專利名稱：喇曼放大光傳輸系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用光纖的信息傳輸領域，并且尤其涉及應用受激喇曼散射進行放大的光傳輸系統的設計。
背景技術：
光學通信的增長受到光纖上可實現的特大帶寬的激勵。這樣的帶寬使得在一根由高質量玻璃材料制成的細如發絲的光纖上可以同時傳輸幾千個電話通話和電視信道。但是，類似于電信號，光信號在傳輸過程中有損耗，并且必須周期性地被放大，盡管增大所傳輸的光信號的功率可以減輕對放大的需要。為了應付增大的光功率，已經研究了具有較大有效面積的光纖，以避免與高功率密度相關的非線性效應。
光放大比光信號轉換為電信號，電信號被放大然后再轉換為光信號更劃算。放大技術包括在一段光纖中摻雜稀土材料如鉺或鐠；在與將被放大的光信號的波長不同的波長處將光能量泵浦到該段光纖；以及沿該段稀土摻雜的光纖傳播該光信號，以在其自身波長處提取能量。鉺摻雜光纖用于放大波長在1550納米(nm)區域，Er3+摻雜離子中存在遷移的光信號，而鐠摻雜光纖用于1310nm區域。盡管這種放大器比上述電放大方法表現出重大的改進，但是這種光放大器的價格仍然太高——例如每個$25,000至$50,000。此外，鉺放大器必須由一個或兩個激光二極管泵浦來驅動；并且，如果一個泵浦停止，則整個系統減弱。(鉺不會明顯停止，但是當其減弱時它使用一個前級激光器吸收該信號。)鐠放大器具有一些相同的問題并且，此外，它由脆而易碎的基于氟化物的光纖制成。
另一種光放大技術利用已知的受激喇曼散射(SRS)現象，它有不少好處，包括低成本——例如每個$3000至$4000；工作在所有波長；以及利用傳輸光纖本身用于放大。實際上，該技術依賴于光纖材料的固有性質，并且光纖中不需要任何專門的摻雜物如鉺。因此，光傳輸系統中經常需要使用喇曼放大。
發明內容
喇曼放大包括將一個光泵浦信號引入該傳輸光纖，并且對于一個給定的泵浦功率，喇曼放大效率隨光功率密度的增大而增大。但是，如果該光纖的功率密度變得太大，則光傳輸信號會出現不利的非線性效應。因此，需要調和一個光傳輸系統中采用低功率密度減小非線性效應與采用高功率密度增大喇曼放大器效率之間的關系。
根據本發明，一個喇曼放大的光傳輸系統包括一個光傳輸信號源，連接到具有一個有效面積的第一光纖的一端。該光纖的另一端連接到具有小得多的有效面積的第二光纖。光泵浦信號耦合到該第二光纖，使其顯示受激喇曼散射并且，因此放大光傳輸信號。
在本發明的一個示例性實施例中，光泵浦信號沿第二光纖以與光傳輸信號方向相反的方向傳播。
與本發明相關的各種光纜配置都是有用的，本發明理想地在同一光纜內包括相等數量的大有效面積光纖即Aeff≥70μm2，和小有效面積光纖即Aeff≤60μm2。其中一種光纜配置包括用復合材料粘結在一起的一個光纖平面陣列；而在另一種配置中，幾組光纖封裝在一個或多個塑料管內。
閱讀附圖，由以下詳細描述將更清楚地理解本發明及其工作模式，其中圖1是使用反向泵浦喇曼放大的光傳輸系統的示意表示；圖2是一個圖表，顯示對于熔融硅光纖，喇曼增益系數關于泵浦與信號間以THz以及光譜學家使用的厘米倒數(cm-1)為單位的信道間隔的函數；圖3是一個圖表，顯示在使用喇曼放大用于具有不同有效面積的光纖的一個光傳輸系統中，光功率與距離的關系；圖4是一個圖表，顯示在用于具有不同有效面積的光纖的一個喇曼放大器中的光信噪比；圖5是一個光纜的透視圖，包含根據本發明的具有不同有效面積的光纖束；圖6是一個光纜的透視圖，包含根據本發明的具有不同有效面積的光纖平面陣列；圖7表示圖6中所示的那種光纜之間通過熔融接合的互連；以及圖8公開了在同時具有鉺放大器和喇曼放大器的一個光傳輸系統中使用圖5中所示的光纜。
