專利名稱：喇曼放大的色散補(bǔ)償組件的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及對通過光纖傳輸?shù)墓庑盘柕纳⑦M(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕M件。
對現(xiàn)有技術(shù)的討論通常，將包括一或多根色散補(bǔ)償光纖(DCF)的色散補(bǔ)償組件(DCM)稱為用于對通過光纖通信系統(tǒng)的光纖傳輸?shù)墓庑盘柕纳⑦M(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置。因而DCM能夠使現(xiàn)有的系統(tǒng)對具有該系統(tǒng)最初未設(shè)計的帶寬和波長的信號進(jìn)行處理，而不必用更新、更高級的纜線來更換大段已安裝的光纜。隨著傳輸帶寬需求的增大，從而將因此增大DCM必須提供有效色散補(bǔ)償?shù)牟ㄩL范圍。
在DCM中使用不止一種類型的光纖具有一定的優(yōu)點，包括更小的制造公差，以及對寬帶寬(50nm或更大)上的色散、色散斜率，甚至更高階色散同時進(jìn)行控制。因為DCM本身可以使用幾千米的具有某種信號衰減系數(shù)的光纖，故將色散補(bǔ)償和喇曼放大功能組合成單一的喇曼放大的色散補(bǔ)償組件或“RADCM”是有益的。
當(dāng)信號傳輸波長接近于已知的稀土摻雜放大器不能處理的區(qū)域，或者當(dāng)傳輸帶寬超過當(dāng)前的摻鉺光纖放大器的帶寬時，極其需要具有寬帶寬增益的單獨的放大器。單個喇曼放大器的優(yōu)點在于(a)它們可以工作在任何波長范圍內(nèi)，僅取決于所提供的泵浦波長，以及(b)通過使用處于幾種波長的多個泵浦，它們可以得到寬增益帶寬產(chǎn)品。
不過，具有優(yōu)良色散特性的現(xiàn)有DCM不是總能被改良成有效的RADCM。例如，給定的DCM可以提供良好的色散補(bǔ)償，不過不能對于可用的喇曼泵浦功率提供足夠大的增益。并且，用于色散補(bǔ)償?shù)腄CM中所使用的光纖可能太長，并且由于多路干擾(MPI)會產(chǎn)生噪音，或者用于色散補(bǔ)償?shù)腄CM中所使用的光纖可能具有太小的有效面積，并引起所不需要的四波混合(FWM)。
如所提到的，用喇曼泵浦單根光纖DCM來補(bǔ)償信號損失的概念是眾所周知的。參見例如美國專利5,887,093(1999年3月23日)，其所有相關(guān)的部分引作參考。在S.A.E.Lewis等人發(fā)表于36 Elec.Lett.(2000)，第1355頁的文章中，描述了一種寬帶RADCM，其具有長度經(jīng)過仔細(xì)選擇的兩個光纖，并將一定量的泵浦功率輸送給每根光纖。為了保持低噪聲因數(shù)，將相對較小的泵浦功率供給提供大部分色散補(bǔ)償?shù)墓饫w，該光纖提供小于25％的增益。不過，主要的補(bǔ)償光纖貢獻(xiàn)了超過一半的噪聲。另外，需要具有多個循環(huán)器的復(fù)雜的中跨(mid-span)泵浦裝置。因此，雖然Lewis等人論證了可以獨立地實現(xiàn)喇曼增益和色散補(bǔ)償，不過該文章沒有表示出同時實現(xiàn)所需的色散補(bǔ)償和喇曼增益，或者DCF可以實現(xiàn)寬帶或斜率和曲率補(bǔ)償。
在美國專利6,335,820(2002年1月1日)中描述了一種可選擇使用DCF的多級放大器，其所有相關(guān)的內(nèi)容引作參考。不過通過使用諸如光學(xué)隔離器的中間損耗元件和中跨泵浦結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)低噪聲操作。
