專利名稱：連續(xù)波泵浦的平行光纖光學(xué)參數(shù)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及一種光纖放大器，尤其涉及一種具有抑制串?dāng)_的參數(shù)放大器(parametric amplifier)。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，不同種類的數(shù)據(jù)通信變得越來越頻繁，這種發(fā)展需要可獲得的用于通信的更寬的帶寬。在過去十年中不同種類電信系統(tǒng)的容量急劇地增加，該容量的增加部分由光纖來提供，該光纖相比于普通導(dǎo)線能提供幾個(gè)數(shù)量級的帶寬增量。
通過利用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)以有效的方式使用光纖的帶寬?？梢栽谝粋€(gè)以及同一光纖中不相互干擾地同時(shí)傳輸利用大量略微不同波長的多個(gè)信道。密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)在最近幾年得到了發(fā)展，并將頻域的利用帶到了更深的層次。有用的光譜被區(qū)分為不同的波段，范圍從1460nm到1530nm的S波段(短波段)，范圍從1525.6nm到1562.5nm的C波段(常規(guī)波段)以及從1569.4nm到1612.8nm的L波段(長波段)。
光通信的主要問題在于，由于內(nèi)在光纖損耗造成的光信號的衰減。在傳輸一定距離之后，光信號衰減并且必須通過某種或其它方式來補(bǔ)償。通過引入光放大器，就不再需要任何到電信號的轉(zhuǎn)換。然而寬波段，例如承載了大量WDM信道的完整的S波段、C波段和L波段，其放大不完全是直接的?，F(xiàn)有技術(shù)中有幾種不同的放大器。
摻雜稀土元素的光纖放大器是一種廣泛使用的光放大器。它們呈現(xiàn)低噪聲，并且能在相當(dāng)大的帶寬中操作，同時(shí)具有可以忽略的串?dāng)_。然而，其操作波長區(qū)域依賴于摻雜離子。
光放大器還通過受激拉曼散射(SRS)而基于拉曼效應(yīng)。SRS是一非線性過程，其中由于光學(xué)聲子的激發(fā)，通過在光波和媒質(zhì)之間的能量傳遞產(chǎn)生新的頻率。由于這是一個(gè)非諧振過程，因此在任何波長可得到增益。對于二氧化硅的情況，該頻移峰位與泵浦頻率距離大約13THz。已知該下移頻率為斯托克斯頻移。拉曼增益超過約40THz，但是對于應(yīng)用目的來講有用的帶寬小于該數(shù)值。
第三種類型的光放大器是光纖光學(xué)參數(shù)放大器(FOPA)。由于在密集波分復(fù)用(DWDM)傳輸系統(tǒng)中可能用于放大和波長轉(zhuǎn)換，因此這種類型的放大器在最近幾年被大量地研究。由于放大頻段依賴于所用的光纖設(shè)計(jì)并因此能被移到常規(guī)稀土元素窗口頻段之外，因而吸引了大家的關(guān)注。這將允許使用熔融石英光纖的完全低損耗窗口。根據(jù)泵浦波長和光纖零色散波長，該波長原則上能被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整為1300nm至1600nm，光纖光學(xué)參數(shù)放大器可在任何通信頻段(S-C-L)中工作。
光纖光學(xué)參數(shù)放大器的操作基于混合波的非線性過程，由此在靠近光纖零色散波長的給定波長處的泵浦源導(dǎo)致從自發(fā)噪聲中產(chǎn)生空載波段和信號波段。如果同時(shí)施加外部注入信號，該外部注入信號能在信號波段和空載波段的任何一個(gè)中被放大，該信號波段和空載波段基本上關(guān)于泵浦波長對稱。
已知光纖光學(xué)參數(shù)放大器通常具有低的效率，這意味著需要非常高的激光泵浦功率。光纖光學(xué)參數(shù)放大器的增益通常依賴于三個(gè)參數(shù)非線性系數(shù)□、用作放大媒介的光纖的長度L、以及泵浦能量PP。較小的非線性系數(shù)需要使用較高的泵浦功率或長的光纖長度。然而，近來商業(yè)上已經(jīng)可以獲得具有較高非線性系數(shù)的光纖。
光纖光學(xué)參數(shù)放大器的相對較大的問題在于其放大原理導(dǎo)致串?dāng)_。由于四波長混合(FWM)，具有一個(gè)波長的光信號將在放大過程中在其它波長處產(chǎn)生“錯(cuò)誤”信號。在DWDM系統(tǒng)中，該串?dāng)_通常是無法接受的。
