DE4208858A1 - Faseroptischer verstaerker mit regelung der pumplicht-wellenlaenge - Google Patents
Faseroptischer verstaerker mit regelung der pumplicht-wellenlaengeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Verstärker nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher faseroptischer
Verstärker ist vielfach bekannt, beispielsweise aus: "ECDC ′89",
15th European Conference on Optical Communication, September 10-14,
1989, Gothenburg, Sweden, Proceedings, VOL. 1, Regular Papers TUA
5-7, Seiten 86-89. Das verstärkende Lichtwellenleiterstück ist dort
ein Er3+-dotiertes Lichtwellenleiterstück, und das Licht der
Pumplicht-Quelle wird über einen Koppler in das verstärkende
Lichtwellenleiterstück eingekoppelt. Zwei verschiedene Varianten
sind dort erläutert. Bei der ersten (co-propagating configuration)
ist der Pumplicht-Koppler bezogen auf die Übertragungsrichtung bis
zur Verstärkung des optischen Signals vor dem verstärkenden
Faserstück angeordnet. Bei der zweiten Konfiguration
(counter-propagating configuration) befindet sich der das Pumplicht
in das verstärkende Lichtwellenleiterstück einkoppelnde Koppler,
bezogen auf die Übertragungsrichtung des zu verstärkenden optischen
Signals, hinter dem Lichtwellenleiterstück. Für die vorliegende
Erfindung spielt der Unterschied zwischen den beiden Konfigurationen
keine Rolle.
Der hier interessierende Aspekt des faseroptischen Verstärkers ist
seine Pumplichtquelle, genauer gesagt die Wellenlänge des von ihr
erzeugten Pumplichts. Aus T. R. Chen: "Structural and Compositional
Control of the Output Wavelength of Very High Power 0,98 µm GaInAs
Lasers for Pumping Fiber Amplifiers", IEEE Photonics Technology
Letters, VOL. 3, No. 8, August 1991, Seiten 694 bis 696 ist bekannt,
daß die Leistungsfähigkeit von faseroptischen Verstärkern mit
Er3+-dotierten verstärkenden Lichtwellenleiterstücken wesentlich
von der Wellenlänge des von der Pumplicht-Quelle erzeugten
Pumplichts abhängt. Demnach sollte die Wellenlänge des von der
Pumplichtquelle erzeugten Lichts bei 980 nm mit einer Toleranz von 2
nm liegen. Es werden verschiedene Maßnahmen beschrieben, um bei der
Fertigung eines bestimmten Halbleiter-Lasers dafür zu sorgen, daß
seine Wellenlänge in diesem Bereich liegt.
Auch wenn man es bei der Fertigung des Halbleiterlasers erreicht,
daß seine Emissionswellenlänge genau oder nahe bei der als Pumplicht
für den faseroptischen Verstärker geeigneten Wellenlänge liegt, so
kann es beim Einsatz des Halbleiterlasers in einem faseroptischen
Verstärker dennoch Schwierigkeiten geben, zum Beispiel, weil die
Emissionwellenlänge durch Alterung des Halbleiterlasers oder
abhängig von der Umgebungstemperatur sich ändern kann. Die genannte
Veröffentlichung geht auf solche Schwierigkeiten nicht ein, sondern
beschäftigt sich lediglich damit, wie man bei der Fertigung die
gewünschte Wellenlänge möglichst genau erreichen kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischen Verstärker
anzugeben, der hinsichtlich der Wellenlänge seiner Pumplicht-Quelle
verbessert ist.
