CN1689254A - 拉曼放大器 - Google Patents

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Abstract

一种用于放大沿着光纤(3)传播的WDM辐射的拉曼放大器，所述WDM辐射包括多个辐射分量，每一个辐射分量都具有一个已选波段，该放大器包括：多个光辐射生成装置(10，11)，能够产生有已选波长(λ1、λ2)和功率的泵浦辐射，所述辐射被耦合到所述光纤以光学地放大该WDM辐射。该放大器的特征在于：该光辐射生成装置(10，11)是波长可调谐的，以及在WDM辐射沿着光纤(3)传播并被放大之后，用于测量WDM辐射的辐射分量功率的装置(5)。该波长生成装置的工作波长和功率根据已测量的功率来控制，使已测量的功率在幅度上基本相等且具有一个已选的幅度。为了减少极化相关增益，其中泵浦辐射在沿着光纤、与WDM辐射传播的方向相反的方向上传播，每个辐射生成装置(10，11)最好包括多个辐射源(10a到10c，11a到11c)，最好是三个，其中的每一个可操作地用于产生具有相同波长但具有不同极化状态的辐射。有利地，该三个辐射源(10a到10c，11a到11c)可操作地用于产生辐射，该辐射的极化状态彼此被移位60°，并且使用极化维持复用器(10d，11d)对其进行组合。

Description

拉曼放大器
技术领域
本发明涉及在波分复用(WDM)光电信系统中使用的拉曼放大器。
技术背景
正如在WDM光电信系统中所公知的，借助于多个光载波(信道)在节点之间传送多个通信业务信道，每个光载波具有分立波段(波长信道)并且通过相应的其中一个通信信道来调制。通过光纤互连各节点而在节点之间引导该多个已调载波(已调辐射元件)，下文中称为WDM光辐射。
尽管实质上1550nm的自由空间波长是该范围中最优选的一部分，但在本发明的上下文中的光被定义为具有560nm到2000nm的自由空间波长范围的电磁辐射。
为了补偿在传输过程中由于光纤损耗引起的衰减，众所周知要在系统中的多个点处、或者节点处包括光放大以使WDM辐射功率电平保持在一个固定值之上，从而提高光信噪比(OSNR)，并且增强节点之间的通信距离。对于长的通信距离(例如，在发送和接收节点之间是800km)、延长的通信距离(例如，在发送和接收节点之间是1600km)、以及超长的通信距离(2000+kms)的通信链路来说，优选那些使用受激拉曼散射(SRS)的分布式拉曼光放大器。
大体上分布式拉曼光放大器包括激光器，用于利用具有固定波长的光辐射来光学地泵浦(optically pumping)光传输光纤，该固定波长不同于打算放大的WDM辐射的波长。该泵浦辐射通常被引入传输光纤中，以使其沿着光纤在与WDM辐射的传播方向相反的方向上进行传播。这种安排减少了在泵浦辐射和WDM辐射之间的相对强度噪声的传送。然而，从发射(发动)端光学地泵浦光纤以使泵浦辐射与WDM辐射一同传播、或者从发射和接收端二者光学地泵浦该光纤也是公知的。因为光放大沿着传输光纤的长度发生，所以这种放大器通常被称为分布式拉曼放大器。与此相反，分立拉曼放大器包括在其中发生光放大的一个单独的光纤长度。典型地，这种光纤可能具有不同的化学成分以增强SRS。
众所周知，当泵浦辐射的光子沿着二氧化硅(SiO2)光纤传播时由该光纤的硅原子对泵浦辐射的光子进行瑞利散射，导致生成声子(点阵振动)和能量(与频率)比该碰撞光子(colliding photon)低的光子。同时，该泵浦光子具有特定的波长，基于大约6THz(FWHM-半峰全宽)的带宽对所生成光子的波长进行不同地分布。已生成的光子被进行频移(拉曼移位)，尽管这取决于泵浦波长并且随着泵浦波长轻微地减少，但大多数已生成的光子具有大约13THz的平均拉曼移位。SRS(受激拉曼散射)生成的光子能够将具有相同频率(即，基于6THz的带宽)的信号放大多达数十个dB的光增益。
