CN1582519A - 利用微结构光纤的喇曼放大 - Google Patents

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Abstract

一种喇曼放大器，包括：微结构光纤和光线路连接到微结构光纤一端的至少一个泵浦激光器。泵浦激光器适合于发射波长λp的泵激辐射，而微结构光纤包含沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的硅基纤芯。微结构光纤的纤芯还至少包含一种添加到硅的掺杂剂，所述掺杂剂适合于增强喇曼效应。

Description

利用微结构光纤的喇曼放大
技术领域
本发明涉及利用微结构光纤的光纤喇曼放大器和适合于喇曼放大的微结构光纤。具体地说，本发明涉及集总光纤喇曼放大器和适合于集总光纤喇曼放大器的微结构光纤。
背景技术
光纤喇曼放大器一直以来吸引着人们很大的注意，因为它们能增大传输容量。喇曼放大器具有这样一些优点，例如，低噪声，选取信号波长的较大灵活性，以及平坦和宽广的增益带宽。选取信号波长的较大灵活性主要取决于这样的事实，信号放大所用材料的喇曼峰值实际上仅与泵激波长有关，它不同于掺铒光纤放大器中发生的情况，其中信号波长的选取是受铒受激发射截面的限制。例如，利用多个泵浦源，可以大大扩展喇曼放大器的宽增益带宽。这种宽的增益带宽可以代表把可用光带宽扩展到掺铒光纤放大器的常规C波段和扩展L波段之外的一种方法。集总喇曼放大器还可以在补偿光纤的衰减和诸如连接器，开关，分束器等其他光学元件的损耗方面发挥重要的作用。
至今，人们一直建议采用色散补偿光纤(DCF)或，更一般地说，高度非线性光纤以实现光纤喇曼放大器。例如，T.Tsuzaki et al.在“Broadband Discrete Fiber Raman Amplifier with High DifferentialGain Operating Over 1.65μm-band”，OFC2001 MA3-1中描述工作在1.65μm波段内高微分增益(0.08dB/mW)，低噪声(＜5.0dB)，宽带(30nm)和平坦增益(＜±1dB)光纤喇曼放大器，它采用低损耗高度非线性光纤(HNLF)和扩展泵浦激光源。该光纤的传输损耗在1.55μm下为0.49dB/mW和在1.65μm下为0.47dB/mW，1.55μm下的有效面积Aeff为10.10μm2，1.55μm下的色散为1.79ps/nm/km，Δn为3.10％和比率gR/Aeff为6.50×103 1/Wm。图1的文章说明衰减在波长1450nm下约为0.7dB/km。
为了估算不受光纤长度影响的喇曼放大特性，该文的作者采用以下的品质因数：
               FOM＝(gR/Aeff)/αp                  [1]
其中(gR/Aeff)和αp分别是泵激波长下的喇曼增益系数和光纤衰减。在1450nm泵激下，FOM的估算值为9.3 1/W/dB。若泵激波长设定在1550nm，则FOM高达13.2 1/W/dB。
最近以来，人们对光纤结构产生很大的兴趣，这种结构包含围绕固态硅芯的多个气眼。这些空气-硅微结构光纤，类似于早期的单材料光纤，由于硅芯与空气-硅包层之间的折射率差，引导纤芯内的光。在本领域中，微结构光纤也称之为“光子晶体光纤”或“多孔光纤”。
例如，J.A.West et al.在“Photonic Crystal Fibers”，ECOC 2001，Th A 2.2中综述各种类型空气-硅微结构光纤，例如，有效折射率光子晶体光纤(EI-PCF)，空气-包层纤芯光纤，和光子带隙光纤(PBGF)。EI-PCF通常是由圆形空气柱的六边形格子制成，其中周期性是相对地均匀。该作者报告这种类型光纤的损耗低至2.6dB/km。空气-包层纤芯光纤仅包含单个气眼环。去除外层气眼的证明是，在波长大于气眼之间距离Λ的限制下，光纤的性能非常类似于相当的阶跃折射率光纤。当气眼非常大时，这种光纤基本上变成空气中的硅棒和细硅柱，其目的仅仅是支承纤芯，硅棒和硅柱可以代替气眼的周期性格子。该作者报告这种类型光纤的典型损耗是5-10dB/km。PBGF完全依靠波导作用的光子带隙物理结构并可以实现低折射率纤芯中的真正引导。
微结构光纤与常规的光纤可以有很大的不同，它可以具有标准光纤中不能实现的性质。
例如，J.K.Ranka et al.在“Visible continuum generation inair-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at800nm”，Optics Letters，Vol.25，No.1，p.25-27(2000)中公布，空气-硅微结构光纤在可见波长下可以展示反常色散。将100-fs持续时间和千瓦峰值功率的脉冲传播通过零色散波长附近的微结构光纤，他们利用这个特征产生从紫色到红外延伸的带宽为550THz的光连续体。
人们建议采用掺杂纤芯的微结构光纤。例如，LucentTechnologies Inc.的专利US 5,802,236公开一种有固态硅芯区的光纤，固态硅芯区被内包层区和外包层区包围。包层区有沿光纤轴向延伸的毛细孔隙，其中内包层区中的孔隙直径大于外包层区中的孔隙直径。微结构光纤的′236专利中公开的申请包括：在有光敏纤芯的光纤中，利用Bragg或长周期光栅，形成全光非线性Kerr交换。这种光纤通常有Ge，B，或掺Sn的纤芯。
在另一个例子中，C.E.Kerbage et al.在“Experimental and scalarbeam propagation analysis of an air-silica microstructure fiber”，Optics Express，Vol.7，No.3，p.113-121(2000)中研究空气-硅微结构光纤中的高级导模，该光纤包含围绕掺锗纤芯的六个大气眼的环。他们从实验上利用纤芯内Bragg光栅描述各种模式的特征。