術語以下定義是根據技術中的常見用法有效面積(Aeff)——一種光屬性，特指單模式光纖，定義為Aeff=2π(∫0∞E2rdr)2/(∫0∞E4rdr),]]>其中E為與被傳播光相關的電場。實際情況中，根據以下映射函數，有效面積與光纖的模式場直徑有關Aeff=kπ(MFD2)2,]]>其中K為一個擬合系數。
模式場直徑(MFD)——一個單模式光纖中引導的光功率密度的寬度的量度。對于多數單模式光纖，密度關于徑向位置的形狀典型地遵循常見的高斯或鐘形曲線。密度下降到峰值的1/e2＝0.135處的半徑稱為模式場半徑，模式場半徑乘以2就得到MFD。
大有效面積——對于本發明，一根光纖其中Aeff≥70μm2。
小有效面積——對于本發明，一根光纖其中Aeff≤60μm2。
受激喇曼散射(SRS)——光與光纖的分子振動之間的相互作用。
系統波長(λs)——單個光信道的中心波長；或位于一個光放大器的放大波段內的一組光信道的平均中心波長。
具體實施例方式
當單個光纜包括一個特定傳輸系統中所需的所有不同種類的光纖時，光纜的制造者及安裝者就會受益。本發明是用于能夠在一個喇曼泵浦的光傳輸系統中被有利使用的光纜。這種泵浦使得一個光纖能夠提供小量的放大，通常被一個輔助的光放大器增強。通過使用大和小有效面積的光纖，加上喇曼放大，可以不需要輔助放大器而獲得較長的傳輸距離。并且當單個光纜包含大和小有效面積光纖時，就減少了庫存并且簡化了安裝。光纖有效面積與喇曼放大的簡要論述將增強讀者的理解。
光纖有效面積如上述定義，有效面積是一種光屬性，特指單模式光纖，定義為Aeff=2π(∫0∞E2rdr)2/(∫0∞E4rdr),]]>其中E為與被傳播光相關的電場。實際情況中，根據映射函數，有效面積與光纖的模式場直徑(MFD)有關，該映射函數是一個公式，通過它，給定光纖的一個屬性的測量結果被用于預測另一個屬性的值。對于一個給定的光纖類型和設計，通過專門用于一個特定光纖類型和設計的一個映射函數，MFD可以用于預測有效面積。映射函數是通過做一個試驗得到的，該試驗中選擇一個光纖樣本表示MFD值的光譜和光纖類型，并且在試驗中測量樣本中的光纖的MFD和Aeff。可以使用線性回歸來確定擬合系數k，如下式定義Aeff=kπ(MFD2)2]]>單模式光纖的有效面積的測量在將作為TIA/EIA-455-132-A出版的FOTP-132中詳細討論。
喇曼放大器眾所周知光信號與傳播媒質(例如光纖)之間的非線性相互作用(NLI)原則上可以用于信號輻射的放大。應當注意到光纖NLI放大器利用光纖材料的固有性質，并且不需要光纖中存在專門的摻雜劑如鉺。如果在單根光纖上傳輸多個波長，則有幾種非線性機制可以將信號能量從一個波長轉移到另一個波長。SRS是光與分子振動之間的非線性參數相互作用。一根光纖中發射的光被部分散射并且頻率下移。光頻率的變化對應于分子振動頻率。SRS類似于受激布里淵散射(SBS)，但是可以發生在向前或向后方向。喇曼增益系數比布里淵增益系數小大約3個數量級，因此在一個單信道系統中，SRS閾值比SBS閾值大大約3個數量級。但是SRS的增益帶寬約為12THz或120nm，比SBS大得多。SRS的更詳細的解釋包含在標題為“使用受激喇曼散射的光纖傳輸系統理論”的文章中，作者是KiyofumiMochizuki，光波技術期刊，LT-3卷，第3期，1985年6月。
