Raman
Amplification in Fiber Optical Communication Systems
Clifford Headley
Govind P. Agrawal Editors
Contents
Contributors ix
Preface xi
1 Introduction 1
1.1 Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Raman Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 4
1.3 Advantages of Raman Amplification . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 9
1.3.1 Improved Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 9
1.3.2 Improved Gain Flatness . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 11
1.4 Concerns in Raman Amplification . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 14
1.4.1 Multipath Interference . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 14
1.4.2 Pump Noise Transfer to the Signal . . . . . . . . . .
. . . . . 15
1.4.3 Noise Figure Tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 17
1.5 Advanced Concepts in Raman Amplification . . . . . . . .
. . . . . . 17
1.5.1 Bidirectional Pumping . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 19
1.5.2 Higher Order Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 19
1.5.3 Frequency Modulated Pumps . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 20
1.5.4 Broadband SpectralWidth Pump Sources . . . . . . . . .
. . 22
1.6 Pump Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 22
1.6.1 Diode Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 23
1.6.2 Raman Fiber Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 24
1.7 Summary of Chapters . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Theory of Raman Amplifiers 33
2.1 Pump and Signal Equations . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 34
2.1.1 Raman Gain Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 36
2.1.2 Single-Pump Raman Amplification . . . . . . . . . . .
. . . . 39
2.1.3 Multiple-Pump Raman Amplification . . . . . . . . . .
. . . 47
2.2 Performance Limiting Factors . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 51
2.2.1 Spontaneous Raman Scattering . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 52
2.2.2 Rayleigh Backscattering . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 59
2.2.3 Pump-Noise Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 63
v
vi CONTENTS
2.3 Effects of Polarization-Mode Dispersion . . . . . . . .
. . . . . . . . 66
2.3.1 Vector Theory of Raman Amplification . . . . . . . . .
. . . 67
2.3.2 Average Raman Gain and Signal Fluctuations . . . . . .
. . 72
2.3.3 Probability Distribution of Amplified Signal . . . . .
. . . . 76
2.3.4 Polarization-Dependent Gain . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 79
2.4 Ultrafast Raman Amplification . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 83
2.4.1 Pulse-Propagation Equations . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 84
2.4.2 Effects of Group-Velocity Mismatch . . . . . . . . . .
. . . . 88
2.4.3 Anomalous-Dispersion Regime . . . . . . . . . . . . .
. . . . 93
2.4.4 Normal-Dispersion Regime . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 95
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 97
3 Distributed Raman Amplifiers 103
3.1 Benefits of Distributed Raman Amplification . . . . . .
. . . . . . . 105
3.1.1 Upgradability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 106
3.1.2 Noise Improvements in Repeatered Systems . . . . . . .
. . 107
3.1.3 Bandwidth/Flatness . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 108
3.1.4 Gain at AnyWavelength . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 109
3.2 Beneficial Characteristics of Distributed Raman
Amplifiers . . . . 109
3.2.1 General Benefits from the Raman Scattering Process . .
. 110
3.2.2 Noise Properties of Distributed Raman Amplifiers . . .
. . 114
3.3 Challenging Characteristics of Distributed Raman Amplifiers
. . . 120
3.3.1 Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 124
3.3.2 Rayleigh Reflections . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 132
3.3.3 Time Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 140
3.4 Backward Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 149
3.4.1 Wavelength Multiplexing of Pumps . . . . . . . . . . .
. . . . 150
3.4.2 Broadened Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 152
3.4.3 Time-Division-Multiplexed Pumps . . . . . . . . . . .
. . . . 154
3.5 Advanced Pumping Configurations . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 156
3.5.1 Higher Order Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 157
3.5.2 Quiet Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 159
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 162
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 163
4 Discrete Raman Amplifiers 169
4.1 Basic Configuration and Its Model . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 169
4.1.1 Single-Pump Amplification . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 172
4.1.2 Multiple-Pump Amplification . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 174
4.1.3 Nonlinear Phase Shift . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 175
4.2 Gain Fibers and Material . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 176
CONTENTS vii
