專利名稱：測量非線性光學(xué)特性的方法、光學(xué)放大器和光傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量用于光通信的各種類型的光纖的非線性光學(xué)特 性的方法、光學(xué)放大器和光傳輸系統(tǒng)，光學(xué)放大器和光傳輸系統(tǒng)均使用 了測量非線性光學(xué)特性的方法來控制對光纖的光輸入電平，從而抑制非 線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生。
背景技術(shù)：
在光傳輸系統(tǒng)中，光學(xué)放大器用于補償光纖中的傳輸損失或光學(xué)功 能器件中的損失。在長距離干線系統(tǒng)中，隨著由于互聯(lián)網(wǎng)的普及而導(dǎo)致 的通信需求的增加，需要引入一種應(yīng)用光學(xué)放大器的寬帶性能的波分復(fù)用(WDM)光傳輸系統(tǒng)。此外，當(dāng)前正在將具有波長路由功能的WDM 光傳輸系統(tǒng)與光學(xué)放大器一起引入城市環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中。作為典型的光學(xué)放大器，例如有，摻雜稀土元素的光纖放大器、半 導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)、光纖拉曼放大器等。另外，作為用于摻雜稀土 元素的光纖放大器的稀土元素，已知的有用于放大在1525-1625nm波段 內(nèi)的光的鉺(Er)、用于放大在1480-1510nm波段內(nèi)的光的銩(Tm)、用 于放大波段在1300nm附近的光的鐠(Pr)等。近來，在光傳輸系統(tǒng)中， 主要使用摻雜鉺的光纖放大器(EDFA)。另外，上述的EDFA主要分為放大波段在1530-1565nm的C波段 EDFA和放大波段在1570-1605nm的L波段EDFA。 L波段EDFA的特點 在于摻雜鉺的光纖比C波段EDFA中的摻雜鉺的光纖長。如上所述，由于C波段EDFA以及L波段EDFA具有大約35nm的 放大波段，例如，如果包含在WDM光中的多個信號光以0.8nm (大約 lOOGHz)的間隔排列，則能夠集總地放大40或40個以上的波長的信號 光。而且，EDFA在高輸出功率方面性能優(yōu)良，因此，例如可以更容易地
獲得200mW或200mW以上的光輸出功率。利用這種特性，可將EDFA 應(yīng)用于各種WDM光傳輸系統(tǒng)中。圖7是示出了在典型的WDM光傳輸系統(tǒng)中使用的光學(xué)放大器的示 例的示圖。在這個WDM光傳輸系統(tǒng)中，分別從多個電/光(E/O)轉(zhuǎn)換 器111輸出的不同波長的光信號被波長復(fù)用器112復(fù)用，然后被輸入到 后置放大器113。在后置放大器113中，輸入的WDM光被集總地放大以 具有預(yù)定的增益或光輸出功率電平，然后被發(fā)送到傳輸光纖100。因通過 傳輸光纖100的傳輸而衰減的WDM光再次被前置放大器121放大以具 有預(yù)定的增益或光輸出功率電平。從前置放大器121輸出的WDM光被 波長解復(fù)用器122解復(fù)用，各個波長的光信號被輸入到各個光/電(O / E) 轉(zhuǎn)換器123中。另外，對于前置放大器121，通常使用這樣的結(jié)構(gòu)的放大 器，即在該前置放大器121，設(shè)置了用于補償在傳輸光纖100中出現(xiàn)的色 散的色散補償光纖(DCF) 121A，這種色散補償光纖121A布置在兩級 結(jié)構(gòu)的光學(xué)放大器121B和121C之間。在如上所述的WDM光傳輸系統(tǒng)中，為了提高光信噪比(S/N)，希 望盡可能提高傳輸?shù)腤DM光的功率。然而，在傳輸光纖100中或在色 散補償光纖121A中發(fā)生的非線性光學(xué)效應(yīng)取決于通過光纖傳播的光的 功率，因此，導(dǎo)致的噪聲或波長失真會降低WDM光的傳輸特性。因此， 輸入到光纖的光輸入電平的上限通常受非線性光學(xué)效應(yīng)的限制。作為降 低上述傳輸特性的非線性光學(xué)效應(yīng)，可以為自相位調(diào)制(SPM)、交叉相 位調(diào)制(XPM)、四波混頻(FWM)、受激拉曼散射(SRS)等。圖8示出了在各種類型的光纖中發(fā)生非線性光學(xué)效應(yīng)的光輸入電平 的示例(以下，也稱作"非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生電平")。同樣，這里假 定光傳輸系統(tǒng)對應(yīng)于C波段的WDM光并且為10Gb/s。根據(jù)光輸出系統(tǒng)模型(例如，波段、波長數(shù)、波長間隔、每一個跨 距的輸出距離、跨距的數(shù)目等)，并根據(jù)傳輸路徑、色散補償器等所使用 的光纖的種類(例如，單模光纖(SMF)、色散位移光纖(DSF)、非零色 散位移光纖(NZ-DSF)、色彩補償光纖(DCF)等)和光纖參數(shù)(例如， 有效光芯橫截面積、色散、有效光纖長度等)來確定非線性光學(xué)效應(yīng)的
