DE19604438C1 - Schaltungsanordnung zur optischen Verstärkung - Google Patents

Description

Wesentliche Komponenten von (dichten) WDM (Wavelength Division Multiplex)-Telekommunikationssystemen oder, mit anderen Wor­ ten gesagt, von optischen Frequenzmultiplex-(OFDM-)Systemen, sind WDM-Multiplexer/-Demultiplexer zur Zusammenfassung von optischen Kanälen im (dichten) Wellenlängenmultiplex bzw. zur Trennung im (dichten) Wellenlängenmultiplex zusammengefaßter optischer Kanäle voneinander (telcom report international 18(1995) Special "ISS′95", 10 . . . 14). Solche optischen Fre­ quenzmultiplexer/-demultiplexer können z. B. in SiO₂/Si-Tech­ nologie in Form von sog. Optical Phase Arrays hergestellt sein; ein solches einen WDM-Multiplexer/-Demultiplexer reali­ sierendes Optical Phased Array OPA weist, wie dies auch in Fig. 1 angedeutet ist, im Prinzip auf einem Substrat zwei Flachwellenleiter M, D auf, zwischen deren inneren Stirnflä­ chen eine Mehrzahl von - einen sog. Phase Shifter bildenden - Streifenwellenleitern w1, . . . , ww mit sich von Lichtwellen­ leiter w1, . . . zu Lichtwellenleiter . . . , ww ändernder Länge verläuft und auf deren einander abgewandte Stirnflächen die kanalindividuellen Lichtwellenleiter k1, . . . , kn bzw. der Multiplex-Lichtwellenleiter m stoßen (IEEE Photon. Technol. Lett., 7 (1995)10, S. 1040 . . . 1041).

Durch die optischen Komponenten hervorgerufene Signalverluste sind mittels hinzugefügter optischer Verstärker zu kompensie­ ren. Ein solcher Verstärker, üblicherweise ein optischer Erbium-dotierter Faserverstärker, der neben einem Pumplaser die Erbium-dotierte Faser und die notwendigen wellenlängen­ selektiven Koppler aufweist, wird vielfach multiplexseitig, d. h. auf der Seite des Multiplexsignals (hinter dem Multiple­ xer bzw. vor dem Demultiplexer), eingesetzt.

Der Einsatz von optischen Faserverstärkern in WDM-Übertra­ gungswegen ist allerdings mit für die einzelnen Kanäle unter­ schiedlichen Verstärkungsfaktoren verbunden, so daß am Ende eines eine Mehrzahl von Verstärkerstufen enthaltenden Über­ tragungsweges die einzelnen Kanalpegel u. U. so weit ausein­ anderliegen können, daß sich beim Demultiplexen das Neben­ sprechen zwischen den Kanälen kritisch auswirkt.

Um dem zu begegnen, kann man eine kanalindividuell abgestimmte Pegelanhebung vorsehen, indem in zwischen einem WDM-Demul­ tiplexer und einem WDM-Multiplexer verlaufende kanalindividu­ elle Lichtwellenleiter jeweils eine Erbium-dotierte Faser einfügt und in die kanalindividuellen Lichtwellenleiter je­ weils über einen lichtwellenleiterindividuellen Koppler Pump­ licht von einem gemeinsamen Pumplaser mit nachfolgendem Split­ ter her einspeist (IEEE Photon. Technol. Lett., 6 (1994) 11, S. 1321 . . . 1323).

Die Erfindung zeigt demgegenüber einen Weg zu einer aufwand­ günstigeren Realisierung einer optischen Verstärkung in an ei­ nen WDM-Multiplexer/-Demultiplexer anschließenden, mit Ionen der Seltenen Erden, insbesondere Erbium, dotierten kanalindi­ viduellen Lichtwellenleitern.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur optischen Verstärkung mit an einen WDM-Multiplexer/-Demultiplexer ein­ zelkanalseitig anschließenden, insbesondere zwischen einem WDM-Multiplexer/-Demultiplexer und einem WDM-Demultiplexer/- Multiplexer verlaufenden, mit Ionen der Seltenen Erden, ins­ besondere Erbium, dotierten kanalindividuellen Lichtwellen­ leitern, in die Pumplicht von einem gemeinsamen Pumplaser her einkoppelbar ist; diese Schaltungsanordnung ist erfindungsge­ mäß dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Optical Phased Array gebildete WDM-Multiplexer/-Demultiplexer einen geson­ derten Wellenleiter zur Einkopplung des Pumplichts aufweist, welcher in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf die inne­ re Stirnfläche des einzelkanalseitigen Flachwellenleiters des Optical Phased Arrays stößt.

