CN1691553B - 拉曼放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及拉曼放大器，即使在输入信号的功率变化时，也能够容易地减小拉曼放大的增益变化。该拉曼放大器具有：(a)放大输入光波以产生输出光波的光纤；(b)向所述光纤提供具有多个波长的泵浦光波的泵浦光波提供装置；以及(c)控制单元，其仅仅控制所述泵浦光波中具有最短波长的泵浦光波的功率，使得由所述光纤在所需波长范围内实现的拉曼放大的增益的平均值能够保持恒定。

Description

拉曼放大器
技术领域
本发明涉及拉曼放大器。
背景技术
在拉曼放大器中，已经提出了能够通过适当地预先确定具有多个波长的泵浦光波的每一个功率值而获得平坦增益谱的技术(例如见Y.Emori等人文章：″Broadband lossless DCF using Raman am-plification pumped by multichannel WDM laser diodes，″Electron.Lett.，Vol.34，No.22，pp.2145-46，1998)。但是在上述文献所描述的技术中，具有多个波长的泵浦光波的每一个功率值是恒定值，当输入信号的功率改变时，由于拉曼放大增益的饱和趋势，产生增益的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉曼放大器，即使在输入信号的功率变化时，能够容易地减少拉曼放大的增益变化。
为了实现前述目的，本发明提供了一种拉曼放大器，其具有：
(a)放大输入光波以产生输出光波的光纤；
(b)向所述光纤提供具有多个波长的泵浦光波的泵浦光波提供装置；以及
(c)控制单元，其仅仅控制所述泵浦光波中具有最短波长的泵浦光波的功率，使得由所述光纤在所需波长范围内实现的拉曼放大的增益的平均值能够保持恒定。
根据本发明的一个方面，所述拉曼放大器可以具有下述特征。所述拉曼放大器进一步还具有输入功率检测装置，检测输入光波的功率，所述控制单元执行下述功能：
(a)存储具有最短波长的泵浦光波的功率和要被建立以使前述平均值维持恒定的输入光波功率之间的关系；以及
(b)根据所述输入功率检测装置检测到的输入光波的功率以及其存储的所述关系，控制具有最短波长的泵浦光波的功率。
在这种情况下，前述关系可以被表示为一个线性函数。另外，在这种情况下，所述拉曼放大器可以具有下列特征：
(a)所述泵浦光波提供装置在与输入光波的传播方向相反的方向向所述光纤提供泵浦光波；以及
(b)所述输入功率检测装置或者所述控制单元设有延迟装置，用于给出一个对应于输入光波在光纤上传播所需时间的延迟时间。
或者，所述拉曼放大器可以具有下列特征：
(a)所述泵浦光波提供装置在与输入光波的传播方向相同的方向向所述光纤提供泵浦光波；以及
(b)所述拉曼放大器进一步设有延迟介质，用于将所述输入光波延迟预定时间，该延迟介质被设置在均在所述输入光波的路径上的所述输入功率检测装置和所述泵浦光波提供装置之间。
这里，所述预定时间可以是从输入功率检测装置检测到一个值的时刻到所述控制单元执行控制的时刻的时间。
根据本发明的另一方面，所述拉曼放大器可以具有下述特征。该拉曼放大器进一步具有：
(a)检测输入光波的功率的输入功率检测装置；以及
(b)检测输出光波的功率的输出功率检测装置，
并且所述控制单元根据所述输入功率检测装置检测到的输入光波的功率以及所述输出功率检测装置检测到的输出光波的功率控制具有最短波长的泵浦光波的功率。在这种情况下，所述控制单元可以根据所述输入功率检测装置检测到的输入光波的功率以及所述输出功率检测装置检测到的输出光波的功率控制具有最短波长的泵浦光波的功率，输出光波的功率被检测的时刻，是在从检测输入光波的功率的时刻起，刚刚过去输入光波在光纤上传播所需的时间之后。
从下面的详细说明会更加清楚本发明的优点。下面的详细说明描述了所想到的实施本发明的最佳方式。本发明也可以用不同的实施方式实现，其细节可以在各个方面加以修改而不脱离本发明的范围。因此，附图和下面的说明在本质上是说明性的，而非限制性的。
附图说明
对本发明进行了图解，以在附图中图示一些例子而非限制。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。附图中：