相關(guān)領(lǐng)域在US6,239,903中，光纖光學(xué)參數(shù)放大器與拉曼放大器串聯(lián)使用，以拓寬放大增益。IEEE J.Lightwave Technol“光波技術(shù)”.19，977-979(2001)，由M.C.Ho，K.Uesaka，M.E.Marhic，Y.Akasaka和L.G.Kazovsky所著的“結(jié)合參數(shù)和拉曼增益的200nm帶寬的光纖光學(xué)放大器”(200-nm-Bandwidth Fiber Optical AmplifierCombinedParametric and Raman Gain)中示出了類似的方法。在US6,049,417(等價(jià)于EP0883218)中，平行的子波段通過使用不同類型的稀土光學(xué)放大器放大。在US6,317,254中公開了一種具有平行的EDFA結(jié)構(gòu)的平行光纖放大器，該結(jié)構(gòu)中重復(fù)使用反向的ASE作為次級泵浦源。在US5,452,116中，平行光學(xué)子波段放大器與單個(gè)滿帶放大器串聯(lián)使用以補(bǔ)償不均勻的增益特性。在IEEE Photon.Technol.Lett.13，194-196(2001)，由J.Hansryd和P.A.Andrekson所著的“具有49dB增益的寬帶連續(xù)波泵浦的光纖光學(xué)參數(shù)放大器和波長轉(zhuǎn)換效率”(Broad-bandcontinuous-wave-pumped fiber optical parametric amplifier with49-dB gain and wavelength-conversion efficiency)中，使用多段光纖設(shè)計(jì)以獲得相對大的帶寬和高增益的參數(shù)放大器。參見例如IEEESelect.Topics Quantum Electron.8，538-547(2002)，由C.J.McKinstrie，S.Radic和A.R.Chraplyvy所著的“通過兩個(gè)泵浦波驅(qū)動的參數(shù)放大器”(Parametric amplifiers driven by two pumpwaves)中也使用了雙泵方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的參數(shù)放大器的一個(gè)普遍問題在于，根據(jù)前面討論的來自四波混合產(chǎn)物中潛在的串?dāng)_。另外，通常缺少可獲得的增益帶寬的平穩(wěn)度，因此需要額外的平滑裝置。另外，通常還需要增加帶寬。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種具有改進(jìn)的抑制串?dāng)_的參數(shù)放大器裝置和方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在寬頻段中產(chǎn)生放大的參數(shù)放大器裝置和方法。本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種具有足夠用于例如波分復(fù)用應(yīng)用的增益平穩(wěn)度的參數(shù)放大器裝置和方法。另外的目的在于，在寬的帶寬上產(chǎn)生高的增益，優(yōu)選大于20dB。同樣，放大器優(yōu)選地應(yīng)能工作于光纖低損耗波段內(nèi)的任何光譜區(qū)。
通過根據(jù)所附專利權(quán)利要求的裝置、系統(tǒng)和方法來實(shí)現(xiàn)上述目的。通常，多個(gè)非線性光纖以平行結(jié)構(gòu)構(gòu)建。由波長稍長于各個(gè)光纖的零色散波長的光泵來泵浦光纖。通過允許光信號在特定波長間隔內(nèi)進(jìn)出不同的光纖從而獲得參數(shù)的放大。通過選擇所允許的波長間隔，優(yōu)選位于放大光譜的高增益部分，使得泵浦波長位于間隔之外，從而抑制由與泵浦波長相關(guān)的共軛信號產(chǎn)生的串?dāng)_。
根據(jù)不同的光纖性能，可由單獨(dú)的激光泵泵浦非線性光纖，或者由同一個(gè)泵泵浦兩個(gè)或更多的非線性光纖。通過調(diào)整光纖性能，例如零色散波長、二階色散系數(shù)、和四階色散系數(shù)，可在不同的波長間隔內(nèi)獲得有利的放大特性。通過組合多個(gè)上述被調(diào)整的子波段放大器，能夠獲得抑制串?dāng)_的參數(shù)放大。該放大器優(yōu)選用于WDM和DWDM系統(tǒng)。
采用本發(fā)明，由于產(chǎn)生共軛所導(dǎo)致的所有串?dāng)_實(shí)際上得到抑制。另外，在約1250nm到約1650nm范圍的寬帶光譜內(nèi)獲得高的增益，該光譜從而覆蓋了S-C-L波段。在適當(dāng)?shù)臈l件下，所產(chǎn)生的這些波段足夠平滑因此不需要額外的平滑裝置。


參考結(jié)合附圖的如下描述，可以更好地理解本發(fā)明以及本發(fā)明的另外目的和優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明光放大器裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2A圖解圖1的一個(gè)非線性光纖中參數(shù)放大的理想增益譜；圖2B圖解圖1的另一非線性光纖中參數(shù)放大的理想增益譜；圖2C是圖1的光輸出內(nèi)組合信號中參數(shù)放大的理想增益譜；圖3是根據(jù)本發(fā)明光放大器裝置另一實(shí)施例的示意圖；圖4圖解圖3的實(shí)施例中參數(shù)放大的理想增益譜；圖5是根據(jù)本發(fā)明光放大器裝置又一實(shí)施例的示意圖；圖6圖解圖5的實(shí)施例中參數(shù)放大的理想增益譜；圖7圖解根據(jù)本發(fā)明十分支裝置的參數(shù)放大的理想增益譜；圖8是具有不同的二階和四階色散系數(shù)的非線性光纖中參數(shù)放大的增益譜；圖9是利用與其它放大方法組合的本發(fā)明混合實(shí)施例的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；以及圖11是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的框圖，其中優(yōu)選使用根據(jù)本發(fā)明的放大器裝置。