專利名稱：多級拉曼放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用多級拉曼放大器放大光信號的方法，并涉及一種多級拉曼放大器。特別地，本發(fā)明涉及使用集總(lumped)多級拉曼放大器放大光信號的方法，并涉及一種集總多級拉曼放大器。
背景技術(shù)：
在過去數(shù)十年里，單根光纖能夠傳輸?shù)拿芗ǚ謴?fù)用(DWDM)信號的最大數(shù)目已經(jīng)有了快速增長。伴隨著每個信道數(shù)據(jù)速率(datarate)的增加，該趨勢導(dǎo)致通過這種光纖傳輸?shù)男盘柟β蕵O度增加，以便維持例如數(shù)據(jù)通訊和互連網(wǎng)等應(yīng)用。這同時要求該系統(tǒng)使用的光學(xué)放大器具有大帶寬和高輸出功率。
鉺摻雜光纖放大器(EDFA)是相對成熟的技術(shù)。然而，這種放大器能夠產(chǎn)生的帶寬大小主要受在該器件中產(chǎn)生光增益的鉺原子的物理性質(zhì)的限制。
拉曼放大器為EDFA提供了一種選擇，并且由于它們在帶寬設(shè)計中突出的靈活性，所以最近在DWDM系統(tǒng)中吸引了大量的注意，并且逐漸成為高功率泵浦調(diào)制技術(shù)的成熟技術(shù)。拉曼放大器具有多種優(yōu)點低噪音，可靈活使用信號波長(因為拉曼增益峰主要取決于泵浦波長而不是摻雜劑的發(fā)射截面(emission cross section)和寬增益帶寬(能夠采用多個泵浦)。特別地，多波長泵浦能夠夠擴展可獲得平坦拉曼增益的波長范圍該放大器的總增益大小由每個單獨泵浦的貢獻疊加而得。
另一方面，在設(shè)計放大器以及設(shè)計使用該放大器的系統(tǒng)時，必須考慮許多因素。需要透徹理解一些關(guān)鍵的因素，例如泵浦-泵浦功率轉(zhuǎn)移，信號-信號功率轉(zhuǎn)移，泵浦損耗，雙瑞利散射(DRS)和放大器自發(fā)噪音。H.Kidorf等在他們發(fā)表于1999年IEEE光學(xué)技術(shù)通訊(IEEEPhotonics Technology Letters)第11卷第5期第530-532頁的論文“100nm帶寬拉曼放大器中的泵浦相互作用”(Pump interactions in a100-nm Bandwidth Raman amplifier)中，公開了一種計算機模型，用于模擬影響上述因素的所有物理性質(zhì)。該計算機模型數(shù)值解出了一個微分方程。作者使用他們的模型設(shè)計了一種具有100nm帶寬和最小增益波動的分布式拉曼放大器。該放大器被設(shè)計成，使相間1nm/信道的100個信道的總功率為50mW。該放大器的預(yù)期用途是補償45km的光纖跨度(預(yù)期用于100000km傳輸)以補償內(nèi)部損耗(WDM耦合器，隔離器等)，該45km的光纖跨度由純二氧化硅核心光纖和額外的3dB構(gòu)成。在第一種嘗試中，作者試圖在1432-1516nm之間均勻地布置8個泵浦。為了實現(xiàn)具有半導(dǎo)體泵浦的放大器，每個泵浦的最大泵浦功率選擇為120-130mW。據(jù)作者稱，該簡化設(shè)計的結(jié)果是一種非常不好的放大器由于功率從低波長泵浦轉(zhuǎn)移到高波長泵浦，放大器的增益波動為10.5dB。高波長泵浦的附加功率在較高信號波長上產(chǎn)生了額外的增益。通過反復(fù)建模，作者獲得了一種泵浦配置，借此低波長的大能量密度同時向高波長泵浦和低波長信號提供泵浦功率。通過適當?shù)仄胶獗闷值念l率密度，設(shè)計出了峰-峰增益起伏為1.1dB的放大器。
另一種使用多波長泵浦在寬帶寬上獲得平坦拉曼增益的已知方法是小心地選擇每個貢獻的大小以便獲得期望的增益大小。例如，P.M.Krummrich等在發(fā)表于2001年OFC第1卷第M13/1-3頁的“用于WDM系統(tǒng)的寬帶寬分布式拉曼光纖放大器的帶寬限制”(Bandwidthlimitations of broadband distributed Raman fiber amplifiers forWDM systems)一文中，同時從數(shù)字上和實驗上分析了泵浦相互作用的影響。他們的數(shù)學(xué)模型通過集合一系列的耦合微分方程而工作，這些方程描述了傳輸光纖中泵浦和信號輻射的傳播。至于實驗，作者使用了多信道泵浦單元。通過高功率激光二極管與WDM耦連器的組合產(chǎn)生了波長范圍為1409-1513nm的泵浦輻射。更明確地講，在反向(counter-directional)泵浦配置中使用7個泵浦信道用于在1530-1605nm的波長范圍內(nèi)獲得平坦的增益，7個信道具有如下泵浦波長1424、1438、1453、1467、1483、1497和1513nm。調(diào)節(jié)發(fā)射功率以獲得10dB的平均增益，其中增益波動小于0.5dB。據(jù)作者稱，具有最短和最長波長的信道能夠觀察到最強的泵浦相互作用影響。1424nm的泵浦信道具有11dB的附加損耗，而1513nm的信道為7dB。進一步，據(jù)作者稱，如果總增益增加，則難以預(yù)測哪個泵浦二極管的輸出功率會增加多大，因為泵浦之間有能量轉(zhuǎn)移。對于高于10dB的增益值，由于泵浦相互作用的強烈影響以及最終的增益上翹(tilt)，使得如果有任何一個泵浦激光器的輸出功率增加的話，則長波長側(cè)的增益總是比短波長側(cè)的增益增加得更快。據(jù)作者稱，該效應(yīng)限制信號波長范圍為75nm的平坦增益的最大值接近19dB。
X.Zhou等在2001年IEEE光學(xué)技術(shù)通訊第13卷第9期第945-947頁上發(fā)表的論文“多波長后向泵浦光纖拉曼放大器的簡化模型和優(yōu)化設(shè)計”(A Simplified Model and Optimal Design of a MultivavelengthBackward-Pumped Fiber Raman Amplifier)中公開了另一種數(shù)學(xué)模型。該作者獲得了泵浦功率方根(evolution)的封閉型分析表達式。根據(jù)所獲得的分析表達式，提出了用于計算小信號光增益和噪聲系數(shù)的公式。還討論了所得模型在泵浦最優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。為了設(shè)計具有平坦增益的寬帶光學(xué)放大器，作者使用了如下參數(shù)最大泵浦光頻為214.2THz(1400nm)，最小泵浦光頻為200THz(1500nm)，泵浦頻率下的光纖損耗為0.3dB/km，信號頻率下的光纖損耗為0.2dB/km，光纖長度為10km，所需增益為20dB，信道數(shù)量為100(1510-1610nm，間隔為1nm)，光纖有效面積為50μm2。通過考慮3個泵浦波長，作者在1423、1454和1484nm獲得了最優(yōu)泵浦波長，相應(yīng)的最優(yōu)泵浦功率分別為1.35、0.19和0.20W。通過考慮6個泵浦波長，作者在1404、1413、1432、1449、1463和1495nm獲得了最優(yōu)泵浦波長，相應(yīng)的最優(yōu)泵浦功率分別為0.68、0.6、0.44、0.19、0.076和0.054W?？梢?，通過增加泵浦光源的數(shù)目確實能夠抑制增益起伏。然而，6泵浦放大器的噪音性能比3泵浦放大器要差。據(jù)作者稱，這是因為6泵浦放大器具有一個更高波長的泵浦(1495nm)。更明確地講，文獻的圖1顯示，6泵浦放大器的噪聲系數(shù)范圍為大約7.5dB(1510nm)-大約4dB(1610nm)。另一方面，文獻的圖1顯示，3泵浦放大器在整個波長范圍內(nèi)的增益波動為大約5dB。
