专利名称：用于孤立子的分布式光纤放大器的制作方法
背景技术：
本发明涉及设计用以传输孤立子信号的分布式光纤放大器。特别地，对分布式光放大器进行优化，以平衡自相位调制和线性色散，并将长的不再生的距离上位速率极高的孤立子-孤立子干扰影响减至最小。
孤立子是一种光脉冲，当其在理想光纤内传播时，其时域或者光谱波长域均不会改变。所谓理想波导指的是波导是无耗的并具有总色散，(也称为群速色散)，它连同孤立子的自相位调制用以维持孤立子的恒定性。非线性自相位调制取决于孤立子的强度。因此，孤立子仅当其强度处于平衡总波导色散和自相位调制所需的值时才是不变的。如果光波导内的传播距离不太长，则当该强度值不同于为恒定性所需的值时，孤立子仍能传送信息。
光放大器引入电信系统已经使孤立子数据传输成为实际可行。在局部化或集中光放大器，即，例如搀铒光纤的长度短于几十米的那些放大器的情况下，放大器之间的间距必须小于孤立子的周期。孤立子的周期由关系式z0＝9.53×10-5×T2/λ2D给出，其中，z0为孤立子周期，T为孤立子脉宽(单位为ps)，λ为孤立子波长(单位为nm)，D为总色散(单位为ps/nm-km)。从该关系式的形式可见，孤立子周期随着孤立子脉宽的减小而减小。这样，对于要求高数据速率的系统，即意味着小的孤立子宽度，光放大器的间距变短。在40Gbps下，光放大器间距必须小于10km，由此给系统带来高的原始成本和重的维护负担。
对该间距问题的潜在的解决方案是提供分布式光纤放大器，其中，搀杂剂，(例如铒)基本上是沿着光纤的整个长度分布的。通过按合适的长度间隔将预选的泵光能量耦合入波导，光纤可以在局部基础上做到无耗，这样，孤立子的强度就不会随着长度而明显地改变。
为了达到利用分布式光放大器实现传输基本上无变化的孤立子的条件，-必须考虑波导中的泵信号的衰减；-沿着光纤的铒的浓度必须选择得较高足以提供无损耗的传输和适当的泵光效率；-沿着光纤的铒的浓度必须低到足以使局部增益保持为低，以提供小的孤立子强度偏移。
1991年2月出版的<光波技术杂志>第9卷第2期上由Simpson等人发表的“分布式搀铒色散位移光纤放大器的性能”一文，以及1993年出版的<日本电子学和电信>第一部分，第75-B-I卷第3期上由Wada等人发表的“分布式搀铒光纤的损耗补偿特性和噪声性能”一文讨论了分布式光放大器的概念。这些出版物的每一篇都强调了使孤立子能量偏差保持得较小的必要性。参见Simpson等人一文第228页，第2列，第2段，“将来的超高比特速率系统将要求…仅有较小信号幅值偏移的透明传输线”，以及第231页概要部分，“制造铒浓度更低、损耗更低的光纤的持续的努力将…改善这些分布式光放大器的性能”。参见Wada等人一文第75页，第2列，第1段，“尤其当N＝1的孤立子传播中，为了沿着传播距离保持脉动形状沿着传播距离，必须将脉冲-能量偏差保持在约20％以下，故要求光学信号传输具有较小的变化值”。Wada等人进一步说明采用双向泵激提供最长补偿长度的优点(见概要部分第75页，第1和第2段)。
与这些出版物不同的是，本发明教导了对于中等长度的系统(例如以下考虑的长度为50km至500km范围的那些例子)的孤立子信号偏差的不同限制。此外，对于这些系统，本发明的教导与有关双向泵激与单向泵激比较拥有好处的文献不同。这种相反的教导起源于对整个中等系统长度内的孤立子-孤立子交互作用的细致评价，中等系统长度可以产生孤立子脉冲和孤立子碰撞的定时起伏，即，把两个相邻的孤立子缩成单个脉冲。
