CN1299540A - 具有分布式放大的色散控制光学波导和*** - Google Patents

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Abstract

揭示一种具有分布式放大的幺正色散控制波导纤维和装有该波导纤维的***。在传输波长范围上沿波导的长度方向波导纤维的总色散从正变为负。分布式放大是通过稀释浓度的稀土掺杂离子在波导中的受激辐射,或者通过喇曼效应,或者通过二者提供的。

Description

具有分布式放大的色散控制光学波导和***
本申请主张1998年5月1日提交的60/083,980美国临时申请的优先权。
发明领域
本发明涉及利用光学波导的信息传输，更具体地，本发明涉及具有分布式放大的色散控制光学波导纤维和利用该波导纤维的***的设计。
发明背景
具有长非转发距离和高平均功率的多京比特、多波长通信***的推出已经导致对能够使信号劣化减至最小的纤维设计的探索。在这种***中纤维的损耗通常在约0.22至0.30dB/km的范围。为了增大带宽，不得不重新设计纤维，以降低许多非线性和偏振效应，在高比特率和大功率下这变得越来越重要。
波分复用通过在单个纤维上复用几个信道，每个信道在不同波长上工作，而增大在光学波导纤维上的数据传输率。四波混合是波分复用(WDM)***中信道之间非线性相互作用，四波混合严重地影响着纤维的***设计和操作特性。人们所关心的是能够基本上消除四波混合的波导设计。为了基本上消除四波混合，波导纤维应当不在其零总色散附近工作，因为当总色散的绝对幅度低，即小于0.5ps/nm-km时会发生显著的四波混合。另一方面，由于非零总色散，波长远离波导零总色散的信号被劣化。正如这里使用的，术语总色散意指材料色散和波导色散之和。
为克服这一进退两难局面而提出的一种策略是在现有单模纤维***中加入适当放置的色散补偿波导纤维长度，其中一些在工作波长范围上具有正总色散，一些具有负总色散。如果对于所有光缆段的色散的长度加权平均接近于零，那么再生器间隔和***长度能够是大的。然而，信号基本上避免通过色散接近于零的波导长度，所以大大减小了四波混合。
这一策略(它采用离散的各个长度的色散补偿纤维)的问题是，再生器之间的每个链路必须定制，以给出所需的色散长度加权平均。从光缆厂到安装地维持光缆色散一致是一项不希望有的附加任务以及误差的来源。此外，不仅需要提供适当的色散，而且需要提供适当长度的具有色散的光缆，增加制造的难度以及导致***成本的增加。当考虑到替换光缆可能需要随机长度和色散会出现另一个问题。另外，对带宽的稳定增加要求最终将约束色散补偿标准纤维***的能力。
授予Fangmann等人的美国专利5,611,016揭示了具有一个或多个光纤的色散平衡光缆，该光缆包括在传输波长上具有正色散的第一光纤和具有负色散的第二光纤。然而，这一方法都存在上述的对于把色散补偿纤维***到标准单模***中一些同样问题。此外，美国专利5,611,016中的方法需要把分别的正色散纤维与负色散纤维绞接在一起，引出绞接损失。
1996年1月11日提交的美国专利申请08/584,868(作为美国专利XX颁布)建议通过使得各个纤维为一个自含色散控制***而克服这些问题，该专利申请的整个内容引作参考。总色散的规定(即预选)长度加权平均(即总色散乘积)设计到每个波导纤维中。因此，光缆波导纤维全部具有基本相同色散乘积特性，不需要把特定一组光缆指定给***的特定部分。
在多波长WDM***的不归零(NRZ)***中以及高比特率多波长孤立子***中可以使用这些色散控制纤维。在色散平坦化纤维中孤立子传输在授予Evans等人的美国专利5,579,428中作了描述，该专利的内容引作参考。然而，这种孤立子***带来对纤维和***的附加要求。例如，对于具有离散的集总放大器的高比特率孤立子***，放大器间隔变得太小而不实际。
在标准单模纤维***中已经考虑分布纤维放大器来解决与集总放大器间隔有关的上述问题，以及还改善光波传输***中的信噪比。分布纤维放大器通过受激喇曼散射或者通过诸如Er3+的纤维掺杂物提供增益。美国专利5,058,974揭示一种分布式放大方案，其中在长光纤长度的纤芯区中基本上含有稀释浓度的稀土掺杂物，位于掺杂纤维一端或两端的相应泵信号发生器具有适当波长和功率，通过喇曼效应和来自稀土掺杂物的受激辐射二者引起光学信号的放大。美国专利5,058,974中所揭示的纤维的一个缺点是，在纤维的纤芯中引入掺杂物要求掺杂物浓度低，这可能难以控制。掺铒的分布式放大器和制造这种放大器的方法在B.James Ainslie，“光学放大器的掺铒纤维的制备和特性的概述”，光波技术杂志，Vol.9,No.2,199年2月的文献中作了描述。
然而，标准单模纤维中分布式放大的一个缺点是，需要在约1530-1550nm范围上为零或接近零色散而最佳化的单个折射率分布。由于这种设计的模场直径和有效面积较小，靠近纤维中心的掺杂物浓度非常低，约在百万分之几通常是较佳的。这么低的掺杂浓度是难以控制的。此外，为了增益平坦化将铝增加到这种设计的中心会带来高损失。