發(fā)生程度是公知技術(shù)。如圖8所示，除了在1550nm內(nèi)的色散為Ops/nm/km 的色散位移光纖之外，輸入到光纖的光輸入電平通常受自相位調(diào)制 (SPM)的限制。為了避免出現(xiàn)如上所述的非線性光學(xué)效應(yīng)，需要限制輸入到用于傳 輸路徑等的光纖的光輸入電平，即，限制光學(xué)放大器的光學(xué)輸出功率電 平。然而，在實際操作中，光纖參數(shù)、聯(lián)接器損失、接合損失等發(fā)生變 化，導(dǎo)致的問題在于不能準確地控制非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生程度。為了 處理這個問題，如何準確地測量在實際中將使用的光纖的非線性光學(xué)特 性來將測量結(jié)果反應(yīng)在對光學(xué)放大器的控制上變?yōu)橹饕淖h題。作為與非線性光學(xué)特性的測量有關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)，已經(jīng)知道了一種在由Toshiharu TAKOU、 Tatsuatsu HONDA編輯的增刊(1998 ， P102-126)的"An optical measuring device for user engineers"中公開了一禾中領(lǐng)!j量方法，下面將簡要地描述非線性光學(xué)特性的傳統(tǒng)測量方法。例如，硅基光纖的非線性折射率為大約2.2X10^mVw。與其它非線性介質(zhì)的非線性折射率相比，這種非線性折射率相對小。然而，由于作為光纖的特征的光纖的模場直徑(mold diameter)小(例如，大約10pm)并且其損失明顯小(例如，在1.55pm為大約0.2dB/km)，所以能夠觀察到非線性光學(xué)現(xiàn)象。在光纖中發(fā)生的大部分非線性光學(xué)現(xiàn)象是由于非線性折射而導(dǎo)致的。由于光纖的折射率n取決于光強P，如下面的公式(l)所示，所以發(fā)生這些非線性光學(xué)現(xiàn)象。 n-HL + r^P …(1)在上述公式中，IlL是光纖的線性折射率，H2是取決于光纖的材料的 非線性折射率，P是輸入到光纖的輸入功率。如果折射率取決于光強P，則會發(fā)生一些非線性光學(xué)現(xiàn)象。在非線性光學(xué)現(xiàn)象中得到了最廣泛研究的是自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào) 制(XPM)。SPM是指當(dāng)通過光纖傳播光時由光本身導(dǎo)致的相位位移。SPM的相 位位移量O由下面的公式(2)表示。令丄L( +n2P) …(2)
在上面的公式(2)中，取決于光強的項對應(yīng)于由于SPM而導(dǎo)致的 相位變化，如果這個項為^m，則O機由下面的公式(3)表示。在上面的公式(3)中，L是光纖長度。然而，如果考慮到光纖中的 損失的情況下1.55,光纖的比例常數(shù)為(x，則有效光纖長度La由下面 的公式(4)表示。. (1 —,)一 a…(4)另外，由于光纖中的光強分布在光纖的光芯方向上，因而需要針對光纖的光芯限定有效的光芯橫截面面積Aeff?？梢愿鶕?jù)下面的公式(5) 近似得到有效的光芯橫截面面積Aeff，作為光纖的模場直徑MFD的函數(shù)。V拐2…問基于上面的公式(3)、 (4)和(5)，可以通過下面的公式(6)來表 示由于SPM而導(dǎo)致的非線性相位變化量0亂sPM?！鴖pm2n L膽"d 說、令眠-丁X" 2 …(6)如果產(chǎn)生SPM，則輸入光的波長展開，同時，其光譜波形也改變。 圖9示出了利用這種現(xiàn)象的傳統(tǒng)SPM測量系統(tǒng)的一個示例。在這個測量 系統(tǒng)中，從光源(DFB-LD) 131輸出的光被EDFA 132放大，被光帶通 濾波器133消除了 ASE的光經(jīng)光衰減器134被輸入到測量對象光纖135。 光衰減器134用于改變輸入到光纖135的光的強度。從光纖135輸出的 光穿過O.lnm的窄帶光濾波器136,從而通過光功率計137觀察到其的光 強。執(zhí)行SPM的測量，從而在改變輸入的光脈沖的強度的同時檢測在其 波段受窄帶光纖136限定的光譜的中心附近的光功率，并測量在所述輸 入的光脈沖的峰強度的中心附近的光功率的變化。XPM是指當(dāng)不同波長的光同時沿同一方向傳播時在不同波長的光 中的一種光中發(fā)生的非線性位移。如果對于不同的波長、和M，光強度
為P,和P"則對、的非線性相移由下面的公式(7)表示。 ^L=^^Ln2.(P1 + 2bP2)…(T)公式(7)中右側(cè)的兩個項是由于SPM和XPM。因此，僅由于XPM 引起的非線性相位變化量O^PM由下面的公式(8)表示。*r=^^^n2bP2 …(8)人1 Meff在上面的公式中，b是取決于波長、和A^的偏振狀態(tài)的系數(shù)，在輸 入光沒有發(fā)生偏振的情況下，b的值為b二2/3。圖10示出了傳統(tǒng)的XPM測量系統(tǒng)的一個示例。在這個測量系統(tǒng)中， 從泵浦光源142輸出的經(jīng)根據(jù)從振蕩器141輸出的信號進行了強度調(diào)制 的泵浦光被去偏振器143去偏振，該泵浦光和從探測光源144輸出的探 測光被光耦合器145耦合，以被供應(yīng)到測量對象光纖146，從而探測光通 過XPM進行相位調(diào)制。通過這種相位調(diào)制產(chǎn)生的頻率分量被自延遲外差 接收系統(tǒng)147接收，從而可以獲得探測光的相位移動量。上述的SPM和XPM的每一個都為彈性非線性光學(xué)現(xiàn)象，在這種現(xiàn) 象中，能量不能在電磁場和光纖之間互換。與此相反，受激拉曼散射(SRS) 和受激布里淵散射(SBS)稱作受激的非彈性散射，這是因為當(dāng)電磁場激 發(fā)石英玻璃的振蕩模式時光能移動到光纖介質(zhì)中。SRS和SBS的主要差 別在于光模式下的聲子有助于SRS，而聲模式下的聲子有助于SBS。 