美國專利申請No.2002/0044335公開了一種放大器裝置，其包括一根具有拉曼放大區(qū)的光傳輸線，其泵浦-信號功率轉(zhuǎn)換效率至少為20％。拉曼放大區(qū)用于放大信號，其在至少30nm的波長范圍內(nèi)，優(yōu)選地在至少50nm的波長范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在至少70nm的波長范圍內(nèi)具有多個波長。泵浦源與光傳輸線耦連。輸入光信號在拉曼放大區(qū)內(nèi)放大，其所產(chǎn)生的輸出信號功率比輸入光信號大至少100mW。在一個公開實施例中，利用朗訊DK-20色散補償光纖(dispersioncompensating fiber)，放大器裝置在105nm的范圍上具有超過3.2dB的增益。假定增益光纖兩個端部的損耗為1dB。該光纖在1396、1416和1427nm用250mW泵浦，在1450nm用150mW泵浦，在1472nm用95mW泵浦，在1505nm用75mW泵浦。處于1520、1530、1540、1550、1560、1570、1580、1590、1600和1610nm的10個輸入信號的功率為12mW，并且相對于泵浦波長反向傳輸?！?4335專利申請的圖6顯示，該放大器的噪聲系數(shù)范圍為大約7.5dB(1520nm)-大約6dB(1610nm)。在所公開的“全波帶拉曼放大器”實施例中，放大器裝置包括具有兩個拉曼放大區(qū)的傳輸線。提供了兩個WDM。較短的信號波長在其中一個拉曼放大區(qū)域內(nèi)獲得比另一個更大的增益。在拉曼放大區(qū)之間可以布置損耗部件(lossy member)。損耗部件可以包括加/減復(fù)用器(add/drop multiplexer)、增益均衡部件(gain equalizationelement)、光學(xué)隔離器或者色散補償部件中的至少一種。一個WDM接收由第一泵浦源提供的第一系列泵浦波長，兩個放大區(qū)之間的WDM接收能夠向光信號提供增益的第二系列泵浦波長，并從第一系列泵浦波長的至少一部分中獲取光能。第二系列波長由第二泵浦源提供。兩個放大區(qū)之間的WDM能夠基本上通過信號波長以及兩個放大區(qū)之間第一系列泵浦波長的至少一部分。據(jù)作者稱，全波段拉曼放大器的增益平坦性能夠通過增益平坦化過濾器(gain flatterning filter)，和/或泵浦波長、泵浦功率、泵浦數(shù)目和拉曼增益光纖的長度加以優(yōu)化。
日本專利申請No.2001-109026公開了一種光纖拉曼光放大器，其使用亞碲酸鹽玻璃作為光放大介質(zhì)。更明確地講，它公開了一種用3根長度分別為150m的亞碲酸鹽光纖和3個波長分別為1370nm、1400nm和1430nm的激勵光源，并通過連接該3個單元構(gòu)成的光纖拉曼放大器，在3個單元中亞碲酸鹽玻璃光纖和激勵光源分別串聯(lián)組合，并且該放大器通過分別使激勵光的輸入功率為200mW(總共600mW)加以激勵。在1.5-1.6μm的100nm帶寬上獲得了等于或者大于23dB的增益。
與拉曼放大器相關(guān)的另一個問題是，后向和多波長泵浦配置給較短波長的信號造成了更大的噪聲系數(shù)，這是由于泵浦-泵浦受激拉曼散射以及熱噪音和光纖衰減系數(shù)的波長依賴性。C.R.S.Fludger等在2001年OFC第MA5/1-3上發(fā)表的“寬帶拉曼放大器的基本噪音限制”(Fundamental Noise Limits in Broadband Raman Amplifiers)一文中顯示，基于二氧化硅-鍺(silica-germania)的寬帶離散拉曼放大器會具有比量子極限大得多的噪聲系數(shù)。據(jù)作者稱，在離散拉曼放大器中，噪音的波長依賴性取決于4個主要的因素，包括增益頻譜和放大器輸入端的分量損耗(component loss)。此外，受激拉曼散射(SRS)會從較短波長泵浦向較長波長泵浦轉(zhuǎn)移功率。最后，噪聲系數(shù)還受由于接地狀態(tài)下光子的熱分布導(dǎo)致的瞬時發(fā)射增加的影響。特別地，如果泵浦向緊密間隔的信號提供大量增益，則會大大增加過多的瞬時噪音。如果由某個泵浦提供的增益與由全部泵浦提供的總增益的比值較小，則噪聲系數(shù)趨近于3dB。作者估計了5波長泵浦離散拉曼放大器最可能獲得的內(nèi)部噪聲系數(shù)。選擇每個泵浦的相關(guān)增益，從而給出最高泵浦波長為1495nm、最低信號波長接近1500nm的最寬且最平坦的頻譜。據(jù)顯示，因為較短信號波長處的總增益基本上由1495nm泵浦提供，所以隨著信號接近泵浦，瞬時發(fā)射增加。在室溫下，放大器的內(nèi)部噪聲系數(shù)在1520以下為5-6dB。然而，如果算上放大器輸入端的光纖損耗和分量插入損耗，則放大器的總噪聲系數(shù)會比這更大。
S.Kado等在2001年ECOC上發(fā)表的“使用低噪音雙向泵浦源的寬帶平坦噪音拉曼放大器”一文中提出并用實驗證實了一種優(yōu)化雙向泵浦配置，其同時使拉曼增益和光學(xué)噪聲系數(shù)在C和L波段上實現(xiàn)了小于0.7dB的平坦性。為了使用前向泵浦，對于所提出的方法，還開發(fā)出了一種具有低相對強度噪音(RIN)的新型泵浦激光器。這種激光器是一種波長穩(wěn)定的多模式泵浦激光器，其中激光器芯片具有沿著激光器腔的內(nèi)柵層，用于選擇多于3種的縱向模式。所開發(fā)激光器的RIN比常用光纖布拉格光柵穩(wěn)定激光器(fiber Bragg grating stabilizedlaser)低超過20dB。據(jù)作者稱，該進步允許使用前向泵浦配置，而不會由于RIN性能差導(dǎo)致顯著破壞信號的品質(zhì)。
拉曼放大器已知的配置，例如上面所提出的，可以在寬的波長范圍內(nèi)獲得高而平坦的增益。然而，這典型地伴隨不平衡的噪聲系數(shù)，對于較短信號波長具有較高的值，而對于較長的波長具有較低的值(但不包括Kado等公開的放大器，其使用特殊類型的泵浦激光器以獲得平坦的噪聲系數(shù))。本專利申請注意到，較短信號波長的較高噪聲系數(shù)會在光學(xué)系統(tǒng)，包括拉曼放大器，的某些配置中產(chǎn)生問題，即較短信號波長的至少一部分有超出系統(tǒng)指定范圍的危險。
進一步，拉曼放大器的已知配置，特別是那些在寬波段波長上獲得平坦增益的配置，典型地為較短的泵浦波長使用非常高的功率值(超過500mW)，因為在較短泵浦波長與較長泵浦波長之間存在能量轉(zhuǎn)移。本專利申請注意到，這不是最佳的解決方法。實際上，具有超過500mW發(fā)射功率的可靠半導(dǎo)體激光器目前在市場上幾乎不可能獲得并且/或者價格昂貴，所以只能使用多個具有低發(fā)射功率的激光器。結(jié)果，整個放大器的成本和/或泵浦源占據(jù)的空間會不利地增大。

發(fā)明內(nèi)容
本專利申請解決了如下問題，即在多波長泵浦、高增益、寬帶拉曼放大器中降低較短波長信號的噪聲系數(shù)同時使較長波長信號保持低的噪聲系數(shù)值的問題，并且不需要使用特殊類型的激光器。本專利申請還解決了如下問題，即用相對低的功率/泵浦波長實現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和高增益。
本專利申請發(fā)現(xiàn)，通過將獲得了拉曼增益的光路分割成至少兩個光路部分，有可能降低較短信號波長的噪聲系數(shù)。不同的光路部分由各自的泵浦輻射加以泵浦，各個泵浦輻射的光頻包含在各自的頻率范圍內(nèi)。每個頻率范圍的大小不超過拉曼增益材料拉曼頻移的70％。這樣，每個光路部分中的由于受激拉曼散射導(dǎo)致的較短和較長波長泵浦輻射之間的能量傳遞被大大降低。較短和較長波長泵浦輻射之間能夠傳遞的降低使得實際上不再需要發(fā)射具有較高能量的較短波長泵浦輻射。這具有降低較短信號波長噪聲系數(shù)的效果，進一步的優(yōu)點是，對于較短波長的泵浦輻射也能夠使用較低的功率/泵浦波長。因為在任何一個獲得了拉曼增益的光路部分中，較短波長的泵浦輻射在飽和區(qū)內(nèi)不工作，因此放大器能夠獲得更低的噪聲系數(shù)。而且，通過將泵浦源設(shè)置成提供基本上相同的泵浦功率/波長，可以獲得寬而平坦的拉曼增益。還有一個特殊的優(yōu)點是，全部所需的泵浦源可以具有相同的平均可靠性和壽命。
在第一部分中，本發(fā)明涉及用于放大頻率處于信號頻率范圍內(nèi)的光信號的方法，所述方法包括-將所述光信號分別引入到彼此串聯(lián)布置的第一和第二光路中的至少一個內(nèi)，其中每個光路包括具有預(yù)定拉曼頻移的拉曼活性材料；-將第一泵浦部分引入到所述第一光路中，所述第一泵浦部分包括處于第一最小泵浦頻率和第一最大泵浦頻率之間的第一組泵浦頻率；-將第二泵浦部分引入到所述第二光路中，所述第二泵浦部分包括處于第二最小泵浦頻率和第二最大泵浦頻率之間的第二組泵浦頻率，所述第一和第二組頻率的總體延伸的泵浦頻率范圍寬度至少是所述拉曼頻移的40％；