存在对作为自含色散控制***而设计的幺正波导纤维和***的独特需要，该***加入分布式放大。色散控制纤维是利用稀土掺杂物的分布式放大的优良主纤维，因为这种纤维(它通常包括具有几个环形芯区的分段纤芯设计)提供不同径向位置放置掺杂物。这种纤维和***不仅补偿诸如四波混合的色散和非线性效应，而且通过内建放大还补偿损失和改善传输。这种纤维和***满足在新纤维***上更大信息携载量的要求。
发明内容
本发明通过提供幺正色散控制光学波导纤维，较佳地为单模纤维而解决上述的问题，这是为分布式放大设计的。波导纤维包括具有折射率分布的纤芯玻璃区，周围环绕折射率nc小于纤芯玻璃区中至少一部分折射率分布的包层玻璃。本发明的单模波导纤维具有总色散，在传输(工作)波长范围上它沿所述波导长度在符号上从正变到负和从负变到正。工作波长范围较佳地大于4nm，更好地大于l0nm，最好地大于20nm。在一个实施例中，在正色散亚长度和负色散亚长度中的色散平均绝对幅度大于0.5ps/nm-km。将会理解，本发明的波导纤维是包括正色散段和负色散段的幺正纤维，在正与负色散段之间没有绞接器或连接器。感兴趣的特定工作波长范围包括铒放大窗口，它从约1530nm到约1620nm。扩展的工作波长范围包括约1285nm到约1620nm，这里能够利用其它放大，如喇曼放大。
在一个具体实施例中，波导纤维是由亚长度li和lj，任选地由亚长度lt组成，所有li、所有lj和所有任选lt亚长度之和等于波导纤维长度。亚长度li由段dli组成，每个dli具有总色散Di，它位于预选符号的第一范围值中，亚长度li的色散乘积是由乘积Di*dli之和表征的。亚长度lj由段dlj组成，每个dli具有总色散Dj，它位于其符号与Di符号相反的第二范围值中，亚长度lj的色散乘积是由乘积Dj*dlj之和表征的。因此，如果亚长度li的色散乘积是正的，那么亚长度lj的色散乘积则是负的。
任选亚长度lt是过渡亚长度，在其上总色散从第一色散值范围中的一个值变为第二色散值范围中的一个值，例如，从正变到负或从负变到正。将会理解，过渡亚长度lt可以小于约0.1km，可以简单地包括亚长度li与亚长度lj之间的区域，在其上总色散从正变为负。另一方面，过渡亚长度lt可以是具体置于li与lj之间的一段纤维，以提供更长的区域，在其上总色散从正变为负。根据本发明，在预定波长范围R上，所有乘积dli*Di和dlj*Dj的代数和的绝对值大于预选值。亚长度li、lj和lt中至少有一个包含稀释浓度的稀土掺杂离子，通过受激辐射或者针对有效分布喇曼放大而最佳化的这些亚长度中的至少一个足以提供分布式放大。另外，纤维长度可以包括一些含有稀释浓度的稀土掺杂物的亚长度和一些为分布喇曼放大最佳化的亚长度。在通过稀土掺杂提供放大的实施例中，稀土掺杂物的至少约50ppm的浓度才足以提供放大。
正如这里采用的，为分布式放大***而设计的纤维是指或是通过喇曼效应或是通过稀土掺杂物的受激辐射提供对发射信号的放大而设计的纤维。根据本发明，在为分布式放大***而设计的幺正纤维中，纤维中的所有亚长度不需要为放大而设计。而是，可以设计正色散亚长度、负色散亚长度、过渡亚长度、或者这些亚长度的组合，以提供对传输信号的放大。
根据本发明的一个实施例，稀土掺杂离子包括铒。根据另一实施例，所示掺杂离子的浓度在所述波导纤维的长度上基本上均匀的。在本发明的另一方面中，亚长度li、lj和lt中只有一个包含所述稀土掺杂离子。在又一个方面中，亚长度li的折射率分布不同于亚长度lj的折射率分布，掺杂离子在亚长度li中的径向位置不同于掺杂离子在亚长度lj中的径向位置。
根据另一实施例，本发明的色散控制纤维可以为在利用孤立子信号脉冲的电信***中使用而设计。在纤维是为传输孤立子脉冲而设计的一个实施例中，掺杂离子的刺激引起对所述信号脉冲的放大，以致于控制所述信号脉冲的峰值强度，减弱或增强脉冲宽度的振荡。
本发明还包括在第一波长上发送第一光波信号的光学***，该***包括本发明的色散控制纤维和在第二波长上的第一泵源，用于刺激掺杂离子在第一波长上的辐射。在这个实施例中，第一泵源与所述光学波导纤维光学耦合。在另一个实施例中，***包括在第三波长上的第二泵源，用于刺激喇曼散射，第二泵源与所述光学波导纤维光学耦合。通过提供稀土放大和喇曼放大的组合，***提供放大的扩展波长范围。在另一个***实施例中，色散控制纤维并不包含稀释浓度的稀土掺杂离子，仅由喇曼效应提供分布式放大。
从上述概要内容将明白几个重要优点。本发明的一个优点在于，对于具有分布式放大的色散控制纤维，在相同纤维长度内可以利用具有不同折射率分布的不同波导设计，允许在使放大最佳化中增加自由度。例如，能够在一端或两端中以及在纤维内不同径向位置上进行稀土掺杂。一些纤维设计则可能包括具有大有效面积的折射率分布，较佳地大于约50平方微米。诸如增益平坦化的放大参数的最佳化采用大有效面积设计易于实现，因为从纤维的中心线起向外可以施放铝，可能降低损失。此外，由于从纤维的中心线起向外可以进行稀土掺杂，可以采用更高的掺杂物浓度，这将易于控制。正如这里所使用的，术语纤维的“有效面积”是由方程式确定的： A eff = 2 π ( ∫ E 2 rdr ) 2 / ( ∫ E 4 rdr ) , 这里积分极限为0到∞，r是发光区的半径，E是与传播光相关的电场。大的有效面积纤维设计和方法在美国专利5,684,909和5,715,346中作了揭示，这两项专利引作参考。通常，这种纤维包括玻璃纤芯，它包括多个段，每个段由折射率分布、外径和Δ％来表征，其中Δ％是百分比折射率变化，它等于[(n1 2-nc 2)/2n1 2]×100，这里n1是纤芯折射率，nc是包层折射率。