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中將說明一種利用平行結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)使減小串?dāng)_成為可能。相同的設(shè)計(jì)還可用來擴(kuò)展有用的帶寬。即使利用商業(yè)上可獲得的光纖，其允許具有最高的非線性，而本設(shè)計(jì)仍然表明更大的帶寬是可能的。
光纖光學(xué)參數(shù)放大器的基本操作原理在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。使用了具有非線性性能的光纖。由于四波混合，高密度的光信號可轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌ㄩL的光信號。如果一個(gè)特定的頻率被應(yīng)用于非線性光纖，則在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下可從噪聲中逐漸形成邊帶頻率。當(dāng)泵浦波長稍大于非線性光纖的零色散波長時(shí)出現(xiàn)最佳的操作條件。增益譜大致相對于泵浦提供的信號波段和空載波段對稱。為了對該基本原理有更深的理解，可以參考圣地亞哥學(xué)術(shù)出版社1995年出版的，由G.P.Agrawal所著的“非線性光纖光學(xué)”(Nonlinear fiber optics)第二版中的第404-435頁，以及IEEE Select.Topics Quantum Electron.8，506-520(2002)中由J.Hansryd，P.A.Andrekson，M.Westlund，J.Li和P.-O.Hedekvist所著的“基于光纖的光學(xué)參數(shù)放大器和它們的應(yīng)用”(Fiber-basedoptical parametric amplifier and their applications)。
然而，空載的產(chǎn)生能導(dǎo)致空載波段中信道的四波混合(FWM)串?dāng)_。這種特殊的串?dāng)_源于與泵浦波長相關(guān)的共軛信號的產(chǎn)生，且其對參數(shù)放大器中總串?dāng)_有著大的貢獻(xiàn)。共軛信號串?dāng)_最初出現(xiàn)在光纖的非線性效應(yīng)中，因此是參數(shù)放大器所特有的。在典型的情況下，串?dāng)_信號的產(chǎn)生將有用的帶寬限制在所形成的總增益譜的一半。由于信號波段實(shí)際上僅為15nm到25nm量級，因此這也限制了現(xiàn)有技術(shù)的光纖光學(xué)參數(shù)放大器的實(shí)際應(yīng)用。然而，如果采用如下面所提出的平行幾何結(jié)構(gòu)，則可以減小串?dāng)_，尤其是與光泵浦波長相關(guān)的共軛信號。作為另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以增加有用的操作波段以及可以創(chuàng)建平滑的增益譜。
在圖1中，圖解了根據(jù)本發(fā)明光放大器裝置1的一個(gè)實(shí)施例。假定光輸入10如輸入光纖，傳輸多個(gè)具有不同波長的光信號。該光信號在光信號分離器14中被分成兩個(gè)子波段。該子波段是獨(dú)立的，即它們之間沒有交叉部分。來自一個(gè)子波段的信號傳輸?shù)骄哂蟹蔷€性光纖12A的第一分支，來自另一個(gè)子波段的信號傳輸?shù)骄哂蟹蔷€性光纖12B的第二分支在本發(fā)明的實(shí)施例中第一和第二非線性光纖12A和12B基本上具有相同的性能，例如關(guān)于非線性或色散。一個(gè)光泵浦，在本實(shí)施例中為激光泵18，被設(shè)置成為兩個(gè)非線性光纖12A、12B提供基本上具有泵浦波長λP的單色光。激光泵18優(yōu)選是可調(diào)的，以允許對泵浦波長λP的精細(xì)調(diào)整。優(yōu)選約0.1nm的線寬，因?yàn)橛纱丝杀苊獠祭餃Y(Brillouin)散射效應(yīng)。光纖12A和12B是非線性的，即它們給出了大于0的γ值(非線性系數(shù))，優(yōu)選遠(yuǎn)大于0。光纖12A、12B還具有零色散波長λ0，其稍小于泵浦波長λP。