該方法的特點是-所述第一組頻率的至少一部分不包含在所述第二組頻率內(nèi)，且所述第二組頻率的至少一部分不包含在所述第一組頻率內(nèi)；-執(zhí)行所述將所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步驟，從而進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，且進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；-所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的70％；和-所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的70％。
優(yōu)選地，執(zhí)行所述將所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步驟，從而進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，且進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
在優(yōu)選實施例中，所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的50％，且所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的50％。
有利地，所述泵浦頻率范圍的寬度至少為所述拉曼頻移的50％。
優(yōu)選地，所述第一和第二組頻率彼此不交疊。
在優(yōu)選實施例中，分別限定在所述第一最小和所述第一最大泵浦頻率之間以及所述第二最小和所述第二最大泵浦頻率之間的范圍中，至少有一個的寬度至少為所述拉曼頻移的20％。
有利地，第一組頻率適合于拉曼放大光信號的所述第一部分，所述第一部分在所述拉曼活性材料中對波長的衰減比光信號的所述第二部分更大，其中所述第二部分由所述第二組頻率放大。
所述第一和所述第二泵浦部分可以通過多個泵浦激光器提供，所述多個泵浦激光器具有的泵浦發(fā)射功率的總波動最多為平均泵浦發(fā)射功率的50％。
在第二部分中，本發(fā)明涉及一種拉曼放大器，其適合于放大頻率處于信號頻率范圍內(nèi)的光信號，其包括至少一個彼此串聯(lián)布置的第一和第二光路，每一個光路都包括具有預(yù)定拉曼頻移的拉曼活性材料，所述放大器包括-與所述第一光路相連的第一泵浦源，所述第一泵浦源適合于向所述第一光路發(fā)射第一泵浦輻射并使之與光路耦合，第一泵浦輻射包括處于第一最小泵浦頻率和第一最大泵浦頻率之間的第一組泵浦頻率；-與所述第二光路相連的第二泵浦源，所述第二泵浦源適合于向所述第二光路發(fā)射第二泵浦輻射并使之與光路耦合，第二泵浦輻射包括處于第二最小泵浦頻率和第二最大泵浦頻率之間的第二組泵浦頻率，所述第一和第二組頻率的總體延伸的泵浦頻率范圍的寬度至少為所述拉曼頻移的40％；其特點是-所述第一組頻率的至少一部分不包含在所述第二組頻率內(nèi)，且所述第二組頻率的至少一部分不包含在所述第一組頻率內(nèi)；-所述第一和第二泵浦源與所述第一和第二光路之間的耦連，使耦連進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，且耦連進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；-所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的70％；和-所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的70％。
優(yōu)選地，所述第一和第二泵浦源與所述第一和第二光路之間的耦連，使耦連進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，且耦連進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
在優(yōu)選實施例中，所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的50％，且所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率之差最多為所述拉曼頻移的50％。
有利地，所述泵浦頻率范圍的寬度至少為所述拉曼頻移的50％。
優(yōu)選地，所述第一和第二組頻率彼此不交疊。
在優(yōu)選實施例中，分別限定在所述第一最小和所述第一最大泵浦頻率之間以及所述第二最小和所述第二最大泵浦頻率之間的范圍中，至少有一個的寬度至少為所述拉曼頻移的20％。
有利地，第一組頻率適合于拉曼放大所述光信號的第一部分，在所述拉曼活性材料中，光信號的所述第一部分對波長的衰減比光信號的所述第二部分更大，所述第一部分由所述第二組頻率放大。
在優(yōu)選實施例中，所述第一和所述第二泵浦源包括多個泵浦激光器，所述多個泵浦激光器具有的泵浦發(fā)射功率的總波動最多為平均泵浦發(fā)射功率的50％。
在第三部分中，本方面涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，其包括至少一根光線路，所述光線路包括至少一根光纖和至少一個根據(jù)第二部分并與所述光纖相連的拉曼放大器。
該光學(xué)系統(tǒng)典型地進一步包括一個發(fā)射臺(transmitting station)，其包括多個適合于分別發(fā)射多個光信道的發(fā)射器，每個光信道具有各自的波長，所述發(fā)射臺與所述光線路的第一端部相連。
該光學(xué)系統(tǒng)典型地進一步包括一個接收臺，其包括多個適合于區(qū)分由所述光信道攜帶的信息的接收器，所述接收臺與所述光線路的第二端部相連。


通過下面參考附圖的詳細說明將更好地例證本發(fā)明進一步的特征和優(yōu)點，其中-圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器的第一實施例；-圖2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器的第二實施例；
-圖3顯示了根據(jù)先前技術(shù)的拉曼放大器的實施例，其中在第一和第二級中使用了相同的泵浦輻射；-圖4顯示了用根據(jù)圖3的拉曼放大器的兩種配置獲得的噪聲系數(shù)；-圖5顯示了用根據(jù)圖2的拉曼放大器的兩種配置獲得的噪聲系數(shù)；-圖6顯示了用根據(jù)圖2的拉曼放大器兩種進一步的配置獲得的噪聲系數(shù)；-圖7顯示了用于測量拉曼頻移的實驗裝置。
具體實施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器10的第一實施例。放大器10可以是集總拉曼放大器。放大器10包括至少兩個級10’和10”，它們彼此串聯(lián)布置。下面的詳細說明將特別參考只具有兩個級的拉曼放大器然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)不同的指定將本發(fā)明的方法應(yīng)用到任何所需數(shù)目的放大器級數(shù)。在圖1中使用奇數(shù)的參考數(shù)字指示第一級10’包含的部件，并在圖1中使用偶數(shù)的參考數(shù)字指示第二級10”包含的部件。更明確地講，第一級10’包括第一長度的拉曼活性光纖(Raman active optical fiber)11，第一泵浦源13和第一耦連器件15。第二級10”包括第二長度的拉曼活性光纖12，第二泵浦源14和第二耦連器件16。優(yōu)選地，第一級10’還包括單向器件17，其用于沿一個方向傳遞光信號輻射并在相反的方向上阻塞該信號輻射，例如隔離器或者循環(huán)器。單向器件17可以位于第一級10’的輸入端和/或輸出端。優(yōu)選地，第二級10”也包括單向器件18，其用于沿一個方向傳遞光信號輻射并在相反的方向上阻塞該信號輻射，例如隔離器或者循環(huán)器。單向器件18可以位于第二級10”的輸入端和/或輸出端。在優(yōu)選實施例中，在放大器10的第一級10’和第二級10”之間使用單個單向器件。在該實施例中，在第一和第二級之間設(shè)置單向器件可以極大地減少拉曼放大器10中雙瑞利散射的發(fā)生。
