}$ ${-\∫}_{\mathrm{\ζ}-v}\left\{\frac{g_r}{A_{\mathrm{eff}}}(v-\mathrm{\ζ})\right[P_f(z,\mathrm{\ζ})+P_b(z,\mathrm{\ζ})]P_f(z,v)$ $+2\mathrm{hv}\frac{g_r}{A_{\mathrm{eff}}}(v-\mathrm{\ζ})[P_f(z,\mathrm{\ζ})+P_b(z,\mathrm{\ζ})]$ $\·[1+\frac{1}{e^{h(v-\mathrm{\ζ})/k\·T}-1}]\}\mathrm{d\ζ}.$

n_f(z，v)：距离为z，频率为v的正向功率；

n_b(z，v)：距离为z，频率为v的反向功率；

α(v)：衰减；

γ(v)：瑞利散射系数；

g_r(Δv)g_r(ζ-v)：频率ζ与v之间的喇曼增益系数；

A_eff：光纤的有效面积；

h：普朗克常数；

k：波耳兹曼常数；

T：光纤的温度。

最好求解上面方程式(1)的数值解，以便用于给定的通信系统时使组件性能最佳。不过，对于单泵浦和单个弱信号的情形，可以了解到某些趋势。在小信号状态，可以更容易地分析求解等式的不同部分。因此，对于光纤长度L，由下式表示出组件输出端的信号功率P_out，与放大器输入端处的信号功率P_in之间的关系： $P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}\exp [\frac{g_R\left(\mathrm{\λ}\right)}{{A^R}_{\mathrm{eff}}}{P}_p{L}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\α}}_{s}L]$ (公式2)

其中g_R(λ)为喇曼增益系数，A^R _eff为光纤的喇曼有效面积，P_p为DCF中的输入泵浦功率，α_s为信号波长下的损耗。L_eff是泵浦波长下光纤的有效长度： $L_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_p}(1-e^{-{\mathrm{\α}}_{p}L})$ (公式3)

其中α_p是泵浦波长下的损耗。

为了使组件增益最大，其特性使公式2中的幂最大的光纤段应该承受最高的泵浦功率。例如，对于具有两个光纤的组件，这两个光纤段具有相同的损耗系数，应该选择具有最大比值g_R/A^R _eff的光纤可能的最大长度，同时保持所需的色散特性。由于光纤损耗和连接损耗衰减了泵浦功率，故应该将具有较高增益的光纤设置在该组件的泵浦输入侧。

噪声考虑

在高增益的情形中，诸如HNLF的低色散光纤、噪声的影响，可能会改变增益讨论中所确定的光纤设置。为了使组件增益最佳，同时使双瑞利散射MPI最小，应该使具有高喇曼增益系数和瑞利散射与喇曼增益之比较低的HNLF所提供的增益最大。这实际上将主要作为增益部件(a gain block)的HNLF的功能与该组件中提供大部分色散补偿的一或多个其它DCF的功能相分离。虽然为了获得最大增益，该组件的高增益HNLF部分应该经受最高泵浦功率，然而HNLF的低色散导致FWM所产生的性能恶化随着HNLF所提供的增益的增大而增大。当在整个组件中HNLF提供最大部分的增益时，这种损害最大。因此，对于具有由MPI和FWM所导致的低噪声的RADCM，实际的折衷必须在HNLF所提供的增益量与FWM的大小之间进行。

在中间或信号输入端利用HNLF构成反向泵浦的RADCM，其中在大于8dB的净增益中，HNLF一般提供小于3dB的增益。这些组件表现出由于DRS所导致的较低(-43dB)的损害，并且对于40Gb/s的操作，FWM性能恶化足够低。因而，将HNLF设置在中间(或在反向泵浦组件中设置在信号输入端)，并不提供最大可能的增益，这种结构顾及增大的增益而没有DRS和FWM所造成的明显的损害。

图1表示根据本发明构成的双光纤RADCM10。RADCM10具有两个色散补偿光纤(DCF)12、14。一或多个反向泵浦16向DCF14的信号输出端18供给一或多个波长的泵浦功率。一或多个共向泵浦20也可以向DCF12的信号输入端22供给一或多个波长的泵浦功率。适当地选择泵浦波长，以增大组件10的增益带宽。