非線性光纖12A和12B還連接到光多路復(fù)用器16，其將來自非線性光纖12A、12B的信號合并或多路復(fù)用到光輸出20，例如輸出光纖。允許只有在第一子波段出現(xiàn)的信號離開第一非線性光纖12A，且允許只有在第二子波段出現(xiàn)的信號離開第二非線性光纖12B，從這個(gè)意義上說，光多路復(fù)用器16是光信號分離器14的“鏡像”裝置。
圖2A是從光纖光學(xué)參數(shù)放大器，即由具有適當(dāng)波長的激光泵提供的非線性光纖中獲得的理想光譜100的示圖。該增益給出兩個(gè)波段波長小于泵浦波長λP的信號波段102以及波長大于泵浦波長λP的空載波段104。空載波段104基本上是信號波段102關(guān)于泵浦波長λP的鏡像波段。還可注意到，零色散波長λ0稍小于泵浦波長λP。光信號106在信號波段中被提供并因此被放大。然而由于FWM效應(yīng)，串?dāng)_信號108也出現(xiàn)在空載波段104中。這些干擾信號是光信號106關(guān)于泵浦波長λP的共軛信號。在本實(shí)施例中，零色散波長λ0是1545nm，且選擇泵浦波長使得二階色散系數(shù)β2等于-0.035ps2/km。
如果允許子波段Δλ1中的光信號106，其中子波段Δλ1被限制在泵浦波長λP的一側(cè)，則任何串?dāng)_信號108，即光信號106關(guān)于泵浦信號的共軛信號，將出現(xiàn)在泵浦波長λP的另一側(cè)。在圖2A中，子波段Δλ1是覆蓋以泵浦波長λP為上限的波長間隔的子波段。串?dāng)_信號108隨后出現(xiàn)在子波段Δλ2中，該子波段覆蓋以泵浦波長λP為下限的波長間隔。為了抑制串?dāng)_，泵浦波長必須位于任何被允許由該特定分支中參數(shù)放大器放大的子波段之外。
研究圖2A，同時(shí)考慮圖1的結(jié)構(gòu)，圖2A所示的情形可以對應(yīng)于第一非線性光纖12A。子波段Δλ1中的光信號106是唯一被允許進(jìn)入第一非線性光纖12A的光信號。類似地，子波段Δλ1中的光信號也是唯一被允許從第一分支，即從第一非線性光纖12A傳輸?shù)焦廨敵龉饫w20中的光信號。這意味著串?dāng)_信號108被禁止進(jìn)入輸出光纖20。第一非線性光纖12A對輸出光纖20中信號的貢獻(xiàn)于是對應(yīng)于圖2A中的陰影部分。
圖2B圖解了第二分支中，即在第二非線性光纖12B中的相應(yīng)情形。這里，子波段Δλ2中的光信號112被允許進(jìn)入。光信號112在空載波段104中被放大并在信號波段102中產(chǎn)生串?dāng)_信號114。由于只有子波段Δλ2中的光信號被允許從第二非線性光纖12B傳輸?shù)捷敵龉饫w20，因此抑制了串?dāng)_信號114。
圖2C示出了輸出光纖20的理想光譜。容易注意到平行放大器結(jié)構(gòu)的輸出是圖2A和圖2B兩個(gè)光譜的組合，該輸出受到串?dāng)_信號的影響較小。1532nm到1555nm的帶寬與典型的現(xiàn)有技術(shù)的參數(shù)放大器相比是其兩倍。必須記住，某些串?dāng)_仍然存在，由于例如相同子波段中兩個(gè)信號波長之間的相互作用中還會出現(xiàn)串?dāng)_。然而由于泵浦波長的高密度，關(guān)于泵浦波長的共軛信號對參數(shù)放大器系統(tǒng)中的整個(gè)串?dāng)_有著大的貢獻(xiàn)。
圖2C的增益在帶寬上有很大的變化，這有時(shí)也妨礙其某些應(yīng)用。可以使用放大平滑裝置(未示出)來提供更平滑的增益譜。另外，在許多應(yīng)用中需要比圖2C中獲得的帶寬更大的帶寬。
圖3是圖1的基本原理的進(jìn)一步發(fā)展，其中圖解本發(fā)明另一實(shí)施例。首先，在該實(shí)施例中給出三個(gè)非線性光纖12A、12B和12C。光信號分離器14和光多路復(fù)用器16被相應(yīng)地修改，將輸入光信號劃分為三個(gè)子波段。在該實(shí)施例中所有的非線性光纖12A-C由同一激光泵18泵浦。作為說明性的示例，泵浦波長λP被設(shè)置為1450nm。然而與圖1中所示的情形不同，不同的非線性光纖12A-C具有不同的光學(xué)特性。
在圖4中示出了圖3的三個(gè)非線性光纖12A-C空載波段的預(yù)期增益特性。曲線120對應(yīng)于第一非線性光纖12A，在該特定示例中其參數(shù)β2的值為-0.060ps2/km。曲線122對應(yīng)于第二非線性光纖12B，在該特定的實(shí)施例中其參數(shù)β2的值為-0.020ps2/km。曲線124對應(yīng)于第三非線性光纖12C，在該特定的實(shí)施例中其參數(shù)β2的值為-0.008ps2/km。這里，不同的分支還有不同的零色散波長λ0。設(shè)置光信號分離器14和光多路復(fù)用器16以允許第一波段Δλ3內(nèi)的信號進(jìn)出第一非線性光纖12A。同理，第二波段Δλ4的信號被允許進(jìn)入第二非線性光纖12B，最后第三波段Δλ5的信號被允許進(jìn)入第三非線性光纖12C。在各非線性光纖12A-C中執(zhí)行各子波段的放大，串?dāng)_減小了的信號最終被組合于輸出光纖20中。