微结构光纤可以达到高度的光非线性。硅与空气之间的很大折射率差意味着，可以把光局限于尺寸为光波长数量级的横模中，这种光纤每单位长度的有效非线性比常规硅光纤的非线性高10-100倍。利用这种特性可以减小基于非线性效应装置所需的长度/功率电平。
J.H.Lee et al.在“A holey fiber Raman amplifier and all-opticalmodulator”，EOCO 2001，Th A 4.1中提出微结构光纤中的喇曼放大，他们展示利用短长度的高度非线性多孔光纤以得到强的L波段喇曼放大。利用有效面积为2.85μm2的75m长多孔光纤，他们得到1640nm下的内部增益超过42dB和噪声指数约为6dB。该光纤的损耗是40dB/km。得到的增益效率是6dB/W。此外，该作者估算的喇曼增益系数gR值为7.6×10-14m/W。
本申请人观察到，6dB/W的增益效率意味着，为了实现有内部增益20-25dB的放大器，应当使用大于3-4W的泵浦功率。这使得Lee et al.文章中描述的光纤在实际安装到电信系统中时是相当不现实的。
本申请人面临的问题是利用微结构光纤获得喇曼放大器，它能够利用低的泵浦功率要求实现高增益。最好是，该放大器应当有低的噪声指数。本申请人察觉到，为了实现高的喇曼增益效率，即，利用低泵浦功率的高增益，根据公式[1]，微结构光纤应当有高的喇曼放大品质因数。
本申请人观察到，利用以上给出的公式[1]计算Lee et al.文章中描述光纤喇曼放大的FOM，得到的数值是0.67 1/W/dB，这是非常低的数值。按照本申请人的观点，这主要是由于微结构光纤的高衰减(40dB)。然而，本申请人确认，即使空气-硅微结构光纤的衰减较低，空气-硅光纤的喇曼放大品质因数至多可以与普通色散补偿光纤或普通高度非线性光纤的喇曼放大品质因数相当。应用以上给出的公式[1]，考虑到gR为7.6×10-14m/W，微结构光纤在泵激波长下的非常低衰减为2.6dB/km和有效面积为2.85μm2，可以得到的“最佳”值约为101/W/dB。就是说，即使考虑空气-硅微结构光纤有非常低的衰减，这种光纤的喇曼放大品质因数至多与利用普通色散补偿光纤或高度非线性光纤得到的品质因数相同。按照本申请人的观点，这是由于微结构光纤的较高衰减，在至今最佳的情况下，可以达到的值约为2.6dB/km，它比普通光纤低0.5dB/km。不能认为以上给出的空气-硅微结构光纤的“最佳”品质因数是非常满意的，因为制造有非常低衰减的空气-硅光纤与制造普通光纤比较是相当复杂的。此外，利用有非常小有效面积(例如，Lee et al.文章报告的例子中是2.85μm2)的微结构光纤可以得到这种结果，它产生的问题是放大时微结构光纤中泵激辐射与光信号的耦合。
本申请人发现，为了得到具有高喇曼放大品质因数的微结构光纤，而不需要极低的衰减或极小的有效面积，应当把能够增强喇曼效应的掺杂剂加入到微结构光纤纤芯的硅中，为的是使该光纤适合于喇曼放大器。能够增强喇曼效应的掺杂剂是相对于纯硅喇曼增益系数可以提高喇曼增益系数gR值的掺杂剂。一种优选的合适掺杂剂是锗。
发明内容
在第一方面，本发明涉及喇曼放大器，包括：至少一个微结构光纤和光线路连接到所述微结构光纤一端的至少一个泵浦激光器，所述泵浦激光器适合于发射波长λp的泵激辐射，所述微结构光纤包括沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的硅基纤芯。微结构光纤的纤芯至少包含一种添加到硅的掺杂剂，所述掺杂剂适合于增强喇曼效应。
最好是，所述微结构光纤在1460nm与1650nm之间波长区可以有最大喇曼增益系数gR，所述波长λp下的衰减αp和所述波长λp下的有效面积Aeff，其中(gR/Aeff)/αp大于或等于5 1/W/dB，更好的是大于或等于10 1/W/dB。
一种适合于增强喇曼效应的优选掺杂剂是锗。
最好是，微结构光纤的纤芯中锗浓度可以大于或等于8％mol，较好的是大于或等于10％mol，更好的是大于或等于20％mol。
最好是，所述微结构光纤的有效面积Aeff在所述波长λp下小于或等于10μm2，更好的是小于或等于所述波长λp下的7μm2。
为了促进耦合，所述微结构光纤的有效面积Aeff在所述波长λp下可以大于或等于3μm2。
最好是，微结构光纤的衰减αp在所述波长λp下小于或等于10dB/km，更好的是小于或等于所述波长λp下5dB/km。
为了降低WDM系统中四波混频的起动，最好是，所述微结构光纤的色散在波长1550nm下大于或等于40ps/nm/km绝对值，更好的是，在波长1550nm下大于或等于70ps/nm/km。
最好是，所述微结构光纤在波长大于或等于1430nm下可以是单模光纤。
在优选的实施例中，孔隙的直径是在0.3μm与4.0μm之间。此外，所述孔隙之间的距离最好小于4.0μm。最好是，所述孔隙的直径d与所述孔隙之间距离Λ的比率大于0.35。
有利的是，所述微结构光纤的长度可以小于或等于2000m，最好是小于1000m。
在第二方面，本发明涉及适合于引导波长1460nm与1650nm之间波段内光信号的微结构光纤，包括：沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的纤芯。该纤芯包含硅和适合于增强喇曼效应的掺杂剂。该光纤还适合于按照所述纤芯的喇曼位移引导相对于较低波长区中所述波段内至少一个波长位移的波长λp泵激辐射。该光纤在所述波段内有最大喇曼增益系数gR，以及所述波长λp下的衰减αp和有效面积Aeff，其中(gR/Aeff)/αp大于或等于5 1/W/dB，最好是大于或等于10 1/W/dB。
在第三方面，本发明涉及微结构光纤，包括：沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的纤芯，所述纤芯包含硅和锗，其特征是，所述纤芯中锗的浓度大于或等于8％mol。
附图说明
