專利名稱：波分復(fù)用光學(xué)通信系統(tǒng)中的反泵浦分布式喇曼放大的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)通信系統(tǒng)，特別涉及在波分復(fù)用WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中的反泵浦(counter-pumped)分布式喇曼(Raman)放大。此外，本發(fā)明提供一種用于提供反泵浦喇曼放大的方法，一種包括反泵浦分布式喇曼放大的光學(xué)WDM通信系統(tǒng)以及一種喇曼泵浦模塊。
在

圖1中示出了WDM光學(xué)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，所述WDM光學(xué)通信系統(tǒng)使得沿著單一光纖(2)傳輸N個(gè)通信信道成為可能。眾所周知，每個(gè)傳送器(4)TX1到TXN將每個(gè)通信信道調(diào)制到具有各自載波波長(zhǎng)λ1到λN的各自光學(xué)載波上。光學(xué)載波通常稱為波長(zhǎng)信道。與通信信道(光學(xué)信號(hào))調(diào)制的光學(xué)載波，起始于傳送器(4)，通過多路復(fù)用器(6)MUX組合成形成由傳輸功率放大器(8)光學(xué)放大的WDM輻射，并且沿著光纖(2)傳播。在沿著光纖(2)傳輸期間，WDM輻射由串聯(lián)的光學(xué)放大器(10)ILA光學(xué)放大，用來補(bǔ)償由傳輸路徑中的光纖和任何其他組件引入的損耗(例如，色散補(bǔ)償器，平衡濾波器等)。在目的節(jié)點(diǎn)，WDM輻射在被多路分解器(14)DEMUX分離成獨(dú)立波長(zhǎng)信道并指向到相應(yīng)的接收器(16)RX1到RXN之前，由接收機(jī)功率光學(xué)放大器(12)RPA進(jìn)行光學(xué)放大。
這種通信系統(tǒng)的開發(fā)傾向于連續(xù)增加它們的傳輸能力(即，WDM波長(zhǎng)信道的數(shù)量越多，調(diào)制頻率越高)，并且傾向于在沒有進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的情況下覆蓋日益增大的距離。喇曼放大，特別是分布式喇曼放大，在WDM光學(xué)通信系統(tǒng)的開發(fā)中起到一份作用。盡管圖1中示出的光學(xué)放大器(8，10，12)是離散放大器，典型的是摻鉺光纖放大器EDFA，并且其包括放大介質(zhì)(摻鉺光纖)，但分布式喇曼放大器利用傳輸光纖作為放大介質(zhì)。圖2中示出了基于EDFA和分布式喇曼放大的WDM系統(tǒng)框圖。喇曼放大可以當(dāng)WDM光信號(hào)沿著傳輸光纖傳播時(shí)，通過來自喇曼泵浦RP激光器(18)的光學(xué)能量到WDM光信號(hào)的轉(zhuǎn)換獲得。喇曼放大通過泵浦沿著WDM輻射相同方向傳播即協(xié)同傳播的適當(dāng)波長(zhǎng)的輻射獲得，或者利用沿著WDM輻射傳播方向的相反方向傳播即反傳播的輻射獲得。反傳播放大，下文中稱為反泵浦，在通過泵浦轉(zhuǎn)移到WDM信號(hào)中的噪聲這方面，與協(xié)同傳播方案相比較存在較少的問題，并因此更普遍使用在當(dāng)前商業(yè)系統(tǒng)中。泵浦輻射通過光耦合器(20)耦合到傳輸光纖(2)。
由于在分布式喇曼光學(xué)放大器中，來自泵浦的光能到WDM輻射的轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在傳輸光纖內(nèi)部，所以光纖的特性影響放大器特性?，F(xiàn)有多種類型的傳輸光纖G652-也稱為SFM，具有在大約1300nm的零色散和在1550nm大約15ps/km nm的色散(其中典型的分配c波段WDM信道，因?yàn)槎趸韫饫w的最小衰減發(fā)生在1550nm)。
G653-也稱為DSF(色散位移光纖)，在1550nm具有零色散。這種光纖不太適合在1550nm(c波段)的WDM傳輸，這是因?yàn)樵?550nm的低色散增加了WDM信道之間的非線性交互作用。
G655-也稱為NZ-DSF(非零色散位移光纖)，其既不在1550nm也不在1300nm波段具有零色散(如G652的情形)。根據(jù)上面所提到的情況可以列為TW-RS在1450nm具有零色散(OFS)TW-CLASSIC在1515nm具有零色散(OFS)TW-PLUS在1530nm具有零色散(OFS)E-LEAF在1500nm具有零色散(CORNING)FREE-LIGHT在1500nm具有零色散(PIRELLI)在當(dāng)前光學(xué)通信系統(tǒng)中使用二氧化硅傳輸光纖的情況下，最大喇曼增益出現(xiàn)在泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)(具有比信號(hào)更低波長(zhǎng)的泵浦)之間大約13THz(100nm)的頻率差上。
喇曼放大改善了系統(tǒng)輸出的光學(xué)信噪比(OSNR)，降低了由于光纖中非線性傳播現(xiàn)象造成的損失，并且因此對(duì)于增加系統(tǒng)的傳輸能力和不必采取光到電到光的轉(zhuǎn)換而達(dá)到的最大距離是很有用的。
