CN1700079A - 分布式拉曼放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式拉曼放大器，包括有用于泵浦光生成的泵浦光激光器、用于信号光生成的信号光激光器、信号光纤、合波器和分波器，所述信号光纤的入口处连接有合波器，出口处连接有分波器，所述信号光激光器和所述泵浦光激光器发射的信号光和泵浦光通过合波器合波进入信号光纤，并在分波器处分波，所述泵浦光激光器至所述合波器之间的光路上设置有耦合器，该耦合器还设有环路光纤。本发明具有全光纤、成本低、可靠性高、插入损耗小、无需宽带光源、无需偏振对准、无需保偏光纤、无需偏振控制、对光路补偿不敏感因而输出光更接近自然非偏振光等优点。

Description

分布式拉曼放大器

技术领域：

本发明涉及一种分布式拉曼放大器。

背景技术：

信号光在光传输线路中由于光纤传输损耗会造成能量衰减，以至光接收端不能正确接收信号。光纤放大器就是为补偿信号光能量而进行光放大的器件。常用的光放大器有半导体光放大器、掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器。近几年来，拉曼放大器逐渐得到了广泛的应用。

拉曼放大器是利用光纤拉曼散射效应进行放大的。光信号通过介质时，都会有一部分能量偏离预定方向而向空间其它方向弥散，称为光的散射。在光纤中，当光波在光纤中传播时，光子与二氧化硅分子的振动模之间相互作用，如果一个具有hv₁能量的光子入射到振动频率为v_m的分子上，分子能从光子中吸收一部分能量。在相互作用中发生了散射，从而产生了一个较低的频率v₂以及相应的能量为hv₂的光子。如果这种散射是受激产生的，我们就称之为受激拉曼散射(SRS)。这个二次光子称为斯托克斯(Stokes)光子，入射光常称为泵浦(Pump)光。显然，由于分子吸收了一部分能量，因此散射光的频率降低了，其波长要比入射光的波长要长。如图1所示，给出了这一物理现象。若该信号光处于长波位置，入射光(泵浦光)将由于受激拉曼散射效应，能量降低，得到与信号光同频率的光，从而产生放大作用。

受激拉曼散射是一个宽带效应，试验结果证实，间隔在16THz(1550nm窗口，波长间隔为125nm)内的信道间都可以通过受激拉曼散射效应实现功率的耦合。如图2所示，给出了拉曼增益系数g_R随信道间隔Δv_s的变化关系，其峰值大约在13.2THz处。需要强调的是，这个增益系数谱是由石英玻璃的非晶特性产生的，分子的振动频率展宽成频带，这些频带交迭并产生连续态。

可以看出，对于确定波长的信号光，如果选择频率间隔合适的泵浦光(比信号光频率大约高13.2THz)与信号光通向或者反向打入光纤，则在信号光传输过程中，由于受激拉曼散射的效应，信号光将被逐渐放大，这就是拉曼放大器的放大原理。此外需要指出，通过对泵浦光波长的调谐，可以得到不同窗口的增益，所以理论上它能放大传输窗口中的任何区域，这也正是拉曼放大最突出的优点。

拉曼放大器分为分布式拉曼放大器和集总式拉曼放大器。集总式放大即把拉曼放大器做成一个独立的模块，插入到传输链路中；而分布式光纤拉曼放大器以整个传输光纤为增益介质，光信号在光纤中传输的过程中逐渐被放大。分布式拉曼放大可大大降低信号的入射功率，同时保证适当的光信噪比(OSNR)。因此分布式拉曼放大(DRA)在目前由于系统传输容量提升的情况下使用较多。分布式拉曼放大器根据泵浦光与信号光的传输方向可以分为反向、正向、双向泵浦方式。分布式光纤拉曼放大器，由于其放大波段配置灵活、噪声小、放大频带宽等特点，成为新一代高速、大容量、超长距离光纤传输系统中的关键技术之一。

对于分布式拉曼放大器而言，拉曼泵浦光与信号光的偏振态之间的关系对于信号的放大增益有一定的影响，把这个增益差别称之为偏振相关增益。并且，由于各种外界因素，包括温度、光纤弯折、外界振动等都会对光纤中的传输光的偏振态有比较大的影响，造成信号光的偏振态的随机分布。因此，拉曼放大器的必须尽量消除偏振相关增益，以免使系统整体性能的下降。