從圖4的圖中清楚地示出了上述放大的結(jié)果。在大約1470nm到約1550nm，即80nm間隔的帶寬內(nèi)，增益僅在GL和GU之間變化，這對應(yīng)于僅為±4％的增益變化。這里可以注意到，所選的子波段并不自始至終覆蓋到泵浦頻率，而僅利用增益曲線的高增益部分。然而重要的特征在于子波段不包括泵浦波長λP。可以相信在大部分應(yīng)用中，子波段將與泵浦波長λP完全分離。
圖5圖解了根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例。在該實(shí)施例中還存在三個(gè)非線性光纖12A、12B和12C。相應(yīng)地修改了光信號分離器14和光多路復(fù)用器16，將輸入的光信號劃分為三個(gè)子波段。在該實(shí)施例中，非線性光纖12A-C中每一個(gè)都由獨(dú)立的激光泵18A-C泵浦。作為說明性的示例，第一光纖的泵浦波長λP設(shè)置為1450nm，第二光纖的泵浦波長設(shè)置為1470nm，第三光纖的泵浦波長設(shè)置為1490nm。根據(jù)圖3中的情形，不同的非線性光纖12A-C具有不同的光學(xué)特性。
圖6中，該解了圖5的三個(gè)非線性光纖12A-C中空載波段的預(yù)期增益特性。在該說明性的示例中所有光纖具有值為-0.020ps2/km的參數(shù)β2。曲線126對應(yīng)于第一非線性光纖12A。曲線128對應(yīng)于第二非線性光纖12B。曲線130對應(yīng)于第三非線性光纖12C。這里可以注意到，對于不同的分支，由于泵浦波長λP的不同，零色散波長λ0是不同的。第一非線性光纖12A中零色散波長λ0最短，第三非線性光纖12C中零色散波長λ0最長。設(shè)置光信號分離器14和光多路復(fù)用器16以允許第一波段Δλ6內(nèi)的信號進(jìn)出第一非線性光纖12A。類似地，第二波段Δλ7的信號被允許進(jìn)入第二非線性光纖12B，最后第三波段Δλ8的信號被允許進(jìn)入第三非線性光纖12C。在各非線性光纖12A-C中執(zhí)行各子波段的放大，且串?dāng)_減小了的信號最終被組合于輸出光纖20中。
從圖6的圖表中清楚地示出了上述放大的結(jié)果。在大約1487nm到約1553nm，即66nm間隔的帶寬范圍內(nèi)，增益幾乎是恒定的(±2％)。
根據(jù)上述實(shí)施例，本領(lǐng)域任何技術(shù)人員意識到不同的組合和變化是可能的。首先能使用幾乎任何數(shù)目的分支，即非線性光纖，這增加了拓展帶寬和改進(jìn)整體增益特性的可能性。每個(gè)非線性光纖能由一個(gè)各自的泵泵浦或由一個(gè)或多個(gè)非線性光纖共用的一個(gè)泵泵浦。利用參數(shù)放大器的每個(gè)分支中的光纖具有散射和非線性特性，其適合所用的泵浦波長和光信號分離器所選的特定波長間隔。在每個(gè)非線性光纖中利用信號波段或空載波段，但在同一光纖中不能兩者都使用。然而可以同時(shí)地在一個(gè)光纖中使用信號波段而在另一個(gè)光纖中使用空載波段。
對應(yīng)于理論上具有10分支結(jié)構(gòu)的增益圖如圖7所示。這里5個(gè)激光泵分別泵浦兩個(gè)分支。在每對分支中，一個(gè)分支利用信號波段，另一分支利用空載波段。因此能提供幾乎根本沒有增益變化的240nm的有用帶寬。這相當(dāng)于基于稀土摻雜放大器的正常帶寬的幾乎10倍。
本發(fā)明的原理已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)得到了證明。零色散分別為1545nm和1556nm的兩個(gè)不同的色散偏移光纖(DSF)利用兩個(gè)摻雜鉺光纖的環(huán)形激光器所泵浦。泵浦激光器的波長分別為1546.6nm和1558.6nm。這些激光器是可調(diào)諧的并且線寬約為0.4nm?？烧{(diào)諧外腔的二極管激光器產(chǎn)生待放大的光信號。該信號被反方向使用的寬帶WDM(如信號分離器)耦合到依賴于波長的一個(gè)光纖或其它光纖，其具有1525nm到1540nm的第一窗口或子波段以及具有1540nm以上的第二窗口。在這種情況下，該信號和泵同時(shí)耦合到適當(dāng)?shù)腄SF。來自兩個(gè)光纖的信號通過相同種類(用作多路復(fù)用器)的另一寬帶WDM結(jié)合起來并連接到光譜分析儀。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出增益為12dB以上的整個(gè)有用的帶寬大約是27nm，這與通常的摻鉺放大器具有相同的數(shù)量級。整個(gè)系統(tǒng)僅利用標(biāo)準(zhǔn)的色散偏移光纖和現(xiàn)成的光學(xué)元件來構(gòu)建。
評估整個(gè)發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，可以意識到其性能很大程度上依賴于光纖特性、泵浦波長和泵浦功率的實(shí)際選擇。通過調(diào)整光纖的參數(shù)，例如非線性系數(shù)γ或色散項(xiàng)，能獲得適當(dāng)?shù)脑鲆骓憫?yīng)。最常用光纖的非線性系數(shù)γ能達(dá)到2W-1km-1。然而今天具有非線性系數(shù)為20W-1km-1的光纖都是司空見慣的了。由于總的增益很大程度依賴于泵浦功率、光纖長度和非線性系數(shù)，因此優(yōu)選非線性系數(shù)γ大于10W-1km-1。