盡管比協(xié)同傳播喇曼放大具有更少的問題，但是在特定條件下并且具有特定傳輸光纖特性的反泵浦喇曼放大能夠引起嚴(yán)重?fù)p失，最特別的是當(dāng)試圖增加泵浦激光器的功率來在傳輸和接收位置之間具有很長(zhǎng)連接的通信系統(tǒng)中提供更大光學(xué)增益時(shí)。通常，在光纖的零色散波長(zhǎng)λM位于泵浦波長(zhǎng)λP和信號(hào)波長(zhǎng)λS之間的中間位置時(shí)，或者換句話說是在泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)的色散與一絕對(duì)值相同時(shí)，使用反泵浦喇曼放大的光學(xué)信噪比退化問題就會(huì)出現(xiàn)；在這些條件下，信號(hào)下的ASE(放大自發(fā)輻射)以與泵浦相同的群速傳播，并且因此與泵浦進(jìn)行有效的交互作用。
實(shí)際上，對(duì)于同時(shí)利用離散EDFA放大器和反泵浦分布式喇曼放大器的通信系統(tǒng)的WDM信號(hào)來講能夠被配置在傳統(tǒng)的EDFA波段(從1530到1560nm)或者在EDFA寬波段(從1570到1600nm)。
假定喇曼泵浦必須配置在波長(zhǎng)低于WDM信道的大約100nm，我們的第一近似是，即用于使用傳統(tǒng)波段(1530-1560nm)EDFA的系統(tǒng)的喇曼泵浦位于1430-1460nm范圍內(nèi)，而在具有寬波段EDFA(1570-1600nm)系統(tǒng)的情況下，泵浦位于1470nm和1500nm之間。
應(yīng)該注意的是，尤其在非零色散位移光纖(NZ-DSF)情況下，零色散波長(zhǎng)可能位于泵浦激光器輻射和傳統(tǒng)WDM信號(hào)之間。
在G655類型傳輸光纖中，用于光纖的零色散波長(zhǎng)λM實(shí)際上可以位于泵浦波長(zhǎng)λP和WDM信號(hào)波長(zhǎng)λS之間的中間位置。在這樣一種諧振條件下(也就是， 通過將討論的不同機(jī)構(gòu)，盡管泵浦激光器輻射是反傳播，但泵浦仍能夠非常有效的將噪聲轉(zhuǎn)移到信號(hào)。
在反傳播情況下，將泵浦輻射的噪聲轉(zhuǎn)移到信號(hào)的物理機(jī)制是復(fù)雜的。應(yīng)當(dāng)想到的是，除了放大信號(hào)，喇曼放大還引入了放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲，其沿著傳輸光纖雙向傳播(與WDM信號(hào)的ASE+協(xié)同傳播以及關(guān)于WDM信號(hào)的ASE-反傳播)。此外，分布式喇曼放大產(chǎn)生了噪聲的另一主要原因，所述噪聲與影響信號(hào)和ASE的瑞利反向散射現(xiàn)象相關(guān)。泵浦輻射以及關(guān)于泵浦(ASE-)協(xié)同傳播的放大自發(fā)輻射之間非線性交互作用的存在以及泵浦的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)到自發(fā)輻射的轉(zhuǎn)移進(jìn)一步使得機(jī)制復(fù)雜化。
總體來說，在諧振條件下削弱分布式喇曼放大器性能的現(xiàn)象與泵浦輻射和在與泵浦(ASE-)相同方向上傳播的自發(fā)輻射之間的有效非線性參數(shù)增益交互作用有關(guān)，特別歸因于諧振條件(參數(shù)增益是非線性諧振四波混頻現(xiàn)象)。ASE-在諧振區(qū)被極大的放大，也就是，對(duì)于波長(zhǎng)來講其在光纖零色散波長(zhǎng)的另一側(cè)關(guān)于泵浦對(duì)稱。非線性參數(shù)增益交互作用引起ASE-在光譜區(qū)(凸起)過分地增長(zhǎng)，喇曼增益并且因此利用的泵浦較高；ASE-在泵浦方向的傳播被反向散射，并且通過準(zhǔn)確的在信號(hào)光譜范圍引起協(xié)同自發(fā)ASE+輻射累積的泵浦被再放大，削弱了它們的信噪比。
除此以外，在與信號(hào)的雙瑞利反向散射(DRS)相關(guān)的諧振條件下，存在另一種削弱性能的機(jī)制，其中單獨(dú)的反向散射信號(hào)在與泵浦相同的方向上傳播，并且因此能夠經(jīng)歷除了喇曼放大之外的參數(shù)放大。雙反向散射經(jīng)歷經(jīng)一步的喇曼放大，并且因此引起信號(hào)串?dāng)_。
當(dāng)采用的泵浦激光具有相對(duì)較窄的波段(小于1nm)并且在諧振條件下使用在大功率時(shí)，這些現(xiàn)象是特別有限的。而且泵浦激光的相對(duì)噪聲強(qiáng)度(RIN)特性可能影響這種現(xiàn)象，但是局限于較小的程度。由于它們的高功率以及低成本，采用的典型的光纖喇曼激光器受到所述問題的嚴(yán)重影響。即使其他類型的泵浦光源，例如多路偏振(或者去偏振)并且特征為較低RIN的法布里-珀羅(Fabry-Perot)激光器，引起在諧振條件下較少的損失，但是不能夠提供象利用光纖喇曼激光器獲得的并且具有長(zhǎng)光纖/損耗的WDM系統(tǒng)所需要的高增益。
本發(fā)明的目的是提供一種反泵浦喇曼放大器以及一種提供反傳播喇曼放大的方法，其至少部分克服在諧振條件下由于上述現(xiàn)象引起的缺點(diǎn)和損失。
另一個(gè)目的是提供一種方法和系統(tǒng)，其能夠利用高功率/低成本光纖喇曼激光器獲得高的喇曼增益。
實(shí)質(zhì)上，本發(fā)明包括在將其注入到關(guān)于WDM信號(hào)反向傳播的傳輸光纖之前故意地去相關(guān)泵浦輻射的縱模，以至于引入在激光泵浦輻射縱模之間的相移，其對(duì)于消除上述的諧振現(xiàn)象是足夠的。
