專利名稱：分布式拉曼放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式拉曼放大器。
背景技術(shù)：
信號光在光傳輸線路中由于光纖傳輸損耗會造成能量衰減，以至光接收端不能正確接收信號。光纖放大器就是為補(bǔ)償信號光能量而進(jìn)行光放大的器件。常用的光放大器有半導(dǎo)體光放大器、摻鉺光纖放大器和拉曼光纖放大器。近幾年來，拉曼放大器逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。
拉曼放大器是利用光纖拉曼散射效應(yīng)進(jìn)行放大的。光信號通過介質(zhì)時，都會有一部分能量偏離預(yù)定方向而向空間其它方向彌散，稱為光的散射。在光纖中，當(dāng)光波在光纖中傳播時，光子與二氧化硅分子的振動模之間相互作用，如果一個具有hv1能量的光子入射到振動頻率為vm的分子上，分子能從光子中吸收一部分能量。在相互作用中發(fā)生了散射，從而產(chǎn)生了一個較低的頻率v2以及相應(yīng)的能量為hv2的光子。如果這種散射是受激產(chǎn)生的，我們就稱之為受激拉曼散射(SRS)。這個二次光子稱為斯托克斯(Stokes)光子，入射光常稱為泵浦(Pump)光。顯然，由于分子吸收了一部分能量，因此散射光的頻率降低了，其波長要比入射光的波長要長。如圖1所示，給出了這一物理現(xiàn)象。若該信號光處于長波位置，入射光(泵浦光)將由于受激拉曼散射效應(yīng)，能量降低，得到與信號光同頻率的光，從而產(chǎn)生放大作用。
受激拉曼散射是一個寬帶效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，間隔在16THz(1550nm窗口，波長間隔為125nm)內(nèi)的信道間都可以通過受激拉曼散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)功率的耦合。如圖2所示，給出了拉曼增益系數(shù)gR隨信道間隔Δvs的變化關(guān)系，其峰值大約在13.2THz處。需要強(qiáng)調(diào)的是，這個增益系數(shù)譜是由石英玻璃的非晶特性產(chǎn)生的，分子的振動頻率展寬成頻帶，這些頻帶交迭并產(chǎn)生連續(xù)態(tài)。
可以看出，對于確定波長的信號光，如果選擇頻率間隔合適的泵浦光(比信號光頻率大約高13.2THz)與信號光通向或者反向打入光纖，則在信號光傳輸過程中，由于受激拉曼散射的效應(yīng)，信號光將被逐漸放大，這就是拉曼放大器的放大原理。此外需要指出，通過對泵浦光波長的調(diào)諧，可以得到不同窗口的增益，所以理論上它能放大傳輸窗口中的任何區(qū)域，這也正是拉曼放大最突出的優(yōu)點(diǎn)。
拉曼放大器分為分布式拉曼放大器和集總式拉曼放大器。集總式放大即把拉曼放大器做成一個獨(dú)立的模塊，插入到傳輸鏈路中；而分布式光纖拉曼放大器以整個傳輸光纖為增益介質(zhì)，光信號在光纖中傳輸?shù)倪^程中逐漸被放大。分布式拉曼放大可大大降低信號的入射功率，同時保證適當(dāng)?shù)墓庑旁氡?OSNR)。因此分布式拉曼放大(DRA)在目前由于系統(tǒng)傳輸容量提升的情況下使用較多。分布式拉曼放大器根據(jù)泵浦光與信號光的傳輸方向可以分為反向、正向、雙向泵浦方式。分布式光纖拉曼放大器，由于其放大波段配置靈活、噪聲小、放大頻帶寬等特點(diǎn)，成為新一代高速、大容量、超長距離光纖傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