SRS 和SBS的每一個都是這樣的現(xiàn)象，在該現(xiàn)象中，當(dāng)高能量的光入射到光 纖上時，在入射光的較長波長(低能量)側(cè)產(chǎn)生不同波長(斯托克斯波) 的光。由于光模式和聲模式之間的差異，在SRS中主要在前進方向上產(chǎn) 生斯托克斯波，而在SBS中僅在向后的方向上產(chǎn)生斯托克斯波。硅基光 纖的拉曼增益譜在大約30THz，非常寬，斯托克斯波的頻率位移量為大 約13THz。與此相反，布里淵增益譜寬度在大約10MHz，非常窄，并且 斯托克斯波的頻率位移量為大于10GHz，小于SRS中的頻率位移量。SRS和SBS的一個共同特征是SRS和SBS示出了它們好像具有閾 值似的性能。即，只有當(dāng)光強超過一定的閾值時，轉(zhuǎn)換成斯托克斯波的
能量才顯著。發(fā)生SRS的閾值Ps^h由下面的公式(9)表示。在上面的公式(9)中，gR為拉曼增益系數(shù)，并且在硅基光纖中，gR 二lX10"m/W。另外，右側(cè)的常數(shù)16是在向前泵浦的情況下的值，并且 在向后泵浦的情況下該值為20?？紤]到13THz的頻率位移，用于獲得 1.55pm波段的斯托克斯波的泵浦波長為1.45jim。假設(shè)例如在1.45pm波 段和在1.55jim波段，光纖長度L二20km， a = 0.2dB/km，根據(jù)上述公式 (4)的關(guān)系，有效光纖長度Ld為Leff=13km。假設(shè)例如，光纖的模場 直徑為MFD-5pm，則有效的光芯橫截面面積Ad為Aeff=20|im2。在這 種情況下發(fā)生SRS的閾值P犯sth在向前泵浦中為240mW，而在向后泵浦 中為300mW，因此，需要非常高的光強。另外，發(fā)生SBS的閾值？犯,由下面的公式(10)表示，與上述的 公式(9)相似。在上面的公式(10)中，右側(cè)的常數(shù)21根據(jù)布里淵增益的線寬度確 定，是近似值。另外，gB是布里淵增益系數(shù)，并且在硅基纖維中該值為 gB三5X10"m/W。 (l/gB)項比SRS的情況下的1/gR項小兩位。當(dāng)有效的 光芯橫截面面積Aeff=20nm2，有效光纖長度Leff=13km時，發(fā)生SBS的 閾值PsB^為0.6mW，從而可以觀察到作為在向后方向上的散射的光的 SBS,并且光強低于SRS中的光強。另外，考慮到光源的線寬度Avs和布里淵增益線寬度Avb，上述的公 式(10)可由下面的公式(11)表示。在上面的公式(11)中，在WDM光傳輸系統(tǒng)中通常用作光源的 DFB-LD中，光源的線寬度厶Vs為幾MHz。另外，在波長為1.55|im的情 況下，布里淵增益線寬度Avb的值為大約lOOMHz。
然而，在上述的非線性光學(xué)特性的傳統(tǒng)測量技術(shù)中，需要圖9或圖10中所示的非常復(fù)雜的測量系統(tǒng)。如果利用圖7中示出的光學(xué)放大器將 這種測量系統(tǒng)合并到WDM光傳輸系統(tǒng)中，以了解在傳輸光纖或色散補 償光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生狀態(tài)，并根據(jù)發(fā)生狀態(tài)，控制光學(xué)放 大器，從而嘗試抑制由于非線性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的光學(xué)S/N比的降低， 這樣導(dǎo)致的問題在于整個系統(tǒng)的構(gòu)造變得復(fù)雜而導(dǎo)致成本上升。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問題，已經(jīng)完成了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供一 種利用簡單的構(gòu)造來精確地測量實際上連接到光學(xué)放大器的輸出端口的 光纖的非線性光學(xué)特性的方法。另外，本發(fā)明還具有的目的在于提供--種光學(xué)放大器和光輸出系統(tǒng)，它們中的每一個均利用非線性光學(xué)特性的 測量方法來控制輸入到光纖的光輸入電平，從而抑制非線性光效應(yīng)的發(fā) 生。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的非線性光學(xué)特性的測量方法，用 于測量實際上連接到光學(xué)放大器的輸出端口的光纖的非線性光學(xué)特性， 該方法包括將輸入光從所述光學(xué)放大器供應(yīng)到所述光纖的一端；對應(yīng) 于所述輸入光測量從所述光纖的所述一端輸入到所述光學(xué)放大器的所述 輸出端口這一相反方向上傳播的光的功率，以判斷是否會發(fā)生受激布里 淵散射；基于所述輸入光的功率和所述判斷結(jié)果，獲得在所述光纖中會 發(fā)生所述受激布里淵散射的所述輸入光功率的閾值；利用所述閾值，獲 得所述輸入光功率和在所述光纖中的與所述受激布里淵散射不同的非線 性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生量之間的關(guān)系。另外，在上述非線性光學(xué)特性的測量方法中，利用所述閾值可獲得 輸入光功率和在所述光纖中的由于自身相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制所導(dǎo)致 的相位變換量之間的關(guān)系，或者可獲得所述泵浦光功率和在所述光纖中 的由于受激拉曼散射引起的拉曼放大增益因素之間的關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器的一方面設(shè)置有輸入端口，向其輸入光 信號；輸出端口，光纖連接到該輸出端口；光學(xué)放大部，設(shè)置在所述輸
