DE4028180C2

DE4028180C2 - Anordnung zur Verstärkung eines Solitonensignals mittels stimulierter Raman-Streuung

Info

Publication number: DE4028180C2
Application number: DE19904028180
Authority: DE
Inventors: Walter Heinlein; Thomas Michael Hauff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: DE4028180A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verstärkung eines Solitonensignals mittels stimulierter Raman-Streuung gemäß den gleichlautenden Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2, wie sie aus Electronics Letters, 26 (1999), Seiten 334-335 bekannt ist.

Aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-22, No. 1 vom Januar 1986, Seiten 157-73 (L. F. Mollenauer et al) so wie aus Laser und Optoelektronik Nr. 4/1987, Seiten 393-400, insbesondere Seiten 393-395 (F. Mischke), ist ein Verfahren zur Solitonen-Übertragung in Lichtwellenleitern bekannt, bei der die Dämpfung der übertragenen Solitonen durch Absorbtion im Lichtwellenleiter durch eine Raman-Verstärkung ausgegli chen werden kann. Dabei wird zusätzlich zum Solitonen-Signal ein Dauerstrichlicht etwas kürzerer Wellenlänge in die Faser eingespeist, wobei die Verstärkung der Signalphotonen von der Intensität des Pumplichts abhängt. Entsprechend der Abb. 2 in der letztgenannten Veröffentlichung (F. Mitschke) ist die Ra man-Verstärkung in Glasfasern sehr breitbandig, wobei ein deutliches Maximum bei etwa 13 THz auftritt. Um diesen Fre quenzabstand ist also die Raman-Pumpwelle gegenüber dem Si gnallicht nach höheren Frequenzen versetzt. Die Raman-Pump welle ist dabei räumlich periodisch in den Lichtwellenleiter einzuspeisen, der Abstand zweier Einspeisepunkte ist die Ver stärkungsperiode. Dabei ist eine möglichst große Verstär kungsperiode anzustreben. Diese ist jedoch durch die Tatsache begrenzt, daß die Raman-Verstärkung abhängig von der Intensi tät der Pumpwelle ist und diese aufgrund der Faserdämpfung zwischen den Einspeisepunkten abnimmt. Die Dämpfung des Soll tons ist also nur im Mittel, nicht lokal kompensiert. Dies führt zu Impulsverzerrungen, wie bei Mollenauer (siehe oben) und Hauff (Proceeings of the Conference on Nonlinear Optics, Stouffer Waiohai Beach, Hawaii, July 1990) angegeben wird.

Weiterhin wird die Möglichkeit, Wellenlängenmultiplex zur Er höhung der Datenraten einzusetzen, stark eingeschränkt, da in einer nicht dämpfungsfreien Faser die Solitonen verschiedener Wellenlängen wechselwirken.

In Electronics Letters, 26 (1990), Seiten 334-335 wird vor geschlagen, ein Solitonensignal der Wellenlänge X = 1,52 µm mittels stimulierter Raman-Streuung in einem zweistufigen Prozeß zu verstärken. Ein Nd:YAG-Laser erzeugt das Pumpsignal der Wellenlänge λ = 1,32 µm. Zusätzlich wird Licht der Wel lenlänge λ ≈ 1,40 µm in die das Solitonensignal führende Quarzglasfaser eingekoppelt, so daß ein Energietransfer von der durch das Pumpsignal verstärkten ersten Stokes-Welle (λ ≈ 1,40 µm) auf das Solitonensignal stattfindet.

Das aus Optical and Quantum Electronics, 21 (1989), Seiten S. 89 -S. 104 bekannte, rein optische Übertragungssystem besteht im wesentlichen aus einer Sende- und einer Empfangseinheit sowie einer Vielzahl von Pumplichtquellen, deren Strahlung man über einen der jeweiligen Pumplichtquelle zugeordneten Faserkopp ler in den das Solitonensignal führenden Lichtwellenleiter einspeist. Der als Verstärkungsperiode bezeichnete Abstand zwischen benachbarten Pumplichtquellen beträgt typischerweise 50-80 km.

