DE10012881A1 - Ramanverstärkeranordnung - Google Patents

Abstract

Bei einer Übertragung von optischen Signalen (os) über eine Serienschaltung aus einer sendeseitig angeordneten Standard-Einmodenfaser (SSMF), einer ersten optischen Faser (OF1) und einer empfangsseitig angeordneten zweiten optischen Faser (OF2) wird ein optisches Pumpsignal (ps) empfangsseitig in die zweite optische Faser (OF2) zur Erzeugung des Raman-Effektes in der ersten optischen Fasern (OF1) eingekoppelt. Durch die erfindungsgemäße Wahl der unterschiedliche effektive Querschnitte (Q1, Q2) und Nichtlinearitätkonstanten (n1, n2) aufweisenden ersten und zweiten optischen Faser (OF1, OF2) wird die effektive Rauschzahl der Ramanverstärkeranordnung verringert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ramanverstärkeranordnung zur Ver­ stärkung von über ein Übertragungsmedium übertragenen opti­ schen Signalen.

In bestehenden und zukünftigen optischen Übertragungssyste­ men, insbesondere in nach dem WDM-Prinzip (Wavelength Divisi­ on Multiplexing) arbeitenden Übertragungssystemen, werden op­ tische Pumpsignale von einer Pumpwelle in eine optische Stan­ dard-Einmodenfaser eingekoppelt, um den Einkoppelort vorgela­ gerte optische Verstärker - beispielsweise Erbium-Verstärker - mit der nötigen optischen Pumpleistung zu versorgen. Des­ weiteren werden derartige optische Pumpsignale zur direkten Verstärkung von zu übertragenden optischen. Signalen benutzt, wobei die durch die optischen Pumpsignale hervorgerufene op­ tische Verstärkung auf den Raman-Effekt basiert. Der Raman- Effekt (engl. "Stimulated Raman Scattering") ist beispiels­ weise in "Nonlinear Fiber Optics" von Govind P. Agrawal, Aca­ demic Press, 1995, auf den Seiten 316 bis 322 beschrieben.

Als eine spezielle Ausführungsform für die Nutzung des Raman- Effektes für optische Verstärkungsprobleme ist der Raman- Vorverstärker bekannt - siehe hierzu beispielsweise "Raman limited, truly unrepeated transmission ad 2.5 Gbit/s over 453 km with + 30 dBm launched signal power", E. Brandon, J.-P. Blondel, Seiten 563 bis 564, ECGC98, 20-24. September 1998, Madrid, Spanien oder Govind P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Op­ tics", Academic Press, 1995, auf den Seiten 356 bis 359.

Hierbei wird ein leistungsstarkes optisches Pumpsignal unmit­ telbar vor der optischen Empfangseinrichtung einer optischen Übertragungsstrecke in die optische Faser eingekoppelt, wobei sich das optische Pumpsignal entgegengesetzt zum optischen Datensignal im optischen Übertragungsmedium bzw. in der optischen Faser ausbreitet. Für dieses leistungsstarke optische Pumpsignal wird aufgrund des Raman-Effektes eine bzw. mehrere von der Wellenlänge des Pumpsignels abhängige Stokeswellen in der optischen Faser erzeugt, welche unterschiedliche optische Signalwellen bzw. optische Signale mit unterschiedlichen Wel­ lenlängen in unterschiedlichen Faserarten verstärken. Bei bislang realisierten Raman-Vorverstärkern werden überlicher­ weise Wellenlängen von ca. 1450 bis 1460 nm aufweisende opti­ sche Pumpsignale verwendet, um Wellenlängen von 1550 bis 1560 nm aufweisende, optische Signale bzw. Datensignale effektiv vorzuverstärken, wobei hierbei die erste Stokeswelle zur Vor­ verstärkung des optischen Signals benutzt wird. Hierdurch kann die regenerationsfrei überbrückbare Übertragungslänge einer optischen Übertragungsstrecke erheblich verlängert wer­ den, welches insbesondere bei der Realisierung einer opti­ schen Übertragungsstrecke mit Hilfe eines optischen Tiefsee­ kabels von enormen wirtschaftlichen Vorteil ist. Es kann eine um so größere regenerationsfrei überbrückbare Gesamtübertra­ gungslänge der optischen Übertragungsstrecke erreicht werden, je weiter entfernt von dem Einkoppelort des optischen Pumpsi­ gnals durch den Ramaneffekt eine möglichst hohe Pumpleistung bzw. Ramanvorverstärkung erzeugt werden kann.

