CN1639931A - 多级拉曼放大器 - Google Patents

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Abstract

一种拉曼放大器，包括至少一个彼此串联布置的第一和第二拉曼活性光纤。第一泵浦源与第一拉曼活性光纤相连，并适合于向第一拉曼活性光纤发射包含第一组频率的第一泵浦辐射并使之与第一拉曼活性光纤耦合。第二泵浦源与第二拉曼活性光纤相连，并适合于向第二拉曼活性光纤发射包含第二组频率的第二泵浦辐射并使之与第二拉曼活性光纤耦合。所述第一和第二组频率的整体延伸的泵浦频率范围的宽度至少为拉曼频移的40％。在所述第一和第二组频率的每一组中，最小和最大频率之差最多为所述拉曼频移的70％。

Description

多级拉曼放大器
技术领域
本发明涉及使用多级拉曼放大器放大光信号的方法，并涉及一种多级拉曼放大器。特别地，本发明涉及使用集总(lumped)多级拉曼放大器放大光信号的方法，并涉及一种集总多级拉曼放大器。
背景技术
在过去数十年里，单根光纤能够传输的密集波分复用(DWDM)信号的最大数目已经有了快速增长。伴随着每个信道数据速率(datarate)的增加，该趋势导致通过这种光纤传输的信号功率极度增加，以便维持例如数据通讯和互连网等应用。这同时要求该系统使用的光学放大器具有大带宽和高输出功率。
铒掺杂光纤放大器(EDFA)是相对成熟的技术。然而，这种放大器能够产生的带宽大小主要受在该器件中产生光增益的铒原子的物理性质的限制。
拉曼放大器为EDFA提供了一种选择，并且由于它们在带宽设计中突出的灵活性，所以最近在DWDM系统中吸引了大量的注意，并且逐渐成为高功率泵浦调制技术的成熟技术。拉曼放大器具有多种优点：低噪音，可灵活使用信号波长(因为拉曼增益峰主要取决于泵浦波长而不是掺杂剂的发射截面(emission cross section)和宽增益带宽(能够采用多个泵浦)。特别地，多波长泵浦能够够扩展可获得平坦拉曼增益的波长范围：该放大器的总增益大小由每个单独泵浦的贡献叠加而得。
另一方面，在设计放大器以及设计使用该放大器的系统时，必须考虑许多因素。需要透彻理解一些关键的因素，例如泵浦-泵浦功率转移，信号-信号功率转移，泵浦损耗，双瑞利散射(DRS)和放大器自发噪音。H.Kidorf等在他们发表于1999年IEEE光学技术通讯(IEEEPhotonics Technology Letters)第11卷第5期第530-532页的论文“100nm带宽拉曼放大器中的泵浦相互作用”(Pump interactions in a100-nm Bandwidth Raman amplifier)中，公开了一种计算机模型，用于模拟影响上述因素的所有物理性质。该计算机模型数值解出了一个微分方程。作者使用他们的模型设计了一种具有100nm带宽和最小增益波动的分布式拉曼放大器。该放大器被设计成，使相间1nm/信道的100个信道的总功率为50mW。该放大器的预期用途是补偿45km的光纤跨度(预期用于100000km传输)以补偿内部损耗(WDM耦合器，隔离器等)，该45km的光纤跨度由纯二氧化硅核心光纤和额外的3dB构成。在第一种尝试中，作者试图在1432-1516nm之间均匀地布置8个泵浦。为了实现具有半导体泵浦的放大器，每个泵浦的最大泵浦功率选择为120-130mW。据作者称，该简化设计的结果是一种非常不好的放大器：由于功率从低波长泵浦转移到高波长泵浦，放大器的增益波动为10.5dB。高波长泵浦的附加功率在较高信号波长上产生了额外的增益。通过反复建模，作者获得了一种泵浦配置，借此低波长的大能量密度同时向高波长泵浦和低波长信号提供泵浦功率。通过适当地平衡泵浦的频率密度，设计出了峰-峰增益起伏为1.1dB的放大器。
另一种使用多波长泵浦在宽带宽上获得平坦拉曼增益的已知方法是小心地选择每个贡献的大小以便获得期望的增益大小。例如，P.M.Krummrich等在发表于2001年OFC第1卷第M13/1-3页的“用于WDM系统的宽带宽分布式拉曼光纤放大器的带宽限制”(Bandwidthlimitations of broadband distributed Raman fiber amplifiers forWDM systems)一文中，同时从数字上和实验上分析了泵浦相互作用的影响。他们的数学模型通过集合一系列的耦合微分方程而工作，这些方程描述了传输光纤中泵浦和信号辐射的传播。至于实验，作者使用了多信道泵浦单元。通过高功率激光二极管与WDM耦连器的组合产生了波长范围为1409-1513nm的泵浦辐射。更明确地讲，在反向(counter-directional)泵浦配置中使用7个泵浦信道用于在1530-1605nm的波长范围内获得平坦的增益，7个信道具有如下泵浦波长：1424、1438、1453、1467、1483、1497和1513nm。调节发射功率以获得10dB的平均增益，其中增益波动小于0.5dB。据作者称，具有最短和最长波长的信道能够观察到最强的泵浦相互作用影响。1424nm的泵浦信道具有11dB的附加损耗，而1513nm的信道为7dB。进一步，据作者称，如果总增益增加，则难以预测哪个泵浦二极管的输出功率会增加多大，因为泵浦之间有能量转移。对于高于10dB的增益值，由于泵浦相互作用的强烈影响以及最终的增益上翘(tilt)，使得如果有任何一个泵浦激光器的输出功率增加的话，则长波长侧的增益总是比短波长侧的增益增加得更快。据作者称，该效应限制信号波长范围为75nm的平坦增益的最大值接近19dB。
X.Zhou等在2001年IEEE光学技术通讯第13卷第9期第945-947页上发表的论文“多波长后向泵浦光纤拉曼放大器的简化模型和优化设计”(A Simplified Model and Optimal Design of a MultivavelengthBackward-Pumped Fiber Raman Amplifier)中公开了另一种数学模型。该作者获得了泵浦功率方根(evolution)的封闭型分析表达式。根据所获得的分析表达式，提出了用于计算小信号光增益和噪声系数的公式。还讨论了所得模型在泵浦最优化设计中的应用。为了设计具有平坦增益的宽带光学放大器，作者使用了如下参数：最大泵浦光频为214.2THz(1400nm)，最小泵浦光频为200THz(1500nm)，泵浦频率下的光纤损耗为0.3dB/km，信号频率下的光纤损耗为0.2dB/km，光纤长度为10km，所需增益为20dB，信道数量为100(1510-1610nm，间隔为1nm)，光纤有效面积为50μm2。通过考虑3个泵浦波长，作者在1423、1454和1484nm获得了最优泵浦波长，相应的最优泵浦功率分别为1.35、0.19和0.20W。通过考虑6个泵浦波长，作者在1404、1413、1432、1449、1463和1495nm获得了最优泵浦波长，相应的最优泵浦功率分别为0.68、0.6、0.44、0.19、0.076和0.054W。可见，通过增加泵浦光源的数目确实能够抑制增益起伏。然而，6泵浦放大器的噪音性能比3泵浦放大器要差。据作者称，这是因为6泵浦放大器具有一个更高波长的泵浦(1495nm)。更明确地讲，文献的图1显示，6泵浦放大器的噪声系数范围为大约7.5dB(1510nm)-大约4dB(1610nm)。另一方面，文献的图1显示，3泵浦放大器在整个波长范围内的增益波动为大约5dB。