分布式拉曼放大器在WDM长和超长通信距离系统中具有许多优点，因为其增强了OSNR(光信噪比)并且降低了每WDM波长信道的发射功率，使任何光的非线性度保持到最低的水平。当与EDFA(掺铒光纤放大器)相结合使用时，该拉曼放大器能够根据该泵浦波长和泵浦功率来增加光纤跨距长度。
为了实现宽且平坦的增益光谱和低噪声因数，众所周知要使用多个泵浦，其中的每一个泵浦都具有使用更高阶拉曼泵浦的分立波长。如上所述，一阶拉曼泵浦负责通过泵浦来光放大WDM辐射以进行信号的交互。二阶泵浦负责在放大WDM辐射的波长信道之前，通过逐个泵浦(frompump to pump)(泵浦到泵浦的交互)地传送光功率来(通过受激拉曼散射)放大一阶泵浦。更高阶泵浦利用非常微小的双瑞利散射(DRS)作用来降低噪声因数并且增强OSNR。使用一阶拉曼泵浦放大器(Ramanpumped amplifier)，DRS会引起MPI(多径干扰)以及因此OSNR的性能恶化。
拉曼放大器必须能够与不同的传输光纤类型一同工作，例如G.652-SSMF(标准单模光纤)、G.653-DSF(色散位移光纤)、G.653-NZ-DSF(非零DSF)，同样也能在不同的损耗条件和不同的光信道加载条件下进行工作。由于下面的原因可能出现在光纤跨距(optical fibrespan)上的光衰减中的变化：光纤弯曲(在延伸光纤时是不可避免的)；促成玻璃结构改变的光纤老化；跨距长度的容差、温度效应以及连接器损耗/接头损耗。沿着链路的信道加载可能由于插入和分出光信道的原因而改变，从而改变要被放大的信道的数量。
当前的拉曼放大器经常被设计用于相对寿命终了(EOL：end of life)的光纤跨距操作的最优操作，具有内置的额外容限(additionalmargin)以允许在第一次部署或者寿命初始(BOL：beginning of life)时工作。结果，拉曼放大器在第一次部署时并不是以最优的性能来工作。
除了光纤属性中的变化之外，系统中WDM波长信道(信道加载)的数量可能，例如，由于可重配置的光插入-分出复用器(ROADM)的原因而在网络的运行寿命上变化。典型地，它们可能在BOL以几个信道(最少2个信道)开始，并且逐渐地增加数量和密度，直到达到最大容量为止。当前的拉曼放大器不能随着波长信道数的变化而保持平坦增益光谱。
由于传统的光纤具有未知的插入损耗、不同长度的跨距、不同的光纤类型，并且具有不同的信道加载，这就要求对最优性能制作一种特定的拉曼放大器模块。这种拉曼模块要求光增益，以及对于不同的传输光纤类型和不同的信道加载的增益均匀性，该增益均匀性基于逐个跨距来优化。
发明内容
本发明尽力提供一种至少部分地克服已知拉曼放大器的局限性的拉曼放大器。
根据本发明，提供一种用于放大沿着光纤传播的WDM辐射的拉曼放大器，所述WDM辐射包括多个辐射分量，每一个辐射分量都具有一个已选波段，该放大器包括：多个光辐射生成装置，能够产生已选波长和功率的泵浦辐射，所述辐射被耦合到所述光纤以光学地放大该WDM辐射，其特征在于：该光辐射生成装置是波长可调谐的，以及在WDM辐射沿着光纤传播并被放大之后，用于测量WDM辐射的辐射分量功率的装置，其中该波长生成装置的工作波长和功率根据已测量的功率来控制，使已测量的功率在幅度上基本相等且具有一个已选的幅度。
优选地，用于测量辐射分量功率的装置可操作地用于测量包括WDM辐射的所有辐射分量的功率。
作为选择，用于测量辐射分量功率的装置可操作地对至少两组分量来测量在多个辐射分量上的平均功率，其中，该生成装置的工作波长和功率根据平均功率来控制，使已测量的平均功率在幅度上基本相等。
从制造的简易性来讲，用于测量辐射分量功率的装置包括在空间上将WDM辐射划分为辐射分量的波长选择部件。这样一种波长选择部件可以包括衍射光栅或者阵列化的波导(AWG)器件。该空间上被分离的辐射分量最好被安排为入射到各自的光电二极管上。