本发明的附加特征和优点将在接下来的描述中给出。应当理解，以上的一般描和以下的详细描述是示例和示范性的，希望如权利要求书所述提供对本发明的进一步解释。
包含附图以提供对本发明的进一步理解，与以下的说明结合在一起以提供本发明的特定说明性实施例。在附图中，在整个几幅图中相似的参考符号表示相似的元件。
                         附图简述
图1是说明沿色散控制波导纤维长度的交替正色散和负色散的图。
图2是按照本发明的波导纤维一个周期的简化示意图。
图2a和2b示出图2中所示纤维的亚长度的％Δ与半径的图。
图3a和3b分别示出色散与纤维长度以及色散斜率与纤维长度的图。
图4a和4b是利用本发明波导纤维的示例***的示意图。
图5a和5b分别是在色散控制波导纤维中发送的孤立子信号的峰值脉冲功率与长度以及脉冲宽度与长度的图。
                          详细描述
现在将对本发明的较佳实施例详细地作出参考，该实施例的例子示于附图中。本发明组合了色散控制纤维的好处和单个纤维中分布式放大的好处。这种纤维的优点包括降低由单个波长上高色散造成的以及利用正和负色散部分的内在色散补偿的四波混合，任意改变色散斜率，而没有任何损失或偏振模式色散。色散控制纤维段较佳地还包括内在的大有效面积，以进一步降低四波混合和其它非线性效应。将分布式放大增加到本发明的色散控制纤维中提供了内建放大的附加特征。
本发明是指或是通过利用稀释浓度的稀土掺杂物或是为有效分布喇曼放大最佳化的部分在信号传输***中提供分布式放大而设计的波导纤维，其中在波导纤维长度上控制以ps/km表示的总色散乘积。稀释浓度能够象约50ppm至100ppm那么低，但是通过***模型化能够确定合适的浓度。本发明还包括含有波导纤维的***，其中分布式放大或是通过掺杂物的受激辐射、喇曼效应或是二者的组合而提供。具有诸如铒的稀土掺杂物的掺杂色散控制纤维给在色散控制纤维的交替变化部分中放置不同浓度的掺杂物提供了灵活性。利用色散控制纤维作为放大掺杂物的主体提供了对标准单模纤维的附加自由度，使放大最佳化。
控制每个纤维中的色散消除了需要选择一组波导，当采用离散的一段段色散漂移纤维时，当它们接合在一起形成***中一链路时产生基本为零色散。由于在各个波导纤维中控制总色散乘积，为形成一个***而安装的光缆在性能上基本上相同的，因此可互换。此外，通过独立地设定掺杂物转化水平、掺杂物浓度以及在波导纤维的每个亚长度中的增益能够使放大最佳化。
图1示出以ps/nm-km表示的对本发明波导纤维示范实施例的波导长度的色散图。图中示出的总色散在正值2与负值4之间交替变化。尽管图1示出显示为负色散的多个亚长度和显示为正色散的多个亚长度，但是只需要一个负色散亚长度和一个正色散亚长度。由线段6表示的总色散值的扩散说明总色散随传播光的波长而变化。将会明白，由于本发明的纤维的工作波长范围可以在约1285纳米与1620纳米之间变化，色散将根据发送光的特定波长而变化。扩散6的水平线代表特定光波长的总色散。通常，由特定总色散表征的波导8的长度大于约0.1km。对长度8基本上没有上限，除非可以从以下讨论的***考虑依据以及从长度乘以相应总色散的积的和等于预选值的要求推断。
因此，根据本发明的第一方面，波导纤维的色散在工作波长范围上沿波导长度在一个正值范围与一个负值范围之间变化。表示为特定长度(l)的ps/nm的色散乘积是以ps/nm-km表示的色散(D)乘以以km表示的长度(l)的乘积。正的ps/nm数将抵消相等的负ps/nm数。通常，与长度li相关的色散可以沿li从一个点变化到另一个点。即，色散Di位于色散预定范围内，但是沿li从一个点变化到另一个点。为了表示li对色散乘积(以ps/nm表示)的贡献，li由段dli组成，在其上相关的总色散Di基本上常数。每个dli乘以其相关Di的乘积之和表征为li的色散乘积贡献。
Di和Dj的绝对值维持高于0.5ps/nm-km，以基本上阻止四波混合。此外，给定总色散在其上继续存在的长度最好大于约0.1km。
现在参考图2，每个控制色散的波导纤维包括周期10。正如这里使用的，周期定义为总色散在第一范围内的第一长度12，加上色散在第二范围内的第二长度14，这里第一和第二范围具有相反的符号，加上任选长度13，在其上色散在第一与第二范围之间过渡。当然，将会明白，这一任选过渡长度13可以是置于第一长度12与第二长度14之间的一个单独长度。另外，过渡长度13可以由一个短区域组成，在其上色散的符号在长度12与14之间从正变到负，则包括第一长度12的结尾部分(end portion)和第二长度14的开头部分(beginning portion)。这三个长度最好是相邻的。然而，为了便于处理控制，通常将三个长度排列为第一长度12，相邻过渡长度13，随后是第二长度14，与过渡长度相邻是较佳的。为了避免四波混合和在过渡长度13上任何相关功率损失，保持部分过渡长度13(其相关总色散小于0.5ps/nm-km)尽可能短是有利的，较佳地每次过渡小于约500米，以及较佳地不大于周期的10％。