图1是图示本发明第一实施例的拉曼放大器的概念图；
图2的曲线图图示了使用输入信号光波的功率作为参数的第一实施例的拉曼放大器的增益谱；
图3的曲线图图示了作为比较例，当泵浦光波的功率未受控制时，使用输入信号光波的功率作为参数的第一实施例的拉曼放大器的增益谱；
图4是本发明第二实施例的拉曼放大器的概念图；
图5的曲线图图示了使用输入信号光波的功率作为参数的第二实施例的拉曼放大器的增益谱；
图6的曲线图图示了作为比较例，当泵浦光波的功率保持恒定时，使用输入信号光波的功率作为参数的第二实施例的拉曼放大器的增益谱；
图7的曲线图图示了在第一和第二实施例中，当控制具有最短波长的泵浦光波以使平均增益变得恒定时，输入信号光波的功率和具有最短波长的泵浦光波的功率之间的关系；
图8是本发明第三实施例的拉曼放大器的概念图；
图9是本发明第四实施例的拉曼放大器的概念图；
图10是本发明第五实施例的拉曼放大器的概念图；
图11是本发明第六实施例的拉曼放大器的概念图。
具体实施方式
本发明的发明人集中研究了拉曼放大的增益控制，发现，即使在输入信号光波的功率变化时，可以通过仅仅控制具有多个波长的泵浦光波中的具有最短波长的泵浦光波的功率，来减少增益谱的变化。本发明就是这样完成的。
(第一实施例)
图1的概念图图示了本发明第一实施例的拉曼放大器100。在拉曼放大器100中，信号光波(输入光波)在光输入端101进入，从而被拉曼放大。拉曼放大后的信号光波(输出光波)从光出射端102射出。该拉曼放大器100在从光进入端101到光出射端102的信号光波传播路径上按下述列举顺序设有光纤耦合器111、光隔离器121、光纤耦合器112、拉曼放大光纤130、光隔离器122以及光纤耦合器113。另外，该拉曼放大器100还设有连接到光纤耦合器111的光电二极管141、连接到光纤耦合器112的光纤耦合器114、连接到光纤耦合器114的激光二极管150a和150b、连接到光纤耦合器113的光电二极管142以及连接到所述光电二极管141和142以及激光二极管150a的控制单元160。
所述光纤耦合器111将在光进入端101进入的信号光波分支，以将其中的一部分发送到光电二极管141，其余部分则被送到光隔离器121。该光电二极管141接收从所述光纤耦合器111到达的信号光波，根据输入的信号光波的功率产生电信号并将电信号发送到控制单元160。
所述光纤耦合器112接收从光纤耦合器114发出的具有多个波长的泵浦光波，并将它们发送给光纤130。光纤耦合器112接收从光纤耦合器111通过光隔离器121传播来的信号光波，并将其发送给光纤130。
光纤耦合器113接收从光纤130通过光隔离器122传播来的信号光波，将其分支，以将其一部分发送到光电二极管142，将其余部分发送到光出射端102。所述光电二极管142接收从光纤耦合器113来的信号光波，以根据输入的信号光波的功率产生一个电信号，并将该电信号发送给控制单元160。
所述光纤耦合器114接收从激光二极管150a和150b发送来的波长相互不同的泵浦光波。然后，它将所述泵浦光波组合起来，将组合起来的具有多个波长的泵浦光波发送给光纤耦合器112。所述光隔离器121和122允许光波从光进入端101到光出射端102正向通过，但是阻止它们反向通过。所述光纤130接收均从光纤耦合器112发送来的泵浦光波和信号光波，将信号光波拉曼放大，并将拉曼放大后的信号光波发送给光隔离器122。
所述激光二极管150a和150b各输出一个波长互不相同的用于拉曼放大的泵浦光波。这里，假设从激光二极管150a输出的泵浦光波的波长短于从激光二极管150b输出的泵浦光波的波长。换句话说，假设从激光二极管150a输出的泵浦光波是在具有多个波长的泵浦光波中具有最短波长的泵浦光波。
所述控制单元160接收从光电二极管141和142发送的电信号，以根据这些电信号控制要从激光二极管150a输出的泵浦光波的功率，以使拉曼放大的增益能够变得恒定。具体地，最好控制单元160被构建为具有用于执行所述控制等的电路。
这里，所述激光二极管150a和150b以及所述光纤耦合器112和114作为整体用作泵浦光波提供装置，向所述光纤130提供具有多个波长的泵浦光波。作为泵浦光波提供装置，所述激光二极管可以用另一种激光光源替代。所述光电二极管141和光纤耦合器111作为整体用作输入功率检测装置，检测要被输入到光纤130中的信号光波的功率。所述光电二极管142和所述光纤耦合器113作为整体用作输出功率检测装置，检测从光纤输出的输出信号光波的功率。
