CN1459659A - 宽带raman放大器 - Google Patents
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Abstract
本说明书描述一个具有多泵激源的分布式Raman放大器，用于宽带放大波分多路复用(WDM)信号。人们认识到，使用多泵激源引入诸如四波混频(FWM)的非线性效应。通过多路复用多泵激源中的泵激波长，减少了所述的效应。人们还认识到，在泵激的波长谱上并不是所有的泵激波长都有助于FWM。因此只需要多路复用少于全部泵激波长的泵激波长以消除多波长泵激源中的FWM。描述了各种方法来保证泵激波长在传输区段中不发生FWM相互作用。选定的独立泵激波长可以被时分多路复用或者频率调制。
Description
技术领域
本发明涉及Raman放大器，并且尤其是在宽波段上具有平坦增益的分布式Raman放大器。
背景技术
光传输系统使用波分多路复用(WDM)来增强光纤传输线(通常为长距离传输)的信息处理。早先的波分多路复用系统以相对窄的波长带宽操作，以1550毫微米为中心，例如1530-1565毫微米，通常被称作C-波段。这就是标准的基于二氧化硅(silica)的光纤具有最佳低吸收量的波长范围。
大多数WDM系统中，在系统可容纳的信道数目和信道间距之间存在一个折衷方案。这两个目的都期望有宽工作光谱，即一个宽范围的工作波长。
近来，系统已经被设计成将有效工作波长范围扩展到远远超出C波段传输频带。在波长方面，被称作L波段的新波段纷纷被定义，但是对于本说明书的目的是1570-1610毫微米。这些增加的波长的运用在根本上扩展了WDM系统的容量。正在进行努力进一步地将有效工作波长窗口扩展到超过1610毫微米，例如扩展到1620毫微米。这些努力的成功与否将取决于在此宽波长范围上提供有效操作的元件，例如放大器的开发。
在波分多路复用系统中，在整个WDM波段上具有均匀增益是重要的。由于工作波长范围被延至更长的波长，该目标变得更加难以实现。近来，已经开发出采用Raman散射工作原理的新型光纤放大器。这些放大器中最突出的是分布式放大器，该放大器工作在正常传输区段(span)上，如同一个行波放大器。Raman散射是一个过程，通过该过程将一个入射在介质上的光变为在一个比入射光频率低的频率上的光。泵激光子泵激那些分子到一个虚能级(非谐振的状态)。在该过程中那些分子的状态很快地衰退到放出信号光子的一个较低能级。由于泵激光子被激励到一个虚能级，在任何波长上的泵激源都可能发生Raman增益。泵激和信号光子之间能量上的差通过该基质材料的分子振动散逸。这些振动能级决定该频移和增益曲线的形状。泵激和信号光子之间的频率(或波长)差被称作Stokes频移。在锗掺杂二氧化硅光纤中，可以获得的Stokes频移的最大增益是～13THz。由于二氧化硅的无定形特性，该Raman增益曲线在光纤中是非常宽的。
由于Raman散射可以发生在任何波长，通过利用若干不同波长上的Raman泵激放大信号，可以利用该散射在一个包含多个信号波长的电信系统中获益。考虑到由于Raman散射而导致的这些泵激之间的能量转移，通过一个给定波长所看到的增益是所有泵激所提供的增益的叠加。通过适当地加权每一Raman泵激波长上所提供的功率，可以获得一个信号增益-波长分布，其中在通过不同的信号波长所看到的增益之间存在微小的差异(该差异被称作增益波动或者增益平稳度)。
多泵激已经被成功地运用在很多不同的实验中。然而这个方法还存在一个玩固的问题。一个被称作四波混频(FWM)的有害非线性效应可能时常发生。在电信系统中，如果FWM出现在信号波段，就可能导致传输差错。当一个多泵激波长的Raman放大电路的泵激数目增加时，那么发生FWM的可能性也增加。