Die maximale Ramanverstärkung ist hierbei durch den Refle­ xionsverlust der Rayleighrückstreuung in der Übertragungsfa­ ser begrenzt. Die Rayleighrückstreuung wird durch Faserverun­ reinigungen verursachte Dichteschwankungen in optischen Stan­ dard-Einmodenfasern hervorgerufen, die bei der Fertigung von optischen Standard-Einmodenfasern zufällig entstehen. Durch die aufgrund derartiger Dichteschwankungen entstehenden loka­ len Änderungen des Brechungsindexes in optischen Standard- Einmodenfasern wird das zu übertragende optische Signal in unterschiedliche Richtungen gestreut. Bei einer zu hohen Ra­ man-Verstärkung, d. h. einer zu hohen Ramanpumpleistung, wird die "Amplified Spontanous Emission" (ASE), d. h. das von opti­ schen Verstärkern dem optischen Signal bzw. Datensignal hin­ zugefügte optische Rauschen, des optischen Ramanverstärkers derartig erhöht, daß in der Übertragungsfaser eine selbst­ ständige Oszillation des Ramanpumpsignals angeregt wird, wo­ bei dieser Effekt insbesondere bei einer Ramanverstärkung deutlich größer als der Rayleighrückstreureflex zusätzlich verstärkt wird.

Daher wird die maximale in die optische Faser eingekoppelte optische Ramanpumpleistung bei bestehenden optischen Übertra­ gungssystemen bzw. Ramanverstärkeranordnungen entsprechend gering gehalten, um ein derartiges Oszillieren zu vermeiden. Desweiteren ist beim Einsatz von Ramanpumpleistungen kleiner 1 Watt die erreichbare effektive Rauschzahl der Ramanverstär­ keranordnung begrenzt - siehe hierzu Govind P. Agrawal, "Non­ linear Fiber Optics", Academic Press, 1995, auf den Seiten 477 bis 480, wodurch der optische Signal-Rausch-Abstand (OSNR) des optischen Datensignal zusätzlich verschlechtert wird.

Des Weiteren sind aus der Veröffentlichung "Ultra Low Nonli­ nearity Low Loss Pure Silica Core Fiber for Long-Haul WDM- Transmission" von T. Kato et al., Electronic Letters, vol. 35, no. 19, p. 1615-17, September 1999, optische Fasern mit einem Faserquerschnitt von größer 110 µm² und einer geringen Dämp­ fungskonstante von 0,17 dB/km bei einer Signalwellenlänge von 1550 nm bekannt, welche einen im Vergleich zu herkömmlichen optischen Standard-Einmodenfasern um 30% reduzierten Nicht­ linearitätskoeffizienten aufweisen und somit eine nahezu ver­ zerrungsfreie Übertragung von optischen Signalen über Entfer­ nungen von einigen hundert Kilometern ermöglichen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Verstärkung von optischen Signalen unter Ausnutzung des Raman Effektes zu optimieren. Die Aufgabe wird ausgehend von einer Ramanverstärkeranordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils gelöst.

Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Ramanverstär­ keranordnung ist darin zu sehen, daß als optisches Übertra­ gungsmedium eine Serienschaltung aus einer sendeseitig ange­ ordneten Standard-Einmodenfaser, einer ersten optischen Faser und einer empfangsseitig angeordneten zweiten optischen Faser vorgesehen ist, wobei ein optisches Pumpsignal empfangsseitig in die zweite optische Faser zur Erzeugung des Raman-Effektes in der ersten optischen Faser eingekoppelt wird und die erste optische Faser einen effektiven Faserquerschnitt kleiner als 60 µm² und eine Nichtlinearitätskonstante größer als 1 . 10¹ 1/W und die zweite optische Faser einen effektiven Faserquer­ schnitt größer als 100 µm² und eine Nichtlinearitätskonstante kleiner als 1 . 10^-8 1/W aufweist. Durch den erfindungsgemäß hohen effektiven Querschnitt vor über 100 µm² und der gerin­ gen Nichtlinearitätskonstante von 1 . 10^-8 1/W der zweiten op­ tischen Faser kann das optische Pumplicht mit nur geringem Dämpfungsverlust (ca. 3 dB) zur ersten optischen Faser über­ tragen werden, in der gezielt eine Verstärkung des optischer Datensignals mit Hilfe des erzeugten Raman-Effektes durchge­ führt werden kann. Somit kann der Verstärkungspunkt weiter entfernt vom Empfänger (ca. < 80 km) gewählt werden, wodurch die regenerationsfrei überbrückbare optische Übertragungs­ strecke erfindungsgemäß erhöht wird, d. h. das über die erfin­ dungsgemäß verkürzte optische Standard-Einmodenfaser übertra­ gene - somit weniger stark gedämpfte - optische Datensignal wird in einem weiter entfernt vom Empfänger angeordneten Ver­ stärkungspunkt bereits verstärkt. Zusätzlich ist der Einfluß der Höhe des Rauschens der ASE im Vergleich zur Amplitude des Datensignals im Verstärkungspunkt aufgrund des weniger stark gedämpften Datensignals geringer, wodurch die effektive Rauschzahl der Ramanverstärkeranordnung verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ramanverstär­ keranordnung ist darin zu sehen, daß die erste und zweite op­ tische Faser einen Rayleighstreukoeffizienten kleiner als -33 dB und eine Faserdämpfung kleiner als 0,3 dB/km bei der je­ weils vorgesehenen Pumpwellenlänge aufweist - Anspruch 2.

Durch die geringe Faserdämpfung und den kleinen Rayleigh­ streukoeffizienten können erfindungsgemäß hohe Pumpleistungen (ca. < 1 Watt) in das optische Übertragungsmedium eingekop­ pelt werden, ohne störende Oszillationen des Pumpsignals im Übertragungsmedium zu erzeugen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ramanverstärkeranordnung sind den weiteren Ansprüchen zu ent­ nehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von einem Blockschalt­ bild - Fig. 1 - näher erläutert. Fig. 1 zeigt hierzu bei­ spielhaft in einem Blockschaltbild den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Ramanverstärkeranordnung zur Verstär­ kung von optischen Signalen.

In Fig. 1 ist beispielsweise eine optische Sendeeinheit OTU und eine optische Empfangseinheit ORU aufweisende, optische Übertragungsstrecke OTL dargestellt, wobei ein Ausgang o der optischen Sendeeinheit OTU über eine optische Standard- Einmodenfaser SSMF, eine erste und zweite optische Faser OF1, OF2 und einen optischen Koppler OK mit einem Eingang i der optischen Empfangseinheit ORU verbunden ist. Die Über­ gangsstellen zwischen optischer Standard-Einmodenfaser SSMF und erster optischer Faser OF1 bzw. zwischen erster und zwei­ ter optischer Faser OF1, OF2 sind in Fig. 1 als erste bzw. zweite optische Spleisstelle SS1, SS2 bezeichnet. Des weiteren ist der optische Koppler OK über eine optische Pumpfaser OPF an eine einen Ausgang o aufweisende optische Pumpsignalein­ heit PSU angeschlossen. Hierbei ist das optische Übertra­ gungsmedium OTM erfindungsgemäß aus einer Serienschaltung der optischen Standard-Einmodenfaser SSMF, der ersten und zweiten optischen Faser OF1, OF2 zusammengesetzt.