发明概述本发明的第一方面为一种分布式搀铒光放大器，通过规定孤立子脉冲功率偏移在约+3.0dB至+5.2dB的范围，增大了电子信号再生器之间的距离。孤立子功率偏移相对于通称为序号为1(order 1)的基本孤立子功率的参考孤立子功率而测量，此时，自相位调制与上述总色散D平衡。系统工作波长λ位于所谓的异常区域内，其中，λ＞λ0，(λ0为零色散波长)。分布式放大器光纤具有净的正总色散D。总色散D(它在与孤立子周期z0相比较小的长度内可以有提供净的总色散D的负偏移)为正。第08/559,954号美国专利申请披露了具有产生正色散D的纤芯折射率分布的光纤的几个例子。泵光耦合到光纤放大器以激励铒原子至提供对信号功率放大的能态。铒限定在光纤的纤芯区域。
在第一方面的一个实施例中，它实质上沿着光纤纤芯均匀搀铒，浓度在约为20ppb至200ppb范围内，取决于泵光耦合到波导的位置间隔。
分布式放大器光纤经搀杂和泵激提供了在其长度范围内的光纤的光的透明度。即，分布式光放大器的输入端孤立子功率基本上等于放大器光纤的输出端部的孤立子功率。
在本发明的较佳实施例中，与上述引证的出版物的教导不同的是分布式光放大器仅沿一个方向泵激，泵光可以沿着与孤立子信号相同或相反的方向传播。
本发明的第二方面为一种结合新颖分布式光放大器的电信系统。在该电信系统中，泵激装置隔开一段光纤长度，经该长度分布式放大器为孤立子信号提供足够的放大，以达到该长度的光透明度。
一个较佳实施例包括相对于信号沿相同或不同方向的单向泵激。换句话说，泵光可以与放大光纤内的信号光逆向或顺向地传播。
对于各种类型和性能的泵激激光器，泵激装置可以间隔约20km至90km。
典型的孤立子电信系统要求孤立子脉冲在时间上间隔至少5倍于孤立子周期。本发明中，孤立子间隔可以小于该通常的量。这样，在另一个实施例中，孤立子脉冲的时间间隔不大于约5倍的孤立子脉宽。该时间间隔要求足以限制孤立子-孤立子相互作用，或碰撞，以提供极高数据速率的传输。例如，对于200Gbps的数据速率，1ps的孤立子脉宽和不大于约5ps的脉冲间隔是令人满意的。相信具有间隔约50km的泵激装置的系统结构，在长度约为500km的系统内，其比特误差率最高限度约为10-9，在系统长度内约为500km。
电信系统中采用的新颖放大器产生误差的孤立子-孤立子交互作用之间提供了长距离。尤其是，在碰撞或收缩发生之前，由1ps孤立子通过的距离在至少约30km至50km的范围内，并且能大到300km至400km。
附图简述
图1是搀铒光纤的示意性截面图。
图2a是单向泵激时，孤立子最大脉冲强度对距离的曲线图。
图2b是双向泵激时，孤立子最大脉冲强度对距离的曲线图。
图3a是单向泵激时，孤立子最大脉冲强度对距离的曲线图。
图3b表示在波导中的特定距离处，图3a的两个孤立子脉冲组的瞬态变化。
图4a是单向泵激时，孤立子最大脉冲强度对距离的曲线图。
图4b表示在波导中传播90km后图4a的两个孤立子脉冲组随时间的变化。
图5是光纤透明度所需功率对输入信号功率的曲线图。
发明的详细描述以极高数据速率在不能再生的长距离上传输，必须研究独特的策略实现实际的信噪比，并计及总的波导色散D和非线性影响。将孤立子用作信息载体就是这样一种策略。在孤立子脉冲的形成和保持中，由于两种色散的作用被相互抵消，因此孤立子传信是颇具吸引力的。即，总的波导色散D以及非线性的与脉冲强度相关系的自相位调制共同作用形成和保持孤立子的形状。
