DE19704685A1 - Optischer Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Verstärker, insbesondere einen optischen Mehrwellenlängenverstärker.

Optische Verstärker werden voraussichtlich in weitem Umfang bei künftigen Nachrichten- oder Datenübertragungs­ systemen eingesetzt. Gegenwärtig werden insbesondere mit Erbium dotierte Faserverstärker benutzt. Sie dienen dazu, ein optisches Signal, das über große Entfernungen in opti­ schen Fasern, möglicherweise in komplexen Netzen, ohne Rege­ neration übertragen wird, periodisch zu verstärken, um die Dämpfung des optischen Signals zu kompensieren, die eine Folge der langen Übertragungsstrecke ist.

Bei hohen Datengeschwindigkeiten und/oder langen Über­ tragungsstrecken, die für periodisch verstärkte Übertra­ gungsleitungen typisch sind, treten jedoch neue Probleme, beispielsweise eine Dispersion, auf. Das Wellenlängentei­ lungsmultiplexverfahren WDM stellt ein Verfahren dar, mit dem diese Schwierigkeiten überwunden werden können. Bei dem Wellenlängenteilungsmultiplexverfahren wird mit einer typi­ schen hohen Datengeschwindigkeit über mehrere optische Trä­ ger übertragen, und zwar jeweils mit einer anderen optischen Wellenlänge, so daß die Übertragungsgeschwindigkeit und die Übertragungskapazität größer sind.

Um die Beschreibung kurz zu halten, sei angenommen, daß ein optischer Träger einen Kanal darstellt. In den verschie­ denen Kanälen können sich verschiedene optische Leistungen entwickeln, die die Stärke der Signale wiedergeben. Diese Leistungsunterschiede können in optisch verstärkten Systemen außerordentlich groß sein, wenn die Signale gedämpft und wiederholt wiederverstärkt werden, oder wenn sie über ver­ schiedene Wege in einem optischen Netz gehen.

Die Leistungsunterschiede können die folgenden Gründe haben:

• (1) In den verschiedenen Kanälen kann der Verstärkungs- oder Übertragungsfaktor verschieden sein. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß dann, wenn sich der Wert des Verstärkungsfaktors eines homogen verbreiterten opti­ schen Verstärkers, wie beispielsweise eines mit Erbium do­ tierten Faserverstärkers, ändert, sich die Werte der Ver­ stärkungsfaktoren bei verschiedenen Wellenlängen normaler­ weise in unterschiedlichem Maße ändern. Es kann weiterhin schwierig oder sogar unmöglich sein, zu wissen, welcher Wert des Verstärkungsfaktors eines optischen Verstärkers wirksam ist, da insbesondere dieser Wert mit der Zeit variieren kann. Es wurden dennoch mit Erbium dotierte Faserverstärker entwickelt, deren Verstärkungsfaktor unabhängig von der Wellenlänge einen flachen Verlauf hat oder ausgeglichen ist, und bei denen insbesondere der Verstärkungsfaktor unabhängig von den Betriebsverhältnissen einen flachen Verlauf hat oder ausgeglichen ist. Der Verstärkungstaktor wird jedoch nie einen vollständig flachen Verlauf haben oder gleich sein. In Systemen mit vielen verknüpften oder verketteten optischen Verstärkern können selbst kleine Verstärkungsunterschiede zwischen den Kanälen das System beeinträchtigen und zu er­ heblichen Leistungsunterschieden führen.
• (2) In den verschiedenen Kanälen kann die Signaldämp­ fung (das heißt der Verlust) zwischen den Verstärkern ver­ schieden sein, was zu erheblichen Leistungsunterschieden führt. Was die Verstärkung anbetrifft, kann die Dämpfung gleichfalls mit der Zeit variieren, wobei diese Variation für verschiedene Wellenlängen in nicht vorhersehbarer Weise verschieden sein kann.

Daraus läßt sich schließen, daß es sehr unwahrschein­ lich ist, daß die Verstärkung und die Dämpfung bei mehreren Wellenlängen gleichzeitig für die Mehrzahl der Betriebsver­ hältnisse zueinander passen. (Bei Einwellenlängensystemen tritt das im Gegensatz dazu bei irgendeiner Wellenlänge solange auf, wie der Verlust die Verstärkung, die von den optischen Verstärkern verfügbar ist, nicht überschreitet). Das trifft insbesondere deswegen zu, weil die Dämpfung zwi­ schen den Verstärkern sich nachvollziehbar mit verschiedenen Wellenlängenabhängigkeiten aus verschiedenen Gründen ändert. Beispiele dieser Gründe können die Spleißverschlechterung, der Einbau von Leistungsteilern oder anderen optischen Ele­ menten in den Übertragungsweg, der Einbau von Dispersions­ kompensationsfasern und die Zunahme von Mikrobiegungsver­ lusten sein. Bei einer derartigen Ungewißheit in der Vorher­ sage der Signalleistungen infolge der Abhängigkeit des Ver­ lustes an Signalleistung von den Wellenlängen ist es tat­ sächlich unmöglich, einen flachen Verstärkungsfaktor mit sich ändernden Zwischenverstärkerverlusten bei homogen ver­ breiterten Verstärkern, wie mit Erbium dotieren Faserver­ stärkern, sicherzustellen.

Selbst wenn die Verstärkung und die Verluste immer für alle Kanäle ausgeglichen wären, das heißt, wenn die Summe aus Verstärkung und Verlusten (einschließlich eines negati­ ven Vorzeichens) gleich 0 dB für alle Kanäle wäre, stellt das noch nicht sicher, daß die Leistungen in allen Kanälen gleich sind. Ungleiche Leistungen Können auch aus den fol­ genden Gründen auftreten:

• (1) Die Eingangssignalleistung in das System kann bei verschiedenen Wellenlängen verschieden sein.
• (2) Es können verschiedene Signale über verschiedene Kanäle in einem komplexen Netz mit Leitweglenkung gehen. Wenn die Signale wieder kombiniert werden, werden ihre Lei­ stungen höchstwahrscheinlich voneinander verschieden sein, es sei denn, es wird eine gewisse Art an Leistungssteuerung für jedes individuelle Signal verwandt.
• (3) Es können abstimmbare optische Abzweigungen ver­ wandt sein, die die Kanäle selektiv in nicht vorhersehbarer Weise dämpfen können.

Für viele Anwendungszwecke wäre es besser, wenn die optischen Verstärker die Leistung der verschiedenen Kanäle gleich machen würden (automatischer Leistungsausgleich), statt den Verstärkungsfaktor gleich zu machen. Die Lei­ stungsunterschiede sollten wenigstens innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden. Das macht es erforderlich, daß der Leistungsfaktor eines Kanals mit niedriger Eingangsleistung außerhalb dieser Grenzen höher als für die Kanäle mit Lei­ stungen innerhalb der Grenzen ist. Dieser Effekt wird als automatische Mehrkanalleistungssteuerung MAPC bezeichnet. Wenn in einem periodisch verstärkten Übertragungssystem eine derartige automatische Mehrkanalleistungssteuerung erfolgt, dann kompensiert die Verstärkung die Verluste für jeden und für alle Kanäle, um passende Kanalleistungen zu erzielen. Das wird als automatische Mehrkanalleistungssteuerung MAGC bezeichnet. Das System bekommt somit einen relativen Schutz gegenüber Änderungen im Verlust zwischen den Verstärkern, obwohl die Gleichgewichtssignalleistungen sich dann wahr­ scheinlich ändern werden.

Es ist allgemein bekannt, daß eine automatische Mehr­ kanalleistungssteuerung in inhomogen verbreiterten Verstär­ kern erzielt werden kann. Die auf dem Markt erhältlichen mit Erbium dotierten Faserverstärker sind jedoch vorherrschend homogen bei Raumtemperatur verbreitert. Das hat zur Folge, daß der Verstärkungsfaktor bei einer Wellenlänge mit einer guten Annäherung ausschließlich oder in einzigartiger Weise zum Verstärkungsfaktor aller anderen Wellenlängen in Bezie­ hung steht. Es kann daher nicht gesagt werden, daß der Ver­ stärkungsfaktor eines Kanals mit hoher Leistung kleiner als der eines Kanals mit niedriger Leistung ist. Das heißt mit anderen Worten, daß die Verstärkungsfaktoren von den Wellen­ längen der Kanäle abhängen.

Bei einem inhomogen verbreiterten Verstärker ist im Gegensatz dazu der Verstärkungsfaktor bei einer Wellenlänge teilweise von dem Verstärkungsfaktor bei den anderen Wellen­ längen unabhängig. Bei einem Langstreckenwellenlängentei­ lungsmultiplex ist unter der Voraussetzung, daß der Verstär­ kungsfaktor bei anderen Wellenlängen wenigstens in einem gewissen Maße nicht beeinflußt wird, der Verstärkungsfaktor bei einer Wellenlänge kleiner, wenn die Leistung bei dieser Wellenlänge größer wird. Wenn es andererseits ein starkes Signal gibt, das den Verstärkungsfaktor bei einer anderen Wellenlänge komprimiert, dann kann der Verstärkungsfaktor bei der ersten Wellenlänge groß bleiben.

Es sind verschiedene Verfahren für die automatische Mehrkanalleistungssteuerung und die automatische Mehrkanal­ verstärkungssteuerung bei einem mit Erbium dotierten Faser­ verstärker vorgeschlagen worden:

• 1. Ein Verfahren beruht auf der Abkühlung eines Ver­ stärkungsmediums, das heißt der mit Erbium dotierten Faser, auf sehr niedrige Temperaturen. Es wird zwar berichtet, daß dieses Verfahren sehr gut arbeitet, die zusätzliche Kompli­ ziertheit in der Apparatur, die eine Folge der Abkühlung ist, stellt jedoch einen signifikanten Nachteil dar.
• 2. Bei einem anderen Verfahren wird ein mit Erbium do­ tierterter Faserverstärker mit Doppelkern verwandt, um einen von verschiedenen Wellenlängen durchlaufenen Weg räumlich zu trennen. In diese Weise wird effektiv ein Verstärkungsmedium insgesamt inhomogen verbreitert, obwohl jeder und alle Punk­ te im Verstärkungsmedium selbst homogen verbreitert sind. Auch dieses Verfahren hat gewisse Nachteile, wie beispiels­ weise die bekannte Tatsache, daß ein mit Erbium dotierter Faserverstärker mit Doppelkern ein stärkeres Rauschen als Einzelkerne erzeugt, daß eine unerwünschte Polarisations­ abhängigkeit auftreten kann, daß ein erheblicher Leistungs­ verlust entstehen kann und daß die Herstellung von Doppel­ kernfasern schwierig sein kann.
• 3. Bei noch einem anderen Verfahren werden Multiplex­ wellenlängen in wellenlängenselektive Koppler aufgespalten und in verschiedenen mit Erbium dotierten Fasern verstärkt. Die Verstärkungsfaktoren der verschiedenen Kanäle können somit voneinander entkoppelt werden, was einer inhomogenen Verbreiterung entspricht. Nachteile dieses Ansatzes bestehen darin, daß der Verstärker komplizierter wird und eine Pump­ leistung nicht effizient ausgenutzt wird.