Ein Erbium-dotierter Faserverstärker ist beispielsweise aus IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 2, No. 7 (1990), Seiten 507-509 bekannt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur Ver stärkung eines Solitonensignals, mit der sich das Bandbrei ten-Entfernungs-Produkt einer Solitonen-Übertragungsstrecke erhöhen und damit auch die Verstärkungsperiode vergrößern läßt. Diese Aufgabe wird durch Anordnungen mit den in den Pa tentansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Anordnungen sind Gegenstand der Ansprüche 3 bis 5.

In einem mit erfindungsgemäßen Anordnungen ausgestatteten op tischen Übertragungssystem können sich Solitonen annähernd ungedämpft und verzerrungsfrei in einem Lichtwellenleiter ausbreiten. Außerdem wechselwirken die Solitonen nicht mit einander, was einen Wellenlängen-Multiplexbetrieb mit hohen Datenübertragungsraten ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der der Zeichnung er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vier Pumplichtquellen aufweisende erste Anord nung zur Verstärkung eines Solitonensignals und

Fig. 2 eine Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 1 mit nur zwei Lasern als Pumplichtquellen.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient der Erzeugung und Einkopplung zweier Raman-Pumpwellen der Wellenlängen λ = 1,55 µm (erste Ramanpumpwelle) und λ = 1,45 µm (zweite Raman-Pump welle) in eine ein Solitonensignal der Wellenlänge λ = 1,65 µm führende Glasfaser. Die Wellenlängen sind hierbei so ge wählt, daß auch bei einem für die Raman-Verstärkung optimalen Frequenzabstand zwischen Solitonensignal und erster Raman- Pumpwelle sowie zwischen erster und zweiter Raman-Pumpwelle letztere noch ausreichend Frequenzabstand zu den Dämpfungsma xima der verwendeten Glasfaser auf weist. Der vollkommen symmetrische Aufbau der Anordnung ermöglicht eine bidirektionale Arbeitsweise, zu diesem Zweck sind auf der linken Seite ein erster Eingangsanschluß E1 für ein von links nach rechts zu übertragendes Solitonensignal und auf der rechten Seite ein zweiter Eingangsanschluß E2 für ein in Gegenrichtung zu übertragendes Solitonensignal vorgesehen. Diese Eingangsanschlüsse sind gleichzeitig die Ausgangsanschlüs se A2 bzw. A1 für das Solitonensignal der jeweiligen Gegen richtung. Die Eingangsanschlüsse sind jeweils mit dem ersten Anschluß eines ersten bzw. zweiten Eingangs-Wellenlängenmulti plexers WDM11, WDM12 verbunden. Bei diesen Wellenlängenmulti plexern handelt es sich um Faserschmelzkoppler für die genannten Wellenlängenbereiche, die dadurch hergestellt werden, daß zwei Glasfasern an einer Berührungstelle miteinander verschmolzen und während des Verschmelzens die Verbindungsstelle durch Aus einanderziehen verjüngt wird. Während des Auseinanderziehens wird Licht mit der vorgesehenen Arbeitswellenlängen in die Fasern eingekoppelt. An den Faserausgängen können dann Kopplungssprünge während des Auseinanderziehens beobachtet werden, erfahrungsgemäß ist ein derartiger Wellenlängenmulti plexer nach 11 Kopplungssprüngen optimal eingestellt, so daß dann das Auseinanderziehen beendet wird. Damit hat jeder Wellenlängenmultiplexer vier Anschlüsse, die den beiden Paaren der Faserenden entsprechen. Die Eingangsanschlüsse E1 bzw. E2 sind dabei mit derjenigen Faser verbunden, an deren anderem Ende ein erster bzw. vierter Laser L1, L4 angeschlossen ist. Die zweite Faser der Eingangswellenlängenmultiplexer ist auf der dem Eingangsanschluß E1 bzw. E2 unmittelbar benachbarten Seite nicht beschaltet, auf der anderen Seite stellt der Faseranschluß den Ausgangsanschluß des betreffenden Wellen längenmultiplexers WDM11, WDM12 dar. Diese Anschlüsse sind mit Eingangsanschlüssen von Zwischen-Wellenlängenmultiplexern WDM21, WDM22 verbunden, bei denen es sich um einfache Wellen längenmultiplexer mit 200 nm Kanalabstand handelt. Die Wellen längenmultiplexer WDM11, WDM12 sind als Faserschmelzkoppler aufgebaut, wobei durch die gewählten Glasfasern eine Überkopp lung nur für das Solitonensignal mit einer Wellenlänge von 1,65 µm und das zweite Ramanpumpsignal mit einer Wellenlänge von 1,45 µm erfolgt, die erste Ramanpumpwelle mit einer Wellenlänge von 1,55 µm aber nicht überkoppelt wird. An das andere Ende der mit dem Eingangsanschluß der betreffenden Zwischen-Wellen längenmultiplexer verbundenen Faser ist ein zweiter bzw. drit ter Laser L2, L3 angeschlossen. Das dem jeweiligen Eingangsan schluß benachbarte Ende der anderen Faser der Zwischen-Wellen längenmultiplexer ist nicht beschaltet, während das andere Ende dieser Fasern, also die Ausgangsanschlüsse der beiden Zwischen- Wellenlängenmultiplexer miteinander verbunden sind und dadurch die beiden Hälften der Anordnung miteinander verbinden. Ein derartiger Aufbau hat den Vor teil, daß Laser mit vergleichsweise niedriger Laserleistung verwendet werden können, dafür sind aber vier einzelne Laser vorzusehen. Der mit dem ersten Eingangs-Wellenlängenmultiplexer verbundene erste Laser L1 erzeugt ebenso wie der mit dem zwei ten Eingangs-Wellenlängenmultiplexer verbundene vierte Laser L4 die erste Ramanpumpwelle mit einer Wellenlängen von etwa 1,55 µm. Die mit den Zwischen-Wellenlängenmultiplexer verbundenen zweiten bzw. dritten Laser L2, L3 erzeugen die zweite Raman pumpwelle mit einer Wellenlänge von etwa 1,45 µm.

