测量非线性光学特性的方法、光学放大器和光传输系统

摘要

本发明公开了测量非线性光学特性的方法、光学放大器和光传输系统。在本发明的光学放大器中，将输入光供应到连接到输出端口的光纤的一端，测量从光纤的一端输入到输出端口这一相反方向上传播的光的功率，从而基于测量结果获得光纤中发生受激布里渊散射(SBS)的阈值。然后，利用SBS阈值，获得输入光功率和在光纤中自身相位调制(SPM)等的发生量之间的关系，以反映在光学放大器的控制上，从而抑制在光纤中发生SPM等。因此，能够利用这种简单的构造精确地测量实际连接到光学放大器的输出端口的光纤的非线性光学特性，从而可以有效地抑制由于非线性光学效应而导致的光学S/N比的降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量用于光通信的各种类型的光纤的非线性光学特性的方法、光学放大器和光传输系统，光学放大器和光传输系统均使用了测量非线性光学特性的方法来控制对光纤的光输入电平，从而抑制非线性光学效应的发生。

背景技术

在光传输系统中，光学放大器用于补偿光纤中的传输损失或光学功能器件中的损失。在长距离干线系统中，随着由于互联网的普及而导致的通信需求的增加，需要引入一种应用光学放大器的宽带性能的波分复用(WDM)光传输系统。此外，当前正在将具有波长路由功能的WDM光传输系统与光学放大器一起引入城市环形网络中。

作为典型的光学放大器，例如有，掺杂稀土元素的光纤放大器、半导体光学放大器(SOA)、光纤拉曼放大器等。另外，作为用于掺杂稀土元素的光纤放大器的稀土元素，已知的有用于放大在1525-1625nm波段内的光的铒(Er)、用于放大在1480-1510nm波段内的光的铥(Tm)、用于放大波段在1300nm附近的光的镨(Pr)等。近来，在光传输系统中，主要使用掺杂铒的光纤放大器(EDFA)。

另外，上述的EDFA主要分为放大波段在1530-1565nm的C波段EDFA和放大波段在1570-1605nm的L波段EDFA。L波段EDFA的特点在于掺杂铒的光纤比C波段EDFA中的掺杂铒的光纤长。

如上所述，由于C波段EDFA以及L波段EDFA具有大约35nm的放大波段，例如，如果包含在WDM光中的多个信号光以0.8nm(大约100GHz)的间隔排列，则能够集总地放大40或40个以上的波长的信号光。而且，EDFA在高输出功率方面性能优良，因此，例如可以更容易地获得200mW或200mW以上的光输出功率。利用这种特性，可将EDFA应用于各种WDM光传输系统中。

图7是示出了在典型的WDM光传输系统中使用的光学放大器的示例的示图。在这个WDM光传输系统中，分别从多个电/光(E/O)转换器111输出的不同波长的光信号被波长复用器112复用，然后被输入到后置放大器113。在后置放大器113中，输入的WDM光被集总地放大以具有预定的增益或光输出功率电平，然后被发送到传输光纤100。因通过传输光纤100的传输而衰减的WDM光再次被前置放大器121放大以具有预定的增益或光输出功率电平。从前置放大器121输出的WDM光被波长解复用器122解复用，各个波长的光信号被输入到各个光/电(O/E)转换器123中。另外，对于前置放大器121，通常使用这样的结构的放大器，即在该前置放大器121，设置了用于补偿在传输光纤100中出现的色散的色散补偿光纤(DCF)121A，这种色散补偿光纤121A布置在两级结构的光学放大器121B和121C之间。

在如上所述的WDM光传输系统中，为了提高光信噪比(S/N)，希望尽可能提高传输的WDM光的功率。然而，在传输光纤100中或在色散补偿光纤121A中发生的非线性光学效应取决于通过光纤传播的光的功率，因此，导致的噪声或波长失真会降低WDM光的传输特性。因此，输入到光纤的光输入电平的上限通常受非线性光学效应的限制。作为降低上述传输特性的非线性光学效应，可以为自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、受激拉曼散射(SRS)等。

图8示出了在各种类型的光纤中发生非线性光学效应的光输入电平的示例(以下，也称作“非线性光学效应的发生电平”)。同样，这里假定光传输系统对应于C波段的WDM光并且为10Gb/s。

