專利名稱：具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳輸領(lǐng)域中拉曼放大器(Raman Amplifier)，尤其涉及如何使雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器具有線性增益的方法及具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器。
背景技術(shù)：
在光傳輸系統(tǒng)中，以摻鉺光纖放大器(EDFA)為代表的光放大技術(shù)已經(jīng)取代傳統(tǒng)的光-電-光中繼方式；結(jié)合波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，EDFA放大器實(shí)現(xiàn)了一根光纖中多路光信號的同時(shí)放大，在降低中繼成本的同時(shí)，也成功增加了光纖中可傳輸?shù)男畔⑷萘亢蛡鬏斁嚯x。
但是，EDFA放大器依然存在諸多不足首先是EDFA存在工作波段和帶寬的局限性；其次，EDFA噪聲較大，尤其是在系統(tǒng)級聯(lián)時(shí)這個(gè)問題更為明顯。為彌補(bǔ)EDFA的不足，基于光纖非線性效應(yīng)的光放大器，逐漸開始投入使用。典型包括拉曼放大器和布里淵放大器。特別是拉曼放大器近年來研究成果較多，并開始在工程系統(tǒng)中實(shí)用。
拉曼放大器的原理是基于光纖的非線性效應(yīng)受激拉曼散射(SRS)在石英光纖中，拉曼增益譜具有較大拉曼增益帶寬，并在13THz附近有一較寬的主峰。如果一個(gè)弱信號與一強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，在偏振適當(dāng)?shù)臈l件下，當(dāng)信號波長位于泵浦光拉曼增益帶寬內(nèi)，信號光就可以獲得拉曼增益，這種基于SRS原理的光放大器就是拉曼放大器。1999年拉曼光纖放大器已經(jīng)成功應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)。
相對EDFA，拉曼放大器的特點(diǎn)非常突出1、可獲得全波段放大，當(dāng)然，這需要泵浦源波長選擇適當(dāng)，而且，配置多泵浦源可以獲得比EDFA寬得多的增益帶寬；2、增益介質(zhì)為傳輸光纖本身，可以進(jìn)行信號的在線放大，實(shí)現(xiàn)長距離無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦；3、低噪聲，可有效增加傳輸距離。拉曼放大器以其低噪聲、全波段放大特性和可利用傳輸光纖作為放大介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)使其受到廣泛關(guān)注。
隨著拉曼放大器進(jìn)入實(shí)用階段，拉曼放大器的增益調(diào)節(jié)、增益譜平坦度成為拉曼放大器控制的重要技術(shù)問題。拉曼放大器的增益調(diào)節(jié)需要配置拉曼放大器各泵浦激光器的輸出光功率，而且在調(diào)節(jié)拉曼放大器泵浦功率以改變信號光增益的同時(shí)，也需要保證增益平坦度。
在現(xiàn)有拉曼放大器工業(yè)應(yīng)用與相關(guān)專利中，普遍采用采集波段內(nèi)信號光功率的方法來實(shí)現(xiàn)反饋控制，以實(shí)現(xiàn)增益控制和增益平坦度控制，但反饋控制方法繁瑣，同時(shí)控制效果也受到環(huán)境因素、光纖類別的較大影響?？刂品绞椒爆嵉闹匾蚓褪乾F(xiàn)有的拉曼放大器的有效放大帶寬內(nèi)普通采用了拉曼增益峰的劇變不平坦部分，這種方式雖然能更好利用泵浦功率，但在多泵浦源的共同作用下，不同增益下的各泵浦的功率關(guān)系是未知的，使控制變得極為復(fù)雜而不可靠。正是由于這些原因，現(xiàn)有的拉曼放大器技術(shù)在實(shí)際線路的應(yīng)用中都需要采用測量方式來獲得控制初始化參量，不但工程應(yīng)用成本大，而且拉曼放大器的管理控制方式也相當(dāng)繁瑣。遺憾的是，到目前為止，拉曼放大器雖然已經(jīng)開始在工程線路上實(shí)用，但它遇到的這些困難還沒有一個(gè)有效的解決方案出現(xiàn)在公開技術(shù)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有拉曼放大器技術(shù)遇到的增益控制、增益平坦度控制困難的問題，針對現(xiàn)在工程應(yīng)用最多的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器，提出了一種具有線性增益并在放大帶寬內(nèi)保證增益平坦度的拉曼放大方法。