Zur Erhöhung der Pumpwellenleistung kann in die Verbindung zwischen Laser und jeweiligen Anschluß der Wellenlängenmulti plexer ein Zusatzverstärker, beispielsweise in Form eines be kannten erbiumdotierten Faserverstärkers eingeschaltet werden. Bei Verwendung von Lasern mit großen in die verwendeten Mono mode-Fasern bzw. Monomode-Fasern mit geringer Dispersion ein koppelbaren Laserleistungen kann entweder auf den ersten und zweiten oder den dritten und vierten Laser verzichtet werden. Damit ergibt sich die Anordnung nach der Fig. 2, bei der der Aufbau der Wellenlängenmultiplexer beibehalten wurde, die vom ersten Laser L1 erzeugte erste Ramanpumpwelle aber dem Ein gangsanschluß eines ersten Leistungskopplers LK1 und entspre chend die vom zweiten Laser L2 erzeugte zweite Ramanpumpwelle dem Eingangsanschluß eines zweiten Leistungskopplers LK2 zuge führt wird. Bei diesen Leistungskopplern LK1 handelt es sich um handelsübliche symmetrische Faserkoppler. Der andere Eingangs anschluß dieser Faserkoppler, also das dem Eingangsanschluß be nachbarte Ende der anderen Faser, ist nicht beschaltet, das Ende dieser Faser ist der Ausgang des betreffenden Leistungs kopplers. Die Ausgänge des ersten Leistungskopplers LK1 sind dabei - miteinander vertauschbar - mit denjenigen Anschlüssen der Eingangs-Wellenlängenmultiplexer verbunden, an die bei der Anordnung nach der Fig. 1 der erste bzw. vierte Laser L1, L4 angeschlossen sind. Analog sind die - ebenfalls miteinander vertauschbaren - Ausgänge des zweiten Leistungskoppler LK2 mit denjenigen Anschlüssen der Zwischen-Wellenlängenmultiplexer WDM21, WDM22 verbunden, an die bei der Anordnung nach der Fig. 1 der zweite bzw. dritte Laser L2, L3 angeschlossen sind. Zur Erhöhung der Pumpwellenleistung können ebenfalls in die Ver bindung zwischen die Laser und die Leistungskoppler Zusatzver stärker, beispielsweise die genannten erbiumdotierten Faserver stärker, eingeschaltet werden.