引入到泵浦激光器輻射的去相關(guān)的幅值必須限制到抵消這樣波長(zhǎng)的ASE-放大峰值所需的最小值，該波長(zhǎng)關(guān)于在傳輸光纖中零色散相反側(cè)的泵浦激光器輻射的波長(zhǎng)對(duì)稱，并且因此關(guān)于作為上述機(jī)制結(jié)果的ASE+自發(fā)輻射對(duì)稱。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種方法，該方法提供了在波分復(fù)用WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中的反泵浦喇曼放大，該通信系統(tǒng)包括傳輸光纖，該傳輸光纖用來引導(dǎo)具有傳輸波段的WDM輻射，和至少一個(gè)喇曼泵浦激光器，用來產(chǎn)生具有各自泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射，并且其中傳輸光纖具有位于傳輸波段和泵浦波長(zhǎng)之間中間位置的零色散，該方法的特征在于在關(guān)于WDM輻射的反傳播方向上將泵浦輻射耦合到傳輸光纖中之前，去相關(guān)泵浦輻射的縱模。通過充分去相關(guān)泵浦輻射縱模，這實(shí)質(zhì)上會(huì)減小在傳輸過程中WDM輻射光學(xué)信噪比的退化。
有利的是，該方法還包括利用光纖喇曼激光器生成泵浦輻射。這種激光器與其他類型激光器相比較提供了相對(duì)低成本的高輸出功率的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，還提供了一種光學(xué)波分復(fù)用WDM通信系統(tǒng)，包括引導(dǎo)具有傳輸波段的WDM輻射的傳輸光纖；至少一個(gè)用來產(chǎn)生具有各自泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射的喇曼泵浦激光器，以及在關(guān)于WDM輻射傳播方向的反傳播方向上將泵浦輻射耦合到傳輸光纖的耦合裝置，并且其中傳輸光纖具有位于傳輸波段和泵浦波長(zhǎng)之間中間位置的零色散波長(zhǎng)，該系統(tǒng)的特征在于，在泵浦輻射耦合進(jìn)入傳輸光纖之前去相關(guān)所述泵浦輻射縱模的去相關(guān)裝置。
優(yōu)選地，泵浦激光器包括光纖喇曼激光器?？商鎿Q地它可以包括法布里-珀羅激光二極管或者其他適當(dāng)?shù)募す庠础?br> 有利的是，去相關(guān)裝置包括為了去相關(guān)泵浦輻射縱模而具有色散或非線性特性的一個(gè)長(zhǎng)度的光纖。在一優(yōu)選的配置中，它包括一個(gè)長(zhǎng)度的色散補(bǔ)償光纖(DCF)。在一工作在1550nm的WDM系統(tǒng)中，DCF具有一產(chǎn)生例如絕對(duì)值位于20ps/nm和250ps/nm之間總色散的長(zhǎng)度。例如，它能夠包括一100km長(zhǎng)度的TW-RS光纖。色散或非線性特性具有一有效面積Aeff和非線性系數(shù)γ，來產(chǎn)生充分的泵浦輻射模的去相關(guān)，從而減少或抑制WDM輻射的退化。
有利的是，當(dāng)去相關(guān)元件包括用于去相關(guān)模式的一個(gè)長(zhǎng)度的光纖時(shí)，有利的是通信系統(tǒng)還包括在該長(zhǎng)度光纖和耦合裝置之間的濾波器，用來阻擋該長(zhǎng)度光纖中喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的自發(fā)輻射。
可替換地，去相關(guān)裝置能夠包括第一光學(xué)耦合器，用來分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及從第一和第二光路重新組合泵浦輻射的第二耦合裝置。
優(yōu)選的，在這樣一種配置中，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
在另一個(gè)可替換配置中，去相關(guān)元件包括偏振分配器，其分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及偏振組合器，用來重新組合來自于第一和第二光路的泵浦輻射。
有利的是，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
在一優(yōu)選的配置中，通信系統(tǒng)還包括多個(gè)喇曼泵浦激光器，其每一個(gè)激光器產(chǎn)生具有各自不同泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射；用于去相關(guān)泵浦輻射縱模的各自去相關(guān)裝置；以及用于組合泵浦輻射的多路復(fù)用裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種喇曼泵浦模塊，用來生成具有一泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射，其用來耦合到光學(xué)波分復(fù)用WDM通信系統(tǒng)的傳輸光纖中來提供其中反傳播WDM輻射的喇曼放大，該WDM輻射具有一傳輸波段，并且其中傳輸光纖具有位于傳輸波段和泵浦波長(zhǎng)之間中間位置的零色散波長(zhǎng)，該模塊包括用來產(chǎn)生泵浦輻射的喇曼泵浦激光器，其特征在于，用來在泵浦輻射耦合到傳輸光纖之前去相關(guān)所述泵浦輻射縱模的去相關(guān)裝置。
有利的是，喇曼模塊特征還在于泵浦激光器是光纖喇曼激光器。
