应用于拉曼放大中的多波长相干光源的制作方法

专利名称：应用于拉曼放大中的多波长相干光源的制作方法
技术领域：
本发明是关于光放大器，尤其是与光纤拉曼放大器中相配合使用的高功率、多波长光源。
一种常见的光放大器为掺稀土光放大器，其传输光纤掺有铒(Er)、镱(Yb)等稀土。而其光源是一种一般的发光二极管，它将能量泵浦入掺杂光纤，来自泵浦发光二极管的光被传输光纤中的铒原子吸收并将该铒原子泵浦到高能级。此时，如果一个弱光信号通过传输光纤，该受激铒原子就会将其自身能量转移到光信号中，此过程叫作受激发射。
掺铒光纤放大器“EDFA”有利方面为对偏振不敏感的高增益，不同波长信号间的低串话和优良饱和的输出功率。EDFA也有不利的方面，它通常有一个窄的谱宽并会产生不为人们所需的高噪声级。
另一种常用光放大器是拉曼放大器，其传输介质通过受激拉曼散射“SRS”而被激发。SRS是非弹性散射过程，其源自波长为λ1的高功率光源的能量转化为传输介质，即“光子”的分子振动和波长为λ2的光。这样，光信号通过受激发射被放大。由于光放大发生在信号传输光路上，所以通常将拉曼放大器划分为分布式放大器。
在利用受激拉曼散射的光放大器中，一个高功率泵浦光信号(λp)和一个低功率光信号(λs)被导入同一传输光纤中，来自高功率泵浦光(λp)的能量被转移到低功率光信号(λs)中，这样便完成了信号的放大。泵浦光和光信号可以采用同向传输或反向传输结构而进入传输光纤。
在典型的情况下，λp小于λs，而λp与λs之差被设计成近似等于传输介质的斯托克斯转移。也就是说，给定波长的泵浦能量在较长波长、低能量/频率处将信号放大，由于典型的光纤介质为硅玻璃，它在自然界中无固定形状，所以斯托克斯转移及其引发的光谱范围是相对较宽的。很明显，其他器件，如掺杂光纤和/或布拉格光栅，的存在会影响光谱范围的大小。
和EDFA相比，拉曼放大器有很多优点，第一个优点涉及到上述宽光谱范围。实际上，拉曼放大器能在整个光纤透明宽度内工作，特别是它能很好地在两个主要低损耗窗口，即1310和1550nm，工作，这是和EDFA相对而言的，EDFA一般局限在1550nm窗口。
由于光纤和/或掺杂光纤中不存在泵浦吸收带，所以拉曼放大器可以在不同波长进行泵浦，这是它的第二个优点。事实上，我们可以适当选择给定波长的泵浦波长和泵浦功率来控制增益谱线的谱宽。
和EDFA相比，拉曼放大器的另一个优点在于它有更高的信噪比，由此可增加光放大器间的距离，支持已安装系统传输率的升级并允许使用较低的信号功率。另外，拉曼放大器跟EDFA相比，在功率故障的情况下，它只有适度的损耗。
除上述优点外，拉曼放大器的实用性受到两个矛盾要求的限制一个泵浦功率充足的泵浦源和一个合理可控的增益谱线。实际上，很有必要找到一种具有更大泵浦功率的拉曼泵浦源，它可以提供更宽的带宽和可控增益谱线。
以美国第6,052,219号专利和U.S.Appl.Ser.No.09/030,994作为参考。它们公布了一种含有两个泵浦源的拉曼放大器，并且这两个泵浦源能在两个或多个波长上提供泵浦能量，这些波长被用来生成两条增益曲线，它们相叠加形成复合增益光谱，此光谱有一个比每个增益曲线还更宽的带宽。
虽然这种放大器件能提供加宽的带宽和可控增益谱线的光放大器，但却受到成本和高功率泵浦源的实用性的限制，尤其是该装置受到高功率半导体二极管激光源的实用性及由连接这些二极管激光源的构件而引起的无源损耗的限制。实际上，当前这种技术水平还不能制造出使用寿命适用于光纤通信系统且输出功率远远超过250mW的可靠的单模激光二极管。
以美国第5,323,404号专利为参考，它公布了层叠拉曼激光器和层叠拉曼放大器。这种器件包括一对或多对空间分离反射镜，如布拉格反射镜等，它在光纤束中形成一个或多个光学腔，与其它光学腔不同的是，这些光学腔能提供提供适用于分布式拉曼放大器的高功率泵浦能量。
