CN1757185A - 光传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光传输系统，它具有这样的结构以使得能进行信号传输并在一较宽的波长带上保持优越的传输特性。从信号光源输出的信号光有一个正的啁啾，它在被一个集总拉曼放大器拉曼放大以后，通过一传输线光纤传播到一个光接收器。该集总拉曼放大器包括一根作为拉曼放大光纤的高非线性光纤，它在信号光的波长上有一个负的色散，并在其中有目的地产生自相位调制。通过高非线性光纤传播的信号光的正的啁啾，被在高非线性光纤中产生的负色散和自相位调制二者所有效地补偿。

Description

光传输系统

技术领域

本发明涉及一种具有拉曼放大信号光的结构的光传输系统，特别涉及一种波分复用(WDM)光传输系统。

背景技术

光传输系统是由一个光发射器，一个光接收器，和在光发射器和光接收器之间的一条光纤传输线组成，光传输线把光信号从光发射器传向光接收器，从而使大容量信息的高速传输和接收成为可能。另外，光传输系统通常还包含一个光放大器以把信号光放大，因为当信号光通过光纤传输线时信号光的功率要减少。当一个拉曼放大器被用作光放大器时，通过提供适当波长的泵浦光，就可以放大具有任意波长带的信号光，并且能得到光放大的一个宽和平的增益带。

另外，光传输系统中的信号光源包括，例如，一个激光二极管，并通过直接调制该激光二极管来输出信号光。因而从被直接调制的激光二极管输出的信号光有一个正的啁啾。在J.Jeoug.Et al.，IEEEphotonics Technology Letters，vol.10，No.9(1998)的文献中提出补偿该信号正的啁啾的技术。具体讲，在该文献中，提出的光传输系统通过用一个作为在光纤传输线中的非线性光学现象的自相位调制(SPM)来补偿通过光纤传输线的信号光的正的啁啾。在此方法中，通过补偿从信号光源输出的信号光的正啁啾，光传输系统的传输特性能被改善。

发明内容

本发明详细研究了常规的光传输系统，作为其结果，发现有如下问题。也即，在上述文献中所提出的常规光学系统，用在光纤传输线中产生的自相位调制来补偿信号光的正啁啾，但产生自相位调制的媒介要受光纤传输线的限止。因而在光传输系统中的传输特性不能得到充分的改善。

另外，在上述文献中提出的常规光传输系统中，一种稀土掺杂的光学光纤放大器被配置在一个信号光传播路径上。然而，因为稀土掺杂光纤放大器的增益带要受到稀土材料萤光光谱带宽的限制，难于把在上述文献中提出的光传输系统用于信号通道间隔设置得比较大的CWDM(Course Wavelength Division Multiplexing)光学传输。

本发明已经完成以解决上述问题，它的一个目标是提供一个光传输系统，它有一个可以进行信号传输，同时在一个更宽的波长带上保持优越传输特性的结构。

按照本发明的光传输系统是一个波分复用(WDM)光传输系统，它传输具有不同波长的多个通道的信号光，并拉曼放大该信号光，它包含：一个输出具有正啁啾信号光的直接调制信号光源；一个在其中传输信号光的光纤传输线，一个在信号光源和光纤传输线之间的集总拉曼放大器。具体地讲，该集总拉曼放大器，作为一拉曼放大光纤，包括一高非线性光纤以补偿信号光的正啁啾，而该高非线性光纤有一个负的是散关系和等于或大于6.9(1/W/km)的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)，这系数是由在信号波长λ下的非线性折射率n₂和一个有效面积A_eff确定。相应地，在该光传输系统中，从信号光源输出的信号光，在通过集总拉曼放大器以后，通过光传输线传播。

从信号光源输出的信号光的正的啁啾被作为拉曼放大光纤(在信号光的波长上有负的色散关系)的高非线性光纤所补偿，以及被在高非线性光纤中的自相位调制(SPM)所补偿。通过使用这些效应，按照本发明的光传输系统能在宽的波长带上得到优越的传输特性。