4.2.1 Raman Properties of Germano-Silicate Fibers . . . . .
. . . 177
4.2.2 Raman Properties of Other Fiber Materials . . . . . .
. . . . 178
4.3 Design Issues of Discrete Raman Amplifier . . . . . . .
. . . . . . . 180
4.3.1 Maximum Raman Gain as a Function of Fiber Length . .
180
4.3.2 Figure of Merit of Gain Fiber . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 182
4.3.3 Efficiency and Linearity . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 183
4.3.4 Pump-Mediated Noise . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 186
4.3.5 ASE Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 188
4.3.6 Nonlinear Effects and Double Rayleigh
Backscattering Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 191
4.3.7 Optimum Fiber Length and Number of Stages . . . . . .
. . 192
4.3.8 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 194
4.4 Dispersion-Compensating Raman Amplifiers . . . . . . . .
. . . . . 197
4.4.1 Dispersion-Compensating Fiber . . . . . . . . . . . .
. . . . . 197
4.4.2 DCF as a Raman Gain Fiber . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 199
4.5 Wideband Operation by WDM Pumping . . . . . . . . . . .
. . . . . 201
4.5.1 Wide Flat Composite Gain . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 202
4.5.2 Pump SRS Tilt—Effect of Saturation . . . . . . . . . .
. . . . 205
4.5.3 Signal SRS Tilt—How to Define Gain . . . . . . . . . .
. . . 205
4.5.4 Control of Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 206
4.5.5 Flattening Other Parameters . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 206
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 209
5 System Impairments 215
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 215
5.2 Pump Noise Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 216
5.2.1 Relative Intensity Noise . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 216
5.2.2 Undepleted Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 220
5.2.3 Performance Degradation Due to RIN . . . . . . . . . .
. . . 235
5.2.4 Impact of Pump Depletion . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 238
5.2.5 Measurements of RIN Transfer . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 240
5.2.6 Low RIN Pump Laser Technologies . . . . . . . . . . .
. . . 242
5.2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 246
5.3 Multipath Interference Penalties . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 249
5.3.1 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 250
5.3.2 Measurement of DRS Noise . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 256
5.3.3 MPI Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 261
5.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 263
5.3.5 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 263
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 264
viii CONTENTS
6 Semiconductor Pump Lasers 267
6.1 Technology Basis of High-Power Semiconductor Lasers . .
. . . . 267
6.1.1 High-Power Semiconductor Laser Module . . . . . . . .
. . 268
6.1.2 Fundamentals of High-Power Semiconductor
Laser Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 269
6.1.3 Other Approaches to High-Power Pump Laser . . . . . .
. . 278
6.1.4 Heat Exhaustion of the Laser Chip . . . . . . . . . .
. . . . . 281
6.1.5 Optical Coupling System . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 282
6.1.6 Performance of 14xx-nm Pump Lasers . . . . . . . . . .
. . . 283
6.2 Semiconductor Pump Lasers for Raman Amplifiers . . . . .
. . . . 286
6.2.1 Fiber Bragg Grating Lasers . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 287
6.2.2 Fabry-Perot Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 293
6.2.3 Inner-Grating Multimode Lasers . . . . . . . . . . . .
. . . . . 294
6.2.4 Hybrid Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 297
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 300
7 Cascaded Raman Resonators 303
7.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 304
7.1.1 Pump Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 307
7.1.2 Raman Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 313
7.1.3 Fiber Bragg Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 317
7.2 Design of a Cascaded Raman Resonator . . . . . . . . . .
. . . . . . . 323
7.2.1 Optimization of Fiber Length, Output Coupler
Reflectivity, and Splice Loss . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 325
7.2.2 Fiber Type and PumpWavelength Optimization . . . . . .
. 330
7.2.3 Linewidth Considerations . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 332
7.2.4 Noise Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 339
7.3 MultipleWavelength Cascaded Raman Resonators . . . . . .
. . . . 340
7.3.1 Obtainable Operating Points . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 347
7.3.2 Operating Point Stability . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 352
7.3.3 Temporal Behavior of a MWRFL . . . . . . . . . . . . .
. . . 353
7.3.4 Six-Wavelength Raman Fiber Lasers . . . . . . . . . .
. . . . 355
7.3.5 Second-Order Raman Fiber Lasers . . . . . . . . . . .
. . . . 357
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 361
Index 367