Bei Verwendung von Monomode-Faser (SMF) als Übertragungsmedium ist mittels der beschriebenen Anordnungen eine vollständige Kompensation der Faserdämpfung über eine Entfernung von etwa 100 km möglich. Bei Verwendung von speziellen Monomode-Fasern mit abgeflachter Dispersion (DFSMF) ist eine weitere Ver größerung der Verstärkungsperiode möglich, wobei bei Verwendung von Solitonen mit einer vollen Halbwertsbreite (FWHM) von etwa 16-17 ps Verstärkungsperioden von weit über 120 km möglich sind.

Claims

1. Anordnung zur Verstärkung eines sich in einem Lichtwellen leiter ausbreitenden Solitonensignals der Wellenlänge λ_S mit tels stimulierter Raman-Streuung, mit einer eine erste Raman- Pumpwelle der Wellenlänge λ₁ erzeugenden ersten Laserquelle (L1) und einer eine zweite Raman-Pumpwelle der Wellenlänge λ₂ erzeugenden zweiten Laserquelle (L2), wobei die Wellenlängen der Raman-Pumpwellen derart gewählt sind, daß sie der Bedin gung |λ₁ - λ₂| = |λ_S - λ₁| näherungsweise genügen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Wellenlängenmultiplexer (WDM11/12), ein erster und ein zweiter Zwischen-Wellenlängen multiplexer (WDM21/22) sowie eine die erste Raman-Pumpwelle emittierende vierte Laserquelle (L4) und eine die zweite Ra man-Pumpwelle emittierende dritte Laserquelle (L3) vorgesehen sind und daß die Wellenlängenmultiplexer (WDM11/12) und die Zwischen-Wellenlängenmultiplexer (WDM21/22) jeweils zwei Ein gangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse sowie ein das Überkoppeln eines Lichtsignals ermöglichendes Glasfaserpaar aufweisen, wobei

a) die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse der Wellenlängenmultiplexer (WDM11/12, WDM21/22) über Kreuz angeordnet sind,
b) ein an einen das Solitonensignal führenden ersten Licht wellenleiter angekoppelter erster Eingangsanschluß (E1) des ersten Wellenlängenmultiplexers (WDM11) über den zu geordneten Ausgangsanschluß mit der ersten Laserquelle (L1) in Verbindung steht,
c) der offene zweite Eingangsanschluß des ersten Wellenlän genmultiplexers (WDM11) über einen ersten Eingangsan schluß und den zugeordneten Ausgangsanschluß des ersten Zwischen-Wellenlängenmultiplexers (WDM21) mit der zweiten Laserquelle (L2) verbunden ist,
d) die vierte Laserquelle (L4) die erste Raman-Pumpwelle über einen ersten Eingangsanschluß und den zugeordneten Ausgangsanschluß (A1) des zweiten Wellenlängenmultiple xers (WDM12) in einen das Solitonensignal führenden zwei ten Lichtwellenleiter einkoppelt,
e) die dritte Laserquelle (L3) über einen ersten Eingangsan schluß und den zugeordneten Ausgangsanschluß des zweiten Zwischen-Wellenlängenmultiplexers (WDM22) mit dem offenen zweiten Ausgangsanschluß des zweiten Wellenlängenmulti plexers (WDM12) verbunden ist und
f) der offene zweite Eingangsanschluß des ersten Zwischen- Wellenlängenmultiplexers (WDM21) mit dem offenen zweiten Ausgangsanschluß des zweiten Zwischen-Wellenlängenmulti plexers (WDM22) in Verbindung steht.