根据光输出系统模型(例如，波段、波长数、波长间隔、每一个跨距的输出距离、跨距的数目等)，并根据传输路径、色散补偿器等所使用的光纤的种类(例如，单模光纤(SMF)、色散位移光纤(DSF)、非零色散位移光纤(NZ-DSF)、色彩补偿光纤(DCF)等)和光纤参数(例如，有效光芯横截面积、色散、有效光纤长度等)来确定非线性光学效应的发生程度是公知技术。如图8所示，除了在1550nm内的色散为0ps/nm/km的色散位移光纤之外，输入到光纤的光输入电平通常受自相位调制(SPM)的限制。

为了避免出现如上所述的非线性光学效应，需要限制输入到用于传输路径等的光纤的光输入电平，即，限制光学放大器的光学输出功率电平。然而，在实际操作中，光纤参数、联接器损失、接合损失等发生变化，导致的问题在于不能准确地控制非线性光学效应的发生程度。为了处理这个问题，如何准确地测量在实际中将使用的光纤的非线性光学特性来将测量结果反应在对光学放大器的控制上变为主要的议题。

作为与非线性光学特性的测量有关的传统技术，已经知道了一种在由Toshiharu TAKOU、Tatsuatsu HONDA编辑的增刊(1998，P102-126)的“An optical measuring device for user engineers”中公开了一种测量方法，下面将简要地描述非线性光学特性的传统测量方法。

例如，硅基光纤的非线性折射率为大约2.2×10^-20m²/W。与其它非线性介质的非线性折射率相比，这种非线性折射率相对小。然而，由于作为光纤的特征的光纤的模场直径(mold diameter)小(例如，大约10μm)并且其损失明显小(例如，在1.55μm为大约0.2dB/km)，所以能够观察到非线性光学现象。在光纤中发生的大部分非线性光学现象是由于非线性折射而导致的。由于光纤的折射率n取决于光强P，如下面的公式(1)所示，所以发生这些非线性光学现象。

n＝n_L+n₂P    ...(1)

在上述公式中，n_L是光纤的线性折射率，n₂是取决于光纤的材料的非线性折射率，P是输入到光纤的输入功率。

如果折射率取决于光强P，则会发生一些非线性光学现象。在非线性光学现象中得到了最广泛研究的是自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)。

SPM是指当通过光纤传播光时由光本身导致的相位位移。SPM的相位位移量Ф由下面的公式(2)表示。

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L(n_L+n_{2}P)...\left(2\right)$

在上面的公式(2)中，取决于光强的项对应于由于SPM而导致的相位变化，如果这个项为Ф_NL，则Ф_NL由下面的公式(3)表示。

$\mathrm{\φNL}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Ln}}_{2}P...\left(3\right)$

在上面的公式(3)中，L是光纤长度。然而，如果考虑到光纤中的损失的情况下1.55μm光纤的比例常数为α，则有效光纤长度L_eff由下面的公式(4)表示。

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{\left({1-e}^{-\mathrm{oL}}\right)}{\mathrm{\α}}...\left(4\right)$

另外，由于光纤中的光强分布在光纤的光芯方向上，因而需要针对光纤的光芯限定有效的光芯横截面面积A_eff。可以根据下面的公式(5)近似得到有效的光芯横截面面积A_eff，作为光纤的模场直径MFD的函数。

$A_{\mathrm{eff}}=\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{MFD}}{2}\right)}^2...\left(5\right)$

基于上面的公式(3)、(4)和(5)，可以通过下面的公式(6)来表示由于SPM而导致的非线性相位变化量Ф_NL^SPM。

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}^{\mathrm{SPM}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{L_{\mathrm{eff}}}{A_{\mathrm{eff}}}{n}_2\·P...\left(6\right)$

