CN1885644A - 光放大器和光纤 - Google Patents

Abstract

光放大器和光纤。一种通过减少四波混频来提高WDM传输质量的光放大器。光纤在信号波段内具有正色散并且被用作对波分复用信号进行放大的光放大介质。激发部向该光纤输入激发光。为了实现要进行传播的具有不同波长的光信号的相位之间的失配，该光纤在信号波段内具有正色散，以使得信号频率与零色散频率之间存在很大得差异，该信号频率为要放大的信号的频率，该零色散频率是色散为零时的频率。结果，该光纤用作其中抑制了四波混频的光放大介质。

Description

光放大器和光纤

技术领域

本发明涉及光放大器和光纤，更具体地，涉及一种用于放大光信号的光放大器，以及一种用作对光信号进行放大的光放大介质的光纤。

背景技术

希望可以通过光通信网络提供更高级的服务。波分复用(WDM)作为一种光传输技术被广泛采用。WDM将具有不同波长的多个光信号复用到单根光纤中。

利用WDM，通过利用光放大器的宽带放大特性，在长途干线系统中对包含多个波长的波分复用信号进行放大和传输，并且，例如通过其波长路由功能在城市中构建城域环网。

光放大器有多种类型。例如，有掺杂稀土元素的光纤放大器、半导体光放大器(SOA)以及光纤拉曼放大器。诸如铒(Er)、铥(Tm)和镨(Pr)的稀土元素被用于制造掺杂稀土元素的光纤放大器。掺铒光纤放大器对波长为1525至1625nm的光信号进行放大，掺铥光纤放大器对波长为1480至1510nm的光信号进行放大，而掺镨光纤放大器对波长为1300nm的光信号进行放大。

在这些光纤放大器中，使用掺铒光纤(EDF)作为光放大介质的掺铒光纤放大器(EDFA)最常用于WDM系统中，在该掺铒光纤中，光纤的芯掺杂有作为稀土元素的铒。

通过EDFA，使用激发光照射EDF(光信号通过该EDF传播)，并通过由该照射所导致的受激发射对光信号的电平进行放大。

以下给出光放大的原理的概要。图19示出了能级。电子(原子)的能态包括基态和激发态。电子(原子)在基态的能量最低。电子(原子)在激发态的能量高于在基态的能量(在激发态可以有一个以上的能级，但是本示例中假定存在包括基态和一个激发态的双能级系统)。能级表示以基态为基准，电子所处的能态。

电子的跃迁过程(电子的能态之间的跃迁过程)包括吸收、自激发射以及感应发射。图20示出了吸收。通常，电子处于能量较低的最稳定的基态。然而，当将光输入到诸如光纤的物质中时，该物质中的电子吸收所输入的光的能量，并跃迁到能量较高的状态(到较高能级的跃迁被称为激发(泵浦))。该跃迁过程被称为吸收。

图21示出了自激发射。假定电子在基态的能量为E0，而电子在激发态的能量为E1。当电子处于激发态时，在经过弛豫时间后，电子进入到能量较低的状态。

此时，该电子发射光，该光的能量等于与该激发态相对应的能级和该电子跃迁到的能级之间的差。在该示例中，电子从E1跃迁到E0，所以该电子发射能量等于(E1-E0)的光。这样，处于激发态的电子按照与所输入的光无关的概率自发地发射光。结果，电子跃迁到低能级。该过程为自激发射。

图22示出了感应发射。假定当电子处于激发态时，从外部输入能量为(E1-E0)的光。此时，电子发射光(该光的能量、相位和传播方向与输入光相同)并返回到基态。也就是说，在输入光时，光子的数量是1，但是在输出光时，光子的数量增加为2。这种现象为感应发射，并且为光放大的原理。

假定物质中的电子的密度为N(/m³)，N个电子中的N1个电子处于基态，并且该N个电子中的N2个电子处于激发态(N＝N1+N2)。当向该物质输入光时，如果感应发射超过了吸收，则产生光放大。因此，关系N2＞N1必须成立(假定可以忽略自激发射)。

将处于较高能级的电子的密度大于处于较低能级的电子的密度的状态称为粒子数反转(population inversion)(处于较低能级的电子较稳定，所以通常处于较低能级的电子的数量大于处于较高能级的电子的数量。然而，通过激发，处于较高能级的电子的数量增大，从而出现粒子数反转状态)。粒子数反转系数t由下式给出

$t=\frac{N2}{N1+N2}(=\frac{N2}{N})$

图23和24示出了双能级系统中的电子密度的分布。图23示出了热平衡状态下的电子密度的分布。图24示出了粒子数反转状态。在图23和24中的每一个，纵轴表示能量，而横轴表示粒子数。图23和24表示，当物质处于热平衡状态时，许多电子处于稳定的基态，而当物质处于粒子数反转状态时，许多电子处于高能级。

因此，为了进行光放大，必须实现如图24所示的粒子数反转。然而，同时产生了吸收和感应发射(已知产生一次电子吸收，则以相同的概率产生感应发射)。结果，即使电子通过吸收进入到激发态，通过感应发射从激发态返回到基态的电子的数量也会增加。