通过改变泵浦波长或采用拉曼增益叠加方式，增益便可以提供在1300nm和1600nm之间的全部远程通信窗口。不过，这种共振器通常是设计来发射一种波长的激光。从成本上讲，采用多重层叠拉曼激光器来控制增益谱线是不允许的。因此，也不容易通过采用大量拉曼激光器或共振器来调整增益谱线。
本发明的其中目的之一是提供一个有加大的泵浦功率，加宽带宽和适度控制的增益谱线的简单光放大系统。
本发明的另一目的是提供一种与光纤放大器一起使用的多波长、高功率光源，特别是一种与分布式光纤拉曼放大器一起使用的多波长、高功率光源。
虽然本发明的多波长高功率光特别适用于采用分布式拉曼放大器的系统，但是本发明不应局限于此系统。例如，本发明的高功率、多波长泵浦源同样适用于其他放大器，包括掺稀土光纤放大器，如EDFA。同样地，本发明放大器也特别适用于放大复用信号，不过，并不排除在单一波长系统中的应用。
根据本发明，公布了一种光放大系统，包括第一个拉曼放大器，这是用来放大含有信息的光信号；第二个拉曼放大器，为了放大不含信息的光信号来泵浦第一个拉曼放大器，第二个拉曼放大器被光耦合到第一拉曼放大器中。
根据本发明，还公布了一种用来光纤放大的泵浦源，包括第一个泵浦源，这是用来在第一个波长λ1时提供泵浦光辐射；第二个泵浦源，这是用来在第二个波长λ2时提供泵浦光辐射；一个层叠拉曼放大器，为了让波长为λ1的泵浦光辐射可以通过受激拉曼散射而转移到波长λ2附近并放大波长为λ2的泵浦光辐射。这一层叠拉曼放大器以光学耦合的形式耦合到第一和第二个泵浦源，以便波长为λ2的泵浦光能够接受到来自波长为λ1的泵浦光的增益。其中，波长为λ1和λ2的泵浦光是不含信息的光信号，并且λ1＜λ2。
根据本发明，还公布了一种用于光纤放大的多波长泵浦源，其包括一个高功率光源，它用来提供一个有预定波长λ1的第一个不含信息的光信号；其他许多光源，它们提供波长分别为λ2，λ3，…λp的其他大量不含信息的光信号，这些信号都比第一个不含信息的光信号有着更低的功率和更长的波长；一段光波导，用以传输第一个不含信息的光信号及其它大量不含信息的光信号，这样波长为λ2，λ3，…λp的光信号便可接收到来自高功率光源的增益。
详细说明

图1所示本发明的光放大系统，第一个拉曼放大器10被光耦合到第二个拉曼放大器20中，并接收来自第二个拉曼放大器的泵浦光。第二个拉曼放大器20接收来自高能相干光源40的泵浦光，这一相干光源40会提供波长为λ1的光辐射，而提供该光辐射是为了放大由其他光源50、60、70、80且波长分别为λ2，λ3，…λp所注射的光，通常λ1远远小于λ2，λ3，…λp而且每条λ2，λ3，…λp的波长都小于将在第一个拉曼放大器中放大的光信号5的波长。
第一个光纤拉曼放大器10最好是一个分布式拉曼放大器。它包括一个远程通信分级传输光纤长度，如25km。相反，第二个光纤放大器20最好是一个不连续的拉曼放大器，并且此放大器有一光纤绕线，如200米左右。第二个拉曼放大器20最好是类似于图2所示的现有技术中的层叠拉曼放大器。
参照图2，被放大的光辐射21被耦合进入光纤22，光辐射21是含有信息的远程通信信号，即已调制光辐射信号，来自泵浦源24的泵浦光辐射23也被耦合入光纤22中。
适当选择的嵌入式折射率光栅匹配对，如25a和25b、26a和26b、27a和27b，并将放入光纤22中。25a和25b、26a和26b、27a和27b中每对光栅对的中心波长是有所选择的，这样泵浦光23的波长就被改变到所需的波长。也就是说，可以通过多个拉曼级来叠加波长直到达到所需的波长为止。
例如，如果泵浦源24包括一个泵浦波长为1064nm的CW NdYAG激光器，并且信号21在第三远程通信窗口(约1310nm)中传输，则可分别选择1117nm，1175nm和1240nm为该光学腔的中心波长，而且通过四次斯托克斯转移，即1117nm，1175nm，1240nm，和1310nm，泵浦能量就被叠加起来，当泵浦光辐射在所需范围内时，要放大的光辐射可以通过受激发射将其放大。