另外，在按照本发明的光学传输线中，最好在高非线性光纤中的信号光的相移是φ_LRA是在光纤传输通道中信号光的相移是φ_T的1/2或更多。在此情况下，在高非线性光纤中引起的自相位调制所贡献的对信号光正啁啾的补偿效应变得更大。

在按照本发明的光传输系统中，高非线性光纤的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)最好是12.2(1/W/km)或更大。在此情况下，在高非线性光纤中引起的自相位调制所贡献的对信号光正啁啾的补偿效应变得更大。

在按照本发明的光传输系统中，该高非线性光纤最好在波长为1550nm时有等于或小于0.7dB/km的传输损失。在此情况下，由于在信号光的波长上有一个小的传输损失，在该非线性光纤中的拉曼放大能以高的效率获得。

在按照本发明的光学传输系统中，该高非线性光纤最好有这样的传输损失，它在波长为1390nm附近由于OH吸收所贡献的增加等于0.5dB/km或更小。在此情况下，由于在泵浦光的波长下的传输损失，在该非线性光纤中的拉曼放大能以高的效率获得。

另外，在按照本发明的光传输系统中，高非线性光纤最好在信号光二波长上有等于或小于-20ps/nm/km的色散系数。在此情况下，高非线性光纤的负色散所贡献的信号光的正啁啾的补偿效应变得更大。

另外，在按照本发明的光学传输系统中，在信号光中包含的信号通道之间的波长间隔，最好是10nm或更大，而在信号光的波长上，作为拉曼放大光纤的高非线性光纤最好具有等于或小于-10ps/nm/km的色散系数。在此情况下，作为非线性光学现象的四波混频或交叉相位调制(XPM)的产生能被有效地抑制，以及从而可以获得优越的传输特性。另外，该光传输系统能够被用于有较宽的信号通道间隔的CWDM(Course Wavelength Division Multiplexing)光通信。

本发明将能从以下给出的详尽叙述及附图得以更充分的了解，但这些只是用以说明而不能被认为对本发明的限止。

本发明的可应用性的进一步的范围从以下给出的详细叙述可以清楚看出。然而应当了解，同时给出本发明优选实施方案的这些详细叙述和具体例子，只是用于对本发明的说明，因为从这个详细的叙述出发在本发明的精神和范围内对它作各种变化和修改对本领域的技术人员而言是一目了然的。

附图说明

图1是一张图，它给出按照本发明的光传输系统的一个实施方案的组成；

图2是一张图，它给出在图1所示的光传输系统中，集总拉曼放大器的组成；

图3是一张图，它给出为肯定按照本发明的光传输系统的一个效应所准备的实验系统的组成；

图4是一张关系图，它给出用图3所示的实验系统所得到的实验结果；

图5是一张关系图，它给出在图1所示的光传输系统中，信号光功率P_signal在信号光传输路径上的分布；

图6是一张表，它列出在图1所示的光传输系统中所包括的拉曼放大光纤130和传输光纤30的性能指标。

图7给出在图1所示的光传输系统中，集总拉曼放大器的输入光谱S1和输出光谱S2；以及

图8是一张关系图，画出对于波长为1550nm的光信号，在各种传输线中，位误码率(BER)和接收功率(dBm)之间的关系。

具体实施方式

以下将参照图1到8，详细解释按照本发明的光传输系统的各实施方案。在对附图的解释中，相同的组分用相同的数字表示，而不作重复叙述。

图1是一张图，它给出按照本发明的光传输系统的一个实施方案的组成。在图1中的光传输系统包含一个信号光源10，一个集总拉曼放大器20，一个作为光纤传输线的传输光纤30，和一个光接收器40。该信号源10包括一个激光二极管，以及通过直接调制激光二级管有一个正啁啾的信号光从二极管输出。从信号源10输出的信号光被输入集总拉曼放大器20。接着该被放大的光从拉曼放大器被输出。传输光纤30把从集总拉曼放大器20输出的信号光传输到光接收器40。另外，光接收器40接收通过传输光纤30传播来的信号光。

