具备同时喇曼放大的色散补偿光纤和模块 【技术领域】
本发明涉及用于色散补偿的光纤，更具体说，是涉及包括该种光纤的色散补偿模块。
背景技术
众所周知，包括一定长度或更长色散补偿光纤(DCF)的色散斜率补偿模块或DSCM，被用作光信号的色散补偿装置，对该光信号通过光纤或光纤通信系统或网络传输的色散，进行补偿。DSCM能使现有系统以原先设计所没有的带宽和波长来传送信号，而不必以新的、更高速率的光缆，取代长跨距的已安装的光纤光缆。因为DSCM本身用数公里有确定信号衰减系数的光纤，这对把色散补偿和喇曼放大两种功能，组合为单一地、喇曼放大的色散补偿模块，是有用的。请见上述′820申请，本文引用该申请的所有有关部分，供参考。有时也把DSCM简称色散补偿模块或DCM。
色散补偿光纤有时也十分适合用作喇曼放大的增益介质。这是因为，用作色散补偿的光纤倾向于在纤芯中有高浓度的锗；纤芯的Δn约为0.02，这里Δn是与周围包层的绝对折射率差；且纤芯的有效面积，在波长为1550纳米(nm)时，通常小于20μm2。因此，使用DCF作为色散补偿模块的一部分时，有一优点是该DCF还可以用作增益介质。代替引入附加的损耗，光信号被DSCM放大一定倍数，该倍数只受可供喇曼放大用的泵浦功率的限制。
在DSCM中用喇曼泵浦光纤来补偿信号损耗的普遍概念，是众所周知的。如见美国专利5,887,093(1999年3月23日)；和S.A.E.Lewis等人的Broadband high-gain dispersion compensating喇曼amplifier，36 Electronics Letter，No.16(2000年8月3日)第1355页；本文引用所有有关部分，供参考。但产生的问题是，模块中DCF的色散常常太高，以致为获得所需色散而用的光纤长度太短，当为喇曼放大而泵浦时，不能使该光纤同时获得有效的增益。此外，个别喇曼放大器，使用对喇曼放大优化的光纤，以补偿DSCM引入的损耗，这种喇曼放大器会对系统引进附加的色散，于是该附加的色散又需要用第二个引进附加损耗的DSCM来补偿。
【发明内容】
按照本发明，一种适用于具备同时喇曼放大的色散补偿光纤，有中央纤芯、外包层、和相对于该外包层的通过光纤截面的折射率分布。该纤芯的直径在2至5微米(μm)之间，而纤芯与外包层的折射率差(Δn)在0.012至0.035之间。该光纤包括与纤芯相邻的凹槽区、与凹槽区相邻的环形区、和介于环形区与外包层之间的内包层。凹槽区在折射率分布中的宽度，在2至6μm之间，且有负的Δn，在-0.015至-0.003之间。环形区在折射率分布中的宽度，在1至5μm之间，且有0.001至0.015之间的Δn，而内包层在折射率分布中的宽度，在0至5μm之间，且有-0.011至0.001之间的Δn。
按照本发明的另一方面，是一种色散斜率补偿模块，包括有信号输入端和与信号输入端相对的信号输出端的第一光纤，及与第一光纤耦合的泵浦光源，该耦合方式能使第一光纤信号输入端输入的光信号获得喇曼放大。该第一光纤有中央纤芯、外包层、和相对于该外包层的通过光纤截面的折射率分布。该纤芯的直径在2至5微米(μm)之间，而纤芯与外包层的折射率差(Δn)在0.012至0.035之间。该光纤包括与纤芯相邻的凹槽区、与凹槽区相邻的环形区、和介于环形区与外包层之间的内包层。凹槽区在折射率分布中的宽度，在2至6μm之间，且有负的Δn，在-0.015至-0.003之间。环形区在折射率分布中的宽度，在1至5μm之间，且有0.001至0.015之间的Δn，而内包层在折射率分布中的宽度，在0至5μm之间，且有-0.011至0.001之间的Δn。
为更好地理解本发明，可结合附图和权利要求书，参考下面的说明。
【附图说明】
附图中：
图1是按照本发明的色散补偿光纤(DCF)的剖面图；
图2画出按照本发明的两种DCF与现有光纤的折射率分布；
图3画出本发明的两种DCF和现有光纤的色散曲线；
图4画出本发明的两种DCF和现有光纤的相对色散斜率(RDS)曲线；
图5是示意的方框图，画出用于评估三种色散斜率补偿模块(DSCM)性能的测试测量装置，该三种色散斜率补偿模块(DSCM)是用本发明的光纤和现有光纤构造的；
图6画出对该三种DSCM每一种测量的净增益和噪声值曲线；