Um die obigen Schwierigkeiten zu beseitigen, soll durch die vorliegende Erfindung ein mehrstufiger optischer Mehr­ wellenlängenverstärker geschaffen werden, der eine automati­ sche Leistungssteuerung oder Verstärkungssteuerung erlaubt, indem verschiedene Arten von Verstärkungsmedien in einem System mit großen Verlusten, beispielsweise einem System für eine Langstreckenübertragung, verwandt werden.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine optische Ver­ stärkerkaskade geschaffen werden, in der optische Verstärker für eine optische Mehrwellenlängensignalverstärkung in Reihe geschaltet sind, um in der Kaskade als ganzem eine automati­ sche Mehrkanalleistungssteuerung oder Mehrkanalverstär­ kungssteuerung zu ermöglichen.

Durch die Erfindung soll schließlich auch eine opti­ scher Mehrwellenlängenverstärkerkaskade zur automatischen Verlustneigungskompensation ALTC innerhalb eines bestimmtes Wellenlängenbereiches im Gegensatz zum herkömmlichen ver­ stärkten Wellenlängenteilungsmultiplexsystem geschaffen werden.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße optische Verstärkersy­ stem mehrere Verstärkungsmedien, die in Reihe geschaltet und so angeordnet sind, daß sie ein Signal mit mehreren Wellen­ längen verstärken, wobei wenigstens einige der Verstärkungs­ medien in der Sättigung arbeiten und andere der Verstär­ kungsmedien spektral so verschieden sind, daß sie primär mit anderen Wellenlängen wechselwirken, so daß bei einer Abwei­ chung der Signalleistungen von einer ausgeglichenen Vertei­ lung zwischen den Wellenlängen das optische Verstärkersystem so arbeitet, daß es die Signalleistungen in Richtung auf die ausgeglichene Verteilung zurückführt.

Das obige optische Verstärkersystem kann einen einzigen optischen Verstärker umfassen, in dem die Verstärkungsmedien in Reihe geschaltet sind.

Das obige optische Verstärkersystem kann auch eine Vielzahl von optischen Verstärkern umfassen, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder optische Verstärker wenigstens eines der Vielzahl von Verstärkungsmedien hat.

Vorzugsweise ist eines der Verstärkungsmedien eine mit Erbium dotierte Faser.

Eines der Verstärkungsmedien kann eine mit Erbium do­ tierte Aliminosilikatfaser sein.

Die mit Erbium dotierte Faser muß nicht absolut rein eine Aluminosilikatfaser sein, da eine geringe Menge an Germanium in der Aluminosilikatfaser das Spektrum nicht signifikant beeinflussen wird.

Eines der Verstärkungsmedien kann eine mit Erbium do­ tierte Germanosilikatfaser sein.

Die mit Erbium dotierte Faser muß nicht absolut rein eine Germanosilikatfaser sein, da eine kleine Menge an Alu­ minium in der Germanosilikatfaser das Spektrum nicht signi­ fikant beeinflussen wird.

Eines der Verstärkungsmedien kann eine mit Erbium do­ tierte Phosphosilikat- oder Aluminophosphosilikatfaser sein.

Je nach Wunsch kann für eines der Verstärkungsmedien die Verstärkungsschwankung auf der ersten Wellenlänge größer als die Verstärkungsschwankung auf einer zweiten Wellenlänge sein, während in einem anderen Verstärkungsmedium das Ent­ gegengesetzte der Fall ist.

Vorzugsweise sind das erste und das zweite Verstär­ kungsmedium abwechselnd in Reihe geschaltet.

Ein optisches Verstärkersystem der oben beschriebenen Art kann für eine Mehrwellenübertragung in einem Wellenlän­ genbereich ausgebildet sein, wobei das erste und das zweite der Verstärkungsmedien primär mit Wellenlängen an jeweils gegenüberliegenden Enden des Wellenlängenbereiches wechsel­ wirken.

Vorzugsweise sind die Verstärkungsmedien homogen ver­ breitert.

Ein optisches Verstärkersystem der oben beschriebenen Art kann optische Begrenzungsverstärker OLA umfassen, um die signalleistungsinduzierte Verstärkungskompression zu erhö­ hen.

Ein optisches Verstärkersystem der oben beschriebenen Art kann Filter enthalten, um für verschiedene Verstärkungs­ charakteristiken in verschiedenen Verstärkungsmedien zu sor­ gen, derart, daß die jeweiligen Verluste in Verbindung mit jedem der Verstärkungsmedien bei Wellenlängen groß sind, bei denen die jeweilige Verstärkungsschwankung klein ist.

Vorzugsweise heben sich die spektralen Abhängigkeiten der Verstärkungsschwankungen in verschiedenen Verstärkungs­ medien im wesentlichen bei bestimmten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen auf.

Eines der Verstärkungsmedien kann eine mit Erbium do­ tierte Germanosilikatfaser mit einem geringen Aluminiumge­ halt oder ohne Aluminiumgehalt sein, so daß die Verstär­ kungsschwankung g_p-p mit einer Wellenlänge im Bereich von 1543 bis 1549 nm zunimmt, während die Verstärkungsschwankung wenigstens eines anderen Verstärkungsmediums im selben Be­ reich abnimmt.

Ein derartiges optisches Verstärkersystem kann dazu ausgelegt sein, Wellenlängen im Bereich von 1540 bis 1552 nm zu übertragen.

Das andere Verstärkungsmedium kann aus einer Gruppe gewählt sein, die mit Erbium dotierte Aluminogermanosilikat­ fasern mit hohem Aluminiumgehalt, mit Erbium dotierte Fasern aus phosphordotiertem Silikat und mit Erbium dotierte Phosphatfasern einschließt.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Beispiel eines optischen Verstärkers oder eines optischen Verstärkersystems mit vielen Verstärkungs­ medien,

Fig. 2 ein Beispiel eines Zweiwellenlängenringlasers auf der Grundlage von mit Erbium dotierten Faserverstärkern,

Fig. 3 das Übertragungsspektrum einer niedrigeren Fil­ terdämpfungskombination vom Eingang 14 zum Ausgang 19 bei dem Laser von Fig. 2,

Fig. 4 das Ausgangsspektrum eines Zweiwellenlängenring­ lasers mit zwei mit Erbium dotierten Faserverstärkern auf der Grundlage von mit Erbium dotierten Aluminogermanosili­ katfasern mit hohem Aluminiumgehalt,

Fig. 5 das Ausgangsspektrum eines Zweiwellenlängenring­ lasers, wobei die Dämpfung um 3 dB in allen Dämpfungsglie­ dern der Vorrichtung herabgesetzt ist, deren Ausgangssignal in Fig. 4 dargestellt ist,

Fig. 6 das Ausgangsspektrum eines Zweiwellenringlasers, bei dem die Dämpfung um 2 dB in allen Dämpfungsgliedern der Vorrichtung erhöht ist, deren Ausgangssignal in Fig. 4 dar­ gestellt ist,

Fig. 7 ein zusammengesetztes Ausgangsspektrum, das die Spektra der Fig. 4 bis 6 einschließt,

Fig. 8 die Ausgangsleistung für zwei verschiedene Wel­ lenlängen von 1551,8 nm und 1559,8 nm in einem Zweiwellen­ ringlaser auf der Grundlage von zwei mit Erbium dotierten Faserverstärkern, die mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwenden, wenn sich alle Dämpfungsglieder gleichförmig ändern,

Fig. 9 die Ausgangsleistung für zwei verschiedene Wel­ lenlängen von 1551,8 nm und 1559,8 nm in einem Zweiwellen­ längenringlaser auf der Grundlage eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwendet, und eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium do­ tierte hochaluminiumfreie Germanosilikatfasern verwendet, wenn sich alle Dämpfungsglieder gleichförmig ändern,

Fig. 10 die Ausgangsleistung für zwei verschiedene Wellenlängen von 1541,9 nm und 1549,8 nm in einem Zweiwel­ lenlängenringlaser auf der Grundlage eines mit Erbium do­ tierten Faserverstärkers, der mit Erbium dotierte Alumino­ germanosilikatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwendet, und eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium dotierte aluminiumfreie Germanosilikatfasern verwen­ det, wenn sich alle Dämpfungsglieder gleichförmig ändern,

Fig. 11 die Ausgangsleistung für zwei verschiedene Wellenlängen von 1541,9 nm und 1549,8 nm in einem Zweiwel­ lenlängenringlaser auf der Grundlage von zwei mit Erbium dotierten Faserverstärkern, die mit Erbium dotierte Alumino­ germanosilikatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwenden, wenn sich alle Dämpfungsglieder gleichförmig ändern,

Fig. 12 eine zusammengesetzt Graphik der graphischen Darstellungen der Ausgangsleistung der Fig. 8 bis 11,

Fig. 13 ein Ausgangsspektrum für die Bezugsdämpfungs­ festlegung (die einer Dämpfungsänderung von 0 dB in allen Dämpfungsgliedern entspricht) einer Vorrichtung, deren Aus­ gangsleistung in Fig. 10 dargestellt ist,

Fig. 14 ein Ausgangsspektrum für den Fall, daß sich die Dämpfung um -3,0 dB in allen Dämpfungsgliedern der Vorrich­ tung ändert, deren Ausgangsleistung in Fig. 10 dargestellt ist,

Fig. 15 eine Ausgangsspektrum für den Fall, daß sich die Dämpfung um +3,0 dB in allen Dämpfungsgliedern der Vor­ richtung ändert, deren Ausgangsleistung in Fig. 10 darge­ stellt ist,

Fig. 16 ein zusammengesetztes Ausgangsspektrum eines Zweiwellenlängenringlasers für den Fall, daß sich die Dämp­ fung um 1,0 und 2,0 dB in allen Dämpfungsgliedern der Vor­ richtung ändert, deren Ausgangsleistung in Fig. 10 darge­ stellt ist, und zwar zusammen mit den Ausgangsspektren der Fig. 13 bis 15,

Fig. 17 die Ausgangsleistung eines Zweiwellenlängen­ ringlasers auf der Grundlage von zwei mit Erbium dotierten Faserverstärkern, die mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt für zwei verschiedene Wellenlängen von 1551,8 nm und 1559,8 nm verwenden, wobei nur eines der Dämpfungsglieder von Fig. 2 von einer Bezugs­ position abweicht, um dadurch nur eine der beiden Wellenlän­ gen zu beeinflussen,

Fig. 18 die Ausgangsleistung eines Zweiwellenlängen­ ringlasers auf der Grundlage eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwendet, und eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium do­ tierte aluminiumfreie Germanosilikatfasern verwendet, und zwar für zwei verschiedene Wellenlängen von 1551,8 nm und 1559,8 nm, wenn nur eines der Dämpfungsglieder von Fig. 2 von der Bezugsposition abweicht, um dadurch nur eine der beiden Wellenlängen zu beeinflussen,

Fig. 19 die Ausgangsleistung eines Zweiwellenlängen­ ringlasers auf der Grundlage eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwendet, und eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium do­ tierte aluminiumfreie Germanosilikatfasern verwendet, und zwar für zwei verschiedene Wellenlängen von 1541,9 nm und 1549,8 nm, wenn nur eines der Dämpfungsglieder von Fig. 2 von der Bezugsposition abweicht, um dadurch nur eine der beiden Wellenlängen zu beeinflussen,