Die Erfindung ermöglicht eine aufwandgünstige Realisierung einer optischen Verstärkung in an einen WDM-Multiplexer/- Demultiplexer anschließenden, mit Ionen der Seltenen Erden, insbesondere Erbium, dotierten kanalindividuellen Lichtwel­ lenleitern.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nachfol­ genden näheren Erläuterung anhand der Zeichnungen ersicht­ lich. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines einen WDM-Multiplexer/-De­ multiplexer realisierenden bekannten Optical Phased Ar­ rays und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines solchen WDM-Multiplexers/-De­ multiplexers;

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines einen WDM-Multiple­ xer/-Demultiplexer gemäß der Erfindung realisierenden Optical Phased Arrays, und

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer mit einem solchen WDM- Multiplexer/-Demultiplexer realisierten Verstärkungs­ schaltung.

In Fig. 1 ist ein einen WDM-Multiplexer/-Demultiplexer reali­ sierendes Optical Phased Array OPA skizziert, das im Prinzip auf einem Substrat zwei als Splitter bzw. Kombinierer wirken­ de Flachwellenleiter M, D aufweist, zwischen deren inneren Stirnflächen eine Mehrzahl von - einen sog. Phase Shifter bildenden - Streifenwellenleitern w1, . . . , ww mit sich von Lichtwellenleiter w1, . . . zu Lichtwellenleiter . . . , ww än­ dernder Länge verläuft und auf deren einander abgewandte Stirnflächen die kanalindividuellen Lichtwellenleiter k1, kn bzw. der Multiplex-Lichtwellenleiter m stoßen.

Das Blockschaltbild eines solchen WDM-Multiplexers/-Demulti­ plexers zeigt Fig. 2, in der die entsprechenden Schaltungsele­ mente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind, so daß es insoweit keiner weiteren Erläuterung bedarf.

Die in Fig. 1 skizzierte Struktur eines Optical-Phased-Array- Multiplexers/-Demultiplexers wird nun gemäß Fig. 3 erweitert, um eine Verstärkung des optischen Signals zu ermöglichen.

Gemäß Fig. 3 weist das Optical Phased Array OPA - neben den schon bei der Erläuterung der Fig. 1 genannten, in Fig. 3 mit denselben Bezugszeichen versehenen Elementen - einen geson­ derten Wellenleiter p zur Einkopplung von Pumplicht auf, der auf die innere Stirnfläche des einzelkanalseitigen Flachwel­ lenleiters D des Optical Phased Arrays OPA stößt. Ein wei­ terer gesonderter Wellenleiter ü geht im Ausführungsbeispiel von der inneren Stirnfläche des multiplexseitigen Flachwel­ lenleiters M des Optical Phased Arrays OPA aus. Ein solcher weiterer gesonderter Wellenleiter ü ermöglicht eine Überwa­ chung des vom Multiplex-Lichtwellenleiter m her eingekoppel­ ten WDM-Signals (beispielsweise mit Hilfe eines optischen Spektographen), was hier jedoch keiner weiteren Erläuterung bedarf, da dies zum Verständnis der Erfindung nicht erforder­ lich ist.

Ein Blockschaltbild einer mit einem solchen WDM-Multiplexer/- Demultiplexer realisierten Verstärkungsschaltung zeigt Fig. 4, in der sich entsprechende Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen sind, so daß es insoweit keiner weiteren Erläuterung bedarf.

Die Einkopplung des Pumplichts geht in dem in Fig. 3 bzw. in Fig. 4 skizzierten Optical Phased Array OPA in prinzipiell gleicher Weise vor sich wie die Zusammenfassung der Signal­ lichtanteile der den Phase Shifter bildenden Streifenwellen­ leiter w1, . . . , ww (in Fig. 3) im Flachwellenleiter D (in Fig. 3). Das Optical Phased Array kann dabei im kodirektionalen Betrieb (Nutzsignallicht und Pumplicht laufen in gleicher Richtung) als Demultiplexer arbeiten, wobei der Flachwellen­ leiter M als Splitter und der Flachwellenleiter D als Kombi­ nierer arbeitet; das Optical Phased Array kann aber auch im kontradirektionalen Betrieb (Nutzsignallicht und Pumplicht laufen in entgegengesetzter Richtung) als Multiplexer arbei­ ten.

Das Pumplicht, dessen Wellenlänge wie üblich bei 980 oder 1480 nm liegen wird, gelangt über den Flachwellenleiter D in die kanalindividuellen Lichtwellenleiter k1, . . , kn und wei­ ter in die daran anschließenden, im Ausführungsbeispiel ge­ mäß Fig. 4 zwischen einem WDM-Multiplexer/-Demultiplexer OPA und einem WDM-Demultiplexer/-Multiplexer APO verlaufenden kanalindividuellen Lichtwellenleiter, die mit Ionen der Sel­ tenen Erden, insbesondere Erbium, dotiert sein mögen mit der Folge, daß das im jeweiligen Erbium- o.a. dotierten Wellen­ leiter geführte Nutzsignallicht in für optische Faserverstär­ ker bekannter, hier nicht weiter interessierender Weise eine Verstärkung auf Kosten des Pumplichts erfährt.

Ein kleiner Anteil des Pumplichts kann auch an dem weiteren gesonderten Wellenleiter ü (in Fig. 3) als Monitorsignal z. B. zur Verstärkungsregelung ausgekoppelt werden.