参照附图并通过以下详细的描述，可以更好地理解本发明的其他特征和优点，其中：
图1表示按照本发明一个实施例的喇曼放大器示意图；
图2表示用于测量适合于喇曼放大的光纤喇曼增益系数的实验装置示意图；
图3表示按照公式[1]的喇曼放大品质因数与泵激波长1450nm下衰减之间关系的几条曲线，利用按照本发明的微结构光纤可以得到这些曲线；
图4是利用按照本发明微结构光纤(40a)可以得到的on-off增益与喇曼放大光纤长度关系的曲线，并与利用有纯硅纤芯的微结构光纤(40b)和利用按照现有技术的高度非线性光纤(40c)得到的曲线进行比较；
图5表示利用按照本发明微结构光纤可以得到的几条增益等值曲线，增益作为掺杂剂浓度和泵浦功率的函数；
图6表示理想微结构光纤的部分横断面，该光纤有按照六边形格子配置的孔隙；
图7至10表示按照本发明微结构光纤的几条色散曲线；
图11表示色散和有效面积作为按照本发明微结构光纤中孔隙之间距离和孔隙直径与孔隙之间距离比率的函数的几条等值曲线，其中强调优选的区域；
图12表示微结构光纤的一般色散曲线，其中波导色散超过材料色散。
具体实施方式
图1表示按照本发明一个实施例的喇曼放大器1。喇曼放大器1包括：微结构光纤2和光线路连接到微结构光纤2一端的至少一个泵浦激光器3a。例如，通过WDM耦合器4。
在图1所示的典型优选实施例中，设置两个泵浦激光器3a，3b，它们适合于发射波长λp并有基本相同功率发射的偏振泵激辐射。两个泵激辐射通过偏振光分束器5耦合在一起，使两个正交偏振态沿偏振光分束器5的下行方向发送。偏振光分束器5连接到WDM耦合器4的一端。WDM耦合器4的另一端适合于接收波长λS的光信号进行放大。WDM耦合器4的第三端连接到微结构光纤2。WDM耦合器4与微结构光纤2的光线路连接可以包括：聚焦透镜，或更一般地说，校正光学元件，为了优化光辐射在光纤2中的耦合。在图1所示的配置中，光信号和泵激辐射在微结构光纤2中是同向传播的。另一个实施例可以提供光信号与泵激辐射的反向传播。另一个实施例可以同时提供光信号与泵激辐射的同向传播和反向传播。在未画出的其他的实施例中，可以设置有不同发射波长的多个泵浦源。按照本发明的喇曼放大器可以是单级放大器，或多级放大器，或可以是部分的多级放大器。此外，按照本发明的喇曼放大器可以与其他类型的放大器进行组合，例如，掺铒光纤放大器或半导体放大器。
光信号的波长可以在约1460nm与1650nm之间，最好是在约1525nm与1625nm之间。泵浦激光器3a，3b发射的辐射与信号辐射波长有关：为了产生喇曼放大，泵浦激光器的波长应当相对于频谱中较低波长区内的信号辐射波长发生位移，这个位移等于微结构光纤2的纤芯中至少一个信号辐射波长材料的喇曼位移(见G.P.Agrawal，“Nonlinear Fiber Optics”，Academic Press Inc.(1995)，page317-319)。
按照本发明的喇曼放大器可以是部分的光传输系统，最好是WDM传输系统，包括：发射站，接收站和连接所述发射站和所述接收站的光线路。发射站包括：至少一个发射器，它适合于发射携带信息的光信号。在WDM传输中，发射站包括：多个发射器，它们适合于发射多个光信道，每个光信道有各自的波长。在这种情况下，光信号是包含不同光信道的WDM光信号。接收站包括：至少一个接收器，它适合于接收所述光信号和鉴别所述信息。在WDM传输中，接收站包括：多个接收器，它们适合于接收WDM光信号和鉴别每个接收光信道所携带的信息。光线路包括：至少一个传输光纤。至少包括一个按照本发明喇曼放大器的至少一个放大器是沿光线路设置，为的是抵消至少部分的所述传输光纤引入到光信号的衰减。其他衰减源可以是沿光线路设置的连接器，耦合器/分束器和其他各种装置，例如，调制器，开关，分插复用器，等等。至少包括一个按照本发明喇曼放大器的光传输系统可以是任何类型的的光传输系统，例如，地面传输系统或水下传输系统。传输系统还可以包含其他类型的放大器，例如，掺铒光纤放大器或半导体放大器，它与至少一个按照本发明喇曼放大器进行组合。
回到图1，包含在喇曼放大器1中的微结构光纤2包括：沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的硅基纤芯。
最好是，包围微结构光纤2纤芯的孔隙是这样配置的，使有效面积Aeff小于或等于10μm2，更好的是小于或等于7μm2，有效面积Aeff是在泵激波长λp下估算的。若利用有多个波长发射的多个泵浦源，为了估算有效面积Aeff，可以利用多个泵激波长的平均值。小的有效面积可以有利地增强非线性，具体地说，增强喇曼效应。在本发明中，有效面积Aeff是可以利用以下公式计算的系数：
A eff = [ ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ | E ( x , y ) | 2 dxdy ] 2 / ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ | E ( x , y ) | 4 dxdy - - - - [ 2 ]
其中E(x，y)是辐射波长为λp的电场，它是在x-y平面上沿横跨z传播方向的微结构光纤中传播。
最好是，微结构光纤2泵激波长下的衰减αp小于或等于10dB/km，更好的是小于或等于5dB/km。在估算衰减αp时，若利用有多个波长发射的多个泵浦源，则可以利用多个泵激波长的平均值。
由于微结构光纤2小的有效面积，为了抵消WDM传输中可能出现四波混频，最好是，包围微结构光纤纤芯的孔隙可以设置成这样，使波长1550nm下的色散大于或等于40ps/nm/km绝对值，更好的是大于或等于70ps/nm/km。可以利用本领域中容易实现的方法以得到这些色散值。这种方法包括：例如，合适地选取孔隙之间的距离Λ，或孔隙的直径d，或有关的比率d/Λ，或这些参数的任意组合。在上述West et al.的文章中，它说明通过比率d/Λ的值从0.40改变到0.90，其中Λ值＝1000nm，有效折射率光子晶体光纤的色散曲线是如何变化的。以下的描述中给出几个优选的例子。