因此，对于感应发射类型的光放大器，通常采用多能级系统(例如，用于EDFA的三能级系统)通过光来进行激发。

图25示出了三能级系统中的粒子数反转。假定存在与激发态相对应的两个能级。也就是说，假定存在分别与基态、第一激发态以及第二激发态相对应的三个能级。另外，与基态、第一激发态以及第二激发态相对应的能级分别为E0、E1和E2(E0＜E1＜E2)。下面将以使用EDFA进行放大的情况为例进行说明。

在下述的条件下执行放大操作，应该进行到第一激发态的快速非辐射跃迁(从高能级到低能级进行非辐射跃迁的离子以热的形式而不是光的形式释放能量)：第二激发态的寿命(电子保持在某一能级的平均时间)应该较短，并且当铒离子(Er³⁺)处于第二激发态时。

当向EDF(其为掺有Er³⁺离子的光纤)输入能量与(E2-E0)相对应的激发光(通常波长为1.48或0.98μm)时，处于基态的Er³⁺离子通过吸收而进入到第二激发态。然后，被激发到第二激发态的Er³⁺离子快速非辐射跃迁到第一激发态。结果，许多Er³⁺离子处于第一激发态。即使激发光的强度增大，也几乎没有Er³⁺离子通过感应发射从第二激发态跃迁到基态。

因此，通过充分增大激发光的强度，可以实现其中许多Er³⁺离子处于第一激发态的粒子数反转。如果在EDF中实现了这种粒子数反转，则应该向该EDF输入能量与(E1-E0)相对应的光信号。这样，Er³⁺离子通过感应发射从第一激发态跃迁到基态，从而对光信号进行了放大。

EDFA的特性例如为：其放大波长带为1550nm，该波长带为最广泛地用作通信光纤的石英光纤的最小损耗波长带；可以容易地获得几十到几百毫瓦的输出；以及这些EDFA具有几太赫的宽增益带宽。因此，EDFA是构建光纤通信系统的最重要的组成部分，并且是必不可少的光学器件。

传统上，对于EDF已经提出了一种通过使用具有正常色散值的光纤来减小四波混频失真的技术(例如，参见日本未审专利公报No.2004-79876)。

通常，使用从1530到1565nm的传统(C)波段作为EDFA的放大波段。随着通信量的急剧增加，近年来要使用的波长的数量增大，并且已开发出了用于对波长进行密集复用的密集WDM(DWDM)。因此，EDFA的放大波长带扩展到从1570到1605nm的长波长带(L波段)。

EDFA具有增益-波长特性。也就是说，当整个地对具有不同波长的许多光信号进行放大时，这些光信号的峰值增益不同，并且峰值增益在具有不同波长的光信号之间不同。

如果在接收端，峰值功率值在具有不同波长的光信号之间不同，则传输质量在具有不同波长的多个光信号之间不同，并且S/N比降低。因此，在信号波段内，增益-波长特性必须平坦。

图26示出了以粒子数反转系数t作为参数的EDFA的增益。在图26中，纵轴表示增益，而横轴表示波长(nm)。从图26中可以看出，粒子数反转系数t越大(处于高能级的Er³⁺离子的数量越大)，EDFA的增益越高。

在从1540到1565nm的C波段中，粒子数反转系数t越大，增益-波长曲线的负斜率就越大。另一方面，如果粒子数反转系数t较小，则增益-波长曲线的斜率为正。从图26可以看出，增益-波长曲线在t＝0.7时最平坦。

因此，应该进行控制，以使得可以实现大约70％的粒子数反转状态。这样，可以获得平坦的增益-波长特性。在这种情况下，增益足够高，所以可以对具有包括在从1540到1565nm的C波段中的不同波长的光信号进行放大。这些光信号的峰值功率值没有实质性的差异。

在1530nm的波长处存在明显的增益峰值。因此，为了使用包括1530nm在内的波长带，仅通过控制粒子数反转无法获得平坦的增益-波长特性。

为了在该波段内获得平坦的增益-波长特性，应该在例如EDFA的输出级设置增益均衡滤波器，该增益均衡滤波器的增益-波长特性与1530nm附近的波段中的增益-波长特性相反(具有与1530nm附近的波段中的增益-波长特性相同的损耗-波长特性)。这样，可以使1530nm附近的波段中的增益-波长特性变得平坦。

另一方面，在从1570到1605nm的L波段内，当粒子数反转系数t＝0.4时，可以获得平坦的增益-波长特性。因此，应该进行控制，以使得可以实现大约40％的粒子数反转状态。这样，可以获得平坦的增益-波长特性。然而，从图26中可以看出，EDFA的增益变低(粒子数反转系数较小，所以在感应发射时由Er³⁺发射的光的强度较低。因此，无法获得足够的增益)。

因此，在L波段放大时，通过使用长EDF(例如，通过使用比用于C波段放大的EDF最多长80米的EDF)，来增加要被激发的放大介质中的Er³⁺离子的数量。这样，增大了由Er³⁺离子发射的光的强度，从而增大了增益。通过这种方式，对L波段放大使用长EDF。结果，即使t＝0.4(即使粒子数反转系数较小)，也可以实现平坦的增益-波长特性，从而保证了足够的增益。

C波段和L波段中的每一个都包括大约35nm的放大波段。因此，如果以0.8nm(大约100GHz)的间隔来设定信号波长，则可以将具有各个波段中的不同的四十个或更多个波长的光信号复用到单根EDFA中。另外，通过EDFA获得了高输出，并且可以容易地获得不低于200毫瓦的光功率输出。