Die Aufgabe wird wie in Patentanspruch 1 angegeben gelöst.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen, die
Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
faseroptischen Verstärkers, bei dem die Absorption des
Pumplichts im verstärkenden Lichtwellenleiterstück als
Kriterium zur Regelung der Pumplaser-Wellenlänge verwendet
ist,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
faseroptischen Verstärkers, bei dem die Absorption in einem
Referenz-Lichtwellenleiterstück als Kriterium zur Regelung
der Pumplaser-Wellenlänge verwendet ist, und
Fig. 3 schematisch den wellenlängenabhängigen Verlauf der
Absorption von Licht im Bereich von 980 nm in einem
Er3+-dotierten Lichtwellenleiterstück zur Erläuterung der
Regelung der Wellenlänge auf das Maximum der Absorption.
Der faseroptische Verstärker nach Fig. 1 besteht wie bekannte
faseroptische Verstärker im wesentlichen aus einem
Lichtwellenleiterstück 1, das als verstärkendes
Lichtwellenleiterstück eines faseroptischen Verstärkers geeignet
ist, beispielsweise einem Stück eines Er3+-dotierten
Lichtwellenleiters, einem Halbleiterlaser 2, der das Pumplicht für
den faseroptischen Verstärker erzeugt, und einem Pumplicht-Koppler
3, der mit einem Ende des Lichtwellenleiterstücks 1 verbunden ist
und dazu dient, das vom Halbleiterlaser 2 erzeugte Pumplicht in das
Lichtwellenleiterstück 1 einzukoppeln. Der Halbleiterlaser 2 wird im
folgenden bisweilen als Pumplaser bezeichnet. Zusammen mit nicht
gezeigten Stromversorgungs-Einrichtungen bildet er die
Pumplicht-Quelle des faseroptischen Verstärkers. Ein Anschluß A des
faseroptischen Kopplers 3 bildet den Ein- oder Ausgang des
faseroptischen Verstärkers.
Auf der anderen Seite des Lichtwellenleiterstücks 1 führt ein
Lichtwellenleiterstück 4 zu einem Anschluß B des faseroptischen
Verstärkers. Der faseroptische Verstärker kann entweder so betrieben
werden, daß sein Signallicht-Eingang der Anschluß A und sein
Signallicht-Ausgang der Anschluß B ist oder umgekehrt. Soweit bisher
beschrieben, handelt es sich um einen bekannten faseroptischen
Verstärker.
Erfindungsgemäß enthält er zusätzlich einen Photodetektor 5, dessen
optischer Eingang über ein Lichtwellenleiterstück 6 und einen
faseroptischen Koppler 7 mit dem Ende des Lichtwellenleiterstücks
verbunden ist, das über das Lichtwellenleiterstück 4 mit dem
Anschluß B verbunden ist. Das Lichtwellenleiterstück 4 kann Teil des
faseroptischen Kopplers 7 sein. Der Photodetektor 5 empfängt einen
Teil des im Lichtwellenleiterstück 1 nicht absorbierten Pumplichts
und setzt es in ein dessen Intensität entsprechendes elektrisches
Signal um. Sein elektrisches Ausgangssignal gelangt zu einer
Laser-Regelschaltung 8, die in einem gewünschten Wellenlängenbereich
den Pumplaser 2 so regelt, daß das von ihm erzeugte Pumplicht im
Lichtwellenleiterstück 1 maximal absorbiert wird, d. h., daß die
Intensität des aus dem Lichtwellenleiterstücks 1 austretenden
Pumplichts minimal wird. Der faseroptische Koppler 7 ist
wellenlängenselektiv, derart, daß er nur Pumplicht und kein
Signallicht zum optischen Eingang des Photodetektors 5 koppelt.
In der Fig. 1 ebenso wie in der noch zu erläuternden Fig. 2 ist das
verstärkende Lichtwellenleiterstück dicker dargestellt als die
normalen Lichtwellenleiterstücke, die als Teile von Kopplern und als
sonstige Anschlußstücke verwendet sind, um es von diesen abzuheben.
Selbstverständlich ist es in Wirklichkeit nicht dicker, sondern nur
in seinem Kern anders dotiert.