如果产生SPM，则输入光的波长展开，同时，其光谱波形也改变。图9示出了利用这种现象的传统SPM测量系统的一个示例。在这个测量系统中，从光源(DFB-LD)131输出的光被EDFA 132放大，被光带通滤波器133消除了ASE的光经光衰减器134被输入到测量对象光纤135。光衰减器134用于改变输入到光纤135的光的强度。从光纤135输出的光穿过0.1nm的窄带光滤波器136，从而通过光功率计137观察到其的光强。执行SPM的测量，从而在改变输入的光脉冲的强度的同时检测在其波段受窄带光纤136限定的光谱的中心附近的光功率，并测量在所述输入的光脉冲的峰强度的中心附近的光功率的变化。

XPM是指当不同波长的光同时沿同一方向传播时在不同波长的光中的一种光中发生的非线性位移。如果对于不同的波长λ₁和λ₂，光强度为P₁和P₂，则对λ₁的非线性相移由下面的公式(7)表示。

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}\frac{L_{\mathrm{eff}}}{A_{\mathrm{eff}}}{n}_2\·(P_1+2b{P}_2)...\left(7\right)$

公式(7)中右侧的两个项是由于SPM和XPM。因此，仅由于XPM引起的非线性相位变化量Ф_NL^SPM由下面的公式(8)表示。

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}^{\mathrm{XPM}}=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}\frac{L_{\mathrm{eff}}}{A_{\mathrm{eff}}}{n}_2{\mathrm{bP}}_2...\left(8\right)$

在上面的公式中，b是取决于波长λ₁和λ₂的偏振状态的系数，在输入光没有发生偏振的情况下，b的值为b＝2/3。

图10示出了传统的XPM测量系统的一个示例。在这个测量系统中，从泵浦光源142输出的经根据从振荡器141输出的信号进行了强度调制的泵浦光被去偏振器143去偏振，该泵浦光和从探测光源144输出的探测光被光耦合器145耦合，以被供应到测量对象光纤146，从而探测光通过XPM进行相位调制。通过这种相位调制产生的频率分量被自延迟外差接收系统147接收，从而可以获得探测光的相位移动量。

上述的SPM和XPM的每一个都为弹性非线性光学现象，在这种现象中，能量不能在电磁场和光纤之间互换。与此相反，受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)称作受激的非弹性散射，这是因为当电磁场激发石英玻璃的振荡模式时光能移动到光纤介质中。SRS和SBS的主要差别在于光模式下的声子有助于SRS，而声模式下的声子有助于SBS。SRS和SBS的每一个都是这样的现象，在该现象中，当高能量的光入射到光纤上时，在入射光的较长波长(低能量)侧产生不同波长(斯托克斯波)的光。由于光模式和声模式之间的差异，在SRS中主要在前进方向上产生斯托克斯波，而在SBS中仅在向后的方向上产生斯托克斯波。硅基光纤的拉曼增益谱在大约30THz，非常宽，斯托克斯波的频率位移量为大约13THz。与此相反，布里渊增益谱宽度在大约10MHz，非常窄，并且斯托克斯波的频率位移量为大于10GHz，小于SRS中的频率位移量。

SRS和SBS的一个共同特征是：SRS和SBS示出了它们好像具有阈值似的性能。即，只有当光强超过一定的阈值时，转换成斯托克斯波的能量才显著。发生SRS的阈值P_SRS^th由下面的公式(9)表示。

$P_{\mathrm{SRS}}^{\mathrm{th}}=16\frac{A_{\mathrm{eff}}}{L_{\mathrm{eff}}}\·\frac{1}{g_R}...\left(9\right)$

在上面的公式(9)中，g^R为拉曼增益系数，并且在硅基光纤中，g^R＝1×10^-13m/W。另外，右侧的常数16是在向前泵浦的情况下的值，并且在向后泵浦的情况下该值为20。考虑到13THz的频率位移，用于获得1.55μm波段的斯托克斯波的泵浦波长为1.45μm。假设例如在1.45μm波段和在1.55μm波段，光纤长度L＝20km，α＝0.2dB/km，根据上述公式(4)的关系，有效光纤长度L_eff为L_eff＝13km。假设例如，光纤的模场直径为MFD＝5μm，则有效的光芯横截面面积A_eff为A_eff＝20μm²。在这种情况下发生SRS的阈值P_SRS^th在向前泵浦中为240mW，而在向后泵浦中为300mW，因此，需要非常高的光强。

