喇曼放大光传输系统 【技术领域】
本发明涉及使用光纤的信息传输领域，并且尤其涉及应用受激喇曼散射进行放大的光传输系统的设计。
背景技术
光学通信的增长受到光纤上可实现的特大带宽的激励。这样的带宽使得在一根由高质量玻璃材料制成的细如发丝的光纤上可以同时传输几千个电话通话和电视信道。但是，类似于电信号，光信号在传输过程中有损耗，并且必须周期性地被放大，尽管增大所传输的光信号的功率可以减轻对放大的需要。为了应付增大的光功率，已经研究了具有较大有效面积的光纤，以避免与高功率密度相关的非线性效应。
光放大比光信号转换为电信号，电信号被放大然后再转换为光信号更划算。放大技术包括：在一段光纤中掺杂稀土材料如铒或镨；在与将被放大的光信号的波长不同的波长处将光能量泵浦到该段光纤；以及沿该段稀土掺杂地光纤传播该光信号，以在其自身波长处提取能量。铒掺杂光纤用于放大波长在1550纳米(nm)区域，Er3+掺杂离子中存在迁移的光信号，而镨掺杂光纤用于1310nm区域。尽管这种放大器比上述电放大方法表现出重大的改进，但是这种光放大器的价格仍然太高——例如每个$25,000至$50,000。此外，铒放大器必须由一个或两个激光二极管泵浦来驱动；并且，如果一个泵浦停止，则整个系统减弱。(铒不会明显停止，但是当其减弱时它使用一个前级激光器吸收该信号。)镨放大器具有一些相同的问题并且，此外，它由脆而易碎的基于氟化物的光纤制成。
另一种光放大技术利用已知的受激喇曼散射(SRS)现象，它有不少好处，包括：低成本——例如每个$3000至$4000；工作在所有波长；以及利用传输光纤本身用于放大。实际上，该技术依赖于光纤材料的固有性质，并且光纤中不需要任何专门的掺杂物如铒。因此，光传输系统中经常需要使用喇曼放大。
【发明内容】
喇曼放大包括将一个光泵浦信号引入该传输光纤，并且对于一个给定的泵浦功率，喇曼放大效率随光功率密度的增大而增大。但是，如果该光纤的功率密度变得太大，则光传输信号会出现不利的非线性效应。因此，需要调和一个光传输系统中采用低功率密度减小非线性效应与采用高功率密度增大喇曼放大器效率之间的关系。
根据本发明，一个喇曼放大的光传输系统包括一个光传输信号源，连接到具有一个有效面积的第一光纤的一端。该光纤的另一端连接到具有小得多的有效面积的第二光纤。光泵浦信号耦合到该第二光纤，使其显示受激喇曼散射并且，因此放大光传输信号。
在本发明的一个示例性实施例中，光泵浦信号沿第二光纤以与光传输信号方向相反的方向传播。
与本发明相关的各种光缆配置都是有用的，本发明理想地在同一光缆内包括相等数量的大有效面积光纤即Aeff≥70μm2，和小有效面积光纤即Aeff≤60μm2。其中一种光缆配置包括用复合材料粘结在一起的一个光纤平面阵列；而在另一种配置中，几组光纤封装在一个或多个塑料管内。
【附图说明】
阅读附图，由以下详细描述将更清楚地理解本发明及其工作模式，其中：
图1是使用反向泵浦喇曼放大的光传输系统的示意表示；
图2是一个图表，显示对于熔融硅光纤，喇曼增益系数关于泵浦与信号间以THz以及光谱学家使用的厘米倒数(cm-1)为单位的信道间隔的函数；
图3是一个图表，显示在使用喇曼放大用于具有不同有效面积的光纤的一个光传输系统中，光功率与距离的关系；
图4是一个图表，显示在用于具有不同有效面积的光纤的一个喇曼放大器中的光信噪比；
图5是一个光缆的透视图，包含根据本发明的具有不同有效面积的光纤束；
图6是一个光缆的透视图，包含根据本发明的具有不同有效面积的光纤平面阵列；
图7表示图6中所示的那种光缆之间通过熔融接合的互连；以及
图8公开了在同时具有铒放大器和喇曼放大器的一个光传输系统中使用图5中所示的光缆。