通过优化DCF12、14的长度，使RADCM10的增益最佳

图2表示按照图1构成两个RADCM时的剩余色散(在工作波长范围上最大色散与最小色散之间的差)，不过使用不同长度的DCF12、14，与100km的TWRS组合。这两个RADCM均使用HSDK和THOR8A774作为光纤12、14。一个组件使用2.907km的HSDK和2.66km的THOR8A774(曲线1)，另一个组件使用了1.5km的HSDK和5.385km的THOR8A774(曲线2)。两个组件的剩余色散窗口(图2)相同。不过，如图3所示，两个组件的增益明显不同。对于给定的泵浦功率大小，使用2.9kmHSDK的组件比另一组件的增益大3dB。

通过优化DCF12、14的顺序，使RADCM10的增益最佳

在使用两或多种类型DCF的RADCM中，总色散不依赖于组件中光纤的构成顺序。不过，组件的增益确实取决于给定DCF相对泵浦和输入信号的设置顺序，因为随着在光纤中的传播，泵浦功率被衰减。从而，通过将最高的泵浦功率引入具有最高增益效率的光纤中，可以获得更高的增益。

图4表示具有2.907km HSDK和2.660km THOR8A 774的RADCM 10的增益。曲线1表示当HSDK光纤设置在靠近RADCM的泵浦一侧时计算出来的增益，曲线2表示当HSDK光纤设置在组件的信号一侧时的增益。当将比THOR8A774光纤具有更高喇曼增益系数的HSDK光纤设置在RADCM的泵浦一侧时，该增益显著增大(大1.5dB)。

         在RADCM10中使用HNLF光纤

图1的RADCM中，DCF12、14其中之一可以具有大于50ps/nm-km的色散，另一DCF具有小于20ps/nm-km的色散，不过具有更高的增益效率。在这种情形中，后一光纤，此处称之为高非线性光纤或HNLF，其对于组件10不提供明显的色散补偿，且被用于增大第一所述光纤的增益。

理论上，HNLF的相对色散斜率(RDS)小于典型色散补偿光纤的一半。更重要的是，HNLF的相对色散曲率(RDC)应该小于典型DCF的相对色散曲率。

图5表示具有和不具有HNLF的RADCM的色散和增益，其中该HNLF具有D＝-4.9ps/nm-km，D’＝0.017ps/nm²-km，D”＝-8.9×10^-5ps/nm³-km的性质。不具有HNLF的RADCM使用3.3km的HSDK和2.18km的THOR8A774。使用HNLF的组件包括2.62kmHSDK，3.1kmTHOR8A774和3.0kmHNLF。由于HNLF的低RDS，图5中所示的两个组件的色散基本相同。不过如图6所示，在组件中包括HNLF，显著地增大了增益。该RADCM中光纤的顺序为THOR8A774在组件的信号输入一侧，HNLF在中间，HSDK在组件的泵浦侧。虽然所述的顺序不提供最高增益，不过如上面所讨论的，从噪声观点看这种顺序更有益。该顺序得到-43dB的低DRS系数(Rc)，以及FWM导致的低降质。

                   泵浦反射

图7表示根据本发明另一实施例的RADCM100。与图1中的RADCM10相同或相似的部分，具有相应的增加100的标号。RADCM100包括两或多个色散补偿光纤112、114，具有一光纤布拉格光栅130形式的泵浦反射器，用于有效地利用未吸收的泵浦能量。由于一般DCF112、114的长度小于10km，如果不被光栅130向回反射以增大组件的增益和效率，将从组件中输出相当大的泵浦功率

               使用泵浦反射器优化增益

在组件100的信号输入端122，可以使用诸如图7中的光栅130的泵浦反射器来增大泵浦能量的利用。这种设置可增大组件增益和减小双瑞利散射造成的损害。因为泵浦116工作于比输入组件的光信号更短的波长下，故可以将泵浦反射器构成为在输入信号波长下引入极小的损耗(例如0.1至0.2dB)。因为部分泵浦光与信号共向传播，故必须选择用作泵浦116的激光器，使得它们的RIN噪声处于系统接收器的频率范围之外，以防止泵浦—信号串扰所造成的质量降低。

图8表示在RADCM100的信号输入端122反射的不同数量的泵浦波长对组件增益的影响。对于所有的泵浦均被反射的某些波长，可以将增益增大3dB。不过，反射所有的泵浦功率未必是有益的，因为泵浦与泵浦的相互作用能导致显著的增益倾斜。被反射泵浦的最佳数量取决于泵浦和信号波长的总数量，和功率，以及DCF112、114的各种性质，如损耗和喇曼增益。