Fig. 20 die Ausgangsleistung eines Zweiwellenlängen­ ringlasers auf der Grundlage von zwei mit Erbium dotierten Faserverstärkern, die mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwenden, und zwar für zwei verschiedene Wellenlängen von 1541,9 nm und 1549,8 nm, wenn nur eines der Dämpfungsglieder von Fig. 2 von der Bezugsposition abweicht, um dadurch nur eine der beiden Wellenlängen zu beeinflussen,

Fig. 21 die Ausgangsleistung eines Zweiwellenlängen­ ringlasers auf der Grundlage eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der mit Erbium dotierte Aluminogermanosi­ likatfasern mit hohem Aluminiumgehalt verwendet, und eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers, der aluminiumfreie mit Erbium dotierte Germanosilikatfasern verwendet, und zwar für zwei verschiedene Wellenlängen von 1529,4 nm und 1536,2 nm, wenn nur eines der Dämpfungsglieder von Fig. 2 von einer Bezugsposition abweicht, um nur eine der beiden Wellenlängen zu beeinflussen,

Fig. 22 ein zusammengesetztes Diagramm, das die ausge­ koppelte Ausgangsleistung nach Maßgabe der Dämpfungsänderun­ gen bei nur einer Wellenlänge zeigt, die von den Fig. 17 bis 21 abgeleitet sind,

Fig. 23 das Ausgangsspektrum für eine Bezugsdämpfungs­ einstellung (entspricht einer Dämpfungsänderung von 0 dB in allen Dämpfungsgliedern) der Vorrichtung, deren Ausgangs­ leistung in Fig. 21 dargestellt ist,

Fig. 24 ein Ausgangsspektrum, wenn in Fig. 21 die Dämp­ fung um -5,0 dB in allen Dämpfungsgliedern geändert wird,

Fig. 25 ein Ausgangsspektrum, wenn in Fig. 21 die Dämp­ fung um +3,0 dB in allen Dämpfungsgliedern geändert wird,

Fig. 26 ein zusammengesetztes Diagramm, das ein Aus­ gangsspektrum eines Zweiwellenlängenringlasers zeigt und von den Fig. 23 bis 25 abgeleitet wurde,

Fig. 27 in einer schematische Darstellung eine unter­ suchte Kaskade für den Fall, daß sich k verschiedene Wellen­ längen über eine Kaskade mit 150 verschiedenen Kettenelemen­ ten CE fortpflanzen, von denen jedes aus zwei Unterketten­ elementen besteht, wobei insgesamt die Kaskade 300 mit Erbi­ um dotierte Faserverstärker lang ist,

Fig. 28 das Signalrauschverhältnis des schlechtesten Kanals gegenüber der Verlustneigungsänderung, wobei die Ergebnisse für ein System C (punktierte Kurve) mit Verlust­ neigungsvorspannung und ohne Verlustneigungsvorspannung (gestrichelte Kurve) und Ergebnisse für ein System B ohne Verlustneigungsvorspannung (ausgezeichnete Kurve) darge­ stellt sind,

Fig. 29 das Signalrauschverhältnis des schlechtesten Kanals gegenüber den Zwischenstreckenverlusten, wobei die Ergebnisse für ein System C mit (punktierte Kurve) und ohne (gestrichelte Kurve) Verlustneigungsvorpannung und Ergeb­ nisse für ein System B (ausgezeichnete Kurve) und ein System A (strichpunktierte Kurve) beide ohne Verlustneigungsvor­ spannung dargestellt sind,

Fig. 30 die Ausgangsleistungscharakteristik gegenüber der Eingangsleistungscharakteristik für einen typischen optischen Verstärker und einen optischen Begrenzungsverstär­ ker,

Fig. 31 die Zweiwellenübertragung in einer Kaskade abwechselnder optischer Verstärker einer typischen nicht optisch begrenzenden Verstärkerart beim normalen Betrieb,

Fig. 32 die Zweiwellenlängenübertragung in einer Kaska­ de abwechselnder optischer Verstärker einer typischen nicht optisch begrenzenden Verstärkerart im gestörten Betrieb,

Fig. 33 die Zweiwellenübertragung in einer Kaskade abwechselnder optischer Begrenzungsverstärker im normalen Betrieb und

Fig. 34 die Zweiwellenübertragung in einer Kaskade abwechselnder optischer Begrenzungsverstärker im gestörten Betrieb.

Eine optische Übertragungsstrecke oder ein optisches Übertragungsglied, ein optisches Übertragungsnetz, ein opti­ scher Verstärker und ein Mehrwellenlängenlaser für eine automatische Mehrkanalleistungssteuerung MAPC oder Mehrka­ nalverstärkungssteuerung MAGC unter Verwendung verschiedener Arten von Verstärkungsmedien werden im folgenden als Aus­ führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Es enthält wenig­ stens zwei verschiedene wellenlängenabhängige Verstärkungs­ medien GM wenigstens zweier verschiedener Arten. Die Ver­ stärkungsmedien werden separat oder kollektiv über eine optische Einrichtung oder eine andere Einrichtung gepumpt und sind voneinander durch lineare oder nicht lineare Dämp­ fungsmedien, beispielsweise Übertragungsfasern, getrennt. Dämpfungselemente sind nach Wunsch weiterhin in die Verstär­ kungsmedien eingelegt.

Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung. Es ist möglich, alle Bauelemente als Teil eines einzelnen optischen Verstär­ kers anzusehen. Dann zeigt Fig. 1 einen optischen Verstärker für die MAPC/MAGC. Der Verstärker kann in Form einer ein­ zigen Baueinheit verwirklicht werden. Das heißt mit anderen Worten, daß alle Bauelemente von Fig. 1 in einem Kasten angeordnet werden können, der einen optischen Verstärker für die MAPC/MAGC darstellt. Alternativ können wenigstens Teile der Verluste zwischen den Verstärkungsmedien durch die Über­ tragungsfaser verursacht sein. In diesem Fall stellt Fig. 1 drei optische Verstärker dar (von denen jeder im typischen Fall eine einzeln gepumpte Baueinheit bildet), die durch zwei Übertragungsfaserzüge getrennt sind. Dann ist Fig. 1 tatsächlich einem Teil eines Übertragungsgliedes oder Netz­ werkes äquivalent, das die inhärente Fähigkeit zur MAGC/ MAPC/ALTC hat. Wenn alternativ der Signalausgang von Fig. 1 mit dem Signaleingang (mit einem Ausgangskoppler oder viel­ leicht einem anderen dazwischen befindlichen Dämpfungsele­ ment) verbunden ist, dann ist ein ringartiger Laserresonator gebildet und zeigt Fig. 1 einen Mehrwellenlaser mit MAPC.

Für bestimmte oder sich ändernde Betriebsverhältnisse findet eine automatische Verteilung oder Neuverteilung der Verstärkung zwischen den verschiedenen Verstärkungsmedien statt, so daß die Vorrichtung eine MAPC für den Laser sowie eine MAPC oder ALTC für den Wellenlängenteilungsmultiplex WDM erfüllt. Im folgenden werden kurz die Erfordernisse für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben:

1. MAPC oder ALTC für WDM

Wenn der Aufbau von Fig. 1 (oder eine Kombination ver­ schiedener Anordnungen) in Kaskade ausgebildet wird (mit Übertragungsfasern dazwischen), wird das sich ergebende Übertragungsglied oder die sich ergebende Übertragungsstrec­ ke in der Lage sein, die Übertragung gleichzeitig auf wenig­ stens zwei Wellenlängen zu unterstützen. Die Übertragung in der Kaskade ist in einem gewissen Maß insbesondere immun gegenüber Änderungen der wellenlängenunabhängigen und wel­ lenlängenabhängigen Verluste zwischen den Verstärkern. Sie hat weiterhin eine gewisse Fähigkeit des Leistungsaus­ gleichs.

2. MAPC für Laser

Wenn der optische Verstärker in Fig. 1 oder eine Kom­ bination verschiedener optischer Verstärker nach Fig. 1 die Grundlage für einen Laser bildet, dann kann der Laser Strah­ len auf mehr als einer Wellenlänge gleichzeitig aussenden. Der Laser ist insbesondere in gewissem Maße immun gegenüber Änderungen der wellenlängenabhängigen und wellenlängenunab­ hängigen Verluste im Resonator.

Die Kriterien erfordern, daß die Verstärkung auf einer Wellenlänge nicht ausschließlich zu der Verstärkung auf der anderen Wellenlänge in Beziehung steht. Die Verstärkungs­ medien werden als homogen verbreitert angenommen.

Im folgenden wird beschrieben, wie die Verstärkung in homogen verbreiterten Verstärkungsmedien berechnet werden kann. Auf der Grundlage dieser Beschreibung wird sich erge­ ben, wie Einrichtungen aufgebaut werden können, derart, daß die Gesamtverstärkung zwischen verschiedenen homogen ver­ breiterten Verstärkungsmedien so umverteilt werden kann, daß die obigen Kriterien erfüllt sind.

Für einen optischen Verstärker auf der Grundlage eines einzigen homogen verbreiterten Verstärkungsmediums kann die Verstärkung G (in dB) bei einer Wellenlänge λ geschrieben werden als:

G(n₂,λ) = [g*(λ)n₂-α(λ) (1-n₂)]L-f(λ) = g_p-p(λ)n₂L-α(λ)L-f(λ) (1),

wobei L die Länge des Verstärkungsmediums ist, α(λ) das Absorptionsspektrum des Verstärkungsmediums in Dezibel pro Meter bezeichnet, g*(λ) die Verstärkung in Dezibel pro Meter des Mediums bei vollständiger Inversion ist, g_p-p(λ) ≡ [g*(λ) + α(λ)] der Verstärkungsbereich in Dezibel pro Meter be­ zeichnet, n₂ der Anregungsgrad, das heißt das Verhältnis der verstärkenden (d. h. aktiven) Zentren (beispielsweise der Er³⁺-Ionen) im angeregten metabilen Zustand zu der Gesamt­ anzahl von Zentren ist und f(λ) zusätzliche Verluste be­ zeichnet, die beispielsweise durch ein Filter hervorgerufen werden, das vor, hinter oder in dem optischen Verstärker angeordnet ist. In einem Netz kann f(λ) auch die Übertra­ gungsverluste in einer optischen Faser vor oder hinter dem optischen Verstärker sowie die Abzweigungsverluste und ande­ re Arten von Verlusten bezeichnen. Wenn n₂ in geeigneter Weise über die Quer- und Längskoordinaten eines sich fort­ pflanzenden Lichtstrahles gemittelt wird, dann ist die Gleichung (1) exakten, jedoch komplexeren Ausdrücken äquivalent, die explizite Transversal- und Longitudinalintegrationen involvieren. Für einen gegebenen optischen Verstärker für den vorliegenden Zweck sind L, α(λ) und g*(λ) spezifische Eigenschaften, die sich zeitlich nicht ändern. Für einen gegebenen homogen verbreiterten optischen Verstärker ist die Verstärkung bei einer und allen Wellenlängen somit durch den Wert von n₂ bestimmt, der seinerseits von den Eingangspump- und Signalleistungsspektren abhängt. Die Verstärkung (Spek­ trum) bei einem festen Wert n₂ ist als Sperrinversionsver­ stärkung (Spektrum) bekannt. Nur der Grundzustand und der metastabile Zustand der aktiven Zentren werden in Gleichung (1) als besetzt angesehen. Das ist eine vernünftige Approxi­ mation für viele realistische Verstärkungsmedien. Wenn ande­ re Pegel bezeichnend besetzt sind, sollte eine zusätzlicher Freiheitsgrad eingeführt werden. Dieser zusätzliche Frei­ heitsgrad beeinflußt den homogenen Charakter der Verstärkung nicht signifikant, so daß dieselben hier dargestellten Er­ gebnisse gültig sind.