四波混频的不良影响已经被人们认识到。近来一个减少这些影响的方法已经被提出[EP 1 148 666 A2]。在该方法中，泵激波长被时分多路复用(TDM)在一起，或者泵激源的频率被调制(FM)。由于各种泵激波长只在光纤上较短距离内重叠，泵激波长之间的FWM应该被消除或者大大减少。
虽然该方法会消除FWM，但是该系统中的额定泵激功率需求还是比较高的。此外，为了时分多路复用较大量的泵激波长，在比较高功率上的一些操作显著增加了系统成本。减少任何一个上述需求将会显著加强使用多路复用的泵激波长来控制有害FWM效应的吸引力。此外，一个能够有效地在C+L波段上产生均匀平坦增益的Raman放大器在DWDM系统设计中将代表一个重要的技术进步。
发明内容
本发明在某种程度上是基于这样一种理解，即FWM效应不是在所有泵激波长上都均匀分布。我们分析了在一个分布式Raman放大器的C和L波段上提供平坦Raman增益所需的泵激波长和功率。由此分析，FWM特别严重的某些泵激波长被识别。一些波长，即下述例子的泵激光谱中最短的波长，几乎没有产生FWM。还注意到在较长的波长中所要求的功率显著地小于较短的波长中所要求的功率。这是由于在该传输区段上较短的波长泵激较长的波长。按照上述理解，仅仅对有助于该过程的泵激波长使用TDM或者FM，可以实现有害FWM的消除。由于利用了在传输区段内通过较短的波长泵激较长的波长的优点，所以该TDM或者FM方案所需要的功率数量减少了。较长的波长已经具有较低的发射功率。结果包括：
1)通过时分多路复用较少的泵激，各个泵激上的切换需求减少了，而且所需要的峰值功率也减少了。
2)FM源所需要的频率范围减少了。
3)由于采用较少的泵激来进行调制，电子设备的总成本减少了。
4)通过缩减泵激多路复用所需要的频率范围，减少了对扫频波长源的要求，从而使操作更加有引吸力和可行性。
附图说明图1是一个Raman光纤放大器的简图；图2是一个用于图1的放大器的光纤的示意图；图3是一个光纤Raman过程的操作示意图；图4是一条曲线，示出了锗掺杂二氧化硅光纤的规则化Raman增益光谱；图5是一个用于140千米光纤的C+L波段中平坦增益波动泵激功率与泵激波长的对比图表；图6是一个使用图5的泵激的放大器增益与泵激波长对比的图表；图7是一个可能的四波混频(FWM)过程的示意图；图8是一个使用时分多路复用(TDM)泵激波长的多波长泵激的示意图；图9是一个表示四波混频和泵激波长之间关系的图表；图10是一个使用本发明原理的Raman放大器的示意图；图11是一个调频(FM)多波长泵激的示意图；图12表示按照本发明实施例中的一对泵激源的实例；图13表示用于图12的泵激波长的TDM模型；以及图14和15表示用于泵激指向的可选方案。
具体实施方式
参见图1，所示的装置表示一个分布式Raman光纤放大器，该放大器具有传输区段11，大多为光纤。该传输区段表示较大长度的光纤，一般超过1千米。对本领域技术人员来说，显然该描述中的图例不是按比例绘制的，并且那些单元只是示意性的说明。为了说明该描述的细节，本发明的最佳实施例，即放大器介质为正常传输区段的分布式放大器将被示出。本发明的原理还适用于离散放大器，其中放大介质是一个指定长度的光纤，或者其他合适的行波介质。光纤11的长度最好至少为500米，以允许发生产生信号放大的光学相互作用。该放大器通常被终端泵激和反泵激，如图中通过耦合器12耦合到纤芯的泵激源13所示。典型的泵激波长是14xx毫微米，但是也可以在其他的波长上。该输入信号由14表示，而放大信号输出被表示为16。