美国专利申请No.2002/0044335公开了一种放大器装置，其包括一根具有拉曼放大区的光传输线，其泵浦-信号功率转换效率至少为20％。拉曼放大区用于放大信号，其在至少30nm的波长范围内，优选地在至少50nm的波长范围内，更优选地在至少70nm的波长范围内具有多个波长。泵浦源与光传输线耦连。输入光信号在拉曼放大区内放大，其所产生的输出信号功率比输入光信号大至少100mW。在一个公开实施例中，利用朗讯DK-20色散补偿光纤(dispersioncompensating fiber)，放大器装置在105nm的范围上具有超过3.2dB的增益。假定增益光纤两个端部的损耗为1dB。该光纤在1396、1416和1427nm用250mW泵浦，在1450nm用150mW泵浦，在1472nm用95mW泵浦，在1505nm用75mW泵浦。处于1520、1530、1540、1550、1560、1570、1580、1590、1600和1610nm的10个输入信号的功率为12mW，并且相对于泵浦波长反向传输。’44335专利申请的图6显示，该放大器的噪声系数范围为大约7.5dB(1520nm)-大约6dB(1610nm)。在所公开的“全波带拉曼放大器”实施例中，放大器装置包括具有两个拉曼放大区的传输线。提供了两个WDM。较短的信号波长在其中一个拉曼放大区域内获得比另一个更大的增益。在拉曼放大区之间可以布置损耗部件(lossy member)。损耗部件可以包括加/减复用器(add/drop multiplexer)、增益均衡部件(gain equalizationelement)、光学隔离器或者色散补偿部件中的至少一种。一个WDM接收由第一泵浦源提供的第一系列泵浦波长，两个放大区之间的WDM接收能够向光信号提供增益的第二系列泵浦波长，并从第一系列泵浦波长的至少一部分中获取光能。第二系列波长由第二泵浦源提供。两个放大区之间的WDM能够基本上通过信号波长以及两个放大区之间第一系列泵浦波长的至少一部分。据作者称，全波段拉曼放大器的增益平坦性能够通过增益平坦化过滤器(gain flatterning filter)，和/或泵浦波长、泵浦功率、泵浦数目和拉曼增益光纤的长度加以优化。
日本专利申请No.2001-109026公开了一种光纤拉曼光放大器，其使用亚碲酸盐玻璃作为光放大介质。更明确地讲，它公开了一种用3根长度分别为150m的亚碲酸盐光纤和3个波长分别为1370nm、1400nm和1430nm的激励光源，并通过连接该3个单元构成的光纤拉曼放大器，在3个单元中亚碲酸盐玻璃光纤和激励光源分别串联组合，并且该放大器通过分别使激励光的输入功率为200mW(总共600mW)加以激励。在1.5-1.6μm的100nm带宽上获得了等于或者大于23dB的增益。
与拉曼放大器相关的另一个问题是，后向和多波长泵浦配置给较短波长的信号造成了更大的噪声系数，这是由于泵浦-泵浦受激拉曼散射以及热噪音和光纤衰减系数的波长依赖性。C.R.S.Fludger等在2001年OFC第MA5/1-3上发表的“宽带拉曼放大器的基本噪音限制”(Fundamental Noise Limits in Broadband Raman Amplifiers)一文中显示，基于二氧化硅-锗(silica-germania)的宽带离散拉曼放大器会具有比量子极限大得多的噪声系数。据作者称，在离散拉曼放大器中，噪音的波长依赖性取决于4个主要的因素，包括增益频谱和放大器输入端的分量损耗(component loss)。此外，受激拉曼散射(SRS)会从较短波长泵浦向较长波长泵浦转移功率。最后，噪声系数还受由于接地状态下光子的热分布导致的瞬时发射增加的影响。特别地，如果泵浦向紧密间隔的信号提供大量增益，则会大大增加过多的瞬时噪音。如果由某个泵浦提供的增益与由全部泵浦提供的总增益的比值较小，则噪声系数趋近于3dB。作者估计了5波长泵浦离散拉曼放大器最可能获得的内部噪声系数。选择每个泵浦的相关增益，从而给出最高泵浦波长为1495nm、最低信号波长接近1500nm的最宽且最平坦的频谱。据显示，因为较短信号波长处的总增益基本上由1495nm泵浦提供，所以随着信号接近泵浦，瞬时发射增加。在室温下，放大器的内部噪声系数在1520以下为5-6dB。然而，如果算上放大器输入端的光纤损耗和分量插入损耗，则放大器的总噪声系数会比这更大。
S.Kado等在2001年ECOC上发表的“使用低噪音双向泵浦源的宽带平坦噪音拉曼放大器”一文中提出并用实验证实了一种优化双向泵浦配置，其同时使拉曼增益和光学噪声系数在C和L波段上实现了小于0.7dB的平坦性。为了使用前向泵浦，对于所提出的方法，还开发出了一种具有低相对强度噪音(RIN)的新型泵浦激光器。这种激光器是一种波长稳定的多模式泵浦激光器，其中激光器芯片具有沿着激光器腔的内栅层，用于选择多于3种的纵向模式。所开发激光器的RIN比常用光纤布拉格光栅稳定激光器(fiber Bragg grating stabilizedlaser)低超过20dB。据作者称，该进步允许使用前向泵浦配置，而不会由于RIN性能差导致显著破坏信号的品质。
拉曼放大器已知的配置，例如上面所提出的，可以在宽的波长范围内获得高而平坦的增益。然而，这典型地伴随不平衡的噪声系数，对于较短信号波长具有较高的值，而对于较长的波长具有较低的值(但不包括Kado等公开的放大器，其使用特殊类型的泵浦激光器以获得平坦的噪声系数)。本专利申请注意到，较短信号波长的较高噪声系数会在光学系统，包括拉曼放大器，的某些配置中产生问题，即较短信号波长的至少一部分有超出系统指定范围的危险。
进一步，拉曼放大器的已知配置，特别是那些在宽波段波长上获得平坦增益的配置，典型地为较短的泵浦波长使用非常高的功率值(超过500mW)，因为在较短泵浦波长与较长泵浦波长之间存在能量转移。本专利申请注意到，这不是最佳的解决方法。实际上，具有超过500mW发射功率的可靠半导体激光器目前在市场上几乎不可能获得并且/或者价格昂贵，所以只能使用多个具有低发射功率的激光器。结果，整个放大器的成本和/或泵浦源占据的空间会不利地增大。
发明内容
本专利申请解决了如下问题，即在多波长泵浦、高增益、宽带拉曼放大器中降低较短波长信号的噪声系数同时使较长波长信号保持低的噪声系数值的问题，并且不需要使用特殊类型的激光器。本专利申请还解决了如下问题，即用相对低的功率/泵浦波长实现了低噪声系数和高增益。
本专利申请发现，通过将获得了拉曼增益的光路分割成至少两个光路部分，有可能降低较短信号波长的噪声系数。不同的光路部分由各自的泵浦辐射加以泵浦，各个泵浦辐射的光频包含在各自的频率范围内。每个频率范围的大小不超过拉曼增益材料拉曼频移的70％。这样，每个光路部分中的由于受激拉曼散射导致的较短和较长波长泵浦辐射之间的能量传递被大大降低。较短和较长波长泵浦辐射之间能够传递的降低使得实际上不再需要发射具有较高能量的较短波长泵浦辐射。这具有降低较短信号波长噪声系数的效果，进一步的优点是，对于较短波长的泵浦辐射也能够使用较低的功率/泵浦波长。因为在任何一个获得了拉曼增益的光路部分中，较短波长的泵浦辐射在饱和区内不工作，因此放大器能够获得更低的噪声系数。而且，通过将泵浦源设置成提供基本上相同的泵浦功率/波长，可以获得宽而平坦的拉曼增益。还有一个特殊的优点是，全部所需的泵浦源可以具有相同的平均可靠性和寿命。
在第一部分中，本发明涉及用于放大频率处于信号频率范围内的光信号的方法，所述方法包括：
-将所述光信号分别引入到彼此串联布置的第一和第二光路中的至少一个内，其中每个光路包括具有预定拉曼频移的拉曼活性材料；
-将第一泵浦部分引入到所述第一光路中，所述第一泵浦部分包括处于第一最小泵浦频率和第一最大泵浦频率之间的第一组泵浦频率；
-将第二泵浦部分引入到所述第二光路中，所述第二泵浦部分包括处于第二最小泵浦频率和第二最大泵浦频率之间的第二组泵浦频率，所述第一和第二组频率的总体延伸的泵浦频率范围宽度至少是所述拉曼频移的40％；