拉曼放大器10適合于放大寬帶WDM光信號，也就是，在至少50nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在至少70nm的范圍內(nèi)具有多個波長的光信號。光信號可以使用1550nm附近的波長范圍。優(yōu)選地，光信號可以包括一個或多個大于或者等于大約1460nm，更優(yōu)選地，大于或者等于大約1510nm的信號波長λs。優(yōu)選地，光信號可以包括一個或多個小于或者等于大約1650nm，更優(yōu)選地，小于或者等于大約1625nm的信號波長λs。選擇地，光信號可以使用1300nm附近的波長范圍，例如1280nm-1340nm。在待放大光信號的波長范圍上，拉曼放大器可以優(yōu)選地提供至少5dB，更優(yōu)選地至少10dB，再優(yōu)選地至少20dB的增益。如果考慮開關(guān)增益(on-off gain)，這些優(yōu)選的增益數(shù)值也可用于分布式放大。在待放大光信號的波長范圍上，放大器10可以優(yōu)選地獲得3dB，更優(yōu)選地2dB，再優(yōu)選地1dB的最大增益波動。優(yōu)選地，在待放大光信號的波長范圍上，放大器10的噪聲系數(shù)可以低于或者等于8dB，更優(yōu)選地低于或者等于7dB。對于本發(fā)明的目的，利用“放大器噪聲系數(shù)”NF，必須估計用如下公式計算的數(shù)值NF=P(ASE)GhνB0+1G]]>其中P(ASE)是放大器瞬時發(fā)射的功率，G是放大器增益，B0是接收器的光帶寬(也就是，典型的連接寬帶光電二極管的多路信號分離器的帶寬)，h是普朗克常數(shù)，ν是信號光頻。
拉曼活性光纖11、12是適合于通過受激拉曼散射獲得增益的光纖。在本詳細說明書中，特別參考用于在拉曼放大器10中獲得拉曼增益的拉曼活性光纖然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將本發(fā)明的方法應(yīng)用于包括任何拉曼活性材料(也就是，能夠通過受激拉曼散射提供光學(xué)增益的材料)的其他類型光學(xué)路徑，例如集成光學(xué)波導(dǎo)管。例如，拉曼活性光纖11、12可以是二氧化硅基光纖。典型地，這種二氧化硅基光纖的纖芯包括鍺或者其他適合于提高纖芯內(nèi)部拉曼效應(yīng)的摻雜劑(例如磷或硼)。在另一個實施例中，拉曼活性光纖可以是亞碲酸鹽基光纖。在優(yōu)選實施例中，拉曼活性光纖11、12可以是微結(jié)構(gòu)光纖，也就是，在固體纖芯周圍具有大量氣孔的光纖結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，拉曼活性光纖11、12的長度總和小于或者等于10km，更優(yōu)選地，小于或者等于8km。較短的拉曼活性光纖11、12總長度有利于將放大器10的噪聲系數(shù)保持較低。另一方面，為了獲得足夠的拉曼增益，每個拉曼活性光纖11、12的長度可以至少為100m，優(yōu)選地至少為200m，更優(yōu)選地至少為1000m。優(yōu)選地，拉曼活性光纖11、12的有效面積小于或者等于60μm2，更優(yōu)選地小于或者等于35μm2，再優(yōu)選地小于或者等于20μm2。較低的有效面積增加了拉曼活性光纖11、12纖芯內(nèi)部的非線性效應(yīng)，例如用于拉曼放大的受激拉曼散射。優(yōu)選地，拉曼活性光纖11、12的拉曼增益系數(shù)與有效面積的比gR/Aeff至少為1.01/(W·km)，更優(yōu)選地為至少3.01/(W·km)，再優(yōu)選地為至少6.01/(W·km)。拉曼活性光纖11、12較高的拉曼增益系數(shù)與有效面積的比允許在單位長度的光纖上獲得更高的拉曼增益。這使得放大器的噪聲系數(shù)更低，因為長度較短的拉曼活性光纖可以用于獲得期望的信號放大。另一個可能影響拉曼放大，更特別地，影響噪聲系數(shù)的重要參數(shù)是拉曼活性光纖11、12的衰減優(yōu)選地，在泵浦波長下，該衰減可以小于或者等于2.0dB/km，更優(yōu)選地小于或者等于1.5dB/km。在信號波長下，拉曼活性光纖的衰減可以優(yōu)選地小于或者等于1.0dB/km，更優(yōu)選地小于或者等于0.7dB/km。
泵浦源13、14的每一個可以包括一個或多個激光二極管。優(yōu)選地，該激光器二極管具有高輸出功率，也就是，至少50mW。優(yōu)選地，激光二極管的波長發(fā)射可以控制，例如通過外部光纖布拉格光柵。典型地，激光二極管可以發(fā)射偏振泵浦輻射并且具有偏振保持光纖長度(polarization maintaining fiber length)。在優(yōu)選實施例中，兩個激光二極管可以通過例如偏振波束合成器(polarization beam combiner)組合用于每個泵浦波長，以獲得高輸出功率和獨立于偏振的拉曼增益。多個泵浦波長可以典型地通過使用波分復(fù)用器(WDM)組合在一起。優(yōu)選地，每個泵浦源13、14可以提供至少100mW，更優(yōu)選地至少200mW的總泵浦功率。由激光二極管或者泵浦源13、14的所含二極管發(fā)射的輻射波長與信號輻射波長相關(guān)為了具有拉曼放大，根據(jù)拉曼活性光纖11、12的纖芯所含材料的拉曼頻移，也就是，根據(jù)相應(yīng)于材料拉曼頻譜中峰的位移，激光二極管的發(fā)射波長應(yīng)當相對于頻譜較短波長區(qū)的信號輻射波長位移(見G.P.Agrawal的《非線性纖維光學(xué)系統(tǒng)》第317-319頁，其于1995年由Academic Press有限公司出版)。例如，為了放大1460-1650nm范圍內(nèi)光信號和使用二氧化硅基光纖，泵浦輻射波長處于大約1360-1550nm，因為二氧化硅基光纖的拉曼頻移在該波長范圍內(nèi)大約為100nm。其他的材料可以顯示不同的拉曼頻移。對于本發(fā)明的目的，除了其波長之外，還可以方便地參考由泵浦源13、14發(fā)射的泵浦輻射的光頻。而且，用頻率表達拉曼頻移也是方便的。實際上，拉曼活性材料的拉曼頻移在光學(xué)通訊的目標頻率范圍內(nèi)基本上是恒定的例如，對于二氧化硅基或者二氧化硅/鍺基光纖，拉曼頻移是13.2THz。這意味著，獨立于所使用的泵浦輻射頻率，二氧化硅基或者二氧化硅/鍺基光纖能夠在如下頻率范圍內(nèi)獲得由受激拉曼散射導(dǎo)致的放大，該頻率范圍位于相對于泵浦頻率位移13.2THz的最大頻率附近。其他的材料(例如亞碲酸鹽玻璃)可以存在多個用于拉曼放大的拉曼峰。有利地，可以選擇相應(yīng)于具有最大高度峰的位移，以便將適合于放大信號的泵浦頻率范圍設(shè)定在在給定的信號頻率范圍內(nèi)。這種選擇還會受到其他因素的影響，例如拉曼峰寬度或者拉曼峰位置。實際上，窄峰幾乎不可以用于設(shè)計拉曼放大器，而拉曼峰的位置與，例如，具有期望頻率和發(fā)射功率的泵浦激光器的可獲得性有關(guān)。
某種材料的拉曼頻譜可以用傳統(tǒng)的技術(shù)獲得。例如，它能夠通過使用圖7所示的裝置70獲得，裝置70包括受試拉曼活性光纖71，通過WDM耦連器73連接拉曼活性光纖71的非偏振泵浦源72，頻譜分析儀74和衰減器75。通過在沒有任何待放大輸入信號的拉曼活性光纖71中耦合具有任意頻率和至少200mW功率的泵浦輻射，有可能用頻譜分析儀74測量拉曼活性光纖71中由泵浦輻射導(dǎo)致的瞬時發(fā)射(ASE)。頻譜分析儀74與WDM耦連器73相連，從而測量在與泵浦的傳輸方向相反的方向上傳輸?shù)腁SE。這樣，測量不會受到從拉曼活性光纖71發(fā)出的高功率泵浦輻射的影響，其中拉曼活性光纖71位于泵浦輻射輸入端的相對側(cè)上。衰減器75可以避免在測量期間傷害操作者和/或顯著減少在拉曼活性光纖71的端部激發(fā)的泵浦輻射的背反射。然后，可以通過ASE頻譜得到拉曼活性光纖71所含材料的拉曼頻移，作為在頻譜分析儀74上獲得的ASE頻譜峰的頻率與所用泵浦輻射的頻率之差的絕對值。該測量可以在室溫下進行。在包括不同峰的情況下，如果用所選泵浦頻率范圍的最大泵浦頻率進行測量，則拉曼頻移與如下的值相應(yīng)，即與信號頻率范圍相應(yīng)的頻率范圍中所含最高峰的頻率與泵浦頻率之差的絕對值。
拉曼頻譜的獲得也可以通過用具有各自不同頻率的不同輸入信號加以執(zhí)行通過測量由每個信號頻率獲得的增益能夠獲得拉曼頻移的數(shù)值，作為與增益峰相應(yīng)的信號頻率與所用泵浦輻射的頻率之差的絕對值。該測量可以在室溫下進行。在包含不同峰的情況下，如果用所選泵浦頻率范圍的最大泵浦頻率進行測量，則拉曼頻移與如下的值相應(yīng)，即與信號頻率范圍相應(yīng)的頻率范圍中所含最高峰的頻率與泵浦頻率之差的絕對值。