入端口和所述輸出端口之間的光通路上；控制部，控制所述光學(xué)放大部。 所述光學(xué)放大器包括測試光供應(yīng)部，將與輸入到所述輸入端口的所述 光信號的波長對應(yīng)的測試光供應(yīng)到光學(xué)放大部；光功率測量部，將由所 述光學(xué)放大部放大的所述測試光從所述輸出端口供應(yīng)到所述光纖的一 端，并對應(yīng)于所述輸入光測量從所述光纖的所述一端輸入到所述光學(xué)放 大器的所述輸出端口這一相反方向上傳播的光的功率，以判斷是否會發(fā) 生受激布里淵散射；計算部，基于所述輸入光功率和所述光功率測量部中的判斷結(jié)果，獲得在所述光纖中會發(fā)生所述受激布里淵散射的所述輸 入光功率的閾值，利用所述閾值，獲得所述輸入光功率與在所述光纖中 的與所述受激布里淵散射不同的非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生量之間的關(guān)系， 其中，所述控制部基于由所述計算部獲得的關(guān)系來控制所述光信號在所 述光學(xué)放大部中的放大操作，以抑制在所述光纖中發(fā)生所述非線性光學(xué)效應(yīng)。在上述的光學(xué)放大器中，來自測試光供應(yīng)部的測試光被光學(xué)放大部 放大以從輸出端口輸入到光纖的一端。在光纖中，如果輸入光的功率增大，則由于受激布里淵散射(SBS)而產(chǎn)生在與輸入光相反的方向上傳播 的光，因此，與輸入到所述光纖的輸入光對應(yīng)地測量從所述光纖的所述 一端輸入到所述光學(xué)放大器的所述輸出端口這一相反的方向上傳播的光 的功率，從而獲得在所述光纖中會發(fā)生所述受激布里淵散射的所述輸入 光功率的閾值。由于將發(fā)生SBS的閾值表示為使用光纖的有效光纖長度Leff和有效光芯橫截面面積Aeff的函數(shù)，所以利用發(fā)生SBS的閾值可以直 接獲得輸入光功率和利用Leff和Aeff作為參數(shù)的其它非線性光學(xué)效應(yīng)之間的關(guān)系，從而將這種關(guān)系反映在光學(xué)放大部的控制上，由此能夠抑制在 光纖中發(fā)生非線性光學(xué)效應(yīng)。根據(jù)如上所述的本發(fā)明的非線性光學(xué)效應(yīng)的測量方法，不同于傳統(tǒng) 的測量方法，不需要非常復(fù)雜測量系統(tǒng)，因此，能夠利用這種簡單的構(gòu) 造精確地測量實際連接到光學(xué)放大器的輸出端口的光纖的非線性光學(xué)特 性。此外，依據(jù)本發(fā)明的光放大器，基于通過上述測量方法的測量結(jié)果， 控制在光學(xué)放大部中光信號的放大操作，因此可以有效地抑制由于非線
性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的光學(xué)S/N比的降低。從下面結(jié)合附圖對實施方式進行的描述中，本發(fā)明的其它目的、特 征和優(yōu)點將會變得清楚。


圖1是示出了利用根據(jù)本發(fā)明的非線性光學(xué)特性的測量方法的光學(xué)放大器的一個實施方式的構(gòu)造的框圖；圖2是示出了由于SPM導(dǎo)致光脈沖中的波長變化的示圖；圖3是用于解釋輸入光功率和有效光纖長度之間的關(guān)系的曲線圖；圖4是示出了在其中測量輸入到DSF的光功率與SBS光功率的關(guān)系的一個示例的曲線圖；圖5是示出了在各種類型的光纖中布里淵增益譜的示例的曲線圖； 圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳輸系統(tǒng)的一種實施方式的構(gòu)造的框圖；圖7是示出了在典型的WDM光傳輸系統(tǒng)中使用的光學(xué)放大器的示 例的示圖；圖8是示出了光輸入功率電平的示例的表格，在該光輸入功率電平 下，在各種類型的光纖中都發(fā)生非線性光學(xué)效應(yīng)；圖9是示出了傳統(tǒng)SPM測量系統(tǒng)的一個示例的示圖； 圖IO是示出傳統(tǒng)XPM測量系統(tǒng)的一個示例的示圖。
具體實施方式
將參照附圖來描述用于實現(xiàn)本發(fā)明的實施方式。在所有附圖中，相 同的標號表示相同或等價的部分。圖1是示出利用根據(jù)本發(fā)明的非線性光學(xué)特性的測量方法的光學(xué)放 大器的一種實施方式的構(gòu)造的框圖。在圖1中，本實施方式的光學(xué)放大器1布置有例如摻雜鉺的光纖 (EDF) 11,摻雜鉺的光纖ll位于輸入端口IN和輸出端口OUT之間的 光通路上，并將從泵浦光源12輸出的泵浦光Lp經(jīng)WDM耦合器13從信