Im folgenden wird für jegliche optische Strahlung, also auch für die
mit Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs, zur
Vereinfachung der Ausdruck Licht verwendet. Bevorzugterweise hat das
Pumplicht eine Wellenlänge im Bereich von 980 nm und das Signallicht
eine Wellenlänge von im Bereich von 1550 nm.
Zur Regelung der Wellenlänge des vom Pumplaser 2 erzeugten
Pumplichts wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die
Wellenlänge von der Temperatur des Halbleiterlasers abhängig ist.
Die Temperatur wiederum ist, wie bei Halbleiterlasern üblich,
thermoelektrisch steuerbar, indem bei dem Laser eine
thermoelektrische Kühleinrichtung 9, ein sogenannter Peltier-Kühler,
vorhanden ist. Ein elektrischer Kühler-Strom bestimmt dabei die
aktuelle Temperatur des Pumplasers 2. Dieser Kühler-Strom wird nun
erfindungsgemäß durch die Laser-Regelschaltung 8 so gesteuert, daß
die Pumplicht-Wellenlänge in der beschriebenen Weise auf die
gewünschte Wellenlänge eingeregelt wird.
Steuerbare thermoelektrische Kühler für Halbleiterlaser oder
Halbleiter-Bauelemente sind an sich bekannt, z. B. aus der
US-A-43 07 469 oder der DE-C 32 14 614, und bedürfen daher keiner
näheren Erläuterung.
Statt über den Kühler-Strom des Laser-Kühlers 9 kann man die
Pumplicht-Wellenlänge des Lasers 2 auch durch Regeln seines
mittleren Betriebsstroms regeln. Auch eine Kombination einer
Regelung über die Temperatur und eine Regelung über den mittleren
Betriebsstrom ist möglich. Wie die Laser-Regelung arbeitet, wird an
späterer Stelle erläutert.
Zuvor wird anhand von Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen faseroptischen Verstärkers erläutert. Wie bei Fig.
1 handelt es sich auch hier um einen faseroptischen Verstärker, der
erfindungsgemäß um einen Photodetektor 5 und eine
Laser-Regelschaltung 8 ergänzt ist, die aufgrund des elektrischen
Ausgangssignals des Photodetektors 5 die Pumplicht-Wellenlänge des
Pumplasers 2 regelt, vorzugsweise über den Kühler-Strom des
thermoelektrischen Kühlers 9 des Pumplasers 2. Im Gegensatz zum
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 empfängt der Photodetektor 5 hier
nicht das aus dem verstärkenden Lichtwellenleiterstück 1 austretende
Pumplicht, sondern Pumplicht, das aus einem
Referenz-Lichtwellenleiterstück 10 austritt, in dessen anderes Ende
vom Pumplaser 2 erzeugtes Pumplicht eingekoppelt wird. Ein Teil des
vom Pumplaser 2 erzeugten Pumplichts wird in das eine Ende des
Referenz-Lichtwellenleiterstücks 10 eingekoppelt, und das dort nicht
absorbierte Licht gelangt vom anderen Ende des
Referenz-Lichtwellenleiterstücks 10 zum optischen Eingang des
Photodetektors, entweder über ein Lichtwellenleiterstück 11 oder
dadurch, daß das Referenz-Lichtwellenleiterstück bis zum optischen
Eingang des Photodetektors 5 geführt ist.
Als Mittel, um einen Teil des vom Pumplaser 2 erzeugten Pumplichts
in das eine Ende des Referenz-Lichtwellenleiterstücks einzukoppeln,
wird, wie in Fig. 2 gezeigt, vorzugsweise der ohnehin vorhandene
faseroptische Koppler 3 verwendet, indem dessen freier
Kopplerausgang über ein Lichtwellenleiter-Anschlußstück 12 mit dem
genannten Ende des Referenz-Lichtwellenleiterstücks 10 verbunden
ist. Der faseroptische Koppler 3 ist ein wellenlängenselektiver
Koppler, der an seinem freien Koppelausgang nur Pumplicht und kein
Signallicht ausgibt. Das Lichtwellenleiter-Anschlußstück 12 kann
auch entfallen, wenn das Referenz-Lichtwellenleiterstück 10 direkt
bis zum freien Anschluß des faseroptischen Kopplers 3 geführt ist.