2. Anordnung zur Verstärkung eines sich in einem Lichtwellen leiter ausbreitenden Solitonensignals der Wellenlänge λ_S mit tels stimulierter Raman-Streuung, mit einer eine erste Raman- Pumpwelle der Wellenlänge λ₁ erzeugenden ersten Laserquelle (L1) und einer eine zweite Raman-Pumpwelle der Wellenlänge λ₂ erzeugenden zweiten Laserquelle (L2), wobei die Wellenlängen der Raman-Pumpwellen derart gewählt sind, daß sie der Bedin gung |λ₁ - λ₂| = |λ_S - λ₁| näherungsweise genügen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Wellenlängenmultiplexer (WDM11/12), ein erster und ein zweiter Zwischen-Wellenlängen multiplexer (WDM21/22) sowie ein erster und eine zweiter Lei stungskoppler (LK1/2) vorgesehen sind und daß die Multiplexer (WDM11/12/21/22) und die Leistungskoppler (LK1/2) jeweils zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse sowie ein das Überkoppeln eines Lichtsignals ermöglichendes Glasfaser paar aufweisen, wobei

a) die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse der Wellenlängenmultiplexer (WDM11/12, WDM21/22) und der Lei stungskoppler (LK1/2) über Kreuz angeordnet sind,
b) ein an einen das Solitonensignal führenden ersten Licht wellenleiter angekoppelter erster Eingangsanschluß (E1) des ersten Wellenlängenmultiplexers (WDM11) über den zu geordneten Ausgangsanschluß mit einem offenen ersten Ein gangsanschluß des ersten Leistungskopplers (LK1) in Ver bindung steht,
c) der offene zweite Eingangsanschluß des ersten Wellenlän genmultiplexers (WDM11) über einen ersten Eingangsan schluß des ersten Zwischen-Wellenlängenmultiplexers (WDM21), den zugeordneten Ausgangsanschluß, einen ersten Eingangsanschluß des zweiten Leistungskopplers (LK2) mit dem zugeordneten offenen ersten Ausgangsanschluß des zweiten Leistungskopplers (LK2) verbunden ist,
d) die erste Laserquelle (L1) die erste Raman-Pumpwelle über den zweiten Eingangsanschluß, den zugeordneten zweiten Ausgangsanschluß des ersten Leistungskopplers (LK1), ei nen ersten Eingangsanschluß des zweiten Wellenlängenmul tiplexers (WDM12) und den zugeordneten ersten Ausgangsan schluß (A1) in einen das Solitonensignal führenden zwei ten Lichtwellenleiter einkoppelt,
e) die zweite Laserquelle (L2) über den zweiten Eingangsan schluß des zweiten Leistungskopplers (LK2), dessen zwei ten Ausgangsanschluß, einen ersten Eingangsanschluß des zweiten Zwischen-Wellenlängenmultiplexers (WDM22) und den zugeordneten Ausgangsanschluß mit dem offenen zweiten Ausgangsanschluß des zweiten Wellenlängenmultiplexers (WDM12) verbunden ist und
f) der offene zweite Eingangsanschluß des ersten Zwischen- Wellenlängenmultiplexers (WDM21) mit dem offenen zweiten Ausgangsanschluß des zweiten Zwischen-Wellenlängenmulti plexers (WDM22) in Verbindung steht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wellenlängenmultiplexer (WDM11/12) jeweils als Faserschmelzkoppler derart ausgebildet sind, daß die erste Raman-Pumpwelle nicht überkoppeln kann.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Laserquellen (L1, L2, L3, L4) jeweils ein Faserver stärker nachgeschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverstärker mit Erbium dotiert sind.