為了在光信號的寬波長范圍上獲得顯著的放大，在本發(fā)明的放大器10中使用多個泵浦頻率。通過兩個泵浦源13、14提供的多個泵浦頻率的整體覆蓋較寬的頻率范圍，也就是，至少為拉曼活性光纖11、12內(nèi)所含材料拉曼位移的40％，優(yōu)選地為拉曼活性光纖11、12內(nèi)所含材料拉曼位移的至少50％，更優(yōu)選地為拉曼活性光纖11、12內(nèi)所含材料拉曼位移的至少60％，再優(yōu)選地為拉曼活性光纖11、12內(nèi)所含材料拉曼位移的至少70％。
耦連器件15、16可以是波分復(fù)用器。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，它們引入由泵浦源13、14提供的泵浦輻射，泵浦源13、14位于待放大光信號的相反方向上，從而在拉曼活性光纖11、12中具有反向傳輸拉曼放大。也可以使用拉曼放大器10的共傳輸配置或者共傳輸配置與反傳輸配置的混合配置。
拉曼放大器10的第一級10’和第二級10”被構(gòu)建成使它們在泵浦波長范圍內(nèi)彼此基本上隔離。換言之，第一級10’的泵浦源13基本上只向第一拉曼活性光纖11提供泵浦輻射，而第二級10”的泵浦源14基本上只向第二拉曼活性光纖12提供泵浦輻射。如果第一或者第二級10’、10”中有任何一個在放大處理中殘余任何泵浦，則會被基本上阻塞或者過濾掉，從而它基本上不能夠在另一個放大器級10’、10”中傳輸。反射也會導(dǎo)致泵浦殘余，其中該反射通過放大器10中所含各種部件之間，例如WDM15、16與拉曼活性光纖11、12，的欠理想耦合(less-than-perfect coupling)引發(fā)。實際上，如果來自第二泵浦源14的泵浦輻射在第一拉曼活性光纖長度11中沒有殘留，并且不用于第二拉曼活性光纖12中的放大，則可能是因為進入第一拉曼活性光纖11的該殘留部分的功率比由第一泵浦源發(fā)出的并耦合在拉曼活性光纖11中的泵浦功率低至少10dB，優(yōu)選地低至少13dB，更優(yōu)選地低至少20dB。同樣，如果來自第一泵浦源13的泵浦輻射在第二拉曼活性光纖長度12中不存在殘留，并且不用于第一拉曼活性光纖11中的放大，則可能是因為進入第二拉曼活性光纖12的該殘留部分的功率比由第二泵浦源發(fā)出的并耦合在拉曼活性光纖12中的泵浦功率低至少10dB，優(yōu)選地低至少13dB，更優(yōu)選地低至少20dB。
參考圖1所示的放大器配置，波分復(fù)用器可以提供第一級10’和第二級10”之間在泵浦波長范圍內(nèi)所需的隔離。例如，位于第一和第二拉曼活性光纖11、12之間的波分復(fù)用器15可以提取所有來自第二泵浦源且不用于第二長度拉曼活性光纖12的泵浦輻射，也就是來自第二級10”的泵浦殘余，從而該泵浦殘余基本上不在第一級10’的第一長度拉曼活性光纖11中傳輸。被提取的泵浦殘余可以用于監(jiān)視目的和/或增益控制。典型地，在泵浦波長范圍中，至少10dB的隔離水平足以使波分復(fù)用器(至少用于圖1中的WDM15)提供所需的隔離，因為來自泵浦源13、14的泵浦功率的大部分用于拉曼活性光纖11、12中的拉曼放大。顯然，在圖1所示的放大器配置中，來自第一泵浦源13的泵浦輻射基本上不在第二級10”的第二長度拉曼活性光纖12中傳輸，只是可能在WDM15發(fā)生泵浦反射，這能夠通過適當?shù)伛詈隙钚』?。在圖1所示的反向傳輸配置中，如果WDM耦連器15自身不能提供足夠的隔離水平，單向器可以放置在第一級10’與第二級10”之間，從而基本上阻塞從第二長度拉曼活性光纖12發(fā)出的所有可能的泵浦殘余。單向器可以是隔離器或者循環(huán)器。使用循環(huán)器可以進一步允許不使用第一耦連器15，因為第一泵浦源13可以合適地連接循環(huán)器的一部分。在其他實施例中，例如在拉曼放大器的共傳輸配置中，在第一和第二級10’、10”之間可以包含一個波長選擇過濾器，該波長選擇過濾器適合于透過光信號輻射和過濾掉泵浦輻射。
第一級10’中包含的泵浦源13可提供具有至少一個頻率處于第一組頻率中的泵浦輻射。第一組頻率限定了處于第一最小泵浦頻率與第一最大泵浦頻率之間的第一泵浦頻率范圍。第二級10”中包含的泵浦源14可提供具有至少一個頻率處于第二組頻率中的泵浦輻射。第二組頻率限定了處于第二最小泵浦頻率與第二最大泵浦頻率之間的第二泵浦頻率范圍。第一和第二組頻率是不一致的更明確地講，第一組所含頻率的至少一部分不包含在第二組中，反之亦然。在優(yōu)選實施例中，第一和第二泵浦頻率范圍彼此不交疊。在另一個實施例中，第一組頻率可以和第二組頻率交錯。第一和第二泵浦頻率范圍中每一個的寬度不超過拉曼活性光纖11、12中所含材料的拉曼頻移的70％，優(yōu)選地為拉曼頻移的60％，更優(yōu)選地為拉曼頻移的50％，再優(yōu)選地為拉曼頻移的40％。在本發(fā)明拉曼放大器的優(yōu)選實施例中，每個放大器級只對傳播光信號的一部分提供基本放大，而實際上留下其他的信號部分不放大。實際上，利用拉曼放大，每個泵浦頻率為光信號提供基本放大，該光信號的頻率范圍寬度只是拉曼活性光纖11、12所含材料的拉曼頻移的25-30％，居中于圍繞從泵浦頻率頻率一個拉曼頻移的頻率。因為根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器對不同放大器級的泵浦輻射使用不同的頻率亞范圍，所以每個放大器級只為與本級中所用泵浦頻率亞范圍有關(guān)的頻移頻率亞范圍，也就是典型地整個信號頻率范圍的亞范圍，提供基本放大。
泵浦頻率根據(jù)上述指示在不同放大器級上的分配允許減少，或者可能在實際上避免拉曼放大器中較短泵浦波長與較長泵浦波長之間的能量轉(zhuǎn)移。特別地，在本發(fā)明的多級放大器中，減少或者實際上避免了所有放大器級中較短和較長泵浦波長之間的任何能量轉(zhuǎn)移。本專利申請發(fā)現(xiàn)，有可能減少寬帶拉曼放大器中較短波長信號的噪聲系數(shù)。讓我們考慮，例如，1425nm的第一泵浦波長(頻率νp＝210.5THz)和1505nm的第二泵浦波長(νp＝199.3THz)。該第一和第二泵浦波長可以用于對拉曼放大器中光信號的拉曼放大，該光信號處于大約1520-1610nm的范圍內(nèi)，該拉曼放大器包括二氧化硅基或者二氧化硅/鍺基光纖。這些泵浦輻射的相應(yīng)頻率彼此相差11.2THz，也就是二氧化硅基光纖拉曼頻移的大約85％。如果該泵浦輻射在相同拉曼活性光纖中引發(fā)，則1425nm處的第一泵浦波長的光功率的大部分將通過受激拉曼散射轉(zhuǎn)移給1505nm處的第二泵浦波長，從而該轉(zhuǎn)移部分不會用于光信號的放大。結(jié)果，光信號的較短波長部分與較長波長部分相比放大較小。因此，應(yīng)當增大1425nm處的泵浦輻射功率以便考慮該效應(yīng)。然而，1425nm處的泵浦輻射與1505nm處的泵浦輻射之間的能量轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致拉曼放大器在較短波長的飽和域上工作。實際上，當被放大輻射的功率與大部分放大介質(zhì)的泵浦輻射相同時，放大器便會在飽和域上工作。在該情況下，具有較長波長并被具有較短波長的泵浦輻射放大的泵浦輻射在拉曼活性光纖的大部分上可以具有與后者相同的功率，即使在將兩個泵浦輻射的功率不平衡地發(fā)射到拉曼活性光纖的情況下也是如此。因此，較短泵浦波長可以被較長泵浦波長深度飽和，不便的是，被較短波長放大的信號部分可能具有更高的噪聲系數(shù)。實際上，與線性區(qū)域相比，飽和區(qū)是放大器更嚴重的噪音區(qū)。
相反，通過將1425nm的第一泵浦波長插入到第一級并將1505nm的第二泵浦波長插入到第二級，并通過使第一和第二級在泵浦波長范圍內(nèi)隔離，從而將拉曼放大器構(gòu)建成雙級拉曼放大器，則實際上在1425nm的泵浦波長與1505nm的泵浦波長之間不發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，從而每個放大器級可以在線性或者在低飽和區(qū)上工作，使得兩個級中的噪聲系數(shù)較低，也就是，使得放大器波長上的總體噪聲系數(shù)較低。