圖1示意地描述了使用SRS用于放大的一個光傳輸系統100。發射器10在例如1550納米(nm)波長區域產生光傳輸信號(λs)，在需要放大之前沿光纖11和12傳播幾千米。通過波分復用器(WDM)15將具有不同于波長λs的一個光泵浦信號(λp)引入到傳輸光纖12，完成喇曼放大。注意到光泵浦信號理想地以與信號傳播方向相反的方向傳播，并且因此稱作“反向泵浦”。如申請序列號08/683044(Chraplyvy18-6-18)中所述，反向泵浦優于正向泵浦是因為它大大降低了由泵浦耗盡調制帶來的串擾。但是，根據本發明，在一個光傳輸系統中光纖12的正向泵浦也被考慮。
當明智地選擇光泵浦信號λp與光傳輸信號λs之間的波長間隔時，光纖中通過喇曼效應的放大是可能的。對于熔融硅光纖，當施加足夠的泵浦功率(至少30毫瓦)時，在相當寬帶的頻率上可以獲得顯著的喇曼放大。獲得的喇曼增益的量與提供給光纖的泵浦功率的量成正比。
簡要參考圖2，圖2是一個圖表，顯示對于熔融硅光纖，喇曼增益系數關于泵浦與信號間以THz以及光譜學家使用的厘米倒數(cm-1)為單位的信道間隔的函數。圖2所示的喇曼增益系數適用于約1.55μm的光傳輸波長，以及泵浦和信號的對齊單偏振。對于混雜偏振，該系數減小到所示值的一半。當泵浦頻率低于傳輸頻率約12THz(400cm-1)時達到增益曲線的峰值。在峰值處，增益系數約為7×10-12cm/W。由于SRS，在一個光傳輸系統中，較長波長處的信號被較短波長的信號放大。SRS耦合波長間隔達140nm的信道，盡管超過120nm會有顯著的下降。對于在1.55μm區域中傳播的光傳輸信號，這意味著波長位于1430nm與1550nm之間的任何信號都可以將能量轉移到圖2中所示的光學信號中。
在本發明的最佳實施例中，波長為1429nm、1446nm、1470nm和1491nm的泵浦信號被同時用于為波分復用的光傳輸信號提供一個寬平帶的喇曼放大。每個泵浦信號具有不同的功率水平，并且累積功率約為600毫瓦。此外，喇曼放大器可以由多個激光二極管驅動，以提供連續的服務；如果一個激光二極管停止工作，則其它二極管繼續向光纖提供功率用于放大。
在一個方向，WDM15將來自單個輸入端口的信號根據波長路由到多個輸出端口，并且，在另一個方向，將來自多個輸入端口的不同波長的信號路由到單個輸出端口。因此，光傳輸信號λs從光纖12路由到接收器20，光泵浦信號λp從喇曼泵浦16路由到光纖12。根據本發明，光纖11和12的不同之處在于，光纖11被選擇提供具有高強度的光傳輸信號，光纖12被選擇以一種有效的方式增強喇曼放大。
喇曼放大是一個非線性效應，通過增加的功率密度得到增強。這意味著對于一個給定的泵浦功率，通過降低提供放大的分子所屬的光纖的有效面積可以增加放大。這在圖3中被清楚地顯示，圖3是一個圖表，顯示在使用喇曼放大用于具有不同有效面積的光纖的一個光傳輸系統中，光功率與距離的關系。光傳輸信號在距離“0km”處被發射到一個光纖，在距離“80km”處喇曼泵浦被施加到該光纖。曲線301-304顯示光傳輸功率如何隨距發射地點的距離的函數而下降。曲線304表示一個沒有喇曼放大的系統，而曲線301-303表示施加了喇曼泵浦的系統。這種泵浦提供的放大與光纖的有效面積的函數成反比。有效面積越小，放大越大。曲線301表示Aeff＝55μm2的光纖；曲線302表示Aeff＝72μm2的光纖；以及曲線303表示Aeff＝82μm2的光纖。
有利的是，光信噪比(OSNR)也與光纖的有效面積的函數成反比。有效面積越小，圖4所示的OSNR越大，圖4是一個圖表，顯示在對于具有不同有效面積的光纖的一個喇曼放大器中的光信噪比。曲線401表示Aeff＝55μm2的光纖；曲線402表示Aeff＝72μm2的光纖；以及曲線403表示Aeff＝82μm2的光纖。因此，當需要喇曼放大時，使用小有效面積的光纖有顯著的優點。