由于自相位调制的幅值取决于脉冲强度，在保持孤立子完整方面的主要考虑就是当其沿着光纤传播时对孤立子强度的控制。正是以上讨论的这种考虑导致了对分布式光放大器与孤立子传输结合应用的研究。对于约40Gbps以上的极高数据速率的传输，建立的波导透明度(即，保证在所选距离上输入功率等于输出功率)不足以保持孤立子的完整性。所需要的这样一种波导基本上在任何长度上它的局部衰减等于零于是具有光透明度。
此外，在高数据速率的孤立子电信系统中还必须处理另一种机理，即孤立子-孤立子相互作用。光纤中传播的孤立子根据相对相位对相邻的孤立子产生一种吸引力或排斥力。当相邻孤立子之间的间隔足够小时，相互的吸引力可以在孤立子中产生定时的起伏。由于间隔较小时孤立子之间的力随着距离的缩短成指数地增加，因此，孤立子对合并或收缩为单一的高强度脉冲。因此，相互吸引或排斥是电信系统中比特差错的根源，尤其是诸如在高数据速率系统中遭遇到的具有接近的脉冲间隔的那些系统。
本发明已经揭示的是通过引入预选的孤立子强度偏移，可以减小孤立子相互干扰或收缩的敏感度。通过利用具有所选搀杂剂浓度连同所选强度的泵源的分布式光放大器，可以引入这样一种强度偏移。尤其是，工作于1550nm左右表示为ppb Er的铒的搀杂剂浓度，以及组合泵功率(相当于参考功率值产生约3.0dB至5.2dB强度的偏移。同时保持分布式放大器光纤端部至端部的光透明度。该参考功率可以作为在总色散D(群速色散)与自相位调制之间提供平衡的功率。对于其中讨论的直至约500km的系统，这种概念与现有技术教导的不同之处在于，作为信息载体，最好通过仔细限定强度偏移而保持孤立子的整体性，由此使自相位调制恒定。
图1示出分布式光放大器光纤的截面图。纤芯区域4含有如纤芯内部区域6所示的铒或其它搀杂剂。区域6的直径一般小于纤芯4的直径，以增大信号光与搀杂剂原子之间的碰撞截面。层2的折射率低于纤芯区域4的至少一个部分的折射率，以沿着光纤引导光。
图2a表示传播经历强度偏移传播的孤立子模型仿真。所示的每条曲线为分布式放大器波导中孤立子最大强度对传播距离的曲线图。具有1ps宽度和5ps间隔(对应于200Gbps速率)的9个孤立子模拟在光纤内的传播。光纤内的群速色散D设定为2ps/nm-km。泵浦间距为20km，泵激为单向。波导在泵激装置之间的距离内为光学上透明的。在无耗波导中传播的孤立子(其中，无功率偏移)用曲线8画出。10km处的大的强度尖峰为孤立子-孤立子碰撞并标志了系统的有效工作长度。当如曲线9所示引入小的功率偏移时，孤立子碰撞沿着波导在较远处产生。在大于30km的传播距离处，曲线12所示的显著的功率偏移不发生孤立子碰撞。曲线10中最显而易见，周期性脉动是用于功率偏移造成的孤立子宽度波动。注意，在曲线10所示的最大功率偏移处，孤立子开始失去完整性，例如，见传播约25km后的强度尖峰16。在低于曲线12所示的功率偏移处，孤立子碰撞发生在约30km处。这样，最佳功率偏移就位于曲线12与10之间，约为3dB至5.2dB的范围。
作为一个比较例，图2b是除了泵激为双向外，在与图2a所示相同情况下，孤立子脉冲在波导内的传播曲线图。如以前所述，曲线18所示无损耗的情况表示在波导内传播约10km之后的孤立子碰撞。然而，在此例中，由曲线22例示的较高的功率偏移曲线在超出10km的距离处未显示出提高的孤立子完整性。在传播约19km之后，强度曲线开始表明大的振荡。同样，在所示较低的功率偏移处，在约18km之后，由强度尖峰20表示孤立子破裂。比较图2a和2b，清楚可见，单向泵激比双向泵激可在更长长度范围内提供孤立子的完整性。