從已知的技術(shù)看，需要一種RADCM，可以提供足夠大的增益、色散和色散斜率補(bǔ)償，由于DRS(雙瑞利散射)，MPI和FWM所產(chǎn)生的噪聲低，不必需要任何復(fù)雜的中跨泵浦系統(tǒng)或損耗元件。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，一種具有至少兩個色散補(bǔ)償光纖以補(bǔ)償通過傳輸光纖傳導(dǎo)的光信號中所產(chǎn)生的色散的色散補(bǔ)償組件，包括一具有第一長度、一輸入端和一輸出端的第一色散補(bǔ)償光纖(DCF)，該第一DCF具有第一喇曼增益系數(shù)(gR(λ))，第一喇曼有效光纖面積(Areff)和第一色散特性。該組件還包括一具有第二長度、一輸入端和一輸出端的第二DCF，其中該第二DCF的輸入端被設(shè)置成接收來自第一DCF輸出端的光信號，并且在第二DCF的輸入端與第一DCF的輸出端之間沒有泵浦信號源。該第二DCF具有第二喇曼增益系數(shù)，第二喇曼有效光纖面積和第二色散特性，選擇第二色散特性以與第一色散特性配合產(chǎn)生所需的組件色散，補(bǔ)償通過傳輸光纖傳導(dǎo)的、并且施加給第一DCF的輸入端的光信號中所產(chǎn)生的色散。
一泵浦光源被耦合到第二DCF的輸出端或第一DCF的輸入端。該泵浦光源在一或多個波長下具有一定的功率電平，以產(chǎn)生所需的具有確定帶寬的組件增益，用于放大該光信號，并且以這樣一種方式選擇第一和第二DCF的長度，使該組件增益最佳，同時保持所需的總組件色散。
為了更好地理解本發(fā)明，參考下面結(jié)合附圖的描述和所附的權(quán)利要求。
附圖的簡要說明在圖中

圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的RADCM的示意圖；圖2為表示使用不同長度的DCF的兩個RADCM的剩余色散曲線；圖3為表示圖2中兩個RADCM的增益的曲線；圖4為表示將其中DCF的順序交換的RADCM的增益的曲線；圖5為表示具有和不具有HNLF光纖的RADCM的剩余色散的曲線；圖6為表示圖5中RADCM的增益的曲線；圖7為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的RADCM的示意圖；圖8為表示以圖7中RADCM的輸入端處被反射的泵浦?jǐn)?shù)量為函數(shù)的增益曲線；圖9為表示具有和不具有泵浦反射器的兩個RADCM的增益的曲線；圖10為表示用于圖9中兩個RADCM的雙瑞利散射的曲線；以及圖11為表示以工作波長為函數(shù)的DCF的色散曲線。
本發(fā)明的詳細(xì)說明在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的RADCM中，組合兩或多個色散補(bǔ)償光纖(DCF)以獲得對色散、相對色散斜率(RDS)和更高階色散同時進(jìn)行控制。理論上，可以將無窮多段具有不同色散特性的多個光纖組合起來，以獲得對于給定信號波長范圍的所需的總組件色散，通過應(yīng)用下列的一或多個判據(jù)，可以使組件的喇曼增益和噪聲特性最佳1.選擇組件中DCF的長度，使總組件增益最大，同時保持目標(biāo)色散。
2.可以使用反射器，如光纖布拉格光柵(FBG)，在RADCM的信號輸入端再次注入未吸收的泵浦光，以增大泵浦利用率，同時降低雙瑞利散射所導(dǎo)致的噪聲，在輸入信號波長下沒有顯著的插入損耗。
3.可以選擇一或多個DCF的長度，以引入大于50ps/nm-km的色散，并且至少一個DCF可以引入小于20ps/nm-km，而Aeff＜20μm2(下面，稱之為高度非線性光纖或“HNLF”)。HNLF具有高喇曼增益系數(shù)，低色散，低色散斜率和曲率。HNLF的低斜率和曲率，能夠使整個組件的色散保持不受到其它DCF的長度輕微改變的影響，且顯著地增大總組件增益。