為了能將每個(gè)非線性光纖調(diào)整到適合特定的波長區(qū)域，在光纖制造的過程中可以改變色散項(xiàng)例如零色散波長λ0和二階色散系數(shù)β2。還發(fā)現(xiàn)，在調(diào)整適當(dāng)?shù)墓饫w特性的過程中甚至四階色散系數(shù)β4是有用的。在圖8中說明了一組具有不同β4參數(shù)的增益譜。這里，β4從1.0×10-4ps4km-1變化到5.0×10-3ps4km-1，光纖非線性系數(shù)固定為γ＝15km-1.PP且光纖長度固定為L＝0.20km(β2也從-0.0316變化到-0.224ps2/km)。較小值的β4通常給出較平滑且更寬的增益曲線，見曲線132。較高值的β4通常給出較窄的增益曲線，見曲線134。比較圖8和圖4，很明顯的是，不需要附加的平滑裝置，整個(gè)FOPA的帶寬上增益的變化更接近于零。在這種方式下，組合的可能性實(shí)際上是沒有限制的，且光纖設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展增加了這種可能性。采用適當(dāng)?shù)墓饫w設(shè)計(jì)，覆蓋從1250到1650nm的整個(gè)波長范圍應(yīng)該是可能的。
本發(fā)明的另一實(shí)施例如圖9所示，這里非線性光纖的兩個(gè)平行分支由一個(gè)共同的泵來泵浦。這兩分支中的一個(gè)分支放大信號波段的高增益部分內(nèi)的信號，而另一分支放大空載波段的高增益部分內(nèi)的信號。然而這些高增益波段之間的波長范圍并沒有被這些分支所覆蓋。第三分支考慮到該波段范圍。在該分支中使用了另一光學(xué)放大技術(shù)19，例如摻稀土放大器、拉曼放大器等等。
圖10的流程圖說明了根據(jù)本發(fā)明過程的實(shí)施例。該過程起始于步驟200。在步驟201中，光信號被多路分解為第一波長間隔和第二波長間隔。在步驟202中，第一波長間隔的信號被導(dǎo)向第一非線性光纖。平行地，在步驟204中，第二波長間隔的信號被導(dǎo)向第二非線性光纖。在步驟206中，通過向非線性光纖提供來自泵的具有合適波長的光，執(zhí)行第一參數(shù)放大。平行地在步驟208中執(zhí)行第二參數(shù)放大。最后，在步驟210中，已放大的光信號被多路復(fù)用為最終的輸出信號。在步驟212則結(jié)束該過程。
圖11中圖解了普通的光通信系統(tǒng)，其中使用根據(jù)本發(fā)明的光放大器裝置具有優(yōu)勢。多個(gè)節(jié)點(diǎn)56通過雙向線路54與集線器50通信。根據(jù)WDM方案，優(yōu)選根據(jù)DWDM，集線器50將不同信號多路復(fù)用到光纖52內(nèi)，該光纖52互連兩個(gè)集線器50。沿著上述通路光信號衰減，在沿著光纖52的特定位置上，光信號必須被光放大器裝置1放大，該光放大器裝置優(yōu)選地為根據(jù)本發(fā)明的光放大器。任何本發(fā)明技術(shù)人員都應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明原理的應(yīng)用并不限于例如輻輳?fù)貥阆到y(tǒng)(hub-and-spoke)的拓?fù)浼夹g(shù)，而可在例如基于環(huán)形拓?fù)浼夹g(shù)、點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的其它任何類型的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行操作。然而，該原理最好用于采用波長多路復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不背離由所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)行各種進(jìn)一步的修改和變化。
參考文獻(xiàn)US5,452,116US6,049,417US6,239,903IEEE J.Lightwave Technol.《光波技術(shù)》19，977-979(2001)由M.C.Ho，K.Uesaka，M.E.Marhic，Y.Akasaka和L.G.Kazovsky所著的“組合參數(shù)和拉曼增益的200nm帶寬的光纖光放大器”(200-nm-Bandwidth Fiber Optical Amplifier Combined Parametric and RamanGain)；IEEE Photon.Technol.Lett.