Für eine effiziente Überkopplung des Pumpsignals in die ka­ nalindividuellen Lichtwellenleiter k1, . . , kn weist der ge­ sonderte Wellenleiter p zweckmäßigerweise einen anderen Kop­ pelwirkungsgrad auf als die zwischen den beiden Flachwellen­ leitern M, D (in Fig. 3) verlaufenden Streifenwellenleiter w1, . . . , ww. Es mögen beispielsweise w Streifenwellenleiter w1, . . . , ww in untereinander gleicher Weise auf die innere Stirn­ fläche des Flachwellenleiters D stoßen und auf dessen äußere Stirnfläche n kanalindividuelle Lichtwellenleiter k1, . . . , kn. Zwischen dem gesonderten Wellenleiter p und jedem kanal­ individuellen Lichtwellenleiter k1, . . . , kn ergibt sich im Optimalfall ein Koppelwirkungsgrad 1/n. Zwischen jedem kanal­ individuellen Lichtwellenleiter k1, . . . , kn und jedem der Phase-Shifter-Streifenwellenleiter w1, . . . , ww ergibt sich im verlustfreiem Fall und bei gleichmäßiger Verteilung ein Kop­ pelwirkungsgrad (1-1/n)·(1/w), d. h. die Einfügedämpfung für die einzelnen WDM-Kanäle nimmt gegenüber einem einfachen Op­ tical Phased Array OPA gemäß Fig. 1 um den Faktor (1-1/n) zu. Bei typischerweise n=8 liegt dieser Zusatzverlust bei 0,6 dB und ist damit fast vernachlässigbar. Nebeneffekte wie die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelwirkungsgrades werden hier vernachlässigt.

Um den gewünschten Koppelwirkungsgrad zu erreichen, darf der gesonderte Wellenleiter p nur die kanalindividuellen Licht­ wellenleiter k1, . . . , kn ausleuchten, wogegen jeder der w Phase-Shifter-Streifenwellenleiter w1, . . . , ww eine um etwa w/n größere Fläche ausleuchtet. Um die gewünschte schmale Ab­ strahlcharakteristik des-gesonderten Wellenleiters p zu be­ wirken, kann man eine langsame Verjüngung (Taper) des geson­ derten Wellenleiters p am Eingang des Flachwellenleiters D vorsehen, was eine Verbreiterung des in den Flachwellenleiter D abgestrahlten Pumplicht-Feldes bewirkt, das damit eine ent­ sprechend geringe Divergenz aufweist.

Alternativ kann man auch eine langsame Verbreiterung (Taper) des am Eingang des Flachwellenleiters D vorsehen, so daß hö­ here Wellenleitermoden angeregt werden; dies bietet die Mög­ lichkeit, die erwünschte Divergenz zu erreichen und die Lei­ stungsverteilung auf die kanalindividuellen Lichtwellenleiter k1, . . . , kn durch eine geeignete Überlagerung der Moden gleichmäßiger zu gestalten.

Prinzipiell das gleiche erreicht man auch, wenn man den Flachwellenleiter D als Multimodewellenleiter ausführt oder wenn man im Flachwellenleiter D vor dem gesonderten Wellen­ leiter p eine planare Linse integriert.

Von einer näheren Darstellung dieser Besonderheiten kann hier indessen abgesehen werden, da dies zum Verständnis nicht er­ forderlich ist.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur optischen Verstärkung mit an einen WDM-Multiplexer/-Demultiplexer (OPA) einzelkanalseitig an­ schließenden, insbesondere zwischen einem WDM-Multiplexer/- Demultiplexer (OPA) und einem WDM-Demultiplexer/-Multiplexer verlaufenden, mit Ionen der Seltenen Erden, insbesondere Er­ bium, dotierten kanalindividuellen Lichtwellenleitern (k1, . . . , kn), in die Pumplicht von einem gemeinsamen Pumplaser her einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Optical Phased Array (OPA) gebildete WDM- Multiplexer/-Demultiplexer einen gesonderten Wellenleiter (p) zur Einkopplung des Pumplichts aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher gesonderter Wellenleiter (p) auf die innere Stirnfläche des einzelkanalseitigen Flachwellenleiters (D) des Optical Phased Arrays (OPA) stößt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer gesonderter Wellenleiter (ü) von der inneren Stirnfläche des multiplexseitigen Flachwellenleiters (M) des Optical Phased Arrays (OPA) ausgeht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Wellenleiter (p) am Eingang des Flachwel­ lenleiters (D) einen Taper in Form einer langsamen Verjüngung aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Wellenleiter (p) am Eingang des Flachwel­ lenleiters (D) einen Taper in Form einer langsamen Verbreite­ rung aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Flachwellenleiter (D) vor dem gesonderten Wellenleiter (p) eine planare Linse integriert ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachwellenleiter (D, M) als Multimodewellenleiter ausgebildet ist.