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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einem
abstimmbaren optischen Filter und einem optischen Verstärker, die
beispielsweise in einem optischen Kommunikationsnetz einsetzbar
ist, um aus einem auf einer optischen Faser übertragenen Wellenlängenmultiplex-(WDM)-Nachrichtensignal
einen einzelnen Kanal auszukoppeln.
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Um
einen einzelnen Kanal aus einem auf einer optischen Faser übertragenen
Wellenlängenmultiplexsignal
auszukoppeln, ist es üblich,
einen Strahlteiler in die optische Faser einzufügen, der einen Anteil der optischen
Leistung aller Kanäle
des Multiplex abzweigt, und aus dem abgezweigten Anteil den interessierenden
Kanal spektral auszufiltern. Durch das Abzweigen geht dem auf der
optischen Faser übertragenen
Multiplexsignal Leistung verloren, weswegen der abgezweigte Anteil
nicht größer als
notwendig sein darf.
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Abstimmbare
Filter, die es erlauben, aus dem abgezweigten Multiplex eine gewünschte Wellenlänge zu isolieren,
sind an sich bekannt. Allerdings ist die Trennschärfe existierender
abstimmbarer Filter begrenzt, so dass ein abstimmbares Filter, das
die nicht erwünschten
Multiplexkomponenten in ausreichendem Maße unterdrückt, im allgemeinen auch eine
erhebliche Dämpfung
für die
gewünschte
Komponente aufweist, so dass diese nach dem Durchgang durch ein
solches Filter keine für
eine Erfassung mit einem üblichen,
kostengünstigen
Fotodetektor ausreichende Intensität mehr aufweist.
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Herkömmlicherweise
wird dieses Problem gelöst
durch eine optische Anordnung wie in 1 dargestellt.
Eine optische Faser 2 überträgt ein Wellenlängenmultiplexsignal,
schematisch dargestellt in einem Diagramm A als Spektrum von gleich
starken Linien. An einen Abgriff 1, der an der optischen
Faser 2 angeordnet ist und einen kleinen Prozentsatz der Leistung
des auf der Faser 2 übertragenen
Wellenlängenmultiplexsignals
abzweigt, ist ein erstes abstimmbares Filter 3 angeschlossen,
das die unerwünschten
Komponenten des Multiplexsignals unterdrückt, aber auch eine nicht vernachlässigbare Dämpfung für die erwünschte Komponente
aufweist.
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Das
resultierende Spektrum ist schematisch in einem Diagramm 8 dargestellt.
An dieses Filter 3 ist ein optischer Verstärker 4 angeschlossen,
der die gewünschte
Komponente verstärkt,
gleichzeitig aber unerwünschte
breitbandige spontane Emission aufweist, wie schematisch in einem
Diagramm C dargestellt. Das von dem Verstärker 4 verstärkte Licht durchläuft ein
zweites abstimmbares Filter 5, das in gleicher Weise wie
das Filter 3 abgestimmt ist und die spontane Emission des
Verstärkers 4 unterdrückt. Das
Ausgangssignal des zweiten abstimmbaren Filters 5 mit dem
in einem Diagramm D schematisch dargestellten Spektrum erreicht
einen Fotodetektor 6, der ein entsprechend der Intensität der gewünschten
Multiplexkomponente moduliertes elektrisches Ausgangssignal liefert.
Anhand dieses Ausgangssignals kann zum Beispiel die Übertragungsqualität auf der
Faser 2 beurteilt werden, oder die in der Modulation des
Signals codierten Daten können
extrahiert und weiterverarbeitet werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine optische Filter-Verstärker-Anordnung
zu schaffen, die ohne Abstriche an der Leistungsfähigkeit preiswerter
als bekannte vergleichbare Anordnungen realisierbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Aufgabe durch eine Anordnung, bei der der Weg des Lichtes zweimal,
vor bzw. nach Durchgang durch den Verstärker, durch ein gleiches abstimmbares
Filter geführt
ist. Dadurch ist es möglich,
auf das zweite abstimmbare optische Filter zu verzichten, was die
Kosten der Anordnung deutlich reduziert.