术语
以下定义是根据技术中的常见用法：
有效面积(Aeff)——一种光属性，特指单模式光纤，定义为：Aeff=2π(∫0∞E2rdr)2/(∫0∞E4rdr),]]>其中E为与被传播光相关的电场。实际情况中，根据以下映射函数，有效面积与光纤的模式场直径有关：Aeff=kπ(MFD2)2,]]>其中K为一个拟合系数。
模式场直径(MFD)——一个单模式光纤中引导的光功率密度的宽度的量度。对于多数单模式光纤，密度关于径向位置的形状典型地遵循常见的高斯或钟形曲线。密度下降到峰值的1/e2＝0.135处的半径称为模式场半径，模式场半径乘以2就得到MFD。
大有效面积——对于本发明，一根光纤其中Aeff≥70μm2。
小有效面积——对于本发明，一根光纤其中Aeff≤60μm2。
受激喇曼散射(SRS)——光与光纤的分子振动之间的相互作用。
系统波长(λs)——单个光信道的中心波长；或位于一个光放大器的放大波段内的一组光信道的平均中心波长。
【具体实施方式】
当单个光缆包括一个特定传输系统中所需的所有不同种类的光纤时，光缆的制造者及安装者就会受益。本发明是用于能够在一个喇曼泵浦的光传输系统中被有利使用的光缆。这种泵浦使得一个光纤能够提供小量的放大，通常被一个辅助的光放大器增强。通过使用大和小有效面积的光纤，加上喇曼放大，可以不需要辅助放大器而获得较长的传输距离。并且当单个光缆包含大和小有效面积光纤时，就减少了库存并且简化了安装。光纤有效面积与喇曼放大的简要论述将增强读者的理解。
光纤有效面积
如上述定义，有效面积是一种光属性，特指单模式光纤，定义为：Aeff=2π(∫0∞E2rdr)2/(∫0∞E4rdr),]]>其中E为与被传播光相关的电场。实际情况中，根据映射函数，有效面积与光纤的模式场直径(MFD)有关，该映射函数是一个公式，通过它，给定光纤的一个属性的测量结果被用于预测另一个属性的值。对于一个给定的光纤类型和设计，通过专门用于一个特定光纤类型和设计的一个映射函数，MFD可以用于预测有效面积。映射函数是通过做一个试验得到的，该试验中选择一个光纤样本表示MFD值的光谱和光纤类型，并且在试验中测量样本中的光纤的MFD和Aeff。可以使用线性回归来确定拟合系数k，如下式定义：Aeff=kπ(MFD2)2]]>
单模式光纤的有效面积的测量在将作为TIA/EIA-455-132-A出版的FOTP-132中详细讨论。
喇曼放大器
众所周知光信号与传播媒质(例如光纤)之间的非线性相互作用(NLI)原则上可以用于信号辐射的放大。应当注意到光纤NLI放大器利用光纤材料的固有性质，并且不需要光纤中存在专门的掺杂剂如铒。如果在单根光纤上传输多个波长，则有几种非线性机制可以将信号能量从一个波长转移到另一个波长。SRS是光与分子振动之间的非线性参数相互作用。一根光纤中发射的光被部分散射并且频率下移。光频率的变化对应于分子振动频率。SRS类似于受激布里渊散射(SBS)，但是可以发生在向前或向后方向。喇曼增益系数比布里渊增益系数小大约3个数量级，因此在一个单信道系统中，SRS阈值比SBS阈值大大约3个数量级。但是SRS的增益带宽约为12THz或120nm，比SBS大得多。SRS的更详细的解释包含在标题为“使用受激喇曼散射的光纤传输系统：理论”的文章中，作者是KiyofumiMochizuki，光波技术期刊，LT-3卷，第3期，1985年6月。