虽然第二个拉曼放大器20最好是类似于图2所示的层叠拉曼放大器，但是采用泵浦源40来泵浦其他泵浦源50、60、70、80却是独特的一种选择，即大量其它的泵浦源从高功率泵浦源40中获得增益。更为特别的是，泵浦源40和其它大量的泵浦源都提供不含信息的信号。
作为另一种选择，第二光纤拉曼放大器20可以是一个不连续的拉曼放大器，它包括一段光纤绕线和一个适当选择的微小光波分复用器“WDM”。
高功率相干光源40最好是一个单模激光器，如包层泵浦Yb或Nd光纤激光器，其优点是具有功率可变性。其它大量的光源50、60、70、80最好是单一波长激光源，如单频分布式反馈“DFB”激光二极管。另一方面，其它大量的光源50、60、70、80也可以是费布雷·比罗特，FP激光器，分布式光栅反射镜“DFB”，主要振荡器，功率放大器“MOPA”或光纤布拉格光栅费布雷·比罗特，FBG FP激光器。
耦合器30最好是一个WDM，这一耦合器是用来将50、60、70、80的光注入到第二个拉曼放大器中。第二个耦合器15也最好是一个WDM，它是用来将高能、多波长泵浦光耦合入第一个光纤放大器，根据需要，我们可以有选择性地接入共他耦合器。例如，我们可采用分离的耦合器来将泵浦波长为λ2，λ3，…λp的光分别耦合入第一个和第二个拉曼放大器10和20。另外，还可以利用环行器将光信号注入第一个或第二个放大器。
很明显，根据本发明，层叠光纤拉曼放大器20是用作分布式拉曼放大器10的高功率、多波长的泵浦源。
在此所讲的这种放大系统中包括用于至少调节一种增益，一种功率和/或一个增益曲线形状的校准设备，尤其是，校准设备可包括使用多个选定的波长。多波长泵浦源50、60、70、80的可控功率级，和/或一个高功率泵源40的可控制功率级。
在该系统的运作过程中，高功率光源40将波长为λ1的光信号泵浦到层叠拉曼放大器20的一段光纤中。如上所述，经过受激拉曼散射，波长为λ1的光通过大量拉曼级叠加而使高功率泵浦光获得一个接近又略小于λ2，λ3，λ4，和/或λp的波长。
同时，由单色激光器产生的波长为λ2，λ3，λ4，…λp的的光辐射通过WDM 30被复用并注入到层叠拉曼放大器20的同一段光纤中。由于层叠泵浦光波长略小于λ2，λ3，λ4，…λp，通过受激拉曼散射，高功率光源提供的大量能量被转移到波长为λ2，λ3，λ4，…λp的光信号中。这样，就可以得到波长为λ2，λ3，λ4，…λp的高功率泵浦光，该高功率、多波长泵浦光被耦合到第一个拉曼放大器中来放大由此经过的变弱的含信息的信号。
本发明实现在泵浦源中从未观察到的三个优点高功率输出，多波长输出和低噪声工作。
高功率输出可以提供高增益。由于这里的层叠拉曼放大器的转换效率跟层叠拉曼激光器的转换效率差不多，因此，单色激光器的功率主要受到从高功率相干光源40耦合到第二个光纤拉曼放大器20的耦合光的限制。在典型的例子中，从一个包层泵浦激光器到一条光纤耦合光的转换率大于50％，而从一个层叠拉曼激光器到一条光纤耦合光的转换率约为50％。
多波长的输出能够提供可控制的增益谱线。在本发明中，第二个拉曼放大器20将来自高功率相干光源40的泵浦能量传输到来自单色激光器的光信号中。这样，可在单色激光器的光谱范围内进行放大，多波长输出还能增加带宽。一般地，增益谱线的控制可通过控制单色激光器50、60、70、80的输入功率来实现。例如，对于较长的波长，输入功率可能更低，而对于较短的波长，输入功率可能更高。另外，根据所需的增益谱线，可将激光二极管处于开和关两种状态。
低噪声工作为光放大器之间距离的增加和低信号功率的使用创造了条件。由于本发明在选择稳定器件时具有灵活性。本发明中的多波长光源可获得一个相对高的信噪比。例如，由于只有唯一的一束纵模激光，可用作单频激光器的单频DBF便具有不一般的稳定性和低的噪声。如，由泵浦光和信号光间的相互作用而引起的噪声可以减到最小。
此外，低噪声泵浦工作使本发明适于同向和反向传输系统。但是，当前技术的拉曼放大器正好与此相反，为减小噪声，它被传统地局限于同向传输系统。如在此作为参考的第5,673,280和第5,623,508号美国专利中所述。实际上，每个光纤拉曼放大器10和20都能工作于同向传输和反向传输泵浦系统中。如图3、5所示。