在使用更多泵浦頻率的情況下，例如為了在寬帶范圍的波長上獲得平坦的增益曲線，必須考慮各個頻率之間的距離。例如，整個泵浦頻率范圍可以包含多個泵浦頻率，該泵浦頻率范圍的寬度幾乎等于用于拉曼增益的材料的拉曼頻移。遵循上述的指定，在一個放大器級上可以設(shè)置如下的泵浦輻射，其頻率與最小泵浦頻率的距離小于拉曼頻移的70％，并在另一個級上設(shè)置如下的泵浦輻射，其頻率與最小泵浦頻率的距離大于拉曼頻移的70％。通過高度隔離兩個放大器級之間的泵浦波長范圍，每個放大器級中較短與較長泵浦波長之間的能量轉(zhuǎn)移被大大減少或者甚至避免，因為每個放大器級中最小泵浦波長與最大泵浦波長之間的距離相對較短。特別地，每個放大器級中泵浦波長范圍越小，每個放大器級中較短與較長泵浦波長之間的相互作用越小。進一步，第一和第二放大器級之間的隔離可以保證第一和第二放大器級中較短和較長泵浦波長之間實際上不發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。因此，每個放大器級可以在線性或者低飽和區(qū)內(nèi)工作，使得兩個級中的噪聲系數(shù)較低，也就是，對放大器波長的整體噪聲系數(shù)較低。
理想地，在使用多個泵浦頻率的情況下，一個可能的解決方法是為每個泵浦頻率設(shè)置一個隔離的放大器，從而完全避免不同泵浦頻率之間的能量轉(zhuǎn)移。在該情況下，每個放大器級只會對傳播光信號的極小一部分進行基本放大，而其他的信號部分實際上不被放大。然而必須考慮，需要通過合適的部件(例如WDM、隔離器、波長選擇過濾器)提供泵浦波長范圍中不同級之間所需的隔離這些部件的每一個都在光信號上引入插入損耗。不同級所含的拉曼活性光纖還提供了另一個對傳播光信號的損耗源，至少是光信號在第一放大器級中基本上沒有被放大部分的損耗源。在這種情況下，后一個放大器級會以非常差的水平接收光信號在第一放大器級中沒有被放大的某些部分的光信號功率，結(jié)果這些光信號部分的噪聲系數(shù)會更高。因此，當所用泵浦頻率數(shù)目大于或者等于3時，優(yōu)選地在單個級中設(shè)置至少兩個泵浦頻率。優(yōu)選地，第一和第二泵浦頻率范圍中至少有一個的寬度至少為拉曼活性光纖所含材料拉曼頻移的20％。這允許在一方面減少不同泵浦波長之間的能量轉(zhuǎn)移，另一方面使放大器級的數(shù)目足夠低，這兩者之間實現(xiàn)良好的折中，從而使所有放大器級中的光信號在整個波長范圍上保持可接收的功率水平，進而保持低的整體噪聲系數(shù)。
通過優(yōu)選地考慮到對拉曼活性光纖11、12中所含拉曼活性介質(zhì)波長的衰減，可以在第一和第二放大器級10’、10”之間設(shè)置不同的泵浦頻率。更特別地，為了獲得低噪聲系數(shù)，光信號的第一部分應(yīng)當優(yōu)選地首先在拉曼放大器中放大，該第一部分在拉曼活性介質(zhì)中具有比光信號的第二部分更大的衰減。因此，在第一放大器級中優(yōu)選地相對于待放大光信號的傳播方向設(shè)置適合于放大該光信號第一部分的泵浦頻率。例如，參考圖1并考慮到待放大光信號的傳播方向是從左到右，拉曼放大器10可以包括二氧化硅基光纖或者二氧化硅/鍺基光纖，并適合于放大1530nm-1610nm范圍的信號。出于這個目的，可以使用如下4個泵浦波長1425nm(νp＝210.5THz)，1440nm(νp＝208.3THz)，1470nm(νp＝204.1THz)，1510nm(νp＝198.7THz)。這4個泵浦波長的優(yōu)選布置是，前兩個波長用于泵浦第一級10’，后兩個波長用于泵浦第二級10”。通過該布置，第一放大器級10’為大約1530nm-1560nm波長范圍的光信號部分提供基本放大，而第二放大器級10”為大約1560nm-1610nm波長范圍的光信號部分提供基本放大。因為在二氧化硅基或者二氧化硅/鍺基光纖中1530nm-1560nm波長范圍的光信號的衰減高于1560nm-1610nm波長范圍的光信號的衰減，所以方便的是將較短的泵浦波長設(shè)置在第一放大器級10’，而較長的泵浦波長設(shè)置在第二放大器級10”。實際上，在被第二放大器級10”放大之前，具有較長波長的光信號部分可以沒有太大衰減地通過第一放大器級10’，使該部分光信號的噪聲系數(shù)保持在可以接受的水平。另一方面，具有較短波長的光信號部分被第一放大器級10’放大，由于在第二放大器級10”中的衰減，其噪聲系數(shù)基本上沒有劣化。
根據(jù)本發(fā)明的泵浦頻率設(shè)置可以有利地通過用具有基本上相同的泵浦發(fā)射功率，也就是，總體波動最多為拉曼放大器所用泵浦激光器平均發(fā)射功率50％的，優(yōu)選地為40％的，更優(yōu)選地為30％的泵浦激光器，使拉曼放大器具有低噪聲系數(shù)和平坦、寬帶的拉曼增益。實際上，因為減少或者實際上避免了不同泵浦輻射之間的能量轉(zhuǎn)移，所以對不同的泵浦波長不需要使用不同的功率就可以獲得對波長平坦的拉曼增益。使用具有基本上相同發(fā)射功率的泵浦激光器，對于和設(shè)計以及拉曼放大器的性能有關(guān)的不同方面是特別重要的，拉曼放大器的性能包括例如泵浦激光器的可靠性(能夠使用相同可靠性的泵浦激光器)，泵浦激光器的穩(wěn)定性(泵浦激光器能夠平均良好地功率幾乎相同的時間)，泵浦激光器的冷卻(對所有泵浦激光器能夠使用相同類型的冷卻裝置)，泵浦激光器的制造工藝(所有的泵浦激光器可以屬于相同的類型)。
根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器可以是WDM傳輸系統(tǒng)的一部分，包括一個發(fā)射臺、一個接收臺和一個連接所述發(fā)射臺和所述接收臺的光線路。該發(fā)射臺包括多個適合于各自發(fā)射多個光信道的發(fā)射器，每一個光信道具有各自的波長。多個光信道的WDM光信號通過復(fù)用器組合在一起，輸入到光線路的第一端部。接收臺包括多個接收器，其適合于接收WDM光信號和區(qū)分所接收的由每個光信道攜帶的信息。出于該目的，接收臺典型地包括一個多路信號分離器，其連接光線路的第二端部并適合于分離WDM光信號中所含不同的光信道。光線路典型地包括至少一個傳輸光纖。沿著光線路提供至少一個放大器，其具有至少一個根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器，從而抵消光信號由所述傳輸光纖或者纖維的至少一部分引發(fā)的衰減。其他的衰減源可以是連接器、耦連器/分束器和各種器件，例如調(diào)制器、開關(guān)、加-減復(fù)用器等，它們沿著光線路布置和/或布置在發(fā)射臺內(nèi)和/或布置在接收臺內(nèi)。光傳輸系統(tǒng)包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器，并且可以是任何類型的光傳輸系統(tǒng)，例如陸地傳輸系統(tǒng)或者海底傳輸系統(tǒng)。光線路也可以包括其他類型的放大器，例如鉺摻雜光纖放大器或者半導(dǎo)體放大器，其與至少一個根據(jù)本發(fā)明的拉曼放大器組合。特別地，分布式拉曼放大器可以與根據(jù)本發(fā)明的方法布置的集總拉曼放大器實施例組合使用。
特別地，圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的集總拉曼放大器10的優(yōu)選實施例，其包括4個級10i、10ii、10iii、10iv。4個放大器級的每一個都包括拉曼活性光纖(11、12、21、22)和一個WDM耦連器(15、16、25、26)。4個放大器還可以包括光學(xué)隔離器(17、18、27、28)。布置第一泵浦源13從而向第一和第三級10i、10iii拉曼活性光纖11、21提供泵浦輻射。出于這種目的，分束器19可以用于分割由泵浦源13發(fā)射的輻射。布置第二泵浦14源從而向第二和第四級10ii、10iv拉曼活性光纖12、22提供泵浦輻射。出于這種目的，分束器20可以用于分割由泵浦源14發(fā)射的輻射。任何傳統(tǒng)的分束器19、20都可以在圖1所示的實施例中使用，例如熔融光纖耦連器(fused fiber coupler)或者集成波導(dǎo)管耦連器(integrated waveguide coupler)。關(guān)于WDM耦連器15、16、25、26的拉曼活性光纖11、12、21、22和泵浦源13、14的特征，參考上面聯(lián)系圖1公開的內(nèi)容。特別地，第一組泵浦頻率用在第一和第三放大器級中，而第二組泵浦頻率用在第二和第四放大器級中。第一和第二組泵浦頻率具有上面聯(lián)系圖1公開的特征。
圖1或圖2所示拉曼放大器的優(yōu)選實施例可以有利地用在都市長途(metropolitan、long-haul)或者超長途光學(xué)系統(tǒng)中，代替鉺摻雜光纖放大器，用于放大1460nm-1650nm，典型地1530nm-1610nm范圍內(nèi)的WDM或者DWDM光信號。圖1或者2的放大器可以有利地放大WDM光信號全部可獲得波長波段的光信號。相反，基于鉺摻雜光纖放大器的放大典型地用如下的放大器配置執(zhí)行，其中在多路信號分離器與多路復(fù)用器之間彼此并聯(lián)設(shè)置的不同級用于放大不同波長的波段。其缺點是，為了在不同并聯(lián)放大器級中正確地分離和發(fā)送(route)不同的波段，一部分帶寬不能夠用于光信號。
