DE19850161B4 - Optischer Verstärker sowie Verfahren zur optischen Verstärkung - Google Patents

Optischer Verstärker sowie Verfahren zur optischen Verstärkung Download PDF

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Abstract

Optischer Verstärker mit einem wellenlängenselektiven optischen Koppler zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals nach einem wellenlängenselektiven Kopplungsverfahren, einem Verstärkungsmedium zum Verstärken des Signals vom wellenlängenselektiven optischen Koppler und zum Ausgeben des verstärkten Signals und einer Pumpe, die mit dem wellenlängenselektiven optischen Koppler verbunden ist und eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium bewirkt, gekennzeichnet durch ein nichtlineares Mineralmaterial (24), das anschließend an das Verstärkungsmedium (22) vorgesehen ist, um das Signal zu beschränken, das vom Verstärkungsmedium (22) ausgegeben wird, indem stimuliertes Brillouin-Effekt-Streulicht emittiert wird, dieses Licht dem Verstärkungsmedium (22) wieder eingegeben wird und das Verstärkungsmedium (22) gesättigt wird, wenn die Amplitude des Signals, das vom Verstärkungsmedium (22) ausgegeben wird, über einem vorgegebenen Standardwert liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen volloptischen Klemmverstärker sowie ein optisches Verstärkungsverfahren und insbesondere einen volloptischen Klemmverstärker sowie ein optisches Verstärkungsverfahren, mit denen es möglich ist, den Besetzungsinversionswert eines Verstärkers, der den Änderungen in der Anzahl der Eingangssignalkanäle entspricht, auf einem konstanten Wert zu halten, indem stimuliertes Brillouin-Effekt-Streulicht (SBS) verwandt wird, das eine nichtlineare Charakteristik gegenüber einem Eingangssignal zeigt, und zwar durch Verwendung eines Verstärkungsmediums und eines nichtlinearen Mineralmaterials mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung, wodurch ein automatisches Anklemmen des Verstärkungsfaktors möglich wird.
  • Bei optischen Nachrichten- oder Informationsverbindungssystemen werden im Allgemeinen optische Verstärker zur Kompensation von Signalverlusten verwandt. In verschiedenen volloptischen Netzen variieren die Signalverluste entsprechend den Änderungen in den Gegebenheiten wie beispielsweise nach Maßgabe von Fehlern, Schaltvorgängen, Wellenlängenzugaben oder -abgaben.
  • DE 690 28 469 T2 betrifft ein optisches System zur verteilten Verstärkung eines Lichtwellensignals in Lichtleitfaserabschnitten. Die verteilte Verstärkung wird durch eine verstärkende Lichtleitfaser erreicht, die einen langen Faserabschnitt umfasst, in dem die Lichtleitfaser im Wesentlichen in ihrem Kernbereich schwach mit einem Seltenerd-Dotiermittel dotiert ist. Die dotierte Faser umfasst an zumindest einem Ende einen zugehörigen Pumpsignalgenerator, dessen Wellenlänge und Leistung so gewählt werden, dass eine Verstärkung des optischen Signals durch Rayman-Effekte und durch eine stimulierte Emission bei dem Seltenerd-Dotiermittel hervorgerufen wird.
  • DE 689 09 704 T2 betrifft einen optischen Verstärker mit einem optischen Verstärkungsmedium, einer Einrichtung zum Koppeln eines Lichtsignals in das optische Verstärkungsmedium, einer Einrichtung zum Koppeln von Licht aus dem optischen Verstärkungsmedium und einer Einrichtung zum Koppeln von Pumpenergie in das optische Verstärkungsmedium. Der Verstärker umfasst weiterhin einen Kompensationskreis, der dem Verstärkungsmedium zusätzliche Signalinduzierte Pumpenergie zur Verfügung stellt, wobei die Signalinduzierten Änderungen der Verstärkung des optischen Verstärkers reduziert werden.
  • 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen optischen Verstärkers.