如上所述，宽带高输出EDFA是在WDM传输中非常有效的光放大器。然而，随着信道数量以及每信道输出光的强度的增大，近年来已经出现了明显的非线性效应(非线性光学效应)。

玻璃(具有较高功率的光通过其传播)的特性(折射率)根据光的强度而改变。这种现象被称为关学传输中的非线性。如果出现了这种现象，则会丧失光学响应的线性。

四波混频(FWM)是光纤中出现的一种重要的非线性现象。当输入具有两个或更多个不同波长的光时，会产生另一种波长的光。这种现象被称为FWM。

当出现四波混频时，会产生新的干涉光。如果该干涉光的波长与包含在复用信号光中的波长之一相匹配，则会产生串扰，从而通信质量劣化。

光纤传输线路中出现的四波混频导致噪声或波形失真，导致信号质量的劣化。具体地，如果通过EDFA来进行L波段放大，则使用长EDF。因此，与进行C波段放大的情况相比，四波混频倾向于产生不利影响。

因此，为了对放大波长带进行扩展，尤其是扩展到L波段并进行高质量的DWDM传送(其中对波长进行了密集复用)，减少四波混频是很重要的。目前特别希望可以实现其中减少了四波混频的光放大器。

利用以上传统技术(日本未审专利公报No.2004-79876)，通过使用具有正常色散值的光纤来减少四波混频失真。然而，正常色散值包括负色散值。尤其在其中对多个波长进行复用的传输技术(例如WDM)中所使用的EDF中容易频繁地出现四波混频。可以认识到，即使在WDM传输中使用具有负色散的EDF，也无法有效地抑制四波混频。

发明内容

在上述背景环境下提出本发明。本发明的一个目的是提供一种具有高可靠性的高质量光放大器，用于通过有效地减少四波混频来执行宽带高输出光放大。

本发明的另一目的是提供一种具有高可靠性的高质量光纤，其用作光放大介质，用于通过有效地减少四波混频来执行宽带高输出光放大。

为了实现以上目的，提供了一种用于放大光信号的光放大器。该光放大器包括：光纤，其在信号波段内具有正色散，并且用作光放大介质，用于对包含多个波长的波分复用信号进行放大；以及激发部，用于向所述光纤输入激发光。

根据以下结合附图进行的说明，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明了，附图以示例的方式示出了本发明的优选实施例。

附图说明

图1是用于说明根据本发明的光放大器的原理的视图。

图2示出了MFD。

图3示出了光纤的结构。

图4示出了在以MFD为参数的情况下，芯直径与相对折射率差之间的关系。

图5示出了在以1590nm处的色散值为参数的情况下，芯直径与相对折射率差之间的关系。

图6示出了在以MFD和色散值为参数的情况下，芯直径与相对折射率差之间的关系。

图7是表示频带中出现FMW的示意图。

图8是表示出现FWM的示意图。

图9示出了色散与Δv之间的关系。

图10示出了表格的内容。

图11示出了EDFA的结构。

图12示出了由FWM导致的串扰量。

图13示出了在以有效横截面积为参数的情况下，由FWM导致的串扰与色散之间的关系。

图14示出了在以截止波长为参数的情况下，相对折射率差与芯直径之间的关系。

图15示出了在以弯曲损耗为参数的情况下，相对折射率差与芯直径之间的关系。

图16示出了用于减少FWM串扰的EDF的芯直径与相对折射率差之间的关系。

图17示出了EDFA的结构。

图18示出了EDFA的结构。

图19示出了能级。

图20示出了吸收。

图21示出了自激发射。

图22示出了感应发射。

图23示出了双能级系统中的电子密度的分布。

图24示出了该双能级系统中的电子密度的分布。

图25示出了三能级系统中的粒子数反转。

图26示出了以粒子数反转系数为参数的EDFA的增益。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。图1是用于说明根据本发明的光放大器的原理的视图。光放大器10包括光纤11、激发部12和复用部13，并对光信号进行放大。

光纤11是光放大介质，该光放大介质在包含有要传播的信号光的信号波段内具有正色散，并对包含有多个波长的波分复用(WDM)信号进行放大。激发部12向光纤11输入激发光。

复用部13对WDM信号光和激发光进行组合。将复用信号输入到光纤11。WDM信号光在光纤11中被激发光放大，并从光纤11输出。光纤11具有正色散，所以光放大器10执行光放大，由此抑制四波混频(FWM)。

下面将逐步地对光放大器10中所使用的光放大介质(光纤(EDF)11)的设计方法进行详细说明。还将说明传统EDF的特性、FWM的出现过程、根据本发明的EDF的特性和效果等。下文中，将说明将光放大器10应用于EDFA的情况。

为了提高通过使用激发光来放大信号光的效率，通常，作为光放大介质的EDF的模场直径(MFD)为4.5到5μm，并且其小于普通传输线路光纤的模场直径。如果MFD较小，则EDF具有负色散特性。首先将通过使用图2至图6来说明传统EDF具有负色散特性的事实。

图2示出了MFD。在图2中，纵轴表示光强，而横轴表示芯直径(μm)。图3示出了光纤的结构。光纤包括芯1a和包层1b。通过使芯1a的折射率高于包层1b的折射率，光功率的大部分都被截留在芯1a中，并且光通过全反射(反射率为100％)经由芯1a传播。