由于在分布式波导放大器的长度范围内双向泵激允许对增益的更好的控制，因此这一结果是与直觉相反的。对单向泵激情况的增强性能的说明如下。位于波导起始端附近的较高增益绝热地(即缓慢地)压缩孤立子脉冲。即，与强度有关的自相位调制在波导的起始端附近为较大。未被线性(群速)色散D平衡的自相位调制的部分使孤立子脉冲的时间宽度狭窄。其结果是孤立子在分布式波导放大器的起始端间隔更宽，这样就不会强烈地相互作用。孤立子-孤立子相互作用引起的定时起伏较小，由于时间上脉冲间隔较宽，因此碰撞不会发生。尽管相信这种说明是正确的，但本发明并不局限于此说明，而且不取决于其正确性。
图4a示出了第二种仿真。除了总的波导色散D取作0.67ps/nm-km外，该模型中采用的参数与前面例子中的参数相同。在无耗情况下，孤立子碰撞发生在大约30km处，如强度尖峰38所示。曲线42示出孤立子的较低的功率偏移。如前所述，孤立子最大强度表示在距离内所期望的振荡。孤立子的完整性保持到在波导中约80km的传播。在85km至100km处可见的强度尖峰为强的孤立子-孤立子相互作用。曲线42的强度尖峰46为孤立子-孤立子碰撞。
曲线40画出了孤立子较高功率偏移的最大脉冲强度对距离的关系。如所期望的，因改变孤立子强度而产生的振动大于曲线42的。然而，在100km的波导内的传播距离处未产生孤立子-孤立子碰撞。这里，增大无碰撞传播距离的孤立子振荡的最好的折衷再次发生在曲线40与42之间功率偏移处。图4b中可以更清楚地看出这种情况，其中画出了孤立子脉冲强度在波导中传播90km距离对时间的关系。
在大约5.2dB的功率偏移，曲线48示出保持其时间间隔并经历振荡的原始的9个孤立子脉冲，期望能产生可接受的信噪比。
尽管曲线50中的振动较小，由于功率偏移仅为3dB，强烈的孤立子-孤立子交互作用已经显著地改变了时间间隔，如在时间位置52处所见的那样。这样，较高的功率偏移可以在更大的波导长度范围提供无差错孤立子信号的传输。
第三个例子用以表明孤立子功率偏移与泵浦间距和孤立子脉冲宽度的交互作用。图3a中，孤立子脉宽为2ps，泵浦间距为50km。波导的总色散D设置在0.67ps/nm-km。强度尖峰28表明无耗情况在大约120km处经历孤立子-孤立子碰撞。最大脉冲强度对孤立子传播距离曲线26和24再次表明对于较大功率偏移24的情况出现较大的振荡。曲线24处的侧面构造开始使大约180km传播距离处的孤立子的时间间隔畸变。在较低功率偏移曲线26中出现的结构，在传播距离超过250km之前未开始引入数据错误。这样，对于较宽的孤立子脉冲和较宽的泵浦间距，较低的功率偏移提供较长距离的无错传输。
图3b示出沿着波导的所选距离处的孤立子脉冲的时间进展。对每个功率偏移，初始脉冲间隔显示为一串孤立子脉冲33，脉冲33用于较低偏移，脉冲36用于较高偏移。注意，脉冲串34中，200km处5.2dB的功率偏移产生的定时误差。反之，在传播距离不大于400km的3dB的功率偏移的情况下，误差就不会发生，如脉冲串35和31所示。
图5表示达到波导透明度所需的每千米功率对输入信号功率的关系。其中，曲线54与49km的波导长度有关，曲线56与55km的波导长度有关，曲线58与50km的波导长度有关，曲线60与154km的光纤长度有关。曲线图表示即使孤立子输入能量通常为0dBm以上(该处，曲线是非常陡峭的)，为典型孤立子系统的操作区域所需的泵能量也是可以达到的。例如，工作于约5dB输入信号功率、Er+3的浓度为20至200ppb范围的154km的线路需要大约60mW的总的泵功率，此属于本技术的能力范围内。