最好是，孔隙大致是按照六边形格子设置的，它可以得到几乎最佳的导模对称性和微结构光纤的低双折射。
最好是，微结构光纤2至少在被放大光信号的波段内是单模光纤。在评价光纤的单模性时，可以利用2m截止波长。在波长等于或大于1550nm的传输中，微结构光纤2最好是在波长大于或等于1430nm下的单模光纤。
为了满足以上所设置的光纤有效面积，和/或色散和/或单模性的优选技术要求，利用本领域中容易实现的方法，可以找到纤芯周围孔隙的几何特性和配置。通常，这种方法涉及利用模拟软件工具。孔隙可以有大致相同或不同的直径：例如，它们可以设置在纤芯的周围，因此，可以确定内包层区包含的孔隙直径大于外包层区包含的孔隙直径，如在上述美国专利5,802,236中所指出的。
最好是，微结构光纤2的双折射可以很低，为的是减小喇曼放大器中与DGD相关的起动问题。最好是，喇曼放大器1的DGD可以小于系统比特率所设定时隙的1/6。例如，比特率2.5Gbit/s下最大DGD的合适值约为70ps。作为另一个例子，比特率10Gbit/s下最大DGD的合适值约为20ps。
为了保持喇曼放大器1有低的噪声指数，微结构光纤2的长度最好小于或等于2000m，更好的是小于或等于1000m，甚至更好的是小于或等于500m。
最好是，喇曼放大器1的低噪声指数可以小于或等于约10dB，更好的是小于或等于约6dB。
硅基纤芯包含硅和至少一种掺杂剂，相对于有全硅纤芯的微结构光纤，该掺杂剂适合于增强微结构光纤的纤芯内喇曼效应。一种优选的合适掺杂剂是锗，通常是它的氧化物GeO2。其他合适的掺杂剂可以是磷或硼，通常分别是它们的氧化物P2O5和B2O3。在以下的描述中，具体参照锗的掺杂：若利用另一种掺杂剂，则专业人员可以采用以下描述中所给出的指导。
所谓“适合于增强喇曼效应的掺杂剂”，是指相对于纯硅的喇曼增益系数值，它可以增强微结构光纤的纤芯中所含材料的喇曼增益系数gR值。在本发明中，为了明白一种掺杂剂是否适合于增强喇曼效应，应当参照微结构光纤的纤芯中包含材料喇曼增益系数的块状值相对于纯硅喇曼系数的块状值。
应当注意，在与光纤有关的文献中，“喇曼增益系数”是指gR系数或比率gR/Aeff。在此处描述的喇曼增益系数中，它是指gR系数。
按照以下的近似公式[3]，利用纤芯中的锗浓度C，可以得到微结构光纤的喇曼增益系数gR估算值，该微结构光纤有包含锗的硅基纤芯：
          gR＝gRSiO2·(1-C)+gRGeO2·C               [3]
其中gRSiO2是纯块状硅的喇曼增益系数，而gRGeO2是纯块状锗的喇曼增益系数。文献中报告的gRSiO2值在波长1.55μm下约为7.74×10-14m/W；文献中报告的gRGeO2值在波长1.55μm下约为59.35×10-14m/W(例如，见Lines，“Raman-gain estimates for high-gainoptical fibers”，J.Appl.Phys.62(11)，p.4363-4370(1987))。公式[3]给出喇曼增益系数gR的理论块状值。为了更精确地估算光纤的纤芯中喇曼增益系数gR的实际值，由于光纤包层中信号辐射的部分损耗，考虑小于光纤中传播的信号与泵激辐射之间完全的喇曼耦合，可以减小公式[3]估算的值。把公式[3]估算的gR值乘以校正因子(Rcore/Rmode)，就可以考虑到这个效应，其中Rcore是光纤的纤芯半径，而Rmode是传播进入光纤的信号辐射模半径。在这方面，本申请人相信，对于微结构光纤，可以忽略这个校正因子，因为微结构光纤的纤芯中模限制是非常有效的，这是由于存在轴向延伸孔隙使纤芯与包层之间有高的折射率差。另一个可以加到公式[3]估算值的校正因子以使gR有良好估算值是由于在传播进入到光纤中时，信号辐射的偏振态与泵激辐射的偏振态之间缺少完全的对准。这就降低光纤中喇曼放大的有效性。然而，两个泵浦源通过图1所述的偏振光分束器进行耦合，可以获得偏振光的基本独立性。
作为一个例子，若微结构光纤的纤芯中锗的浓度为20％mol，则公式[3]给出的gR值约为18.06×10-14m/W。
为了更精确地估算光纤喇曼增强系数gR的实际值，可以利用图2所示的实验装置。在图2中，波长和发射功率可调的激光源20连接到第一个1×2功率分配器21。激光源20可以包括：例如，波长可调激光器20a，掺铒光纤放大器20b和可变衰减器20c。第一功率计22连接到功率分配器21的两个输出端口中的一个端口。泵浦系统23连接到WDM耦合器24的一个输入端口。泵浦系统23包括：两个泵浦激光器23a，23b，有基本相同的波长发射和基本相同的功率发射，它们与偏振光分束器23c的耦合是这样的，两个正交偏振态被引向WDM耦合器24。功率分配器21的第二输出端口连接到WDM耦合器24的第二输入端口。WDM耦合器24的输出端口连接到第二功率分配器25的输入端口。第二功率计26连接到功率分配器25的一个输出端口。与第一连接器27终接的一段光纤连接到率分配器25的第二输出端口。例如，第一功率分配器21和第二功率分配器25可以是90/10功率分配器。功率分配器的“10％”输出端口应当连接到功率计22，26。图2中参考数字28标记的被测试光纤在测量期间光线路连接到第一连接器27与第二连接器29之间。被测试光纤28与连接器27，29的光线路连接可以包括：聚焦透镜，或更一般地说，校正光学元件，为的是优化光辐射在光纤28中的耦合。最后，光谱分析仪30连接到第二连接器29。
利用图2的实验装置，可以确定光纤28的gR与信号辐射波长的关系曲线。激光源20模拟信号辐射的发射，它应当适合于发射感兴趣波长范围内波长辐射。优选的波长范围是在1460nm与1650nm之间。泵浦激光器23a和23b有这样的发射波长，它与用于测量预期喇曼位移的激光源20波长范围有关。利用硅-锗光纤，泵浦激光器23a和23b发射的辐射频率应当是低于激光源20发射辐射频率的13.2THz。例如，感兴趣的波长范围可能在1525nm与1575nm之间：在这个波长范围内，合适泵浦激光器的波长应当在约1425nm与1475nm之间。因此，在选取的泵激波长下，可以画出gR与所感兴趣波长范围的关系曲线(在整个所感兴趣波长范围内有相同的泵激波长)。为了估算gR，利用感兴趣波长范围内的最大gR值。对于有用泵激波长范围的每个泵激波长，可以确定不同的曲线。在这种情况下，利用最大gR中的最佳值。