在一種配置中，去相關(guān)裝置包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其具有去相關(guān)泵浦輻射縱模的色散或非線性特性。有利的是，為了阻擋由該長(zhǎng)度光纖中喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的自發(fā)輻射，喇曼模塊還包括位于之間的濾波器。
可替換地，去相關(guān)裝置能夠包括第一光學(xué)耦合器，用來分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及第二耦合裝置，用來重新組合來自于第一和第二光路中的泵浦輻射。優(yōu)選的，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
在另一個(gè)可替換實(shí)施例中，去相關(guān)元件包括偏振分配器，其分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及偏振組合器，用來重新組合來自于第一和第二光路中的泵浦輻射。
延遲元件方便的包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
通過參考附圖對(duì)一些非限制性實(shí)施例的描述，在下面描述本發(fā)明的各個(gè)方面和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是根據(jù)前面討論過的現(xiàn)有技術(shù)的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)的圖示；圖2示出了根據(jù)前面討論過的現(xiàn)有技術(shù)的包括反泵浦分布式喇曼放大器的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)；圖3示出了對(duì)于利用光纖喇曼激光器的反泵浦喇曼放大的已知配置；圖4示出了在反泵浦喇曼放大器中信號(hào)輻射，泵浦輻射，ASE+，ASE-，單瑞利反向散射以及雙瑞利反向散射信號(hào)輻射的傳播方向；圖5是對(duì)于采用“Keopsys”激光器的500mW泵浦功率的ASE-和ASE+頻譜；圖6是對(duì)于采用“Keopsys”激光器的不同泵浦功率在傳輸光纖輸出端的ASE+頻譜；圖7是對(duì)于采用IPG“Fibretech”激光器的不同泵浦功率在傳輸光纖輸出端的ASE+頻譜；圖8是等效噪聲數(shù)(NF)對(duì)泵浦功率的曲線；圖9顯示了關(guān)于接近諧振條件的開關(guān)增益(Gon-off)的等效噪聲數(shù)；圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反泵浦喇曼放大系統(tǒng)；圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的反泵浦喇曼放大系統(tǒng)；圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的反泵浦喇曼放大系統(tǒng)；圖13是對(duì)于圖3(現(xiàn)有技術(shù))、圖10和11中所示系統(tǒng)的噪聲數(shù)(NF)對(duì)波長(zhǎng)的曲線；圖14是對(duì)于圖3(現(xiàn)有技術(shù))、圖10和11中所示系統(tǒng)的光學(xué)信噪比(OSNR)對(duì)波長(zhǎng)的曲線；圖15是對(duì)于圖3(現(xiàn)有技術(shù))中所示系統(tǒng)以及根據(jù)顯示在圖10中具有8個(gè)輸入WDM波長(zhǎng)信道的本發(fā)明的輸出頻譜；圖16對(duì)于根據(jù)圖3(現(xiàn)有技術(shù))中的系統(tǒng)以及根據(jù)顯示在圖10中的本發(fā)明，信噪比(S/N)對(duì)開關(guān)增益(Gon-off)的曲線；圖17示出了對(duì)于根據(jù)圖3(現(xiàn)有技術(shù))中的系統(tǒng)以及根據(jù)顯示在圖10中的本發(fā)明，ASE+和DRS頻譜之間的比較；圖18示出了具有兩個(gè)泵浦激光器的已知反泵浦喇曼放大；圖19顯示了根據(jù)本發(fā)明具有兩個(gè)泵浦激光器的反泵浦喇曼放大。
為了更好的理解本發(fā)明，首先更詳細(xì)的分析光學(xué)通信系統(tǒng)并且識(shí)別出它的特殊特征和問題是有用的。參考圖3，其中示出了現(xiàn)有反泵浦喇曼放大器配置的總圖。如已知的，在反泵浦喇曼放大器中，WDM輻射和泵浦輻射沿著傳輸光纖在相反(反傳播)方向傳播。泵浦輻射能夠包括單一波長(zhǎng)或者由各個(gè)激光器(多路復(fù)用在一起)產(chǎn)生的幾個(gè)波長(zhǎng)，所述泵浦輻射具有相比較其所要放大的WDM輻射低(典型的低100nm量級(jí))的波長(zhǎng)。后者提供更寬的增益帶寬。
通過例子，下面我們考慮采用單一波長(zhǎng)泵浦(利用光纖喇曼激光器(18)產(chǎn)生)的喇曼泵浦的最臨界例子。如已經(jīng)提到的，這種泵浦源提供了一高輸出功率(但是在不同W)，其特征在于少于1nm的線寬以及典型的-110dB/Hz級(jí)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)。這種源的頻譜包括非常多的縱模，具有非常窄的波段(典型的數(shù)百KHz)以及典型的MHz級(jí)的間隔。泵浦輻射具有低水平的偏振(少于10％)并且通過光環(huán)形器或者通過光耦合器(20)耦合到傳輸光纖(2)。
