喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的抑制方法
2023-04-26 16:40:26
專利名稱：喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的抑制方法
技術領域：
本發明涉及一種喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的抑制方法，用以改善喇曼光纖放大器噪聲性能，屬於光纖通信技術領域。
背景技術：
隨著社會對信息傳輸帶寬需求的急劇增長，光纖通信技術近年來發展迅速。其中，DWDM(密集波分復用)技術在提高系統的傳輸容量方面發揮了巨大作用。而DWDM技術成功的關鍵在於光放大器。喇曼光纖放大器利用光纖在強泵浦光作用下的受激喇曼散射這一非線性現象實現光放大，其中心波長由泵浦波長決定，不受其他因素牽制，可以實現任意波段的光放大。另外它還具有增益高、帶寬大、噪聲係數低、溫度穩定性好等優點。因此，喇曼光纖放大器成為了繼摻鉺光纖放大器(EDFA)後，DWDM光纖通信領域中的又一重要部件。
喇曼光纖放大器的各種噪聲，如雙重瑞利散射噪聲、ASE噪聲、喇曼串擾等是影響喇曼光纖放大器性能的主要因素。瑞利散射是由於光纖製造過程中，局部濃度微觀起伏導致折射率在比波長小的尺度上發生隨機變化而引起的。在傳輸光纖中，瑞利散射使一部分輸入光變成反向傳輸的瑞利散射波，這種反向傳輸的波再經過一次散射變為正向傳輸，即雙重瑞利散射。在喇曼光纖放大器中，雙重瑞利散射噪聲由於受到泵浦光的兩次放大作用，因此其幅度比一般的光纖傳輸系統要大得多，如P.Hansen等人在期刊IEEE Photonics TechnologyLetters(Vol.10，No.1，1998，pp.159-161)發表的論文Rayleigh scatteringlimitations in distributed Raman pre-amplifiers，對其進行了詳細的分析。雙重瑞利散射由於傳輸方向、頻率和信號波相同，因而會與信號相干疊加，嚴重影響系統性能。為了有效地降低喇曼光纖放大器的噪聲，使其發揮更大的作用，必須採取措施抑制雙重瑞利散射噪聲。
從至今為止的文獻報導看，人們已經認識到雙重瑞利散射噪聲是限制喇曼光纖放大器性能的重要因素之一，並對它的產生機理、計算方法、測量手段等進行了深入研究。但是還沒有一種簡單實用的方法可以有效的降低雙重瑞利散射噪聲。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的抑制方法，解決喇曼光纖放大器中的雙重瑞利散射噪聲問題，在很小的投入下顯著提高喇曼光纖放大器的性能。
為實現這樣的目的，本發明在喇曼光纖放大器的媒介光纖中放置一個光隔離器，並通過隔離器最佳位置的確定，使信號和泵浦可以通行無阻，而背向的瑞利散射噪聲得到很大的抑制，實現有效抑制雙重瑞利散射噪聲。對於正向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器直接加在光線路中，最佳位置距離泵浦輸入端10-15公裡範圍內；對於反向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器最佳位置距離泵浦輸入端5-10公裡範圍內，並在光隔離器兩端加泵浦/信號的分波器和合波器。光隔離器的工作波段與信號波段相同，對泵浦波應透明。