将会明白，周期的长度是由诸如比特率、转发器跨度和可安装光缆长度以及是否使用纤维作孤立子传输或NRZ***等因素确定的。在任何情况中，周期长度可以通过模型化或计算确定。例如，在10G比特/秒***中，周期的长度可以高达约100km。在100G比特/秒孤立子***中，周期的长度最好小于约10km，例如0.5至2km。
Berkey等人的继续专利申请08/584,868(作为美国专利XX颁布)以及题目为“制造光纤的方法”的专利专利申请XX(同时提交)揭示和描述了色散控制波导纤维和制造波导纤维的方法，这两项专利申请的说明书在本申请中均引作参考。可以利用这些方法来制造本发明的纤维。本领域专业技术人员将会明白，可以提供几种不同方法来制造这一新颖的色散补偿波导。这些不同方法包括但是并不限于外侧汽相淀积、改进的化学汽相淀积、轴向汽相淀积和溶胶凝胶处理。
通过几种方法中的一种能够改变波导的色散，包括改变波导几何尺寸、波导折射率、波导折射率分布或波导组分等。例如，通过本领域专业技术人员所熟知的任何一种工艺方法制造的纤芯预制件可以被处理成具有直径减小的部分。通过例如加热和拉伸预制件的一个或多个部分或者通过诸如研磨和抛光的机械技术、诸如酸蚀刻和抛光的化学技术或者诸如激光烧蚀的能量轰击技术去除预制件的环形区域，能够形成直径减小的部分。然后用诸如烟灰淀积的方法或者利用外包层管外包所产生的纤芯预制件，形成具有均匀的、基本为圆柱形外表面的坯料或预制件，能够将其抽拉成波导纤维。
在一个实施例中，从根据一种上述技术产生的抽拉坯料或预制件拉制出的波导纤维，其纤芯半径在长度上是减小的，对应于纤芯预制件中减小的半径长度。纤芯直径减小约5％至25％足以产生所需的正到负的色散变化。仅仅在总色散的绝对值约为20ps/nm-km的情况中才需要减小25％。对于大多数应用，约5％至10％的半径变化范围通常就足够了。
纤芯直径变化也可以通过减少具有基本均匀直径纤芯部分的抽拉预制件或坯料的直径段，然后将预制件拉制成具有均匀外径的波导纤维而获得。波导纤芯将具有一段段减小的直径，对应于直径没有被减小的抽拉预制件段。
改变波导的色散的另一些方法包括，通过用诸如紫外光的电磁光谱中的辐射辐照纤维或者用亚原子粒子轰击波导而改变纤维芯沿波导长度的折射率分布。折射率差大于约1×10-3是较佳的。
变化的折射率产生变化的总色散，它允许控制乘积Di*dli和Dj*dlj之和。Di是总色散，对应于纤维第一亚长度中的第一折射率范围，Dj是总色散，对应于纤维第二亚长度内第一折射率变化。Di和Dj具有相反的代数符号。
制造本发明的色散控制波导纤维的其它较佳方法在Berkey于1997年4月23日提交的题目为“制造光纤的方法”的美国专利申请08/844,997中作了揭示，该专利申请的内容引作参考。Berkey的专利申请揭示了将包层玻璃涂层淀积在玻璃管的外表面上以及将多个小片(tablet)放入包层玻璃管中，其中玻璃管中至少一个小片的至少一个光学特性不同于相邻的小片。将含有小片的玻璃管加热到低于管中粒子的烧结温度的温度，诸如氯的气体通过玻璃管流动，将玻璃管加热使粒子烧结并产生径向向内定向力，它引起玻璃管破裂和使小片熔合。玻璃管还沿长度方向收缩和迫使相邻小片彼此熔合在一起。用这种方法制造的单模色散控制的纤维的衰减通常小于0.35dB/km，较佳地约为0.21dB/km甚至更小。这一方法是较佳的，因为小片可以被分别地掺入，在提供放大掺杂物选择性、掺杂物沿纤维长度的浓度和掺杂物的径向位置方面具有灵活性。这一方法在纤维的正色散亚长度和负色散亚长度具有不同折射率分布和不同有效面积的实施例中也是较佳的。例如，正色散亚长度中的一个可以具有不同于负色散亚长度的纤芯段数目。因此，小片方法提供一种改变亚长度的纤芯的特性的极其灵活方法。
多种多样折射率分布中的任何一种能够提供调节波导色散以及由此改变沿纤维长度的总色散的所需灵活性。这种方法在美国专利4,715,679、5,483,612、5,613,027、5,684,909和5,715,346中作了揭示，其内容全都引作参考。
提供本发明波导所需特性的一组示例的折射率分布是具有芯区的这些波导，它包括中心部分具有一种折射率分布而环绕中心部分的至少一个环形部分具有不同的折射率分布。环形部分被包层环绕。具有这种类型分布的光学纤维称为分段化芯纤维。中心部分可以具有α分布，即由方程式描述的一种分布，n(r)=n0[1-Δ(r/a)α]，这里n是折射率，n0是最大折射率，r是半径变量，a是纤芯半径，Δ是折射率，而α是大于零的数。项Δ定义为(n1 2-n2 2)/2n1 2，这里n1是芯区的最大折射率，而n2是包层玻璃层的折射率。
可以利用的几种分布示于美国专利5,623,027的图1、图2a-2e和图3中。这种分布通常表征为具有中心芯区，被一个或多个环形区环绕，每个环形区或是具有恒定的折射率或是具有变化的折射率分布。根据特定一组色散和波导的其它光学特性，周围环形区域可以具有或是低于或是高于下一内部相邻芯区的折射率。将会明白，本发明不限于一种特定折射率分布和一组分布。
将会理解，不同的折射率分布是在本发明的范围之内。例如，为了简单和便于制造起见，本发明的色散控制纤维可以具有折射率分布，它包括基本恒定的中心区，其折射率基本等于包层折射率，以及相邻的环形折射率部分是约整阶跃折射率。另一些分布包括这些，其中芯折射率的分布低于包层折射率。