另外，发生SBS的阈值P_SBS^th由下面的公式(10)表示，与上述的公式(9)相似。

$P_{\mathrm{SBS}}^{\mathrm{th}}=21\frac{A_{\mathrm{eff}}}{L_{\mathrm{eff}}}\·\frac{1}{g_B}...\left(10\right)$

在上面的公式(10)中，右侧的常数21根据布里渊增益的线宽度确定，是近似值。另外，g_B是布里渊增益系数，并且在硅基纤维中该值为$g_B\≅5\×{10}^{-11}m/W$。(1/g_B)项比SRS的情况下的1/g_R项小两位。当有效的光芯横截面面积A_eff＝20μm²，有效光纤长度L_eff＝13km时，发生SBS的阈值P_SBS^th为0.6mW，从而可以观察到作为在向后方向上的散射的光的SBS，并且光强低于SRS中的光强。

另外，考虑到光源的线宽度Δv_s和布里渊增益线宽度Δv_b，上述的公式(10)可由下面的公式(11)表示。

$P_{\mathrm{SBS}}^{\mathrm{th}}=21\frac{A_{\mathrm{eff}}}{L_{\mathrm{eff}}}\·\frac{1}{g_B}\·\frac{\mathrm{\Δ}{v}_b+{\mathrm{\Δv}}_s}{{\mathrm{\Δv}}_b}...\left(11\right)$

在上面的公式(11)中，在WDM光传输系统中通常用作光源的DFB-LD中，光源的线宽度Δv_s为几MHz。另外，在波长为1.55μm的情况下，布里渊增益线宽度Δv_b的值为大约100MHz。

然而，在上述的非线性光学特性的传统测量技术中，需要图9或图10中所示的非常复杂的测量系统。如果利用图7中示出的光学放大器将这种测量系统合并到WDM光传输系统中，以了解在传输光纤或色散补偿光纤中的非线性光学效应的发生状态，并根据发生状态，控制光学放大器，从而尝试抑制由于非线性光学效应而导致的光学S/N比的降低，这样导致的问题在于整个系统的构造变得复杂而导致成本上升。

发明内容

鉴于上述问题，已经完成了本发明，并且本发明的目的在于提供一种利用简单的构造来精确地测量实际上连接到光学放大器的输出端口的光纤的非线性光学特性的方法。另外，本发明还具有的目的在于提供一种光学放大器和光输出系统，它们中的每一个均利用非线性光学特性的测量方法来控制输入到光纤的光输入电平，从而抑制非线性光效应的发生。

为了实现上述目的，根据本发明的非线性光学特性的测量方法，用于测量实际上连接到光学放大器的输出端口的光纤的非线性光学特性，该方法包括：将输入光从所述光学放大器供应到所述光纤的一端；对应于所述输入光测量从所述光纤的所述一端输入到所述光学放大器的所述输出端口这一相反方向上传播的光的功率，以判断是否会发生受激布里渊散射；基于所述输入光的功率和所述判断结果，获得在所述光纤中会发生所述受激布里渊散射的所述输入光功率的阈值；利用所述阈值，获得所述输入光功率和在所述光纤中的与所述受激布里渊散射不同的非线性光学效应的发生量之间的关系。

另外，在上述非线性光学特性的测量方法中，利用所述阈值可获得输入光功率和在所述光纤中的由于自身相位调制或交叉相位调制所导致的相位变换量之间的关系，或者可获得所述泵浦光功率和在所述光纤中的由于受激拉曼散射引起的拉曼放大增益因素之间的关系。

根据本发明的光学放大器的一方面设置有：输入端口，向其输入光信号；输出端口，光纤连接到该输出端口；光学放大部，设置在所述输入端口和所述输出端口之间的光通路上；控制部，控制所述光学放大部。所述光学放大器包括：测试光供应部，将与输入到所述输入端口的所述光信号的波长对应的测试光供应到光学放大部；光功率测量部，将由所述光学放大部放大的所述测试光从所述输出端口供应到所述光纤的一端，并对应于所述输入光测量从所述光纤的所述一端输入到所述光学放大器的所述输出端口这一相反方向上传播的光的功率，以判断是否会发生受激布里渊散射；计算部，基于所述输入光功率和所述光功率测量部中的判断结果，获得在所述光纤中会发生所述受激布里渊散射的所述输入光功率的阈值，利用所述阈值，获得所述输入光功率与在所述光纤中的与所述受激布里渊散射不同的非线性光学效应的发生量之间的关系，其中，所述控制部基于由所述计算部获得的关系来控制所述光信号在所述光学放大部中的放大操作，以抑制在所述光纤中发生所述非线性光学效应。