本發明的技術方案具體包含以下幾個方面光隔離器的位置。喇曼光纖放大器由1)多個不同波長半導體泵浦源及泵浦功率耦合器，2)信號/泵浦合波器，3)泵浦驅動與溫控電路，4)輸入/輸出光隔離器，5)作為增益介質的光纖等部分組成。在喇曼光纖放大器中，雙重瑞利散射噪聲的建立和放大是一個複雜的非線性過程，光隔離器對雙重瑞利散射噪聲的抑制效益與其位置有很大的關係。通過數值分析、比較，本發明確定的最佳位置為(a)對於正向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器最佳位置距離泵浦輸入端10-15公裡範圍內，此範圍不受泵浦功率大小、DWDM信道數目和入射信號功率的影響；(b)對於反向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器最佳位置距離泵浦輸入端5-10公裡範圍內，此範圍同樣不受泵浦功率大小、DWDM信道數目和入射信號功率的影響。
光隔離器的技術要求。光隔離器是允許光單向通過的無源器件，它能阻斷反向傳輸的銳利散射，從而切斷瑞利散射在整個光纖內的積累效應。因此，可以採用在光路中插入光隔離器的方法減少雙重瑞利散射。理論上講，增加光隔離器的數量能提高對雙重瑞利散射噪聲的抑制效果。然而，光隔離器的引入一方面會給信號帶來插入損耗(儘管光隔離器的插入損耗不大，約0.3dB左右)，另一方面也對系統的工藝結構帶來難度。無論從插入損耗、還是從工藝可行性角度，都不允許在一個放大器內插入多個光隔離器。本發明技術分析表明，按上述(a)和(b)所提到的最佳位置上放置一個光隔離器，能使雙重瑞利散射得到充分抑制。光隔離器採用普通商用光隔離器即可，工作波段與信號波段相同，對泵浦波應透明，但無隔離度要求。
光隔離器的引入方式。(1)對正向泵浦，直接加在光線路中的最佳位置；(2)反向泵浦，需在光隔離器兩端加泵浦/信號的分波器和合波器，以避免泵浦光不能通過光隔離器。
本發明原理清晰，簡單實用，通過工藝上較為簡便的方案，實現對喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的有效抑制，一般能使輸出端的雙重瑞利散射噪聲減少20～30dB。本發明受信道波長、系統容量、泵浦功率等因素的限制很小，對喇曼光纖放大器系統的結構和成本等因素影響很小，對信號增益的影響可以忽略，能夠在很小的投入下，顯著的提高喇曼光纖放大器的性能。對於採用多個喇曼光纖放大器的長距離光纖通信系統，這是一種減少系統噪聲積累、延長中繼距離的很好方法。
圖1為正向泵浦喇曼光纖放大器中輸出噪聲功率和隔離器位置的關係。
圖1中標註說明「+」—信號功率0.01mW，泵浦功率0.7W；「*」—信號功率0.001mW，泵浦功率0.7W，「o」—信號功率0.01mW，泵浦功率0.54W，「x」—信號功率0.001mW，泵浦功率0.54W。
圖2為反向泵浦喇曼光纖放大器中輸出噪聲功率和隔離器位置的關係。
圖2中標註說明「+」—信號功率0.1mW、泵浦功率0.7W；「o」—信號功率0.1mW、泵浦功率0.6W；「*」—信號功率0.01mW、泵浦功率0.7W；「x」—信號功率0.01mW、泵浦功率0.6W。
圖3為加入隔離器的正向泵浦喇曼光纖放大器結構圖。
圖3中1、控制與顯示電路，2、泵浦驅動與控溫電路，3、半導體泵浦雷射器，4、泵浦合波器，5、輸入功率耦合器，6、輸入端光隔離器，7、信號/泵浦合波器，8、光纖，9、用於抑制雙重瑞利散射噪聲的光隔離器，10、輸出功率耦合器，11、輸出端光隔離器。
圖4為加入隔離器的反向泵浦喇曼光纖放大器結構圖。
圖4中1、控制與顯示電路，2、泵浦驅動與控溫電路，3、半導體泵浦雷射器，4、泵浦合波器，5、輸入功率耦合器，6、輸入端光隔離器，7、信號/泵浦合波器，8、光纖，9、用於抑制雙重瑞利散射噪聲的光隔離器，10、輸出功率耦合器，11、輸出端光隔離器，12、信號/泵浦分波/合波器。
具體實施例方式以下結合附圖及實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
實施例1正向泵浦喇曼光纖放大器的實施方法。
圖1為正向泵浦喇曼光纖放大器中輸出噪聲功率和隔離器位置的關係。