MFD是表示光通过沿芯1a传播的单模的横截面中的分布的参数(通过芯传播的光的路径称为模式，并且入射到芯与其包层之间的界面的入射角θ最大的光路径称为单模。单模形成了与光纤的轴线之间的最小角度)。

从图2可以看出，光强与芯直径之间的关系被表示为高斯曲线。光强在芯的中心处最高。随着与芯中心的距离的增大，光强降低。在该曲线上，假设光强的最大值为1。然后，通常将与1/e²(e是自然对数的底(＝2.718…))的光强相对应的芯直径定义为MFD。

如果MFD较小，则芯中的光强较高。如果MFD较大，则芯中的光强较低(也就是说，如果MFD较小，则提高了将待传播的光截留在芯中的能力(光集中能力))。

芯直径和相对折射率差是确定MFD的参数。为了使MFD较小，使得芯径较小并使得相对折射率差为很大的值。相对折射率差是芯中心处的最大折射率与包层的折射率之差，并被定义为

Δ＝(n0-n1)/n1

其中，Δ是相对折射率差，n0是芯的折射率，而n1是包层的相对折射率(如果相对折射率差是很大的值，则芯的折射率大于包层的折射率。结果，提高了光集中能力)。

图4示出了在以MFD为参数的情况下，芯直径与相对折射率差之间的关系。在图4中，纵轴表示相对折射率差Δ，横轴表示芯直径(μm)。图4示出了在其中MFD为4.5到7μm的阶跃折射率光纤中，芯直径与相对折射率差Δ之间的关系(将其中芯中的折射率分布均匀并且光在芯中阶梯式变化地传播的光纤称为阶跃折射率光纤。将其中芯中的折射率地分布逐渐变化并且正弦波形的光在芯中以蛇形线传播的光纤称为渐变折射率光纤)。

从图4可以看出，通过使芯直径较小并且使Δ为大值，来使MFD变小。对于EDF，通过这种方式使MFD变小，并且增大激发光强度。这样，在整个芯中形成了良好的粒子数反转。

图5示出了在以1590nm处的色散值为参数的情况下，芯直径与相对折射率差之间的关系。在图5中，纵轴表示相对折射率差Δ，横轴表示芯直径(μm)。不同波长的光信号在光纤中以不同的速度传播。这导致了色散。

色散被定义为在波长彼此相差1nm的两个单色光信号传播1km时所产生的传播延迟时间差。将色散表示为ps/nm/km。

如上所述，为了使EDF的MFD变小，使芯直径较小并且增大Δ。在这种情况下，从图5可以看出，获得了负色散特性。

图6示出了在以MFD和色散值作为参数的情况下，芯直径与相对折射率差之间的关系。在图6中，纵轴表示相对折射率差Δ，横轴表示芯直径(μm)。图6是通过组合图4和图5而获得的。在与大约4.5到5μm的MFD相对应的区域中，色散值为-25到-5ps/nm/km。这意味着，传统的EDF具有负色散特性。

下面将说明产生FWM的因素。当向光纤输入三个光波ω1、ω2和ω3时，通过三次(tertiary)非线性偏振而产生了新的光波ω4。将这种现象定义为FWM(当使用光对物质进行照射时，原子或分子中的电子通过光的电场而位移，从而产生偏振。当使用强激光束对物质进行照射时，该偏振产生了非线性响应。结果，出现了与光的电场的平方或立方成比例的二次或三次非线性偏振。这种偏振被称为非线性偏振)。下面将更具体地说明产生FWM的因素。

图7是表示在频带中出现FMW的示意图。假设在输入激发光时已经存在的信号光的频率为vs，并且所输入的激发光的频率为vp1和vp2(该激发光可以是另一信号光)。由这三个光波产生了新的光波。这种现象被称为FWM。新产生的干扰光被称为闲频光(idler light)，该闲频光的频率vi由下式给出

vi＝vp1+vp2-vs    (1)

将两个激发光波的频率相等(vp1＝vp2)的情况称为简并四波混频(DFWM)。在简并四波混频的情况下，方程(1)可以写为

vi＝2vp1-vs

另外，已知在输入波长与光纤的零色散波长(波形展开(色散)最小的特定波长)相匹配时会产生明显的FWM。

图8是表示产生FWM的示意图。假设波长为λ1至λ3的光波沿光纤的长度方向传播。当这些光波之间的相位差在传输过程中变得大致为零时(当这三个光波的相位几乎相同时)，产生FWM，并且生成了波长为λi的闲频光波。当波长为λ1至λ3的三个光波的相位彼此相差很大时，不会产生FWM。

也就是说，当输入波长λ1至λ3与零色散波长相匹配时，这三个光波的相位相匹配(色散表示波长为λ1至λ3的光波之间的传播速度差异，而零色散表示波长为λ1至λ3的光波之间不存在传播速度的差异)。在这种情况下，产生了FWM。大色散(色散的绝对值)导致波长为λ1至λ3的光波之间的传播速度的很大差异。结果，波长为λ1至λ3的光波的相位彼此不同。这降低了产生FWM的可能性。将基于所传播的光波的相位匹配状态而产生FWM称为相位匹配条件。

FWM是由非线性光学效应而导致的现象，所以FWM容易在光纤中的光强较高的情况下产生。对于EDF，为了提高放大效率，通过使MFD较小，来减小光的有效横截面积。结果，容易出现非线性现象(有效横截面积Aeff由下式给出