Desweiteren weist erfindungsgemäß die erste optische Faser OF1 einen ersten effektiven Faserquerschnitt Q1 kleiner als 60 µm² und eine erste Nichtlinearitätskonstante n1 größer als 1 . 10¹ 1/W und die zweite optische Faser OF2 einen zweiten ef­ fektiven Faserquerschnitt Q2 größer als 100 µm² und eine zweite Nichtlinearitätskonstante n2 kleiner als 1 . 10^-8 1/W auf, d. h. der erste effektive Faserquerschnitt Q1 ist kleiner als der zweite effektive Faserquerschnitt Q2 und die erste Nichtlinearitätskonstante n1 ist größer als die zweite Nicht­ linearitätskonstante n2. Zusätzlich weisen die erste und zweite optische Faser OF1, OF2 einen Rayleighstreukoeffizien­ ten beispielsweise kleiner als -33 dB und eine Faserdämpfung kleiner als 0,3 dB/km bei der jeweils vorgesehenen Pumpwel­ lenlänge λ_P, beispielsweise 1450 nm, auf.

Gemäß Fig. 1 wird ein optisches Datensignal bzw. Signal os mit einer Wellenlänge λs, beispielsweise 1550 nm, von der op­ tischen Sendeeinheit OTU erzeugt, am Ausgang o abgegeben und anschließend in die optische Standard-Einmodenfaser SSMF ein­ gekoppelt. Das optische Signal os(λs) wird im folgenden vom Ausgang o der optischen Sendeeinheit OTU über die optische Standard-Einmodenfaser SSMF, über die erste optische Faser OF1, über die zweite optische Faser OF2 und über den opti­ schen Koppler OK zum Eingang i der optischen Empfangseinheit ORU übertragen, wobei durch die strichliert gezeichnete, op­ tische Standard-Einmodenfaser SENF die bei bislang realisier­ ten optischen Übertragungsstrecken OTL vorliegende Entfer­ nung, beispielsweise von mehreren hundert Kilometern, zwi­ schen optischer Sende- und Empfangseinheit OTU, ORU angedeutet wird. Desweiteren ist der Verstärkungspunkt AP bzw. der Ab­ schnitt der ersten optischen Faser OF1 beispielhaft durch ei­ ne punktiert gezeichnete Linie angedeutet, an bzw. in dem das optische Signal os(λs) verstärkt werden sollte, um eine wei­ tere verlustarme Übertragung des optischen Signals os zur op­ tischen Empfangseinheit ORU zu gewährleisten bzw. um am Ein­ gang i der optischen Empfangseinheit ORU das optische Signal os rückgewinnen zu können.

In der optischen Pumpsignaleinheit PSU wird ein optisches Pumpsignal ps mit einer zuvor festgelegten Pumpwellenlänge λp und einer Pumpintensität Ip erzeugt und vom Ausgang o der Pumpsignaleinheit PSU über die optische Pumpfaser OPF an den optischen Koppler übertragen. Das optische Pumpsignal ps wird mit Hilfe des optischen Kopplers OK in die zweite optische Faser OF eingekoppelt und breitet sich entgegengesetzt zur Übertragungsrichtung des optischen Signals os von der zweiten zur ersten optischen Faser OF1, OF2 aus. Durch das optische Pumpsignal ps wird in der ersten optischen Faser OF1 der Ra­ man-Effekt initiiert, d. h. es entsteht in der ersten opti­ schen Faser OF ein Raman-Linienspektrum bzw. mehrere Stokes- Wellen unterschiedlicher Wellenlänge durch die das optische Signal os in der ersten optischen Faser OF1 an einem Verstär­ kungspunkt AP eine gezielte Verstärkung erfährt. Durch die geringe Faserdämpfung in der ersten und zweiten optischen Fa­ ser OF1, OF2 und den jeweils kleinen Rayleighstreukoeffizien­ ten können erfindungsgemäß hohe Pumpleistungen (ca. < 1 Watt) in das optische Übertragungsmedium OTM eingekoppelt werden, ohne das durch eingekoppelte Pumpsignals ps störende Oszilla­ tionen im Übertragungsmedium OTM hervorgerufen werden.