目前常用的消除偏振相关增益的手段有两种。最常用的是偏振合束，对于每一个波长的泵浦光，都采用两个偏振态相互正交(垂直)的泵浦光进行合波。根据光的偏振态相关理论可以知道，两个偏振态相互正交的线偏振光合波后可以得到圆或椭圆偏振光，从而达到消除偏振的目的。但是这种方法最大的缺陷是，由于对于每个波长的泵浦光要求两个偏振态相互垂直的合波，使得泵浦的数目增加了一倍，而泵浦激光器的价格都是比较昂贵的，因此这种方案虽然比较好地达到了消除偏振相关增益的目的，但是其成却本大大地增加了。

另一种消除偏振相关增益的手段是采用消偏器，例如Lyott型消偏器。但是由于其各种性能的缺陷和复杂的实现手段，这种消偏器没有在拉曼放大器中得到广泛的应用。

发明内容：

针对上述现有分布式拉曼放大器所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种成本低、消除偏振效果好的分布式拉曼放大器。

本发明是这样实现的：一种分布式拉曼放大器，包括有用于泵浦光生成的泵浦光激光器、用于信号光生成的信号光激光器、信号光纤、合波器和分波器，所述信号光纤的入口处连接有合波器，出口处连接有分波器，所述信号光激光器和所述泵浦光激光器发射的信号光和泵浦光通过合波器合波进入信号光纤，并在分波器处分波，所述泵浦光激光器至所述合波器之间的光路上设置有耦合器，该耦合器还设有环路光纤。

进一步地，所述耦合器具体为2×2定向耦合器。

进一步地，所述泵浦光激光器和所述合波器之间的光纤上连接5个带有环路光纤的耦合器。

进一步地，所述耦合器个数还可以是3、4、6或8。

本发明通过在泵浦光激光器的输出光纤上设置2×2定向耦合器，这样，耦合器和光纤就组成了光纤延迟环，由于延迟环的存在，由端口输出的光将由一系列子光束组成，根据光纤的性质可以知道，延迟环具有线偏振双折射和圆偏振双折射作用，每列子光束的偏振方向都发生了改变。在忽略延迟环的线偏振双折射作用的假设下，每一束光的偏振态都和输入光的偏振态相同，光纤延迟环只起到一个转动偏振面的作用。另外，光纤环的长度远大于输入光的相干长度，因此各束延迟光之间互不相关。在这样的情况下，输出光将成为一系列互不相干光的叠加，从而达到了消偏振的目的。本发明的耦合器最好为5个，其他如3、4、6、8也可以。本发明具有全光纤、成本低、可靠性高、插入损耗小、无需宽带光源、无需偏振对准、无需保偏光纤、无需偏振控制、对光路补偿不敏感因而输出光更接近自然非偏振光等优点。

附图说明：

下面结合附图，对本发明作出详细描述。

图1为石英光纤中受激拉曼散射效应原理示意图；

图2为泵浦波长为1μm时的石英光纤拉曼增益系数浦；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的单模光纤耦合器延迟环的结构示意图；

图5为本发明均匀转动模型下消偏器输出光偏振度(DOP)的平均值和最小值；

图6为本发明均匀双折射模型下消偏器输出光偏振度的平均值和最小值；

图7为本发明的5个光纤延迟环串联而成的消偏器的输出偏振度谱；

图8为本发明的5个光纤延迟环串联而成的消偏器的插入损耗测试结果；

图9为本发明的背向泵浦方式下两正交偏振态输入时的偏振相关增益。

具体实施方式：

如图3所示，本发明包括泵浦光激光器8、信号光激光器1、传输光纤4、合波器5和分波器3。信号光纤4两端分别连接有合波器5和分波器3，信号光激光器1发射的信号光通过信号光纤4输出到接收器6中。泵浦光激光器8通过2×2定向耦合器D1、Dm等与合波器5连接。耦合器上还设置有环路光纤，即把定向耦合器的一个输出端和一个输入端用光纤连接起来，组成了光纤延迟环，即图中的D₁、D_m等结构。由于延迟环的作用，泵浦光激光器8输出到合波器5泵浦光将成为一系列互不相关光的叠加，从而达到了消除偏振的目的。泵浦光进入合波器5后与信号光合波，这样，在光纤4中泵浦光与信号光产生作用，实现分布式放大。泵浦光到达分波器3后被分离到匹配器2处被吸收。信号光从1出发，依次经过分波器3、光纤4和合波器5，到达接收器6成为输出信号被接收。由于信号光被泵浦光放大，输出到接收器6的信号光非常强，容易被接收。