所述拉曼放大器100的工作过程如下。从激光二极管150a和150b输出的泵浦光波被所述光纤耦合器114组合起来。组合提来的泵浦光波通过光纤耦合器112被提供给拉曼放大光纤130。在光进入端101进入的信号光波传播通过光纤耦合器111、光隔离器121、光纤耦合器112而进入光纤130，在这里被拉曼放大。拉曼放大后的信号光波传播通过光隔离器122和光纤耦合器113，从光出射端102出射。
在光进入端101进入的信号光波被光纤耦合器111分支，其一部分被送往光电二极管141。然后，光电二极管141根据其接收到的光量输出一个电信号。拉曼放大后的信号光波被光纤耦合器113分支，其一部分被送往光电二极管142。然后，光电二极管142根据其接收到的光量输出一个电信号。
所述控制单元160根据从光电二极管141发送的电信号监视输入信号光波的功率。它还根据从光电二极管142发送的电信号监视输出信号光波的功率。控制单元160使用监视到的输入和输出信号光波的功率计算拉曼放大的增益。然后，其控制要从激光二极管150a输出的泵浦光波的功率，使得拉曼放大的增益可以变得恒定。
下面说明本实施例的一个例子。假设光纤130是长度为9.9km的色散补偿光纤。假设从激光二极管150a输出的泵浦光波的中心波长为1435.4nm，从激光二极管150b输出的泵浦光波的中心波长为1462.2nm.。信号光波在32个信道上被输入拉曼放大器100，这32个信道按照100GHz的频率间隔分布在1,534.25到1,558.98nm的频带上。各信道中的信号光波具有相同的功率。
输入信号光波的功率从-32dBm/ch变到-5dBm/ch，控制单元160执行控制操作，使得信号光波的频带内的平均增益变得恒定。在这种情况下，从激光二极管150b输出的泵浦光波的功率保持恒定。图2的曲线图是使用输入信号光波的功率作为一个参数，第一实施例的拉曼放大器的增益谱。即使输入信号光波的功率从-32dBm/ch变到-5dBm/ch(变化了27dB)，增益变化也被抑制到大约±0.1dBpp。
作为上述控制的一个比较例，在与上述相同的条件下进行了另外一种拉曼放大，不同之处在于从激光二极管150a输出的泵浦光波的功率不受控制(各信道中的泵浦光波的功率保持恒定)。图3的曲线图图示了当泵浦光波的功率不受控制时，使用输入信号光波的功率作为参数的第一实施例的拉曼放大器的增益谱，作为比较例1。在这个例子中，从每一个激光二极管150a和150b输出的泵浦光波的功率被预先确定为：当输入信号光波的功率为-5dBm/ch时，净增益的平均值大约为0dB，增益谱变得比其它任何情况下都更为平坦。在比较例1中，最大产生大约1.5dBpp的增益变化。另外，当输入信号光波的功率下降时，增益上升。
第一实施例的例子所获得的结果表明，即使在输入信号光波的功率变化时，通过仅仅控制具有最短波长的泵浦光波的功率以使得信号光波的频带中的平均增益变得恒定，可以实现增益谱的稳定。换句话说，第一实施例能够容易地减小拉曼放大的增益变化。另外，如第一实施例中所述，当监视输入和输出信号光波的功率，并参考所获得的值来控制具有最短波长的泵浦光波的功率时，可以对拉曼放大中的增益变化进行更为适当的控制。
(第二实施例)
在第一实施例中，将具有多个波长的泵浦光波在与信号光波相同的方向上提供给光纤。在下面描述的第二实施例中，将具有多个波长的泵浦光波在与信号光波的方向相反的方向上提供给光纤。图4的概念图图示了本发明第二实施例的拉曼放大器200。在第二实施例中，在信号光波的路径上，在光纤130和光隔离器122之间设置向光纤130提供具有多个波长的泵浦光波的光纤耦合器115。
光纤耦合器115接收从光纤耦合器114输出的具有多个波长的泵浦光波，并将它们提供给拉曼放大光纤130。另外，光纤耦合器115接收从光纤130输出的信号光波，并将其提供给光隔离器122。
下面说明该实施例的一个例子。假设光纤130、信号光波以及从每一个激光二极管150a和150b输出的泵浦光波的条件与第一实施例中是一样的。