對于分布式拉曼放大器而言，拉曼泵浦光與信號光的偏振態(tài)之間的關(guān)系對于信號的放大增益有一定的影響，把這個增益差別稱之為偏振相關(guān)增益。并且，由于各種外界因素，包括溫度、光纖彎折、外界振動等都會對光纖中的傳輸光的偏振態(tài)有比較大的影響，造成信號光的偏振態(tài)的隨機(jī)分布。因此，拉曼放大器的必須盡量消除偏振相關(guān)增益，以免使系統(tǒng)整體性能的下降。
目前常用的消除偏振相關(guān)增益的手段有兩種。最常用的是偏振合束，對于每一個波長的泵浦光，都采用兩個偏振態(tài)相互正交(垂直)的泵浦光進(jìn)行合波。根據(jù)光的偏振態(tài)相關(guān)理論可以知道，兩個偏振態(tài)相互正交的線偏振光合波后可以得到圓或橢圓偏振光，從而達(dá)到消除偏振的目的。但是這種方法最大的缺陷是，由于對于每個波長的泵浦光要求兩個偏振態(tài)相互垂直的合波，使得泵浦的數(shù)目增加了一倍，而泵浦激光器的價格都是比較昂貴的，因此這種方案雖然比較好地達(dá)到了消除偏振相關(guān)增益的目的，但是其成卻本大大地增加了。
另一種消除偏振相關(guān)增益的手段是采用消偏器，例如Lyott型消偏器。但是由于其各種性能的缺陷和復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)手段，這種消偏器沒有在拉曼放大器中得到廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有分布式拉曼放大器所存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種成本低、消除偏振效果好的分布式拉曼放大器。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種分布式拉曼放大器，包括有用于泵浦光生成的泵浦光激光器、用于信號光生成的信號光激光器、信號光纖、合波器和分波器，所述信號光纖的入口處連接有合波器，出口處連接有分波器，所述信號光激光器和所述泵浦光激光器發(fā)射的信號光和泵浦光通過合波器合波進(jìn)入信號光纖，并在分波器處分波，所述泵浦光激光器至所述合波器之間的光路上設(shè)置有耦合器，該耦合器還設(shè)有環(huán)路光纖。
進(jìn)一步地，所述耦合器具體為2×2定向耦合器。
進(jìn)一步地，所述泵浦光激光器和所述合波器之間的光纖上連接5個帶有環(huán)路光纖的耦合器。
進(jìn)一步地，所述耦合器個數(shù)還可以是3、4、6或8。
本發(fā)明通過在泵浦光激光器的輸出光纖上設(shè)置2×2定向耦合器，這樣，耦合器和光纖就組成了光纖延遲環(huán)，由于延遲環(huán)的存在，由端口輸出的光將由一系列子光束組成，根據(jù)光纖的性質(zhì)可以知道，延遲環(huán)具有線偏振雙折射和圓偏振雙折射作用，每列子光束的偏振方向都發(fā)生了改變。在忽略延遲環(huán)的線偏振雙折射作用的假設(shè)下，每一束光的偏振態(tài)都和輸入光的偏振態(tài)相同，光纖延遲環(huán)只起到一個轉(zhuǎn)動偏振面的作用。另外，光纖環(huán)的長度遠(yuǎn)大于輸入光的相干長度，因此各束延遲光之間互不相關(guān)。在這樣的情況下，輸出光將成為一系列互不相干光的疊加，從而達(dá)到了消偏振的目的。本發(fā)明的耦合器最好為5個，其他如3、4、6、8也可以。本發(fā)明具有全光纖、成本低、可靠性高、插入損耗小、無需寬帶光源、無需偏振對準(zhǔn)、無需保偏光纖、無需偏振控制、對光路補(bǔ)償不敏感因而輸出光更接近自然非偏振光等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作出詳細(xì)描述。