Desweiteren wird erfindungsgemäß durch den zweiten hohen ef­ fektiven Faserquerschnitt Q2 von beispielsweise über 100 µm² und die geringe erste Nichtlinearitätskonstante von 1 . 10^-8 1/W das optische Pumpsignal ps in der zweiten optischen Faser OF2 mit nur geringem Dämpfungsverlust (ca. 3 dB) zur ersten optischen Faser OF2 übertragen. In dieser kann anschließend gezielt eine effektive Verstärkung des optischen Datensignals os mit Hilfe des in der ersten optischen Faser OF1 durch das Pumpen mit dem optischen Pumpsignal ps erzeugten Raman- Effektes durchgeführt werden. Somit kann der Verstärkungs­ punkt AP weiter entfernt vom der optischen Empfangseinheit ORU (ca. < 80 km) gewählt werden, wodurch die regenerations­ frei überbrückbare optische Übertragungsstrecke erfindungsge­ mäß erhöht wird, d. h. das über die erfindungsgemäß verkürzte optische Standard-Einmodenfaser SSMF übertragene und somit weniger stark gedämpfte, optische Signal os wird in einem weiter entfernt vom der optischen Empfangseinheit ORU angeordneten Verstärkungspunkt AP vorverstärkt. Zusätzlich wird hierdurch der Einfluß der Höhe des Rauschens der ASE im Ver­ gleich zur Amplitude des optischen Signals os im Verstär­ kungspunkt AP aufgrund des weniger stark gedämpften optischen Signals os deutlich reduziert, wodurch die effektive Rauschzahl der Ramanverstärkeranordnung verbessert wird.

Gegebenenfalls können mehrere optische Pumpsignale ps mit un­ terschiedlichen Pumwellenlängen λ_p in der Pumpsignaleinheit PSU erzeugt und über die optische Pumpfaser OPF und den opti­ schen Koppler OK in die zweite optische Faser OF2 eingekop­ pelt werden - in Fig. 1 nicht dargestellt. Hierdurch kann eine Formung des Raman-Linienspektrums realisiert werden, wo­ mit mehrere optische Datensignale bzw. in unterschiedlichen optischen Kanälen und/oder optischen Frequenzbändern übertra­ gene optische Übertragungssignale os effektiv verstärkt wer­ den können.

Die erfindungsgemäße Ramanverstärkeranordnung ist keinesfalls auf WDM-Übertragungssysteme beschränkt, sondern kann zur Ver­ stärkung von optischen Signalen OS auf beliebigen optischen Übertragungstrecken OTL eingesetzt werden.

Claims (4)

1. Ramanverstärkeranordnung zur Verstärkung von über ein Übertragungsmedium (OTM) übertragenen optischen Signalen (os), dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Übertragungsmedium (OTM) eine Serienschal­ tung aus einer sendeseitig angeordneten Standard- Einmodenfaser (SSMF), einer ersten optischen Faser (OF1) und einer empfangsseitig angeordneten zweiten optischen Faser (OF2) vorgesehen ist, wobei ein optisches Pumpsignal (ps) empfangsseitig in die zweite optische Faser (OF2) zur Erzeu­ gung des Raman-Effektes in der ersten optischen Faser (OF1) eingekoppelt wird und die erste optisches Faser (OF1) einen effektiven Faserquerschnitt (Q1) kleiner als 60 µm² und eine Nichtlinearitätskonstante (n1) größer als 1 . 10¹ 1/W und die zweite optische Faser (OF2) einen effektiven Faserquerschnitt (Q2) größer als 100 µm² und eine Nichtlinearitätskonstante (n2) kleiner als 1 . 10^-8 1/W aufweist.

2. Ramanverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite optische Faser einen Rayleighstreu­ koeffizienten kleiner als -33 dB und eine Faserdämpfung klei­ ner als 0,3 dB/km bei der jeweils vorgesehenen Ramanpumpwel­ lenlänge aufweist.

3. Ramanverstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Koppeleinheit (OK) zur Einkopplung des in einer optischen Pumpsignaleinheit (PSU) erzeugten optischen Pumpsignals (ps) in die zweite optische Faser (OF2) vorgese­ hen ist.

4. Ramanverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der zweiten optischen Faser (OF2) abhängig von der Dämpfung des optischen Pumpsignals (ps) im Bereich von 30 -80 km liegt.