为了减少极化相关的增益(PDG)，每个辐射生成装置有利地包括多个辐射源，最好是三个，每一个辐射源可操作地产生具有相同波长但具有不同极化状态(SOP)的辐射。在一种特定的优选方案中，该三个辐射源可操作地用于产生辐射，该辐射的极化状态彼此进行60°的移位，并且使用极化维持复用器对其进行组合。具有被移位的SOP的多个辐射源的使用减少了PDG，而不需要共同极化(co-polarise)WDM辐射分量和泵浦辐射，这本身被认为是有创造性的。
优选地，辐射生成装置包括波长可调谐的激光器，诸如激光二极管或者光纤激光器。
本发明在C波段(1530到1560nm)和L波段(1570到1620nm)上工作的WDM系统中找到了特定应用。当用于放大C波段WDM辐射时，放大器有利地包括以所选波长工作的至少两个辐射生成装置。
当用于放大L波段WDM辐射时，放大器有利地包括以所选波长工作的至少三个辐射生成装置。
优选地，拉曼放大器被配置为这样，即泵浦辐射在与WDM辐射传播方向相反的方向上传播。作为选择，该拉曼放大器也能被配置为这样，即泵浦辐射和WDM辐射共同传播，或者共同和相反的传播方案二者的组合。
为了能够更好地理解本发明，现在将参考附图，仅借助于实例来描述本发明所包括的拉曼放大器，其中：
图1是包括根据本发明的拉曼放大器的DWDM电信链路的一部分的示意图；以及
图2是图1的拉曼放大器模块的示意图。
具体实施方式
参考图1，其中示出了包括根据本发明的拉曼放大器模块4的长距离DWDM(密集波分复用)光电信链路的一部分的示意图。该DWDM系统是一个具有在C波段(1530到1560nm)内工作的50GHz波长(光)信道间距的80信道系统。
该DWDM通信链路1包括光发射器2，用于产生并沿着传输光纤3将DWDM辐射发送到接收器(未示出)。传输光纤3可以典型地包括一种G.652-SSMF传输光纤。在沿着发射器2和接收器之间的链路1的长度的各种点上提供了光放大，图1示出了一种这样的光放大器装置。对于在发送器和接收器之间超过3000km的超长链路来说，典型地可以提供十次放大，即在接近300km光纤上传输(即60dB的衰减)之后。
所示出的放大器装置包括拉曼放大器模块4，WDM信道监控器5，和EDFA6(参铒光纤放大器)。作为本发明主题的拉曼放大器模块4大体上作为EDFA6的预放大器来操作，且另外提供了波长信道的功率校平(levelling)以确保EDFA的有效操作。
由拉曼放大器模块4产生的泵浦光辐射通过使用熔融的光纤耦合器7(fused fibre coupler)而被耦合到传输光纤3，从该熔融光纤耦合器7开始，该泵浦光辐射沿着光纤向着发射器2的方向传播，即该泵浦辐射在与传播WDM辐射的方向相反的方向上传播，该WDM辐射通过该链路来传输。耦合器7是一种宽带设备，而且典型地能够在用于C波段上工作的WDM系统中时在1400到1600nm的波长范围上对辐射进行耦合。WDM信道监控器5能够在将WDM辐射输入到EDFA6之前(即在被拉曼放大之后)，测量该WDM辐射的各个80波长信道的相应功率。光抽头8典型的是熔融光纤耦合器，其被用于分接很小比例(例如5％)的WDM辐射，该WDM辐射然后被输入到信道监控器5。
WDM信道监控器是公知的，而且典型地包括波长相关元件(wavelength dependent element)，这种阵列化的波导(AWG)器件或者衍射光栅用于在空间上将WDM辐射分到其组成波长信道(辐射分量)中，并且在测量其光功率的光电二极管阵列的各个光电二极管上引导各个组成波长信道。作为选择，该信道监控器可能包括用于顺序地测量各种WDM波长信道功率的波长扫描设备(分光计)。
波长信道的已测量功率通过RS-232通信总线9被传达给拉曼模块4。
