DE4229292C2

DE4229292C2 - Optical communication system with a power limiter for giant impulses

Info

Publication number: DE4229292C2
Application number: DE19924229292
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Pfeiffer
Original assignee: Alcatel SEL AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: DE4229292A1; AU4470893A

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Nachrichtenübertragungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Systeme sind hinreichend bekannt, beispielsweise aus B. Wedding, et al: "10 GBit/s To 260 000 Subscribers Using Optical Amplifier Distribution Network", Contribution for ICC/Supercom′92, Optical Communications 300 Level Session "Impact of Optical Amplifiers on Network Architectures".The invention is based on an optical communication system according to the preamble of claim 1. Such systems are well known, for example from B. Wedding, et al: "10 Gbps To 260,000 Subscribers Using Optical Amplifiers Distribution Network ", Contribution for ICC / Supercom'92, Optical Communications 300 Level Session "Impact of Optical Amplifiers on Network Architectures ".

Als ein Ausführungsbeispiel für einen optischen Verstärker wird im folgenden ein faseroptischer Verstärker gewählt. Einen faseroptischen Verstärker zeigt beispielsweise EP 0 457 349 A2.As an embodiment for an optical amplifier is in following a fiber optic amplifier selected. One fiber-optic amplifier is shown for example in EP 0 457 349 A2.

In dem oben erwähnten System besteht die Gefahr, daß bei einer Unterbrechung der Lichtwellenleiterstrecke, beispielsweise durch Faserbruch oder durch Auftrennen eines optischen Steckverbinders, Systemkomponenten, wie z. B. Photodioden, beschädigt werden. In the above-mentioned system, there is a risk that a Interruption of the optical fiber path, for example by Fiber breakage or by unplugging an optical connector, System components, such as B. photodiodes, are damaged.

Dies läßt sich wie folgt erklären:
Durch die Unterbrechung der Lichtwellenleiterstrecke sinkt die Eingangsleistung des optischen Verstärkers auf Null ab. Da der Pumpvorgang unabhängig von der Eingangsleistung ist, wird auch bei abgefallener Eingangsleistung in das Verstärkermedium ständig Energie gepumpt; es kommt zu völliger Besetzungsinversion. Durchläuft reflektiertes Licht, das von der spontanen Emission herrührt und an der Trennstelle der Unterbrechung der Lichtwellenleiterstrecke reflektiert wird, das verstärkende Lichtwellenleiterstück, dessen laseraktive Substanz sich im invertierten Zustand befindet, wird die gespeicherte Energie schlagartig freigesetzt. Es kommt zur Emission von Impulsen hoher Energie, die als Riesenimpulse bezeichnet werden und eine Gefahr für Systemkomponenten darstellen.This can be explained as follows:
Due to the interruption of the optical fiber path, the input power of the optical amplifier drops to zero. Since the pumping process is independent of the input power, energy is continuously pumped into the amplifier medium even when the input power has dropped; there is complete cast inversion. If reflected light, which originates from the spontaneous emission and is reflected at the separation point of the interruption of the optical waveguide path, passes through the amplifying optical waveguide piece, the laser-active substance of which is in the inverted state, the stored energy is suddenly released. High-energy pulses are emitted, which are referred to as giant pulses and pose a danger to system components.

Die Ausbreitung der Riesenimpulse erfolgt sowohl in Signalrichtung als auch entgegen der Signalrichtung. Die Wellenlänge der Riesenimpulse liegt bei faseroptischen Verstärkern, die mit Erbium dotiert sind, im Bereich zwischen 1520 nm und 1570 nm.The giant impulses propagate both in the signal direction as well as against the signal direction. The wavelength of the Giant impulses lie with fiber-optic amplifiers with erbium are doped, in the range between 1520 nm and 1570 nm.