在上述的光学放大器中，来自测试光供应部的测试光被光学放大部放大以从输出端口输入到光纤的一端。在光纤中，如果输入光的功率增大，则由于受激布里渊散射(SBS)而产生在与输入光相反的方向上传播的光，因此，与输入到所述光纤的输入光对应地测量从所述光纤的所述一端输入到所述光学放大器的所述输出端口这一相反的方向上传播的光的功率，从而获得在所述光纤中会发生所述受激布里渊散射的所述输入光功率的阈值。由于将发生SBS的阈值表示为使用光纤的有效光纤长度L_eff和有效光芯横截面面积A_eff的函数，所以利用发生SBS的阈值可以直接获得输入光功率和利用L_eff和A_eff作为参数的其它非线性光学效应之间的关系，从而将这种关系反映在光学放大部的控制上，由此能够抑制在光纤中发生非线性光学效应。

根据如上所述的本发明的非线性光学效应的测量方法，不同于传统的测量方法，不需要非常复杂测量系统，因此，能够利用这种简单的构造精确地测量实际连接到光学放大器的输出端口的光纤的非线性光学特性。此外，依据本发明的光放大器，基于通过上述测量方法的测量结果，控制在光学放大部中光信号的放大操作，因此可以有效地抑制由于非线性光学效应而导致的光学S/N比的降低。

从下面结合附图对实施方式进行的描述中，本发明的其它目的、特征和优点将会变得清楚。

附图说明

图1是示出了利用根据本发明的非线性光学特性的测量方法的光学放大器的一个实施方式的构造的框图；

图2是示出了由于SPM导致光脉冲中的波长变化的示图；

图3是用于解释输入光功率和有效光纤长度之间的关系的曲线图；

图4是示出了在其中测量输入到DSF的光功率与SBS光功率的关系的一个示例的曲线图；

图5是示出了在各种类型的光纤中布里渊增益谱的示例的曲线图；

图6是示出了根据本发明的光传输系统的一种实施方式的构造的框图；

图7是示出了在典型的WDM光传输系统中使用的光学放大器的示例的示图；

图8是示出了光输入功率电平的示例的表格，在该光输入功率电平下，在各种类型的光纤中都发生非线性光学效应；

图9是示出了传统SPM测量系统的一个示例的示图；

图10是示出传统XPM测量系统的一个示例的示图。

具体实施方式

将参照附图来描述用于实现本发明的实施方式。在所有附图中，相同的标号表示相同或等价的部分。

图1是示出利用根据本发明的非线性光学特性的测量方法的光学放大器的一种实施方式的构造的框图。

在图1中，本实施方式的光学放大器1布置有例如掺杂铒的光纤(EDF)11，掺杂铒的光纤11位于输入端口IN和输出端口OUT之间的光通路上，并将从泵浦光源12输出的泵浦光L_P经WDM耦合器13从信号光输入端侧供应到掺杂铒的光纤11。供应到输入端口IN的输入光L_IN经光频隔离器(light isolator)14A和WDM耦合器13被输入到掺杂铒的光纤11，并且该输入光L_IN被泵浦光L_P向前泵浦，已经通过掺杂铒的光纤11传播并将被放大的光经光频隔离器14B被发送到输出端口OUT。

另外，本光学放大器1还设置有：分光器(BS)15A，位于输入端口IN和光频隔离器14A之间；分光器(BS)15B，位于光频隔离器14B和输出端口OUT之间。将被输入到掺杂铒的光纤11的光的一部分被分光器(BS)15A分出作为监测光，从掺杂铒的光纤11输出的光的一部分被分光器(BS)15B分出作为监测光。将分别被分光器15A和15B分出的输入的监测光和输出的监测光发送到各自的光检测器16A和16B，从而由各自的光检测器16A和16B检测其功率，将表示各自的检测结果的信号输出到控制部17。控制部17基于从各个光检测器16A和16B输出的信号以及计算部25(将在后面描述)中的计算结果，来控制泵浦光源12的驱动状态。