图2是一张图，给出在图1所示的光传输系统中的集总拉曼放大器20的组成。在图2中所示的集总拉曼放大器拉曼放大通过信号输入口101输入的信号光，并通过信号输出口102输出已被拉曼放大的信号光。该集总拉曼放大器20包含一个光耦合器111，一个光隔离器121，一拉曼放大光纤130，一个光耦合器112，一个光隔离器122和一光耦合器113，它们沿着从信号输入口101至信号输出口102的顺序，被安置在信号光传播路径上。另外，该集总拉曼放大器20还包含一个连接到光耦合器111的光二极管141，连接到光耦合器113的光二极管143a和143b，连接到光耦合器112的光复用器150，连接到光复用器150的激光二板管152a，152b，以及控制集总拉曼放大器20放大操作的控制器160。

光耦合器111输出通过信号输入口101输入的信号光的一部分并把信号光的其余部分输出到光隔离器121。光二极管141接收光耦合器111之后的信号光并按照输入信号光功率的大小输出电信号至控制器160。

光耦合器113输出在光隔离器122之后的部分信号光进入光二极管143a，并输出信号光的剩余部分至信号输出口102。光二极管143a接收在光耦合器113之后的信号光并按照输出信号光功率大小输出电信号至控制器160。另外，光耦合器113输出在信号输出口102之后的一部分光进入光二极管143b，并输出信号光的其余部分至光隔离器122。该光二极管143b接收从光耦合器133来的光并按照光功率的大小输出一个电信号至控制器160。

该光耦合器112进入从光复用器150输出的泵浦光，并把该泵浦光供至拉曼放大光纤130。另外，光耦合器112进入从拉曼放大光纤130输出的信号光并把信号光输出至光隔离器122。

光隔离器121，122通过沿着从信号输入口101到信号输出口102的正向传播的光，但不通过反方向传播的光。

激光二极管152a，152b是分别的光学器件，而从激光二极管152a，152b输出的泵浦光分量的波长是相互不同的。每一个激光二极管152a，152b最好有一个外部谐振器和一个光纤栅。在此情况下，能够输出一个具有稳定波长的泵浦光。同样，通过用二个激光二极管，每一个输出具有相同波长的泵浦光，这可以允许这样的结构，在这种结构下，从这两个激光二极管输出的泵浦光分量是被偏振复用的。在此情况下，能够增加泵浦光功率。该光复用器150复用从激光二极管152a和152b输出的泵浦光分量并把被复用的泵浦光输出到光耦合器112。

该控制器160进入从光二极管141，143a，143b输出的电信号并基于这些电信号来控制激光二极管152a，152b的泵浦光输出。

拉曼放大光纤130构成传输线的一部分，通过它，从光隔离器121输出的信号光得以传播，另外，通过被供以从光耦合器来的泵浦光，拉曼放大信号光。被拉曼放大的信号光从拉曼放大光纤130输出至光耦合器112。该拉曼放大光纤130是一个放置在信号光源10和传输线光纤30之间的一种传输媒体，它补偿从信号源10输出的信号光的正啁啾，同时拉曼放大该信号，以及它是一个具有在信号光波长上负色散的高非线性光纤并有目的地产生一种自相位调制。

拉曼放大器20按如下运作。也即，从激光二极管152a，152b输出的泵浦光分量被光复用器150所复用。从光复用器150出来的已复用的光(泵浦光)通过光耦合器112，经过拉曼放大光纤130的末端提供给拉曼放大光纤130。从信号输入口101输入的信号光通过光直流电合器111和光隔离器121到达拉曼放大光纤130，并接着在拉曼放大光纤130中被拉曼放大。该被拉曼放大信号光在通过光学耦合器112，光学隔离器122和光耦合器113后，被从信号输出口102输出。

在被光学耦合器111划分后，通过信号输入口101输入的信号光的一部分被引向光二极管141，该光二极管141按照被划分出光的接收功率的大小输出一个电信号至控制器160。而另一方面，在被光学耦合器113划分以后，从信号输出口102输出的信号光的一部分被引向光二极管143a。光二极管143a按照被划分光的接收功率输出一个电信号至控制器160。另外，从信号输出口102返回至光学隔离器122的一部分光在被光耦合器113所划分后被引向光二极管143b。光二极管143b按照反射光的接收功率输出一个电信号至控制器160。