Aus der US 4 973 125 ist ein Pulsbegrenzer bekannt, der solche Riesenpulse in einem optischen System limitiert. Das Licht einer Glasfaser wird ausgekoppelt und auf eine dotierte Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat gegeben. Durch nichtlineare Sättigungseffekte im dotierten Siliziumwellenleiter wird die Ausgangsleistung der Lichtpulse begrenzt. A pulse limiter is known from US Pat. No. 4,973,125 Giant pulses in an optical system limited. The light of one Glass fiber is coupled out and onto a doped silicon layer placed on a silicon substrate. Through non-linear The saturation effects in the doped silicon waveguide Output power of the light pulses limited.

In der Druckschrift "Two-photon absorption, nonlinear refraction and optical limiting in semiconductors", Van Stryland et al., 24 (1985) Optical Engineering, Seite 613-623, werden nichtlineare Absorptionen aufgrund von Zweiphotonenabsorption in unterschiedlichen Halbleitertypen beschrieben. Die Zweiphotonenabsorption in Halbleitern führt zu einer deutlichen nichtlinearen Absorption bei hohen Eingangsleistungen.In the publication "Two-photon absorption, nonlinear refraction and optical limiting in semiconductors ", Van Stryland et al., 24 (1985) Optical Engineering, pages 613-623, become nonlinear absorptions due to two-photon absorption described in different semiconductor types. The Two-photon absorption in semiconductors leads to a clear nonlinear absorption at high input powers.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Nachrichtenübertragungssystems, bei dem die Gefahr von Riesenpulsen im Lichtwellenleitersystem durch den Einsatz von nichtlinearen Materialien, bei denen Effekte der Zweiphotonenabsorption auftreten, eingeschränkt wird.The object of the invention is to create an optical Communication system in which the risk of giant pulses in the optical fiber system through the use of non-linear Materials with effects of two-photon absorption is restricted.

Diese Aufgabe wird wie in Patentanspruch 1 angegeben gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved as indicated in claim 1. Further training results from the subclaims.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Nachrichtenübertragungssystems mit erfindungsgemäßen Leistungsbegrenzern, Fig. 1 shows an embodiment of a communication system with power limiters according to the invention,

Fig. 2 den Verlauf der Dämpfung eines Leistungsbegrenzers als Funktion seiner optischen Eingangsleistung. Fig. 2 shows the course of the damping of a power limiter as a function of its optical input power.

In Fig. 1 ist das Nachrichtenübertragungssystem als System mit einem Elektrisch-Optisch-Wandler 2 auf der Sendeseite und einem Optisch-Elektrisch-Wandler 3 auf der Empfangsseite gezeigt. Es ist aber auch ein Nachrichtenübertragungssystem mit einem Elektrisch-Optisch-Wandler auf der Sendeseite und mehreren verteilten Optisch-Elektrisch-Wandlern auf der Empfangsseite möglich. Für die Erfindung ist dies jedoch nicht von Bedeutung.In Fig. 1, the message transmission system is shown as a system with an electrical-optical converter 2 on the transmitting side and an optical-electrical converter 3 on the receiving side. However, a message transmission system with an electrical-optical converter on the transmission side and a plurality of distributed optical-electrical converters on the reception side is also possible. However, this is not important for the invention.

Der besseren Übersicht wegen sind in Fig. 1 keine optischen Isolatoren eingezeichnet. Diese können unter Umständen das Entstehen von Riesenimpulsen verhindern.For the sake of clarity, no optical isolators are shown in FIG. 1. Under certain circumstances, these can prevent the generation of giant impulses.

Das in Fig. 1 gezeigte Nachrichtenübertragungssystem hat einen faseroptischen Verstärker 1, einen Elektrisch-Optisch-Wandler 2, einen Optisch-Elektrisch-Wandler 3 und zwei Leistungsbegrenzer 4. Über Lichtwellenleiter 5 sind die genannten Systemkomponenten miteinander verbunden.The communication system shown in FIG. 1 has a fiber optic amplifier 1 , an electrical-optical converter 2 , an optical-electrical converter 3 and two power limiters 4 . The system components mentioned are connected to one another via optical waveguides 5 .