图7画出对该三种DSCM每一种测量的多路径干扰(MPI)曲线；和
图8是方框图，画出包括本发明的DSCM的光纤传输系统。
【具体实施方式】
图1按照本发明，画出适用于具备同时喇曼放大的色散补偿光纤10的剖面图。下面还要进一步表明，该光纤10在给定的泵浦功率电平下，可以获得比目前的DCF明显更高的喇曼增益。
光纤10以Δn表示的折射率分布(见图2)，定义了通过该光纤断面的五个区。该五个区包括：
1.中央的纤芯12，该中央纤芯定义了相对于外包层20的上升(正的)折射率区。为获得需要的折射率，该中央纤芯12由掺杂适当量的GeO2的SiO2形成。
2.环绕纤芯12的凹槽14。凹槽14定义了压低的(负的)折射率区，一般由掺杂适当量的GeO2和/或F的SiO2形成，以获得需要的折射率。
3.环绕凹槽14的环16。环16定义了上升的折射率区，且一般由掺杂适当量的GeO2的SiO2形成，以获得需要的折射率。
4.环绕环16的淀积的内包层18。该内包层18是折射率接近与外包层20相同的区。
5.外包层20，由SiO2形成。该外包层20的整个断面，只有接近内包层的一部分画在图1上。
研发本发明的光纤10，是要获得如下特性：
A.光纤10的相对色散斜率(RDS)，要与准备升级的系统中通常遇到的该类光纤的相对色散斜率(RDS)紧密相配。
B.光纤10的色散值，要使给定传输光纤跨距中补偿色散值所必需的光纤10长度，与光纤10必需获得需要的喇曼增益的优化长度一致。
C.需要的喇曼增益性质，包括最小噪声值。
D.当用该光纤作为喇曼放大器时，有最小的双Reyleigh散射和多路径干扰(MPI)。
E.在泵浦和信号频带两方面，有需要的谱性质，即在例如波长从1400至1650nm上，有相对低的衰减。
进行了实验的和模拟的试验。发现有上述折射率分布并有下述参数的光纤，当在色散补偿模块中单独或与其他光纤组合使用时，十分适合用于具备同时喇曼放大的色散补偿。
I.纤芯12的Δn在0.012至0.035之间，而最好在0.015至0.022之间。该下限保证有相对高的喇曼增益系数，而选择该上限是为了保持低的谱衰减。
II.凹槽14压低的或负的Δn在-0.015至-0.003之间，而最好在-0.010至-0.006之间，以便光纤10获得低的有效面积和高的相对色散斜率。该凹槽14还相对地宽，其宽度在2至6μm之间。如在本文中使用的，光纤10的折射率分布中某区的“宽度”一词，是指该区在图1中伸延的径向距离。
III.环16的Δn在0.001至0.015之间，而最好在0.003至0.005之间，以改善光纤的弯曲性能。
举例
两种光纤，本文称为R-DCF-1和R-DCF-2，在它们的折射率分布的断面中，是按上述范围制作的。该两种光纤的尺寸和折射率值(以Δn表示)列于下表。R-DCF-1 区 尺寸 与外包层的折射率差 纤芯12 半径＝1.8μm Δn＝0.0215 凹槽14 宽度＝3.62μm Δn＝-0.0078 环16 宽度＝2.34μm Δn＝0.0040 包层18 宽度＝1.65μm Δn＝-0.0006 外包层20 半径＝62.5μm Δn＝0R-DCF-2 区 尺寸 与外包层的折射率差 纤芯12 半径＝1.56μm Δn＝0.0155 凹槽14 宽度＝3.95μm Δn＝-0.0078 环16 宽度＝2.39μm Δn＝0.0040 包层18 宽度＝1.38μm Δn＝-0.0006外包层20 半径＝62.5μm Δn＝0
光纤的喇曼增益效率由所谓喇曼优值(Figure-of-Merit，FOM)给出。喇曼FOM定义为在某一确定泵浦波长下的喇曼增益系数，并归一化为给定光纤的有效面积，除以在该泵浦波长下的光纤谱衰减。喇曼FOM的单位是[W-1dB-1]。此外，光纤中的Rayleigh后向散射是多路径干扰(MPI)的主因，在喇曼放大中亦称双Rayleigh后向散射(DRB)。大的后向散射导致因MPI的更大的惩罚。测量各种光纤的喇曼FOM和Rayleigh后向散射值，包括本发明的光纤R-DCF-1和R-DCF-2，其值如下。 光 纤在1453nm上的 喇曼FOM [W-1dB-1] 在1550nm上的 Rayleigh后向散射 [10-6m-1] SSMF 1.7 0.060 Truewave RS 2.5 0.095 HS-DK 4.4 0.59 WB-DK 4.6 0.36 EHS-DK 4.9 0.56 喇曼光纤 5.8 0.36 R-DCF-1 5.4 0.31 R-DCF-2 5.8 0.49