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Ein
besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der Weg des Lichtes
bidirektional durch das Filter geführt ist. Insbesondere in diesem
Fall können Ein-
und Ausgang der optischen Anordnung vorteilhaft durch zwei Anschlüsse eines
optischen Zirkulators gebildet sein, dessen dritter Anschluss mit
dem Filter verbunden ist.
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Vorzugsweise
ist der Weg des Lichtes auch bidirektional durch den Verstärker geführt.
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Bei
einer besonders einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist der Verstärker
zwischen dem abstimmbaren Filter einerseits und einem Reflektor
andererseits angeordnet, der vom Verstärker ausgegebenes Licht in
diesen zurückwirft.
Dabei ist vorzugsweise ist der Reflektor durch eine verspiegelte
Endfacette des Verstärkers selbst
gebildet.
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Alternativ
hierzu kann ein zweiter Zirkulator eingesetzt werden, von dessen
drei Anschlüssen zwei
mit Anschlüssen
des Verstärkers
und der dritte mit dem Filter verbunden ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1, bereits behandelt, einen
Aufbau einer herkömmlichen
Anordnung zum Abgreifen und Extrahieren einer Wellenlängenkomponente
aus einem auf einer optischen Faser übertragenen Wellenlängenmultiplexsignal;
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2 eine erste Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Anordnung;
und
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3 eine zweite Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Anordnung.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung
an einer Übertragungsfaser 2 zwischen
zwei Knoten 11, 12 eines optischen Kommunikationssystems.
In die Faser 2 ist ein Abgriff 1 eingefügt, der
ca. 5 % der auf der Faser übertragenen
Leistung mit einem Spektrum gemäß Diagramm
A zu einem ersten Anschluss eines Zirkulators 7 über eine
optische Faser abzweigt. Der Weg des Lichtes verläuft zunächst über einen
zweiten Anschluss des Zirkulators 7 zu einem wellenlängenabstimmbaren
Bandpassfilter 8, das vom gleichen Typ wie die Filter 3, 5 aus 1 sein kann, das in der
Anordnung von 2 allerdings nur
einmal vorhanden ist. Das Durchgangsband des Filters 8 ist
so abgestimmt, dass von den diversen Wellenlängen des auf der Faser 2 übertragenen
Multiplex nur eine gewünschte
bevorzugt durchgelassen wird; alle anderen sind, wie in dem mit
B bezeichneten Diagramm angedeutet, praktisch unterdrückt.
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Nach
dem Durchgang durch das Filter 8 erreicht das Licht einen
Verstärker 9,
z. B. in Form eines Faserverstärkers.
Im Ausgangsspektrum des Verstärkers
ist der verstärkten
gewünschten
Wellenlänge
ein Untergrund aus spontaner Emission überlagert, wie im Diagramm
C dargestellt. Am Ausgang des Verstärkers 9 ist ein Reflektor
10, zum Beispiel in Form einer Faser mit einem auf der gesamten
Bandbreite des Wellenlängenmultiplex
reflektierenden Bragg-Gitter, angeordnet. Das vom Reflektor 10 zurückgeworfene
Licht durchläuft
den Verstärker 9 ein zweites
Mal, wobei es weiter verstärkt
wird, und wird abermals im abstimmbaren Filter 8 gefiltert,
so dass die spontane Emission des Verstärkers 9 unterdrückt und
ein nur aus der erwünschten
Wellenlänge
bestehendes Spektrum des vom Filter 9 zum Zirkulator 7 zurücklaufenden
Licht erreicht wird, wie durch das Diagramm D angedeutet. Dieses
Licht erreicht über den
Zirkulator 7 schließlich
dessen dritten Anschluss, der mit einem Empfänger 6 verbunden ist.