圖4顯示了泵浦輻射、WDM信號(hào)、ASE+(與WDM信號(hào)協(xié)同傳播的放大自發(fā)輻射)、ASE-(關(guān)于WDM信號(hào)反傳播的放大自發(fā)輻射)以及由于ASE-的單一瑞利反向散射和WDM信號(hào)的雙瑞利反向散射(DRS)的輻射的傳播方向。我們來分析在采用圖3中示出的分布式喇曼放大器配置的傳統(tǒng)EDFA波段中，具有用于反泵浦WDM信號(hào)的單一波長(zhǎng)(1443nm)的光纖喇曼激光器(Keopsys)。傳輸光纖(2)是G.655(Pirelli Free-Light)類型，在大約1500nm具有零色散。因此諧振條件預(yù)期在中心位于1558nm周圍的波長(zhǎng)。
利用光譜分析儀研究在這樣一種系統(tǒng)的傳輸光纖中產(chǎn)生的ASE-和ASE+的頻譜特性。圖5在一特定泵浦功率(500mW)比較了ASE-和ASE+頻譜。注意，在傳輸光纖的輸出端測(cè)量ASE+，在傳輸光纖的輸入端測(cè)量ASE-。參考圖5，很清楚的是存在對(duì)應(yīng)于諧振的一自發(fā)ASE-累積。比較不明顯的，但是仍然存在的是，在ASE+中這種過度自發(fā)累積的效果。這歸因于這樣的事實(shí)由泵浦輻射和自發(fā)輻射的直接交互作用產(chǎn)生的諧振區(qū)中的ASE-過度累積；在諧振附近的ASE+的增加相反由于反向散射以及ASE-的進(jìn)一步放大，隨著喇曼增益增加，現(xiàn)象逐漸明顯。
圖6示出了當(dāng)光纖中耦合泵浦的功率增加時(shí)ASE+的頻譜。從這個(gè)圖中，很明顯的是對(duì)應(yīng)于諧振的ASE+的累積，隨著泵浦功率并且因此隨著喇曼增益而相當(dāng)大的增加。
用來自另一個(gè)供應(yīng)方的(IPG Fibertech)具有1450nm輻射波長(zhǎng)的光纖喇曼激光器重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，如圖7所示，ASE+頻譜顯示出在1550nm附近隨著泵浦功率增加而增加的累積(凸起)。
通過對(duì)于分布式喇曼放大器的等效噪聲數(shù)(NF)的分析，清楚顯示出由這種類型現(xiàn)象在光學(xué)通信系統(tǒng)中引入的退化，定義如下NF=10log(SNRinSNRout)=10log(PASE+hvΔvGon-off)]]>
其中SNRin和SNRout是在放大器輸入端和輸出端的光學(xué)信噪比，PASE+是在頻帶Δv中位于輸出端的ASE+功率，h是普蘭克(Plank)常數(shù)，v是信號(hào)頻率，Gon-off是喇曼放大器的開關(guān)增益，其定義為當(dāng)泵浦開時(shí)輸出信號(hào)的功率與當(dāng)泵浦關(guān)時(shí)輸出信號(hào)的功率之間的比(注意集中放大器(concentrated amplifier)中物理上用到的凈增益定義為信號(hào)的輸出功率和輸入功率之間的比)。分布式喇曼放大器的NF可以是負(fù)值，并且根據(jù)噪聲特性，NF越低放大器越好。
分析關(guān)于注入到光纖的泵浦功率的反泵浦分布式喇曼放大器的NF(或者喇曼增益)，可以獲得圖8中示出的典型曲線。圖8顯示出了對(duì)于100km的TW-RS光纖的結(jié)果。NF隨著泵浦功率增加到最佳值而減少，超過該最佳值時(shí)由于ASE-反向散射現(xiàn)象它又開始增加，當(dāng)放大增益一起累加到ASE+時(shí)，增加它，并且因此降低放大器的NF。這種效果不論諧振條件的存在與否都會(huì)出現(xiàn)，并且其對(duì)反泵浦分布式喇曼放大是固有的。明顯的，在NF增加開始被注意到的功率值隨著光纖的變化而變化，并且特別取決于瑞利反向散射系數(shù)以及光纖的有效面積。
當(dāng)諧振存在時(shí)，在圖8中描述的效果更大，并且信號(hào)一開始接近最大諧振波長(zhǎng)，NF就開始關(guān)于泵浦功率(或者開關(guān)增益)增長(zhǎng)。這顯示在圖9中，分別顯示了對(duì)于1542，1548，1549.5和1551.2nm信號(hào)波長(zhǎng)的NF作為開關(guān)增益(Gon-off)的函數(shù)。當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)朝著1550nm的諧振增加時(shí)，可以明顯看出NF的增加。
在諧振存在時(shí)，信號(hào)的雙瑞利反向散射(DRS)通過參數(shù)增益，將噪聲從泵浦轉(zhuǎn)移到信號(hào)的信號(hào)反向散射而增強(qiáng)。然而，實(shí)驗(yàn)很難測(cè)量諧振信號(hào)的DRS功率，這是因?yàn)樵摴β逝cASE+的過度增加融合。
下面可以看出來，在諧振條件下本發(fā)明怎樣避免ASE+的累積，并因此避免NF的退化，并且本發(fā)明在降低由于信號(hào)DRS的潛在損失上也是有效的。應(yīng)該注意的是，信號(hào)DRS的增加不可避免導(dǎo)致性能的退化，因?yàn)檫@種DRS必然認(rèn)為是對(duì)于信號(hào)的串?dāng)_。