该方法的特点是：
-所述第一组频率的至少一部分不包含在所述第二组频率内，且所述第二组频率的至少一部分不包含在所述第一组频率内；
-执行所述将所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步骤，从而进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，且进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；
-所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的70％；和
-所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的70％。
优选地，执行所述将所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步骤，从而进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，且进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
在优选实施例中，所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的50％，且所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的50％。
有利地，所述泵浦频率范围的宽度至少为所述拉曼频移的50％。
优选地，所述第一和第二组频率彼此不交叠。
在优选实施例中，分别限定在所述第一最小和所述第一最大泵浦频率之间以及所述第二最小和所述第二最大泵浦频率之间的范围中，至少有一个的宽度至少为所述拉曼频移的20％。
有利地，第一组频率适合于拉曼放大光信号的所述第一部分，所述第一部分在所述拉曼活性材料中对波长的衰减比光信号的所述第二部分更大，其中所述第二部分由所述第二组频率放大。
所述第一和所述第二泵浦部分可以通过多个泵浦激光器提供，所述多个泵浦激光器具有的泵浦发射功率的总波动最多为平均泵浦发射功率的50％。
在第二部分中，本发明涉及一种拉曼放大器，其适合于放大频率处于信号频率范围内的光信号，其包括至少一个彼此串联布置的第一和第二光路，每一个光路都包括具有预定拉曼频移的拉曼活性材料，所述放大器包括：
-与所述第一光路相连的第一泵浦源，所述第一泵浦源适合于向所述第一光路发射第一泵浦辐射并使之与光路耦合，第一泵浦辐射包括处于第一最小泵浦频率和第一最大泵浦频率之间的第一组泵浦频率；
-与所述第二光路相连的第二泵浦源，所述第二泵浦源适合于向所述第二光路发射第二泵浦辐射并使之与光路耦合，第二泵浦辐射包括处于第二最小泵浦频率和第二最大泵浦频率之间的第二组泵浦频率，所述第一和第二组频率的总体延伸的泵浦频率范围的宽度至少为所述拉曼频移的40％；
其特点是：
-所述第一组频率的至少一部分不包含在所述第二组频率内，且所述第二组频率的至少一部分不包含在所述第一组频率内；
-所述第一和第二泵浦源与所述第一和第二光路之间的耦连，使耦连进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，且耦连进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；
-所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的70％；和
-所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的70％。
优选地，所述第一和第二泵浦源与所述第一和第二光路之间的耦连，使耦连进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，且耦连进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
在优选实施例中，所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的50％，且所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率之差最多为所述拉曼频移的50％。
有利地，所述泵浦频率范围的宽度至少为所述拉曼频移的50％。
优选地，所述第一和第二组频率彼此不交叠。
在优选实施例中，分别限定在所述第一最小和所述第一最大泵浦频率之间以及所述第二最小和所述第二最大泵浦频率之间的范围中，至少有一个的宽度至少为所述拉曼频移的20％。
有利地，第一组频率适合于拉曼放大所述光信号的第一部分，在所述拉曼活性材料中，光信号的所述第一部分对波长的衰减比光信号的所述第二部分更大，所述第一部分由所述第二组频率放大。
在优选实施例中，所述第一和所述第二泵浦源包括多个泵浦激光器，所述多个泵浦激光器具有的泵浦发射功率的总波动最多为平均泵浦发射功率的50％。
在第三部分中，本方面涉及一种光学系统，其包括至少一根光线路，所述光线路包括至少一根光纤和至少一个根据第二部分并与所述光纤相连的拉曼放大器。
该光学系统典型地进一步包括一个发射台(transmitting station)，其包括多个适合于分别发射多个光信道的发射器，每个光信道具有各自的波长，所述发射台与所述光线路的第一端部相连。
该光学系统典型地进一步包括一个接收台，其包括多个适合于区分由所述光信道携带的信息的接收器，所述接收台与所述光线路的第二端部相连。
附图说明
通过下面参考附图的详细说明将更好地例证本发明进一步的特征和优点，其中：
-图1示意性地显示了根据本发明的拉曼放大器的第一实施例；
-图2示意性地显示了根据本发明的拉曼放大器的第二实施例；
-图3显示了根据先前技术的拉曼放大器的实施例，其中在第一和第二级中使用了相同的泵浦辐射；
-图4显示了用根据图3的拉曼放大器的两种配置获得的噪声系数；
-图5显示了用根据图2的拉曼放大器的两种配置获得的噪声系数；
-图6显示了用根据图2的拉曼放大器两种进一步的配置获得的噪声系数；
-图7显示了用于测量拉曼频移的实验装置。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的拉曼放大器10的第一实施例。放大器10可以是集总拉曼放大器。放大器10包括至少两个级10’和10”，它们彼此串联布置。下面的详细说明将特别参考只具有两个级的拉曼放大器：然而，本领域技术人员能够根据不同的指定将本发明的方法应用到任何所需数目的放大器级数。在图1中使用奇数的参考数字指示第一级10’包含的部件，并在图1中使用偶数的参考数字指示第二级10”包含的部件。更明确地讲，第一级10’包括第一长度的拉曼活性光纤(Raman active optical fiber)11，第一泵浦源13和第一耦连器件15。第二级10”包括第二长度的拉曼活性光纤12，第二泵浦源14和第二耦连器件16。优选地，第一级10’还包括单向器件17，其用于沿一个方向传递光信号辐射并在相反的方向上阻塞该信号辐射，例如隔离器或者循环器。单向器件17可以位于第一级10’的输入端和/或输出端。优选地，第二级10”也包括单向器件18，其用于沿一个方向传递光信号辐射并在相反的方向上阻塞该信号辐射，例如隔离器或者循环器。单向器件18可以位于第二级10”的输入端和/或输出端。在优选实施例中，在放大器10的第一级10’和第二级10”之间使用单个单向器件。在该实施例中，在第一和第二级之间设置单向器件可以极大地减少拉曼放大器10中双瑞利散射的发生。