在一个实施例中，预定***的工作范围约为1285至1620纳米，既提供喇曼放大又提供铒放大。喇曼放大的波长当然将取决于抽运激光器的波长和制备光纤的材料的喇曼漂移。其它的较佳工作范围约为1525至1620纳米。在波导纤维的任何一个亚长度中色散的绝对幅度最好大于0.5ps/km-nm。在这种***中，通信信号基本上总是在传输波长范围上在非零色散的波导纤维中传播，或是在正值或是在负值上，由此基本上阻止四波混合。然而，整个***总色散可以基本维持为零，以致于很少或者没有发生由总色散造成的信号劣化。在一个实施例中，传输波长范围较佳地超过4纳米，在另一个实施例中，传输波长范围更好地是超过10纳米，最好是超过20纳米。
现在参考图3a和3b，在另一个示例实施例，波导纤维的交变亚长度之间的色散不仅在工作波长范围上在正值与负值之间交替变化，而且色散斜率的符号在交替变化部分之间也变化。在图3a中，y轴对应于色散，x轴对应于纤维长度。在图3b中，y轴对应于色散斜率，x轴对应于纤维长度。较佳地，正如图3b所示，对于波分复用***中的最佳性能，斜率的符号应当对应于色散的符号，这将提供更宽的***工作波长范围。正如这里使用的，色散斜率是色散对波长曲线的斜率，表示为ps/nm-km2。在另一个较佳实施例中，在正色散部分中色散对色散斜率的比率约等于在负色散部分中色散对色散斜率的比率以在宽的波长范围内平衡色散。这一特征对于孤立子传输中所使用的纤维而言是尤其有利的。
在本发明的一个实施例中，分布式放大可通过包含诸如稀释浓度的Er3+的稀土掺杂物以及刺激从掺杂物的辐射在色散控制纤维中提供。分布式放大可由受激喇曼散射提供，其中不需要掺杂物提供放大，而是纤维是为有效的分布喇曼放大而设计的。另外，喇曼放大和来自稀土掺杂物的受激辐射的组合可提供分布式放大。
稀释浓度的稀土掺杂物可以置于波导纤维的一个或两个交替部分中，或者位于纤维内交替亚长度的不同径向位置上。另外，在具有较大有效面积设计的纤芯具有几个环形部分的色散控制纤维中，利用氧化铝共同掺杂的诸如增益平坦化的放大参数的最佳化更易于实现。这种纤维的较大有效面积设计给远离纤维中心线放置氧化铝提供灵活性，这有可能减少损失。另外，由于稀土掺杂物可以远离纤维的中心线放置，可以采用更高的掺杂物浓度，这将易于控制。通过实验或者通过模型化可以确定掺杂物的合适浓度和径向位置。
图2a和2b示出将稀土掺杂物置于本发明波导纤维的不同径向位置上的灵活性的示范实施例。图2a和2b示出％Δ对于波导半径的图形，其中％Δ代表折射率的相对测量值，由方程式％Δ=(nr 2-nc 2)/2nr 2，这里nr是在第一区域中的最大折射率，nc是在环绕第一区域的区域中的折射率。正如图2a所示，它对应于图2中的亚长度12，稀土掺杂物被置于位置16上，约在波导纤维亚长度的径向中心线上。在图2b中，它对应于图2中部分14，波导纤维具有不同的折射率分布，中心芯区域15被环形区17环绕，后者被环形区19环绕。稀土掺杂物被置于位置18上，远离波导纤维亚长度的径向中心线。
在另一个实施例中，对于孤立子传输中使用的波导是有利的，仅在过渡部分中利用分布式放大，以实现最大脉冲能量增强因子，后者降低脉冲定时抖动。正如这里使用的，能量增强因子意味着与在恒定色散纤维上传输的孤立子相比较，在色散控制纤维中温度传输所需的脉冲能量的增加。
本发明进一步包括利用本发明色散控制纤维的光学***。示例的***示于图4，虽然图4中仅示出两个链路的具有分布式放大的色散控制纤维，将会理解，链路的数目可以更大。同样，发射机20与波导媒体21光学耦合，接收机42也与另一波导媒体光学耦合。波导媒体21可以一根光纤，空气间隙或者传送光波信号的其它合适波导器件。图4中所示的每个链路包括通过耦合元件与每个跨度具有分布式放大的色散控制纤维光学耦合的抽运激光器，用于对整个跨度的纤维抽运至少抵消纤维内的最小本征损失。
第一链路包括一个跨度的具有分布式放大的幺正色散控制纤维26，抽运激光器24或者通过耦合器22与其光学耦合，用于对发送信号的同向抽运，或者抽运激光器32通过耦合器28也与其光学耦合，用于对发送信号的逆向抽运。第二链路包括一个跨度的具有分布式放大的色散控制纤维34，抽运激光器32通过耦合器30与其光学耦合，用于对发送信号的同向抽运，抽运激光器36通过耦合器38也与其光学耦合，用于对发送信号的逆向抽运。尽管图中示出单个抽运激光器32为一个链路提供同向抽运而为另一个链路提供逆向抽运，将会理解，分别的抽运激光器可实现这两个功能。
在一个实施例中，每个抽运激光器提供对来自波导纤维中诸如铒的稀土掺杂物的激发辐射的抽运。在另一个实施例中，抽运激光器可提供对喇曼放大的抽运。可以采用另一抽运激光器既提供来自铒的受激辐射的放大又提供喇曼放大。将会理解，本发明并不局限于一种特定的抽运配置。
可选择抽运激光器以提供实现在对色散控制纤维放大的跨度序列中在发送光波信号的波长上的抽运波长。例如，用铒稀释掺杂的色散控制纤维要求在约980纳米或1480纳米的波长范围内的抽运信号，以放大约1530纳米至1620纳米范围内的光波信号。1480纳米的抽运信号对使纤维的无源损失减至最小是较佳的，它低于980纳米上的抽运信号。将会理解，当适当选择抽运信号与发送光学信号之间的波长间隔时通过喇曼效应也能够实现放大。实现的喇曼增益量直接正比于提供给纤维的抽运功率量。本发明还包括单独通过喇曼放大提供分布式放大的***。