4.對于RADCM提供的總色散補(bǔ)償而言，光纖順序可能并不重要，為了使喇曼增益最大，同時使雙瑞利散射、MPI和FWM導(dǎo)致的噪聲最小，應(yīng)該考慮包括光纖損耗、喇曼增益和瑞利散射在內(nèi)的參數(shù)，使光纖順序最佳。
在具有多個共向-/反向傳輸泵浦和信號波長，和具有不同增益系數(shù)、損耗和瑞利散射系數(shù)的不同長度的光纖的RADCM中，通過求解下面對于每個光纖的相聯(lián)系的微分方程式，可以確定總組件增益和噪聲特性，該微分方程式說明不同波長信號之間的喇曼相互作用(公式1)dPf(z,v)dz=-α(v)Pf(z,v)+γ(v)Pb(z,v)]]>+∫ζ>v{grAeff(v-ζ)[Pf(z,ζ)+Pb(z,ζ)]Pf(z,v)]]>+2hvgrAeff(v-ζ)[Pf(z,ζ)+Pb(z,ζ)]]]>·[1+1eh(ζ-v)/k·T-1]}dζ]]>-∫ζ-v{grAeff(v-ζ)[Pf(z,ζ)+Pb(z,ζ)]Pf(z,v)]]>+2hvgrAeff(v-ζ)[Pf(z,ζ)+Pb(z,ζ)]]]>·[1+1eh(v-ζ)/k·T-1]}dζ.]]>nf(z，v)距離為z，頻率為v的正向功率；nb(z，v)距離為z，頻率為v的反向功率；α(v)衰減；γ(v)瑞利散射系數(shù)；gr(Δv)gr(ζ-v)頻率ζ與v之間的喇曼增益系數(shù)；Aeff光纖的有效面積；h普朗克常數(shù)；k波耳茲曼常數(shù)；T光纖的溫度。
最好求解上面方程式(1)的數(shù)值解，以便用于給定的通信系統(tǒng)時使組件性能最佳。不過，對于單泵浦和單個弱信號的情形，可以了解到某些趨勢。在小信號狀態(tài)，可以更容易地分析求解等式的不同部分。因此，對于光纖長度L，由下式表示出組件輸出端的信號功率Pout，與放大器輸入端處的信號功率Pin之間的關(guān)系Pout=Pinexp[gR(λ)AReffPpLeff-αsL]]]>(公式2)其中g(shù)R(λ)為喇曼增益系數(shù)，AReff為光纖的喇曼有效面積，Pp為DCF中的輸入泵浦功率，αs為信號波長下的損耗。Leff是泵浦波長下光纖的有效長度Leff=1αp(1-e-αpL)]]>(公式3)其中αp是泵浦波長下的損耗。
為了使組件增益最大，其特性使公式2中的冪最大的光纖段應(yīng)該承受最高的泵浦功率。例如，對于具有兩個光纖的組件，這兩個光纖段具有相同的損耗系數(shù)，應(yīng)該選擇具有最大比值gR/AReff的光纖可能的最大長度，同時保持所需的色散特性。由于光纖損耗和連接損耗衰減了泵浦功率，故應(yīng)該將具有較高增益的光纖設(shè)置在該組件的泵浦輸入側(cè)。
噪聲考慮在高增益的情形中，諸如HNLF的低色散光纖、噪聲的影響，可能會改變增益討論中所確定的光纖設(shè)置。為了使組件增益最佳，同時使雙瑞利散射MPI最小，應(yīng)該使具有高喇曼增益系數(shù)和瑞利散射與喇曼增益之比較低的HNLF所提供的增益最大。這實際上將主要作為增益部件(a gain block)的HNLF的功能與該組件中提供大部分色散補(bǔ)償?shù)囊换蚨鄠€其它DCF的功能相分離。雖然為了獲得最大增益，該組件的高增益HNLF部分應(yīng)該經(jīng)受最高泵浦功率，然而HNLF的低色散導(dǎo)致FWM所產(chǎn)生的性能惡化隨著HNLF所提供的增益的增大而增大。當(dāng)在整個組件中HNLF提供最大部分的增益時，這種損害最大。因此，對于具有由MPI和FWM所導(dǎo)致的低噪聲的RADCM，實際的折衷必須在HNLF所提供的增益量與FWM的大小之間進(jìn)行。