拉曼放大器10适合于放大宽带WDM光信号，也就是，在至少50nm的范围内，优选地在至少70nm的范围内具有多个波长的光信号。光信号可以使用1550nm附近的波长范围。优选地，光信号可以包括一个或多个大于或者等于大约1460nm，更优选地，大于或者等于大约1510nm的信号波长λs。优选地，光信号可以包括一个或多个小于或者等于大约1650nm，更优选地，小于或者等于大约1625nm的信号波长λs。选择地，光信号可以使用1300nm附近的波长范围，例如1280nm-1340nm。在待放大光信号的波长范围上，拉曼放大器可以优选地提供至少5dB，更优选地至少10dB，再优选地至少20dB的增益。如果考虑开关增益(on-off gain)，这些优选的增益数值也可用于分布式放大。在待放大光信号的波长范围上，放大器10可以优选地获得3dB，更优选地2dB，再优选地1dB的最大增益波动。优选地，在待放大光信号的波长范围上，放大器10的噪声系数可以低于或者等于8dB，更优选地低于或者等于7dB。对于本发明的目的，利用“放大器噪声系数”NF，必须估计用如下公式计算的数值：
NF = P ( ASE ) Ghν B 0 + 1 G
其中P(ASE)是放大器瞬时发射的功率，G是放大器增益，B0是接收器的光带宽(也就是，典型的连接宽带光电二极管的多路信号分离器的带宽)，h是普朗克常数，ν是信号光频。
拉曼活性光纤11、12是适合于通过受激拉曼散射获得增益的光纤。在本详细说明书中，特别参考用于在拉曼放大器10中获得拉曼增益的拉曼活性光纤：然而，本领域技术人员可以将本发明的方法应用于包括任何拉曼活性材料(也就是，能够通过受激拉曼散射提供光学增益的材料)的其他类型光学路径，例如集成光学波导管。例如，拉曼活性光纤11、12可以是二氧化硅基光纤。典型地，这种二氧化硅基光纤的纤芯包括锗或者其他适合于提高纤芯内部拉曼效应的掺杂剂(例如磷或硼)。在另一个实施例中，拉曼活性光纤可以是亚碲酸盐基光纤。在优选实施例中，拉曼活性光纤11、12可以是微结构光纤，也就是，在固体纤芯周围具有大量气孔的光纤结构。优选地，拉曼活性光纤11、12的长度总和小于或者等于10km，更优选地，小于或者等于8km。较短的拉曼活性光纤11、12总长度有利于将放大器10的噪声系数保持较低。另一方面，为了获得足够的拉曼增益，每个拉曼活性光纤11、12的长度可以至少为100m，优选地至少为200m，更优选地至少为1000m。优选地，拉曼活性光纤11、12的有效面积小于或者等于60μm2，更优选地小于或者等于35μm2，再优选地小于或者等于20μm2。较低的有效面积增加了拉曼活性光纤11、12纤芯内部的非线性效应，例如用于拉曼放大的受激拉曼散射。优选地，拉曼活性光纤11、12的拉曼增益系数与有效面积的比gR/Aeff至少为1.01/(W·km)，更优选地为至少3.01/(W·km)，再优选地为至少6.01/(W·km)。拉曼活性光纤11、12较高的拉曼增益系数与有效面积的比允许在单位长度的光纤上获得更高的拉曼增益。这使得放大器的噪声系数更低，因为长度较短的拉曼活性光纤可以用于获得期望的信号放大。另一个可能影响拉曼放大，更特别地，影响噪声系数的重要参数是拉曼活性光纤11、12的衰减：优选地，在泵浦波长下，该衰减可以小于或者等于2.0dB/km，更优选地小于或者等于1.5dB/km。在信号波长下，拉曼活性光纤的衰减可以优选地小于或者等于1.0dB/km，更优选地小于或者等于0.7dB/km。
泵浦源13、14的每一个可以包括一个或多个激光二极管。优选地，该激光器二极管具有高输出功率，也就是，至少50mW。优选地，激光二极管的波长发射可以控制，例如通过外部光纤布拉格光栅。典型地，激光二极管可以发射偏振泵浦辐射并且具有偏振保持光纤长度(polarization maintaining fiber length)。在优选实施例中，两个激光二极管可以通过例如偏振波束合成器(polarization beam combiner)组合用于每个泵浦波长，以获得高输出功率和独立于偏振的拉曼增益。多个泵浦波长可以典型地通过使用波分复用器(WDM)组合在一起。优选地，每个泵浦源13、14可以提供至少100mW，更优选地至少200mW的总泵浦功率。由激光二极管或者泵浦源13、14的所含二极管发射的辐射波长与信号辐射波长相关：为了具有拉曼放大，根据拉曼活性光纤11、12的纤芯所含材料的拉曼频移，也就是，根据相应于材料拉曼频谱中峰的位移，激光二极管的发射波长应当相对于频谱较短波长区的信号辐射波长位移(见G.P.Agrawal的《非线性纤维光学系统》第317-319页，其于1995年由Academic Press有限公司出版)。例如，为了放大1460-1650nm范围内光信号和使用二氧化硅基光纤，泵浦辐射波长处于大约1360-1550nm，因为二氧化硅基光纤的拉曼频移在该波长范围内大约为100nm。其他的材料可以显示不同的拉曼频移。对于本发明的目的，除了其波长之外，还可以方便地参考由泵浦源13、14发射的泵浦辐射的光频。而且，用频率表达拉曼频移也是方便的。实际上，拉曼活性材料的拉曼频移在光学通讯的目标频率范围内基本上是恒定的：例如，对于二氧化硅基或者二氧化硅/锗基光纤，拉曼频移是13.2THz。这意味着，独立于所使用的泵浦辐射频率，二氧化硅基或者二氧化硅/锗基光纤能够在如下频率范围内获得由受激拉曼散射导致的放大，该频率范围位于相对于泵浦频率位移13.2THz的最大频率附近。其他的材料(例如亚碲酸盐玻璃)可以存在多个用于拉曼放大的拉曼峰。有利地，可以选择相应于具有最大高度峰的位移，以便将适合于放大信号的泵浦频率范围设定在在给定的信号频率范围内。这种选择还会受到其他因素的影响，例如拉曼峰宽度或者拉曼峰位置。实际上，窄峰几乎不可以用于设计拉曼放大器，而拉曼峰的位置与，例如，具有期望频率和发射功率的泵浦激光器的可获得性有关。
某种材料的拉曼频谱可以用传统的技术获得。例如，它能够通过使用图7所示的装置70获得，装置70包括受试拉曼活性光纤71，通过WDM耦连器73连接拉曼活性光纤71的非偏振泵浦源72，频谱分析仪74和衰减器75。通过在没有任何待放大输入信号的拉曼活性光纤71中耦合具有任意频率和至少200mW功率的泵浦辐射，有可能用频谱分析仪74测量拉曼活性光纤71中由泵浦辐射导致的瞬时发射(ASE)。频谱分析仪74与WDM耦连器73相连，从而测量在与泵浦的传输方向相反的方向上传输的ASE。这样，测量不会受到从拉曼活性光纤71发出的高功率泵浦辐射的影响，其中拉曼活性光纤71位于泵浦辐射输入端的相对侧上。衰减器75可以避免在测量期间伤害操作者和/或显著减少在拉曼活性光纤71的端部激发的泵浦辐射的背反射。然后，可以通过ASE频谱得到拉曼活性光纤71所含材料的拉曼频移，作为在频谱分析仪74上获得的ASE频谱峰的频率与所用泵浦辐射的频率之差的绝对值。该测量可以在室温下进行。在包括不同峰的情况下，如果用所选泵浦频率范围的最大泵浦频率进行测量，则拉曼频移与如下的值相应，即与信号频率范围相应的频率范围中所含最高峰的频率与泵浦频率之差的绝对值。
拉曼频谱的获得也可以通过用具有各自不同频率的不同输入信号加以执行：通过测量由每个信号频率获得的增益能够获得拉曼频移的数值，作为与增益峰相应的信号频率与所用泵浦辐射的频率之差的绝对值。该测量可以在室温下进行。在包含不同峰的情况下，如果用所选泵浦频率范围的最大泵浦频率进行测量，则拉曼频移与如下的值相应，即与信号频率范围相应的频率范围中所含最高峰的频率与泵浦频率之差的绝对值。