对于通过喇曼放大提供放大的实施例，波导纤维具有较小有效面积是较佳的，其中利用分布的铒放大。在掺铒分布式放大的色散控制纤维中，纤维的有效面积可以大于50平方微米。在利用喇曼放大的实施例中，色散控制纤维的有效面积小于大约50平方微米是较佳的，小于约30平方微米则更好。孤立子传输的较小有效面积是较佳的，因为喇曼放大是与强度相关的，较大有效面积的波导纤维将具有较低的抽运功率强度。孤立子传输在利用有效面积效应50平方微米的波导纤维中是较佳的，因为较小有效面积的纤维具有较高信号强度，导致有关非线性的更多问题，如四波混合。孤立子不象NRZ格式易受非线性影响。
与现有的波导纤维设计相比，本发明提供具有分布式放大和减小四波混合功率损失的纤维的诸优点。与此同时，保留了高性能波导纤维的所需特征，例如，低衰减、大的有效面积、以及提高对宏观弯曲和微观弯曲损失的抵抗力。正和负色散的交替变化部分的较大有效面积在放大最佳化中提供附加自由度。例如，在每个交替变化部分中，在正和负色散的每个部分中的掺杂物掺杂水平、浓度和增益可以独立地设定。
为了评价这一特征的好处，需要理解稀土掺杂放大的增益，这是通过众所周知的黄金律确定的：
    GdB=L[(g*+α)<n2>-α]
这里GdB是放大器增益(dB)，L是纤维长度，g*是完全反转增益系数，α是由掺杂物粒子造成的小信号损失系数，<n2>是平均反转参数，g*和α是纤维的固有、可测量的特性，依赖于信号波长，由掺杂水平确定。平均反转是通过信号和抽运功率及其波长确定的。
黄金律会过度地限制通过分布式放大器的传播。例如，分布的掺铒纤维放大器长度L通常是预选确定的，对于现有网络升级尤其如此。
另外，如果需要波分复用传输，对于增益平坦性，存在最佳设计反转水平<n2>。由于整个***是光学透明的，GdB=0。从黄金律，掺铒浓度g*和α参数变为固定的。可能的缺点在于，一旦掺杂物水平确定，其对信号功率偏移的影响是固定的。不能为稳定传输独立地设计最佳功率偏移。换句话说，信号传输最佳化的参数空间受到限制。
然而，在色散控制链路中，存在多个自由度。每个交替变化纤维部分的掺铒浓度和长度可以独立地设定，而保持在分布式放大链路的总色散控制纤维上的累积增益为零。在一个实施例中，在具有较大有效面积的部分中增益可以较大，以使光学非线性度的累积效应减至最小。
第二个例子包括交替变化的为使放大最佳化的较短部分和为降低信号畸变最佳化的较长部分。在一个实施例中，较短部分则是为具有较高损失而设计的，尤其是当该部分共同掺有氧化铝以及具有较小有效面积(为了更好的抽运光/铒重叠)时。在这一实施例中，较长部分则是为具有较低损失和较大有效面积而设计的。较短和较长部分的总链路则是为具有净零色散，但是累积损失比具有分布式放大器的标准***低和有效面积比它高而设计的。因此，具有交替变化的纤维部分引入两个使放大和传播最佳化的新参数。
在色散控制纤维链路中提供分布式放大还使传输***中孤立子传播最佳化。最近已经发现通过色散控制纤维的孤立子传输降低了Gordon-Haus定时抖动以及增大信噪比。利用色散补偿纤维甚至已经可能在1550纳米上沿标准单模纤维发送孤立子。虽然这一技术已经允许较大的放大器间隔，在孤立子不稳定性发作之前，增加分布式放大则进一步改善这些结果。正如以上讨论的。孤立子传输***的一个例子则仅仅在波导纤维的过渡部分中包括分布式放大。
孤立子是通过自相位调制和纤维色散的局部平衡在恒定色散纤维中形成的。当脉冲沿纤维传输时，色散在脉冲上产生光学相位偏差，导致频率啾啾声。在异常色散纤维中频率啾啾声的符号，即D(ps/nm-km)＞0，与由纤维非线性产生的符号，称为自相位调制相反。在正常色散纤维中频率啾啾声的符号，即D(ps/nm-km)＜0，与由纤维非线性产生的符号，称为自相位调制相同。这两种效应的如此平衡和频率啾啾声的抵消仅仅对于异常色散发生。完全抵消在单个信道功率水平上发生并导致时间和光谱不变性。
相反，通过色散控制纤维的脉冲传输既不是时间不变也不是光谱不变的。脉冲对较大局部色散起反作用，正如从图5a和5b中看到的。在其脉冲宽度和光谱带宽上经受周期性振荡。时间宽度在每个正或负色散部分的中点处最小而在两个部分之间的过渡处最大。另一方面，光谱振荡在正色散部分的中点处达到最大而在负色散部分的中点处达到最小。除了脉冲对大局部色散变化的反作用外，自相位调制对全局距离规模起作用，以维持脉冲演变的整个周期性。脉冲带宽的非对称特性意味着自相位调制在正色散部分中更强，这里带宽大于负色散部分的带宽。通过选择性地仅放大正色散部分，产生更强的自相位调制，允许更多地补偿负色散部分中的负色散。这一色散/自相位调制平衡不仅允许通过正色散区传播，而且对于低于约-0.05ps/nm-km的负平均色散也是如此，这扩展了孤立子能够发送的波长范围以及对WDM提供更多的信道。
在较宽正和负色散值的范围上的脉冲传输对于增大波分复用RZ应用的工作波长范围则是有利的。本发明的一个实施例则是对纤维的正色散部分的优先掺杂。在这些部分中的优先放大则增大自相位调制的效应，进一步允许在更大的负色散值上稳定信号传输。这在增大的工作波长带宽内允许更多的波长信道。