另外，本光学放大器1设置有光源21、光耦合器22、分光器23、光检测器24和计算部25，作为用于测量在连接到输出端口OUT的传输路径光纤2中发生SBS的阈值的构造，从而计算能够防止在传输路径光纤2中发生的非线性光学效应如SPM等的光输入功率电平。

光源21是典型的光源，它能够产生与输入光L_IN的波段相对应的测试光L_T。根据从计算部25输出的信号来控制光源21的开启和关闭。将从光源21输出的测试光L_T经布置在输入端口IN和分光器15A之间的光耦合器22供应到输入/输出端口之间的光通路上，以穿过掺杂铒的光纤11，从而调节其功率，其后，将其从输出端口OUT输出到传输路径光纤2。在传输路径光纤2中，当从光学放大器1输出功率超过阈值(将在后面描述)的测试光L_T时，产生SBS光L_SBS，并将SBS光L_SBS从传输路径光纤2供应到输出端口OUT，其中，SBS光L_SBS在与测试光L_T的传播方向相反的方向上传播。

位于输出端口OUT和分光器15B之间的分光器23提取供应到输出端口OUT的SBS光L_SBS，以将其发送到光检测器24。在光检测器24中，检测SBS光L_SBS的能量，并将表示检测结果的信号输出到计算部25。在计算部25中，根据从光检测器24输出的信号来获得在传输路径光纤2中发生SBS的阈值，并计算能够防止在传输路径光纤2中发生非线性光学效应(如SPM等)的光输入功率电平，另外，将表示计算结果的信号从计算部25输出到控制部17。

这里，将描述在上述的计算部25中的计算过程的原理。

图2示出了由于SPM而引起的光脉冲的波形变化。光脉冲经过所谓的频率啁啾(frequency chirping)，从而频率变化随着光强度变化变大而增大并且频率变化随着传输距离变长而增大。具体地如图2中的右侧所示，在输出光脉冲的导向部分(leading portion)，频率啁啾为负的，即所谓的红色位移，而在输出的光脉冲的尾部，频率啁啾为正的，即所谓的蓝色位移。由于在光通过光纤传播的过程中由SPM导致频率啁啾，所以在光脉冲的导向部分，光的传输速度减小，而在尾部，光的传输速度反向地增大，从而压缩了光脉冲。在SPM中，相位改变，从而光谱展开，因此，光输出特性受SPM与色散的相互作用的影响很大。在SPM中，相位变化量Ф_NL^SPM被表示为利用光波长λ、有效的光纤长度L_eff、有效的光芯横截面面积A_eff、非线性折射率n₂和输入光功率P的函数，如上述的公式(6)所示。

作为通常表示非线性光学效应的效率的尺度(scale)，利用输入光功率P和有效的光纤长度L_eff的乘积。如上述公式(4)所示，有效的光纤长度L_eff是考虑到光纤中的损失的参数，对于如图3的左侧所示的传输距离和光功率之间的关系，能够通过有效的光纤长度L_eff来平衡光功率，如图3的右侧所示。输入光功率P和有效的光纤长度L_eff的上述乘积对应于图3右侧的阴影部分的面积。

另一方面，受激布里渊散射(SBS)是非线性光学现象，在该现象中，光在与输入到光纤维的光相反的方向散射，已知的是，散射的光在作为阈值的一定的光输入功率电平处突然增大。例如，图4示出了在其中测量输入到10km的色散位移光纤(DSF)的光功率P_IN与产生的SBS光功率P_SBS的关系的一个示例。在图4的测量示例中，发生SBS的阈值为大约3mW。

将上述的发生SBS的阈值表示为使用有效光纤长度L_eff、有效光芯横截面面积A_eff、布里渊增益系数g_B、光源的线宽度Δv_b和布里渊增益线宽度Δv_b的函数，如上面的公式(11)所示。图5示出了布里渊增益谱的示例，在图5中，(a)对应于硅基光芯光纤，(b)对应于弱包层光纤，(c)对应于色散位移光纤(具体请参照R.W.Tkach、A.R.Chraplyvy和R.M.Derosier的著作，Electron.Lett.22，1011(1986))。