为了在光信号的宽波长范围上获得显著的放大，在本发明的放大器10中使用多个泵浦频率。通过两个泵浦源13、14提供的多个泵浦频率的整体覆盖较宽的频率范围，也就是，至少为拉曼活性光纤11、12内所含材料拉曼位移的40％，优选地为拉曼活性光纤11、12内所含材料拉曼位移的至少50％，更优选地为拉曼活性光纤11、12内所含材料拉曼位移的至少60％，再优选地为拉曼活性光纤11、12内所含材料拉曼位移的至少70％。
耦连器件15、16可以是波分复用器。在图1所示的优选实施例中，它们引入由泵浦源13、14提供的泵浦辐射，泵浦源13、14位于待放大光信号的相反方向上，从而在拉曼活性光纤11、12中具有反向传输拉曼放大。也可以使用拉曼放大器10的共传输配置或者共传输配置与反传输配置的混合配置。
拉曼放大器10的第一级10’和第二级10”被构建成使它们在泵浦波长范围内彼此基本上隔离。换言之，第一级10’的泵浦源13基本上只向第一拉曼活性光纤11提供泵浦辐射，而第二级10”的泵浦源14基本上只向第二拉曼活性光纤12提供泵浦辐射。如果第一或者第二级10’、10”中有任何一个在放大处理中残余任何泵浦，则会被基本上阻塞或者过滤掉，从而它基本上不能够在另一个放大器级10’、10”中传输。反射也会导致泵浦残余，其中该反射通过放大器10中所含各种部件之间，例如WDM15、16与拉曼活性光纤11、12，的欠理想耦合(less-than-perfect coupling)引发。实际上，如果来自第二泵浦源14的泵浦辐射在第一拉曼活性光纤长度11中没有残留，并且不用于第二拉曼活性光纤12中的放大，则可能是因为进入第一拉曼活性光纤11的该残留部分的功率比由第一泵浦源发出的并耦合在拉曼活性光纤11中的泵浦功率低至少10dB，优选地低至少13dB，更优选地低至少20dB。同样，如果来自第一泵浦源13的泵浦辐射在第二拉曼活性光纤长度12中不存在残留，并且不用于第一拉曼活性光纤11中的放大，则可能是因为进入第二拉曼活性光纤12的该残留部分的功率比由第二泵浦源发出的并耦合在拉曼活性光纤12中的泵浦功率低至少10dB，优选地低至少13dB，更优选地低至少20dB。
参考图1所示的放大器配置，波分复用器可以提供第一级10’和第二级10”之间在泵浦波长范围内所需的隔离。例如，位于第一和第二拉曼活性光纤11、12之间的波分复用器15可以提取所有来自第二泵浦源且不用于第二长度拉曼活性光纤12的泵浦辐射，也就是来自第二级10”的泵浦残余，从而该泵浦残余基本上不在第一级10’的第一长度拉曼活性光纤11中传输。被提取的泵浦残余可以用于监视目的和/或增益控制。典型地，在泵浦波长范围中，至少10dB的隔离水平足以使波分复用器(至少用于图1中的WDM15)提供所需的隔离，因为来自泵浦源13、14的泵浦功率的大部分用于拉曼活性光纤11、12中的拉曼放大。显然，在图1所示的放大器配置中，来自第一泵浦源13的泵浦辐射基本上不在第二级10”的第二长度拉曼活性光纤12中传输，只是可能在WDM15发生泵浦反射，这能够通过适当地耦合而最小化。在图1所示的反向传输配置中，如果WDM耦连器15自身不能提供足够的隔离水平，单向器可以放置在第一级10’与第二级10”之间，从而基本上阻塞从第二长度拉曼活性光纤12发出的所有可能的泵浦残余。单向器可以是隔离器或者循环器。使用循环器可以进一步允许不使用第一耦连器15，因为第一泵浦源13可以合适地连接循环器的一部分。在其他实施例中，例如在拉曼放大器的共传输配置中，在第一和第二级10’、10”之间可以包含一个波长选择过滤器，该波长选择过滤器适合于透过光信号辐射和过滤掉泵浦辐射。
第一级10’中包含的泵浦源13可提供具有至少一个频率处于第一组频率中的泵浦辐射。第一组频率限定了处于第一最小泵浦频率与第一最大泵浦频率之间的第一泵浦频率范围。第二级10”中包含的泵浦源14可提供具有至少一个频率处于第二组频率中的泵浦辐射。第二组频率限定了处于第二最小泵浦频率与第二最大泵浦频率之间的第二泵浦频率范围。第一和第二组频率是不一致的：更明确地讲，第一组所含频率的至少一部分不包含在第二组中，反之亦然。在优选实施例中，第一和第二泵浦频率范围彼此不交叠。在另一个实施例中，第一组频率可以和第二组频率交错。第一和第二泵浦频率范围中每一个的宽度不超过拉曼活性光纤11、12中所含材料的拉曼频移的70％，优选地为拉曼频移的60％，更优选地为拉曼频移的50％，再优选地为拉曼频移的40％。在本发明拉曼放大器的优选实施例中，每个放大器级只对传播光信号的一部分提供基本放大，而实际上留下其他的信号部分不放大。实际上，利用拉曼放大，每个泵浦频率为光信号提供基本放大，该光信号的频率范围宽度只是拉曼活性光纤11、12所含材料的拉曼频移的25-30％，居中于围绕从泵浦频率频率一个拉曼频移的频率。因为根据本发明的拉曼放大器对不同放大器级的泵浦辐射使用不同的频率亚范围，所以每个放大器级只为与本级中所用泵浦频率亚范围有关的频移频率亚范围，也就是典型地整个信号频率范围的亚范围，提供基本放大。
泵浦频率根据上述指示在不同放大器级上的分配允许减少，或者可能在实际上避免拉曼放大器中较短泵浦波长与较长泵浦波长之间的能量转移。特别地，在本发明的多级放大器中，减少或者实际上避免了所有放大器级中较短和较长泵浦波长之间的任何能量转移。本专利申请发现，有可能减少宽带拉曼放大器中较短波长信号的噪声系数。让我们考虑，例如，1425nm的第一泵浦波长(频率νp＝210.5THz)和1505nm的第二泵浦波长(νp＝199.3THz)。该第一和第二泵浦波长可以用于对拉曼放大器中光信号的拉曼放大，该光信号处于大约1520-1610nm的范围内，该拉曼放大器包括二氧化硅基或者二氧化硅/锗基光纤。这些泵浦辐射的相应频率彼此相差11.2THz，也就是二氧化硅基光纤拉曼频移的大约85％。如果该泵浦辐射在相同拉曼活性光纤中引发，则1425nm处的第一泵浦波长的光功率的大部分将通过受激拉曼散射转移给1505nm处的第二泵浦波长，从而该转移部分不会用于光信号的放大。结果，光信号的较短波长部分与较长波长部分相比放大较小。因此，应当增大1425nm处的泵浦辐射功率以便考虑该效应。然而，1425nm处的泵浦辐射与1505nm处的泵浦辐射之间的能量转移可能导致拉曼放大器在较短波长的饱和域上工作。实际上，当被放大辐射的功率与大部分放大介质的泵浦辐射相同时，放大器便会在饱和域上工作。在该情况下，具有较长波长并被具有较短波长的泵浦辐射放大的泵浦辐射在拉曼活性光纤的大部分上可以具有与后者相同的功率，即使在将两个泵浦辐射的功率不平衡地发射到拉曼活性光纤的情况下也是如此。因此，较短泵浦波长可以被较长泵浦波长深度饱和，不便的是，被较短波长放大的信号部分可能具有更高的噪声系数。实际上，与线性区域相比，饱和区是放大器更严重的噪音区。
相反，通过将1425nm的第一泵浦波长插入到第一级并将1505nm的第二泵浦波长插入到第二级，并通过使第一和第二级在泵浦波长范围内隔离，从而将拉曼放大器构建成双级拉曼放大器，则实际上在1425nm的泵浦波长与1505nm的泵浦波长之间不发生能量转移，从而每个放大器级可以在线性或者在低饱和区上工作，使得两个级中的噪声系数较低，也就是，使得放大器波长上的总体噪声系数较低。