典型地，在長途或者超長途系統(tǒng)中，在放大器中對色散進行補償。進一步，可以設(shè)置光學(xué)加/減復(fù)用器以便在放大器處沿著光線路提取和插入光信號。在圖2所示拉曼放大器10的優(yōu)選實施例中，色散補償器(chromatic dispersion compensator)和/或光學(xué)加/減復(fù)用器可以有利地設(shè)置在第二和第三放大器級之間。
實例1(比較)在第一模擬中，本專利申請考慮的是根據(jù)圖3的雙級放大器。拉曼放大器第一和第二級30’、30”的每一個都包括一個二氧化硅-鍺拉曼活性光纖(31、32)，其長度為3500m，gR/Aeff比值為6.5·10-3/(W·m)，在1530nm-1610nm之間的信號波長上的衰減為0.4dB/km，在1425nm-1510nm之間的信號波長上的衰減為0.6dB/km。4個不同的泵浦波長用于同時泵浦拉曼活性光纖31、32λ1＝1426nm(ν1＝210.5THz)，λ2＝1440nm(ν2＝208.3THz)，λ3＝1470nm(ν3＝204.1THz)，λ4＝1510nm(ν4＝198.7THz)。更明確地講，在泵浦源33中，4對泵浦激光器的泵浦發(fā)射功率(每個泵浦波長一對，每一對包括兩個連接偏振波束合成器(combiner)的激光器)被復(fù)合在一起，并經(jīng)由60/40分束器39和WDM耦連器35、36發(fā)送給拉曼活性光纖31、32。更明確地講，泵浦輻射的60％發(fā)送給第一級，40％發(fā)送給第二級。在每個放大器級中，最小和最大泵浦頻率之差為11.8THz(也就是，大約拉曼頻移的89％)。
計算如上布置的拉曼放大器兩種不同優(yōu)化配置的噪聲系數(shù)，得出a)增益為10dB，每信道的輸入信號功率為-11dBm(適合于超長途系統(tǒng)，其使用信道間隔為50GHz的200個信道)b)增益為28dB，每信道的輸入信號功率為-28dBm(適合于長途系統(tǒng)，其使用信道間隔為50GHz的200個信道)在下面的表1中，報告了兩種配置a)和b)的每個泵浦激光器的泵浦功率P(λ)，兩種配置經(jīng)過了優(yōu)化以便實現(xiàn)上述性能。
表1

還考慮了第一級30’和第二級30”之間6dB的介質(zhì)通路損耗(medium access loss)，以便實現(xiàn)例如色散補償器(dispersioncompensator)。兩種配置a)和b)在1530nm-1610nm上獲得的增益平坦性為±0.5dB。
圖4顯示了關(guān)于配置a)(曲線41)和b)(曲線42)在1530nm-1610nm波長上獲得的噪聲系數(shù)。可以看出，在兩種實例中，較短信號波長比較長信號波長的噪聲系數(shù)更高，這是由于較短泵浦波長與較長泵浦波長之間的能量轉(zhuǎn)移。由于該能量轉(zhuǎn)移，較短泵浦波長處的泵浦輻射必須具有高功率，其不用于信號放大。
實例2(本發(fā)明)在第二模擬中，本專利申請考慮的是根據(jù)圖2的拉曼放大器配置。使用了與參考實例1公開的相同泵浦波長，但這次，泵浦源13只包括具有波長λ1、λ2的泵浦激光器，而泵浦源14只包括具有波長λ3、λ4的泵浦激光器(每個泵浦波長一對，通過偏振波束合成器組合在一起)。放大器的4個級所使用的拉曼活性光纖的特征也與實例1中相同。分束器19是60/40分束器，分束器20是65/35分束器。更明確地講，向第一和第三放大器級發(fā)送更高的泵浦功率。因此，在第一和第三放大器級中，最小和最大泵浦頻率之差為1THz(也就是，大約拉曼頻移的7.5％)，而在第二和第四放大器級中，最小和最大泵浦頻率之差為5.4THz(也就是，大約拉曼頻移的41％)。
為了滿足實例1中a)(超長途系統(tǒng))所需的條件，第一拉曼活性光纖11長1500m，第二拉曼活性光纖12長1400m，第三拉曼活性光纖21長1800m，第四拉曼活性光纖22長2000m。所有泵浦激光器的發(fā)射功率為400mW。
為了滿足實例1中b)(長途系統(tǒng))所需的條件，第一拉曼活性光纖11長2000m，第二拉曼活性光纖12長2000m，第三拉曼活性光纖21長3000m，第四拉曼活性光纖22長3000m。所有泵浦激光器的發(fā)射功率為415mW。
還考慮了兩種實例中第二級和第三級之間6dB的介質(zhì)通路損耗，以便實現(xiàn)例如色散補償器。兩種實例在1530nm-1610nm上獲得的增益平坦性為±0.5dB。
圖5顯示了關(guān)于配置a)(曲線51)和b)(曲線52)在1530nm-1610nm波長上獲得的噪聲系數(shù)?？梢钥闯?，相對于圖4所示的先前實例，較短信號波長的噪聲系數(shù)更低，這是由于每個放大器級中較短與較長泵浦波長之間的能量轉(zhuǎn)移被顯著減少。更明確地講，在整個波長范圍上，圖5中的曲線51比圖4中的相應(yīng)曲線41更低；另一方面，在高達大約1590nm范圍內(nèi)，圖5中的曲線52比圖4中的相應(yīng)曲線42更低。對于較長的信號波長，相對于配置b)的先前實例，獲得了稍微高的噪聲系數(shù)，這是因為如下的事實，即較長的信號波長實際上只在放大器的第二和第四級放大，從而它們與較短信號波長相比經(jīng)歷了更高的輸入損耗。然而，對于配置b)，獲得了大約5.9dB的最大值，而在圖4中為大約7dB。
實例3(本發(fā)明)在第三模擬中，本專利申請考慮的是根據(jù)圖2的另一種拉曼放大器配置。使用了與參考實例1公開的相同泵浦波長，但這次，泵浦源13包括具有波長λ1、λ2、λ3的泵浦激光器，而泵浦源14只包括具有波長λ4的泵浦激光器(每個泵浦波長一對，通過偏振波束合成器組合在一起)。放大器的4個級所使用的拉曼活性光纖的特征也與實例1中相同。分束器19是60/40分束器，分束器20是65/35分束器。更明確地講，向第一和第三放大器級發(fā)送更高的泵浦功率。因此，在第一和第三放大器級中，最小和最大泵浦頻率之差為6.4THz(也就是，大約拉曼頻移的49％)。
為了滿足實例1中a)(超長途系統(tǒng))所需的條件，第一拉曼活性光纖11長1800m，第二拉曼活性光纖12長2000m，第三拉曼活性光纖21長2000m，第四拉曼活性光纖22長2200m。為了滿足實例1中b)(長途系統(tǒng))所需的條件，第一拉曼活性光纖11長2000m，第二拉曼活性光纖12長3000m，第三拉曼活性光纖21長2500m，第四拉曼活性光纖22長2500m。
在下面的表2中報告了兩種配置a)和b)的每個泵浦激光器的泵浦功率P(λ)，兩個配置經(jīng)過了優(yōu)化以便實現(xiàn)所需性能。
表2

還考慮了兩種實例中第二級和第三級之間6dB的介質(zhì)通路損耗，以便實現(xiàn)例如色散補償器。兩種實例在1530nm-1610nm上獲得的增益平坦性為±0.5dB。
圖6顯示了關(guān)于配置a)(曲線51)和b)(曲線52)在1530nm-1610nm波長上獲得的噪聲系數(shù)?？梢钥闯?，獲得了對波長基本上平坦的增益。更明確地講，對于配置a)，獲得了大約7.4dB的最大噪音值，而在圖4中為大約8.7dB，而對于配置b)，獲得了大約6.2dB的最大值，而在圖4中為大約7dB。
權(quán)利要求