本發(fā)明的另一目的是基于上述拉曼放大方法，提供一種具有線性增益并在放大帶寬內(nèi)保證增益平坦度的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大方法，兩個(gè)泵浦光經(jīng)WDM合波后與信號光在光纖介質(zhì)內(nèi)作用，產(chǎn)生拉曼放大，對所述的兩個(gè)泵浦光進(jìn)行預(yù)配置，使其滿足下列關(guān)系A(chǔ)、設(shè)置兩個(gè)泵浦光的波長，使放大波長帶寬分別落在拉曼增益譜前、后沿線性增益區(qū)；B、設(shè)置兩個(gè)泵浦光的功率比為一數(shù)值N，使增益帶寬內(nèi)的增益譜平坦。
所述的拉曼放大方法，其中，所述步驟A包括下列處理2C、定義放大波長帶寬W＝fH-fL，其中，fH是所需增益帶寬的上界頻率，fL是增益帶寬的下界頻率；2D、定義拉曼增益譜的前沿頂端為A(fA，gA)，后沿頂端為B(fB，gB)；2E、令所述兩個(gè)泵浦光的輸出頻率分別滿足下列關(guān)系f1＝fL-fBf2＝fH-fA；2F、則所述兩個(gè)泵浦光的波長分別為λ1＝c/f1，λ2＝c/f2，其中c是真空中光速。
所述的拉曼放大方法，其中，所述fA設(shè)定為13THz，所述fB設(shè)定為14.55THz。
所述的拉曼放大方法，其中，所述步驟B包括下列處理4G、從所述A點(diǎn)沿拉曼增益譜前沿選擇點(diǎn)C(fc，gc)，使C點(diǎn)滿足fA-fc＝W；
4H、從所述B點(diǎn)沿拉曼增益譜后沿選擇點(diǎn)D(fD，gD)，使D點(diǎn)滿足fD-fB＝W；4I、依據(jù)所述點(diǎn)A、C之間拉曼增益譜曲線，擬合出直線的斜率為K1；依據(jù)所述點(diǎn)B、D之間拉曼增益譜曲線，擬合出直線的斜率為K2，所述K1、K2一正一負(fù)；4J、所述兩個(gè)泵浦光的功率比例N滿足下述關(guān)系K1+N*K2＝0。
具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大裝置，包括泵浦光合波單元、WDM合波單元、泵浦光功率檢測單元、兩個(gè)泵浦激光器單元，還包括泵浦功率比例控制單元，所述泵浦功率比例控制單元接收泵浦光功率檢測單元檢測到的信號并控制兩個(gè)泵浦單元的輸出光功率比值為N＝-K1/K2；所述兩個(gè)泵浦激光器單元的輸出光波長分別依據(jù)f1＝fL-fBf2＝fH-fA；λ1＝c/f1λ2＝c/f2其中c是真空中光速確定。
所述的拉曼放大裝置，其中，所述泵浦功率比例控制單元包括CPU單元、兩個(gè)DAC單元、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，所述CPU接受所述泵浦光功率檢測單元檢測到的信號并輸出一調(diào)整信號到所述兩個(gè)DAC單元，經(jīng)所述兩個(gè)DAC單元轉(zhuǎn)換后的調(diào)整信號分別通過所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元放大輸出，控制所述兩個(gè)泵浦激光器單元的輸出光功率的比值。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明由于通過對雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器的泵浦波長的預(yù)配置，選擇了拉曼增益譜的前后端線性增益部分，從而實(shí)現(xiàn)了拉曼放大增益與泵浦源功率的線性關(guān)系，使拉曼放大器的控制由于有線性關(guān)系而大大簡化、控制也更為可靠；同時(shí)，由于使用拉曼增益譜的線性部分，并且控制泵浦功率在兩波長上的分配比例為N∶1，因此也保證了增益平坦度，改變拉曼增益基本不影響增益平坦度的改變，這極大簡化了拉曼放大器的控制。同時(shí)，由于不再需要現(xiàn)場測量那些控制所需要的初始化參量，這使拉曼放大器的應(yīng)用成本、應(yīng)用復(fù)雜度也明顯下降。