该控制器160基于从光二极管141输出而电信号监视输入信号光功率，基于从光二极管143a输出的电信号监视输出信号光功率，基于从光二极管143b输出的电信号，监视返回光功率。反射光功率表示信号输出口102是置于一个连接状态还是置于一个打开状态。以及，如果在输信号光功率是一个预先确定的阈值或更小的值的情况下，或者返回光功率是一个预先确定的阈值或更大的值的情况下，那么控制器160就减小激光二极管152a，152b的泵浦光功率或停止用这些激光二极管152a，152b。另外，基于输出信号光功率和输入信号光功率之比，控制器160调整激光二极管152a，152b的泵浦光功率以使拉曼放大增益变成一个所要求的值。

另外，在图1所示的整个光传输系统中，从信号光源发出的信号光在被集总拉曼放大器拉曼放大以后通过传输线光纤30传播并到达光接收器40。

具体讲，在光学传输系统1中，从信号光源10输出的信号光有一个正的啁啾，以及另一方面，包括在集总拉曼放大器20中的拉曼放大光纤130在信号光的波长上有一个负的色散关系。另外，拉曼放大光纤130是一个高非线性光纤，它用作为一类非线性光效应的受激拉曼散射(SRS)来拉曼放大信号光，因而一种自相位调制解被有目的地产生。相应地，从信号光源10输出的信号光的正的啁啾就被拉曼放大光纤130的负色散关系所补偿以及也被拉曼放大光纤130中的自相位调制所补偿。作为其结果，光传输系统1变得具有优越的传输特性。

作为一种拉曼放大光纤所要求的能用的条件可以表述如下。也即，在拉曼放大光纤130中的信号光的相移量φ_LRA最好是信号光在传输线光纤30中的相移量φ_T的一半或更多。在此情况下，拉曼放大器光纤130中的自相位调制对信号光的正啁啾的补偿效应的贡献变大。

这里，相移量φ用下面公式(1)给出

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^L\frac{n_2\left(z_1\right)}{A_{\mathrm{eff}}\left(z_1\right)}{P}_{\mathrm{signal}}\left(z_1\right){\mathrm{dz}}_1---\left(1\right)$

在上面公式(1)中，z是一个变量，表示沿着光纤(长度为L)纵向的一个位置，n₂(z)是在光纤的位置z上光纤的非线性折射率，而A_eff(z)是在位置z处，对于具有波长为λ的信号光，光纤的有效面积，而P_signal(z)是在位置z₁处在光纤中的信号光功率。

另外，由信号光波长λ下非线性折射系数n₂和有效面积A_eff确定的拉曼放大光纤130的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)是这样的，即它数值是大的，以及最好是，例如，6.9(1/W/km)或更大，更加优选的是12.2(1/W/km)或更大。另外，一个拉曼放大器所用的拉曼放大光纤130的长度最好是5km或更小。这是为了防止在拉曼放大光纤130中引起双瑞利散射所导致的传输质量的恶化。非线性折射系数n₂最好是3.5×10^-20m²/W或更大，更优选的是，4.5×10^-20m²/W或更大。有效面积A_eff最好是30μm²或更小，更优选的是，15μm²或更小。在此情况下，拉曼放大光纤130的非线性变得更大，因而在拉曼放大光纤130中的自相位调制对信号光正啁啾的补偿效应的贡献也变得更大。

该拉曼放大光纤130最好在1550nm波长上有等于或小于0.7dB/km的传输损失。另一方面，拉曼放大光纤130最好有这样的传输损失，在波长为1390nm附近，由于OH吸收而引起的传输损失的增加是0.5dB/km或更小。在此情况下，在信号光和泵浦光的两个波长上，拉曼放大光纤130的传输损失都是小的，因而以高效率进行拉曼放大成为可能。