《光子技術(shù)》13，194-196(2001)由J.Hansryd和P.A.Andrekson所著的“具有49dB增益的轉(zhuǎn)換器頻帶連續(xù)波泵浦光纖光學(xué)參數(shù)放大器以及波長轉(zhuǎn)換效率”(Broad-bandcontinuous-wave-pumped fiber optical parametric amplifier with49-dB gain and wavelength-conversion efficiency)；IEEE Select.Topics Quantum Electron.精選專題中，《量子電子》8，538-547(2002)由C.J.McKinstrie，S.Radic和A.R.Chraplyvy所著的“由兩個(gè)泵浦波驅(qū)動的參數(shù)放大器”(Parametric amplifiersdriven by two pump waves)；圣地亞哥學(xué)術(shù)出版社1995年出版的，由G.P.Agrawal所著的“非線性纖維光學(xué)”(Nonlinear fiber optics)第二版中的第404-435頁；IEEE Select.Topics Quantum Electron.精選專題《量子電子》8，506-520(2002)中由J.Hansryd，P.A.Andrekson，M.Weatlund，J.Li和P.-O.Hedekvist所著的“基于光纖的光學(xué)參數(shù)放大器及其應(yīng)用”(Fiber-based optical parametric amplifier and theirapplications)。
權(quán)利要求
1.光放大器裝置(1)，包括光輸入(10)；第一非線性光纖(12)，具有包括第一零色散波長(λ0)的第一組光纖特性參數(shù)；第二非線性光纖(12)，具有包括第二零色散波長(λ0)的第二組光纖特性參數(shù)；光信號分離器(14)，連接所述光輸入(10)以及所述第一和第二非線性光纖(12)，將在第一波長間隔(Δλ)內(nèi)的光信號導(dǎo)向所述第一非線性光纖(12)，并將在第二波長間隔(Δλ)內(nèi)的光信號導(dǎo)向所述第二非線性光纖(12)；至少一個(gè)光泵(18)，用具有鄰近各自所述零色散波長(λ0)的泵浦波長(λP)的輻射泵浦所述第一和第二非線性光纖(12)；所述第一非線性光纖(12)，在所述第一波長間隔(Δλ)中給出一高參數(shù)放大，以及所述第二非線性光纖(12)，在所述第二波長間隔(Δλ)中給出一高參數(shù)放大；光輸出(20)；且光多路復(fù)用器(16)，連接所述第一和第二非線性光纖(12)和所述光輸出(20)，并將來自所述第一和第二非線性光纖(12)的光信號合并為所述光輸出(20)；提供給所述第一非線性光纖的泵浦波長(λP)，其位于所述第一波長間隔之外，以及提供給所述第二非線性光纖的泵浦波長(λP)，其位于所述第二波長間隔之外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光放大器裝置，其特征在于在所述第一非線性光纖中，所述第一波長間隔位于所述參數(shù)放大的增益分布的高增益部分，且在所述第二非線性光纖中，所述第二波長間隔位于所述參數(shù)放大的增益分布的高增益部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光放大器裝置，其特征在于所述第一組光纖特性參數(shù)不同于所述第二組光纖特性參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于所述第一非線性光纖和所述第二非線性光纖由同一個(gè)光泵泵浦，由此所述第一和第二非線性光纖由相同的泵浦波長(λP)泵浦。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光放大器裝置，其特征在于所述第一非線性光纖具有二階色散系數(shù)β2，其不同于所述第二非線性光纖的二階色散系數(shù)β2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于所述第一非線性光纖由第一光泵泵浦，且所述第二非線性光纖由第二光泵泵浦。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光放大器裝置，其特征在于所述第一光泵的泵浦頻率不同于所述第二光泵的泵浦頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光放大器裝置，其特征在于所述第一和第二非線性光纖基本上具有相同的二階色散系數(shù)β2。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至8中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于所述第一非線性光纖的零色散波長不同于所述第二非線性光纖的零色散波長。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的光放大器裝置，其特征在于所述第一組光纖特性參數(shù)基本上與所述第二組光纖特性參數(shù)相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于所述第一波長間隔覆蓋所述第一非線性光纖的所述參數(shù)放大的至少一部分信號波段。