图5a和5b示出在色散控制纤维中脉冲的呼吸特性。图5a绘出以归一化单位表示的脉冲宽度与以归一化单位表示的纤维长度的函数关系；图5b绘出以归一化单位表示的脉冲相应峰值强度与以归一化单位表示的纤维长度的函数关系。术语“+D部分”和“-D部分”指在纤维那个部分中局部色散的符号。在每幅图上的分离“+D部分”和“-D部分”的垂直线表示正与负色散纤维之间的界面或过渡区(在这一情况中是离散的)。注意：脉冲宽度及其强度是长度的周期函数，与纤维色散图具有相同的周期。它们被耦合在一起并具有非对称关系。在各个色散部分的中点和界面处，这些参数达到极值，其中脉冲宽度在中点处具有最小值而在界面处具有最大值；峰值功率在中点处具有最大值而在界面处具有最小值。这些周期性脉冲振荡是由高局部色散的扰动效应造成的。需要非线性性(自相位调制)以在更长的长度上保持脉冲稳定。这是高局部色散且造成呼吸特征，导致对单个和多个波长都是有益的脉冲传输。
适当设计的纤维(其中正确地选择每个色散控制纤维部分中的放大)则可控制脉冲宽度振荡。由于振荡是由脉冲自相位调制与纤维色散之间失配造成的，通过控制脉冲在整个分布式放大上的峰值强度能够使它们达到更好的平衡。脉冲宽度和强度的较低起伏也应当反映到放大器间隔容许的偏差增大。
如前所述，还可想到，根据本发明，放大可以通过喇曼放大实现。喇曼放大的一个优点是不存在由波导纤维中掺杂物造成的过剩吸收，因此而造成损失。因此，根据本发明，对于分布式放大可采用或是通过增加诸如铒的稀土掺杂物的放大，或是喇曼放大或者是二者的组合。
特定感兴趣的工作波长范围是从1285纳米到1620纳米的范围，这个范围包括约1550纳米的低衰减工作窗口。然而，本领域专业技术人员将认识到，本发明不限于这一特定波长范围。
对本领域专业技术人员而言显然能够对本发明作出各种不同改进和变化，而不偏离本发明的精神或范围。因此，希望本发明覆盖对该发明的改进和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (39)

1．一种在传输波长范围上发送光学信号的幺正色散控制光学波导纤维，所述色散控制波导纤维包括：
具有折射率分布的纤芯玻璃区，周围环绕折射率nc小于所述纤芯玻璃区中至少一部分折射率分布的包层玻璃，所述波导纤维具有沿所述波导长度在符号上从正到负和从负到正变化的总色散，
所述波导纤维包括在传输波长范围上具有正总色散的亚长度li和在传输波长范围上具有负总色散的亚长度lj，
其特征在于，亚长度li或lj中至少一个包含稀释浓度的稀土掺杂离子，足以提供对受激辐射的传输波长的放大。
2．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：所述纤维进一步包括过渡亚长度lt，在其上总色散从正变为负或从负变为正。
3．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：在传输波长范围正色散亚长度的色散绝对幅度的平均值大于0.5ps/nm-km而负色散亚长度的色散绝对幅度的平均值大于0.5ps/nm-km。
4．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：传输波长范围超过4nm。
5．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：传输波长范围超过20nm。
6．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：所述稀土掺杂离子包括铒。
7．如权利要求3所述的色散控制波导纤维，其特征在于：所述稀土掺杂离子包括铒。
8．如权利要求3所述的色散控制波导纤维，其特征在于：稀土掺杂离子在正色散亚长度li的径向位置不同于掺杂离子在负色散亚长度lj的径向位置。
9．如权利要求2所述的色散控制波导纤维，其特征在于：所述掺杂离子的浓度在所述波导纤维的长度上基本上是均匀的。
10．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：只有正色散亚长度li包含所述稀土掺杂离子。
11．如权利要求10所述的色散控制波导纤维，其特征在于：当所发射波长的色散小于约-0.05ps/nm-km时改善波导纤维中的孤立子传输。
12．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：只有负色散亚长度lj包含所述稀土掺杂离子。
13．如权利要求2所述的色散控制波导纤维，其特征在于：只有亚长度lt包含所述稀土掺杂离子。
14．如权利要求13所述的色散控制波导纤维，其特征在于：波导纤维是为供利用孤立子信号脉冲的电信***使用而设计的。
15．如权利要求14所述的色散控制波导纤维，其特征在于：所述掺杂离子的刺激引起对所述信号脉冲的放大，以致于控制所述信号脉冲的峰值强度以控制脉冲宽度的振荡。
16．如权利要求14所述的色散控制波导纤维，其特征在于：过渡亚长度lt中的放大是为降低孤立子传输***中脉冲定时抖动而设计的。