Die wesentliche Eigenschaft des Referenz-Lichtwellenleiterstücks 10
ist, daß es sein Maximum der Lichtabsorption im Wellenlängenbereich
des Pumplichts bei derselben Wellenlänge hat wie das verstärkende
Lichtwellenleiterstück 1. Selbstverständlich ist dies der Fall, wenn
es sich um ein Lichtwellenleiterstück derselben Art wie das
verstärkende Lichtwellenleiterstück 1 handelt. Bekanntlich kann es
aber auch dann der Fall sein, wenn sich das
Referenz-Lichtwellenleiterstück 10 durch eine andere Kerndotierung,
abgesehen vom Dotiermittel Er3+, vom verstärkenden
Lichtwellenleiterstück 1 unterscheidet. Beispielsweise ist es
möglich, als verstärkendes Lichtwellenleiterstück 1 ein solches zu
verwenden, dessen Kern nicht nur mit Germanium, sondern auch mit
Aluminium dotiert ist, wenn eine solche Zusammensetzung für die
Verwendung als verstärkendes Lichtwellenleiterstück in einem
faseroptischen Verstärker Vorteile hat. Trotzdem ist es dann
günstig, als Referenz-Lichtwellenleiterstück 10 eines zu verwenden,
dessen Kern nicht mit Aluminium dotiert ist. Auch ein solches hat
nämlich sein Absorptionsmaximum bei derselben Wellenlänge (980 nm),
jedoch deutlich ausgeprägter, so daß es als
Referenz-Lichtwellenleiterstück zum Einregeln der
Pumplicht-Wellenlänge des Pumplasers 2 auf die Wellenlänge der
maximalen Absorption des Pumplichts im Lichtwellenleiterstück 1
geeigneter ist. Wesentlich für die Auswahl des
Referenz-Lichtwellenleiterstücks 10 ist also lediglich, daß es
aufgrund seiner wellenlängenabhängigen Absorption als guter
Referenz-Lichtwellenleiter im Verhältnis zum verstärkenden
Lichtwellenleiter 1 geeignet ist. In der Zeichnung ist es ebenso wie
das verstärkende Lichtwellenleiterstück 1 dicker als die normalen
Lichtwellenleiterstücke dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Kriterium für die
Regelung der Wellenlänge des Pumplasers das in einem
Referenz-Lichtwellenleiterstück nicht absorbierte Pumplicht, wogegen
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 das Kriterium für die
Laser-Regelung das im verstärkenden Lichtwellenleiterstück nicht
absorbierte Pumplicht ist. Der Vorteil der Lösung nach Fig. 2
gegenüber der nach Fig. 1 liegt darin, daß der bei Fig. 1
erforderliche faseroptische Koppler zum Auskoppeln des nicht
absorbierten Pumplichts in Richtung zum Photodetektor 5 entfällt und
daß die Regelung genauer durchgeführt werden kann, wenn ein speziell
als Referenz-Lichtwellenleiterstück für die Zwecke der Regelung der
Pumplicht-Wellenlänge ausgewähltes Lichtwellenleiterstück verwendet
wird.
Anstatt wie gezeigt den freien Anschluß des ohnehin erforderlichen
faseroptischen Kopplers 3 zu verwenden, kann jedes andere Mittel
verwendet werden, das dazu geeignet ist, einen Teil des vom
Pumplaser 2 erzeugten Lichts in das Referenz-Lichtwellenleiterstück
10 einzukoppeln. Beispielsweise kann auch das am rückwärtigen Ende
des Pumplasers 2 austretende Licht in das
Referenz-Lichtwellenleiterstück 10 eingekoppelt werden, entweder
direkt oder über ein Lichtwellenleiter-Anschlußstück.