Obwohl bei der obigen Beschreibung angenommen wurde, daß die Verluständerung und α und g* konstant sind, versteht es sich, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel gegenüber Änderungen in α und g*, die beispielsweise durch Temperatur­ änderungen hervorgerufen werden, gleichfalls immun ist. Es zeigt sich aus den folgenden Gleichungen 6 und 7, daß sich auch α und g* um denselben Betrag ändern können, ohne daß entweder G_2,1 oder G_1,2 kleiner als Null wird.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß n₂ wellenlängenunabhängig ist. Das ist eine gute Approximation für realistische mit Erbium dotierte Faserverstärker EDFA, wenn die verstärkenden Erbiumionen auf den Kern einer Ein­ modenfaser beschränkt sind. Die Inhomogenität, die durch einen wellenlängenabhängigen Wert n₂ eingeführt würde, würde wie alle anderen Inhomogenitäten die MAPC verbessern.

Bei einem wellenlängenunabhängigen Wert n₂ folgt somit aus der Gleichung (1), daß für einen gegebenen Wert der Verstärkung für ein Signal auf einer Wellenlänge nur ein wellenlängenabhängiger Wert der Verstärkung bei einer ande­ ren Wellenlänge möglich ist. Eine derartige Verstärkung kann höher oder niedriger als die Verstärkung auf der ersten Wellenlänge sein, und solange die Verstärkung auf der ersten Wellenlänge festliegt, ist die Verteilung der Leistung zwi­ schen den Kanälen ohne Belang. MAPC, MAGC und ALTC sind folglich nicht möglich.

Wenn alle optischen Verstärker in einem Übertragungs­ glied oder Netz aus einem Verstärkungsmedium mit identischen Spektren g*(λ) und α(λ) bestehen, dann kann die Gleichung (1) auf das Übertragungsglied oder Netz insgesamt gleich­ falls angewandt werden. Es wird daher in einem Netz, für das die Verstärkung in homogen verbreiterten Verstärkungsmedien gleicher Art stattfindet, keine MAPC, MAGC oder ALTC möglich sein.

Aus Gleichung (1) folgt, daß sich die Verstärkung mit n₂ wie folgt ändert:

δG(n₂, λ)/δn₂ = [g*(λ) + α(λ)]L = g_p-p(λ)L (2)

Eine Änderung der (Sperrinversions)Verstärkung ΔG₁ bei einer Wellenlänge λ₁ steht somit zu der Änderung der (Sperrinver­ sions)Verstärkung ΔG₂ bei einer anderen Wellenlänge λ₂ in der folgenden Weise in Beziehung:

ΔG₁/ΔG₂ = g_p-p(λ₁)/g_p-p(λ₂) (3)

In dem Fall, in dem mehrere verschiedene Arten von homogen verbreiterten Verstärkungsmedien benutzt werden, kann die Gesamtverstärkung nicht durch die Gleichung (1) oder einen einzigen Wert n₂ beschrieben werden. Statt dessen kann die Verstärkung jedem der k verschiedenen Verstärkungsmedien oder Arten von Verstärkungsmedien zugeschrieben werden. Die Verstärkung kann geschrieben werden als:

wobei die Symbole dieselbe Bedeutung wie in Gleichung (1) haben, allerdings mit der Ausnahme, daß ein Index hinzuge­ fügt ist, um die Werte bezüglich verschiedener Arten von Verstärkungsmedien zu unterscheiden. f(λ) ist beispielsweise die Gesamtdämpfung für den betrachteten Übertragungsweg der möglichen Filter und/oder die Hintergrundverluste usw. in Dezibel. Aus der elementaren linearen Algebra folgt, daß die Gleichung (4) allgemein willkürliche unabhängige Werte der Verstärkung bei k verschiedenen Wellenlängen zuläßt, solange die Bedingung 0<n_2,i<1 für alle i ∈ [1,k] erfüllt ist. Der Anregungsgrad in einem Verstärkungsmedien ist durch das eingegebene Signal und die eingegebenen Pumpleistungen be­ stimmt. In einer Kaskade von optischen Verstärkern hängen diese Leistungen ihrerseits wiederum sowohl von den opti­ schen Verstärkern selbst als auch von den dazwischen auf­ tretenden Verlusten ab.

Der wesentliche Aspekt des vorliegenden Ausführungsbei­ spiels der Erfindung besteht darin, ein System von optischen Verstärkern zu schaffen, um automatisch die Verstärkung zwischen verschiedenen Verstärkungsmedien zu verteilen oder neu- bzw. umzuverteilen, derart, daß die Kriterien für die MAPC und die ALTC erfüllt sind, ohne daß auf irgendeine Überwachung der Lichtleistungen oder eine elektronischen Steuerung gewisser Bauelemente zurückgegriffen wird.

Ein derartiges System wird im folgenden beschrieben.

Fig. 2 zeigt einen Ringlaser auf der Grundlage von mit Erbium dotierten Faserverstärkern EDFA. Zwei abstimmbare Bandpaßfilter 15 und 16 steuern die Laserwellenlängen, und durch Einstellung der Dämpfungsglieder kann eine Strahlungs­ erzeugung auf einer, beiden oder keiner der potentiellen Wellenlängen erhalten werden. Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Übertragung der niedrigeren Filterdämpfungskombination vom Y-Zweig 14 auf den Y-Zweig 19 in Fig. 2.

Die Dämpfungsglieder werden so eingestellt, daß die Laserstrahlung gleichzeitig auf zwei Wellenlängen mit annä­ hernd der gleichen ausgekoppelte Leistung für beide Wellen­ längen auftritt. Dann wird die Dämpfung in einer Anzahl von Dämpfungsgliedern neu eingestellt und wird die Änderung in der ausgekoppelten Leistung gemessen. Die Fig. 4 bis 6 zei­ gen, wie sich das Ausgangsspektrum geändert hat, wenn alle Dämpfungsglieder gemeinsam um gleiche Beträge geändert wor­ den sind. In diesem Fall basierten beide EDFA auf derselben Art eines Verstärkungsmediums, nämlich auf mit Erbium do­ tierten Germanosilikatfasern mit hohem Aluminiumgehalt. Die Laserwellenlängen betrugen 1551,8 nm und 1559,8 nm. In Fig. 4 sind die Leistungen annähernd gleich. Fig. 5 zeigt für den Fall, daß die Dämpfung in allen Dämpfungsgliedern um 3,0 dB herabgesetzt wurde, daß dieses zu einer Leistungszunahme auf der langen Wellenlänge (1559,8 nm), jedoch gleichfalls zu einer großen Abnahme der Leistung bei der kurzen Wellenlänge (1551,8 nm) führt. Fig. 6 zeigt andererseits, daß im Fall einer Herabsetzung der Dämpfung in allen Dämpfungsgliedern um 2,0 dB aus der in Fig. 4 dargestellten Position der ent­ gegengesetzte Effekt der relativen Leistungen auftritt. In Fig. 7 ist das Ausgangsspektrum eines Zweiwellenringlasers dargestellt, das die Fig. 4 bis 6 abdeckt.

In Fig. 8 sind die Leistungen bei den beiden Wellenlän­ gen gegenüber einer Änderung in der Dämpfung aufgetragen. Die Dämpfung wurde um den gleichen Betrag in allen Dämp­ fungsgliedern, ausgehend von der Bezugsposition von Fig. 4, geändert. Es sei darauf hingewiesen, daß ein erhöhter Reso­ natorverlust die Laserstrahlungserzeugung (Spitzenverstär­ kung der EDFA) auf kürzere Wellenlängen verschiebt. Das ist ein normaler Effekt von in Kaskade geschalteten EDFA, die auf ähnlichen Verstärkungsmedien basieren. Das bedeutet, daß die Strahlungserzeugung bei zwei verschiedenen Wellenlängen über einen Bereich verschiedener Werte der Dämpfung zwischen den EDFA nicht beibehalten werden kann.

Fig. 9 zeigt die Ausgangsleistung gegenüber Dämpfungs­ änderungen eines Zweiwellenlängenringlasers bei EDFA, die auf verschiedenen Verstärkungsmedien basieren, das heißt bei einem EDFA A, der auf einer mit Erbium dotieren Aluminoger­ manosilikatfaser mit hohem Aluminiumgehalt basiert, und bei einem EDFA B, der auf mit Erbium dotierten aluminiumfreien Germanosilikatfasern basiert. Die Kurven von Fig. 9 sind ähnlich denen in Fig. 8, jedoch noch schlechter als diese.

Fig. 10 zeigt die Ausgangsleistung für den Fall, daß die Laserwellenlängen auf 1541,9 nm und 1549,8 nm geändert wurden. Die Strahlungserzeugung auf beiden Wellenlängen wird trotz geänderter Dämpfung beibehalten, bis die Leistungen auf beiden Wellenlängen annähernd zum selben Zeitpunkt ver­ nachlässigbar klein werden.

Fig. 12 zeigt die Ausgangsleistung des ausgekoppelten Lichtes gegenüber Dämpfungsänderungen bei Einrichtungen, die den Fig. 8 bis 10 entsprechen.

Fig. 13 bis 15 zeigen einige Beispiele von Spektren des ausgekoppelten Lichtes für die Einrichtung gemäß Fig. 10. Fig. 13 zeigt das sich ergebende Ausgangsleistungsspektrum für den Fall, daß die Dämpfung der Dämpfungsglieder so ein­ gestellt wird, daß sich bei beiden Wellenlängen nahezu glei­ che Leistungen ergeben. In Fig. 14 wurde die Dämpfung der Dämpfungsglieder übereinstimmend um 3 dB herabgesetzt, und in Fig. 15 wurde sie aus der in Fig. 13 dargestellten Posi­ tion um 3 dB angehoben. Während die Strahlungserzeugung in Fig. 15 praktisch aufhört, gibt es kein Anzeichen dafür, daß die Strahlungserzeugung bei niedrigeren Dämpfungen endet, wie es bei den Fig. 8 und 9 der Fall ist. Das ist ein neues und unerwartetes Ergebnis.

Fig. 11 zeigt das Ergebnis der Beibehaltung gleicher Wellenlängen, wie in den Fig. 10 und 13 bis 15, und zwar auf der Grundlage von zwei mit Erbium dotierten Fasern mit hohem Aluminiumgehalt. Es wird zwar gegenüber Fig. 8 eine Verbes­ serung beobachtet, diese ist jedoch nicht so markant wie in Fig. 10.