通過比較，大有效面積的光纖允許在遇到非線性效應之前將較大的信號功率施加到光纖。增大信號功率顯然是必需的，因為它使光信號在需要放大之前傳播得更遠。顯然，在使用喇曼放大的一個光傳輸系統中，大和小有效面積的光纖都是必需的。在本發明的一個最佳實施例中，大和小有效面積的光纖都包括在圖5中所示的單個光纜中，圖5公開了一個堅固的光纜結構500中的多個光纖束50-1、50-2，在圖中，束50-1示例性地包括一組具有大有效面積的光纖，而束50-2示例性地包括一組具有小有效面積的光纖。光纜500可以包括本發明中的各種類型的束。但是，重要的是，該光纜包括多個具有大有效面積的光纖以及多個具有小有效面積的光纖。
圖5還提供了關于根據本發明的一個實際光纜的結構的更詳細的細節。光纜500包括光纖束50-1、50-2，它們被細繩包扎帶51束成一個整體，為便于識別被典型地進行了顏色編碼。這些光纖束位于由例如一種塑料材料如聚氯乙烯或聚乙烯制成的一個管狀元件52內。或者，可以用一種凝膠狀填充材料填充該管狀元件52的內部區域，以阻擋水的侵入并且為光纖提供緩沖。包圍管狀元件52的是一個吸水帶53，以及由例如聚乙烯材料構成的外套55，并且封裝強度元件54。這些強度元件可以是金屬的或絕緣的，并且用于保護光纖免受在操作及正常服務期間施加到光纜上的拉力和/或壓力的影響。關于光纜500的結構以及合適的填充材料的詳細情況公開在美國專利4,844,575中。如果用如圖6中所示的帶替換光纖束，則可以使用這種相同的一般光纜結構。
圖6公開了一種光纜600，包括位于粘結材料中的一個光纖平面陣列。這種光纜通常被稱作“帶”。這里，八根光纖被顯示分為兩組60-1和60-2。示例性地，組60-1包括四根具有大有效面積的光纖，組60-2包括四根具有小有效面積的光纖。為便于現場識別，每根光纖都具有不同的顏色。此外，帶600可以包括一個標記，以識別哪些光纖具有正色散，哪些具有負色散。示例性地，帶600的淺色部分61包含大有效面積的光纖，而帶600的深色部分62包含小有效面積的光纖。盡管在本發明的實踐中不需要在同一光纜內具有相同數量的大和小有效面積的光纖，但是這是理想的。此外，通過制造具有相同數量的大和小有效面積光纖的帶，就只需要制造一種類型的帶。
在本發明的最佳實施例中，帶600包括縱向延伸的光纖的一個平行共面陣列。每根光纖被封裝在涂層材料的內外層中并且有一個顏色標識符。一種復合粘結材料65填充光纖之間的空隙，并使其粘結在一起成為單個整體。粘結材料65的模量γ的值比光纖的外涂層小，且比內涂層大(即，109Pa＞γ＞106Pa)。這允許一定程度的有益的光纖內運動。合適的粘結材料公開在美國專利4,900,126中。
如上所述，使用大有效面積的光纖對于高功率光信號的傳輸是需要的，因為功率密度以及相應的非線性被減小了。相反，小有效面積的光纖在引入喇曼泵浦的光纖位置處是需要的，因為當泵浦能量的功率密度增大時放大也增大了。這兩個明顯矛盾的需要可以通過在高信號能量處使用大有效面積光纖；在反向喇曼泵浦及低信號能量處使用小有效面積光纖得到解決。因此，在相同點(交叉)需要將大有效面積光纖互連到小有效面積光纖。這種互連如圖7所示，其中大有效面積光纖60-1通過連接75連接到小有效面積光纖60-2。這種連接可以用任意已知的光纖互連技術實現，包括，但不限于，由Stephen C.Mettler等人在“光纖接合”，光纖通信II，(Stewart E.Miller等人編輯，1988)，263-300頁中描述的技術。一個帶600的淺色部分61到另一個帶600的深色部分62的連接理想地在一個光纜跨距的中點完成。