  • Wie es in 1 dargestellt ist, umfasst ein herkömmlicher optischer Verstärker einen wellenlängenselektiven optischen Koppler 11 zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals mittels des wellenlängenselektiven Kopplungsverfahrens, ein Verstärkungsmedium 12 zum Verstärken eines Signals vom Koppler 11 und zum Ausgeben des verstärkten Signals und eine Pumpe 13, die mit dem Koppler 11 verbunden ist, um eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium 12 zu bewirken.
  • Wenn bei dem herkömmlichen optischen Verstärker mit dem oben beschriebenen Aufbau ein Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von n Kanälen oder ein Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von n – k Kanälen dem Verstärkungsmedium 12 über den Koppler 11 eingegeben wird, verstärkt das Verstärkungsmedium 12 das Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von n Kanälen oder das Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von (n – k) Kanälen und gibt das Medium 12 Signale P1 out/Kanal oder P2 out/Kanal jeweils aus. Zu diesem Zeitpunkt kann das Ausgangssignal P1 out/Kanal Kanal von n Kanälen ausgedrückt werden durch GPin1 sig/Kanal, das dadurch erhalten wird, dass das Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von n Kanälen mit einem Verstärkungsfaktor G multipliziert wird, und kann das Signal P2 out/Kanal ausgedrückt werden durch GPin1 sig/Kanal, das dadurch erhalten wird, dass das Eingangssignal Pin1 out/Kanal von (n – k) Kanälen mit einem Verstärkungsfaktor G1 multipliziert wird. Die Verstärkungsfaktoren G und G1 haben somit verschiedene Werte. Das bedeutet, dass der Besetzungsinversionswert des Verstärkungsmediums 12 sich mit Änderungen im Pegel des Gesamteingangssignals nach Maßgabe von Änderungen in der Anzahl der Kanäle des Eingangssignals ändert.
  • Da bei dem herkömmlichen optischen Verstärker somit der Besetzungsinversionswert sich mit Änderungen in der Anzahl der Kanäle eines Eingangssignals ändert und sich daher das Signal ändert, das für jeden Kanal ausgegeben wird, ist es schwierig, ein leistungsfähiges System auszubilden. Aufgrund der Komplexität eines volloptischen Netzes besteht das Hauptproblem in Verbindung mit dem optischen Verstärker darin, dass es notwendig ist, den Verstärkungsfaktor infolge von bestimmten Umständen wie beispielsweise Fehlern, Umschaltungen, Zugaben und/oder Abnahmen von Wellenlängen zu steuern. Übergangseffekte sowie Verstärkungsschwankungen führen zu einer Beeinträchtigung der Signalqualität im bestehenden Kanal. Diese Effekte müssen daher unterdrückt werden und es wird ein Verstärkungsklemmmechanismus benötigt, der automatisch den Verstärkungsfaktor pro Kanal eines Verstärkers unabhängig von Änderungen in der Anzahl der Kanäle eines Eingangssignals auf einen konstanten Wert klemmen kann. Bisher basiert der vielversprechendste Ansatz zur Lösung dieser Probleme auf den folgenden beiden Techniken. Die erste ist ein Lasermechanismus im Verstärkungsmedium, indem entweder ein Paar von Gittern an beiden Enden verwandt wird oder ein Ringlaser gebildet wird. Die zweite ist eine Mit- oder Gegenkopplung, bei der die optische Leistung gemessen wird und die Pumpleistung so eingestellt wird, dass ein passender Besetzungsinversionswert beibehalten wird. Der Hauptnachteil des ersten Verfahrens liegt in der Relaxationsschwingung im Laser, die eine Umschaltung in der Nähe der Relaxationsschwingungsfrequenz verhindert. Bei dem zweiten Verfahren kann die Überwachung der optischen Signalleistung von einer Information begleitet sein, die sich auf die bestehende Anzahl der Signalkanäle bezieht, um die Änderung in den Eingangsleistungspegeln und die Änderungen in der Anzahl der Signalkanäle oder beides zu unterscheiden, was das System jedoch kompliziert macht. Das kann bei Systemen, die eine Vorverzerrung verwenden, von Bedeutung sein.
  • Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, sollen durch die Erfindung ein volloptischer Klemmverstärker und ein optisches Verstärkungsverfahren geschaffen werden, die den Bestzungsinversionswert eines Verstärkers, der den Änderungen in der Anzahl der Eingangssignalkanäle entspricht, auf einen konstanten Wert halten können, indem stimuliertes Brillouin-Effekt-Streulicht (SBS) verwandt wird, das eine nichtlineare Charakteristik gegenüber einem Eingangssignal in einem Wellenlängenteilungsmultiplexnetz zeigt, so dass automatisch die Verstärkung festgeklemmt werden kann.
  • Dazu umfasst der erfindungsgemäße optische Verstärker einen wellenlängenselektiven optischen Koppler zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals mittels eines wellenlängenselektiven Kopplungsverfahrens, ein Verstärkungsmedium zum Verstärken eines Signals vom wellenlängenselektiven optischen Koppler und zum Ausgeben des verstärkten Signals und eine Pumpe, die mit dem wellenlängenselektiven optischen Koppler verbunden ist, um eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium zu bewirken, wobei er dadurch gekennzeichnet ist, dass er ein nichtlineares Mineralmaterial umfasst, das im Anschluss an das Verstärkungsmedium vorgesehen ist, um das Ausgangssignal des Verstärkungsmediums durch Emission von stimuliertem Brillouin-Effekt-Streulicht zu beschränken, dieses Signal dem Verstärkungsmedium wieder einzugeben und das Verstärkungsmedium zu sättigen, wenn die Amplitude des vom Verstärkungsmedium ausgegebenen Signals über einem vorgegebenen Standardwert liegt.
  • Es ist bevorzugt, dass insbesondere ein nichtlineares Mineralmaterial mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung als nicht- lineares Mineralmaterial verwandt wird.
  • Das erfindungsgemäße optische Verstärkungsverfahren, das einen optischen Verstärker verwendet, der einen wellenlängenselektiven optischen Koppler zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals nach einem wellenlängenselektiven Kopplungsverfahren, ein Verstärkungsmedium zum Verstärken des Signals vom wellenlängenselektiven optischen Koppler und zum Ausgeben des verstärkten Signals und eine Pumpe umfasst, die mit dem wellenlängenselektiven optischen Koppler verbunden ist, um eine Be setzungsinversion im Verstärkungsmedium zu bewirken, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Verstärkungsmedium ausgegebenes Signal dadurch beschränkt wird, dass ein bestimmtes charakteristisches Licht dem Verstärkungsmedium in einer Richtung wieder eingegeben wird, die der Ausgaberichtung des Verstärkungsmediums entgegengesetzt ist, und das Verstärkungsmedium gesättigt wird, wenn die Amplitude des vom Verstärkungsmedium ausgegebenen Signals über einem vorgegebenen Standardwert liegt.
  • Dabei wird stimuliertes Brillouin-Effekt-Streulicht als bestimmtes charakteristisches Licht verwandt.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung hat den Vorteil, dass in einem Wellenlängenteilungsmuliplexnetz dann, wenn sich ein Eingangssignal mit n Kanälen in ein Eingangssignal mit n – k Kanälen ändert und dieses Signal in ein Verstärkungsmedium eingegeben wird und zwar infolge von bestimmten Umständen wie beispielsweise Fehlern, Schaltvorgängen, Wellenlängenzugaben und/oder -abnahmen, das Verstärkungsmedium gesättigt wird, ohne dass sich der Besetzungsinversionswert ändert, selbst wenn sich die Anzahl der Kanäle des Eingangssignals ändert, so dass ein konstanter Verstärkungsfaktor erzielbar ist, der keinen Bezug zu der Anzahl der Kanäle hat.
  • Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 ein schematisches Systemblockschaltbild eines herkömmlichen optischen Verstärkers,
  • 2 ein schematisches Systemblockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen volloptischen Klemmverstärkers zeigt, und
  • 3 und 4 in Diagrammen die Verstärkungscharakteristik von Eingangssignalen verschiedener Amplitude bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen volloptischen Klemmverstärkers.
  • Wie es in 2 dargestellt ist, umfasst der erfindungsgemäße opti sche Verstärker einen wellenlängenselektiven optischen Koppler 21 zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals nach dem wellenselektiven Kopplungsverfahren, ein Verstärkungsmedium 22 zum Verstärken des Signals vom wellenlängenselektiven optischen Koppler 21 und zum Ausgeben des verstärkten Signals, eine Pumpe 23, die mit dem wellenlängenselektiven optischen Koppler 21 verbunden ist, um eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium 22 zu bewirken, und ein nichtlineares Mineralmaterial 24, das im Anschluss an das Verstärkungsmedium 22 vorgesehen ist, um das Signal zu beschränken, das vom Verstärkungsmedium 22 ausgegeben wird, indem SBS Licht emittiert wird, dieses Licht dem Verstärkungsmedium 22 wieder eingegeben wird und das Verstärkungsmedium 22 gesättigt wird, wenn die Amplitude des Signals, das vom Verstärkungsmedium 22 ausgegeben wird, über einem vorgegebenen Standardwert liegt.
  • Als nichtlineares Mineralmaterial 24 ist insbesondere ein nichtlineares Mineralmaterial mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung vorgesehen.
  • Im Folgenden wird anhand der 3 und 4 die Arbeitsweise eines optischen Verstärkers mit dem oben beschriebenen Aufbau beschrieben.
  • Wenn in der in 3 dargestellten Weise ein Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von n Kanälen dem Verstärkungsmedium 22 über den wellenlängenselektiven optischen Koppler 21 eingegeben wird, verstärkt das Verstärkungsmedium 22 dieses Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von n Kanälen und gibt das Verstärkungsmedium 22 das verstärkte Signal aus. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Amplitude des Signals P1 out/Kanal von n Kanälen, das vom Verstärkungsmedium 22 ausgegeben wird, kleiner als die Amplitude von Pth GC ist, wie es in 3 dargestellt ist, wird schließlich ein Ausgangssignal P1 out/Kanal = GPin1 sig/Kanal von n Kanälen über das Mineralmaterial 24 mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verstärkungsfaktor gleich G.
  • Wenn andererseits in der in 4 dargestellten Weise ein Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von (n – k) Kanälen dem Verstärkungsmedium 22 über den wellenlängenselektiven optischen Koppler 21 eingegeben wird, ver stärkt das Verstärkungsmedium 22 dieses Eingangssignal Pin1 sig/Kanal von (n – k) Kanälen und gibt das Verstärkungsmedium 22 das verstärkte Signal aus. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Amplitude des Signals P2 out/Kanal von (n – k) Kanälen, das vom Verstärkungsmedium 22 ausgegeben wird, größer als die Amplitude von Pth GC ist, wie es in 4 dargestellt ist, gibt das Mineralmaterial 24 mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung ein Signal Psig SBS/Kanal aus, das in die entgegengesetzte Richtung des Signals durch die Charakteristik des SBS Effektes gestreut wird. Dann wird das Signal Psig SBS/Kanal dem Verstärkungsmedium 22 wieder eingegeben, wodurch das Verstärkungsmedium 22 gesättigt wird. Das endgültige Ausgangssignal, das über das Mineralmaterial 24 mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung ausgegeben wird, ist somit ein Ausgangssignal Pout2 sig/Kanal = G1Pin1 sig/Kanal von (n – k) Kanälen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verstärkungsfaktor gleich G1. Bei der Betrachtung der Amplitude des Ausgangssignals in 3 ergibt sich, das G1 gleich dem Verstärkungsfaktor G ist, was bedeutet, das trotz einer Änderung der Anzahl der Kanäle des Eingangssignals der Verstärkungsfaktor auf einen konstanten Wert durch den Einfluss des Mineralmaterials 24 mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung festgeklemmt ist.