Aeff≈π×(MFD/2)²

如果有效横截面积较小(MFD较小)，则芯中的光密度(光强)较高，并且容易出现非线性现象)。

如上所述，FWM的产生很大程度上取决于方程(1)是否成立，将相位匹配条件视为色散，并将有效横截面积视为MFD(也就是说，如果满足方程(1)，相位匹配并且光强很高，则产生FWM的概率最高)。

具体地，对于用于L波段放大的EDFA，与用于C波段放大的EDFA相比，使用了较长的EDF。结果，光波的相位匹配以及方程(1)成立的可能性非常大。因此，与C波段放大的情况相比，容易产生FWM。

如果闲频光的波长与复用在信号光中的波长之一相匹配，则会产生串扰，从而通信质量劣化。

下面将说明相位匹配量与信号频率和零色散频率之间的差Δv之间的关系。从产生FWM的以上因素可以看出，为了抑制FWM，信号频率vs与零色散频率v0之间应该存在很大的差异，并且相位匹配量应该是很大的值并且不为零(应该存在相位失配。也就是说，应该在信号波段中获得很大的色散绝对值。)

闲频光增益g由下式给出

g＝[(γP)²-(κ/2)²]^1/2      (2)

其中，γ是非线性系数，P是光功率，而κ是相位匹配量(传播常数差)。非线性系数γ由下式给出

γ＝2πv×n2/(c×Aeff)     (3)

其中，c是光速，n2是非线性折射率，而Aeff是光的有效横截面积。在方程(3)中，如果光的有效横截面积Aeff增大，则非线性系数γ变小。因此，在方程(2)中，由FWM产生的增益g变小。为了简化方程(2)和(3)，由通过忽略光的频率差而获得的平均值来表示每一个参数。

另一方面，相位匹配量κ可以表示为传播常数差Δβ。为了简化方程，忽略由自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)导致的相位变化，并且假设产生简并四波混频(vp1＝vp2)(SPM和XPM是由非线性光学效应产生的非线性现象。SPM是在单波传输中出现的相移现象。XPM是在沿相同方向同时传输具有不同波长的光波时出现的相移现象)。于是，传播常数差Δβ由下式给出

$\mathrm{\κ}=\mathrm{\Δ\β}=\mathrm{\β}\left(\mathrm{vs}\right)+\mathrm{\β}\left(\mathrm{vi}\right)-2\mathrm{\β}\left(\mathrm{vp}1\right)$

$=\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{v_0}^4}\frac{\mathrm{dDc}}{\mathrm{d\λ}}{(\mathrm{vs}-\mathrm{vp}1)}^2(\mathrm{vs}-v0)---\left(4\right)$

其中，v0是光纤的色散变为零时的频率，Dc是光纤的色散，因此dDc/dλ是色散斜率(色散变化相对于波长变化的程度)。

在方程(2)中，由FWM产生的增益g在相位匹配量κ＝0(传播常数差Δβ＝0)时最大。随着κ的绝对值增大，由FWM产生的增益g变小。在方程(4)中，随着信号频率vs与零色散频率v0之间的差Δv(＝vs-v0)增大，κ(＝Δβ)增大。因此，通过使差值Δv为很大的值，由FWM产生的增益g减小，抑制了闲频光，从而可以抑制FWM。

下面将说明色散与Δv之间的关系。图9示出了色散与Δv之间的关系。表T1包括五列：1590nm处的色散(ps/nm/km)；零色散波长λ0(nm)；零色散波长与信号波长之间的差Δλ(nm)；零色散频率v0(THz)；以及信号频率vs与零色散频率v0之间的差Δv(THz)。在信号波长和色散斜率分别为1590nm和0.03ps/nm²/km的情况下进行计算。

图10示出了表T1的内容。在图10中，纵轴表示色散(ps/nm/km)，横轴表示波长(μm)。直线K1表示表T1中的行中所示的光纤。

在直线K1上，当信号波长λs为1590nm时，色散为-20(ps/nm/km)。在这种情况下，零色散波长λ0为2257nm(直线K1的斜率(色散斜率)为0.03(ps/nm²/km))。Δλ＝1590-2257＝-667nm。

零色散频率v0＝c/λ0＝(3×10⁸)/(2257×10^-9)＝133THz(其中，c为光速)，并且Δv＝vs-v0＝((3×10⁸)/(1590×10^-9))-133(THz)＝189(THz)-133(THz)＝56THz。也可以在表T1中的另一行中绘制一条直线。直线K0表示表T1中的行b的内容。

在表T1中的列Δv中，当Δv接近零时，容易产生FWM(相位匹配)。因此，为了抑制FWM，选择Δv的绝对值较高(相位失配)的行中的色散。如果关注色散与Δv之间的关系，则可以知道，与绝对值相等的色散相对应的Δv的值有显著的差别。

例如，与色散-15ps/nm/km和+15ps/nm/km相对应的Δv的值分别为45THz和-86THz。它们的绝对值表示色散+15ps/nm/km处的相位失配程度大约为色散-15ps/nm/km处的相位失配程度的两倍。因此，如果两个色散值的绝对值相等，则具有正色散值的EDF可以更有效地抑制FWM。