应当按照以下的方式进行测试。在连接器27与29之间没有测试光纤28的情况下，完成激光源20和泵浦系统23的发射功率定标。为了定标功率计22，关断泵浦激光器23a，23b，仅使来自激光源20的辐射射向功率计22和连接到第一连接器27的另一个功率计。通过均衡从第一功率计22读出的功率和从连接到第一连接器27的另一个功率计读出的功率完成定标。通过关断激光源20和利用泵浦系统23，对功率计26完成类似的定标。在测量时，被测试光纤28连接在连接器27与29之间，并接通激光源20和泵浦系统23，使二者发射连续波辐射。掺铒光纤放大器20b和可变衰减器20c可用于改变信号辐射的发射功率。在感兴趣范围内的每个信号波长上，光谱分析仪30给出被测试光纤28输出的功率Pout。一旦完成按照上述方法的定标，第一功率计22可以依此估算输入到光纤28的信号辐射功率Pin。比率Pout/Pin给出增益G。为了正确地计算增益G，被测试光纤28与连接器27，29光连接可能产生的光损耗应当添加到光谱分析仪30上读出的输出功率值Pout上。
如此确定的增益G通过以下的公式[4]与喇曼增益系数gR有关：
        G＝exp(gR Ppump Leff/Aeff)               [4]
其中Ppump是泵浦激光器23a，23b中仅仅一个的泵浦功率，Aeff是光纤28在泵激波长下光纤28的有效面积，而Leff是有效长度，它按照以下的公式[5]与光纤的28长度和泵激波长下的光纤衰减αp有关：
L eff = 1 α p [ 1 - exp ( - α p L ) ] - - - - [ 5 ]
公式[4]给出称之为“on-off增益”的增益。若光纤28的衰减特性和有效面积是已知的，则可以确定任何信号波长的gR值。若不是高精确地知道光纤28在泵激波长下的有效面积，则可以确定比率gR/Aeff的值。为了利用公式[4]，应当在所谓的“小信号状态”下进行测量，就是说，保证信号辐射功率和泵激辐射功率在光纤28中不引起饱和。为了验证这种情况，输入信号功率的微小增加(例如，1dB)应当对应于被测试光纤28输出功率的相同微小增加。另一方面，相对于输入功率增加的输出功率较小增加指出该光纤是在饱和状态。
微结构光纤纤芯中锗的浓度C，以及微结构光纤中泵激波长下的衰减αp和泵激波长下的有效面积Aeff最好选取成这样，使以上公式[1]给出的喇曼放大品质因数值至少为5 1/W/dB，最好是至少为101/W/dB。至少为5 1/W/dB的品质因数值可以使喇曼放大器1有高的增益效率，即，利用低的泵浦功率要求，可以得到高的喇曼放大器增益。具有这些品质因数值，按照本发明的单级喇曼放大器可以得到15dB增益，其中每个泵浦激光器的泵激辐射功率小于200mW，且微结构光纤的长度约在500-2000m的范围内。利用按照本发明的微结构光纤，可以得到较高的喇曼放大品质因数值，例如，15 1/W/dB，因此，我们获得较高的喇曼效率。
应当注意，在微结构光纤中，光纤的包层中形成孔隙的作用是把有效折射率降低到纤芯的折射率之下。光限制的性质，例如，光纤的有效面积，实际上仅取决于纤芯周围的孔隙排列，而与纤芯的实际折射率与包层的实际折射率之差无关。这意味着，在纤芯中含锗或适合于增强喇曼效应的另一种掺杂剂的微结构光纤2中，光限制的特性实际上与锗的浓度无关。甚至可以利用微结构光纤2纤芯中非常高的锗浓度以达到非常高的gR值。实际上，限制微结构光纤2纤芯中锗浓度的唯一约束可能是制造锗-硅纤芯中的技术限制。通常，高于30％的锗浓度在实施上可能有问题。最好是，微结构光纤2纤芯中的锗浓度可以大于或等于8％mol，更好的是大于或等于10％mol，甚至可以大于或等于20％mol。
与此相反，在有锗-硅纤芯和硅包层的常规锗-硅光纤中，光的限制取决于纤芯中存在锗所导致的纤芯与包层之间折射率差。在这种情况下，不能无约束地提高锗的浓度，因为纤芯的折射率取决于这种浓度，在纤芯中无控制地提高锗的浓度会影响光纤的基本特性，例如，光纤的单模性，有效面积，衰减等等。具体地说，有效面积与形成的锗浓度是相关的。另一方面，利用微结构光纤可以避免这种相关。
以上的特征是非常重要的，喇曼放大光纤的纤芯中有效面积与锗浓度之间的不相关可以分别控制两个参数gR和Aeff。如上所述，在纤芯中形成高的锗浓度可以增强gR。这又可以使微结构光纤的有效面积维持较高值(受孔隙排列的控制)，而仍然保持喇曼放大有可接受的品质因数值。最好是，微结构光纤的有效面积可以大于或等于3μm2。更好的是，可以利用的有效面积值是在4μm2与6μm2之间的范围内。这一点是重要的，为了促进微结构光纤2中光信号与泵激辐射的耦合。在这方面，必须注意，在常规的光纤中，在不影响光纤基本性质的情况下，达到10-15μm2之间范围内的有效面积最小值，即，相对于微结构光纤可以达到的较高值。
此外，微结构光纤的衰减至今仍然远远高于常规光纤的衰减(前者在最佳情况下是2.6dB/km，比后者小0.5dB/km)，即使在相对高的衰减情况下，较高的喇曼增益系数gR值可以保持喇曼放大有高的品质因数。在这方面，必须注意，与制造方法引入的衰减比较，更高的锗浓度不会在微结构光纤中引入大的衰减量。这在有非常低衰减的常规光纤中是不正确的：在这种情况下，为了按照公式[1]达到可接受的品质因数值，常规光纤中甚至小的衰减增强(例如，0.2dB)加权相对于微结构光纤中所经受相同衰减增强有更大的问题。