1.一種用于放大頻率在信號頻率范圍內(nèi)的光信號的方法，包括-將所述光信號分別引入到彼此串聯(lián)布置的至少第一(11)和第二(12)光路中，其中每個光路包括具有預(yù)定拉曼頻移的拉曼活性材料；-將第一泵浦部分引入到所述第一光路(11)中，所述第一泵浦部分包括處于第一最小泵浦頻率和第一最大泵浦頻率之間的第一組泵浦頻率；-將第二泵浦部分引入到所述第二光路(12)中，所述第二泵浦部分包括處于第二最小泵浦頻率和第二最大泵浦頻率之間的第二組泵浦頻率，所述第一和第二組頻率的總體延伸的泵浦頻率范圍寬度至少是所述拉曼頻移的40％；其特征在于-所述第一組頻率的至少一部分不包含在所述第二組頻率內(nèi)，且所述第二組頻率的至少一部分不包含在所述第一組頻率內(nèi)；-執(zhí)行所述將所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步驟，使得進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，并且進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；-所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的70％；以及-所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的70％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，執(zhí)行所述將所述第一和第二泵浦部分引入到所述第一和第二光路的步驟，從而進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，并且進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的50％，而所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個的方法，其特征在于，所述泵浦頻率范圍的寬度至少為拉曼頻移的50％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一個的方法，其特征在于，所述第一和第二組頻率彼此不交疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個的方法，所述第一最小和所述第一最大泵浦頻率限定所述第一泵浦頻率范圍，且所述第二最小和所述第二最大泵浦頻率限定第二泵浦頻率范圍，其特征在于，所述第一和第二泵浦頻率范圍中至少有一個的寬度至少為所述拉曼頻移的20％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一個的方法，其特征在于，所述第一組頻率適合于拉曼放大所述光信號的第一部分，所述第二組頻率適合于拉曼放大所述光信號的第二部分，所述拉曼活性材料中光信號的第一部分對波長的衰減比光信號的所述第二部分更大。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任何一個的方法，其特征在于，它進一步包括通過多個泵浦激光器提供所述第一和所述第二泵浦部分的步驟，所述多個泵浦激光器泵浦功率發(fā)射的總變動最多為平均泵浦功率發(fā)射的50％。
9.一種拉曼放大器(10)，其適合于放大頻率在信號頻率范圍內(nèi)的光信號，其至少包括彼此串聯(lián)布置的第一(11、21)和第二(12、22)光路，每個光路都包括具有預(yù)定拉曼頻移的拉曼活性材料，所述放大器(10)包括-與所述第一光路(11、21)相連的第一泵浦源(13)，所述第一泵浦源(13)適合于向所述第一光路(11、21)發(fā)射第一泵浦輻射并使之與第一光路耦合，第一泵浦輻射包括處于第一最小泵浦頻率和第一最大泵浦頻率之間的第一組泵浦頻率；-與所述第二光路(12、22)相連的第二泵浦源(14)，所述第二泵浦源(14)適合于向所述第二光路(12、22)發(fā)射第二泵浦輻射并使之與第二光路耦合，第二泵浦輻射包括處于第二最小泵浦頻率和第二最大泵浦頻率之間的第二組泵浦頻率，所述第一和第二組頻率的總體延伸的泵浦頻率范圍的寬度至少為所述拉曼頻移的40％；其特征在于-所述第一組頻率的至少一部分不包含在所述第二組頻率內(nèi)，且所述第二組頻率的至少一部分不包含在所述第一組頻率內(nèi)；-所述第一和第二泵浦源與所述第一和第二光路之間的耦連，使得耦連進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低10dB的功率，并且使得耦連進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低10dB的功率；-所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的70％；和-所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的70％。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一和第二泵浦源與所述第一和第二光路之間的耦連，使得耦連進入所述第一光路的所述第二泵浦部分的殘余部分具有比所述第一泵浦部分低13dB的功率，并且使得耦連進入所述第二光路的所述第一泵浦部分的殘余部分具有比所述第二泵浦部分低13dB的功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10任何一個的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一最小泵浦頻率與所述第一最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的50％，且所述第二最小泵浦頻率與所述第二最大泵浦頻率彼此之差最多為所述拉曼頻移的50％。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任何一個的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述泵浦頻率范圍的寬度至少為所述拉曼頻移的50％。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12中任何一個的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一和第二組頻率彼此不交疊。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13中任何一個的拉曼放大器(10)，所述第一最小和所述第一最大泵浦頻率限定所述第一泵浦頻率范圍，且所述第二最小和所述第二最大泵浦頻率限定第二泵浦頻率范圍，其特征在于，所述第一和第二泵浦頻率范圍中至少有一個的寬度至少為所述拉曼頻移的20％。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中任何一個的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一組頻率適合于拉曼放大所述光信號的第一部分，所述第二組頻率適合于拉曼放大所述光信號的第二部分，在所述拉曼活性材料中，光信號的第一部分對所述波長的衰減比光信號的所述第二部分更大。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-15中任何一個的拉曼放大器(10)，其特征在于，所述第一和所述第二泵浦源(13、14)包括多個泵浦激光器，所述多個泵浦激光器具有的泵浦功率發(fā)射的總變動最多為平均泵浦功率發(fā)射的50％。
17.一種光系統(tǒng)，包括至少一個光線路，所述光線路包括至少一個光纖和至少一個連接于所述光纖的、根據(jù)權(quán)利要求9-16中的任何一個的拉曼放大器(10)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的光系統(tǒng)，其特征在于，它進一步包括發(fā)射臺，發(fā)射臺包括多個適合于各自發(fā)射多個光信道的發(fā)射器，每個光信道具有各自的波長，所述發(fā)射臺與所述光線路的第一端部相連。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的光系統(tǒng)，其特征在于，它進一步包括接收臺，接收臺包括適合于區(qū)分由所述各個光信道攜帶的信息的多個接受器，所述接收臺與所述光線路的第二端部相連。
全文摘要
一種拉曼放大器，包括至少一個彼此串聯(lián)布置的第一和第二拉曼活性光纖。第一泵浦源與第一拉曼活性光纖相連，并適合于向第一拉曼活性光纖發(fā)射包含第一組頻率的第一泵浦輻射并使之與第一拉曼活性光纖耦合。第二泵浦源與第二拉曼活性光纖相連，并適合于向第二拉曼活性光纖發(fā)射包含第二組頻率的第二泵浦輻射并使之與第二拉曼活性光纖耦合。所述第一和第二組頻率的整體延伸的泵浦頻率范圍的寬度至少為拉曼頻移的40％。在所述第一和第二組頻率的每一組中，最小和最大頻率之差最多為所述拉曼頻移的70％。
文檔編號H04B10/291GK1639931SQ02829391
公開日2005年7月13日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者阿蒂利歐·布拉格瑞, 吉烏利亞·皮特拉, 拉費利·戈希尼, 達尼羅·卡西歐利 申請人:皮雷利＆C·有限公司