下面将说明EDFA中由FWM导致的串扰的计算。图11示出了EDFA的结构。图11所示的EDFA 20用于测量由FWM导致的串扰(FWM串扰)的量。

EDFA 20包括EDF 21、激发激光二极管(LD)22a和22b，以及复用器23a和23b。假设EDF 21的长度为60m，并且输入包含21个不同波长(包含在从1580.35到1597.19nm的L波段内且间隔为100GHz(大约0.8nm))的WDM信号光。激发LD 22a和22b都发射波长为1.47μm的激发光。激发LD 22a经由复用器23a对EDF 21执行前向激发，而激发LD 22b经由复用器23b对EDF 21执行后向激发。

在复用器23a的输出级处，输入到EDF 21的平均功率为-10dBm每信道(-10dBm/ch)。在复用器23b的输入级处，放大之后从EDF 21输出的平均功率为+10dBm每信道(+10dBm/ch)。+10dBm/ch的平均输出功率是在传输线路上使用的一般值。

图12示出了由FWM导致的串扰量。在图12中，纵轴表示电平(dBm)，横轴表示波长(nm)。对输入信号光执行预加重(根据波长对输入电平添加偏移)，使得输出信号光的电平对于每个波长相等。

曲线K11是通过描绘图11中的点P1处的21个不同波长中的每一个的输入信号光的电平而获得的。曲线K12是通过描绘图11中的点P2处的21个不同波长中的每一个的输出信号光的电平而获得的。曲线K13是通过描绘在图11中的点P2处的21个不同波长中的每一个处产生的FWM的电平(通过描绘根据这21个不同波长而产生的闲频光的电平)而获得的。

由FWM导致的串扰(dB)被定义为所产生的FWM(dBm)与输出信号光(dBm)之间的差(由FWM导致的串扰(dB)＝(所产生的FWM(dBm))-(输出信号光(dBm)))。

图13示出了在以有效横截面积为参数的情况下，由FWM导致的串扰与色散之间的关系。在图13中，纵轴表示FWM串扰(dB)，横轴表示色散(ps/nm/km)。有效横截面积由下式给出

Aeff≈π×(MFD/2)²

假设Aeff为19.6μm²(MFD≈5.0μm)、23.8μm²(MFD≈5.5μm)以及28.3μm²(MFD≈6.0μm)。通过从-30到+20ps/nm/km改变色散来进行计算(假设色散斜率、非线性折射率以及EDF的长度分别为0.03ps/nm²/km、3.0×10^-20m²/W以及60m)。

从图13可以看出，随着有效横截面积(MFD)变大，FWM串扰减小。此外，即使色散值的绝对值相等，正色散值处的FWM串扰也低于负色散值处的FWM串扰。例如，+10ps/nm/km处的FWM串扰比-10ps/nm/km处的FWM串扰低大约1.8dB。

如果Δv的绝对值较高，则可以抑制FWM。在图9所示的表T1中，随着色散值的绝对值变大，Δv的绝对值增大。结果，看上去好像应该为EDF选择绝对值高的负色散值。也就是说，看上去好像无需坚持使用具有正色散值的EDF。

在图13中，采用-30ps/nm/km作为绝对值较高的负色散值的示例，并采用+15ps/nm/km作为正色散值的示例。从图13可以看出，+15ps/nm/km处的FWM串扰比-30ps/nm/km处的FWM串扰低大约1.0dB。

换句话说，为了有效减小FWM串扰，应该选择正色散值而不是绝对值较高的负色散值(d)作为使得Δv的绝对值较高的色散值。在这种情况下，正色散值的绝对值可以稍小些。

这意味着，如果负色散值和正色散值的绝对值相等，则可以通过选择正色散值来更加显著地减小FWM串扰，并且相位在频带中，尤其在具有正色散值的光纤中不匹配。

为了制造具有-30ps/nm/km的负色散值的光纤，必须减小芯直径，并且必须增大相对折射率差Δ。结果，MFD变小，并且因此容易产生FWM。

另一方面，对于具有正色散的光纤，无需使相对折射率差Δ取很大的值。因此，制造这种光纤很容易(对于具有正色散的光纤，芯直径大并且相对折射率差小。因此，与具有负色散的光纤相比，MFD稍大。结果，与具有负色散的光纤相比，通常，具有正色散的光纤易于制造)。如果也考虑这一点，则可以知道，具有正色散的EDF更有利于减少FWM。

为了减小图11所示的EDFA 20中的FWM串扰，应该将EDF 21的Aeff和色散值分别设定为例如28.3μm²(MFD≈6.0μm)和+15ps/nm/km。这样，可以将FWM串扰减小至大约-43dB。

下面将讨论EDF的其他参数。从以上说明可知，正色散特性在减小FWM串扰方面很有效。截止波长和弯曲损耗也被视为决定EDF特性的其他参数。

图14示出了在以截止波长为参数的情况下，相对折射率差与芯直径之间的关系。在图14中，纵轴表示相对折射率差Δ，横轴表示芯直径(μm)。光纤对于超过特定波长的光波长变为单模光纤。该特定波长被称为截止波长。单模光纤的特性之一是没有模式色散(传播时间在光传播的不同光路径(模式)之间不同)(目前制造的大多数光纤都是单模光纤)。