從典型的光纖喇曼激光器的頻譜輻射特性分析，可以推斷出用作泵浦的輻射頻譜包括非常多的縱模，其具有非常窄的線寬(幾百kHz)以及MHz級(jí)的間隔。這些縱模的特征在于很強(qiáng)的相干性，或者換句話說，就是定義明確的相位關(guān)系，這是由于它們從相同的激光腔中產(chǎn)生的事實(shí)。這個(gè)特性具有這樣的結(jié)果，提供對(duì)于在諧振條件(也就是相對(duì)于零色散和泵浦波長(zhǎng)來講處于對(duì)稱波長(zhǎng))下的ASE-光子參數(shù)增益的非線性交互作用是特別有效的。本發(fā)明人理解到，通過遵照由光纖喇曼激光器輻射的泵浦輻射進(jìn)行適當(dāng)工作，可能適當(dāng)去相關(guān)構(gòu)成泵浦輻射的縱模，并且，因此極大降低由諧振ASE-光子經(jīng)歷的參數(shù)增益的有效性。這直接反映在由于諧振頻譜區(qū)(可能配置WDM信道)中ASE-的反向散射的ASE+累積上的急劇減少。因此接著，放大器NF以頻譜一致方式在高泵浦功率降低，僅因?yàn)橛衫糯螽a(chǎn)生的ASE-的反向散射(見圖8)，并且在諧振條件下不會(huì)通過參數(shù)增益來增加。
本發(fā)明的三個(gè)可能實(shí)施例通過例子在下文描述。參考圖10，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反泵浦分布式喇曼放大器的配置。這種配置不同于參考圖3在前面描述的現(xiàn)有配置的地方在于，喇曼泵浦模塊(22)包括與光纖喇曼激光器(18)連接的去相關(guān)(色散)元件(24)。典型的，去相關(guān)元件能夠包括引入了泵浦輻射縱模的適當(dāng)去相關(guān)的短長(zhǎng)度光纖(或者其它組件)。例如這種光纖能夠包括用來補(bǔ)償色散的色散補(bǔ)償光纖(DCF)，或者G.652型的標(biāo)準(zhǔn)電信光纖(SMF)。實(shí)驗(yàn)配置中，在下面討論的性能結(jié)果中，去相關(guān)元件包括2km長(zhǎng)度的色散補(bǔ)償光纖(DCF)。
在該實(shí)施例中，有利的是還包括級(jí)聯(lián)濾波器(26)，用來阻擋去相關(guān)元件(24)中喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射，該元件包括能夠阻擋色散元件中喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的自發(fā)輻射功率的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)或色散補(bǔ)償光纖。
利用DCF/SMF光纖(或者其它類型光纖)，去相關(guān)泵浦激光器的縱模充分降低了在傳輸光纖(2)中傳播的過程中由靠近諧振的ASE-光子經(jīng)歷的參數(shù)增益效率。
在泵浦輻射耦合到傳輸光纖之前，適當(dāng)去相關(guān)元件的存在具有這樣的結(jié)果，由不同對(duì)的激光縱模(參數(shù)放大僅僅是諧振FWM交互作用)在給定頻率的諧振區(qū)中生成的四波混頻(FWM)乘積在相位上而不是功率上累加。將本發(fā)明的配置性能以及圖3配置的性能比較能夠看出，獲得的效果是，在甚至具有非常高的開關(guān)喇曼增益的諧振條件下實(shí)質(zhì)上抑制了自發(fā)ASE+凸起，并且隨之實(shí)質(zhì)上消除了NF損失(或者離開放大器的SNR損耗)。降低由于DRS引起的串?dāng)_的效果是很好的。
參考圖11，其中示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)反泵浦分布式喇曼放大器的配置。在這個(gè)例子中，去相關(guān)元件包括兩個(gè)光耦合器(28，30)以及延遲線(32)。光耦合器(28，30)(能夠包括具有50∶50分束比的3dB光耦合器，)首先分離泵浦輻射，然后重組泵浦輻射。延遲線提供在耦合器之間的兩個(gè)光路中的其中之一上。延遲線(32)的長(zhǎng)度選成足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模(試驗(yàn)結(jié)果是利用250米的G.653，DSF光纖獲得)。
泵浦輻射上的效果可以與第一實(shí)施例(圖10)的效果進(jìn)行比較，單一的差別是模之間的相位差現(xiàn)在通過泵浦功率的更大損耗獲得(典型的，在3和4dB之間，而在第一實(shí)施例中它少于1.5dB)。
參考圖12，示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)反泵浦分布式喇曼放大器的配置。在這個(gè)實(shí)施例中，泵浦輻射被偏振分配器(34)分配成正交的偏振分量，這兩個(gè)分量中的一個(gè)分量由延遲元件(36)延遲(典型的是一適當(dāng)長(zhǎng)度的光纖，例如250米DS延遲光纖)，然后在關(guān)于WDM信號(hào)反傳播方向上耦合到傳輸光纖之前，由偏振組合器(38)重新組合兩個(gè)偏振分量。在該實(shí)施例中，引入到泵浦中的損耗是如在第一實(shí)施例中的1dB量級(jí)。
現(xiàn)在介紹一下對(duì)于上述三個(gè)實(shí)施例性能的分析和比較。圖13對(duì)于現(xiàn)有喇曼放大器配置(圖3)和圖10和11中示出的兩個(gè)實(shí)施例，提供了對(duì)于同等喇曼增益，靠近諧振條件的NF頻譜性能之間的比較。從圖13明顯看出去相關(guān)元件幾乎完全消除了NF的增加。
這種類型的比較也是依據(jù)信噪比做出的，如圖14所示。從圖14可以觀察出，所提出的實(shí)施例改善了該比率大約7dB，實(shí)質(zhì)上消除了當(dāng)采用單一光纖喇曼激光器(也就是，采用光纖喇曼激光器產(chǎn)生的單一泵浦波長(zhǎng))的諧振時(shí)在性能上存在的所有退化。