在中間或信號輸入端利用HNLF構(gòu)成反向泵浦的RADCM，其中在大于8dB的凈增益中，HNLF一般提供小于3dB的增益。這些組件表現(xiàn)出由于DRS所導(dǎo)致的較低(-43dB)的損害，并且對于40Gb/s的操作，F(xiàn)WM性能惡化足夠低。因而，將HNLF設(shè)置在中間(或在反向泵浦組件中設(shè)置在信號輸入端)，并不提供最大可能的增益，這種結(jié)構(gòu)顧及增大的增益而沒有DRS和FWM所造成的明顯的損害。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的雙光纖RADCM10。RADCM10具有兩個色散補(bǔ)償光纖(DCF)12、14。一或多個反向泵浦16向DCF14的信號輸出端18供給一或多個波長的泵浦功率。一或多個共向泵浦20也可以向DCF12的信號輸入端22供給一或多個波長的泵浦功率。適當(dāng)?shù)剡x擇泵浦波長，以增大組件10的增益帶寬。
通過優(yōu)化DCF12、14的長度，使RADCM10的增益最佳圖2表示按照圖1構(gòu)成兩個RADCM時的剩余色散(在工作波長范圍上最大色散與最小色散之間的差)，不過使用不同長度的DCF12、14，與100km的TWRS組合。這兩個RADCM均使用HSDK和THOR8A774作為光纖12、14。一個組件使用2.907km的HSDK和2.66km的THOR8A774(曲線1)，另一個組件使用了1.5km的HSDK和5.385km的THOR8A774(曲線2)。兩個組件的剩余色散窗口(圖2)相同。不過，如圖3所示，兩個組件的增益明顯不同。對于給定的泵浦功率大小，使用2.9kmHSDK的組件比另一組件的增益大3dB。
通過優(yōu)化DCF12、14的順序，使RADCM10的增益最佳在使用兩或多種類型DCF的RADCM中，總色散不依賴于組件中光纖的構(gòu)成順序。不過，組件的增益確實取決于給定DCF相對泵浦和輸入信號的設(shè)置順序，因為隨著在光纖中的傳播，泵浦功率被衰減。從而，通過將最高的泵浦功率引入具有最高增益效率的光纖中，可以獲得更高的增益。
圖4表示具有2.907km HSDK和2.660km THOR8A 774的RADCM 10的增益。曲線1表示當(dāng)HSDK光纖設(shè)置在靠近RADCM的泵浦一側(cè)時計算出來的增益，曲線2表示當(dāng)HSDK光纖設(shè)置在組件的信號一側(cè)時的增益。當(dāng)將比THOR8A774光纖具有更高喇曼增益系數(shù)的HSDK光纖設(shè)置在RADCM的泵浦一側(cè)時，該增益顯著增大(大1.5dB)。
在RADCM10中使用HNLF光纖圖1的RADCM中，DCF12、14其中之一可以具有大于50ps/nm-km的色散，另一DCF具有小于20ps/nm-km的色散，不過具有更高的增益效率。在這種情形中，后一光纖，此處稱之為高非線性光纖或HNLF，其對于組件10不提供明顯的色散補(bǔ)償，且被用于增大第一所述光纖的增益。
理論上，HNLF的相對色散斜率(RDS)小于典型色散補(bǔ)償光纖的一半。更重要的是，HNLF的相對色散曲率(RDC)應(yīng)該小于典型DCF的相對色散曲率。
圖5表示具有和不具有HNLF的RADCM的色散和增益，其中該HNLF具有D＝-4.9ps/nm-km，D’＝0.017ps/nm2-km，D”＝-8.9×10-5ps/nm3-km的性質(zhì)。不具有HNLF的RADCM使用3.3km的HSDK和2.18km的THOR8A774。使用HNLF的組件包括2.62kmHSDK，3.1kmTHOR8A774和3.0kmHNLF。由于HNLF的低RDS，圖5中所示的兩個組件的色散基本相同。不過如圖6所示，在組件中包括HNLF，顯著地增大了增益。該RADCM中光纖的順序為THOR8A774在組件的信號輸入一側(cè)，HNLF在中間，HSDK在組件的泵浦側(cè)。雖然所述的順序不提供最高增益，不過如上面所討論的，從噪聲觀點看這種順序更有益。該順序得到-43dB的低DRS系數(shù)(Rc)，以及FWM導(dǎo)致的低降質(zhì)。