因此，按照本发明，在包含适合于增强喇曼效应的掺杂剂的微结构光纤中，可以分别控制三个参数gR，Aeff和αp以实现喇曼放大有可接受的品质因数值。有利的是，可以提高喇曼增益系数，而实际上不影响有效面积或基本不影响光纤的衰减。有利的是，通过减小有效面积和/或提高喇曼增益系数，可以补偿微结构光纤相对于常规光纤的较高衰减。有利的是，实际上只需考虑喇曼放大器中微结构光纤与其他元件的耦合，就可以选取光纤有效面积的实际值。
另一方面，相对于纤芯中有纯硅的微结构光纤，按照本发明的微结构光纤可以有较高的喇曼增益系数gR值。即使是相对大的有效面积值，它可以保持喇曼放大有高的品质因数值。这可以促进微结构光纤与喇曼放大器中其他元件的耦合。
以下是按照本发明微结构光纤的优选技术要求综述，它适合于1550nm附近波长范围内放大的喇曼放大器：
喇曼增强的掺杂剂：GeO2；
GeO2的浓度：20-25％mol；
1450nm(泵激波长)下的衰减：小于5dB/km；
1550nm(信号波长)下的衰减：小于5dB/km；
1450nm下的有效面积：4-6μm2；
光纤长度：400-2000m；
1550nm下的色散：大于或等于40ps/nm/km绝对值；
截止波长：小于1430nm；
孔隙直径(d)：0.3-4.0μm；
孔隙之间距离(Λ)：小于4μm；
比率d/Λ：大于0.35；
包层直径：大于100μm，通常是125μm(与标准光纤兼容)。
例1
图3表示按照公式[1]的喇曼放大品质因数与微结构光纤的泵激波长下衰减之间关系的曲线，该光纤有掺20％mol锗的硅纤芯。为了画出这些曲线，假设微结构光纤在1550nm下的gR值为18×10-14m/W。按照图3中加入的插图说明，不同的曲线对应于光纤的不同有效面积值。
可以看出，利用相对高的衰减(3-4dB/km)和有效面积(4-6μm2)值，可以得到约10 1/dB/W的品质因数值。这一点是有利的，因为相对高的衰减值可以利用较容易的制造过程，而相对高的有效面积值可以促进耦合。
利用低的衰减和/或有效面积值，可以得到极高的品质因数值(＞15 1/dB/W)。从微结构光纤制造过程中可能的未来改进观点考虑是很重要的，为的是把衰减减小到2dB/km值以下。
例2
本申请人按照图1已做了喇曼放大器配置的一系列模拟实验。考虑波长为1550nm的信号和泵激辐射的波长为1450nm。假设每个泵浦激光器发射的功率为200mW。图4展示代表on-off增益与光纤长度关系的三条曲线，它们是利用按照本发明的微结构光纤(40a)，有纯硅纤芯的微结构光纤(40b)，和按照Tsuzaki et al.文章的高度非线性光纤(40c)的喇曼放大器可以得到。利用公式[4]，[5]计算on-off增益。在画出曲线40a时，假设1550 nm下的喇曼增益系数为18×10-14m/W，有效面积为5μm2和1450nm泵激波长下的衰减为4dB/km。在画出曲线40b时，假设1550nm下的喇曼增益系数为7.74×10-14m/W，有效面积为5μm2和1450nm泵激波长下的衰减为4dB/km。按照Tsuzaki et al.的文章，在画出曲线40c时，假设比率gR/Aeff值为6.50×103，和1450nm泵激波长下的衰减为0.7dB/km。从图4中可以看出，曲线40a是最高的，并允许光纤在500-1000m相对短的光纤长度内达到高的on-off增益(15-20dB)。有利的是，这种短长度光纤可以得到喇曼放大器的低噪声指数并可以使集总放大器有非常紧致的封装。不同的是，曲线40b代表利用有纯硅纤芯的微结构光纤可以得到的on-off增益，其增益低于曲线40a的增益；在这种光纤中，为了提高可得到的最大增益，应当减小有效面积，但随之出现耦合的问题。曲线40c在较长的光纤长度内(约2.5km)达到甚至更低的on-off增益。
例3
图5表示按照本发明微结构光纤可以达到的一系列喇曼增益峰值的等值曲线。喇曼增益峰值是按照G＝Gon-offe -αL估算的，其中Gon-off是利用公式[4]计算的，α是信号波长下的光纤衰减，而L是光纤长度。为了画出图5的中等值曲线，考虑G的最大值与长度L的关系。我们假设有效面积为5μm2，泵激波长下的衰减为4.0dB/km，和信号波长下的衰减为4.0dB/km。在有两个泵浦激光器通过偏振光分束器耦合的喇曼放大器配置中，等值曲线图中的x轴是每个激光源的泵浦功率，而y轴是锗的浓度。按照公式[3]估算每种锗浓度下的喇曼增益系数gR。把计算的喇曼增益峰值表示成对应的等值曲线。还可以看出，利用小于300mW的泵浦功率和大于10％的锗浓度，可以得到大于20dB的喇曼增益峰值。
例4
为了设计有以上给出技术要求的微结构光纤，本申请人利用R-Soft，Ossining(美国纽约)出售的商用软件Beam Prop做了一系列模拟实验，给出Maxwell方程的全矢量传播解。用于微结构光纤估算的典型参数是孔隙直径d和孔隙之间的距离Λ。理想地假设孔隙有相同的直径并按照理想的规则六边形格子排列在纤芯的周围。图6表示这种理想微结构光纤的部分横断面，包括：纤芯60和纤芯60周围排列的多个孔隙61。
假设纤芯包含硅和20％mol的锗。纤芯的折射率和材料色散是由Sellmaier方程给出。我们还假设，纤芯的直径D等于0.9Λ。这种数值可以避免锗掺杂剂在孔隙中的扩散，以及随之发生锗掺杂剂的损耗。
图7表示在孔隙之间距离Λ为2.3μm的条件下得到的几条色散(GVD)曲线与波长的关系。按照图7中的插图说明，不同的曲线对应于不同比率d/Λ的值。可以看出，增大比率d/Λ导致色散曲线的振荡和色散曲线向较高波长位移。这种振荡是由于这样的事实，在d/Λ大的情况下，尽管有材料色散，但总的色散主要是波导色散。
图8表示在比率d/Λ等于0.8的条件下得到的几条色散曲线与波长的关系。按照图8中的插图说明，不同的曲线对应于不同的孔隙之间距离Λ。可以看出，增大格子间距Λ给出色散曲线向较高的波长位移和振荡幅度的微弱下降。
图9表示在比率d/Λ等于0.5的条件下得到的三条色散曲线与波长的关系。按照图9中的插图说明，不同的曲线对应于不同的孔隙之间距离Λ。垂直的虚线强调波长为1550nm。增大格子间距Λ导致色散的微小下降和有效面积的增大，它们分别是5.00μm2，5.50μm2，6.20μm2。