利用與單一波長(zhǎng)輸入信號(hào)相對(duì)的8波長(zhǎng)多路復(fù)用信號(hào)比較圖3和圖10中的配置性能。圖15清楚顯示了對(duì)于相等的輸出信號(hào)功率，以及因此對(duì)于喇曼增益，所包含的去相關(guān)元件怎樣有效改善靠近諧振的所有信道的信噪比。去相關(guān)元件的存在降低了自發(fā)ASE+輻射。
對(duì)于圖3和10的配置，在全諧振下的S/N性能關(guān)于開關(guān)增益作比較(圖16)。去相關(guān)元件的存在導(dǎo)致在最大喇曼增益的情況下S/N中10dB的改善。應(yīng)該注意的是，在現(xiàn)有的圖3配置的情況下，由于無論諧振存在與否的ASE-反向散射(就NF中的退化而言圖8中描述了相同的現(xiàn)象)，在圖16中觀察到的S/N退化在于典型的分布式喇曼放大器，所述分布式喇曼放大器在反傳播方向上泵浦。
圖17顯示了對(duì)于相同的喇曼增益來講，測(cè)量圖3和10配置中的DRS(雙瑞利散射)特性之間的比較。在圖中的頻譜通過時(shí)域消光(extinction)技術(shù)獲得，其使得能夠利用光譜分析儀測(cè)量對(duì)于ASE+和信號(hào)的頻譜以及對(duì)于ASE+和信號(hào)雙反向散射的頻譜。圖17中顯示了對(duì)于圖3和10中兩個(gè)放大器配置的ASE+和DRS頻譜。很明顯的是，包含去相關(guān)元件(圖10)不僅明顯降低了存在諧振時(shí)ASE+的累積，而且降低了信號(hào)DRS。應(yīng)該注意的是，不能夠在對(duì)應(yīng)于諧振的波長(zhǎng)處使用信號(hào)準(zhǔn)確測(cè)量DRS，因?yàn)樵谶@些條件下，DRS頻譜被增寬以至于不可能將其從ASE+中區(qū)分。然而，就DRS而言的明顯改善還是能夠在與圖17的比較中注意到。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是，本發(fā)明還能夠有用地應(yīng)用于利用具有不同泵浦波長(zhǎng)的幾個(gè)泵浦輻射源的系統(tǒng)中，用來擴(kuò)展由分布式喇曼放大器提供的增益波段。圖18中示出了一種這種配置，其中顯示采用了兩個(gè)泵浦激光器源(18a，18b)，一個(gè)位于泵浦波長(zhǎng)λP1；另一個(gè)位于泵浦波長(zhǎng)λP2。在該例子中，兩個(gè)泵浦激光器輻射源(18a，18b)都是光纖喇曼激光器。在波長(zhǎng)λP1和λP2的兩個(gè)泵浦輻射通過多路復(fù)用器(40)組合，并且通過環(huán)形器(或者耦合器)(20)以反傳播方向饋送到傳輸光纖(2)。
圖19顯示出根據(jù)本發(fā)明，通過在泵浦激光器輻射的每個(gè)源(18a，18b)和多路復(fù)用器(40)之間引入去相關(guān)元件(42a，42b)來改進(jìn)圖18中光學(xué)通信系統(tǒng)的視圖。第一去相關(guān)元件(42a)在波長(zhǎng)λP1適當(dāng)去相關(guān)泵浦輻射的縱模，第二元件(42b)在波長(zhǎng)λP2提供適當(dāng)去相關(guān)。當(dāng)然，去相關(guān)元件能夠根據(jù)已經(jīng)描述的任何一個(gè)實(shí)施例而構(gòu)造。
盡管在描述的實(shí)施例中，泵浦源是光纖喇曼激光器(可以回憶以下是在最臨界情況)，但本發(fā)明可用于在泵浦輻射源是任何其他類型例如偏振或者去偏振多路復(fù)用法布里-珀羅激光二極管的情況下，抑制由于諧振現(xiàn)象產(chǎn)生的信噪比退化。此外在描述的實(shí)施例中，可能包括一裝置，用來在有必要在某部分末端提取殘留泵浦輻射的情況下，根據(jù)構(gòu)造光學(xué)通信系統(tǒng)的普通技術(shù)從傳輸光纖提取反傳播泵浦激光器輻射，例如利用光耦合器或者環(huán)形器。
權(quán)利要求
1.一種在波分復(fù)用WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中提供反泵浦喇曼放大的方法，該通信系統(tǒng)包括引導(dǎo)具有傳輸波段的WDM輻射的傳輸光纖，以及至少一個(gè)用來產(chǎn)生具有各自泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射的喇曼泵浦激光器，其中傳輸光纖具有位于傳輸波段和泵浦波長(zhǎng)之間中間位置的零色散波長(zhǎng)，該方法的特征在于，在關(guān)于WDM輻射的反傳播方向上將泵浦輻射耦合到傳輸光纖之前，去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，泵浦激光器是光纖喇曼激光器。