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Anstelle
eines Faserverstärkers
kann auch ein integriert-optischer Verstärker 9 zum Einsatz kommen,
d.h. ein Verstärker,
bei dem das Verstärkermedium
durch einen auf einem Substrat strukturierte aktiven Wellenleiter
gebildet ist. In diesen Fall ist der Reflektor einfach dadurch realisierbar,
dass der verstärkende
Wellenleiter an einer Kante des Substrats abgeschnitten und die
dadurch entstehende Endfläche
des Wellenleiters verspiegelt ist. Derartige Spiegelanordnungen
sind von Halbleiterlasern bekannt und brauchen daher hier nicht
weiter im Detail beschieben zu werden.
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Der
Zirkulator 7 und der Verstärker 9 können auf
einem gemeinsamen Substrat integriert sein, um die Anordnung zu
miniaturisieren und Einfügungsverluste
zwischen ihren einzelnen Komponenten zu minimieren. Hierfür bieten
sich aktive Schichten auf Grundlage magnetischer Granate wie insbesondere Yttrium-Eisen-Granat (YIG)
an, die einerseits einen starken zur Realisierung eines Zirkulators
erforderlichen starken Faraday-Effekt zeigen als auch als optische
Verstärkermedien
in den für
die optische Kommunika tionstechnik wichtigen Wellenlängenbereichen
um 1,35 μm
und 1,50 μm
geeignet sind.
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Bei
der in 3 dargestellten
zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind der Abgriff 1,
der Zirkulator 7 und das abstimmbare Filter 8 mit
den entsprechenden in 2 gezeigten
Elementen in Anordnung und Aufbau identisch. Nach einmaligem Durchgang
durch das abstimmbare Filter 8 erreicht hier das Licht
einen ersten Anschluss eines Zirkulators 13, dessen zwei
andere Anschlüsse
mit Ein- und Ausgang eines Verstärkers 9 verbunden
sind. Das in den ersten Anschluss des Zirkulators 13 eingetretene Licht
verlässt
diesen über
seinen zweiten Anschluss, durchläuft
den Verstärker 9,
erreicht den dritten Anschluss und kehrt schließlich über das abstimmbare Filter 8 zum
Zirkulator 7 zurück,
der es an den Empfänger 6 weiterleitet.
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Um
ein Übersprechen
zwischen den sich gleichzeitig im Filter 8 ausbreitenden
optischen Signalen zu vermeiden, ist eine gekippte Anordnung reflektierender
Grenzflächen
des Filters zweckmäßig, bei
der reflektierte Anteile eines Signals nicht in die Herkunftsrichtung
des Signals reflektiert werden. So ist sichergestellt, dass nicht
etwa Licht mit den unerwünschten
Wellenlängen
vom Filter 8 unmittelbar in den Zirkulator 7 zurückgeworfen
wird und so am Empfänger 6 ein
Untergrundsignal bildet, das sich der ordnungsgemäß zweifach
gefilterten gewünschten
Wellenlänge überlagert.
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Eine
gekippte Anordnung eventuell reflektierender Grenzflächen im
Strahlengang ist auch wichtig, um zu verhindern, dass der Verstärker 9 selbsttätig anschwingt.
Hierfür
muss bei der Ausgestaltung der
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2 die Ungleichung R8 × R10 × G « 1, wobei
R8 bzw. R10 jeweils
die Reflektivität
des Filters 8 bzw. des Reflektors 10 und G die
Verstärkung
des Verstärkers 9 bei
zweimaligem Durchlauf bezeichnen, bzw. bei der zweiten Ausgestaltung
die Ungleichung R8 × L2 × G « 1 erfüllt sein,
wobei L hier der Durchgangsverlust des Zirkulators 13 und
G die Verstärkung
des Verstärkers 9 bei
einmaligem Durchgang ist.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
hat in beiden Ausgestaltungen gegenüber der herkömmlichen deutliche
Vorteile einerseits hinsichtlich der Kosten, da zusammen mit dem
zweiten abstimmbaren Filter auch eine für das zweite Filter erforderliche
Ansteuerelektronik zum Abstimmen des Filters sowie Vorrichtungen
zum Konstanthalten von dessen Temperatur oder Ausgleichen einer
Temperaturdrift entfallen können,
andererseits durch die mit dem Wegfall dieser Komponenten verbundene
Platzeinsparung.