参考图2，示出了拉曼放大器模块4的示意图。该拉曼放大器模块4包括两个波长可调谐的激光器模块10、11；一个用于组合激光器模块产生的拉曼泵浦辐射的光耦合器12，以及用于控制激光器模块10、11操作的激光器模块控制器12。各个激光器模块10、11可操作地产生各个波长λ1、λ2的拉曼泵浦辐射，该波长在对应的重叠波长范围(例如1400到1455nm以及1445到1600nm)上是可调谐的。例如，为了提供光放大以补偿在G.652-SSMF传输光纤上最大为35dB的传输损耗，该第一激光器模块10能够在参考波长λ1＝1438nm处可操作地产生最大功率为600mW的泵浦辐射，而第二激光器模块能够在参考波长λ2＝1455nm处可操作地产生最大功率为600mW的泵浦辐射。
各个波长可调谐的激光器模块10、11分别包括三个波长可调谐的激光器10a到10c，11a到11c，以及极化复用器10d、11d。每个受控制器13控制的给定激光器模块的激光器二极管可操作地产生相同波长和功率的辐射，但是每个都具有被移位60°的极化状态。由各个模块的各个激光器二极管输出的辐射通过相应的极化复用器来组合，以提供该激光器模块的泵浦辐射输出λ1、λ2，该激光器模块通过宽带耦合器7被耦合到传输光纤3。典型地，激光器二极管可以包括用于将激光器保持在恒定温度的珀尔帖单体(Peltier Cell)，以及用于持续地监控激光器输出功率的集成光电二极管。
激光器模块控制器13通过RS-232总线9被连接到信道监控器，并且根据由信道监控器5测量的各种WDM波长信道的功率来可操作地控制各个激光器二极管的工作波长和功率。
在工作过程中，信道监控器5测量每个WDM波长信道的功率，并且将这些数据值经由总线9传递到激光器模块控制器7。控制器7根据这些测量值来调整各个激光器模块的工作波长和功率，使得波长信道的功率之间的差值最小，以及将每个激光器模块设置到一个所选值。拉曼放大器模块的这种操作使得增益光谱的平直度能够对于不同的传输光纤类型、在不同的波长信道数和不同的操作条件下被自动地优化。典型地，控制器7包括一个查询表，该查询表包括为了实现期望的拉曼增益所要求的各种激光器驱动电流(例如，用于3级抽样的光栅分布式反馈激光器的相位、增益、波长)，并且根据这些数据来设置这些激光器。
众所周知，泵浦到泵浦的交互(pump-to-pump interaction)和拉曼倾斜(Raman tilt)(即拉曼增益相对波长的斜率)是已知拉曼放大系统的主要缺陷。然而，根据本发明的拉曼放大器，其中泵浦波长是可调谐的，拉曼倾斜可以在工作WDM波长范围上被最小化。由于泵浦波长和功率响应于已测量的功率电平而被自动地调整，所以放大器模块将被自动地优化而不考虑波长信道(信道加载)数量上的任何变化。
在所述的应用中，其中传输光纤跨距长度非常大(例如，超过大约120km的距离)且因而要求高的拉更增益，双瑞利散射(DRS)是主要的影响，并且通过使用较高阶的拉曼泵浦(在所述实施方案中的二阶)将这种影响最小化。
众所周知，如果待放大的拉曼泵浦辐射和WDM辐射沿着传输光纤被共同极化，则可以优化拉更放大所产生的极化相关增益(PDG)。这种共同极化导致了拉曼增益的提高至少两倍于平均值。
在所述实施方案中，拉曼泵浦辐射和WDM辐射沿着传输光纤相反地传播，对于各个拉曼泵浦来说，通过使用三个激光器来对PDG进行最小化，以便在具有移位60°的极化状态的相同波长上产生泵浦辐射。使用三个具有移位60°以减小PDG的SOP的激光器，其本身被认为是有创造性的，而且同样可被应用于将拉曼泵浦辐射引入光纤以使该拉曼泵浦辐射与WDM辐射共同传播的方案中。
在本发明的可替换实施方案中，其中拉曼泵浦辐射与WDM辐射共同传播，每一个WDM信道都具有相同的SOP(极化状态)，并且拉曼泵浦有利地与WDM信道被共同极化。