圖1是拉曼效應(yīng)增益譜圖；圖2是本發(fā)明所述線性疊加獲得一定帶寬內(nèi)平坦增益的效果圖；圖3是本發(fā)明所述具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器結(jié)構(gòu)圖；圖4是作為本發(fā)明實(shí)施例的3.2THz放大帶寬增益譜圖；圖5是作為本發(fā)明實(shí)施例的放大帶寬內(nèi)各頻點(diǎn)dB增益與增益差異圖；圖6是作為本發(fā)明實(shí)施例的泵浦功率比例控制單元結(jié)構(gòu)圖具體實(shí)施方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明只針對雙波長結(jié)構(gòu)的拉曼放大器，本發(fā)明的核心思想是通過對雙波長結(jié)構(gòu)的拉曼放大器的泵浦波長進(jìn)行預(yù)配置，使放大波長帶寬內(nèi)不包含拉曼增益譜的劇變不平坦的增益段，而選擇拉曼增益譜的前后端線性增益部分，在雙泵浦源的共同作用下在放大帶寬內(nèi)獲得拉曼增益與泵浦功率的線性關(guān)系；同時(shí)，由于使用拉曼增益譜的線性部分，也保證了增益平坦度。
從圖1拉曼增益譜圖上看，A到B點(diǎn)之間為拉曼增益峰值，雖然增益高，但增益起伏很大為拉曼增益譜的巨變不平坦部分，增益控制非常困難，這部分增益帶寬通常位于泵浦波長偏移13THz～14.5THz區(qū)間附近；而沿拉曼增益譜前沿頂端A點(diǎn)向前一段區(qū)間和沿拉曼增益譜后沿頂端B點(diǎn)向后一段區(qū)間卻具有近似線性特征。為實(shí)現(xiàn)線性增益，本發(fā)明設(shè)計(jì)兩個(gè)泵浦源的波長避開拉曼增益譜巨變不平坦部分，使其中一個(gè)泵浦源的拉曼放大貢獻(xiàn)位于拉曼增益譜的前沿即區(qū)間1，而另一個(gè)泵浦源的拉曼放大貢獻(xiàn)位于拉曼增益譜的后沿即區(qū)間2，用犧牲部分泵浦功率，換取增益的線性控制，并且由于區(qū)間1和區(qū)間2臨近增益峰，所以也不會過分損失泵浦功率。由于拉曼增益譜的線性部分前沿區(qū)間1和后沿區(qū)間2的斜率絕對值不同，為保證放大帶寬內(nèi)拉曼增益譜的平坦度，通過控制兩個(gè)泵浦源的輸出泵浦光功率比例N，達(dá)到改變拉曼增益基本不影響增益平坦度的改變。
本發(fā)明具體處理方法步驟如下1、確定應(yīng)用所需要的增益帶寬W＝fH-fL，其中，fH是所需增益帶寬的上界頻率，fL是增益帶寬的下界頻率；2、從拉曼增益譜曲線的前沿選擇W帶寬范圍。為有效利用泵浦功率，從A點(diǎn)[坐標(biāo)，(fA，gA)]沿前沿選擇帶寬為W的點(diǎn)C[坐標(biāo)，(fc，gc)]，其中，fA-fc＝W；A點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件來選擇，它位于拉曼增益譜前沿的頂端，典型設(shè)置為(13THz，7.94E-4)。
3、從拉曼增益譜曲線的后沿選擇W帶寬的范圍。為有效利用泵浦功率，從B點(diǎn)[坐標(biāo)，(fB，gB)]沿后沿選擇帶寬為W的點(diǎn)D[坐標(biāo)，(fD，gD)]，其中，fD-fB＝W；B點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件來選擇，它位于拉曼增益譜后沿的頂端，典型設(shè)計(jì)為(14.55THz，7.85E-4)。
4、依據(jù)(fA，gA)、(fc，gc)之間的拉曼增益譜曲線，擬合出直線，其斜率為K1。如圖2所示，擬合直線為y＝k1x5、依據(jù)(fB，gB)、(fD，gD)之間的拉曼增益譜曲線，擬合出直線，其斜率為K2。如圖2所示，擬合直線為y＝k2x，K1、K2一正一負(fù)。
6、根據(jù)K1+N*K2＝0，計(jì)算出N，這就是兩個(gè)泵浦源的輸出光功率比例。