这样，本发明提供一种用于孤立子传输的分布式光放大器，通过在孤立子强度中引入最佳偏移而减小孤立子-孤立子交互作用。发现一种较佳的工作模式，其中，对脉冲强度振荡和孤立子-孤立子交互作用两者保持着控制。
尽管以上已经披露和描述了本发明的特定实施例，然本发明只是由所附的权利要求书所限定。
权利要求
1.一种掺铒光纤放大器，包括光纤，它具有一个长度，一个净的正的总色散D，以及与周围包层接触的纤芯区域，所述纤芯区域包含铒，它具有基态并沿着所述光纤的长度分布；提供泵光的光泵激装置，激励铒至所述基态之上的一个能态；以及将泵光和孤立子脉冲注入所述光纤的耦合装置；其特征在于，所述分布光纤放大器相对于具有序号为1的参考基本孤立子功率，在约+3.0dB至+5.2dB归一化单位的范围内对每个孤立子的功率最大值产生一个偏移，这样，使自相位调制与群速色散D相平衡。
2.如权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，所述铒基本上沿着所述光纤均匀分布，Er+3的浓度为约20ppb至200ppb的范围。
3.如权利要求2所述的光纤放大器，其特征在于，泵光具有一个选出的功率值，以提供所述光纤长度的光透明度。
4.如权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于泵光在所述光纤内单向传播。
5.一种光波导电信系统，包括至少一个掺铒光纤，所述铒具有一种基态能级，所述光纤具有一个长度，一个净的正的总色散D，以及与周围包层接触的纤芯区域，所述纤芯区域包含铒，它沿着所述光纤的长度分布；具有预选输入能量的光泵激装置，它耦合到所述掺铒光纤，激励铒至所述基态之上的一个能态；以及产生多个孤立子以在所述掺铒光纤内传播的装置；其特征在于，相对具有序号1的参考基本孤立子能量，每个孤立子的功率最大值的偏移在约+3.0dB至+5.2dB的归一化单位范围内，这样，自相位调制与群速色散D相平衡。
6.如权利要求5所述的光波导电信系统，其特征在于，所述光泵激装置沿光纤的长度隔开，且所述光泵激装置的预选功率在相邻的泵激装置之间提供该波导长度的光透明度。
7.如权利要求6所述的光波导电信系统，其特征在于来自所述泵激装置的光在所述光纤内单向传播。
8.如权利要求7所述的光波导电信系统，其特征在于，所述光泵激装置之间的间隔在约20km至90km的范围。
9.如权利要求5所述的光波导电信系统，其特征在于所述孤立子脉冲在时间上具有的间隔不大于5倍孤立子的时间宽度。
10.如权利要求9所述的光波导电信系统，其特征在于所述孤立子时间宽度约为1ps。
11.如权利要求10所述的光波导电信系统，其特征在于对于间隔90km的泵激装置，误码率不大于约10-9。
12.如权利要求9所述的光波导电信系统，其特征在于，在孤立子-孤立子交互作用引起传输差错率大于约10-9之前，由孤立子通过的系统长度在大约30km至500km的范围中。
全文摘要
一种与弧立子传输一起使用的分布式光放大器,通过在弧立子强度中引入最佳偏移而减小了弧立子—弧立子交互作用。发现一种最佳工作模式,其中,考虑了脉冲强度振荡和弧立子—弧立子交互作用。
文档编号H04B10/29GK1241330SQ97180844
公开日2000年1月12日 申请日期1997年11月21日 优先权日1997年11月21日
发明者A·F·埃文斯 申请人:康宁股份有限公司