17．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：亚长度lj的折射率分布不同于亚长度lj的折射率分布，掺杂离子在亚长度li的径向位置不同于掺杂离子在亚长度lj的径向位置。
18．如权利要求1所述的色散控制波导纤维，其特征在于：正色散亚长度li中的色散斜率是正的，而负色散亚长度lj中的色散斜率是负的。
19．一种在第一传输波长范围上发送第一光波信号的光学***，所述光学***包括：
幺正色散控制光学波导纤维，包括具有折射率分布的纤芯玻璃区，周围环绕折射率nc小于所述纤芯玻璃区中至少一部分折射率分布的包层玻璃，所述波导纤维具有沿所述波导长度在符号上从正变到负和从负变到正的总色散，所述波导纤维包括在传输波长范围上具有正总色散的亚长度li和在传输波长范围上具有负总色散的亚长度lj，其特征在于，亚长度li或lj中至少一个包含稀释浓度的稀土掺杂离子，足以提供对受激辐射的传输波长的放大；以及
在第二波长上的第一泵源，用于刺激在所述第一波长上从所述掺杂离子的辐射，所述第一泵源与所述光学波导纤维光学耦合。
20．如权利要求19所述的光学***，其特征在于所述纤维进一步包括过渡亚长度lt，在其上总色散从第一色散值范围中的一个值变为第二色散值范围中的一个值。
21．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：在传输波长范围上正色散亚长度的色散绝对幅度的平均值大于0.5ps/nm-km而负色散亚长度的色散绝对幅度的平均值大于0.5ps/nm-km。
22．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：所述传输波长范围超过4nm。
23．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：所述传输波长范围超过20nm。
24．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：所述稀土掺杂离子包括铒。
25．如权利要求22所述的光学***，其特征在于：所述稀土掺杂离子包括铒。
26．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：稀土掺杂离子在正色散亚长度li的径向位置不同于掺杂离子在负色散亚长度lj的径向位置。
27．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：只有正色散亚长度li包含所述稀土掺杂离子。
28．如权利要求27所述的光学***，其特征在于：所述稀土掺杂离子在正色散亚长度li的受激辐射改善了在小于约-0.05ps/nm-km的色散范围上的信号传输。
29．如权利要求14所述的光学***，其特征在于：只有负色散亚长度lj包含所述稀土掺杂离子。
30．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：亚长度li的折射率分布不同于亚长度lj的折射率分布，掺杂离子在亚长度li的径向位置不同于掺杂离子在亚长度lj的径向位置。
31．如权利要求20所述的光学***，其特征在于：只有亚长度lt包含所述稀土掺杂离子。
32．如权利要求31所述的光学***，其特征在于：波导纤维是供利用孤立子信号脉冲的电信***中使用而设计的，来自所述稀土掺杂离子的受激辐射引起过渡亚长度lt中的放大。
33．如权利要求32所述的光学***，其特征在于：所述掺杂离子的刺激引起所述信号脉冲的放大，以致于所述信号脉冲的峰值强度受控制以防止脉冲宽度的振荡。
34．如权利要求19所述的光学***，其特征在于：正色散部分li中的色散斜率是正的，而负色散亚长度lj中的色散斜率是负的。
35．如权利要求19所述的光学***，其特征在于进一步包括在刺激喇曼散射的第三波长上的第二泵源，所述第二泵源与所述波导纤维光学耦合。
36．一种在第一传输波长范围上发送第一光波信号的光学***，所述光学***包括：
幺正色散控制光学波导纤维，包括具有折射率分布的纤芯玻璃区，周围环绕折射率nc小于所述纤芯玻璃区中至少一部分折射率分布的包层玻璃，所述波导纤维具有沿所述波导长度在符号上从正变到负和从负变到正的总色散，所述波导纤维包括在传输波长范围上具有正总色散的亚长度li和在传输波长范围上具有负总色散的亚长度lj；以及
在第二波长上的第一泵源，通过所述光波信号在所述第一波长上的喇曼散射引起放大，所述第一泵源与所述光学波导纤维光学耦合。
37．如权利要求36所述的光学***，其特征在于：所述纤维进一步包括过渡亚长度lt，在其上总色散从在色散值第一范围中的一个值变化到色散值第二范围中的一个值。
38．如权利要求37所述的光学***，其特征在于：所述纤维具有小于约50平方微米的有效面积。
39．如权利要求37所述的光学***，其特征在于：所述纤维具有小于约30平方微米的有效面积。
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PB01 Publication
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