在使用更多泵浦频率的情况下，例如为了在宽带范围的波长上获得平坦的增益曲线，必须考虑各个频率之间的距离。例如，整个泵浦频率范围可以包含多个泵浦频率，该泵浦频率范围的宽度几乎等于用于拉曼增益的材料的拉曼频移。遵循上述的指定，在一个放大器级上可以设置如下的泵浦辐射，其频率与最小泵浦频率的距离小于拉曼频移的70％，并在另一个级上设置如下的泵浦辐射，其频率与最小泵浦频率的距离大于拉曼频移的70％。通过高度隔离两个放大器级之间的泵浦波长范围，每个放大器级中较短与较长泵浦波长之间的能量转移被大大减少或者甚至避免，因为每个放大器级中最小泵浦波长与最大泵浦波长之间的距离相对较短。特别地，每个放大器级中泵浦波长范围越小，每个放大器级中较短与较长泵浦波长之间的相互作用越小。进一步，第一和第二放大器级之间的隔离可以保证第一和第二放大器级中较短和较长泵浦波长之间实际上不发生能量转移。因此，每个放大器级可以在线性或者低饱和区内工作，使得两个级中的噪声系数较低，也就是，对放大器波长的整体噪声系数较低。
理想地，在使用多个泵浦频率的情况下，一个可能的解决方法是为每个泵浦频率设置一个隔离的放大器，从而完全避免不同泵浦频率之间的能量转移。在该情况下，每个放大器级只会对传播光信号的极小一部分进行基本放大，而其他的信号部分实际上不被放大。然而必须考虑，需要通过合适的部件(例如WDM、隔离器、波长选择过滤器)提供泵浦波长范围中不同级之间所需的隔离：这些部件的每一个都在光信号上引入插入损耗。不同级所含的拉曼活性光纤还提供了另一个对传播光信号的损耗源，至少是光信号在第一放大器级中基本上没有被放大部分的损耗源。在这种情况下，后一个放大器级会以非常差的水平接收光信号在第一放大器级中没有被放大的某些部分的光信号功率，结果这些光信号部分的噪声系数会更高。因此，当所用泵浦频率数目大于或者等于3时，优选地在单个级中设置至少两个泵浦频率。优选地，第一和第二泵浦频率范围中至少有一个的宽度至少为拉曼活性光纤所含材料拉曼频移的20％。这允许在一方面减少不同泵浦波长之间的能量转移，另一方面使放大器级的数目足够低，这两者之间实现良好的折中，从而使所有放大器级中的光信号在整个波长范围上保持可接收的功率水平，进而保持低的整体噪声系数。
通过优选地考虑到对拉曼活性光纤11、12中所含拉曼活性介质波长的衰减，可以在第一和第二放大器级10’、10”之间设置不同的泵浦频率。更特别地，为了获得低噪声系数，光信号的第一部分应当优选地首先在拉曼放大器中放大，该第一部分在拉曼活性介质中具有比光信号的第二部分更大的衰减。因此，在第一放大器级中优选地相对于待放大光信号的传播方向设置适合于放大该光信号第一部分的泵浦频率。例如，参考图1并考虑到待放大光信号的传播方向是从左到右，拉曼放大器10可以包括二氧化硅基光纤或者二氧化硅/锗基光纤，并适合于放大1530nm-1610nm范围的信号。出于这个目的，可以使用如下4个泵浦波长：1425nm(νp＝210.5THz)，1440nm(νp＝208.3THz)，1470nm(νp＝204.1THz)，1510nm(νp＝198.7THz)。这4个泵浦波长的优选布置是，前两个波长用于泵浦第一级10’，后两个波长用于泵浦第二级10”。通过该布置，第一放大器级10’为大约1530nm-1560nm波长范围的光信号部分提供基本放大，而第二放大器级10”为大约1560nm-1610nm波长范围的光信号部分提供基本放大。因为在二氧化硅基或者二氧化硅/锗基光纤中1530nm-1560nm波长范围的光信号的衰减高于1560nm-1610nm波长范围的光信号的衰减，所以方便的是将较短的泵浦波长设置在第一放大器级10’，而较长的泵浦波长设置在第二放大器级10”。实际上，在被第二放大器级10”放大之前，具有较长波长的光信号部分可以没有太大衰减地通过第一放大器级10’，使该部分光信号的噪声系数保持在可以接受的水平。另一方面，具有较短波长的光信号部分被第一放大器级10’放大，由于在第二放大器级10”中的衰减，其噪声系数基本上没有劣化。
根据本发明的泵浦频率设置可以有利地通过用具有基本上相同的泵浦发射功率，也就是，总体波动最多为拉曼放大器所用泵浦激光器平均发射功率50％的，优选地为40％的，更优选地为30％的泵浦激光器，使拉曼放大器具有低噪声系数和平坦、宽带的拉曼增益。实际上，因为减少或者实际上避免了不同泵浦辐射之间的能量转移，所以对不同的泵浦波长不需要使用不同的功率就可以获得对波长平坦的拉曼增益。使用具有基本上相同发射功率的泵浦激光器，对于和设计以及拉曼放大器的性能有关的不同方面是特别重要的，拉曼放大器的性能包括例如泵浦激光器的可靠性(能够使用相同可靠性的泵浦激光器)，泵浦激光器的稳定性(泵浦激光器能够平均良好地功率几乎相同的时间)，泵浦激光器的冷却(对所有泵浦激光器能够使用相同类型的冷却装置)，泵浦激光器的制造工艺(所有的泵浦激光器可以属于相同的类型)。
根据本发明的拉曼放大器可以是WDM传输系统的一部分，包括一个发射台、一个接收台和一个连接所述发射台和所述接收台的光线路。该发射台包括多个适合于各自发射多个光信道的发射器，每一个光信道具有各自的波长。多个光信道的WDM光信号通过复用器组合在一起，输入到光线路的第一端部。接收台包括多个接收器，其适合于接收WDM光信号和区分所接收的由每个光信道携带的信息。出于该目的，接收台典型地包括一个多路信号分离器，其连接光线路的第二端部并适合于分离WDM光信号中所含不同的光信道。光线路典型地包括至少一个传输光纤。沿着光线路提供至少一个放大器，其具有至少一个根据本发明的拉曼放大器，从而抵消光信号由所述传输光纤或者纤维的至少一部分引发的衰减。其他的衰减源可以是连接器、耦连器/分束器和各种器件，例如调制器、开关、加-减复用器等，它们沿着光线路布置和/或布置在发射台内和/或布置在接收台内。光传输系统包括至少一个根据本发明的拉曼放大器，并且可以是任何类型的光传输系统，例如陆地传输系统或者海底传输系统。光线路也可以包括其他类型的放大器，例如铒掺杂光纤放大器或者半导体放大器，其与至少一个根据本发明的拉曼放大器组合。特别地，分布式拉曼放大器可以与根据本发明的方法布置的集总拉曼放大器实施例组合使用。
特别地，图2显示了根据本发明的集总拉曼放大器10的优选实施例，其包括4个级10i、10ii、10iii、10iv。4个放大器级的每一个都包括拉曼活性光纤(11、12、21、22)和一个WDM耦连器(15、16、25、26)。4个放大器还可以包括光学隔离器(17、18、27、28)。布置第一泵浦源13从而向第一和第三级10i、10iii拉曼活性光纤11、21提供泵浦辐射。出于这种目的，分束器19可以用于分割由泵浦源13发射的辐射。布置第二泵浦14源从而向第二和第四级10ii、10iv拉曼活性光纤12、22提供泵浦辐射。出于这种目的，分束器20可以用于分割由泵浦源14发射的辐射。任何传统的分束器19、20都可以在图1所示的实施例中使用，例如熔融光纤耦连器(fused fiber coupler)或者集成波导管耦连器(integrated waveguide coupler)。关于WDM耦连器15、16、25、26的拉曼活性光纤11、12、21、22和泵浦源13、14的特征，参考上面联系图1公开的内容。特别地，第一组泵浦频率用在第一和第三放大器级中，而第二组泵浦频率用在第二和第四放大器级中。第一和第二组泵浦频率具有上面联系图1公开的特征。
图1或图2所示拉曼放大器的优选实施例可以有利地用在都市长途(metropolitan、long-haul)或者超长途光学系统中，代替铒掺杂光纤放大器，用于放大1460nm-1650nm，典型地1530nm-1610nm范围内的WDM或者DWDM光信号。图1或者2的放大器可以有利地放大WDM光信号全部可获得波长波段的光信号。相反，基于铒掺杂光纤放大器的放大典型地用如下的放大器配置执行，其中在多路信号分离器与多路复用器之间彼此并联设置的不同级用于放大不同波长的波段。其缺点是，为了在不同并联放大器级中正确地分离和发送(route)不同的波段，一部分带宽不能够用于光信号。