特别地，在图3的示意图，第一光纤拉曼放大器有一个反向传输结构；在图4示意图中，第二个拉曼放大器有一个反向传输结构而第一光纤拉曼放大器有一个同向传输结构；在图5示意图中第一个和第二个光纤拉曼放大器都有一个反向传输结构。在这些图示中，相同数字代表相同构件。注意，在一定程度上，这里的连接方案有一定的灵活性和/或可变性。
在实用性方面选择单个高功率相干泵浦源40有着较大的灵活性和成本优势。事实上，由于本发明采用层叠拉曼放大，任何一个预定波长组都是适用的。
当然，在不将本发明的精神与应用范围分离开来，我们可设计出许多其他具体实施例子。
权利要求
1.一种光放大系统，包括第一个拉曼放大器，用来放大含有信息的光信号；和第二个拉曼放大器，为了放大一个不含信息的光信号来泵浦第一拉曼放大器，它被光耦合到第一拉曼放大器中。
2.根据权利要求1所述的光放大系统，包括第一耦合器，这是用来将放大的不含有信息的光信息号引入第一位曼放大器；第二耦合器，它把波长为λ1的高功率光信号和波长为λ2的低功率光信号引入第二拉曼放大器，高功率信号λ1层叠通过若干个拉曼级直到其波长在λ2的一个适当的范围内，这样可以有选择性地放大λ2来生成该放大的不含信息的光信号。
3.根据权利要求2所述的光放大系统，其中λ1来自包层泵浦激光器，而λ2是选自DFB，DBR，MOPA，FP和FBG FP激光器中的一种。
4.根据权利要求1所述光放大系统，其中包括一种可调手段，它用来调整增益、功率和增益谱线中的至少一种。
5.一个用于放大光纤的泵浦源，包括第一个泵浦源，这是用来在第一个波长λ1提供泵浦光光辐射；第二个泵浦源，这是用来在第二个波长λ2提供泵浦光光辐射；一个层叠拉曼放大器，为了使得波长为λ1的泵浦光辐射可以通过受激拉曼散射而转移到波长λ2附近并放大波长为λ2的泵浦光辐射，这一层叠拉曼放大器以光学耦合的形式耦合到第一和第二个泵浦源中，以便波长为λ2的的泵浦光能够接收到来自波长为λ1的泵浦光的增益，其中，波长为λ1和λ2的泵浦光是不含信息的光信号，且λ1＜λ2。
6.根据权利要求5所述的泵浦源，其中第一泵浦源是包层泵浦光纤激光器。
7.根据权利要求5所述的泵浦源，其中第二个泵浦源是选自DFB，DBR，MOPA，FP和FBG FP激光器中的一种。
8.一个用于光纤放大的多波长泵浦光源，包括一个高功率光源，用来提供一个有预定波长λ1的第一个不含信息的光信号；其他许多光源，用以提供波长为λ2，λ3，…λp的其他大量不含信息的光信号，这些信号都比第一个不含信息的光信号有着更低的功率和更长的波长；一段光波导，用以传输第一个不含信息的光信号及其它不含信息的光信号，这样波长为λ2，λ3，…λp的光信号便可接收到来自高功率光源的增益。
9.根据权利要求8所述的用于光纤放大的多波长泵浦源，其中所述光波导包括多个反射镜，这些反射镜用来叠加高功率泵浦源波长为λ1的信号，通过若干个拉曼级，直到它处于其它大量不含信息的光信号λ2，λ3，…λp中的至少一个波长的范围中。
10.根据权利要求8所述的用于光纤放大的多波长泵浦源，其中所述光波导包括一段微小WDM，它用来叠加高功率泵浦源波长为λ1的信号，通过若干个拉曼级，直到它处于其它大量不含信息的光信号λ2，λ3，…λp中的至少一个波长的范围内。
全文摘要
本发明是关于一个与分布式拉曼放大器配合使用的高功率、多波长光源。通过若干单色激光器的拉曼放大可同时实现高功率和多波长,采用一个高功率光源来泵浦拉曼放大器,设计此放大器是用以转移泵浦频率并在若干单色激光器的光谱范围内进行放大。通过波分复用器WDM,将单色光源注入到放大器中。这一设备可以改进低噪声工作环境,这也是它的一大优点。
文档编号G02F1/39GK1351278SQ0113754
公开日2002年5月29日 申请日期2001年10月26日 优先权日2000年10月26日
发明者达伊尔·伊尼斯 申请人:Jds尤尼费斯公司