泵浦反射圖7表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的RADCM100。與圖1中的RADCM10相同或相似的部分，具有相應(yīng)的增加100的標(biāo)號。RADCM100包括兩或多個色散補(bǔ)償光纖112、114，具有一光纖布拉格光柵130形式的泵浦反射器，用于有效地利用未吸收的泵浦能量。由于一般DCF112、114的長度小于10km，如果不被光柵130向回反射以增大組件的增益和效率，將從組件中輸出相當(dāng)大的泵浦功率使用泵浦反射器優(yōu)化增益在組件100的信號輸入端122，可以使用諸如圖7中的光柵130的泵浦反射器來增大泵浦能量的利用。這種設(shè)置可增大組件增益和減小雙瑞利散射造成的損害。因為泵浦116工作于比輸入組件的光信號更短的波長下，故可以將泵浦反射器構(gòu)成為在輸入信號波長下引入極小的損耗(例如0.1至0.2dB)。因為部分泵浦光與信號共向傳播，故必須選擇用作泵浦116的激光器，使得它們的RIN噪聲處于系統(tǒng)接收器的頻率范圍之外，以防止泵浦—信號串?dāng)_所造成的質(zhì)量降低。
圖8表示在RADCM100的信號輸入端122反射的不同數(shù)量的泵浦波長對組件增益的影響。對于所有的泵浦均被反射的某些波長，可以將增益增大3dB。不過，反射所有的泵浦功率未必是有益的，因為泵浦與泵浦的相互作用能導(dǎo)致顯著的增益傾斜。被反射泵浦的最佳數(shù)量取決于泵浦和信號波長的總數(shù)量，和功率，以及DCF112、114的各種性質(zhì)，如損耗和喇曼增益。
圖9表示兩個RADCM的增益，其中的一個具有4.5kmHSDK，沒有泵浦反射器，另一個具有3.0kmHSDK，并且具有泵浦反射器。雖然兩個組件的增益相似，不過圖10表示出，對于使用更短長度HSDK光纖和FBG泵浦反射器的組件而言，其雙瑞利散射所導(dǎo)致的損害顯著降低。
圖11為表示以波長為函數(shù)的DCF的色散特性曲線。如圖所示，在其中特性曲線斜率的改變率(即二階導(dǎo)數(shù))基本為零的某個波長處，該特性曲線呈現(xiàn)出一個拐點200。根據(jù)本發(fā)明，最好是選擇用于本組件的一或多個DCF，使它們的拐點處于或接近于該系統(tǒng)傳輸光纖的工作波長范圍。DCF的這種選擇能夠使本發(fā)明組件以最佳方式補(bǔ)償傳輸光纖的色散。
盡管前面的描述代表了本發(fā)明的最佳實施例，顯然本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離下面的權(quán)利要求提出的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以進(jìn)行多種改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種喇曼放大的色散補(bǔ)償組件(RADCM)，具有兩或多個色散補(bǔ)償光纖(DCF)，共同配合對通過傳輸光纖傳導(dǎo)的光信號中所產(chǎn)生的色散進(jìn)行補(bǔ)償，該喇曼放大色散補(bǔ)償組件包括一具有第一長度、一輸入端和一輸出端的第一DCF，該第一DCF具有第一喇曼增益系數(shù)(gr(λ))、第一喇曼有效光纖面積(Areff)和第一色散特性；一具有第二長度、一輸入端和一輸出端的第二DCF，其中該第二DCF的輸入端被設(shè)置成接收來自第一DCF的輸出端的光信號，在第二DCF的輸入端與第一DCF的輸出端之間沒有泵浦信號源，并且該第二DCF具有第二喇曼增益系數(shù)、第二喇曼有效光纖面積和第二色散特性，選