图9表示两个RADCM的增益，其中的一个具有4.5kmHSDK，没有泵浦反射器，另一个具有3.0kmHSDK，并且具有泵浦反射器。虽然两个组件的增益相似，不过图10表示出，对于使用更短长度HSDK光纤和FBG泵浦反射器的组件而言，其双瑞利散射所导致的损害显著降低。

图11为表示以波长为函数的DCF的色散特性曲线。如图所示，在其中特性曲线斜率的改变率(即二阶导数)基本为零的某个波长处，该特性曲线呈现出一个拐点200。根据本发明，最好是选择用于本组件的一或多个DCF，使它们的拐点处于或接近于该系统传输光纤的工作波长范围。DCF的这种选择能够使本发明组件以最佳方式补偿传输光纤的色散。

尽管前面的描述代表了本发明的最佳实施例，显然本领域技术人员在不偏离下面的权利要求提出的本发明的精神和范围的条件下，可以进行多种改变和变型。

Claims (10)

1.一种喇曼放大的色散补偿组件(RADCM)，具有两或多个色散补偿光纤(DCF)，共同配合对通过传输光纤传导的光信号中所产生的色散进行补偿，该喇曼放大色散补偿组件包括：

一具有第一长度、一输入端和一输出端的第一DCF，该第一DCF具有第一喇曼增益系数(g_r(λ))、第一喇曼有效光纤面积(A^r _eff)和第一色散特性；

一具有第二长度、一输入端和一输出端的第二DCF，其中该第二DCF的输入端被设置成接收来自第一DCF的输出端的光信号，在第二DCF的输入端与第一DCF的输出端之间没有泵浦信号源，并且该第二DCF具有第二喇曼增益系数、第二喇曼有效光纤面积和第二色散特性，选择第二色散特性，以与第一色散特性配合对于将在第二DCF的输出端提供的光信号进行补偿；以及

一耦合到第二DCF的输出端或第一DCF的输入端的泵浦光源，其中该泵浦光源具有处于一或多个波长下的一定的功率电平，为了产生所需的具有确定带宽的组件增益，用于对被补偿的光信号进行放大；以及

选择第一和第二DCF的长度，以使所需的组件增益最佳。

2.根据权利要求1所述的RADCM，其中该泵浦光源被耦合到第二DCF的输出端，并且包括一或多个设置在第一DCF的输入端的泵浦反射器。

3.根据权利要求2所述的RADCM，其中该一或多个泵浦反射器为光纤布拉格光栅。

4.根据权利要求1所述的RADCM，包括一第三DCF，该第三DCF具有一被设置成从第一DCF的输出端接收光信号的输入端，一被设置成将在第三DCF的输入端所接收的光信号提供给第二DCF的输入端的输出端。

5.根据权利要求1所述的RADCM，其中DCF之一的色散小于大约20ps/nm-km，并且有效面积小于大约20μm²。

6.根据权利要求5所述的RADCM，其中DCF之一的色散大于大约50ps/nm-km。

7.根据权利要求1所述的RADCM，其中至少一个DCF的色散特性在被该组件补偿的传输光纤的工作带宽之内或附近的波长处具有一拐点。

8.根据权利要求5所述的RADCM，其中一个DCF的色散小于10ps/nm-km，并且至少另一个DCF被设置在所述的一个DCF和泵浦光源之间。

9.根据权利要求1所述的RADCM，其中具有[(g_R(λ)/A^R _eff)(P_p)(L_eff)-(α_s)(L)]的值最大的DCF的长度(L)基本上为尽可能大，同时保持所需的总组件色散，其中g_R(λ)为该DCF的喇曼增益系数，A^R _eff是该DCF的喇曼有效面积，P_p是输入该DCF的泵浦功率，α_s是在传输信号波长下该DCF的损耗，L_eff是在泵浦光波长下该DCF的有效长度，其中 $L_{\mathrm{eff}}=(1/{\mathrm{\α}}_p)(1-e^{-{\mathrm{\α}}_{P}L}),$ 且α_p是泵浦光波长下该DCF的损耗。

10.一种光纤通信系统，包括一用于发射光信号的发射器，一用于在所需光路上传输光信号的系统传输光纤，一用于接收光信号的接收器，和一根据权利要求1所述可操作地耦合到发射器与接收器之间的传输光纤上的RADCM，以对传输光纤在该光信号中产生的色散进行补偿。

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