典型地，在长途或者超长途系统中，在放大器中对色散进行补偿。进一步，可以设置光学加/减复用器以便在放大器处沿着光线路提取和插入光信号。在图2所示拉曼放大器10的优选实施例中，色散补偿器(chromatic dispersion compensator)和/或光学加/减复用器可以有利地设置在第二和第三放大器级之间。
实例1(比较)
在第一模拟中，本专利申请考虑的是根据图3的双级放大器。拉曼放大器第一和第二级30’、30”的每一个都包括一个二氧化硅-锗拉曼活性光纤(31、32)，其长度为3500m，gR/Aeff比值为6.5·10-3/(W·m)，在1530nm-1610nm之间的信号波长上的衰减为0.4dB/km，在1425nm-1510nm之间的信号波长上的衰减为0.6dB/km。4个不同的泵浦波长用于同时泵浦拉曼活性光纤31、32：λ1＝1426nm(ν1＝210.5THz)，λ2＝1440nm(ν2＝208.3THz)，λ3＝1470nm(ν3＝204.1THz)，λ4＝1510nm(ν4＝198.7THz)。更明确地讲，在泵浦源33中，4对泵浦激光器的泵浦发射功率(每个泵浦波长一对，每一对包括两个连接偏振波束合成器(combiner)的激光器)被复合在一起，并经由60/40分束器39和WDM耦连器35、36发送给拉曼活性光纤31、32。更明确地讲，泵浦辐射的60％发送给第一级，40％发送给第二级。在每个放大器级中，最小和最大泵浦频率之差为11.8THz(也就是，大约拉曼频移的89％)。
计算如上布置的拉曼放大器两种不同优化配置的噪声系数，得出：
a)增益为10dB，每信道的输入信号功率为-11dBm(适合于超长途系统，其使用信道间隔为50GHz的200个信道)
b)增益为28dB，每信道的输入信号功率为-28dBm(适合于长途系统，其使用信道间隔为50GHz的200个信道)
在下面的表1中，报告了两种配置a)和b)的每个泵浦激光器的泵浦功率P(λ)，两种配置经过了优化以便实现上述性能。
表1
    配置     P(λ1)   P(λ2)   P(λ3)   P(λ4)
    a)   560mW   450mW   160mW   70mW
    b)   760mW   620mW   180mW   30mW
还考虑了第一级30’和第二级30”之间6dB的介质通路损耗(medium access loss)，以便实现例如色散补偿器(dispersioncompensator)。两种配置a)和b)在1530nm-1610nm上获得的增益平坦性为±0.5dB。
图4显示了关于配置a)(曲线41)和b)(曲线42)在1530nm-1610nm波长上获得的噪声系数。可以看出，在两种实例中，较短信号波长比较长信号波长的噪声系数更高，这是由于较短泵浦波长与较长泵浦波长之间的能量转移。由于该能量转移，较短泵浦波长处的泵浦辐射必须具有高功率，其不用于信号放大。
实例2(本发明)
在第二模拟中，本专利申请考虑的是根据图2的拉曼放大器配置。使用了与参考实例1公开的相同泵浦波长，但这次，泵浦源13只包括具有波长λ1、λ2的泵浦激光器，而泵浦源14只包括具有波长λ3、λ4的泵浦激光器(每个泵浦波长一对，通过偏振波束合成器组合在一起)。放大器的4个级所使用的拉曼活性光纤的特征也与实例1中相同。分束器19是60/40分束器，分束器20是65/35分束器。更明确地讲，向第一和第三放大器级发送更高的泵浦功率。因此，在第一和第三放大器级中，最小和最大泵浦频率之差为1THz(也就是，大约拉曼频移的7.5％)，而在第二和第四放大器级中，最小和最大泵浦频率之差为5.4THz(也就是，大约拉曼频移的41％)。
为了满足实例1中a)(超长途系统)所需的条件，第一拉曼活性光纤11长1500m，第二拉曼活性光纤12长1400m，第三拉曼活性光纤21长1800m，第四拉曼活性光纤22长2000m。所有泵浦激光器的发射功率为400mW。
为了满足实例1中b)(长途系统)所需的条件，第一拉曼活性光纤11长2000m，第二拉曼活性光纤12长2000m，第三拉曼活性光纤21长3000m，第四拉曼活性光纤22长3000m。所有泵浦激光器的发射功率为415mW。
还考虑了两种实例中第二级和第三级之间6dB的介质通路损耗，以便实现例如色散补偿器。两种实例在1530nm-1610nm上获得的增益平坦性为±0.5dB。
图5显示了关于配置a)(曲线51)和b)(曲线52)在1530nm-1610nm波长上获得的噪声系数。可以看出，相对于图4所示的先前实例，较短信号波长的噪声系数更低，这是由于每个放大器级中较短与较长泵浦波长之间的能量转移被显著减少。更明确地讲，在整个波长范围上，图5中的曲线51比图4中的相应曲线41更低；另一方面，在高达大约1590nm范围内，图5中的曲线52比图4中的相应曲线42更低。对于较长的信号波长，相对于配置b)的先前实例，获得了稍微高的噪声系数，这是因为如下的事实，即较长的信号波长实际上只在放大器的第二和第四级放大，从而它们与较短信号波长相比经历了更高的输入损耗。然而，对于配置b)，获得了大约5.9dB的最大值，而在图4中为大约7dB。
实例3(本发明)
在第三模拟中，本专利申请考虑的是根据图2的另一种拉曼放大器配置。使用了与参考实例1公开的相同泵浦波长，但这次，泵浦源13包括具有波长λ1、λ2、λ3的泵浦激光器，而泵浦源14只包括具有波长λ4的泵浦激光器(每个泵浦波长一对，通过偏振波束合成器组合在一起)。放大器的4个级所使用的拉曼活性光纤的特征也与实例1中相同。分束器19是60/40分束器，分束器20是65/35分束器。更明确地讲，向第一和第三放大器级发送更高的泵浦功率。因此，在第一和第三放大器级中，最小和最大泵浦频率之差为6.4THz(也就是，大约拉曼频移的49％)。
为了满足实例1中a)(超长途系统)所需的条件，第一拉曼活性光纤11长1800m，第二拉曼活性光纤12长2000m，第三拉曼活性光纤21长2000m，第四拉曼活性光纤22长2200m。为了满足实例1中b)(长途系统)所需的条件，第一拉曼活性光纤11长2000m，第二拉曼活性光纤12长3000m，第三拉曼活性光纤21长2500m，第四拉曼活性光纤22长2500m。
在下面的表2中报告了两种配置a)和b)的每个泵浦激光器的泵浦功率P(λ)，两个配置经过了优化以便实现所需性能。
表2
  配置     P(λ1)     P(λ2)     P(λ3)   P(λ4)
  a)     450mW     450mW     200mW   400mW
  b)     600mW     550mW     150mW   500mW
还考虑了两种实例中第二级和第三级之间6dB的介质通路损耗，以便实现例如色散补偿器。两种实例在1530nm-1610nm上获得的增益平坦性为±0.5dB。
图6显示了关于配置a)(曲线51)和b)(曲线52)在1530nm-1610nm波长上获得的噪声系数。可以看出，获得了对波长基本上平坦的增益。更明确地讲，对于配置a)，获得了大约7.4dB的最大噪音值，而在图4中为大约8.7dB，而对于配置b)，获得了大约6.2dB的最大值，而在图4中为大约7dB。

Claims (19)

1.一种用于放大频率在信号频率范围内的光信号的方法，包括：
-将所述光信号分别引入到彼此串联布置的至少第一(11)和第二(12)光路中，其中每个光路包括具有预定拉曼频移的拉曼活性材料；
-将第一泵浦部分引入到所述第一光路(11)中，所述第一泵浦部分包括处于第一最小泵浦频率和第一最大泵浦频率之间的第一组泵浦频率；