Wie die Laser-Regelschaltung 8 vorzugsweise arbeitet, wird nun
anhand von Fig. 3 erläutert. Schematisch zeigt sie die starke
Wellenlängenabhängigkeit der Absorption, wie sie für ein
Er3+-dotiertes Lichtwellenleiterstück im Wellenlängenbereich von
980 nm typisch ist. Aus den eingangs geschilderten Gründen sollte
die Pumplicht-Wellenlänge idealerweise dort liegen, wo die
Absorptionskurve ihr Maximum hat, also bei λL. In Fig. 2 ist der
Fall betrachtet, daß sie davon abweicht und bei λ0 liegt, wo die
Absorption sehr weit von ihrem Maximum entfernt ist, so daß ein
Regelbedarf besteht. Die Regelung bezieht sich nur auf einen
gewünschten Wellenlängenbereich, z. B. den um 980 nm, und das dort
liegende Absorptionsmaximum. Mit "Maximum" ist also ein lokales
Maximum gemeint und nicht das absolut mögliche Maximum aus mehreren
lokalen Maxima.
Die Laser-Regelschaltung 8 enthält einen Modulator, der mittels
ihres Ausgangs-Steuersignals, das über die Temperatur des Lasers 2
dessen Wellenlänge steuert, die Wellenlänge des Pumplichts mit einer
Schwankung von Δλ sehr langsam moduliert, zum Beispiel mit einer
Modulationsfrequenz von nur 1 Hz. Eine solche Modulation der
Wellenlänge um λ0 bewirkt, daß das elektrische Ausgangssignal
des Photodetektors eine Signalkomponente mit dieser
Modulationsfrequenz enthält. Ihre Stärke entspricht der sich aus der
Modulation der Wellenlänge mit der Schwankung Δλ ergebenden
Schwankung ΔI0 der Intensität des im Photodetektor 5 empfangenen
Lichts. Sie ist also um so stärker, je mehr sich die aktuelle
Wellenlänge λ0, um die herum die Modulation stattfindet, in
einem Bereich starker Steilheit der Absorptionskurve befindet. Aus
der genannten Signalkomponente kann also ein Steuersignal zum
Verschieben von λ0 abgeleitet werden. Geschieht dies durch
phasenempfindliche Gleichrichtung der Signalkomponente bezüglich der
Phase der Modulation, so ergibt sich auch, welches Vorzeichen das
von der Laser-Regelschaltung 8 abzugebende Steuersignal haben muß,
das heißt, in welche Richtung λ0 verschoben werden muß.
Liegt die aktuelle Wellenlänge λ0 in einem Bereich wie es im
Beispiel der Fig. 2 gezeigt ist so nimmt die Absorption ab, das
heißt, die Intensität des empfangenen Lichtes zu, wenn bei der
Modulation die Wellenlänge gerade erhöht wird. Wird also diese
Phasenbeziehung festgestellt, so muß λ0 verkleinert werden,
damit es sich an die optimale Wellenlänge λL annähert. Läge
λ0 unterhalb von λL, so wären diese Phasenbeziehungen
umgekehrt, so daß dann λ0 erhöht werden müßte.
Eine solche Regelung von λ0 in Richtung von λL aufgrund der
Komponente im Ausgangssignal des Photodetektors mit der
Modulationsfrequenz wird solange durchgeführt, bis diese Komponente
verschwunden ist. Das ist dann der Fall, wenn λ0 so nahe bei
λL liegt, daß die Emissionswellenlänge durch die Modulation die
optimale Wellenlänge λ0 über- und unterschreitet. Statt der
Signalkomponente mit der Modulationsfrequenz erscheint dann im
Ausgangssignal des Photodetektors eine Signalkomponente mit der
doppelten Modulationsfrequenz, weil dann innerhalb einer
Modulationsperiode der Wellenlänge die Absorption ihr Maximum
zweimal durchläuft. Wie im Beispiel der Fig. 2 gezeigt, ist dann die
Schwankung ΔIL auf das Minimum reduziert.
