Parametric amplification as an option for optical broadband amplification

Optische parametrische Verstärker (OPA) werden als Option zur optischen Breitbandverstärkung neben Erbium-dotierten Faserverstärkem (EDFA) und verteilter Ramanverstärkung (DRA) diskutiert. Faserbasierte OPAs beruhen auf dem nichtlinearen Effekt der Vierwellenmischung, der in Glasfasern aufgrund der vorhandenen Kerr-Nichlinearität auftritt. Die Verstärkung des Eingangssignals wird durch einen Energietransfer von einer oder zwei optischen Pumpwellen erzielt. Hohe Verstärkungen (> 30 dB) bei Pumpleistungen < 1 W können in hoch-nichtlinearen Spezialfasern (HNLF) mit kleinen Querschnitten durch die erhöhten Leistungsdichten realisiert werden. Der größte Vorteil von OPAs gegenüber EDFAs ist die Flexibilität des Verstärkungsprofils. Sowohl die Mittenwellenlänge (z.B. S-, C-, L-Band) als auch die Bandbreite (> 50 nm) des Verstärkers können mit Hilfe des Dispersionsprofils der HNLF bzw. durch die Wahl der Pumpwellenlänge angepasst werden. Durch die Möglichkeit der guten Ankopplung der HNLF an die Standard-Single-Mode-Faser und die inhärent rauscharme Verstärkung werden EDFAähnliche Rauschzahlen (> 4 dB) erreicht. Ein Nachteil des OPAs ist die Polarisationsabhängigkeit der Vierwellenmischung, die durch spezielle Anordnungen ausgeglichen werden kann. Die Verwendung eines HNLF-Rings, bei dem die beiden Signalpolarisationen in entgegengesetzter Richtung in eine einzelne HNLF eingestrahlt werden, wird im Detail diskutiert und Ergebnisse von Systemexperimenten mit direkt detektierten 112-Gb/s PolMux-DQPSK-Signalen werden präsentiert. Die Vierwellenmischung wird immer von Selbst- und Kreuzphasenmodulation begleitet. In Verbindung mit der ultrakurzen Zeitkonstante des Kerr-Effekts können diese beiden Effekte in OPAs Störungen der Signalphase verursachen. Betriebsbedingungen zur Vermeidung der Störungen werden detailliert diskutiert und Systemexperimente mit kohärent detektierten 112-Gb/s 16QAM-Signalen werden präsentiert.

Optical parametric amplification (OPA) will be discussed as an option for optical broadband amplification beside Erbium-doped fiber amplifiers (EDFA) and distributed Raman amplification (DRA). Fiber-based OPAs rely on the nonlinear effect of four-wave mixing (FWM) that occurs in silica fibers due to the underlying Kerr effect. The amplification of the input signal is realized by an energy transfer from one or two pump waves. High gain (> 30 dB) with pump powers < 1 W is yielded using special highly-nonlinear fibers (HNLF) that provide a small effective area and therefore high power densities. The largest advantage of OPAs against EDFAs is the flexibility of the gain spectrum. Both the center wavelength (e.g. S-, C-, L-band) and the bandwidth ( > 50 nm) of the amplifier can be adjusted by appropriately engineering the dispersion profile of the HNLF and by the choice of the pump signal(s) wavelength(s). Because of the low-loss coupling to the standard singlemode fiber and the inherently low-noise amplification, noise figures similar to EDFAs (> 4 dB) can be realized. A disadvantage is the polarization-dependence of the FWM process that has to be mitigated by polarization-diversity schemes. The usage of a HNLF-based loop which relies on the counter-propagation of the both signal polarizations is discussed in detail and results of system experiments using directly-detected 112 Gb/s-PolMux-DQPSK signals are presented. Furthermore, FWM is always accompanied by self- and cross-phase modulation (SPM and XPM). Due to the ultrafast response time of the Kerr nonlinearity, both effects can lead to distortions of the signal phase. This is discussed in detail and system experiments using coherently-detected 112-Gb/s 16QAM signals are presented.