如果根据上面的公式(11)来计算在图4中示出的DSF的测量示例中的发生SBS的阈值，得到的为2.7mW，该值与实验值精确地一致。同样，在上面的计算中，使用的值为：A_eff＝46.5μm²(MFD＝7.7μm)，L_eff＝7846m(L＝10000m，α＝5.1×10^-5/m)，g_B＝5×10^-11m/W，Δv_b＝100MHz和Δv_s＝1MHz。

如果从上面的公式(6)和(11)中消掉(A_eff/L_eff)，则通过下面利用SBS发生阈值P_SBS^th的公式(12)来表示SPM相位改变量φ_NL^SPM。

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}^{\mathrm{SPM}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{1}{g_B{P}_{\mathrm{SBS}}^{\mathrm{th}}}\·\frac{{\mathrm{\Δv}}_b+{\mathrm{\Δv}}_s}{{\mathrm{\Δv}}_b}{n}_{2}P...\left(12\right)$

通过基于上面的公式(12)来测量SBS发生阈值P_SBS^th，可以计算SPM相位改变量φ_NL^SPM。另外，如果决定了基本不影响光传输性能的SPM相位改变量的容许值，则也能够限制输入到光纤的光的功率P。

另外，将由于交叉相位调制(XPM)引起的相位改变量φ_NL^XPM表示为利用光波长λ₁、有效光纤长度L_eff、有效光芯横截面面积A_eff、非线性折射率n₂、系数b和输入光功率P₂的函数，如上面的公式(8)所示。如果从上面的公式(8)和(11)中消掉(A_eff/L_eff)，则通过下面利用SBS发生阈值P_SBS^th的公式(13)来表示XPM相位改变量φ_NL^XPM。

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}^{\mathrm{XPM}}=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\frac{1}{g_B{P}_{\mathrm{SBS}}^{\mathrm{th}}}\·\frac{{\mathrm{\Δv}}_D+{\mathrm{\Δv}}_s}{{\mathrm{\Δv}}_D}{n}_{2}b{P}_2...\left(13\right)$

因此，与上面SPM的情况相似，通过基于上面的公式(13)测量SBS发生阈值P_SBS^th，可以计算XPM相位改变量φ_NL^XPM。另外，如果确定了基本不影响光传输性能的XPM相位改变量的容许值，则也能够限制输入到光纤的光的功率P。

另外，对于受激拉曼散射(SRS)，一般已知假定在光纤的输入端的泵浦光功率为P₀，则用下面的公式(14)表示拉曼放大增益系数G_A。

$G_A=\exp \left(g_R{P}_0\frac{L_{\mathrm{eff}}}{A_{\mathrm{eff}}}\right)...\left(14\right)$

由于上面的公式(14)中包含(A_eff/L_eff)，通过使用上面的公式(11)，可以下面的利用SBS发生阈值P_SBS^th的公式(15)来表示拉曼放大增益系数G_A。

$G_A=\exp (g_R{P}_0\·\frac{1}{g_B{P}_{\mathrm{SBS}}^{\mathrm{th}}}\·\frac{{\mathrm{\Δv}}_b+{\mathrm{\Δv}}_s}{{\mathrm{\Δv}}_b})...\left(15\right)$

同样，如前所述，SRS发生阈值P_SRS^th比SBS发生阈值P_SBS^th大两位，因此，在光传输系统的信号电平中，SRS影响光传输性能的可能性相对低。然而，在应用了利用传输路径的分布式拉曼放大的光传输系统中，通过测量SBS光来判断实际使用的传输路径光纤的参数(L_eff/A_eff)，从而获得拉曼放大增益系数G_A和泵浦光功率P₀(对应于输入到传输路径光纤的输入光功率)之间的关系是有效的。