圖1為石英光纖中受激拉曼散射效應(yīng)原理示意圖；圖2為泵浦波長為1μm時的石英光纖拉曼增益系數(shù)浦；
圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的單模光纖耦合器延遲環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明均勻轉(zhuǎn)動模型下消偏器輸出光偏振度(DOP)的平均值和最小值；圖6為本發(fā)明均勻雙折射模型下消偏器輸出光偏振度的平均值和最小值；圖7為本發(fā)明的5個光纖延遲環(huán)串聯(lián)而成的消偏器的輸出偏振度譜；圖8為本發(fā)明的5個光纖延遲環(huán)串聯(lián)而成的消偏器的插入損耗測試結(jié)果；圖9為本發(fā)明的背向泵浦方式下兩正交偏振態(tài)輸入時的偏振相關(guān)增益。
具體實(shí)施例方式如圖3所示，本發(fā)明包括泵浦光激光器8、信號光激光器1、傳輸光纖4、合波器5和分波器3。信號光纖4兩端分別連接有合波器5和分波器3，信號光激光器1發(fā)射的信號光通過信號光纖4輸出到接收器6中。泵浦光激光器8通過2×2定向耦合器D1、Dm等與合波器5連接。耦合器上還設(shè)置有環(huán)路光纖，即把定向耦合器的一個輸出端和一個輸入端用光纖連接起來，組成了光纖延遲環(huán)，即圖中的D1、Dm等結(jié)構(gòu)。由于延遲環(huán)的作用，泵浦光激光器8輸出到合波器5泵浦光將成為一系列互不相關(guān)光的疊加，從而達(dá)到了消除偏振的目的。泵浦光進(jìn)入合波器5后與信號光合波，這樣，在光纖4中泵浦光與信號光產(chǎn)生作用，實(shí)現(xiàn)分布式放大。泵浦光到達(dá)分波器3后被分離到匹配器2處被吸收。信號光從1出發(fā)，依次經(jīng)過分波器3、光纖4和合波器5，到達(dá)接收器6成為輸出信號被接收。由于信號光被泵浦光放大，輸出到接收器6的信號光非常強(qiáng)，容易被接收。
如圖3所示，如果采用多波長泵浦放大的方案，即泵浦激光器8采用多個激光器的時候，需要加入波分復(fù)用器7，將多個泵浦激光器發(fā)出的光合波到一起。
如圖4所示，其是由把2×2定向耦合器的一個輸出端與輸入端通過光纖連接起來，組成了光纖延遲環(huán)，其可以實(shí)現(xiàn)消除偏振的功能。光在光纖中傳播的時候，有一個很重要的現(xiàn)象，就是光纖可以改變其偏振態(tài)，利用此現(xiàn)象，光纖延時環(huán)消偏器的光路結(jié)構(gòu)如圖4所示，將一個沒有偏振敏感性的2×2定向耦合器的輸入端口c和輸出端口d通過普通單模光纖相連接接，輸出端口b通過光纖與下一個耦合器的輸入端口a連接，構(gòu)成延遲環(huán)的級聯(lián)。每一個延遲環(huán)可以描述為由一個線性延遲器和一個圓延遲器相串聯(lián)而成。由于環(huán)路光纖的存在，由端口b輸出的光將由一系列子光束組成。根據(jù)光纖的性質(zhì)可以知道，延遲環(huán)具有線偏振雙折射和圓偏振雙折射作用，每列子光束的偏振方向都發(fā)生了改變。在忽略延遲環(huán)的線偏振雙折射作用的假設(shè)下，每一束光的偏振態(tài)都和輸入光的偏振態(tài)相同，光纖延遲環(huán)只起到一個轉(zhuǎn)動偏振面的作用。另外，光纖環(huán)的長度遠(yuǎn)大于輸入光的相干長度，因此各束延遲光之間互不相關(guān)。在這樣的情況下，輸出光將成為一系列互不相關(guān)光的疊加，從而達(dá)到了消偏振的目的。其理論推導(dǎo)如下理想耦合器的傳輸特性可以用如下的瓊斯(Jones)矩陣來描述，Kd=1-k001-k,]]>Kc=ik00ik]]>其中，Kd為直接耦合瓊斯矩陣，Kc為交叉耦合瓊斯矩陣，k為耦合器分光比，Kc和Kd之間有π/2的相位差。