应当理解本发明的拉曼放大器并没有被限制到所述的特定实施方案中，而且可以在本发明的范围内做出各种变型。取决于应用，拉曼模块可以进一步包括拉曼泵浦，其使用更高的较高阶拉曼放大以改善增益平直度和OSNR。例如，本发明同样适合于在其他具有不同波长信道/间隔数量的WDM光电信网络以及在其他波长频带内工作的系统(诸如那些在L波段(1570到1620nm)上工作的系统)中使用。在L波段内工作的WDM系统中，优选地，为了达到一种可接受的增益平直度，拉曼激光器模块具有至少三个不同的波长泵浦(第三阶)。
尽管波长信道监控器已经被描述为包括各自的光电二极管以同时测量各个波长信道的功率，一个扫描分光计装置能够被使用来顺序地测量信道功率。此外在其他的方案中不需要测量各个波长信道的功率。例如，以设想对于多个波长信道分组来测量该平均功率。这些分组最好不会在波长方面重叠，而且最好是包括整个WDM的工作波长范围。
此外，尽管拉曼放大器已经被描述为是沿着传输光纤的长度分布光放大的分布式拉曼放大器，但是本发明同样适合于在分立的拉曼放大器中使用，该分立的拉曼放大器包括其中发生放大的一个光纤长度。
本发明的拉曼放大器提供超越已知的放大器的优点，因为该拉曼放大器能够自动地优化其增益/增益平直度以适应于不同的跨距长度，不同的传输光纤和不同的信道加载。

Claims (12)

1.一种用于放大沿着光纤(3)传播的WDM辐射的拉曼放大器(4)，所述WDM辐射包括多个辐射分量，每一个辐射分量都具有一个已选波段，该放大器包括：多个光辐射生成装置(10，11)，能够产生已选波长(λ1、λ2)和功率的泵浦辐射，所述辐射被耦合到所述光纤(3)以光学地放大该WDM辐射，其特征在于：该光辐射生成装置(10，11)是波长可调谐的，以及在WDM辐射沿着光纤(3)传播并被放大之后，用于测量WDM辐射的辐射分量功率的装置(5)，其中，该波长生成装置(10，11)的工作波长和功率根据已测量的功率来控制，使得已测量的功率在幅度上基本相等且具有一个已选的幅度。
2.根据权利要求1的放大器，其中用于测量辐射分量功率的装置(5)可操作地测量包括WDM辐射的所有辐射分量的功率。
3.根据权利要求1的放大器，其中用于测量辐射分量功率的装置(5)可操作地相对至少两组辐射分量来测量在多个辐射分量上的平均功率，以及其中该生成装置的工作波长和功率根据该平均功率来控制，使得已测量的平均功率在幅度上基本相等。
4.根据前述任意一个权利要求的放大器，其中用于测量辐射分量功率的装置(5)包括在空间上将WDM辐射分离到辐射分量中的波长选择部件。
5.根据权利要求4的放大器，其中该波长选择部件包括衍射光栅。
6.根据权利要求5的放大器，其中该波长选择部件包括阵列化的波导器件。
7.根据前述任意一个权利要求的放大器，其中各个辐射生成装置(10，11)包括多个辐射源(10a到10c，11a到11c)，其中的每一个可操作地用于产生具有相同波长、但具有不同极化状态的辐射。
8.根据权利要求7的放大器，包括三个可操作地用于产生辐射的辐射源(10a到10c，11a到11c)，该辐射的极化状态彼此被移位60°。
9.根据权利要求8的放大器，进一步包括用于组合来自辐射源的辐射的极化维持复用器(10d，11d)。
10.根据前述任意一个权利要求的放大器，其中该辐射生成装置(10，11)包括波长可调谐的激光器。
11.根据前述任意一个权利要求的放大器，其中该放大器用于放大C波段WDM辐射(1520到1565nm)，并且包括以所选波长工作的至少两个辐射生成装置。
12.根据前述任意一个权利要求的放大器，其中该放大器用于放大L波段WDM辐射(1570到1620nm)，并且包括以所选波长工作的至少三个辐射生成装置。
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