號光輸入端側(cè)供應(yīng)到摻雜鉺的光纖11。供應(yīng)到輸入端口 IN的輸入光L!N經(jīng)光頻隔離器(light isolator) 14A和WDM耦合器13被輸入到摻雜鉺的 光纖ll，并且該輸入光Lw被泵浦光Lp向前泵浦，己經(jīng)通過摻雜鉺的光 纖U傳播并將被放大的光經(jīng)光頻隔離器14B被發(fā)送到輸出端口 OUT。另外，本光學(xué)放大器1還設(shè)置有分光器(BS) 15A，位于輸入端 口 IN和光頻隔離器14A之間；分光器(BS) 15B，位于光頻隔離器14B 和輸出端口 OUT之間。將被輸入到摻雜鉺的光纖11的光的一部分被分 光器(BS) 15A分出作為監(jiān)測光，從摻雜鉺的光纖ll輸出的光的一部分 被分光器(BS) 15B分出作為監(jiān)測光。將分別被分光器15A和15B分出 的輸入的監(jiān)測光和輸出的監(jiān)測光發(fā)送到各自的光檢測器16A和16B，從 而由各自的光檢測器16A和16B檢測其功率，將表示各自的檢測結(jié)果的 信號輸出到控制部17?？刂撇?7基于從各個光檢測器16A和16B輸出 的信號以及計算部25 (將在后面描述)中的計算結(jié)果，來控制泵浦光源 12的驅(qū)動狀態(tài)。另外，本光學(xué)放大器1設(shè)置有光源21、光耦合器22、分光器23、 光檢測器24和計算部25，作為用于測量在連接到輸出端口 OUT的傳輸 路徑光纖2中發(fā)生SBS的閾值的構(gòu)造，從而計算能夠防止在傳輸路徑光 纖2中發(fā)生的非線性光學(xué)效應(yīng)如SPM等的光輸入功率電平。光源21是典型的光源，它能夠產(chǎn)生與輸入光LIN的波段相對應(yīng)的測 試光JLr。根據(jù)從計算部25輸出的信號來控制光源21的開啟和關(guān)閉。將 從光源21輸出的測試光LT經(jīng)布置在輸入端口 IN和分光器15A之間的光 耦合器22供應(yīng)到輸入/輸出端口之間的光通路上，以穿過摻雜鉺的光纖 11，從而調(diào)節(jié)其功率，其后，將其從輸出端口OUT輸出到傳輸路徑光纖 2。在傳輸路徑光纖2中，當(dāng)從光學(xué)放大器1輸出功率超過閾值(將在后 面描述)的測試光LT時，產(chǎn)生SBS光LsBs，并將SBS光LsBs從傳輸路 徑光纖2供應(yīng)到輸出端口 OUT，其中，SBS光LsBs在與測試光k的傳 播方向相反的方向上傳播。位于輸出端口 OUT和分光器15B之間的分光器23提取供應(yīng)到輸出 端口 OUT的SBS光LSBS，以將其發(fā)送到光檢測器24。在光檢測器24中，
檢測SBS光LsBs的能量，并將表示檢測結(jié)果的信號輸出到計算部25。在 計算部25中，根據(jù)從光檢測器24輸出的信號來獲得在傳輸路徑光纖2 中發(fā)生SBS的閾值，并計算能夠防止在傳輸路徑光纖2中發(fā)生非線性光 學(xué)效應(yīng)(如SPM等)的光輸入功率電平，另外，將表示計算結(jié)果的信號 從計算部25輸出到控制部17。這里，將描述在上述的計算部25中的計算過程的原理。 圖2示出了由于SPM而引起的光脈沖的波形變化。光脈沖經(jīng)過所謂 的頻率啁啾(frequency chirping),從而頻率變化隨著光強度變化變大而 增大并且頻率變化隨著傳輸距離變長而增大。具體地如圖2中的右側(cè)所 示，在輸出光脈沖的導(dǎo)向部分(leadingportion),頻率啁啾為負的，即所 謂的紅色位移，而在輸出的光脈沖的尾部，頻率啁啾為正的，即所謂的 藍色位移。由于在光通過光纖傳播的過程中由SPM導(dǎo)致頻率啁啾，所以 在光脈沖的導(dǎo)向部分，光的傳輸速度減小，而在尾部，光的傳輸速度反 向地增大，從而壓縮了光脈沖。在SPM中，相位改變，從而光譜展開， 因此，光輸出特性受SPM與色散的相互作用的影響很大。在SPM中， 相位變化量。亂SPM被表示為利用光波長入、有效的光纖長度Leff、有效的光芯橫截面面積Aeff、非線性折射率I12和輸入光功率P的函數(shù)，如上述的公式(6)所示。作為通常表示非線性光學(xué)效應(yīng)的效率的尺度(scale)，利用輸入光功 率P和有效的光纖長度Leff的乘積。如上述公式(4)所示，有效的光纖 長度Leff是考慮到光纖中的損失的參數(shù)，對于如圖3的左側(cè)所示的傳輸距離和光功率之間的關(guān)系，能夠通過有效的光纖長度Leff來平衡光功率，如圖3的右側(cè)所示。輸入光功率P和有效的光纖長度Leff的上述乘積對應(yīng)于 圖3右側(cè)的陰影部分的面積。另一方面，受激布里淵散射(SBS)是非線性光學(xué)現(xiàn)象，在該現(xiàn)象 中，光在與輸入到光纖維的光相反的方向散射，已知的是，散射的光在 作為閾值的一定的光輸入功率電平處突然增大。例如，圖4示出了在其 中測量輸入到10km的色散位移光纖(DSF)的光功率Pw與產(chǎn)生的SBS 光功率PsBS的關(guān)系的一個示例。在圖4的測量示例中，發(fā)生SBS的閾值
為大約3mW。將上述的發(fā)生SBS的閾值表示為使用有效光纖長度Leff、有效光芯 橫截面面積Aeff、布里淵增益系數(shù)gB、光源的線寬度Avb和布里淵增益線 寬度Avb的函數(shù)，如上面的公式(11)所示。圖5示出了布里淵增益譜 的示例，在圖5中，(a)對應(yīng)于硅基光芯光纖，(b)對應(yīng)于弱包層光纖， (c)對應(yīng)于色散位移光纖(具體請參照R.W.Tkach、 A.R.Chraplyvy和 R.M.Derosier的著作，Electron丄ett.22， 1011 (1986))。如果根據(jù)上面的公式(11)來計算在圖4中示出的DSF的測量示例 中的發(fā)生SBS的閾值，得到的為2.7mW，該值與實驗值精確地一致。同 樣，在上面的計算中，使用的值為Aeff=46.5fim2 (MFD=7.7pm)， Leff 二 7846m (L=10000m， a =5.1 X 10-5/m)， gB = 5 X 10—"m/W， AVb = lOOMHz和Avs=lMHz。