在給定了線偏振雙折射δ1、圓偏振雙折射δc和坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動角θ之后，光纖延時線的瓊斯矩陣也可以確定。但是這三個參量受外界因素影響，在各自的定義域范圍內(nèi)隨機(jī)分布。用兩種統(tǒng)計模型來描述它們的分布，在這兩種統(tǒng)計下可以計算輸出光偏振度(DOP)的平均值和最小值，以此來評價消偏器的消偏效果。
假設(shè)光纖延時線中的線偏振雙折射等于零，轉(zhuǎn)動角θ在
范圍內(nèi)均勻分布，它的瓊斯矩陣可以表示為，T(δ1=0,θ)=e-iβ(ω)Lcosθsinθ-sinθcosθ]]>其中L為延時線長度，整個延時環(huán)起一個轉(zhuǎn)動偏振面的作用，輸出光由一系列互不相干的子光束組成。假定輸入光為線偏振光，在消偏器輸出端選一個旋轉(zhuǎn)φ度的坐標(biāo)軸，沿該軸方向的光功率分量，P(φ)＝(1+Acos2φ+Bsin 2φ)/2其中A=k2cos2θ+2(1-k)2(1-cos2θ)1+(1-k)2-2(1-k)cos2θ,]]>B=-k2sin2θ1+(1-k)2-2(1-k)cos2θ.]]>由dP/dφ＝0求出功率等于極值時的角度φc和φc+π/2，并給出輸出光的偏振度，DOP=|P(φc)-P(φc+π/2)|=A2+B2]]>由上式和θ在
范圍內(nèi)均勻分布的假設(shè)，如圖5示出了DOP的平均值和最小值隨耦合器分光比變化的計算曲線。當(dāng)分光比k＝0.64時DOP的平均值最小，而在k＝2/3時DOP的最小值等于零。即說明，分光比為在此條件下，可以有最好的消偏效果。
為了把光纖延時線中的線偏振雙折射考慮進(jìn)去，均勻雙折射模型假設(shè)δ1、δc和θ在各自的定義域范圍內(nèi)都作均勻分布。延時光纖的瓊斯矩陣，T=e-iβ(ω)LT11T12T21T22]]>T11＝cos(δ1/2)cos(δc/2)+isin(δ1/2)cos(2θ-δc/2)，T22=T11*]]>T12＝cos(δ1/2)sin(δc/2)+isin(δ1/2)sin(2θ-δc/2)，T21=-T12*]]>消偏器總的瓊斯矩陣可以表示為，H=Kd+KcΣn=0+∞(TKd)nTKc]]>計算輸出光場的相干矩陣Jout，可以求出偏振度，DOP=1-4detJout/(trJout)2]]>這里，det(·)和tr(·)分別表示對2×2矩陣求行列式和跡。如圖6給出了均勻雙折射模型下輸出光偏振度的平均值和最小值隨耦合器分光比變化的曲線。也就是說，偏振度最小值曲線與均勻轉(zhuǎn)動模型下的基本一致，而偏振度平均值也是在分光比k＝0.64的時候最小，只是這時的值比均勻轉(zhuǎn)動模型下的值大一些?？梢?，如果延時環(huán)中存在隨機(jī)的線偏振雙折射，消偏器即耦合器的消偏效果將會下降。
理論分析雖然可以得到很好的結(jié)論，但由于存在隨機(jī)線偏振雙折射，消偏器的消偏效果大大下降，單個延時環(huán)是不可能達(dá)到非常好的消偏效果的，因此需要將多個消偏環(huán)進(jìn)行級聯(lián)。如圖3所示，本發(fā)明給出的為反向泵浦方式。前向和雙向泵浦方式與此類似，都是在泵浦合波之后加m級光纖環(huán)消偏器，盡量消除偏振度后進(jìn)入光纖。