Der Leistungsbegrenzer 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich der Ausbreitungsrichtung des optischen Signals vor und nach dem faseroptischen Verstärker 1 angeordnet, und er ist als dotiertes Lichtwellenleiterstück ausgeführt. Die Verbindung des Leistungsbegrenzers mit dem faseroptischen Verstärker 1 und dem Lichtwellenleiter 5 erfolgt dabei mit Hilfe der bekannten Spleiß-Technik. In this exemplary embodiment, the power limiter 4 is arranged before and after the fiber-optic amplifier 1 with respect to the direction of propagation of the optical signal, and it is designed as a doped optical waveguide piece. The connection of the power limiter to the fiber optic amplifier 1 and the optical fiber 5 is carried out using the known splicing technique.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, einen Leistungsbegrenzer nach dem Elektrisch-Optisch-Wandler 2 und einen vor dem Optisch-Elektrisch-Wandler 3 anzuordnen. Damit werden diese Systemkomponenten vor den Auswirkungen der Riesenimpulse geschützt.According to the invention, it is also possible to arrange a power limiter after the electrical-optical converter 2 and one before the optical-electrical converter 3 . This protects these system components from the effects of the giant impulses.

Im praktischen Einsatz werden faseroptische Verstärker auch kaskadiert angeordnet. In diesem Fall können die Leistungsbegrenzer so angeordnet werden, daß sich in den Verbindungsstrecken zwischen den einzelnen faseroptischen Verstärkern ein Leistungsbegrenzer befindet.Fiber optic amplifiers are also used in practice arranged cascaded. In this case, the power limiters be arranged so that in the links between a power limiter for the individual fiber optic amplifiers located.

Erfindungsgemäß ist der Leistungsbegrenzer ein solcher, der folgende Eigenschaften hat.According to the invention, the power limiter is one that has the following properties.

Der Leistungsbegrenzer läßt das optische Signal mit einer normalen optischen Leistung (einige 10 mw) und einer Wellenlänge von z. B. λ_S = 1550 nm nahezu ungedämpft durch. Optische Leistungen, die der des Riesenimpulses entsprechen (Watt Bereich) dämpft er dagegen stark.The power limiter leaves the optical signal with a normal optical power (some 10 mw) and a wavelength of z. B. λ _S = 1550 nm almost undamped by. On the other hand, it strongly attenuates optical performance that corresponds to that of the giant pulse (watt range).

Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 dargestellt. Das VerhältnisThis fact is shown in Fig. 2. The relationship

ist als Funktion der optischen Eingangsleistung P₀ des Leistungsbegrenzers dargestellt. P(L) ist die optische Ausgangsleistung eines Leistungsbegrenzers mit der Länge L. is a function of the optical input power P₀ des Power limiter shown. P (L) is the optical one Output power of a power limiter with length L.

Vorzugsweise ist die Abhängigkeit, wie in Fig. 2 gezeigt, nichtlinear, damit optische Strahlung mit hoher Leistung überproportional gedämpft wird.The dependency, as shown in FIG. 2, is preferably non-linear, so that optical radiation with high power is attenuated disproportionately.

Diese Dämpfung in dem erfindungsgemäßen Leistungsbegrenzer erfolgt durch Absorption. Es wird ein Leistungsbegrenzer aus einem Absorbermaterial, bei dem die Absorption eine Zwei-Photonen-Absorption ist, verwendet. Diese zeigt nämlich die besonders geeignete nichtlineare Abhängigkeit von der optischen Eingangsleistung. Diese Absorption ist beispielsweise in dem Buch "The Principles of Nonlinear Optics", Y.R. Shen, John Wiley & Sons, pp. 202-210 beschrieben, allerdings nicht in Zusammenhang mit einem bestimmten Material und nicht mit Lichtwellenleitern.This damping takes place in the power limiter according to the invention through absorption. It will a power limiter made of an absorber material, in which the Absorption is a two-photon absorption used. This namely shows the particularly suitable nonlinear dependence on the optical input power. This absorption is for example in the book "The Principles of Nonlinear Optics", Y.R. Shen, John Wiley & Sons, pp. 202-210, but not in Relation to a certain material and not to Optical fibers.