如果從上面的公式(6)和(11)中消掉(Aeff/Leff)，則通過下面利 用SBS發(fā)生閾值PSBSth的公式(12)來表示SPM相位改變量4>: SPM<formula>formula see original document page 17</formula> (12)通過基于上面的公式(12)來測量SBS發(fā)生閾值PSBSth，可以計算 SPM相位改變量4)肌spm。另外，如果決定了基本不影響光傳輸性能的 SPM相位改變量的容許值，則也能夠限制輸入到光纖的光的功率P。另外，將由于交叉相位調(diào)制(XPM)引起的相位改變量4^lxpm表示 為利用光波長入^有效光纖長度Leff、有效光芯橫截面面積Aeff、非線性 折射率n2、系數(shù)b和輸入光功率P2的函數(shù)，如上面的公式(8)所示。如 果從上面的公式(8)和(11)中消掉(Aeff/Leff)，則通過下面利用SBS 發(fā)生閾值PsBsth的公式(13)來表示XPM相位改変量4)nlXpm.<formula>formula see original document page 17</formula> (13)
因此，與上面SPM的情況相似，通過基于上面的公式(13)測量 SBS發(fā)生閾值PsBsth，可以計算XPM相位改變量4)肌xpm。另外，如果確 定了基本不影響光傳輸性能的XPM相位改變量的容許值，則也能夠限制輸入到光纖的光的功率P。另外，對于受激拉曼散射(SRS), —般已知假定在光纖的輸入端的泵浦光功率為Po，則用下面的公式(14)表示拉曼放大増益系數(shù)Ga。 < <formula>formula see original document page 18</formula>由于上面的公式(14)中包含(Aeff/Leff)，通過使用上面的公式(ll)，可以下面的利用SBS發(fā)生閾值Psb^的公式(15)來表示拉曼放大增益 系數(shù)Ga。<formula>formula see original document page 18</formula>...(15)同樣，如前所述，SRS發(fā)生閾值PSRSth比SBS發(fā)生閾值PsBsth大兩位， 因此，在光傳輸系統(tǒng)的信號電平中，SRS影響光傳輸性能的可能性相對 低。然而，在應(yīng)用了利用傳輸路徑的分布式拉曼放大的光傳輸系統(tǒng)中， 通過測量SBS光來判斷實際使用的傳輸路徑光纖的參數(shù)(Leff/Aeff)，從 而獲得拉曼放大增益系數(shù)GA和泵浦光功率P。(對應(yīng)于輸入到傳輸路徑光 纖的輸入光功率)之間的關(guān)系是有效的。根據(jù)上面的計算過程的原理，在圖1中示出的光學(xué)放大器1中，通 過在操作開始之前打開光源21，產(chǎn)生用于測量傳輸路徑光纖2中的SBS 發(fā)生閾值的測試光LT。將測試光LT經(jīng)光耦合器22發(fā)送到摻雜鉺的光纖 11中，然后調(diào)節(jié)供應(yīng)到慘雜鉺的光纖11的泵浦光Lp的功率，從而連續(xù) 地改變將從輸出端口 OUT輸出到傳輸路徑光纖2的測試光Lt的功率。 然后，由分光器23和光檢測器24監(jiān)視在傳輸路徑光纖2中與測試光LT 的功率對應(yīng)的SBS光LSBS的產(chǎn)生狀態(tài)，然后將監(jiān)視結(jié)果發(fā)送到計算部25。 需要指出的是，當(dāng)已經(jīng)正常完成SBS光LsBs的監(jiān)視時，停止光源21的 操作。~在計算部25中，基于監(jiān)視出的SBS光LsBs的功率的變化來獲得傳 輸路徑光纖2中的SBS發(fā)生閾值PSBSth，然后利用測量所獲得的閾值PSBSth 和由于SPM等引起的相位改變量的容許值(基本不影響光傳輸性能)， 基于上面的公式(12)等中的關(guān)系來計算輸入到傳輸路徑光纖2的輸入
光功率P的值，即，光學(xué)放大器1的光輸出功率的上限值。另外，將計 算結(jié)果發(fā)送到控制部17，以在操作時反映到光學(xué)放大器1的光輸出功率 電平或增益的控制上。結(jié)果，能夠避免由于SPM等降低光傳輸性能。如上所述，在本光學(xué)放大器l中使用的基于對SBS光的監(jiān)視來測量 非線性光學(xué)特性(如SPM等)的方法與傳統(tǒng)的測量方法相比，并不需要 特別復(fù)雜的測量系統(tǒng)，因此，能夠利用簡單的構(gòu)造精確地測量連接到光 學(xué)放大器1的輸出端口的傳輸路徑光纖2的非線性光學(xué)特性。另外，通 過將測量的結(jié)果反映到光學(xué)放大器1的光輸出功率電平或增益的控制上， 能夠有效地抑制由于非線性光學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的光學(xué)S/N比的降低。接下來，將描述利用如上所述的光學(xué)放大器1的光傳輸系統(tǒng)的實施 方式。圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳輸系統(tǒng)的實施方式的構(gòu)造的框圖。 在圖6中，在本光傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)用圖1中示出的光學(xué)放大器1作 為圖7中示出的典型的WDM光傳輸系統(tǒng)中的后置放大器。然而，這里， 作為用于產(chǎn)生SBS光LSBS的測試光LT，使用從多個電光轉(zhuǎn)換器(E/0) 31輸出的將被波長復(fù)用器32復(fù)用的WDM光Ls，從而可以省略光源21 和光耦合器22。同樣，為了利用從波長復(fù)用器32輸入到光學(xué)放大器1的 輸入端口 IN的WDM光Ls在連接到光學(xué)放大器1的輸出端口 OUT的傳 輸路徑光纖2中產(chǎn)生SBS光LSBS，需要大約幾十mW的功率作為從光學(xué) 放大器1輸出的WDM光Ls的每一波長的功率。