Als bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Lichtwellenleiterstücke
wurden im Vorstehenden solche betrachtet, die mit Er3+ als
laseraktiver Substanz dotiert sind. Statt dessen können auch
Lichtwellenleiterstücke verwendet werden, die mit einer anderen
laseraktiven Substanz, z. B. Nd oder Yb, dotiert sind.
Claims (8)
1. Faseroptischer Verstärker für optische
Nachrichtenübertragungssyteme, der ein sein optisches Eingangssignal
verstärkendes Lichtwellenleiterstück (1), eine Pumplicht-Quelle mit
einem Halbleiterlaser (2) zum Erzeugen von Pumplicht für das
verstärkende Lichtwellenleiterstück und Mittel (3) zum Einkoppeln
des erzeugten Pumplichts in das verstärkende Lichtwellenleiterstück
(1) enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß er eine Regelvorrichtung (12, 10, 11, 5, 8, 9) enthält, die in
einem gewünschten Wellenlängenbereich die Wellenlänge des vom
Halbleiterlaser (2) erzeugten Pumplichts so regelt, daß das
Pumplicht im verstärkenden Lichtwellenleiterstück (1) maximal
absorbiert wird.
2. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Referenz-Lichtwellenleiterstück (1, 10)
vorhanden ist, und Mittel, um einen Teil des Pumplichts in das
Referenz-Lichtwellenleiterstück einzukoppeln, und daß die
Regelvorrichtung die Pumplicht-Wellenlänge in Abhängigkeit von der
Absorption des in das Referenz-Lichtwellenleiterstück (1, 10)
eingekoppelten Pumplicht-Anteils regelt.
3. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Referenz-Lichtwellenleiterstück (1) das
verstärkende Lichtwellenleiterstück (1) selbst verwendet ist
(Fig. 1).
4. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Referenz-Lichtwellenleiterstück (10) ein
Lichtwellenleiterstück verwendet ist, das bei derselben Wellenlänge
ein Maximum der Absorption hat wie das verstärkende
Lichtwellenleiterstück (1) (Fig. 2).
5. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß die Regelvorrichtung einen Photodetektor (5) enthält, der das aus dem Referenz-Lichtwellenleiterstück (1; 10) austretende Licht in ein dessen Intensität entsprechendes elektrisches Signal umsetzt,
- - und daß die Regelvorrichtung eine Regelschaltung (8) enthält, die aufgrund dieses elektrischen Signals die Wellenlänge des vom Halbleiterlaser (2) erzeugten Pumplichts so regelt, daß das in das Referenz-Lichtwellenleiterstück (1; 10) eingekoppelte Licht in diesem maximal absorbiert wird.
6. Faseroptischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (9) enthält, durch die die
Temperatur seines Halbleiterlasers (2) steuerbar ist und daß die
Regelvorrichtung die Wellenlänge des vom Halbleiterlaser (2)
erzeugten Pumplichts über die Temperatur des Halbleiterlasers (2)
regelt.
7. Faseroptischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung die Wellenlänge des
vom Halbleiterlaser (2) erzeugten Pumplichts über den mittleren
Betriebsstrom des Halbleiterlasers (2) regelt.
8. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung die Wellenlänge des vom
Halbleiterlaser (2) erzeugten Pumplichts mit einer sehr niedrigen
Frequenz moduliert und aus der mit dieser Frequenz stattfindenden
Variation des Ausgangssignals des Photodetektors (5) ein solches
Regelsignal ableitet, das die Wellenlänge des vom Halbleiterlaser
(2) erzeugten Pumplichts so verschiebt, daß die Absorption des
Pumplichts im Referenz-Lichtwellenleiterstück (1; 10) maximal wird.
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