Die genannten Anforderungen erfüllt z. B. ein dotiertes Lichtwellenleiterstück aus einem Absorbermaterial mit Zwei-Photonen-Absorption. Solch ein Absorbermaterial ist z. B. Nd oder Tm.The requirements mentioned z. B. a doped Optical fiber piece made of an absorber material with Two-photon absorption. Such an absorber material is e.g. B. Nd or Tm.

Bei der Zwei-Photonen-Absorption werden zwei Photonen gleichzeitig absorbiert. Durch die Absorption des ersten Photons wird ein Elektron vom Grundzustand E₀ in einen reellen oder virtuellen Zwischenzustand E₁ angehoben. Das zweite Photon regt das Elektron von dem Zwischenzustand E₁ in den angeregten Zustand E₂ an.With two-photon absorption, two photons become simultaneous absorbed. The absorption of the first photon turns a Electron from the ground state E₀ into a real or virtual one Intermediate state E 1 raised. The second photon excites the electron from the intermediate state E₁ to the excited state E₂.

Damit es zu einer Absorption kommt, muß der Energieabstand zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand dem zweifachen der Photonenenergie entsprechen, d. h. E=2hν. Dies ist für das genannte Material und den zu dämpfenden Riesenimpulsen der Fall. h ist das Planck′sche Wirkungsquantum und ν die Frequenz. In order for absorption to occur, the energy gap must be between Ground state and excited state twice the Correspond to photon energy, d. H. E = 2hν. This is for that mentioned material and the giant impulses to be damped the case. H is the Planck quantum of action and ν is the frequency.

Da die Frequenz ν einer Wellenlänge entspricht, ist die Absorption wellenlängenabhängig. Damit ein relativ großer Wellenlängenbereich absorbiert wird, erfolgt die Dotierung so, daß sowohl der Grundzustand als auch der angeregte Zustand einen breiten Energiebereich hat.Since the frequency ν corresponds to a wavelength, it is Absorption dependent on wavelength. So a relatively big one Wavelength range is absorbed, the doping is such that both the ground state and the excited state unite has a wide energy range.

Die Eigenschaft der Zwei-Photonen-Absorption kann durch die Wahl des Dotierelements und durch die Dotierung eingestellt werden. Das Dämpfungsvermögen des Leistungsbegrenzers kann über die Länge des Lichtwellenleiterstücks eingestellt werden.The property of two-photon absorption can be chosen of the doping element and by the doping. The Damping capacity of the power limiter can vary over the length of the Optical fiber piece can be set.

Claims

1. Optical communication system for transmitting an optical signal via an optical waveguide ( 5 ) with at least one optical amplifier ( 1 ), an electrical-optical converter ( 2 ) on the transmitting side and at least one optical-electrical converter ( 3 ) on the receiving side , characterized in that in the optical transmission path at least one piece of optical waveguide doped with an absorber material is present as a power limiter ( 4 ) whose absorption coefficient increases due to a two-photon absorption with increasing optical input power.

2. Optical communication system according to claim 1, wherein a power limiter ( 4 ), based on the direction of propagation of the optical signal, is present after the optical amplifier ( 1 ).

3. Optical communication system according to claim 1, wherein a power limiter ( 4 ) in front of the optical-electrical converter ( 3 ) is present.

4. Optical communication system according to claim 1, where the absorber material is neodymium (Nd).

5. Optical communication system according to claim 1, where the absorber material is thulium (Tm).