通過具有高輸出功率特 性的特征的常見EDFA可以充分地實現(xiàn)這種輸出光功率。在上述構(gòu)造的光傳輸系統(tǒng)中，在系統(tǒng)啟動時啟動各電光轉(zhuǎn)換器31 ， 從各光電轉(zhuǎn)換器31輸出的連續(xù)光或近似圖案的光被波長復(fù)用器32復(fù)用， 從而將WDM光Ls供應(yīng)到光學(xué)放大器1的輸入端口 IN。在光學(xué)放大器1 中，將輸入的WDM光Ls發(fā)送到摻雜鉺的光纖ll，調(diào)整供應(yīng)到摻雜鉺的 光纖11的泵浦光Lp的功率，從而連續(xù)改變從輸出端口 OUT輸出到傳輸 路徑光纖2的WDM光Ls的功率。然后，由分光器23和光檢測器24來 監(jiān)視在傳輸路徑光纖2中與WDM光Ls的功率對應(yīng)的SBS光LSBS的產(chǎn)生 狀態(tài)。將監(jiān)視結(jié)果發(fā)送到計算部25，與上述的相似，得到在輸路徑光纖
2中的SBS發(fā)生閾值PsBsth?；讷@得的閾值計算光學(xué)放大器1的光輸出 功率的上限值，并在系統(tǒng)啟動后的操作時將測試結(jié)果反映在光學(xué)放大器1 的光輸出功率電平或增益的控制上。結(jié)果，能夠避免由于SPM等導(dǎo)致的 光輸出性能的降低。
需要指出的是，在光輸出系統(tǒng)的實施方式中，已經(jīng)示出了在其中將 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器用作傳輸端的后置放大器的構(gòu)造示例。然而， 本發(fā)明不限于此，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)放大器可被用作例如在光中繼器中 的光學(xué)放大器或接收端的前置放大器。
另外，在光學(xué)放大器和光學(xué)傳輸系統(tǒng)的各實施方式中，已經(jīng)描述了
傳輸路徑光纖2連接到光學(xué)放大器1的輸出端口 OUT的情況。然而，例 如，在色散補償光纖被連接到輸出端口的情況下，像圖7中描述的前置 放大器中的前一級光學(xué)放大器121B的情況下也可以獲得相同的功能和 效果。另外，己經(jīng)示出了利用慘雜鉺的光纖的光學(xué)放大器的一個示例。 然而，本發(fā)明對于已知的光學(xué)放大器也是有效的，如摻雜有除了鉺之外 的稀土元素的光學(xué)放大器、半導(dǎo)體光學(xué)放大器和光纖拉曼放大器等。
權(quán)利要求
1、一種用于測量連接到光學(xué)放大器的輸出端口的光纖的非線性光學(xué)特性的方法，該測量方法包括將輸入光從所述光學(xué)放大器供應(yīng)到所述光纖的一端；對應(yīng)于所述輸入光測量從所述光纖的所述一端輸入到所述光學(xué)放大器的所述輸出端口這一相反方向上傳播的光的功率，以判斷是否會發(fā)生受激布里淵散射；基于所述輸入光和所述判斷結(jié)果，獲得在所述光纖中會發(fā)生所述受激布里淵散射的所述輸入光功率的閾值；利用所述閾值，獲得所述輸入光功率和在所述光纖中的與所述受激布里淵散射不同的非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生量之間的關(guān)系。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量所述非線性光學(xué)特性的方法， 其中，利用所述閾值獲得所述輸入光功率和在所述光纖中的由于自身相位調(diào)制引起的相位變換量之間的關(guān)系。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量所述非線性光學(xué)特性的方法， 其中，利用所述閾值獲得所述輸入光功率與在所述光纖中的由于交叉相位調(diào)制引起的相位變換量之間的關(guān)系。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量所述非線性光學(xué)特性的方法， 其中，利用所述閾值獲得所述泵浦光功率與在所述光纖中的由于受激拉曼散射引起的拉曼放大增益系數(shù)之間的關(guān)系。
5、 一種光學(xué)放大器，所述光學(xué)放大器設(shè)置有輸入光信號的輸入端 口；輸出端口，光纖連接到該輸出端口；光學(xué)放大部，設(shè)置在所述輸入 端口和所述輸出端口之間的光通路上；以及控制部，控制所述光學(xué)放大 部，所述光學(xué)放大器包括測試光供應(yīng)部，將與輸入到所述輸入端口的所述光信號的波長對應(yīng) 的測試光供應(yīng)到光學(xué)放大部；光功率測量部，將經(jīng)所述光學(xué)放大部放大的所述測試光從所述輸出 端口供應(yīng)到所述光纖的一端，并對應(yīng)于所述輸入光測量在從所述光纖的 所述一端輸入到所述輸出端口的這一相反方向上傳播的光的功率，以判斷是否會發(fā)生受激布里淵散射；計算部，基于所述輸入光功率和所述光功率測量部中的判斷結(jié)果， 獲得在所述光纖中會發(fā)生所述受激布里淵散射的所述輸入光功率的閾 值，利用所述閾值，獲得所述輸入光功率和在所述光纖中的與所述受激 布里淵散射不同的非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生量之間的關(guān)系，其中，所述控制部基于由所述計算部獲得的關(guān)系來控制所述光信號 