在多環(huán)級聯(lián)情況下，偏振度為各環(huán)偏振度的乘積。隨著消偏環(huán)數(shù)目的增加，偏振度將得到更好的改善。但是消偏環(huán)數(shù)目的增加將導(dǎo)致插入損耗增加，需要提高Raman放大器的泵浦光功率來彌補(bǔ)這一功率損失，這與利用消偏器減少泵浦?jǐn)?shù)量、降低成本的初衷是不相符的。綜合考慮插損和泵浦光偏振度的要求，有必要優(yōu)化設(shè)計串聯(lián)消偏器的數(shù)量，本發(fā)明的實(shí)施例采用5個消偏器。如圖7給出了實(shí)驗(yàn)測出的5個光纖延遲環(huán)串聯(lián)而成的消偏器的輸出偏振度譜，可以看出在1420-1500nm波長范圍內(nèi)(基本涵蓋了光纖通信中常用的所有拉曼泵浦波長)，消偏器可以將線偏振輸入光消偏為偏振度不超過10％。如圖8為整個消偏器的插入損耗測試結(jié)果，泵浦波長的插入損耗最大不超過1dB。
圖9為背向泵浦方式下，兩正交偏振態(tài)輸入時的偏振相關(guān)增益。定義Δ=|GA-GB|max,]]>其中，GA和GB分別為兩種正交偏振狀態(tài)下的開關(guān)增益。對測試的的背向泵浦結(jié)構(gòu)的放大器來說，兩種偏振方向的開關(guān)比只有很小的差別，Δ＜0.2dB，也就是說偏振相關(guān)增益不明顯。實(shí)際上的偏振相關(guān)增益應(yīng)當(dāng)還低于0.2dB，因?yàn)殛P(guān)掉泵浦光后，信號光在整個光路中(包括100km光纖、跳線、接頭等)傳輸時產(chǎn)生的偏振相關(guān)損耗也是小于0.2dB。
權(quán)利要求
1.一種分布式拉曼放大器，包括有用于泵浦光生成的泵浦光激光器、用于信號光生成的信號光激光器、信號光纖、合波器和分波器，所述信號光纖的入口處連接有合波器，出口處連接有分波器，所述信號光激光器和所述泵浦光激光器發(fā)射的信號光和泵浦光通過合波器合波進(jìn)入信號光纖，并在分波器處分波，其特征在于，所述泵浦光激光器至所述合波器之間的光路上設(shè)置有耦合器，該耦合器還設(shè)有環(huán)路光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的分布式拉曼放大器，其特征在于，所述耦合器具體為2×2定向耦合器。
3.如權(quán)利要求1所述的分布式拉曼放大器，其特征在于，所述泵浦光激光器和所述合波器之間的光纖上連接5個帶有環(huán)路光纖的耦合器。
4.如權(quán)利要求3所述的分布式拉曼放大器，其特征在于，所述耦合器個數(shù)還可以是3、4、6或8。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式拉曼放大器，包括有用于泵浦光生成的泵浦光激光器、用于信號光生成的信號光激光器、信號光纖、合波器和分波器，所述信號光纖的入口處連接有合波器，出口處連接有分波器，所述信號光激光器和所述泵浦光激光器發(fā)射的信號光和泵浦光通過合波器合波進(jìn)入信號光纖，并在分波器處分波，所述泵浦光激光器至所述合波器之間的光路上設(shè)置有耦合器，該耦合器還設(shè)有環(huán)路光纖。本發(fā)明具有全光纖、成本低、可靠性高、插入損耗小、無需寬帶光源、無需偏振對準(zhǔn)、無需保偏光纖、無需偏振控制、對光路補(bǔ)償不敏感因而輸出光更接近自然非偏振光等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02F1/35GK1700079SQ20041000910
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者李巨浩, 朱曉宇, 鄭磊, 朱立新, 陳章淵 申請人:北京大學(xué)