-将第二泵浦部分引入到所述第二光路(12)中，所述第二泵浦部分包括处于第二最小泵浦频率和第二最大泵浦频率之间的第二组泵浦频率，所述第一和第二组频率的总体延伸的泵浦频率范围宽度至少是所述拉曼频移的40％；
其特征在于：
-所述第一组频率的至少一部分不包含在所述第二组频率内，且所述第二组频率的至少一部分不包含在所述第一组频率内；
-执行所述将所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步骤，使得进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，并且进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；
-所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的70％；以及
-所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的70％。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，执行所述将所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步骤，从而进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，并且进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的50％，而所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的50％。
4.根据权利要求1-3中任何一个的方法，其特征在于，所述泵浦频率范围的宽度至少为拉曼频移的50％。
5.根据权利要求1-4中任何一个的方法，其特征在于，所述第一和第二组频率彼此不交叠。
6.根据权利要求1-5中任何一个的方法，所述第一最小和所述第一最大泵浦频率限定所述第一泵浦频率范围，且所述第二最小和所述第二最大泵浦频率限定第二泵浦频率范围，其特征在于，所述第一和第二泵浦频率范围中至少有一个的宽度至少为所述拉曼频移的20％。
7.根据权利要求1-6中任何一个的方法，其特征在于，所述第一组频率适合于拉曼放大所述光信号的第一部分，所述第二组频率适合于拉曼放大所述光信号的第二部分，所述拉曼活性材料中光信号的第一部分对波长的衰减比光信号的所述第二部分更大。
8.根据权利要求1-7中任何一个的方法，其特征在于，它进一步包括通过多个泵浦激光器提供所述第一和所述第二泵浦部分的步骤，所述多个泵浦激光器泵浦功率发射的总变动最多为平均泵浦功率发射的50％。
9.一种拉曼放大器(10)，其适合于放大频率在信号频率范围内的光信号，其至少包括彼此串联布置的第一(11、21)和第二(12、22)光路，每个光路都包括具有预定拉曼频移的拉曼活性材料，所述放大器(10)包括：
-与所述第一光路(11、21)相连的第一泵浦源(13)，所述第一泵浦源(13)适合于向所述第一光路(11、21)发射第一泵浦辐射并使之与第一光路耦合，第一泵浦辐射包括处于第一最小泵浦频率和第一最大泵浦频率之间的第一组泵浦频率；
-与所述第二光路(12、22)相连的第二泵浦源(14)，所述第二泵浦源(14)适合于向所述第二光路(12、22)发射第二泵浦辐射并使之与第二光路耦合，第二泵浦辐射包括处于第二最小泵浦频率和第二最大泵浦频率之间的第二组泵浦频率，所述第一和第二组频率的总体延伸的泵浦频率范围的宽度至少为所述拉曼频移的40％；
其特征在于：
-所述第一组频率的至少一部分不包含在所述第二组频率内，且所述第二组频率的至少一部分不包含在所述第一组频率内；
-所述第一和第二泵浦源与所述第一和第二光路之间的耦连，使得耦连进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，并且使得耦连进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；
-所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的70％；和
-所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的70％。
10.根据权利要求9的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一和第二泵浦源与所述第一和第二光路之间的耦连，使得耦连进入所述第一光路的所述第二泵浦部分的残余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，并且使得耦连进入所述第二光路的所述第一泵浦部分的残余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
11.根据权利要求9或10任何一个的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一最小泵浦频率与所述第一最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的50％，且所述第二最小泵浦频率与所述第二最大泵浦频率彼此之差最多为所述拉曼频移的50％。
12.根据权利要求9-11中任何一个的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述泵浦频率范围的宽度至少为所述拉曼频移的50％。
13.根据权利要求9-12中任何一个的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一和第二组频率彼此不交叠。
14.根据权利要求9-13中任何一个的拉曼放大器(10)，所述第一最小和所述第一最大泵浦频率限定所述第一泵浦频率范围，且所述第二最小和所述第二最大泵浦频率限定第二泵浦频率范围，其特征在于，所述第一和第二泵浦频率范围中至少有一个的宽度至少为所述拉曼频移的20％。
15.根据权利要求9-14中任何一个的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一组频率适合于拉曼放大所述光信号的第一部分，所述第二组频率适合于拉曼放大所述光信号的第二部分，在所述拉曼活性材料中，光信号的第一部分对所述波长的衰减比光信号的所述第二部分更大。
16.根据权利要求9-15中任何一个的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一和所述第二泵浦源(13、14)包括多个泵浦激光器，所述多个泵浦激光器具有的泵浦功率发射的总变动最多为平均泵浦功率发射的50％。
17.一种光系统，包括至少一个光线路，所述光线路包括至少一个光纤和至少一个连接于所述光纤的、根据权利要求9-16中的任何一个的拉曼放大器(10)。
18.根据权利要求17的光系统，其特征在于，它进一步包括发射台，发射台包括多个适合于各自发射多个光信道的发射器，每个光信道具有各自的波长，所述发射台与所述光线路的第一端部相连。
19.根据权利要求18的光系统，其特征在于，它进一步包括接收台，接收台包括适合于区分由所述各个光信道携带的信息的多个接受器，所述接收台与所述光线路的第二端部相连。
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