根据上面的计算过程的原理，在图1中示出的光学放大器1中，通过在操作开始之前打开光源21，产生用于测量传输路径光纤2中的SBS发生阈值的测试光L_T。将测试光L_T经光耦合器22发送到掺杂铒的光纤11中，然后调节供应到掺杂铒的光纤11的泵浦光L_P的功率，从而连续地改变将从输出端口OUT输出到传输路径光纤2的测试光L_T的功率。然后，由分光器23和光检测器24监视在传输路径光纤2中与测试光L_T的功率对应的SBS光L_SBS的产生状态，然后将监视结果发送到计算部25。需要指出的是，当已经正常完成SBS光L_SBS的监视时，停止光源21的操作。

在计算部25中，基于监视出的SBS光L_SBS的功率的变化来获得传输路径光纤2中的SBS发生阈值P_SBS^th，然后利用测量所获得的阈值P_SBS^th和由于SPM等引起的相位改变量的容许值(基本不影响光传输性能)，基于上面的公式(12)等中的关系来计算输入到传输路径光纤2的输入光功率P的值，即，光学放大器1的光输出功率的上限值。另外，将计算结果发送到控制部17，以在操作时反映到光学放大器1的光输出功率电平或增益的控制上。结果，能够避免由于SPM等降低光传输性能。

如上所述，在本光学放大器1中使用的基于对SBS光的监视来测量非线性光学特性(如SPM等)的方法与传统的测量方法相比，并不需要特别复杂的测量系统，因此，能够利用简单的构造精确地测量连接到光学放大器1的输出端口的传输路径光纤2的非线性光学特性。另外，通过将测量的结果反映到光学放大器1的光输出功率电平或增益的控制上，能够有效地抑制由于非线性光学效应导致的光学S/N比的降低。

接下来，将描述利用如上所述的光学放大器1的光传输系统的实施方式。

图6是示出了根据本发明的光传输系统的实施方式的构造的框图。

在图6中，在本光传输系统中，应用图1中示出的光学放大器1作为图7中示出的典型的WDM光传输系统中的后置放大器。然而，这里，作为用于产生SBS光L_SBS的测试光L_T，使用从多个电光转换器(E/O)31输出的将被波长复用器32复用的WDM光L_S，从而可以省略光源21和光耦合器22。同样，为了利用从波长复用器32输入到光学放大器1的输入端口IN的WDM光L_S在连接到光学放大器1的输出端口OUT的传输路径光纤2中产生SBS光L_SBS，需要大约几十mW的功率作为从光学放大器1输出的WDM光L_S的每一波长的功率。通过具有高输出功率特性的特征的常见EDFA可以充分地实现这种输出光功率。

在上述构造的光传输系统中，在系统启动时启动各电光转换器31，从各光电转换器31输出的连续光或近似图案的光被波长复用器32复用，从而将WDM光L_S供应到光学放大器1的输入端口IN。在光学放大器1中，将输入的WDM光L_S发送到掺杂铒的光纤11，调整供应到掺杂铒的光纤11的泵浦光L_P的功率，从而连续改变从输出端口OUT输出到传输路径光纤2的WDM光L_S的功率。然后，由分光器23和光检测器24来监视在传输路径光纤2中与WDM光L_S的功率对应的SBS光L_SBS的产生状态。将监视结果发送到计算部25，与上述的相似，得到在输路径光纤2中的SBS发生阈值P_SBS^th。基于获得的阈值计算光学放大器1的光输出功率的上限值，并在系统启动后的操作时将测试结果反映在光学放大器1的光输出功率电平或增益的控制上。结果，能够避免由于SPM等导致的光输出性能的降低。

需要指出的是，在光输出系统的实施方式中，已经示出了在其中将根据本发明的光学放大器用作传输端的后置放大器的构造示例。然而，本发明不限于此，根据本发明的光学放大器可被用作例如在光中继器中的光学放大器或接收端的前置放大器。

另外，在光学放大器和光学传输系统的各实施方式中，已经描述了传输路径光纤2连接到光学放大器1的输出端口OUT的情况。然而，例如，在色散补偿光纤被连接到输出端口的情况下，像图7中描述的前置放大器中的前一级光学放大器121B的情况下也可以获得相同的功能和效果。另外，已经示出了利用掺杂铒的光纤的光学放大器的一个示例。然而，本发明对于已知的光学放大器也是有效的，如掺杂有除了铒之外的稀土元素的光学放大器、半导体光学放大器和光纤拉曼放大器等。