图5的曲线图图示了使用输入信号光波的功率作为参数的第二实施例的拉曼放大器的增益谱。即使输入信号光波的功率从-32dBm/ch变化到-5dBm/ch(变化量为27dBm/ch)，增益的变化也被抑制到大约±0.15dBpp。
图6的曲线图图示了当泵浦光波的功率保持恒定时，使用输入信号光波的功率作为参数的第二实施例的拉曼放大器的增益谱，作为比较例2。在比较例2中，最大产生大约1.0dBpp的增益变化。在此情况下，将结果与在图3所示的正向泵浦(forward pumping)的情况下所获得的结果进行比较，结果表明，由于输入信号光波的功率的变化，正向泵浦会产生更大的增益变化。其原因是，正向泵浦所产生的拉曼放大更容易产生增益饱和。
(第三实施例)
发明人在研究第一和第二实施例以及其它情况时，发现在使得拉曼放大的增益恒定的具有最短波长的泵浦光波的功率以及输入信号光波的功率之间存在一种关系。
图7的曲线图示了在第一和第二实施例中控制具有最短波长的泵浦光波，使得平均增益变得恒定时，输入信号光波的功率和具有最短波长的泵浦光波(从激光二极管150a输出的，其波长为1,435.4nm)的功率之间的关系。输入信号光波的功率和具有最短波长的泵浦光波的功率具有一种被表示为线性函数的关系。
第三实施例利用这种关系来控制拉曼放大的增益。图8的概念图图示了本发明第三实施例的拉曼放大器300。图8图示的控制单元160只接收从光电二极管141输出的电信号。控制单元160存储上述关系，并根据该关系，使用监测到的输入信号光波功率计算具有最短波长的泵浦光波的功率。然后，控制单元160控制要从激光二极管150a输出的泵浦光波的功率，以使该功率符合计算得到的值。更具体地说，使用下面的被表达为线性函数的等式来计算具有最短波长的泵浦光波的功率：
具有最短波长的泵浦光波的功率(mW)＝ax输入信号光波的功率(mW)+b，
其中a和b都是常数。
该实施例表明：当根据具有最短波长的泵浦光波的功率和要用以保持增益恒定的输入信号光波的功率之间的关系，尤其是被表达为线性函数的关系来控制具有最短波长的泵浦光波的功率时，能够容易地减小拉曼放大的增益变化。
当控制具有最短波长的泵浦光波的功率，使得平均增益能够保持恒定时，即使在双向泵浦的情况下，也能够建立输入信号光波的功率和具有最短波长的泵浦光波的功率之间的被表达为线性函数的关系。在这种情况下，当正向泵浦光波的最短波长不同于反向泵浦光波的最短波长时，仅需要控制具有最短波长的泵浦光波。当正向泵浦光波的最短波长与反向泵浦光波的最短波长相同时，在它们具有相同功率的条件下，具有相同的最短波长的两个泵浦光波都需要受到控制。
(第四实施例)
在拉曼放大器的操作过程中，当输入信号光波的功率突然变化时，拉曼放大增益瞬时变化。因此，为了控制增益以使之能够保持恒定，从而即使在输入信号光波的功率突然变化时也不会出现瞬时变化的情况，有必要高速控制所述增益，使得增益能够保持在固定值。一般，拉曼放大光纤的长度至少有几公里，比稀土掺杂光纤要长。因此，有必要设计控制系统，使之考虑信号光波在拉曼放大光纤上传播的时间。
在反向泵浦拉曼放大器中，通过均衡从输入信号光波的功率的变化到泵浦光波功率变化的时间与信号光波在拉曼放大光纤上传播的时间，能够抑制增益的瞬时变化。因此，在反向泵浦拉曼放大器中，希望给通过检测输入信号光波的功率来控制泵浦光波功率的前馈控制系统提供一种延迟装置，用于给定一个延迟时间，该延迟时间等于信号光波在拉曼放大光纤上传播的时间。有两种延迟装置可用，一种是在电路上产生延迟时间，另一种是光延迟介质。
图9的概念图图示了本发明第四实施例的拉曼放大器400。该拉曼放大器400在光纤耦合器111和光电二极管114a之间设有延迟介质171，用于将信号光波延迟预定时间。作为延迟介质171，最好使用延迟光纤等。这里，所述预定时间最好对控制单元160给一个合适的定时，该控制单元160考虑信号光波在光纤130上传播的时间控制激光二极管150a。例如，希望光电二极管141参考在下述时刻的信号光波功率：在该时刻，从光纤耦合器111将信号光波输出到延迟光纤171的时刻起，信号光波在光纤130上的传播所需的时间刚刚过去。
上述结构使得能够考虑信号光波在光纤130上传播的时间来控制泵浦光波的功率。结果，该实施例能够抑制拉曼放大增益的瞬时变化。