图14表示，波长大于或等于1.5μm的光可以在与1.5μm的截止波长相对应的曲线K21的左侧区域中进行单模传播。另外，图14表示，波长大于或等于0.9μm的光(包括波长为0.98μm的激发光)可以在与0.9μm的截止波长相对应的曲线K22的左侧区域中进行单模传播。因此，如果截止波长变短，则具有包含在较宽波段中的波长的信号光可以进行单模传播。

为了单模传播波长为1.5μm的信号光，选择包含在曲线K22的左侧区域中的芯直径和相对折射率差Δ。例如，应该选择小于或等于5.0μm的芯直径和小于或等于1.2的相对折射率差Δ。

图15示出了在以弯曲损耗为参数的情况下，相对折射率差与芯直径之间的关系。在图15中，纵轴表示相对折射率差Δ，横轴表示芯直径(μm)。弯曲损耗表示当轴向传播模式根据光纤弯曲的程度而转换为径向模式时所产生的光损耗的量(也就是说，当光纤被弯曲为具有小直径的圆时，其丧失了将光截留在芯中的能力。结果，光发射到包层中，从而丧失了传播能力)。例如，0.01dB/m@Φ20mm的弯曲损耗表示，当光纤被弯曲成直径为20mm的圆时，每米的光损耗量为0.01dB。

图15表示，如果光纤被弯曲成直径为20mm的圆，则在与0.01dB/m@Φ20mm的弯曲损耗相对应的曲线K31的右侧区域中，光损耗小于或等于0.01dB。另外，图15表示，如果光纤被弯曲成直径为40mm的圆，则在曲线K32的右侧区域中，光损耗小于或等于0.01dB(对于曲线K32，光纤被弯曲成直径为40mm的圆。也就是说，与曲线K31的情况相比，光纤的弯曲程度较小。因此，与曲线K31的情况相比，其中光损耗小于或等于0.01dB的相对折射率差Δ和芯直径的容许极限较宽)。

因此，如果光纤被弯曲成直径为20mm的圆，则为了使光损耗小于或等于0.01dB，例如应该选择大于或等于5.0μm的芯直径和大于或等于0.8的相对折射率差Δ。

图16示出了用于减小FWM串扰的EDF的芯直径与相对折射率差Δ之间的关系。在图16中，纵轴表示相对折射率差Δ，横轴表示芯直径(μm)。在图16中，MFD、色散、截止波长以及弯曲损耗被显示为参数。

假设色散值为D ps/nm/km，并且为了减小FWM串扰，+5≤D≤+15(曲线D1和D2分别与+5和+15ps/nm/km相对应)。在图16中，由曲线D1和D2、与1.5μm或更小的截止波长(λc)相对应的曲线A，以及与小于0.01dBm的弯曲损耗相对应的曲线B所包围的区域用斜线表示(采用+5≤D≤+15作为正色散的原因是，具有这种色散的光纤通常易于制造)。

因此，通过选择包含在由斜线表示的区域中的芯直径和相对折射率差，可以实现具有适当正色散值的EDF，其中减小了FWM串扰，该EDF可以单模传播波长为1.5μm的光，并且其中即使在其被弯曲成直径为20mm的圆时，光损耗也大约为0.01dB。

从由斜线表示的区域可以看出，EDF的芯直径、相对折射率差以及色散的最佳范围分别为3.9到6.3μm、0.6到2.0，以及+5到+15ps/nm/km。

通过使用以这种方式设计的EDF来放大WDM信号，可以减小FWM串扰，从而可以进行宽带高输出光放大。结果，可以提高WDM传输的质量和可靠性。

对于用来执行包括L波段放大在内的光放大的EDFA，使用长EDF。因此，与C波段放大相比，容易产生FWM串扰。然而，通过使用按照以上方法设计的EDF，即使在长EDF中，也可以有效地减小FWM串扰。

在对图16中由斜线表示的区域和图6中与传统EDF相对应的区域进行比较时，它们之间的差异明显。这意味着，根据本发明的EDF与传统EDF在特性方面有很大的不同。

下面将对具有上述EDF的特性的EDFA的结构进行说明。图17示出了EDFA的结构。EDFA 10-1包括EDF 11、激发LD 12a和12b、复用器13a和13b，以及光隔离器14a和14b。

EDF 11是通过分别选择3.9到6.3μm之间的值、0.6到2.0之间的值，以及+5到+15ps/nm/km之间的值作为芯直径、相对折射率差，以及色散而制造的光纤。

例如，在EDFA 10-1中，EDF 11较长，并且输入具有包含在L波段内的不同波长的WDM信号光。所输入的WDM信号光穿过光隔离器14a并传播到EDF 11。光隔离器是仅在图17所示的箭头方向上透射光而在相反方向上不透射光的器件。

激发LD 12a和12b都发射激发光。激发LD 12a经由复用器13a对EDF 11进行前向激发，而激发LD 12b经由复用器13b对EDF 11进行后向激发。经放大的WDM信号光经由光隔离器14b输出。

图18示出了EDFA的结构。EDFA 10-2包括EDF 11a和11b、激发LD 12a、12b和12c、复用器13a、13b和13c，以及光隔离器14a、14b和14c。

在EDFA 10-2中，EDF 11a和11b串联设置。激发LD 12a经由复用器13a对位于第一级的EDF 11a进行前向激发。激发LD 12b经由复用器13b对位于第二级的EDF 11b进行前向激发。激发LD 12c经由复用器13c对位于第二级的EDF 11b进行后向激发。