3.一種光學(xué)波分復(fù)用WDM通信系統(tǒng)，包括引導(dǎo)具有傳輸波段的WDM輻射的傳輸光纖；至少一個(gè)用來產(chǎn)生具有各自泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射的喇曼泵浦激光器，以及在關(guān)于WDM輻射傳播方向的反傳播方向上將泵浦輻射耦合到傳輸光纖的耦合裝置，并且其中傳輸光纖具有位于傳輸波段和泵浦波長(zhǎng)之間中間位置的零色散波長(zhǎng)，該系統(tǒng)的特征在于，用于在泵浦輻射耦合進(jìn)入傳輸光纖之前去相關(guān)所述泵浦輻射縱模的去相關(guān)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的通信系統(tǒng)，其中，泵浦激光器是光纖喇曼激光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的通信系統(tǒng)，其中，去相關(guān)裝置包括一個(gè)長(zhǎng)度的具有色散或者非線性特性的光纖，用于去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的通信系統(tǒng)，還包括在所述長(zhǎng)度的光纖和耦合裝置之間的濾波器，用于阻擋在所述長(zhǎng)度的光纖中喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的自發(fā)輻射。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的通信系統(tǒng)，其中，去相關(guān)裝置包括第一光耦合器，用來分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及第二耦合裝置，用來重新組合來自于第一和第二光路的泵浦輻射。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的通信系統(tǒng)，其中，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的通信系統(tǒng)，其中，去相關(guān)元件包括偏振分配器，用來分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及偏振組合器，用來重新組合來自于第一和第二光路的泵浦輻射。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的通信系統(tǒng)，其中，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，其長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
11.根據(jù)權(quán)利要求3到10中任一項(xiàng)所述的通信系統(tǒng)，還包括多個(gè)喇曼泵浦激光器，其每個(gè)用來生成具有各自不同泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射；各自的去相關(guān)裝置，用來去相關(guān)泵浦輻射的縱模；以及多路復(fù)用裝置，用來組合泵浦輻射。
12.一種喇曼泵浦模塊，用來生成具有一泵浦波長(zhǎng)的泵浦輻射，其用來耦合到光學(xué)波分復(fù)用WDM通信系統(tǒng)的傳輸光纖中來提供在其中反傳播的WDM輻射的喇曼放大，該WDM輻射具有一輻射波段，并且其中傳輸光纖具有位于傳輸波段和泵浦波長(zhǎng)之間中間位置的零色散波長(zhǎng)，該模塊包括用來產(chǎn)生泵浦輻射的喇曼泵浦激光器，其特征在于，用來在泵浦輻射耦合到傳輸光纖之前去相關(guān)所述泵浦輻射的縱模的去相關(guān)裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的喇曼模塊，其中，泵浦激光器是光纖喇曼激光器。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的喇曼模塊通信，其中，去相關(guān)裝置包括具有色散或非線性特性的一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，用于去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的喇曼模塊，還包括位于之間的濾波器，用來阻擋在所述長(zhǎng)度的光纖中由喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的自發(fā)輻射。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的喇曼模塊，其中，去相關(guān)裝置包括第一光耦合器，用來分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及第二耦合裝置，用來重新組合來自于第一和第二光路的泵浦輻射。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的喇曼模塊，其中，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，該長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的喇曼模塊，其中，去相關(guān)元件包括偏振分配器，用來分配泵浦輻射，使其沿著第一和第二光路傳播；包括在其中一個(gè)光路中的延遲元件；以及偏振組合器，用來重新組合來自于第一和第二光路的泵浦輻射。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的喇曼模塊，其中，延遲元件包括一個(gè)長(zhǎng)度的光纖，該長(zhǎng)度足夠去相關(guān)泵浦輻射的縱模。
全文摘要
公開了一種喇曼泵浦模塊(22)，用來生成具有一泵浦波長(zhǎng)(λ
文檔編號(hào)H04B10/291GK1778056SQ200480010949
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者S·蘇利亞尼, G·薩基, F·迪帕斯夸萊 申請(qǐng)人:馬科尼通訊有限公司