由于光傳輸系統通常是雙向的，因此在放大器之間的中點處進行交叉通常是有利的，這使得與過大光功率密度相關的任何非線性在兩個方向都相等。此外，由于互連的光纖理想地是色散符號相反，因此只要光纖50-1的正色散基本等于光纖50-2的負色散，累積色散就可以基本減小到零。影響交叉位置的其它因素包括光纖色散的幅值、斜率和符號，以及泵浦和光信號的功率水平。
根據本發明的一個喇曼放大的光傳輸系統80的一個例子如圖8所示。在此例子中，系統80在每個方向都工作在10Gb/s并且包括光源，未顯示，光源在1530-565nm波長范圍產生許多波分復用的信道λ1…λn，每個信道間隔大約1.6nm，并且每個信道工作速度約2.5Gb/s。放大器81-84為鉺摻雜光纖放大器(EDFA)，在1530-1565nm范圍提供有效放大。這些放大器的輸出處的光傳輸信號的功率水平足夠高，使得需要使用大有效面積光纖。因此，沿從左到右方向，復用的信道通過放大器81發射到光纜500-1內的大有效面積光纖50-1，延伸長度L1。在此點處，復用的光傳輸信號λ1…λn的功率水平降到由此不再需要使用大有效面積光纖。對于單模式光纖，功率降低的一個示例性速率約為0.2dB/km。然后理想地在中間跨距與延伸長度L2的一個小有效面積光纖50-2進行一個交叉接合85。光纜500-1和500-2是完全相同的，并在圖5中顯示包含大和小有效面積光纖。有利的是，該光纜可以用于任意方便的位置進行接合連接。
繼續沿從左到右方向，波分復用器(WDM)87引導光傳輸信號λ1…λn進EDFA82，并且引導光泵浦信號以反向傳輸方向從喇曼泵浦88進入光纖50-2。應當理解光泵浦信號可以以任一方向或兩個方向，以及在沿光纖50-2長度的任意點被發射到光纖50-2。光傳輸系統80在右-左方向類似地工作，并且光纜500-1內的光纖50-2通過喇曼泵浦89和WDM86以上述方式被反向泵浦，以提供放大。應當理解EDFA81-84同樣需要光泵浦能量源(未顯示)，并且盡管本發明中不需要，但是EDFA有利地與光纖50-2中的受激喇曼散射提供的放大一起作用。光纖50-1和50-2的示例性規格如下所示1550nm處衰減 0.17dB/km1550nm處模式場直徑 11.8微米(μm)包層直徑 125±1.0μm截止波長 ＜1450nm(2m參考長度)1550nm處色散 21.5ps/nm·km相對色散斜率 0.0030nm-1有效面積 110μm2涂層直徑 245±10微米驗證試驗 100kpsi
1550nm處衰減 0.23dB/km1550nm處模式場直徑6.9微米(μm)包層直徑 125±1.0μm截止波長 ＜1450nm(2m參考長度)1550nm處色散 -17.7ps/nm·km相對色散斜率 0.0033nm-1有效面積 35μm2涂層直徑 245±10微米驗證試驗 100kpsi并且雖然上述光纖理想地與一個喇曼放大的光傳輸系統相連，但是具有適用于本發明的不同有效面積、不同色散符號以及不同色散斜率的很多其它的光纖可以從例如Lucent Technologies and Corning，Inc.購買到。事實上，這項技術的實踐者可以容易地選擇大和小有效面積光纖的任意組合以滿足本發明范圍內的各種系統設計考慮。盡管已經顯示和描述了本發明的各種特定實施例，但是本發明范圍內的變型是可能的。這些變型包括，但不限于在源波長(λs)位于1530-1565nm波長區域以外的一個系統中使用本發明；在中間跨距以外的位置(即L1≠L2)進行交叉連接；具有不同數量的大有效面積光纖和小有效面積光纖的光纜；在源波長處具有不同的大和小有效面積幅值的光纖的光纜；具有除大和小有效面積光纖以外的光纖的光纜；以及具有與示例結構不同結構的光纜——例如，沒有管狀元件或強度元件的光纜。