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于所述第二波長間隔覆蓋所述第二非線性光纖的所述參數(shù)放大的至少一部分空載波段。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任何一個(gè)的光放大裝置，其特征在于至少另一個(gè)光纖連接于所述光信號分離器(14)和所述光多路復(fù)用器(16)之間，由此各光纖在各自波長間隔內(nèi)從所述光信號分離器(14)接收光信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的光放大器裝置，其特征在于所述至少另一個(gè)光纖的至少一個(gè)設(shè)有非參數(shù)放大。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于至少一個(gè)所述非線性光纖具有四階色散系數(shù)β4，用于在相關(guān)的波長間隔內(nèi)給出平滑增益波段。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任何一個(gè)的光放大器裝置，其特征在于所述第一和第二非線性光纖具有超過10km-1W-1的非線性系數(shù)γ。
17.光纖-光通信系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至16中任何一個(gè)的光放大器裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的光纖-光通信系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置所述光纖光學(xué)系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的光纖-光通信系統(tǒng)，其特征在于所述光纖光學(xué)系統(tǒng)設(shè)成采用密集波分復(fù)用技術(shù)。
20.光放大方法，包括下列步驟將第一波長間隔內(nèi)的光信號導(dǎo)向第一非線性光纖；將第二波長間隔內(nèi)的光信號導(dǎo)向第二非線性光纖；通過用第一泵浦波長的輻射進(jìn)行泵浦，在所述第一非線性光纖中執(zhí)行第一參數(shù)放大；通過用第二泵浦波長的輻射進(jìn)行泵浦，在所述第二非線性光纖中執(zhí)行第二參數(shù)放大；所述第一泵浦波長位于所述第一波長間隔之外，且所述第二泵浦波長位于所述第二波長間隔之外；且多路復(fù)用來自所述第一和第二非線性光纖中的已放大信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于所述第一波長間隔位于所述第一參數(shù)放大的增益分布的高增益部分，且所述第二波長間隔位于所述第二參數(shù)放大的增益分布的高增益部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的方法，其特征在于下述步驟用具有基本上相同波長的光信號泵浦所述第一非線性光纖和所述第二非線性光纖。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于下述步驟用第一光信號泵浦所述第一非線性光纖，并用第二光信號泵浦所述第一非線性光纖，第二光信號的波長不同于所述第一光信號的波長。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中任何一個(gè)的方法，其特征在于所述第一波長間隔覆蓋所述第一非線性光纖的所述參數(shù)放大的至少部分信號波段。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中任何一個(gè)的方法，其特征在于所述第二波長間隔覆蓋所述第二非線性光纖的所述參數(shù)放大的至少部分空載波段。
全文摘要
多個(gè)非線性光纖(12A－C)設(shè)置成平行結(jié)構(gòu)。光纖(12A－C)由波長稍大于各個(gè)光纖的零色散波長的光泵(18)泵浦。通過信號分離器(14)，在特定波長間隔內(nèi)的光信號被允許進(jìn)出不同的光纖，其中能獲得參數(shù)放大。通過選擇各相應(yīng)間隔外的泵浦波長可抑制串?dāng)_。依賴于不同的光纖特性，非線性光纖(12A－C)可以由獨(dú)立的激光泵泵浦，或兩個(gè)或多個(gè)非線性光纖可以由同一個(gè)泵(18)泵浦。通過調(diào)整光纖特性，例如零色散波長、二階色散系數(shù)、和四階色散系數(shù)，在不同的波長間隔中能獲得有利的放大特性。
文檔編號H04B10/17GK1695326SQ02829989
公開日2005年11月9日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者A·戈麥斯, C·弗洛里迪亞, M·松德海默, M·R·X·德巴羅斯, J·B·羅索萊姆 申請人:艾利森電訊公司