[发明专利]应用于拉曼放大中的多波长相干光源

说明书

发明领域

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。

技术背景

光放大器已经为大家所熟悉并在光纤通信系统中起着基础性的作用，尤其是由于利用光放大器对光信号进行放大时不需要将光信号转换成相应的远程通信信号。因此，跟其他放大器相比，它是较为可取的放大器。

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(λ_p)和一个低功率光信号(λ_s)被导入同一传输光纤中，来自高功率泵浦光(λ_p)的能量被转移到低功率光信号(λ_s)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，λ_p小于λ_s，而λ_p与λ_s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。