参见图2，其中示出了一个光纤终端。该视图还表示出沿着该光纤的任何位置所截取的横截面。该光纤包括纤芯21以及包层22。光纤的纤芯通常为锗掺杂二氧化硅。可选地，也可以掺杂磷，或者其他的指数可变杂质，或者这些的混合物。该包层最好为高纯度二氧化硅材料，即至少85％的SiO2。在一些最佳结构中可以是纯二氧化硅，或者氟掺杂二氧化硅。光纤还具有一个保护层23，通常为一聚合物涂层。
图2所示的结构的尺寸可以有很大的变化。该包层直径典型地在范围50-400微米，最好为70-300微米。纤芯直径典型地是2-12微米。
光纤Raman放大器根据二氧化硅光纤中散射光线具有低于入射光波长的波长的原理工作。这在图3中被示意说明，其中一个泵激光子(νp)激励一个分子到一个虚能级(非谐振的状态)。在该过程中，该分子迅速衰退到一个较低的能级，从而放出一个信号光子(νs)。一个要注意的重点在于，由于该泵激光子被激励到虚能级，所以在任何波长上的泵激源均可以发生Raman增益。该泵激和信号光子之间能量上的差异是通过该基质材料的分子振动散逸的。这些振动能级决定频移和增益曲线的形状。该泵激和信号光子之间的频率(或者波长)差异被称作Stokes频移，在锗掺杂二氧化硅光纤中，获得最大增益的Stokes频移是～13THz。由于二氧化硅的无定形特性，该Raman增益曲线在光纤中是相当宽的。锗掺杂光纤的规则化Raman增益光谱在图4中显示为该泵激的频移的函数。
在包含多个信号波长的电信系统中，由于Raman散射可以发生在任一波长，若干不同波长上的Raman泵激可以用来放大信号。考虑到由于Raman散射而导致的这些泵激之间的能量转移，一个给定波长的增益是所有泵激所提供的增益的叠加。通过适当加权每一Raman泵激波长上所提供的功率，可以获得这样的信号增益-波长分布，其中在不同信号波长的增益之间存在微小的差异。该差异被称作增益波动或者增益平稳度，并且可以用dB表示成(Gmax-Gmin)。
图5表示用来产生平坦增益的一个多泵激系统的例子。注意，在较长的波长所需要的那些功率级显著地小于在较短的波长所需要的那些功率级。在一个WDMRaman放大器中使用该多泵激装置产生了图6所示的输出WDM信号，其中在C和L波段上获得比较平坦的增益。
如先前所述，使用多泵激引入了四波混频问题(FWM)。当一个或多个光波的光子混合起来在其他频率上产生光子时，出现四波混频。以总能量和动量(相位匹配)守恒的方式确定新频率。图7示意性地表示上述可能的一个实施例。在本说明中，三个波长νp1，νp2和νp3相应于两个或更多单独的泵激波长。需要特别注意，FWM是由三个波长之间的非线性相互作用引起的，所述的三个波长在这里给定的图解中是指三个泵激波长。FWM还有可能仅仅发生在两个泵激波长，和来自另一个泵激源的在介质中传播的第三波长上。
在一个电信系统中，在信号波段中由FWM引起的假波长分量可能导致传输差错。不同于自动地满足相位匹配的Raman散射，该FWM的效率取决于适当的频率和折射率选择。有三个因素影响相位失配，即材料色散，波导色散和光纤非线性。通过操纵该光纤的零色散波长(因此，波导色散)的位置，可以出现非常有效率的FWM。实际上这相当于具有接近光纤色散零的泵激波长，或者波长在色散零两边的两个泵激。因此显然，当在多泵激波长Raman放大方案中的泵激数目增加时，FWM的似然性增加。
减少FWM效应的一个有效手段是时分多路复用(TDM)多泵激波长。由于各种泵激波长在该光纤的微小距离上重叠，由泵激波长之间的相互作用而产生的FWM及其他有害的非线性效应被消除或者大大减少了。一个TDM多泵激源被示意性地表示在图8中。分别工作在1480毫微米，1494毫微米，以及1508毫微米的激光二极管泵激源71，72，以及73彼此同步并且多路复用为单独时隙74，75和76。泵激源71和72在WDM合波器81中被混合，并且泵激源73在WDM合波器82中被加入71和72。虽然图8所示的方案将有助于控制FWM及其他有害的非线性效应，然而它也存在若干问题。