上面的说明是针对反向泵浦拉曼放大器的。在正向泵浦拉曼放大器中，通过预输入信号光波的功率变化几乎同时地改变泵浦光波功率，能够抑制增益的瞬时变化。但是，由于控制电路通常有一个响应时间，极难与输入信号光波的功率变化同时地控制泵浦光波的功率。
图10的概念图图示了本发明第五实施例的拉曼放大器500。图示于图10的拉曼放大器500抑制正向泵浦中的增益瞬时变化。该拉曼放大器500在光纤耦合器111和光隔离器121之间设有延迟介质172，用于将信号光波延迟一个预定时间。这里，最好该预定时间是从光电二极管141接收到信号光波的时刻起，到控制电路160通过参考输入的信号光波的功率执行控制的时刻止的时间。上述结构能够抑制拉曼放大的增益的瞬时变化，因为，信号光波几乎与根据信号光波的功率受到控制的泵浦光波同时地输入到光纤130中。
具有上述结构的拉曼放大器执行的控制能够将从检测到输入信号光波的功率到控制泵浦光波功率的时间考虑进来。
另外，在监视输入和输出光波的功率的系统中，同样，在对输入信号光波的监视和对输出信号光波的监视之间，存在一个对应于光纤长度的时间差。图11的概念图图示了本发明第六实施例的拉曼放大器600。图11所示的拉曼放大器600防止在该系统中出现时间差。该拉曼放大器600在光纤耦合器111和光电二极管141之间设有延迟介质173，用于将信号光波延迟一个预定时间。这里，希望所述预定时间是防止在对输入信号光波的监视和对输出信号光波的监视之间出现时间差的时间。上述结构不仅能抑制拉曼放大增益的瞬时变化，而且能够在时间方面高精度地检测增益。
上面结合当前认为最实用的和优选的实施方式描述了本发明。但是，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明应当覆盖在所附权利要求的使之范围内的各种变化和等效方案。
2004年4月23日递交的日本专利申请2004-128889的全部公开内容，包括其说明书、权利要求书和附图以及摘要，在此全文引为参考。

Claims (8)

1.一种拉曼放大器，包括：
(a)配置用于放大输入光波以产生输出光波的光纤；
(b)配置用于向所述光纤提供具有多个波长的泵浦光波的泵浦光波提供装置；以及
(c)输入功率检测装置，其配置用于检测输入光波的功率并生成对应的电信号；
(d)控制单元，其配置用于响应于所述电信号仅仅控制所述泵浦光波中具有最短波长的泵浦光波的功率，使得所述光纤中在所述输入光波所经历的所需波长范围内实现的拉曼放大的增益的平均值能够保持恒定。
2.如权利要求1所述的拉曼放大器，其中，所述控制单元被配置为：
(a)存储具有最短波长的泵浦光波的功率和要被建立以使前述平均值维持恒定的输入光波功率之间的关系；以及
(b)根据所述电信号以及所存储的所述关系，控制具有最短波长的泵浦光波的功率。
3.如权利要求2所述的拉曼放大器，其中，所述关系是一种线性函数关系。
4.如权利要求2所述的拉曼放大器，其中：
(a)所述泵浦光波提供装置在与输入光波的传播方向相反的方向向所述光纤提供泵浦光波；以及
(b)所述输入功率检测装置或者所述控制单元设有延迟装置，用于给出一个对应于输入光波在光纤上传播所需时间的延迟时间。
5.如权利要求2所述的拉曼放大器，其中，所述泵浦光波提供装置在与输入光波的传播方向相同的方向向所述光纤提供泵浦光波；
所述拉曼放大器还包括延迟介质，用于将所述输入光波延迟预定时间，该延迟介质被设置在均在所述输入光波的路径上的所述输入功率检测装置和所述泵浦光波提供装置之间。
6.如权利要求5所述的拉曼放大器，其中，所述预定时间是从输入功率检测装置检测到一个值的时刻到所述控制单元执行控制的时刻的时间。
7.如权利要求1所述的拉曼放大器，还包括：
配置用于检测输出光波的功率的输出功率检测装置，
所述控制单元被配置用于根据所述电信号以及所述输出功率检测装置检测到的输出光波的功率这两者控制具有最短波长的泵浦光波的功率。
8.如权利要求7所述的拉曼放大器，其中，所述控制单元被配置用于根据所述电信号以及所述输出功率检测装置检测到的输出光波的功率控制具有最短波长的泵浦光波的功率，输出光波的功率被检测的时刻，是在从检测输入光波的功率的时刻起，经过输入光波在光纤上传播所需的时间之后的时刻。
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