如图3所示，如果采用多波长泵浦放大的方案，即泵浦激光器8采用多个激光器的时候，需要加入波分复用器7，将多个泵浦激光器发出的光合波到一起。

如图4所示，其是由把2×2定向耦合器的一个输出端与输入端通过光纤连接起来，组成了光纤延迟环，其可以实现消除偏振的功能。光在光纤中传播的时候，有一个很重要的现象，就是光纤可以改变其偏振态，利用此现象，光纤延时环消偏器的光路结构如图4所示，将一个没有偏振敏感性的2×2定向耦合器的输入端口c和输出端口d通过普通单模光纤相连接接，输出端口b通过光纤与下一个耦合器的输入端口a连接，构成延迟环的级联。每一个延迟环可以描述为由一个线性延迟器和一个圆延迟器相串联而成。由于环路光纤的存在，由端口b输出的光将由一系列子光束组成。根据光纤的性质可以知道，延迟环具有线偏振双折射和圆偏振双折射作用，每列子光束的偏振方向都发生了改变。在忽略延迟环的线偏振双折射作用的假设下，每一束光的偏振态都和输入光的偏振态相同，光纤延迟环只起到一个转动偏振面的作用。另外，光纤环的长度远大于输入光的相干长度，因此各束延迟光之间互不相关。在这样的情况下，输出光将成为一系列互不相关光的叠加，从而达到了消偏振的目的。其理论推导如下：

理想耦合器的传输特性可以用如下的琼斯(Jones)矩阵来描述，

$K_d=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{1-k}& 0\\ 0& \sqrt{1-k}\end{array}\right),$ $K_c=\left(\begin{array}{cc}i\sqrt{k}& 0\\ 0& i\sqrt{k}\end{array}\right)$

其中，K_d为直接耦合琼斯矩阵，K_c为交叉耦合琼斯矩阵，k为耦合器分光比，K_c和K_d之间有π/2的相位差。

在给定了线偏振双折射δ₁、圆偏振双折射δ_c和坐标轴转动角θ之后，光纤延时线的琼斯矩阵也可以确定。但是这三个参量受外界因素影响，在各自的定义域范围内随机分布。用两种统计模型来描述它们的分布，在这两种统计下可以计算输出光偏振度(DOP)的平均值和最小值，以此来评价消偏器的消偏效果。

假设光纤延时线中的线偏振双折射等于零，转动角θ在[0，π]范围内均匀分布，它的琼斯矩阵可以表示为，

$T({\mathrm{\δ}}_1=0,\mathrm{\θ})=e^{-\mathrm{i\β}\left(\mathrm{\ω}\right)L}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)$

其中L为延时线长度，整个延时环起一个转动偏振面的作用，输出光由一系列互不相干的子光束组成。假定输入光为线偏振光，在消偏器输出端选一个旋转φ度的坐标轴，沿该轴方向的光功率分量，

P(φ)＝(1+Acos2φ+Bsin 2φ)/2

其中 $A=\frac{k^2\cos 2\mathrm{\θ}+2{(1-k)}^2(1-\cos 2\mathrm{\θ})}{1+{(1-k)}^2-2(1-k)\cos 2\mathrm{\θ}},$

$B=-\frac{k^2\sin 2\mathrm{\θ}}{1+{(1-k)}^2-2(1-k)\cos 2\mathrm{\θ}}.$

由dP/dφ＝0求出功率等于极值时的角度φ_c和φ_c+π/2，并给出输出光的偏振度，

$\mathrm{DOP}=|P\left({\mathrm{\φ}}_c\right)-P({\mathrm{\φ}}_c+\mathrm{\π}/2)|=\sqrt{A^2+B^2}$

由上式和θ在[0，π]范围内均匀分布的假设，如图5示出了DOP的平均值和最小值随耦合器分光比变化的计算曲线。当分光比k＝0.64时DOP的平均值最小，而在k＝2/3时DOP的最小值等于零。即说明，分光比为在此条件下，可以有最好的消偏效果。