位于第一级的EDF 11a对功率比输入到位于第二级的EDF11b的光信号低的输入光信号进行放大。位于第二级的EDF 11b对已通过位于第一级的EDF 11a进行了放大的光信号再次进行放大，所以位于第二级的EDF 11b对功率比输入到位于第一级的EDF 11a的光信号高的光信号进行放大。因此，将高强度的激发光输入到位于第二级的EDF 11b，所以在EDF 11b中容易产生非线性现象。

因此，为了减小FWM，分别选择3.9到6.3μm之间的值、0.6到2.0之间的值，以及+5到+15ps/nm/km之间的值作为位于第二级的EDF 11b的芯直径、相对折射率差以及色散(在图18所示的示例中，串联设置了两个EDF。然而，可以串联设置三个或更多个EDF。在这种情况下，如果向位于最后一级的EDF输入了最高强度的激发光，则该EDF应该具有正色散值)。

以上对于光放大器和设计方法的说明针对掺有Er³⁺的EDF，该EDF用作其中减小了FWM串扰的光放大介质。然而，近年来，已开发了其中将基质玻璃从石英玻璃改变为氟化物玻璃的掺铒氟化物光纤(EDFF)以及其中使用了碲化物玻璃的掺铒碲化物光纤(EDTF)。为了抑制FWM，这些EDFF和EDTF也应该根据上述设计原则而具有正色散。

另外，已经开发了其中使用了铥(Tm)的掺铥光纤放大器(TDFA)，作为可以放大1400纳米波段信号的感应发射型光放大器。对于这种TDFA，为了抑制FWM，TDF也应该根据上述设计原则而具有正色散。

如上所述，对于根据本发明的光放大器，用作光放大介质的光纤在信号波段内具有正色散，并对包含多个波长的波分复用信号进行放大。结果，有效地抑制了四波混频，从而可以执行宽带高输出光放大。因此，可以提高WDM传输的质量和可靠性。

以上说明应该仅被视为本发明的原理的例示。此外，由于本领域的技术人员很容易想到很多修改和变化，所以并不旨在将本发明限制为所示和所述的确切结构和应用，因此，可以把所有适当的修改和等同物视为落入所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围内。

Claims (12)

1、一种光放大器，其包括：

光纤，其在信号波段内具有正色散，并且用作光放大介质，用于对波分复用信号进行放大；以及

激发部，用于向所述光纤输入激发光。

2、根据权利要求1所述的光放大器，其中，作为用于对波分复用信号进行放大的光放大介质，所述光纤具有大于或等于+5ps/nm/km并且小于或等于+15ps/nm/km的色散。

3、根据权利要求2所述的光放大器，其中，作为用于对波分复用信号进行放大的光放大介质，所述光纤具有大于或等于3.9μm并且小于或等于6.3μm的芯直径，以及大于或等于0.6并且小于或等于2.0的相对折射率差。

4、根据权利要求2所述的光放大器，其中：

串联设置有两根或更多根光纤；并且

被输入最高强度的激发光的光纤在信号波段内具有正色散。

5、根据权利要求1所述的光放大器，其中：

所述光纤是用于对波分复用信号进行放大的光放大介质，所述光纤掺杂有稀土元素，并且对于至少一个信号具有正色散；并且

所述激发部向所述光纤输入激发光，以对具有1570到1605nm之间的波长的光信号进行放大。

6、根据权利要求5所述的光放大器，其中，作为用于对波分复用信号进行放大的光放大介质，所述光纤具有大于或等于+5ps/nm/km并且小于或等于+15ps/nm/km的色散。

7、一种光纤，用于对其中复用了多个波长的光信号进行放大，该光纤在信号波段内具有正色散。

8、根据权利要求7所述的光纤，其中，所述光纤具有大于或等于+5ps/nm/km并且小于或等于+15ps/nm/km的色散。

9、根据权利要求8所述的光纤，其中，所述光纤具有大于或等于3.9μm并且小于或等于6.3μm的芯直径，以及大于或等于0.6并且小于或等于2.0的相对折射率差。

10、一种光放大介质设计方法，用于设计对光信号进行放大的光放大介质，该方法包括以下步骤：

为了实现要进行传播的具有不同波长的光信号的相位之间的失配，对于用作通过使用激发光对波分复用信号进行放大的光放大介质的光纤，在信号波段内选择正色散，以使得在信号频率与零色散频率之间存在很大的差异，其中，该信号频率为要放大的信号的频率，该零色散频率是色散为零时的频率；

找到所述光纤的芯直径和相对折射率差的下述范围，在该范围内，截止波长小于所述信号波段，并且在该范围内，弯曲损耗小于或等于一特定值；

在所述范围内找到满足正色散条件的条件范围；以及

在所述条件范围内确定芯直径、相对折射率差以及色散，以减少四波混频。

11、根据权利要求10所述的光放大介质设计方法，其中，作为用于对波分复用信号进行放大的光放大介质，所述光纤具有大于或等于+5ps/nm/km并且小于或等于+15ps/nm/km的色散。

12、根据权利要求11所述的光放大介质设计方法，其中，作为用于对波分复用信号进行放大的光放大介质，所述光纤具有大于或等于3.9μm并且小于或等于6.3μm的芯直径，以及大于或等于0.6并且小于或等于2.0的相对折射率差。

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