1)首先，需要大量峰值泵激功率来维持同一增益平稳度。这可能导致其他有害的非线性效应。
2)当需要的TDM泵激数目增加时，对切换速度的要求也相应增加。这也增加了所需的峰值功率。对于FM源亦是如此。对于一个更宽的信号范围波长，FM源的调制速率和所需要的功率都提高了。
4)调制二极管比以恒定输出操作二极管更加昂贵，对于TDM方案，这意味着与泵激有关的成本随着波长数目增加。
5)对于FM方案，所需的较大频率范围对于开发应用这种源的可能性是一种严重的约束。
根据本发明，该状况的缓和遵循两个重要发现。首先，并非所有的泵激都产生有害的FWM。在图9所示的典型情况中，仅仅有三个最长的波长涉及FWM机制。该图示出1525毫微米到1550毫微米波长范围内五个WDM信道的反向散射能量与毫微米量级波长。存在两条曲线，其中实线表示没有信号的反向散射，而虚曲线表示有信号的反向散射。泵激波长在1445毫微米，1466毫微米，1480毫微米，1494毫微米，以及1508毫微米上。该图表仅仅涉及部分C波段，但是C+L波段的其他部分定性地表现出类似效果。分析表明，大约在1527毫微米上的反向散射峰值是1508毫微米，1494毫微米以及1480毫微米泵激波长之间的四波混频的产物。参见图7，这些波长分别对应于νp1，νp2以及νp3。1527毫微米上的峰值对应于νFWM。大约在1537毫微米上的峰值是νp1为1494毫微米，νp2为1480毫微米以及νp3为1445毫微米的四波混频的产物。大约在1540毫微米上的峰值是νp1为1508毫微米，νp2为1494毫微米，以及νp3为1466毫微米上的四波混频的产物。由图7可以理解，必需三个泵激波长以产生图9的四波混频峰值。有关较长波长是所有三个峰值的FWM的主要参与者的认识，导致了本发明的一个方面。通过恰好多路复用较长的波长，即1480毫微米，1494毫微米以及1508毫微米，确保不会有四波混频所必需的所有波长同时出现的时候。因此，为了获得TDM多泵激源的优点，不必时分多路复用所有的多泵激源。剩余泵激按CW方式操作。根据所述原理的一个系统如图10所示。根据上述列举因素，这导致一个重要的进步。一旦认识到只需要多路复用比所有泵激源少的泵激源，那么那些泵激源的选择就很直接了。图9中隐含的测量遵循众所周知的原理，并且可以凭经验确认。
可以通过使用TDM的替代方式，即使用调频泵激源达到类似的目的。通过用单源二极管对多泵激波长扫频，每次仅仅发射一个波长，如此消除发生FWM的可能性。该方案如图11所示，其中扫描频率源91用于替代图8的多个二极管71-73。这个方案的实现在某些方面更为简单，但是尚未开发出宽带单源，图8的系统的组件也是如此。然而，随着这些组件的出现，本发明的系统可以利用FM方法被有效地甚至更加有效地实现。特别要指出，使用本发明原理减少了扫频波长源所需要的波长范围。例如，图10(FM)以及图11的扫频二极管可以工作在1480毫微米-1508毫微米波长范围上，而工作在1420毫微米-1480毫微米范围上的剩余泵激是以CW方式工作的分立二极管。
由于信号信道穿过经过调制的泵激，因此在反向传播结构中多泵激多路复用技术是有效的。如果泵激功率被提高以补偿减少的相互作用长度，那么路径平均Raman增益是常数。TDM或者FM源循环通过所有不同泵激波长的速率也必须足够迅速，以致于出现信号功率的无增益相关调制。以往对从泵激到信号的噪声传递的研究建议所有泵激波长的总体重复速率应当大于50kHz。各个波长的调制速率快了大约n倍，其中n是波长数目。注意，调制速率和所需要的峰值功率是有关联的。调制速率越高，在给定波长上所需的峰值功率就越大。