權利要求
1.一種喇曼放大的光傳輸系統[80]包括一個發射器，產生具有系統波長λs的光傳輸信號，所述光信號連接到長度為L1，具有第一有效面積的第一光纖[50-1，60-1]；長度為L2的第二光纖[50-2，60-2]，連接到該第一光纖，所述第二光纖具有第二有效面積，大大小于該第一有效面積；一個光泵浦能量源[88]，耦合到該第二光纖，所述源具有的功率水平及波長λp適用于使該第二光纖能夠提供光信號在λs波長處的喇曼放大；以及一個接收器，接收系統波長λs處的光信號。
2.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中λs位于波長范圍1530nm-1565nm。
3.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中該第一光纖[50-1，60-1]的有效面積Aeff≥70μm2，并且其中該第二光纖[50-2，60-2]的有效面積Aeff≤60μm2。
4.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中該第一光纖[50-1，60-1]在1550nm處具有正色散，并且該第二光纖[50-2，60-2]在1550nm處具有負色散。
5.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中該第一光纖[50-1，60-11位于包含有效面積Aeff≥70μm2的光纖的光纜[500-1]中，并且其中該第二光纖[50-2，60-2]位于包含有效面積Aeff≤60μm2的光纖的光纜[500-2]中。
6.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中該第一光纖[60-1]與具有近似相等有效面積的其它光纖以平面陣列粘結在一起，所述光纖具有彼此基本平行的縱向軸。
7.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中該第一光纖[50-1]位于一個塑料管狀元件[52]內，該管狀元件[52]封裝著具有近似相等有效面積的其它光纖，所述管狀元件位于一個光纜[500]內，該光纜[500]包括一個塑料外套[55]以及沿該光纜長度方向延伸的一個或多個強度元件[54]。
8.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中該光泵浦能量沿著該第二光纖[50-2]以與光傳輸信號方向相反的方向傳播。
9.權利要求1的光傳輸系統[80]，其中L1近似等于L2。
10.權利要求1的光傳輸系統[80]進一步包括一個或多個鉺摻雜的光纖放大器[81-84]，用于連接到該第一[50-1]和/或第二[50-2]光纖。
全文摘要
一個喇曼放大的光傳輸系統[80]包括具有系統波長λ
文檔編號H04B10/17GK1337792SQ0112478
公開日2002年2月27日 申請日期2001年8月8日 優先權日2000年8月9日
發明者亞瑟·F·朱迪 申請人:朗迅科技公司