在所述光學(xué)放大部中的放大操作，以抑制在所述光纖中發(fā)生所述非線性 光學(xué)效應(yīng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器，其中，所述計算部利用所述閾值和基本上不影響光傳輸性能的由于 自身相位調(diào)制而導(dǎo)致的相位變化量的容許值，計算輸入到所述光纖中的 光功率的上限值；所述控制部控制所述光學(xué)放大部的增益，從而從所述輸出端口輸出 功率等于或小于由所述計算部計算出的所述上限值的所述光信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器，其中，所述計算部利用所述閾值和基本上不影響光傳輸性能的由于 交叉相位調(diào)制而導(dǎo)致的相位變化量的容許值，計算輸入到所述光纖中的 光功率的上限值；所述控制部控制所述光學(xué)放大部的增益，從而從所述輸出端口輸出 功率等于或小于由所述計算部計算出的所述上限值的所述光信號。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器，其中，所述輸出端口連接到傳輸路徑光纖的一端。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器，其中，所述輸出端口連接到色散補償光纖的一端。
10、 一種光傳輸系統(tǒng)，其經(jīng)傳輸路徑光纖發(fā)送/接收光信號，其中，權(quán)利要求5中所述的光學(xué)放大器布置在所述傳輸路徑光纖上。
11、 一種光學(xué)放大器，該光學(xué)放大器設(shè)置有輸入光信號的輸入端 口；輸出端口，光纖連接到該輸出端口；光學(xué)放大部，設(shè)置在所述輸入 端口和所述輸出端口之間的光通路上；控制部，其控制所述光學(xué)放大部， 所述光學(xué)放大器包括光功率測量部，將輸入到所述輸入端口將被所述光學(xué)放大部放大的 光信號作為輸入光從所述輸出端口供應(yīng)到所述光纖的一端，并對應(yīng)于所 述輸入光測量在從所述光纖的所述一端輸入到所述輸出端口這一相反方 向上傳播的光的功率，以判斷是否會發(fā)生受激布里淵散射；計算部，基于所述輸入光功率和所述光功率測量部中的判斷結(jié)果， 獲得在所述光纖中會發(fā)生所述受激布里淵散射的所述輸入光功率的閾 值，利用所述閾值，獲得所述輸入光功率與在所述光纖中的與所述受激 布里淵散射不同的非線性光學(xué)效應(yīng)的發(fā)生量之間的關(guān)系，其中，所述控制部基于由所述計算部獲得的關(guān)系來控制所述光信號 在所述光學(xué)放大部中的放大操作，以抑制在所述光纖中發(fā)生所述非線性 光學(xué)效應(yīng)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的光學(xué)放大器，其中，所述計算部利用所述閾值和基本上不影響光傳輸性能的由于 自身相位調(diào)制而導(dǎo)致的相位變化量的容許值，計算輸入到所述光纖中的光功率的上限值；所述控制部控制所述光學(xué)放大部的增益，從而從所述輸出端口輸出 功率等于或小于由所述計算部計算出的所述上限值的所述光信號。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的光學(xué)放大器，其中，所述計算部利用所述閾值和基本上不影響光傳輸性能的由于 交叉相位調(diào)制而導(dǎo)致的相位變化量的容許值，計算輸入到所述光纖中的 光功率的上限值；所述控制部控制所述光學(xué)放大部的增益，從而從所述輸出端口輸出 功率等于或小于由所述計算部計算出的所述上限值的所述光信號。
14、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的光學(xué)放大器，其中，所述輸出端口連接到傳輸路徑光纖的一端。
15、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的光學(xué)放大器，其中，所述輸出端口連接到色散補償光纖的--端。
16、 一種光傳輸系統(tǒng)，該光傳輸系統(tǒng)經(jīng)傳輸路徑光纖發(fā)送/接收光信號，其中，權(quán)利要求ll中所述的光學(xué)放大器布置在所述傳輸路徑光纖上。
全文摘要
本發(fā)明公開了測量非線性光學(xué)特性的方法、光學(xué)放大器和光傳輸系統(tǒng)。在本發(fā)明的光學(xué)放大器中，將輸入光供應(yīng)到連接到輸出端口的光纖的一端，測量從光纖的一端輸入到輸出端口這一相反方向上傳播的光的功率，從而基于測量結(jié)果獲得光纖中發(fā)生受激布里淵散射(SBS)的閾值。然后，利用SBS閾值，獲得輸入光功率和在光纖中自身相位調(diào)制(SPM)等的發(fā)生量之間的關(guān)系，以反映在光學(xué)放大器的控制上，從而抑制在光纖中發(fā)生SPM等。因此，能夠利用這種簡單的構(gòu)造精確地測量實際連接到光學(xué)放大器的輸出端口的光纖的非線性光學(xué)特性，從而可以有效地抑制由于非線性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的光學(xué)S/N比的降低。
文檔編號H04B10/17GK101106253SQ20071013603
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者宿南宣文, 續(xù)木達也 申請人:富士通株式會社