图1示意地描述了使用SRS用于放大的一个光传输系统100。发射器10在例如1550纳米(nm)波长区域产生光传输信号(λs)，在需要放大之前沿光纤11和12传播几千米。通过波分复用器(WDM)15将具有不同于波长λs的一个光泵浦信号(λp)引入到传输光纤12，完成喇曼放大。注意到光泵浦信号理想地以与信号传播方向相反的方向传播，并且因此称作“反向泵浦”。如申请序列号08/683044(Chraplyvy18-6-18)中所述，反向泵浦优于正向泵浦是因为它大大降低了由泵浦耗尽调制带来的串扰。但是，根据本发明，在一个光传输系统中光纤12的正向泵浦也被考虑。
当明智地选择光泵浦信号λp与光传输信号λs之间的波长间隔时，光纤中通过喇曼效应的放大是可能的。对于熔融硅光纤，当施加足够的泵浦功率(至少30毫瓦)时，在相当宽带的频率上可以获得显著的喇曼放大。获得的喇曼增益的量与提供给光纤的泵浦功率的量成正比。
简要参考图2，图2是一个图表，显示对于熔融硅光纤，喇曼增益系数关于泵浦与信号间以THz以及光谱学家使用的厘米倒数(cm-1)为单位的信道间隔的函数。图2所示的喇曼增益系数适用于约1.55μm的光传输波长，以及泵浦和信号的对齐单偏振。对于混杂偏振，该系数减小到所示值的一半。当泵浦频率低于传输频率约12THz(400cm-1)时达到增益曲线的峰值。在峰值处，增益系数约为7×10-12cm/W。由于SRS，在一个光传输系统中，较长波长处的信号被较短波长的信号放大。SRS耦合波长间隔达140nm的信道，尽管超过120nm会有显著的下降。对于在1.55μm区域中传播的光传输信号，这意味着波长位于1430nm与1550nm之间的任何信号都可以将能量转移到图2中所示的光学信号中。
在本发明的最佳实施例中，波长为1429nm、1446nm、1470nm和1491nm的泵浦信号被同时用于为波分复用的光传输信号提供一个宽平带的喇曼放大。每个泵浦信号具有不同的功率水平，并且累积功率约为600毫瓦。此外，喇曼放大器可以由多个激光二极管驱动，以提供连续的服务；如果一个激光二极管停止工作，则其它二极管继续向光纤提供功率用于放大。
在一个方向，WDM15将来自单个输入端口的信号根据波长路由到多个输出端口，并且，在另一个方向，将来自多个输入端口的不同波长的信号路由到单个输出端口。因此，光传输信号λs从光纤12路由到接收器20，光泵浦信号λp从喇曼泵浦16路由到光纤12。根据本发明，光纤11和12的不同之处在于，光纤11被选择提供具有高强度的光传输信号，光纤12被选择以一种有效的方式增强喇曼放大。
喇曼放大是一个非线性效应，通过增加的功率密度得到增强。这意味着对于一个给定的泵浦功率，通过降低提供放大的分子所属的光纤的有效面积可以增加放大。这在图3中被清楚地显示，图3是一个图表，显示在使用喇曼放大用于具有不同有效面积的光纤的一个光传输系统中，光功率与距离的关系。光传输信号在距离“0km”处被发射到一个光纤，在距离“80km”处喇曼泵浦被施加到该光纤。曲线301-304显示光传输功率如何随距发射地点的距离的函数而下降。曲线304表示一个没有喇曼放大的系统，而曲线301-303表示施加了喇曼泵浦的系统。这种泵浦提供的放大与光纤的有效面积的函数成反比。有效面积越小，放大越大。曲线301表示Aeff＝55μm2的光纤；曲线302表示Aeff＝72μm2的光纤；以及曲线303表示Aeff＝82μm2的光纤。
有利的是，光信噪比(OSNR)也与光纤的有效面积的函数成反比。有效面积越小，图4所示的OSNR越大，图4是一个图表，显示在对于具有不同有效面积的光纤的一个喇曼放大器中的光信噪比。曲线401表示Aeff＝55μm2的光纤；曲线402表示Aeff＝72μm2的光纤；以及曲线403表示Aeff＝82μm2的光纤。因此，当需要喇曼放大时，使用小有效面积的光纤有显著的优点。