7、確定兩個(gè)泵浦源的輸出光頻率分別為f1＝fL-fB，f2＝fH-fA，對應(yīng)的波長分別是λ1＝c/f1，λ2＝c/f2，其中c是真空中光速。
8、根據(jù)上述配置，設(shè)置雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大器的泵浦波長為λ1、λ2，泵浦功率在兩波長上的分配為N∶1。
從圖2上可見，y＝(Nk1+k2)x為一平坦直線，由此可見，依據(jù)8的設(shè)置，調(diào)節(jié)拉曼放大器泵浦總功率，放大器增益隨泵浦功率線性變化，增益帶寬W內(nèi)的增益譜保持平坦。
依據(jù)上述方法，本發(fā)明構(gòu)造了一種雙波長結(jié)構(gòu)的拉曼放大器裝置，參見圖3。該裝置包括兩個(gè)泵浦激光器單元3、4，泵浦光合波單元2、WDM合波單元1、泵浦光功率檢測單元5，還包括泵浦功率比例控制單元6，并且兩個(gè)泵浦激光器單元的輸出光波長依據(jù)方法7設(shè)置為λ1和λ2。所述泵浦光功率檢測單元5檢測所述泵浦激光單元4、泵浦激光單元3的泵浦輸出光功率，并把檢測數(shù)據(jù)傳遞到所述泵浦功率比例控制單元6。所述泵浦功率比例控制單元6依據(jù)方法6確定的N∶1比例控制兩個(gè)泵浦單元的輸出光功率比值。所述泵浦光合波單元2合路泵浦激光單元4和泵浦激光單元3按比例N輸出的泵浦光，并把合路泵浦光傳遞到所述WDM合波單元1。泵浦光經(jīng)過WDM合波單元1，與信號光在光纖介質(zhì)內(nèi)作用，產(chǎn)生拉曼放大。
下面舉一實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
設(shè)所需放大帶寬要求為3.2THz，它的工作頻段為192.1THz～195.3THz。
根據(jù)方法1，得到fH＝195.3THz，fL＝192.1THz，W＝3.2THz根據(jù)方法2，A點(diǎn)為(13THz，7.94E-4)，C點(diǎn)fc＝fA-W＝9.8THz，C點(diǎn)為(9.8THz，5.68487E-4)根據(jù)方法3，B點(diǎn)為(14.55THz，7.85E-4)，D點(diǎn)fD＝fB+W＝17.75THz，D點(diǎn)為(17.75THz，1.98296E-4)根據(jù)方法4，依據(jù)(fA，gA)、(fc，gc)之間的拉曼增益譜曲線，擬合出直線，其斜率K1＝7.16481E-17根據(jù)方法5，依據(jù)(fB，gB)、(fD，gD)之間的拉曼增益譜曲線，擬合出直線，其斜率K2＝-1.72728E-16。K1、K2一正一負(fù)。
根據(jù)方法6，K1+N*K2＝0，泵浦功率比例N＝-K1/K2＝0.41根據(jù)方法7，應(yīng)設(shè)置拉曼放大器的兩個(gè)泵浦源的泵浦光頻率分別是f1＝fL-fB＝177.55THz，f2＝fH-fA＝182.3THz，對應(yīng)的波長分別是λ1＝c/f1，λ2＝c/f2，其中c是真空中光速。
圖4所示曲線4為泵浦源1增益曲線，曲線2為泵浦源2增益曲線，曲線3為泵浦源2光輸出功率N倍的增益曲線，曲線1代表本發(fā)明雙波長結(jié)構(gòu)的拉曼放大器增益曲線，從上述中幾條曲線可見，曲線1更為平坦，更接近平行直線。圖5所示4條曲線分別代表增益為5db、6db、7db、8db，上述四條曲線形狀基本相同，說明改變拉曼增益基本不影響增益平坦度的改變，這極大地簡化了拉曼放大器的控制。圖6給出了本發(fā)明實(shí)施例的泵浦功率比例控制單元具體結(jié)構(gòu)圖，所述泵浦功率比例控制單元6使用CPU單元61、DAC單元62、DAC單元63、泵浦激光單元4的驅(qū)動(dòng)單元64、泵浦激光單元3的驅(qū)動(dòng)單元65構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大方法，兩個(gè)泵浦光經(jīng)WDM合波后與信號光在光纖介質(zhì)內(nèi)作用，產(chǎn)生拉曼放大，其特征在于對所述的兩個(gè)泵浦光進(jìn)行預(yù)配置，使其滿足下列關(guān)系A(chǔ)、設(shè)置兩個(gè)泵浦光的波長，使放大波長帶寬分別落在拉曼增益譜前、后沿線性增益區(qū)；B、設(shè)置兩個(gè)泵浦光的輸出功率比為一數(shù)值N，使增益帶寬內(nèi)的增益譜平坦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉曼放大方法，其特征在于所述步驟A包括下列處理2C、定義放大波長帶寬W＝fH-fL，其中，fH是所需增益帶寬的上界頻率，fL是增益帶寬的下界頻率；2D、定義拉曼增益譜的前沿頂端為A(fA，gA)，后沿頂端為B(fB，gB)；2E、令所述兩個(gè)泵浦光的輸出頻率分別滿足下列關(guān)系f1＝fL-fBf2＝fH-fA；2F、則所述兩個(gè)泵浦光的波長分別為λ1＝c/f1，λ2＝c/f2，其中c是真空中光速。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉曼放大方法，其特征在于所述fA設(shè)定為13THz，所述fB設(shè)定為14.55THz。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉曼放大方法，其特征在于所述步驟B包括下列處理4G、從所述A點(diǎn)沿拉曼增益譜前沿選擇點(diǎn)C(fC，gC)，使C點(diǎn)滿足fA-fC＝W；4H、從所述B點(diǎn)沿拉曼增益譜后沿選擇點(diǎn)D(fD，gD)，使D點(diǎn)滿足fD-fB＝W；4I、依據(jù)所述點(diǎn)A、C之間拉曼增益譜曲線，擬合出直線的斜率為K1；依據(jù)所述點(diǎn)B、D之間拉曼增益譜曲線，擬合出直線的斜率為K2，所述K1、K2一正一負(fù)；4J、所述兩個(gè)泵浦光的輸出功率比例N滿足下述關(guān)系K1+N*K2＝0。
5.依據(jù)權(quán)利要求1所述方法產(chǎn)生的具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大裝置，包括泵浦光合波單元、WDM合波單元、泵浦光功率檢測單元、兩個(gè)泵浦激光器單元，其特征在于還包括泵浦功率比例控制單元，所述泵浦功率比例控制單元接收泵浦光功率檢測單元檢測到的信號并控制兩個(gè)泵浦單元的光輸出功率比值為N＝-K1/K2；所述兩個(gè)泵浦激光器單元的輸出光波長分別依據(jù)f1＝fL-fBf2＝fH-fA；λ1＝c/f1λ2＝c/f2其中c是真空中光速確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的拉曼放大裝置，其特征在于所述泵浦功率比例控制單元包括CPU單元、兩個(gè)DAC單元、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，所述CPU接受所述泵浦光功率檢測單元檢測到的信號并輸出一調(diào)整信號到所述兩個(gè)DAC單元，經(jīng)所述兩個(gè)DAC單元轉(zhuǎn)換后的調(diào)整信號分別通過所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元放大輸出，控制所述兩個(gè)泵浦激光器單元的光輸出功率的比值。
全文摘要
一種具有線性增益的雙波長結(jié)構(gòu)拉曼放大方法及裝置，兩個(gè)泵浦光經(jīng)WDM合波后與信號光在光纖介質(zhì)內(nèi)作用，產(chǎn)生拉曼放大，對所述的兩個(gè)泵浦光進(jìn)行預(yù)配置，使其滿足下列關(guān)系A(chǔ).設(shè)置兩個(gè)泵浦光的波長，使放大波長帶寬分別落在拉曼增益譜前、后沿線性增益區(qū)；B.設(shè)置兩個(gè)泵浦光的功率比例為一數(shù)值N，使增益帶寬內(nèi)的增益譜平坦。由此實(shí)現(xiàn)了拉曼放大增益與泵浦源功率的線性關(guān)系，也保證了增益平坦度，改變拉曼增益基本不影響增益平坦度的改變，極大地簡化了拉曼放大器的控制，并使控制也更為可靠；同時(shí)，由于不再需要現(xiàn)場測量那些控制所需要的初始化參量，也使拉曼放大器的應(yīng)用成本、應(yīng)用復(fù)雜度明顯下降。
文檔編號H01S3/30GK1547336SQ20041003703
公開日2004年11月17日 申請日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者鄭毅, 鄭 毅 申請人:中興通訊股份有限公司