Fig. 16 zeigt ein Ausgangsspektrum eines Zweiwellenlän­ genringlasers mit Dämpfungsänderungen von 1,0 und 2,0 dB in allen Dämpfungsgliedern der Einrichtungen, denen die Fig. 13 bis 15 entsprechen.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß für die Einrich­ tung gemäß Fig. 10 und gemäß Fig. 13 bis 16 die Leistung bei beiden Wellenlängen annähernd die gleiche bleibt, wenn die Dämpfung zwischen den Verstärkern um gleiche Beträge bei beiden Wellenlängen geändert wird. Diese Einrichtungen zei­ gen einen neuen Weg, über den diese wichtige Eigenschaft erzielt werden kann.

Um zu wissen, was dann passiert, wenn die Dämpfung nur bei einer Wellenlänge geändert wird, wurden die Kurven in Fig. 17 unter denselben Bedingungen wie in Fig. 8 mit der Ausnahme gemessen, daß hier nur ein Dämpfungsglied verändert wurde, wodurch die Dämpfung nur bei einer der beiden Laser­ wellenlängen beeinflußt wurde. Eine signifikante Leistung wurde bei beiden Wellenlängen über einen Dämpfungsbereich von 1 dB beibehalten. Fig. 18, die Fig. 9 entspricht, zeigt verglichen mit Fig. 17 keine Verbesserung. Fig. 19, die Fig. 10 entspricht, zeigt jedoch eine signifikante Verbesserung insofern, als der Dämpfungsbereich, für den die Lasererzeu­ gung auf beiden Wellenlängen auftritt, etwa zweimal so groß wie in den Fig. 17 und 18 ist. Wie in Fig. 7 zeigt die ab­ wechselnde Anordnung der EDFA zusammen mit Wellenlängen von 1541,9 nm und 1549,8 nm signifikant bessere Eigenschaften. Fig. 20 entspricht Fig. 11, wobei erneut die Verschiebung der Wellenlängen eine Verbesserung zeigt, die jedoch nicht so markant wie in Fig. 19 ist.

Schließlich wurden gleiche Kombinationen von EDFA wie bei den Einrichtungen verwandt, die den Fig. 9, 10, 18 und 19 entsprechen, wobei jedoch die Wellenlängen 1529,4 nm und 1536,2 nm betrugen. Das bedeutet, daß bei einer Wellenlänge der Maximalwert des Verstärkungsänderungsbereiches nahezu in einer mit Erbium dotierten Faser erzielt wurde, während bei der anderen Wellenlänge der Spitzenwert des Verstärkungs­ änderungsbereiches nahezu in der anderen mit Erbium dotier­ ten Faser erzielt wurde. Wie es in Fig. 21 dargestellt ist, kann in dieser Weise eine merkliche Verbesserung beobachtet werden. Obwohl die Dämpfung in einem Kanal um 8 dB geändert wurde, änderten sich die Laserleistungen um nicht mehr als 9 dB. Das ist ein neues und unerwartetes Ergebnis für homogen verbreiterte Verstärkungsmedien, das deutlich die Möglich­ keiten der Einrichtungen zeigt, wellenlängenabhängige Ver­ luste zu kompensieren.

Die zusammengesetzte Darstellung von Fig. 22 zeigt auf der Seite der erhöhten Dämpfung eine direkt Messung von G_2,1 (wird im folgenden in Verbindung mit Gleichung (5) definiert):

Die Fig. 23 bis 25 zeigen Ausgangsspektren einer Einrich­ tung, die Fig. 21 entspricht, und zwar für den Fall unter­ schiedlicher Einstellungen der Dämpfungsglieder.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Unempfindlich­ keit einer Zweiwellenlängenlaserstrahlerzeugung gegenüber Resonatorverlusten stark durch die Verwendung von zwei EDFA auf der Grundlage von mit Erbium dotierten Fasern unter­ schiedlicher Art verbessert werden kann und stark von der Wahl der Wellenlängen abhängt.

Im folgenden wird beschrieben, wie die optischen Ver­ stärker im Fall einer Laserstrahlerzeugung auf zwei Wellen­ längen mit zwei verschiedenen Verstärkungsmedien aufgebaut sein sollten. Bei diesem Beispiel besteht jeder optische Verstärker nur aus einer Art eines Verstärkungsmediums. Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines derartigen Systems, wobei jedoch die Verluste zwischen den Verstärkern irgendeine spektrale Form haben können. Es sei angenommen, daß das System Laser­ strahlen auf entweder einer, beiden oder keiner der beiden fraglichen Wellenlängen erzeugen kann, und es werden die Bedingungen ermittelt, unter denen das System Laserstrahlung auf beiden Wellenlängen erzeugen muß. Es kann eine Filterung notwendig sein, um die Leistung auf anderen Wellenlängen zu unterdrücken, um dadurch sicherzustellen, daß das System auf diesen anderen Wellenlängen keine Laserstrahlung erzeugt.

Wenn die kleine Signalverstärkung in den Verstärkungs­ medien groß genug ist, die Verluste auf beiden Wellenlängen zu kompensieren, dann liegt der Laser über dem Schwellenwert und wird der Laser Strahlung auf wenigstens einer Wellenlän­ ge und möglicherweise auf beiden Wellenlängen erzeugen. Es sei angenommen, daß der Laser nur bei λ₁ Strahlung erzeugt. Es sollen Resonatoren gefunden werden, für die das nicht der stabile Zustand ist. Das ist dann der Fall, wenn die Ver­ stärkung bei λ₂ höher als der Verlust ist. Es sollen somit Resonatoren gefunden werden, bei denen die Strahlungserzeu­ gung nur bei λ₁ bedeuten würde, daß die Verstärkung bei λ₂ über dem Laserschwellenwert liegt und umgekehrt. Unter Ver­ wendung der Gleichung (1), wobei f(λ) den gesamten Über­ schußverlust vom Ausgang eines optischen Verstärkers zum Ausgang des nächsten wiedergibt, kann der Anregungsgrad n₂ in den beiden optischen Verstärkern separat wie folgt erhalten werden:

n₂^A,B = (f₁^A,B + α₁^A,B L^A,B + G_1,1 ^A,B)/L^A,B g_p-p,1 ^A,B (5)

wobei der Index 1 einen Wert bezüglich λ₁ anzeigt. G_1,1 ^A(B) ist die Totalverstärkung in dB vom Ausgang des optischen Ver­ stärkers B(A) zum Ausgang des optischen Verstärkers A(B). G_1,1 ^A bezeichnet daher den Unterschied in den Ausgangsleistun­ gen in dBm zwischen dem optischen Verstärker A und dem opti­ schen Verstärker B. Dieser kann für Verstärker als klein angesehen werden, die in der Sättigung für den typischen Fall gleicher Pumpleistung für beide Verstärkungsmedien arbeiten. Da weiterhin angenommen wird, daß der Laser auf λ₁ strahlt, muß G_1,1 ^A gleich -G_1,1 ^B sein, damit die Verstärkung die Verluste bei λ₁ ausgleicht.

Unter dem Begriff der Überschußverluste werden dabei alle Verluste verstanden, die in der Absorption αL des Reso­ nators Er³⁺ nicht eingeschlossen sind.

Unter der Annahme einer Strahlungserzeugung bei λ₁ ist dann die Resonatorverstärkung G_2,1 bei λ₂ in den beiden in Kaskade geschalteten optischen Verstärkern gegeben durch:

G_2,1 = G_2,1 ^A + G_2,1 ^B
= (f₁^A + α₁^A L^A) g_p-p, ₂^A/g_p-p, ₁^A - (f₂^A + α₂^A L^A)
+ (f₁^B + α₁^B L^B) g_p-p, ₂^B/g_p-p, ₁^B - (f₂^B + α₂^B L^B)
+ G_1,1 ^A (g_p-p, ₂^A/g_p-p, ₁^A - g_p-p, ₂^B/g_p-p, ₁^B) (6)

Wenn dabei G_2,1 < 0, wird Licht bei λ₂ verstärkt und wird die Annahme der Strahlungserzeugung nur bei λ₁ aufgehoben. Es wird dann angenommen, daß der Laser statt dessen nur auf λ₂ Strahlung erzeugt.

Die Schleifenverstärkung G_1,2 bei λ₁ ist gegeben durch

G_1,2 = (f₂^A + α₂^A L^A) g_p-p, ₁^A/g_p-p, ₂^A - (f₁^A + α₁^A L^A)
+ (f₂^B + α₂^B L^B) g_p-p, ₁^B/g_p-p, ₂^B - (f₁^B + α₁^B L^B)
+ G_2,2 ^A (g_p-p, ₁^A/g_p-p, ₂^A - g_p-p, ₁^B/g_p-p, ₂^B) (7)

Wenn dabei gleichfalls G_1,2 < 0, wird Laserlicht bei λ₁ verstärkt und ist die Annahme der Laserlichterzeugung nur bei λ₂ gleichfalls keine stabile Lösung. Es ist somit er­ sichtlich, daß der Laser auf beiden Wellenlängen Strahlung erzeugen muß. Es ist klar, daß beide Gleichungen (6) und (7) zu einem Wert größer 0 für beide Strahlungswellenlängen führen sollten.

Im folgenden wird beschrieben, wie sowohl G_1,2 als auch G_2,1 groß gemacht werden können. Für einen Resonator, bei dem G_1,2 und G_2,1 groß sind, folgt, daß die anderen Parameter (die Verluste) wesentlich variieren können, ohne entweder G_1,2 oder G_2,1 negativ zu machen, in welchem Fall nur auf einer Wellen­ länge Strahlung erzeugt würde. Im folgenden werden einige Wege aufgezeigt, über die G_1,2 und G_2,1 erhöht werden können:

• 1. Für ein einzelnes Verstärkungsmedium sollte die Absorption α bei einer Wellenlänge groß sein, wenn der Ver­ stärkungsschwankungsbereich kleiner als bei der anderen Wellenlänge ist. Wenn das der Fall ist, sollte die Länge L groß sein. Ansonsten sollte von diesem Standpunkt aus die Länge L klein sein.
• 2. Wenn g_p-p klein ist, sollte der Verlust f vor einem optischen Verstärker und im Inneren eines optischen Verstär­ kers groß sein. Das kann unter Verwendung eines Filters erzielt werden. Das bedeutet, daß Filter dazu verwandt wer­ den sollten, eine Verstärkung mit Spitzen in verschiedenen Verstärkern statt einer flachen Verstärkung in jedem einzel­ nen Verstärker zu erhalten. Die Spitzen sollten an verschie­ denen Wellenlängen in verschiedenen optischen Verstärkern auftreten.
• 3. Wenn der Laser dazu gebracht wird, nur auf einer Wellenlänge Strahlung zu erzeugen, indem beispielsweise das Licht auf der anderen blockiert wird, dann sollte die Ver­ stärkung auf der Strahlungswellenlänge im optischen Verstär­ ker erhöht werden, für den g_{p-p Strahlung}/g_{p-p blockiert} groß ist (und zwar verglichen mit anderen optischen Verstärkern) und sollte daher in den anderen optischen Verstärkern herabge­ setzt werden. Das heißt mit anderen Worten, daß die Verstär­ kung auf den optischen Verstärker umverteilt werden sollte, für den die Verstärkungsschwankungsbreite relativ klein bei der Strahlungswellenlänge ist. Mathematisch läßt sich das dadurch ausdrücken, daß in Gleichung (6) G_1,1 ^A (g_p-p, 2^A/g_p-p, 1^A-g_p-p, 2^B/g_p-p, 1^B)
  = G_1,1 ^A g_p-p, 2^A/g_p-p, 1^A + G_1,1 ^B g_p-p, 2^B/g_p-p, 1^Bso groß wie möglich sein sollte. (Der äquivalente Ausdruck in Gleichung 7 sollte gleichfalls so groß wie möglich sein.) Für viele Verstärkerauslegungen wird dieser Wert jedoch negativ sein. In diesen Fällen kann die Verstärkerauslegung so abgewandelt werden, daß sich ein sogenannter optischer Begrenzungsverstärker OLA ergibt, indem die Signale auf halbem Wege in den Verstärker gedämpft werden. OLA können somit nützlich sein, die signalleistungsinduzierte Verstär­ kungskompression zu erhöhen.
• 4. Ein anderer sehr einfacher Weg, die Verstärkung zwischen verschiedenen Arten von optischen Verstärkern aus­ zugleichen, wenn nur ein Signal vorliegt, besteht darin, mehrere optische Verstärker eines Typs mit mehreren opti­ schen Verstärkern des anderen Typs zu verketten. Wie es bereits erwähnt wurde, wird der Wert G_1,1 ^A (g_p-p, 2^A/g_p-p, 1^A - g_p-p, 2^B/g_p-p, 1^B)für viele Verstärkerkaskadenschaltungen negativ sein. Wenn derartige Verstärker mit einer Periode von beispielsweise zehn Verstärkern statt einer Periode von zwei Verstärkern (ein optischer Verstärker A - ein optischer Verstärker B - ein optischer Verstärker A - ein optischer Verstärker B usw.) in Kaskade geschaltet sind, dann wird der Unterschied in der Verstärkung G_1,1 ^A wesentlich kleiner in jedem Verstärker, da dieser nun gleich dem Unterschied in der Ausgangsleistung geteilt durch fünf wird.
• 5. Die Spektren der Verstärkungsmedien sollten die folgende Ungleichung erfüllen: (g_p-p, 2^A - g_p-p, 1^A) (g_p-p, 2^B - g_p-p,1^B) < 0 (8)Wenn die Ungleichung (8) erfüllt ist, dann ist es leichter, gleichzeitig G_1,2 und G_2,1 zu optimieren. Ein sehr wichtiger Aspekt besteht darin, daß dann, wenng_p-p, ₂^A/g_p-p, ₁^A = g_p-p, ₁^B/g_p-p, ₂^Bist, die wellenlängenunabhängigen Verluste zwischen den Verstärkern in starkem Maße (aber gleich) variie­ ren können, ohne daß entweder die Gleichung 6 oder die Glei­ chung 7 negativ wird. Die Verstärkungsmedien sollten daher so gewählt sein, daß für jede Wellenlänge der Verstärkungs­ schwankungsbereich in einem Verstärkungsmedium groß und im anderen Verstärkungsmedium klein ist, und zwar verglichen mit den Verstärkungsschwankungen bei anderen Wellenlängen.
• 1) Ein Weg, das zu erreichen, besteht darin, eine Wel­ lenlänge näher an der Spitze des Verstärkungsbereiches in einem Verstärkungsmedium anzuordnen und die andere Wellen­ länge näher an der Spitze des Verstärkungsbereiches im ande­ ren Medium anzuordnen.
• 2) Bei EDFA ist es erwünscht, auf der langwelligen Seite der Spitzenkleinsignalverstärkung zu arbeiten. Dort nimmt der Verstärkungsschwankungsbereich stabil mit steigen­ der Wellenlänge bei den meisten Arten von mit Erbium dotier­ ten Fasern ab. Das ist jedoch nicht der Fall für mit Erbium dotierte Germanosilikatfasern. Sie haben eine zweite Ver­ stärkungsbereichsspitze bei 1550 nm. Zwischen beispielsweise 1542 nm und 1550 nm nimmt der Verstärkungsschwankungsbe­ reich mit der Wellenlänge zu. Die Ungleichung (8) kann somit dann erfüllt werden, wenn die Wellenlängen beispielsweise zwischen 1540 nm und 1552 nm liegen, und eine der mit Erbium dotierten Fasern eine Germanosilikatfaser ist. Das andere Verstärkungsmedium kann beispielsweise eine mit Erbium do­ tierte Aluminogermanosilikatfaser mit hohem Aluminiumgehalt oder eine mit Erbium und Phosphor dotierte Faser sein.
• 3) Optische Verstärker auf der Grundlage von kristalli­ nen Wirten zeigen im typischen Fall ein spitzenartiges Spek­ trum, das für die MAPC geeignet sein könnte. Wenn ein Signal mit einer Spitze zusammenfällt und das andere Signal zwi­ schen die Spitzen fällt und die entgegengesetzte Situation im anderen Verstärkungsmedium vorliegt, dann sind die Ver­ stärkungen auf beiden Wellenlängen stark voneinander entkop­ pelt. Der scharfe Charakter der Spitzen erlaubt es, viele verschiedene Wirte mit vielen verschiedenen nicht zusammen­ fallenden Spitzen zu verwenden.

Bei der obigen Argumentation wurde angenommen, daß die Pumpleistungen in allen Arten von optischen Verstärkern gleich sind. Das muß jedoch nicht notwendigerweise so sein. Verschiedene Pumpleistungen können in verschiedenen Arten von EDFA verwandt werden. In diesem Fall werden G_1,1 ^A, G_1,1 ^B, G_2,2 ^A und G_2,2 ^B nicht mehr klein sein, da die Sättigungsaus­ gangsleistung stark (in dBm annähernd linear) von der Pump­ leistung abhängt. Wenn der Unterschied in den Sättigungs­ leistungen in passender Weise berücksichtigt wird, kann auch in diesem Fall die obige Analyse benutzt werden. Bei einer Auslegung, die die Gleichungen 6 und 7 optimiert, werden tatsächlich die Sättigungsausgangsleistungen sowie die Pump­ leistungen der optischen Verstärker höchstwahrscheinlich verschieden sein. Der Einfachheit halber wird in jedem Fall angenommen, daß die Sättigungsleistungen gleich sind.

Im folgenden wird eine mit hohen Verlusten verbundene, nämlich über lange Strecken gehende WDM-Übertragung be­ schrieben. Für eine WDM-Übertragung, bei der die Verluste im Übertragungsweg hoch sind, müssen viele optische Verstärker in Kaskade geschaltet werden, um die Verluste zu kompensie­ ren. Um den Leistungspegel der Signale beizubehalten, muß die Verstärkung exakt die Verluste kompensieren, wie es bei dem obigen Ringlaser der Fall ist. Die Verfahren zum Erzie­ len einer unempfindlichen Mehrwellenlängenlaserstrahlabgabe können daher auch auf die WDM-Übertragung angewandt werden. Der in Fig. 1 dargestellte optische Verstärker wird dann in passender periodischer Weise wiederholt. Wenn die optischen Verstärker verschiedenartig sind, können sie in den Über­ tragungsweg in annähernd abwechselnder Weise geschaltet sein. Der Ringlaser von Fig. 2 kann beispielsweise an einem willkürlichen Punkt aufgeschnitten werden. Das sich daraus ergebende sogenannte Kettenelement CE kann dann mit einem Übertragungsglied vernetzt werden. Einige oder alle Dämpfun­ gen, die von den Dämpfungsgliedern geliefert werden, werden dann durch die Dämpfung in der Übertragungsfaser ersetzt.

Abgesehen von den Ergebnissen, die in Verbindung mit dem Laser diskutiert wurden, müssen einige andere Punkte berücksichtigt werden. Zunächst können die Signalleistungs­ unterschiede im System ansteigen, da Signale auf halbem Wege an das System gelegt und vom System abgenommen werden oder Signale mit verschiedenen Leistungen eingegeben werden. Ungleiche Leistungen führen zu einem kleinen Signalrausch­ verhältnis SNR in Kanälen mit niedriger Leistung, was daher unerwünscht ist. Die Signalleistungen sollten daher gleich sein. Das Maß an Leistungsausgleich in zwei Verstärkungs­ medien ist direkt durch die Gleichungen (6) und (7) gegeben, wenn die Signalleistung im schwachen Kanal so schwach ist, daß sie die Sättigung in den Verstärkern nicht beeinflußt, und die Signalleistung bei der anderen Wellenlänge groß genug ist, um die Verstärkung in beiden Verstärkungsmedien bei dieser Wellenlänge gleich zu machen.

Bei der Signalübertragung sollte jedoch das Rauschen niedrig sein. Während die Fortpflanzung von Signalen in der Kaskade von optischen Verstärkern dem Wandern von Signalen Schleife nach Schleife in einem Ringlaser ähnlich kommt, müssen die optischen Verstärker und die Zwischenverluste nicht länger vollständig periodisch sein. Es wird dennoch angenommen, daß das System perfekt periodisch ist. Die Aus­ legungskriterien für den Ringlaser können daher auch in diesem Fall angewandt werden. Obwohl Abweichungen vom peri­ odischen Schema die Signalleistungen stören, werden die MAPC oder die ALTC von der oben erwähnten Technologie mit diesen Störungen fertig. In jedem Fall wird das Rauschen zunehmen.

Selbst bei einem perfekt periodischen Schema wird das Signalrauschverhältnis verglichen mit der Einwellenlängen­ übertragung zunehmen. Das Signalrauschverhältnis ist norma­ lerweise vorherrschend durch die Eingangsleistung an den optischen Verstärkern bestimmt. Wenn angenommen wird, daß die Gesamtsignalleistung begrenzt ist, dann muß zunächst die Leistung auf beispielsweise zwei Kanäle im Fall des WDM verteilt werden. Das setzt die Signalleistung pro Kanal um 3 dB und das Signalrauschverhältnis um im wesentlichen den gleichen Betrag herab. Das Signalrauschverhältnis wird wei­ terhin noch weiter beeinträchtigt, wenn die Signalleistungen unter den Kanälen nicht gleich verteilt sind. Das ist dann der Fall, wenn die Kanalleistungen um einen gewissen kon­ stanten Betrag entlang des Übertragungsweges verschieden sind, und wenn die Leistung im Signal zwischen diesen Kanä­ len schwingt.

Schließlich kann das Überschußrauschen in den optischen Verstärkern etwas zunehmen. Die WDM-Übertragung bringt eini­ ge zusätzliche Erfordernisse für die optischen Verstärker, so daß die Freiheit in der Verstärkerauslegung etwas ab­ nimmt. Das kann zu einem höheren Überschußrauschen als bei einer Einwellenlängenübertragung führen. Dennoch kann eine Anzahl von bekannten Verfahren für die Rauschverringerung einschließlich der geringeren Abstände, das heißt niedriger Verluste zwischen den Verstärkern, angewandt werden.

Im folgenden wird beschrieben, wie Leistungsvariationen minimal gehalten werden können.