在上表中，SSMF指标准单模传输光纤。Truewave RS是通常用于传输的非零色散光纤(NZDF)。HS-DK、WB-DK、和EHS-DK全是可从OFS Fitel购得的现有的色散补偿光纤。“喇曼 光纤”是特别适合用于喇曼放大的光纤，也可从OFS Fitel购得。
图2画出的相对折射率分布，标记“1”和“2”的是本发明的光纤R-DCF-1和R-DCF-2，标记“3”的是HS-DK(或“高斜率”DK)光纤。图3画出两种光纤R-DCF-1和R-DCF-2，以及HS-DK光纤作为波长函数的色散曲线，最后，图4画出所有三种光纤作为波长函数的RDS。
HS-DK光纤是用于L频带(1570至1605μm)内与Truewave RS传输光纤的色散斜率相匹配的。如下表所示，两种光纤R-DCF-1和R-DCF-2与HS-DK光纤在1585nm上有基本相同的RDS(见图4)，但表现出明显改善的喇曼FOM。
构造三种色散斜率补偿模块，用于在L频带中补偿50km跨距的Truewave RS传输光纤产生的色散。该三种模块的每一种，包括用长的EHS-DK补偿光纤，分别与HS-DK光纤(模块DSCM-1)、本发明的R-DCF-1光纤(模块DSCM-2)、和本发明的R-DCF-2补偿光纤(模块DSCM-3)组合。用实际系统的输入参数，对三种模块进行模拟，结果如下面参照图5至7所作的讨论。
在三种被测试的模块中，每一种的光纤长度如下：
模块 光纤长度(米)
DSCM-1：839m的EHS-DK+1333m的HS-DK
DSCM-2：916m的EHS-DK+2007m的R-DCF-1
DSCM-3：879m的EHS-DK+2084m的R-DCF-2
图5是测试测量配置的示意图，用于三种DSCM的测试。输入级30包括阵列激光二极管32，产生从1554nm至1608nm的16路等间隔信道。输入功率是每信道1.68mW，该级30的组合输出，通过倾角物理接触(APC)连接器34，加到循环器36的输入端口。
泵浦信号级38，在1444nm(190mW)、1457nm(190mW)、1470nm(110mW)、1491nm(215mW)、和1508nm(135mW)的波长(和功率)上，产生五个泵浦信号。这些泵浦信号加到另一个循环器40的输入端口，该循环器40的输出端口与接受测试的DSCM输出耦合，从而使该DSCM被反向或后向泵浦。循环器40的另一输出，耦合至光谱分析器(OSA)42。
图6画出该三种模块每一种作为波长函数的净增益和噪声值曲线，而图7画出该三种模块每一种的MPI曲线。因为本发明的光纤R-DCF-1和R-DCF-2的色散，在数值上都低于HS-DK，所以需要补偿传输光纤中色散的本发明的光纤长度(2007m和2084m)，大于获得相同补偿的HS-DK的长度。光纤10的更大的长度，提供更长的喇曼放大增益介质。Rayleigh后向散射与导致的MPI较低，而本发明两种光纤R-DCF-1与R-DCF-2的喇曼FOM则较高，这样使它们比HS-DK更适合用于喇曼放大。用R-DCF-2光纤的模块(DSCM-3)实现增益的改善高达1.6dB。用R-DCF-1光纤的模块(DSCM-2)在增益和MPI两方面都获得轻微改善。还有，所有三种光纤的RDS基本相同。并且发现，本发明光纤的长度大于约三米时，在波长1550nm上的行为类似于单模光纤。
图8是光纤光通信系统50的方框图，包括光发射机52、光接收机54、和按照本发明的色散斜率补偿模块56。DSCM 56与传输光纤58(它可以是非零色散光纤或NZDF)的一段跨距串联，该传输光纤是发射机52与接收机54之间的光路径的一部分。发射机52与接收机54两者，可以包含在普遍设在光纤光通信系统或网络中对应的光收发机之内。
虽然前面给出了本发明的优选实施例，但本领域的熟练人员明白，在不偏离本发明的精神和范围下，可以作出各种修改和变化，而本发明包括随后权利要求书范围内的所有该类修改和变化。