为了把光纤延时线中的线偏振双折射考虑进去，均匀双折射模型假设δ₁、δ_c和θ在各自的定义域范围内都作均匀分布。延时光纤的琼斯矩阵，

$T=e^{-\mathrm{i\β}\left(\mathrm{\ω}\right)L}\left(\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right)$

T₁₁＝cos(δ₁/2)cos(δ_c/2)+isin(δ₁/2)cos(2θ-δ_c/2)， $T_{22}=T_{11}^{*}$

T₁₂＝cos(δ₁/2)sin(δ_c/2)+isin(δ₁/2)sin(2θ-δ_c/2)， $T_{21}=-T_{12}^{*}$

消偏器总的琼斯矩阵可以表示为，

$H=K_d+K_c\underset{n=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{TK}}_d\right)}^n{\mathrm{TK}}_c$

计算输出光场的相干矩阵J_out，可以求出偏振度，

$\mathrm{DOP}=\sqrt{1-4\det J_{\mathrm{out}}/{\left(\mathrm{tr}{J}_{\mathrm{out}}\right)}^2}$

这里，det(·)和tr(·)分别表示对2×2矩阵求行列式和迹。如图6给出了均匀双折射模型下输出光偏振度的平均值和最小值随耦合器分光比变化的曲线。也就是说，偏振度最小值曲线与均匀转动模型下的基本一致，而偏振度平均值也是在分光比k＝0.64的时候最小，只是这时的值比均匀转动模型下的值大一些。可见，如果延时环中存在随机的线偏振双折射，消偏器即耦合器的消偏效果将会下降。

理论分析虽然可以得到很好的结论，但由于存在随机线偏振双折射，消偏器的消偏效果大大下降，单个延时环是不可能达到非常好的消偏效果的，因此需要将多个消偏环进行级联。如图3所示，本发明给出的为反向泵浦方式。前向和双向泵浦方式与此类似，都是在泵浦合波之后加m级光纤环消偏器，尽量消除偏振度后进入光纤。

在多环级联情况下，偏振度为各环偏振度的乘积。随着消偏环数目的增加，偏振度将得到更好的改善。但是消偏环数目的增加将导致插入损耗增加，需要提高Raman放大器的泵浦光功率来弥补这一功率损失，这与利用消偏器减少泵浦数量、降低成本的初衷是不相符的。综合考虑插损和泵浦光偏振度的要求，有必要优化设计串联消偏器的数量，本发明的实施例采用5个消偏器。如图7给出了实验测出的5个光纤延迟环串联而成的消偏器的输出偏振度谱，可以看出在1420-1500nm波长范围内(基本涵盖了光纤通信中常用的所有拉曼泵浦波长)，消偏器可以将线偏振输入光消偏为偏振度不超过10％。如图8为整个消偏器的插入损耗测试结果，泵浦波长的插入损耗最大不超过1dB。

图9为背向泵浦方式下，两正交偏振态输入时的偏振相关增益。定义 $\mathrm{\Δ}={|G_A-G_B|}_{\max ,}$ 其中，G_A和G_B分别为两种正交偏振状态下的开关增益。对测试的的背向泵浦结构的放大器来说，两种偏振方向的开关比只有很小的差别，Δ＜0.2dB，也就是说偏振相关增益不明显。实际上的偏振相关增益应当还低于0.2dB，因为关掉泵浦光后，信号光在整个光路中(包括100km光纤、跳线、接头等)传输时产生的偏振相关损耗也是小于0.2dB。

Claims (4)

1.一种分布式拉曼放大器，包括有用于泵浦光生成的泵浦光激光器、用于信号光生成的信号光激光器、信号光纤、合波器和分波器，所述信号光纤的入口处连接有合波器，出口处连接有分波器，所述信号光激光器和所述泵浦光激光器发射的信号光和泵浦光通过合波器合波进入信号光纤，并在分波器处分波，其特征在于，所述泵浦光激光器至所述合波器之间的光路上设置有耦合器，该耦合器还设有环路光纤。

2.如权利要求1所述的分布式拉曼放大器，其特征在于，所述耦合器具体为2×2定向耦合器。

3.如权利要求1所述的分布式拉曼放大器，其特征在于，所述泵浦光激光器和所述合波器之间的光纤上连接5个带有环路光纤的耦合器。

4.如权利要求3所述的分布式拉曼放大器，其特征在于，所述耦合器个数还可以是3、4、6或8。

Images