通过比较，大有效面积的光纤允许在遇到非线性效应之前将较大的信号功率施加到光纤。增大信号功率显然是必需的，因为它使光信号在需要放大之前传播得更远。显然，在使用喇曼放大的一个光传输系统中，大和小有效面积的光纤都是必需的。在本发明的一个最佳实施例中，大和小有效面积的光纤都包括在图5中所示的单个光缆中，图5公开了一个坚固的光缆结构500中的多个光纤束50-1、50-2，在图中，束50-1示例性地包括一组具有大有效面积的光纤，而束50-2示例性地包括一组具有小有效面积的光纤。光缆500可以包括本发明中的各种类型的束。但是，重要的是，该光缆包括多个具有大有效面积的光纤以及多个具有小有效面积的光纤。
图5还提供了关于根据本发明的一个实际光缆的结构的更详细的细节。光缆500包括光纤束50-1、50-2，它们被细绳包扎带51束成一个整体，为便于识别被典型地进行了颜色编码。这些光纤束位于由例如一种塑料材料如聚氯乙烯或聚乙烯制成的一个管状元件52内。或者，可以用一种凝胶状填充材料填充该管状元件52的内部区域，以阻挡水的侵入并且为光纤提供缓冲。包围管状元件52的是一个吸水带53，以及由例如聚乙烯材料构成的外套55，并且封装强度元件54。这些强度元件可以是金属的或绝缘的，并且用于保护光纤免受在操作及正常服务期间施加到光缆上的拉力和/或压力的影响。关于光缆500的结构以及合适的填充材料的详细情况公开在美国专利4,844,575中。如果用如图6中所示的带替换光纤束，则可以使用这种相同的一般光缆结构。
图6公开了一种光缆600，包括位于粘结材料中的一个光纤平面阵列。这种光缆通常被称作“带”。这里，八根光纤被显示分为两组：60-1和60-2。示例性地，组60-1包括四根具有大有效面积的光纤，组60-2包括四根具有小有效面积的光纤。为便于现场识别，每根光纤都具有不同的颜色。此外，带600可以包括一个标记，以识别哪些光纤具有正色散，哪些具有负色散。示例性地，带600的浅色部分61包含大有效面积的光纤，而带600的深色部分62包含小有效面积的光纤。尽管在本发明的实践中不需要在同一光缆内具有相同数量的大和小有效面积的光纤，但是这是理想的。此外，通过制造具有相同数量的大和小有效面积光纤的带，就只需要制造一种类型的带。
在本发明的最佳实施例中，带600包括纵向延伸的光纤的一个平行共面阵列。每根光纤被封装在涂层材料的内外层中并且有一个颜色标识符。一种复合粘结材料65填充光纤之间的空隙，并使其粘结在一起成为单个整体。粘结材料65的模量γ的值比光纤的外涂层小，且比内涂层大(即，109Pa＞γ＞106Pa)。这允许一定程度的有益的光纤内运动。合适的粘结材料公开在美国专利4,900,126中。
如上所述，使用大有效面积的光纤对于高功率光信号的传输是需要的，因为功率密度以及相应的非线性被减小了。相反，小有效面积的光纤在引入喇曼泵浦的光纤位置处是需要的，因为当泵浦能量的功率密度增大时放大也增大了。这两个明显矛盾的需要可以通过在高信号能量处使用大有效面积光纤；在反向喇曼泵浦及低信号能量处使用小有效面积光纤得到解决。因此，在相同点(交叉)需要将大有效面积光纤互连到小有效面积光纤。这种互连如图7所示，其中大有效面积光纤60-1通过连接75连接到小有效面积光纤60-2。这种连接可以用任意已知的光纤互连技术实现，包括，但不限于，由Stephen C.Mettler等人在“光纤接合”，光纤通信II，(Stewart E.Miller等人编辑，1988)，263-300页中描述的技术。一个带600的浅色部分61到另一个带600的深色部分62的连接理想地在一个光缆跨距的中点完成。
由于光传输系统通常是双向的，因此在放大器之间的中点处进行交叉通常是有利的，这使得与过大光功率密度相关的任何非线性在两个方向都相等。此外，由于互连的光纤理想地是色散符号相反，因此只要光纤50-1的正色散基本等于光纤50-2的负色散，累积色散就可以基本减小到零。影响交叉位置的其它因素包括光纤色散的幅值、斜率和符号，以及泵浦和光信号的功率水平。
根据本发明的一个喇曼放大的光传输系统80的一个例子如图8所示。在此例子中，系统80在每个方向都工作在10Gb/s并且包括光源，未显示，光源在1530-565nm波长范围产生许多波分复用的信道λ1…λn，每个信道间隔大约1.6nm，并且每个信道工作速度约2.5Gb/s。放大器81-84为铒掺杂光纤放大器(EDFA)，在1530-1565nm范围提供有效放大。这些放大器的输出处的光传输信号的功率水平足够高，使得需要使用大有效面积光纤。因此，沿从左到右方向，复用的信道通过放大器81发射到光缆500-1内的大有效面积光纤50-1，延伸长度L1。在此点处，复用的光传输信号λ1…λn的功率水平降到由此不再需要使用大有效面积光纤。对于单模式光纤，功率降低的一个示例性速率约为0.2dB/km。然后理想地在中间跨距与延伸长度L2的一个小有效面积光纤50-2进行一个交叉接合85。光缆500-1和500-2是完全相同的，并在图5中显示包含大和小有效面积光纤。有利的是，该光缆可以用于任意方便的位置进行接合连接。
继续沿从左到右方向，波分复用器(WDM)87引导光传输信号λ1…λn进EDFA82，并且引导光泵浦信号以反向传输方向从喇曼泵浦88进入光纤50-2。应当理解光泵浦信号可以以任一方向或两个方向，以及在沿光纤50-2长度的任意点被发射到光纤50-2。光传输系统80在右-左方向类似地工作，并且光缆500-1内的光纤50-2通过喇曼泵浦89和WDM86以上述方式被反向泵浦，以提供放大。应当理解EDFA81-84同样需要光泵浦能量源(未显示)，并且尽管本发明中不需要，但是EDFA有利地与光纤50-2中的受激喇曼散射提供的放大一起作用。光纤50-1和50-2的示例性规格如下所示：
1550nm处衰减 0.17dB/km
1550nm处模式场直径 11.8微米(μm)
包层直径 125±1.0μm
截止波长 ＜1450nm(2m参考长度)
1550nm处色散 21.5ps/nm·km
相对色散斜率 0.0030nm-1
有效面积 110μm2
涂层直径 245±10微米
验证试验 100kpsi
1550nm处衰减 0.23dB/km
1550nm处模式场直径 6.9微米(μm)
包层直径 125±1.0μm
截止波长 ＜1450nm(2m参考长度)
1550nm处色散 -17.7ps/nm·km
相对色散斜率 0.0033nm-1
有效面积 35μm2
涂层直径 245±10微米
验证试验 100kpsi
并且虽然上述光纤理想地与一个喇曼放大的光传输系统相连，但是具有适用于本发明的不同有效面积、不同色散符号以及不同色散斜率的很多其它的光纤可以从例如Lucent Technologies and Corning，Inc.购买到。事实上，这项技术的实践者可以容易地选择大和小有效面积光纤的任意组合以满足本发明范围内的各种系统设计考虑。尽管已经显示和描述了本发明的各种特定实施例，但是本发明范围内的变型是可能的。这些变型包括，但不限于：在源波长(λs)位于1530-1565nm波长区域以外的一个系统中使用本发明；在中间跨距以外的位置(即L1≠L2)进行交叉连接；具有不同数量的大有效面积光纤和小有效面积光纤的光缆；在源波长处具有不同的大和小有效面积幅值的光纤的光缆；具有除大和小有效面积光纤以外的光纤的光缆；以及具有与示例结构不同结构的光缆——例如，没有管状元件或强度元件的光缆。