  • Zur Erläuterung des SBS Effektes im einzelnen sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn sehr intensives Licht in Mineralmaterial 24 mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung eintritt, die Wechselwirkung der Photonen und Phononen des Materials ein Stokes-Signal erzeugt, das in die entgegengesetzte Richtung des Signals gestreut wird, und dass diese Streuung SBS Effekt genannt wird, der proportional zur Zunahme in der Amplitude des optischen Eingangssignals zunimmt. Darüber hinaus ist Pth GC ein kritischer Punkt, an dem der Verstärkungsfaktor so gesteuert werden kann, dass er auf einen bestimmten Wert festgeklemmt ist, indem SBS Licht, das vom Mineralmaterial 24 mit einer Nichtlinearität dritter Ordnung erzeugt wird, dem Verstärkungsmedium 22 rückgekoppelt wird und dieses sättigt.
  • Wie es oben beschrieben wurde, ist es mit dem erfindungsgemäßen optischen Verstärker möglich, einen volloptischen Klemmverstärker zu ver wirklichen, bei dem in einem Wellenlängenteilungsmultiplexnetz dann, wenn sich ein Eingangssignal mit n Kanälen in ein Eingangssignal mit (n – k) Kanälen ändert und dieses Signal in ein Verstärkungsmedium eingegeben wird, was aufgrund von Umständen wie beispielsweise Fehlern, Schaltvorgängen, Wellenlängenzugaben und/oder -abgaben der Fall sein kann, das Verstärkungsmedium gesättigt wird, ohne dass sich der Besetzungsinversionswert ändert, selbst wenn sich die Anzahl der Kanäle des Eingangssignals ändert, so dass ein konstanter Verstärkungsfaktor pro Kanal erzielbar ist, der keinen Bezug zu der Anzahl der Kanäle hat.

Claims (2)

  1. Optischer Verstärker mit einem wellenlängenselektiven optischen Koppler zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals nach einem wellenlängenselektiven Kopplungsverfahren, einem Verstärkungsmedium zum Verstärken des Signals vom wellenlängenselektiven optischen Koppler und zum Ausgeben des verstärkten Signals und einer Pumpe, die mit dem wellenlängenselektiven optischen Koppler verbunden ist und eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium bewirkt, gekennzeichnet durch ein nichtlineares Mineralmaterial (24), das anschließend an das Verstärkungsmedium (22) vorgesehen ist, um das Signal zu beschränken, das vom Verstärkungsmedium (22) ausgegeben wird, indem stimuliertes Brillouin-Effekt-Streulicht emittiert wird, dieses Licht dem Verstärkungsmedium (22) wieder eingegeben wird und das Verstärkungsmedium (22) gesättigt wird, wenn die Amplitude des Signals, das vom Verstärkungsmedium (22) ausgegeben wird, über einem vorgegebenen Standardwert liegt.
  2. Verfahren zur optischen Verstärkung mit einem optischen Verstärker, der einen wellenlängenselektiven optischen Koppler zum Einkoppeln eines optischen Eingangssignals nach einem wellenlängenselektiven Kopplungsverfahren, ein Verstärkungsmedium zum Verstärken des Signals vom wellenlängenselektiven optischen Koppler und zum Ausgeben des verstärkten Signals und eine Pumpe umfasst, die mit dem wellenlängenselektiven optischen Koppler verbunden ist und eine Besetzungsinversion im Verstärkungsmedium bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal, das vom Verstärkungsmedium ausgegeben wird, dadurch beschränkt wird, dass ein Brillouin-Effekt-Streulicht dem Verstärkungsmedium wieder eingegeben wird und zwar in eine Richtung, die der Ausgaberichtung des Verstärkungsmediums entgegengesetzt ist, und das Verstärkungsmedium gesättigt wird, wenn die Amplitude des Signals, das vom Verstärkungsmedium ausgegeben wird, über einem bestimmten Standardwert liegt.
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