Früher wurde ein Zweiwellenlängenlasern dadurch sicher­ gestellt, daß die Verstärkung zwischen den optischen Ver­ stärkern umverteilt wurde, wenn ein Kanal schwächer zu wer­ den begann. Mit nur einem Kanal wurde die Verstärkung in beiden optischen Verstärkern bei der verbleibenden starken Kanalwellenlänge annähernd gleich (G_1,1 ^A, G_1,1 ^B, G_2,2 ^A und G_2,2 ^B waren alle klein). Da eine Umverteilung die Verstärkung gleich macht, muß die Verstärkung unter normalen Betriebs­ verhältnissen ohne schwächer werdenden Kanal ungleich sein. Das wiederum bedingt, daß für einen gegebenen Kanal unter normalen Betriebsverhältnissen die Ausgangsleistungen von den optischen Verstärkern für die optischen Verstärker des Typs A und des Typs B verschieden sein müssen. Für einen gegebenen minimalen Verlust zwischen den Verstärkern bedeu­ tet das, daß die Eingangsleistung an einem optischen Ver­ stärker niedriger ist, als sie sonst sein könnte. Das setzt das Signalrauschverhältnis herab.

Es wäre wesentlich besser, wenn die Verstärkung für beide Arten der optischen Verstärker und für beide Wellen­ längen gleich wäre. Dann würde jedoch keine Neuverteilung der Verstärkung auftreten, wenn ein Signal schwächer wird, solange die typische Situation einer nahezu gleichen Ver­ stärkung zwischen den optischen Verstärkern besteht, während nur ein Signal vorherrscht. Optische Begrenzungsverstärker sind eine Möglichkeit, das normale Gesetz zu durchbrechen: Wenn ein Signal schwächer wird (vernachlässigbar) und somit nur ein starkes Signal bleibt, führt eine größere Eingangs­ leistung zu einer kleineren Ausgangsleistung in einem opti­ schen Verstärker (z. B. A), an dem eine signifikante Begren­ zung auftritt, während beim anderen optischen Verstärker B die Situation entgegengesetzt ist. Optische Begrenzungsver­ stärker erlauben es somit, daß sich eine ungleiche Verstär­ kung zwischen den optischen Verstärkern am leistungsdominan­ ten Kanal entwickelt, so daß optische Begrenzungsverstärker die benötigte Verstärkungsverteilung selbst dann erlauben, wenn die Verstärkung zwischen den optischen Verstärkern unter normalen Betriebsverhältnissen gleich verteilt ist.

Bei optischen Begrenzungsverstärkern gibt es jedoch eine Reihe von Nachteilen: Zunächst macht das Schwingungs­ verhalten der Verstärkung bei Vorliegen nur eines Signals das Übertragungsglied rauschstärker, als es sonst der Fall wäre. Wenn ein Kanal schwach wird, werden aus dem gleichen Grunde beide Kanäle rauschstärker, als es sonst der Fall wäre. Optische Begrenzungsverstärker basieren darüber hinaus darauf, daß in optischen Verstärkern zusätzliche Verluste eingeführt werden. In einem optischen Begrenzungsverstärker geht daher eine signifikante Menge an Leistung verloren. Die niedrigeren Leistungspegel werden zu einem rauschstärkeren System führen.

Eine Umverteilung der Verstärkung zwischen den Verstär­ kern führt natürlich dazu, daß das Übertragungsglied rausch­ stärker ist als es unter anderen Betriebsverhältnissen not­ wendigerweise der Fall wäre. Von diesem Standpunkt aus wäre es besser, wenn die Verstärkung zwischen den verschiedenen Verstärkungsmedien in jedem Verstärker umverteilt werden könnte. Die Verwendung von optischen Verstärkern, von denen jeder aus wenigstens zwei Arten von Verstärkungsmedien be­ steht (sogenannte optische Hybridverstärker), kann dabei vorteilhaft sein. Die Verstärkungsmedien können je nach Wunsch in verschiedener Weise kombiniert werden, um wenig­ stens zwei Arten von verschiedenen optischen Verstärkern zu bilden. Die optischen Verstärker können je nach Wunsch ab­ wechselnd in Kaskade geschaltet sein.

Es gibt in der Literatur viele Beispiele von mit Erbium dotierten Hybridfaserverstärkern. Abgesehen von denen mit einer gewissen Art elektronischer Steuerung, die beispiels­ weise die Verstärkung in verschiedenen Verstärkungsmedien durch Änderung ihrer Pumpleistung verändert, wurde bei der­ artigen Einrichtungen jedoch keine MAPC/MAGC gezeigt. Sie sind darüber hinaus nicht so ausgebildet, wie es im Vorher­ gehenden beschrieben wurde, so daß keine MAPC/MAGC zu erwar­ ten ist.

Im Obigen wurde die MAPC für den Fall beschrieben, in dem so viele Wellenlängen wie Verstärkungsmedien vorhanden waren. Gleichung (4) liefert einen guten Grund, daß die Verstärkung nach Gleichung (4) nicht unabhängig bei Mehr­ wellenlängen variieren kann, als Verstärkungsmedien vorhan­ den sind. Eine geeignete Art des Verstärkungsmediums für jede Wellenlänge zur Verfügung zu haben und die Arten zu einem Übertragungsglied für eine stabile WDM-Übertragung oder für ein Lasern zu kombinieren, ist eine schwierige Aufgabe, wenn die Anzahl an Wellenlängen zunimmt. Selbst bei beispielsweise zwei Verstärkungsmedien kann jedoch die Mehr­ wellenlängenübertragung und das Mehrwellenlasern von dem oben beschriebenen Schema Nutzen ziehen. Obwohl die Glei­ chung (4) es nicht erlaubt, daß die Verstärkung perfekt die Verluste bei allen Wellenlängen kompensiert, können die Diskrepanzen zwischen der Verstärkung und dem Verlust klei­ ner gemacht werden, als es bei einer Übertragung nach dem Stand der Technik der Fall wäre. Beispielsweise kann ein Verlust, der sich mit der Wellenlänge in einem konstanten Maß über den Bereich der Wellenlängen (eine konstante Ver­ lustneigung) ändert, perfekt für alle Wellenlängen in diesem Bereich über Verstärkungsmedien kompensiert werden, bei denen sich die Verstärkung mit der Wellenlänge in einem konstanten Maß (konstante Verstärkungsneigung) ändert. Die beschriebenen optischen Verstärker können die Verluste kom­ pensieren, selbst wenn sich die Wellenlängenabhängigkeit der Verluste ändert. Aus dem einen oder anderen Grunde kann die Verlustneigung von der bei der Auslegung des Systems ange­ nommenen Neigung abweichen. In traditionellen Kaskadenschal­ tungen von homogen verbreiterten optischen Verstärkern wird das dann die erforderliche Verstärkungsverlustübereistimmung über den Wellenlängenbereich zerstören, so daß der Bereich für die WDM-Übertragung nicht benutzt werden kann. Im Gegen­ satz zu bekannten optischen Verstärkern, die auf homogen verbreiterten Verstärkungsmedien basieren, können die im Vorliegenden beschriebenen optischen Verstärker ihre (gesam­ te) Verstärkungsneigung nachstellen, um Abweichungen der Verlustneigung zu kompensieren. Das wird als automatische Verlustneigungskompensation ALTC bezeichnet.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können daher der optische Verstärker und die Kas­ kadenschaltung daraus automatisch eine Leistungs- und Ver­ stärkungssteuerung bei mehreren Wellenlängen ohne zusätzli­ che elektronische Schaltungen ausführen und automatisch die Verlustneigung kompensieren.

Um das weiter zu erläutern, sei das Beispiel betrach­ tet, das in Fig. 27 dargestellt ist. Es zeigt ein Langstrec­ kenmehrwellenübertragungsglied, das optisch verstärkt ist. Eine Gruppe von Signalen wird in das Übertragungsglied ein­ geführt, das insgesamt aus 300 EDFA besteht, denen jeweils ein Stück einer Übertragungsfaser vorausgeht. Ein optischer Isolator befindet sich in jedem EDFA, wodurch verhindert wird, daß Licht in einem gegebenen EDFA die vorhergehenden EDFA erreicht. Den EDFA sind weiterhin Bandpaßfilter und Verstärkungsabflachfilter vorgeschaltet. Die EDFA sind ent­ weder identisch (auf der Grundlage von mit Erbium dotierten germaniumfreien Aluminosilikatfasern), oder jeder zweite EDFA basiert auf einer mit Erbium dotierten Germanosilikat­ faser, während in den anderen EDFA eine mit Erbium dotierte Aluminosilikatfaser verwandt wird. Das Übertragungsglied wird exakt bei jedem oder jedem zweiten EDFA wiederholt. Das Übertragungsglied sei in Kettenelemente CE derart unter­ teilt, daß ein CE am Ausgang eines EDFA beginnt und am Aus­ gang des zweiten EDFA, der folgt, endet. Die Kaskade besteht somit aus 150 CE, von denen jedes aus zwei Zügen einer Über­ tragungsfaser, zwei EDFA und einer Anzahl von Filtern be­ steht. In ähnlicher Weise wird jedes CE in zwei Unter-CE unterteilt, von denen jedes aus einem Zug einer Übertra­ gungsfaser und je nach Wunsch Filtern besteht, an die sich ein EDFA anschließt. Es werden drei mögliche Konfigurationen nach Maßgabe der folgenden Tabelle ALTC1 betrachtet.

Tabelle ALTC1

Das System A ist ein typisches bekanntes System ohne wechselweise Anordnung der optischen Verstärker. Das System B ist ein System mit EDFA abwechselnder Art, das den Aus­ druck der Gleichungen 6 und 7 jedoch nicht gleichzeitig für beliebige zwei Wellenlängen im von der Kaskade übertragenen Wellenlängenbereich größer als Null macht. Es erfüllt ins­ besondere nicht die Gleichung 8. Das System C ist schließ­ lich eine Kaskade aus abwechselnden EDFA der vorgeschlagenen Art. Es erfüllt die Gleichung 8 für alle Wellenlängenpaare in seinem übertragenen Wellenlängenbereich. Alle Systeme wurden für einen Verlust des Übertragungsgliedes von 10 dB ohne eine Verlustneigung des Übertragungsgliedes ausgelegt. In allen Fällen wurde eine Signalleistung von 0,2 mW pro Kanal in die Kaskade eingeführt. Die Kanaltrennung betrug 50 GHz. In Abhängigkeit von der Breite der benutzten Bandpaß­ filter betrug die Gesamtsignaleingangsleistung 3 mW oder 3,2 mW (15 Kanäle gekoppelt für die Systeme A und B, 16 Kanäle gekoppelt für das System C).