在进行这些分析中还认识到，在较长波长所需要的泵激功率显著地小于较短波长上所需要的泵激功率。这是由于在传输区段中较短波长Raman泵激较长的波长。于是，从功率的角度看，这使得仅通过在较长泵激波长上使用TDM或者FM消除有害FWM的方式可被接受。为了完全均衡总体多路复用源，实际上需要调整用于各个泵激波长的激光二极管源以提供不等的功率。这降低了较长波长源的功率需求，并且也减少了TDM泵激源中包含的总体泵激功率。减少总体泵激功率可以有若干重要的系统优点，这些优点在本技术领域中为大家所熟知。
为了获得各个泵激之间的Raman能量交换的益处，需要相互作用的长度相当足够，即1千米或以上。该长度可以表示一个工作在分布式模式的传输区段(一般长于1千米，即3-100千米)，或者可以是用于离散放大器装置的光纤。
总而言之，减少多路复用泵激源的数目具有这些优点。
1)由于利用了传输区段中较短波长对较长波长的泵激，本发明的选择性泵激源多路复用所需要的功率数值被减少了。较长波长已经具有较低的发射功率。
2)通过减少多路复用的数量，各个泵激所需要的切换速度以及所需要的峰值功率被减少了。
3)FM源所需要的频率范围减少了。
4)由于减少了要调制的泵激，电子设备的总成本下降。
5)通过缩小频率范围，增加了开发扫频波长源的方案的数目。
在多泵激系统中所有泵激都被多路复用的现有技术的方案中，在各个泵激之间没有Raman能量交换。如上所示，这些相互作用可用于减少较长波长泵激(由较短波长Raman泵激)所需要的泵激功率。对所述方案的修改是使用多个TDM或者FM调制模式。实质上，该方案基于如上所述的认识，但是对多路复用的泵激信号采用不同的选择方法。该方法允许设备设计人员利用各个泵激源之间的Raman相互作用并且仍然能够减少或者消除FWM效应。所述的内容示意性地表示在图12和13中。在这个示例性系统中，使用了四个泵激波长。通过合并λ1+λ2+λ3和λ1+λ2+λ4从而产生了四波混频分量。如果λ1和λ3上泵激的调制重叠，并且λ2和λ4上泵激的调制重叠，那么可以消除所有的有害四波混频。该调制方案如图13所示。此外，在传输区段中，λ1上的泵激仍然可以放大λ3上的泵激，而且在λ2上的泵激可以泵激在λ3上的泵激。同样的方案可以用于两个FM源，其中一个源从λ1到λ2进行扫频，而另一个从λ3到λ4进行扫频。但不论哪种情况下，该传输光纤都被有益地用于放大一个随时间变化的泵激源。
使用该传输区段作为TDM或者FM泵激源的放大器的构思可以扩展为使用多级泵激。该方案的优点最近在美国专利6,163,630中被指出。在多级Raman泵激中，信号光与泵激光的最大增益频率相距大于1.5 Stokes频移。例如在第二级泵激中，一个与信号光相距2 Stokes频移的泵激波长被用于泵激与该信号光相距1 Stokes频移的第一级Stokes泵激。图14和15示出了这种情况。其中举例说明了两个结构。在图14所示的第一情况下，第一和第二级泵激相对于信号光被反向泵激。需要一个有限长度的光纤用于将第二级泵激变为第一级泵激。然后第一级泵激泵激该信号。这允许在更接近光纤的信号输入端的位置发生信号放大。在该方案的第二实施例中，第二级泵激沿着与该信号相同的方向传播(同向泵激)(图15)，并且第一级泵激被反向泵激。第二级泵激在光纤的输入端泵激第一级泵激，该输入端允许第一级泵激泵激该信号。这又允许在更接近光纤信号输入端的地方发生Raman增益。由于在第一级Raman泵激中该泵激通常在信号的相反方向上传播，因此多级泵激是有利的。大部分的放大都发生在接近传输区段信号输出端的位置。在光纤中的该位置上，信号功率已经显著地降低。如果光纤中的Raman增益可以在更接近光纤信号输入端的位置发生，那么就获得一个改善的信噪比(SNR)以及噪声系数(NF)。第二级泵激所需的功率非常小。在双级泵激系统的一个范例中，1366/1455毫微米泵激的功率比分别为970/10毫瓦。针对1455毫微米上的低功率，通过利用低功率需求，该方案对于使用CW-TDM或者CW-FM模式来说也是理想的。