图10表示在比率d/Λ等于0.5的条件下得到的几条色散曲线与波长的关系。按照图10中的插图说明，不同的曲线对应于不同的孔隙之间距离Λ。垂直的虚线强调波长为1550nm。增大格子间距Λ导致色散的微小下降和有效面积的增大，它们分别是2.90μm2，4.00μm2，5.40μm2。可以看出，相对于图9中所示的情况，随着比率d/Λ的增大(在相同的Λ值下)，可以得到较小的有效面积值，以及色散在1550nm下的增强。
表1总结一组优选实施例的微结构光纤，它至少满足以上给出的一些技术要求：
表1
    d/Λ    Λ(μm) 1550nm下的有效面积(μm2) 1550nm下的色散(ps/nm/km) 1430nm下的导模数目
    0.5     1.85     4.55     +80     1
    0.5     2.00     5.00     +70     1
    0.5     2.15     5.50     +59     1
    0.6     2.00     4.30     +86     1
    0.6     2.15     4.80     +83     2
    0.6     2.30     5.20     +80     2
    0.7     2.50     5.20     +92     3
    0.9     3.00     5.40     +102     7
图11表示色散和有效面积在沿x轴的格子间距Λ(μm单位)和沿y轴的比率d/Λ的坐标图中几条等值曲线示意图。标记为110的直线大致分隔开光纤在1430nm下为单模光纤区(直线110以下)和光纤在1430nm下为多模光纤区(直线110以上)。图11中可以确定微结构光纤是单模光纤的优选区，它的有效面积是在4.3μm2与5.5μm2之间，和色散约大于60ps/nm/km，其中比率d/Λ约在0.4与0.6之间，和格子间距Λ约在1.85μm与2.15μm之间。强调的更优选区域是d/Λ约在0.5与0.55之间，和格子间距Λ约在1.95μm与2.10μm之间。
例5
图12表示微结构光纤的一般振荡色散曲线示意图，其中波导色散高于材料色散。从图12中可以推论，在标记为A，B，C，D的区域可以得到高的色散绝对值。因此，应当改变格子间距Λ和比率d/Λ，为了使1550nm附近的波长区对应于A，B，C，D区域中的一个区域。在以上的例子4中，对于区域B已利用这种方法。然而，本申请人已证实，实际上，移位色散曲线而使区域A或区域D对应于1550nm附近的波长区是很难的。另一方面，对于区域C得到成功的移位。使比率d/Λ大于或等于0.7和格子间距小于2.0μm，可以制成这样的微结构光纤，它在1550nm附近的波长区有高的负色散值。还可以制成1430nm下的单模光纤。这种光纤的有效面积约为2μm2。
根据以上的叙述，在以下的表2中概括典型微结构光纤的一组特性。
表2
  孔隙之间距离[Λ]   μm     1.1
  直径/距离[d/Λ]     0.8
  纤芯直径[D]   μm     0.99
  1550nm下的有效面积   μm2     1.73
  1550nm下的色散   ps/nm/km     -89

Claims (42)

1.一种喇曼放大器，包括：至少一个微结构光纤和光线路连接到所述微结构光纤一端的至少一个泵浦激光器，所述泵浦激光器适合于发射波长为λp的泵激辐射，所述微结构光纤包含沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的硅基纤芯，其特征是，所述纤芯至少包含一种添加到硅的掺杂剂，所述掺杂剂适合于增强喇曼效应。
2.按照权利要求1的喇曼放大器，所述微结构光纤在1460nm与1650nm之间的波长区有最大喇曼增益系数gR，所述波长λp下的衰减αp，和所述波长λp下的有效面积Aeff，其特征是，所述最大喇曼增益系数gR，所述衰减αp和所述有效面积Aeff是这样的，(gR/Aeff)/αp大于或等于51/W/dB。
3.按照权利要求2的喇曼放大器，其特征是，所述最大喇曼增益系数gR，所述衰减αp和所述有效面积Aeff是这样的，(gR/Aeff)/αp大于或等于101/W/dB。
4.按照权利要求1至3中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述掺杂剂选自锗，磷和硼构成的一组。
5.按照权利要求4的喇曼放大器，其特征是，所述掺杂剂是锗。
6.按照权利要求5的喇曼放大器，其特征是，锗的浓度大于或等于8％mol。
7.按照权利要求6的喇曼放大器，其特征是，所述浓度大于或等于20％mol。
8.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的有效面积Aeff在所述波长λp下小于或等于10μm2。
9.按照权利要求8的喇曼放大器，其特征是，所述有效面积在所述波长λp下小于或等于7μm2。
10.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的有效面积Aeff在所述波长λp下大于或等于3μm2。
11.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的衰减αp在所述波长λp下小于或等于10dB/km。
12.按照权利要求11的喇曼放大器，其特征是，所述衰减αp在所述波长λp下小于或等于5dB/km。
13.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的色散在波长1550nm下大于或等于40ps/nm/km绝对值。
14.按照权利要求13的喇曼放大器，其特征是，所述色散在波长1550nm下大于或等于70ps/nm/km绝对值。