Fig. 28 zeigt Simulationsergebnisse, in welcher Weise das empfangene optische Signalrauschverhältnis des rausch­ stärksten der 15 oder 16 Kanäle von der Neigung der Über­ tragungsgliedverluste für die Systeme B und C abhängt (Sy­ stem A arbeitet ähnlich wie das System B). Der wellenlängen­ unabhängige Teil der Verluste des Übertragungsgliedes be­ trägt 10 dB. Fig. 18 zeigt für das System B, daß die Ver­ schlechterung des Signalrauschverhältnisses des schlechte­ sten Kanals, die durch eine Verlustneigungsänderung indu­ ziert wird, kleiner als 10 dB über einen Bereich von Ver­ lustneigungen mit nur 0,028 dB/nm ist. Für das System C ist der Bereich 0,053 dB/nm, das heißt, nahezu zweimal so groß. Die Ergebnisse des Systems C können jedoch weiter dadurch verbessert werden, daß Punkt 2 auf Seite 27 in einer Form verwirklicht wird, die für die ALTC geeignet ist. Das wird Verlustneigungsvorspannung genannt. Fig. 28 zeigt insbeson­ dere, daß der Bereich der Verlustneigungen, für den die Beeinträchtigung des schlechtesten Kanals kleiner als 10 dB ist, in einer Größe von 0,88 dB/nm mit Verlustneigungsvor­ spannung erzielt werden kann. Das stellt eine dreifache Verbesserung gegenüber dem System B dar.

Fig. 29 zeigt die Abhängigkeit des Signalrauschverhält­ nisses des schlechtesten Kanals von den wellenlängenunab­ hängigen Verluständerungen des Übertragungsgliedes. Ein qualitativer Unterschied zwischen dem System C und den Sy­ stemen A und B ergibt sich deutlich in der folgenden Form: Während das Signalrauschverhältnis des schlechtesten Kanals des zuerst genannten Systems langsam mit zunehmenden Ver­ lusten des Übertragungsgliedes abfällt, gibt es eine rapide Abnahme des Signalrauschverhältnisses für die Systeme A und B, wenn die Verluste des Übertragungsgliedes sich vom ausge­ legten Wert von 10 dB entfernen. Das beweist den Anspruch auf Seite 28, Zeile 2 bis Zeile 9.

Daraus ist folgendes zu schließen:

• - Eine bekannte Kaskade (System A) ist sehr empfindlich für wellenlängenunabhängige Änderungen der Verluste des Übertragungsgliedes und für Änderungen in der Verlustnei­ gung.
• - Eine Kaskade mit abwechselnden EDFA reicht für eine ALTC (System B) nicht aus. Zusätzliche Maßnahmen, wie sie beschrieben wurden, sind gleichfalls erforderlich (System C ohne oder insbesondere mit Verlustneigungsvorspannung).

Da optische Begrenzungsverstärker OLA interessante Möglichkeiten und Vorteile bieten, werden im folgenden an­ hand der Fig. 27 bis 31 einige Beispiele beschrieben. Ein Vorteil der optischen Begrenzungsverstärker OLA besteht darin, daß sie die Verstärkungsumverteilung zwischen den Verstärkungsmedien günstiger machen können, als es sonst der Fall wäre.

Fig. 30 zeigt die Ausgangs-/Eingangsleistungscharak­ teristik für einen typischen optischen Verstärker und für einen optischen Begrenzungsverstärker OLA. Für den OLA kann die Ausgangsleistung mit steigender Eingangsleistung in einem gegebenen Bereich abnehmen. Für den typischen opti­ schen Verstärker nimmt die Ausgangsleistung immer mit stei­ gender Eingangsleistung zu.

Fig. 31 zeigt eine Zweiwellenlängenübertragung in einer Kaskade aus abwechselnden optischen Verstärkern eines typi­ schen nicht optischen Begrenzungstyps. Fig. 31 zeigt den normalen Betrieb. Für den Kanal 1 (ausgezogene Linie) ist die Verstärkung wesentlich größer im optischen Verstärker A als im optischen Verstärker B (und umgekehrt für den Kanal 2). Für beide Kanäle gilt jedoch, daß die kleinste Leistung kleiner als die Hälfte der kleinsten Gesamtleistung ist. Diese nicht notwendige niedrige minimale Kanalleistung be­ einträchtigt das Signalrauschverhältnis, verglichen mit der idealen Situation, die in Fig. 33 dargestellt ist.

Fig. 32 zeigt eine Zweiwellenübertragung in einer Kas­ kade abwechselnder optischer Verstärker einer typischen Nichtbegrenzungsart. Fig. 32 zeigt den gestörten Betrieb, wenn die Kanalleistung in einem Kanal (#2) aus irgendeinem Grunde schwach geworden ist. Aufgrund ähnlicher Ausgangs­ leistungen des optischen Verstärkers A und des optischen Verstärkers B wird dann die Verstärkung des Kanals 1 annä­ hernd gleich in den beiden verschiedenen Arten von optischen Verstärkern. Die Verstärkung wird daher umverteilt vom opti­ schen Verstärker B auf den optischen Verstärker A, ohne die Gesamtverstärkung am Kanal 1 zu beeinflussen (seine Leistung ist über die zwei optischen Verstärker-Perioden der Kaskade konstant). Diese Umverteilung beträgt beispielsweise 2 dB. Auch die Leistung des Kanals 2 sei grob dargestellt. Bei geeigneten Charakteristiken des Verstärkungsschwankungsbe­ reiches bei beiden Wellenlängen in den beiden optischen Verstärkern führt die Umverteilung zu beispielsweise einer Zunahme von 2,5 dB der Verstärkung des Kanals 2 im optischen Verstärker B, aber nur zu einer Abnahme der Verstärkung des Kanals 2 im optischen Verstärker A um beispielsweise 1,8 dB. Die Leistung im Kanal 2 nimmt daher zu, wie es in der Zeich­ nung dargestellt ist.

Fig. 33 zeigt eine Zweiwellenlängenübertragung in einer Kaskade aus abwechselnden optischen Begrenzungsverstärkern OLA. Diese Figur zeigt den normalen Betrieb, bei dem die Verstärkung in beiden optischen Verstärkern und auf beiden Kanälen gleich ist. Die Gesamtleistung kann daher immer gleichmäßig zwischen den Kanälen aufgeteilt werden, was vom Standpunkt des Signalrauschverhältnisses die beste Situation ist.

Fig. 34 zeigt eine Zweiwellenlängenübertragung in einer Kaskade abwechselnder optischer Begrenzungsverstärker. Diese Figur zeigt den gestörten Betrieb, in dem die Kanalleistung auf einem Kanal (#2) aus irgendeinem Grunde schwach geworden ist. Die Charakteristiken eines optischen Begrenzungsver­ stärkers (Fig. 37) führen zu einer Umverteilung der Verstär­ kung am leistungsdominanten Kanal 1 vom optischen Verstärker B auf den optischen Verstärker A, was wie bei Fig. 32 in einer mittleren Nettoverstärkung im leistungsmangelhaften Kanal 2 führt. Vom Standpunkt des Signalrauschverhältnisses liegt der Vorteil von optischen Begrenzungsverstärkern dann darin, daß das Signalrauschverhältnis unter normalen Be­ triebsverhältnissen maximal ist. Eine geringer Nachteil besteht darin, daß die Kaskade rauschstärker wird, als es unter atypischen Bedingungen wie in dieser Figur notwendig ist. Das ist eine Folge der niedrigeren Ausgangsleistung des optischen Verstärkers B, wenn die Eingangsleistung des Ka­ nals 1 höher wird (dabei wurde gleichfalls angenommen, daß der optische Verstärker B vorherrschend den Kanal 1 begrenzt und daß der optische Verstärker A vorherrschend den Kanal 2 begrenzt. Eine derartige kanalabhängige (tatsächlich wellen­ längenabhängige) Begrenzung ist in der Praxis leicht zu realisieren).

Es versteht sich, daß allgemein die Auslegungen und Verfahren, die oben für eine diskrete Wellenlängenübertra­ gung verwandt und vorgeschlagen wurden, auf die Übertragung über einen vollen Bereich von Frequenzen in einem gegebenen Wellenlängenbereich angewandt werden können. Die Auslegungen und Verfahren, die für die Mehrwellenlängenübertragung ver­ wandt und vorgeschlagen wurden, können gleichfalls ohne weiteres bei Mehrwellenlängenlasern angewandt werden.

Claims (17)

1. Optische Verstärkeranordnung mit einer Vielzahl von Verstärkungsmedien, die in Reihe geschaltet und so angeord­ net sind, daß sie ein Signal mit einer Vielzahl von Wellen­ längen verstärken, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Verstärkungsmedien in Sättigung arbeiten und andere Verstärkungsmedien spektral derart verschieden sind, daß sie primär mit anderen Wellenlängen wechselwirken, so daß im Fall einer Abweichung der Signalleistungen von der Gleichverteilung zwischen den Wellenlängen die optische Verstärkeranordnung die Signalleistungen auf die Gleichver­ teilung zurückführt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einzigen optischen Verstärker, in dem die Anzahl von Verstärkungsmedien in Reihe geschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von optischen Verstärkern, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder optische Verstärker wenigstens eines der Vielzahl von Verstärkungsmedien aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eines der Verstärkungsmedien eine mit Erbium dotierte Faser ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Verstärkungsmedien eine mit Erbium dotierte Aluminosilikatfaser ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eines der Verstärkungsmedien eine mit Erbium dotierte Germanosilikatfaser ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eines der Verstärkungsmedien eine mit Erbium dotierte Phosphosilikat- oder Aluminophosphosilikatfaser ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eines der Verstärkungsmedien die Verstärkungsschwankungsbreite auf einer ersten Wellen­ länge größer als die Verstärkungsschwankungsbreite auf einer zweiten Wellenlänge ist, während das Gegenteil bei einem anderen der Verstärkungsmedien der Fall ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes und ein zweites Ver­ stärkungsmedium abwechselnd in Reihe geschaltet sind.

10. Anordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche für eine Mehrwellenlängenübertragung in einem Wellenlängenbe­ reich, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes und ein zwei­ tes Übertragungsmedium primär mit Wellenlängen an jeweils gegenüberliegenden Enden des Wellenlängenbereiches wechsel­ wirken.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsmedien homogen verbreitert sind.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch optische Begrenzungsverstärker zur Erhöhung der signalleistungsinduzierten Verstärkungskompres­ sion.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Filter, die für verschiedene Verstär­ kungscharakteristiken in verschiedenen Verstärkungsmedien sorgen, derart, daß die jeweiligen Verluste in Verbindung mit jedem der Verstärkungsmedien bei Wellenlängen groß sind, bei denen die jeweilige Verstärkungsschwankungsbreite klein ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spektralen Abhängigkei­ ten der Verstärkungsschwankungsbereiche in verschiedenen Verstärkungsmedien gegeneinander bei bestimmten Wellenlängen oder Bereichen von Wellenlängen aufheben.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Verstärkungsmedien eine mit Erbium dotierte Germanosilikatfaser mit geringem oder keinem Aluminiumgehalt ist, derart, daß die Verstärkungsschwankungsbreite g_p-p mit der Wellenlänge im Bereich von 1543 bis 1549 nm zunimmt und der Verstärkungsschwankungsbereich wenigstens eines weiteren Verstärkungsmediums in demselben Bereich abnimmt.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie Wellenlängen im Bereich von 1540 bis 1552 nm überträgt.

17. Anordnung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Verstärkungsmedium aus einer Gruppe gewählt ist, die mit Erbium dotierte Aluminogermano­ silikatfasern mit hohem Aluminiumgehalt, mit Erbium dotierte Silikatfasern, die mit Phosphor dotiert sind, und mit Erbium dotierte Phosphatfasern umfaßt.