虽然最初被认为是一种用于缓和FWM的手段，然而本发明还存在若干额外的优点。如果期望更新现有系统以便将操作扩展在更宽的带宽上，就会有显著的成本降低。无需更换所有的当前泵激，只须附加几个可以被调制的额外泵激就可以了。通过操纵泵激模式和或功率级，也可以在一些信道上达到某种程度的增益平稳度的控制。这将会允许不同的增益分布形状。此外，通过允许在光纤零色散波长附近进行选择性泵激调制，可以减少或者消除诸如FWM或者超连续介质(supercontinuim)产生的非线性效应。
虽然上述实施例描述了工作在C和L波段的分布式Raman放大器，但是本发明的原理可以应用于其他波长(例如S波段)的Raman放大。因此本发明所设想的信号波长范围是1490毫微米到1610毫微米，以及上面所述。虽然会发现其他波长也是有用的，然而泵激波长的范围通常为1380毫微米到1520毫微米。
适于实现本发明的泵激源为半导体二极管，例如硅，GaAlAs，InGaAs，InGaAsP。半导体泵激激光器是最佳的，但是其他的泵激源，例如钕玻璃，钛蓝宝石也能被使用。
在大多数情况下，本发明的放大器将被反向泵激。上述范例之一描述了一个反向泵激和一个同向泵激，并且如果并非所有，那么通常将采用某些反向泵激。
如上所述，本发明可以使用比所有的放大器泵激源更少的TDM或者FM来进行实施。用于该描述或者下述权利要求中的术语“调制”涵盖了TDM和FM。
本技术领域技术人员可以想到本发明的各种附加的改进。基本上依赖于改进现有技术的原理和等价原理的所有源于说明书具体教导的成果均被认为是在如所述及所要求的发明范围内。
Claims (12)
1.一种采用Raman放大的光学系统，包括：
a.一定长度的光波导，
b.将光波信号引入光波导的光波信号装置，该光波信号包括至少三个波分多路复用(WDM)波长，
c.将光波泵激能量引入玻璃光纤纤芯的光泵激装置，由此光波泵激能量与光波信号相互作用以产生光波信号的Raman放大，光泵激装置包括N个分立的泵激源，其中N至少为3，各个泵激源工作在不同的波长上，
其特征在于调制N个分立泵激源中的N-x个的装置，其中x至少为1。
2.根据权利要求1的光纤放大器，其中光波导包括一定长度的光纤。
3.根据权利要求1的光纤放大器，其中光波信号在光纤的一个方向上传播，而光波泵激能量在相反方向上传播。
4.根据权利要求1的光纤放大器，其中该N-x个分立泵激源被时分多路复用。
5.根据权利要求1的光纤放大器，其中N-x个分立泵激源被频率调制。
6.根据权利要求1的光纤放大器，其中N至少为3并且x至少为2。
7.根据权利要求2的光纤放大器，其中光纤包括锗掺杂二氧化硅。
8.根据权利要求1的光纤放大器，其中N个分立泵激源工作在1380毫微米到1520毫微米的波长范围上。
9.根据权利要求8的光纤放大器，其中WDM波长在1490毫微米-1610毫微米的范围内。
10.根据权利要求1的光纤放大器，其中N个分立泵激源被分成至少两对P1和P2，并且所述的泵激源对被时分多路复用。
11.根据权利要求1的光纤放大器，其中所述N个分立泵激源被分成至少两对P1和P2，并且所述泵激源对被频率调制。
12.根据权利要求1的光纤放大器，其中N个分立泵激源中的至少一个与N个分立泵激源中另外一个的最大增益峰值相距1.5 Stokes频移。
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