另外，该拉曼放大光纤130在信号光的波长上有-20ps/nm/km或更小的色散系数，更加优选地，有-60ps/nm/km或更小的色散系数。在此情况下，拉曼放大光纤130的负色散对于信号光正啁啾的补偿效应的贡献变大。另外，拉曼放大光纤130能有效地补偿传输线光纤30的正色散。

包括在信号光内的信号通道的波长间隔是10nm或更多，而该拉曼放大光纤130在信号光的波长上可以有-10ps/nm/km或更小的色散系数。在此情况下，作为非线性效应的四波混频和交叉相(cross phase)调制被有效地抑制，因而能在更宽的波长上得到优越的传输特性。

在拉曼放大光纤130和另一个光纤之间的连接损失最好是0.5dB或更小，这样，就能获得有效的拉曼放大。

另外，因为在集总拉曼放大器20内的相移量φ_LRA是大的，对于信号光的传输特性能够被改善。然而，在集总拉曼放大器20中的放大增益最好设置成这样以使受激拉曼散射(SRS)在集总拉曼放大器20内部以及在传输线光纤30的进入端处并不发生。

图3是一张图，它给出准备用来肯定按照本发明的光传输系统的一种效应的一个实验系统的组成。图4是一张关系图，它给出用如图3中所示的实验系统得到的实验结果。在图3中所示的实验系统被假定为有两个：按照本发明的一个光传输系统，它带有一个集总拉曼放大器以及一个比较光传输系统，它带有Er-掺杂光纤放大器。这些实验系统有这样的结构，即有一个可变光学衰减器50和一个光学滤波器60被插在如图1所示的光传输系统1的传输线光纤30和光接收器40之间。不同的只是一个光放大器。在这里实验系统中，从信号光源10输出的信号光的位率是2.5Gbps，而其波长是1550nm。从光放大器输出的信号光的功率是10dBm。传输线光纤30是一标准单模光纤(SMF)，在靠近1.3μm波长有零色散波长，而其长度为0km，40km，60km，80km，100km。曲线G410给出比较光传输系统(包含一个Er-掺杂光纤放大器)，当改变传输线光纤30的长度时的功率损失(penalty)，而曲线G420给出按照本发明的光传输系统(包含一个集总拉曼放大器)，当改变传输线光纤30的长度时的功率损失。

如同从图4能看出，在有集总拉曼放大器(LRA)的实验系统和有Er-掺杂光纤放大器(EDFA)的实验系统中，二者的功率损失当传输线光纤30的长度长时都要变差。然而与Er-容易掺杂光纤放大器(EDFA)相比，在其中的拉曼放大光纤中发生自相位调制的集总拉曼放大器(LRA)在功率损失方面要优越。

图5是一张曲线图，它给出在图1所示的光传输系统中，在信号光传输路径上信号光功率P_signal的分布。另外，图6是一张表，列出包括在图1的示光传输系统中的拉曼放大光纤130和传输线光纤30的性能指标。这里，该准备好的拉曼放大光纤1550nm在波长上有23.9(1/W/km)的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)，长度为3km，传输损失为0.53(dB/km)，在1550nm波长上的色散系数为13.6(ps/nm/km)。而准备好的传输线光纤30在1550nm波长上有0.34(1/W/km)的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)，100(km)的长度，有0.2(dB/km)的传输损失，在1550波长上有16(ps/nm/km)的色散系数。从信号光源10输出的信号光功率是0dBm，从集总拉曼放大器20输出的信号光功率是10dBm。这时，在拉曼放大光纤130中的信号光的相移量φ_LRA是0.23rad，而在传输线光纤30中的信号光的相移量φ_T是0.30rad。这样，在拉曼放大光纤130中信号光的相移量φ_LRA是在传输线光纤30中信号光的相移量φ_T的1/2或更多。