正向泵浦時，泵浦光與信號光方向相同。在作為增益介質的光纖中加入光隔離器時，由於雙重瑞利散射噪聲的建立和放大是一個複雜的非線性過程，其在輸出端的大小與隔離器位置有關。加入一個光隔離器後，光纖被分割成兩段，正向光波可以繼續傳播，而反向瑞利散射波不能通過光隔離器，因此只是在一段光纖內被泵浦反向放大，不會在整個光纖長度上累積，從而達到抑制雙重瑞利散射噪聲的目的。可以看出，在實際使用的放大器泵譜功率和輸入信號功率範圍內，隔離器最佳位置基本上不受泵浦、信號等參數影響。對於正向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器最佳位置距離泵浦輸入端約10-15公裡。
圖3為加入隔離器的正向泵浦喇曼光纖放大器結構圖。
本發明的用於抑制雙重瑞利散射噪聲的光隔離器9直接加在光線路中的最佳位置。光隔離器9是普通商用光隔離器，工作波段與信號波段相同，對泵浦波透明，但無隔離度要求。信號波長可在C-波段、L-波段或C+L-波段。
實施例2反向泵浦喇曼光纖放大器的實施方法。
圖2為反向泵浦喇曼光纖放大器中輸出噪聲功率和隔離器位置的關係。
反向泵浦時，泵浦光與信號光方向相反，泵浦光是從信號輸出端輸入至光纖的。在作為增益介質的光纖中加入光隔離器時，雙重瑞利散射噪聲的大小同樣與隔離器位置有關。加入一個光隔離器後，光纖被分割成兩段，正向光波可以繼續傳播，而反向瑞利散射波不能通過光隔離器，因此只是在一段光纖內被泵浦反向放大，不會在整個光纖長度上累積，從而達到抑制雙重瑞利散射噪聲的目的。可以看出，在實際使用的放大器泵譜功率和輸入信號功率範圍內，隔離器最佳位置基本上不受泵浦、信號等參數影響。對於反向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器最佳位置距離泵浦輸入端約5-10公裡。
圖4為加入隔離器的反向泵浦喇曼光纖放大器結構圖。
圖4中，用於抑制雙重瑞利散射噪聲的光隔離器9加在光線路中的最佳位置，在光隔離器9的兩端加泵浦/信號的分波器和合波器12。光隔離器9是普通商用光隔離器，工作波段與信號波段相同，對泵浦波透明，但無隔離度要求。為了避免隔離器對泵浦光的阻斷作用，需採用信號/泵浦分波器及合波器，將信號光和泵浦光分開，光隔離器加在光線路最佳位置，泵浦光從另一支路，可繼續起泵浦作用。信號波長可在C-波段、L-波段或C+L-波段。
權利要求
1.一種喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的抑制方法，其特徵在於在喇曼光纖放大器的媒介光纖中放置一個光隔離器(9)，對於正向泵浦的喇曼光纖放大器，光隔離器(9)直接加在光線路中，最佳位置距離泵浦輸入端10-15公裡範圍內；對於反向泵浦的喇曼光纖放大器，光隔離器(9)最佳位置距離泵浦輸入端5-10公裡範圍內，並在光隔離器(9)兩端加泵浦/信號的分波器和合波器(12)，所述光隔離器(9)的工作波段與信號波段相同，對泵浦波透明。
全文摘要
一種喇曼光纖放大器中雙重瑞利散射噪聲的抑制方法，在喇曼光纖放大器中放置一個光隔離器，對於正向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器直接加在光線路中，最佳位置距離泵浦輸入端10－15公裡範圍內；對於反向泵浦的喇曼光纖放大器，隔離器最佳位置距離泵浦輸入端5－10公裡範圍內，並在光隔離器兩端加泵浦/信號的分波器和合波器。光隔離器的工作波段與信號波段相同，對泵浦波應透明。本發明原理清晰，簡單實用，通過隔離器最佳位置的確定，使信號和泵浦可以通行無阻，而背向的瑞利散射噪聲得到很大的抑制，實現有效抑制雙重瑞利散射噪聲。
文檔編號G02F1/35GK1547068SQ20031010935
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月12日 優先權日2003年12月12日
發明者陳建平, 姜文寧, 李新碗, 尚濤, 周俊鶴 申請人:上海交通大學