15.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤在波长大于或等于1430nm下是单模光纤。
16.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙的直径是在0.3μm与4.0μm之间。
17.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙之间的距离小于4.0μm。
18.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙的直径d与所述孔隙之间距离Λ的比率大于0.35。
19.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙之间的距离Λ是在1.85μm与2.15μm之间，而所述孔隙的直径d与所述距离Λ的比率d/Λ是在0.4与0.6之间。
20.按照权利要求1至18中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述孔隙之间的距离Λ小于2.0μm，而所述孔隙的直径d与所述距离Λ的比率d/Λ大于0.7。
21.按照以上权利要求中任何一个的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的长度小于或等于2000m。
22.按照权利要求19的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的长度小于或等于1000m。
23.按照权利要求19的喇曼放大器，其特征是，所述微结构光纤的长度小于或等于500m。
24.一种适合于引导光信号的微结构光纤，光信号的波长是在1460nm与1650nm之间的波段内，包括：沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的纤芯，所述纤芯包含硅和适合于增强喇曼效应的掺杂剂，所述光纤还适合于按照所述纤芯的喇曼位移引导相对于较低波长区中所述波段内至少一个波长位移的波长λp泵激辐射，所述光纤在所述波段内有最大喇曼增益系数gR，以及所述波长λp下的衰减αp和有效面积Aeff，其特征是，所述最大喇曼增益系数gR，所述衰减αp和所述有效面积Aeff是这样的，(gR/Aeff)/αp大于或等于51/W/dB。
25.按照权利要求24的微结构光纤，其特征是，所述最大喇曼增益系数gR，所述衰减αp和所述有效面积Aeff是这样的，(gR/Aeff)/αp大于或等于10 1/W/dB。
26.按照权利要求24或25的微结构光纤，其特征是，所述掺杂剂选自锗，磷和硼构成的一组。
27.一种微结构光纤，包括：沿光纤轴向延伸的多个毛细孔隙包围的纤芯，所述纤芯包含硅和锗，其特征是，所述纤芯中锗的浓度大于或等于8％mol。
28.按照权利要求27的微结构光纤，其特征是，锗的所述浓度大于或等于20％mol。
29.按照权利要求24至28中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述微结构光纤的有效面积Aeff在所述波长λp下小于或等于10μm2。
30.按照权利要求29的微结构光纤，其特征是，所述有效面积在所述波长λp下小于或等于7μm2。
31.按照权利要求24至30中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述微结构光纤的有效面积Aeff在所述波长λp下大于或等于3μm2。
32.按照权利要求24至31中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述微结构光纤的衰减αp在所述波长λp下小于或等于10dB/km。
33.按照权利要求32的微结构光纤，其特征是，所述衰减αp在所述波长λp下小于或等于5dB/km。
34.按照权利要求24至33中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述微结构光纤的色散在波长1550nm下大于或等于40ps/nm/km绝对值。
35.按照权利要求35的微结构光纤，其特征是，所述色散在波长1550nm下大于或等于70ps/nm/km绝对值。
36.按照权利要求24至35中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述微结构光纤在波长大于或等于1430nm下是单模光纤。
37.按照权利要求24至36中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述孔隙的直径是在0.3μm与4.0μm之间。
38.按照权利要求24至37中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述孔隙之间的距离小于4.0μm。
39.按照权利要求24至38中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述孔隙的直径d与所述孔隙之间距离Λ的比率大于0.35。
40.按照权利要求24至39中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述孔隙之间的距离Λ是在1.85μm与2.15μm之间，而所述孔隙的直径d与所述距离Λ的比率d/Λ是在0.4与0.6之间。
41.按照权利要求24至39中任何一个的微结构光纤，其特征是，所述孔隙之间的距离Λ小于2.0μm，而所述孔隙的直径d与所述距离Λ的比率d/Λ大于0.7。
42.一种光传输系统，包括：发射站，接收站，和所述发射站与所述接收站之间的光线路，其特征是，所述光线路至少包含一个按照权利要求1至23中任何一个的喇曼放大器。
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