图7给出包括在如图1所示的光传输系统中的集总拉曼放大器20的一个输入光谱S₁和一个输出光谱S₂。另外，图8是一张曲线图，其中画出了对于具有波长度1550nm的信号光，在各个传输线中位误码率(bit error rate)(BER)和接收功率(dBm)之间的关系。要被输出的信号光是一个4一通道的信号光，具有2.5Gbps的位率，而各个信号通道的波长是1511nm，1531nm，1551nm，1571nm。另外，在图8中，图中数据P1表示，位速率(bit rate)和在从信号光源10被输出后信号光(背到背)的接收功率之间的一个关系，而数据P2表示，位速率和在通过具有100km长度的传输线光纤30，而又没有通过集总拉曼放大器20的信号光(SMF 100km无FRA)的接收功率之间的一个关系，数据P3表示，位速率和在从集总拉曼放大器20被输出后信号光(LRA的输出)的接收功率之间的一个关系，数据P4表示，位速率和在经过集总拉曼放大器20并通过长度为100km的传输线光纤30的信号光(SMF100km，有LRA)的接收功率之间的关系，而数据点P5表示位速率和在经过集总拉曼放大器20并通过长度为150km的传输线光纤30的信号光(SMF150km，有LRA)的接收功率之间的关系。另外在图8中的直线L表示对于通过一个长度为150km的单模光纤而又没有通过拉曼放大器的信号的接收极限。

如图8所示，当拉曼放大光纤130在信号光的波长上有一负的色散，传输特性被改善。另外，由于包括在集总拉曼放大器20中的拉曼放大光纤(高非线性光纤)中的自相位调制产生的效应，比起没有提供拉曼器的情况，就可以在改善传输特性的同时增加扩展损耗预算。另外，没有观察到四波混合的效应和互相位异常。

在发明并不限于上述实施方案，它们能被修改成各种应用情况。例如，上述实施方案中包括一个背泵浦结构，它把泵浦光供给至拉曼放大光纤的背端(信号发射端)，但也可以用一个正向泵浦结构，它把泵浦光供给至位慢放大光纤的前端(信号进入端)，也可以用一个双向泵浦结构。

从已叙述的本发明中，显然此发明的各个实践方案可以用许多方式加以改变。这些改变并不被认为离开了本发明的精神和范围，以及对于本领域的技术人员来讲将是显而易见的，这些修改都被要求包括在下述权利要求的范围内。

工业上的应用性

如上所述，按照本发明，从信号光源发出的信号光的正的啁啾被作为拉曼放大光纤的高非线性光纤所补偿，并且又被在高非线性光纤中的自相位调制所补偿。用了这样的结构，按照本发明的光传输系统能在一个更宽广的波长带上得到优越的传输特性。

按照本发明的光传输系统能够用于具有宽的信号通道间隔的CWDM信号传输，因为从信号光源输出的信号光的正的啁啾能被充分地补偿。

Claims (7)

1.一种光传输系统，包含：

信号光源，它输出具有正啁啾的信号光；

光纤传输线，信号光通过它传播；以及

集总拉曼放大器，提供在所述信号光源和所述光纤传输线之间，并拉曼放大从所述信号光源输出的信号光，所述集总拉曼放大器包括一个高非线性光纤，它在信号光的波长上有一个负的色散，以及一个6.9(1/W/km)或更大的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)，该系数由在波长λ上的非线性折射率n₂和有效面积A_eff所确定。

2.按照权利要求1的光传输系统，其中在所述高非线性光纤中的信号光的相移量φ_LRA是在所述光纤传输线中的信号光的相移量φ_T的1/2或更多。

3.按照权利要求1的光学传输系统，其中所述高非线性光纤的非线性系数(2π/λ)·(n₂/A_eff)是12.2(1/W/km)或更多。

4.按照权利要求1的光传输系统，其中所述高非线性光纤在1500nm的波长上具有等于0.7dB或更小的传输损耗。

5.按照权利要求1的光传输系统，其中所述高非线性光纤具有这样的传输损耗，在靠近1390nm波长时由于OH吸收的贡献，其增加是0.5dB/km或更小。

6.按照权利要求1的光传输系统，其中所述高非线性光纤在信号光的波长上，具有-20ps/nm/km或更小的色散系数。

7.按照权利要求1的光传输系统，其中信号光包括多个信号通道，其波长间隔为10nm或更大，而所述高非线性光纤在信号光的波长上具有-10ps/nm/km或更小的色散系数。

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