擇第二色散特性，以與第一色散特性配合對于將在第二DCF的輸出端提供的光信號進(jìn)行補(bǔ)償；以及一耦合到第二DCF的輸出端或第一DCF的輸入端的泵浦光源，其中該泵浦光源具有處于一或多個波長下的一定的功率電平，為了產(chǎn)生所需的具有確定帶寬的組件增益，用于對被補(bǔ)償?shù)墓庑盘栠M(jìn)行放大；以及選擇第一和第二DCF的長度，以使所需的組件增益最佳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RADCM，其中該泵浦光源被耦合到第二DCF的輸出端，并且包括一或多個設(shè)置在第一DCF的輸入端的泵浦反射器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的RADCM，其中該一或多個泵浦反射器為光纖布拉格光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RADCM，包括一第三DCF，該第三DCF具有一被設(shè)置成從第一DCF的輸出端接收光信號的輸入端，一被設(shè)置成將在第三DCF的輸入端所接收的光信號提供給第二DCF的輸入端的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RADCM，其中DCF之一的色散小于大約20ps/nm-km，并且有效面積小于大約20μm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的RADCM，其中DCF之一的色散大于大約50ps/nm-km。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RADCM，其中至少一個DCF的色散特性在被該組件補(bǔ)償?shù)膫鬏敼饫w的工作帶寬之內(nèi)或附近的波長處具有一拐點。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的RADCM，其中一個DCF的色散小于10ps/nm-km，并且至少另一個DCF被設(shè)置在所述的一個DCF和泵浦光源之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RADCM，其中具有[(gR(λ)/AReff)(Pp)(Leff)-(αs)(L)]的值最大的DCF的長度(L)基本上為盡可能大，同時保持所需的總組件色散，其中g(shù)R(λ)為該DCF的喇曼增益系數(shù)，AReff是該DCF的喇曼有效面積，Pp是輸入該DCF的泵浦功率，αs是在傳輸信號波長下該DCF的損耗，Leff是在泵浦光波長下該DCF的有效長度，其中Leff=(1/αp)(1-e-αPL),]]>且αp是泵浦光波長下該DCF的損耗。
10.一種光纖通信系統(tǒng)，包括一用于發(fā)射光信號的發(fā)射器，一用于在所需光路上傳輸光信號的系統(tǒng)傳輸光纖，一用于接收光信號的接收器，和一根據(jù)權(quán)利要求1所述可操作地耦合到發(fā)射器與接收器之間的傳輸光纖上的RADCM，以對傳輸光纖在該光信號中產(chǎn)生的色散進(jìn)行補(bǔ)償。
全文摘要
一種喇曼放大的色散補(bǔ)償組件，包括一具有一輸入端和一輸出端的第一色散補(bǔ)償光纖(DCF)。該第一DCF具有已知的喇曼增益系數(shù)(g
文檔編號G02F1/35GK1445939SQ0214284
公開日2003年10月1日 申請日期2002年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月16日
發(fā)明者戴維·J·迪喬萬尼, 威廉·A·里德, 杰弗里·W.·尼科爾森, 甄文輝, 貝拉·帕爾斯托蒂爾 申請人:菲特爾美國公司