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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen optische Verstärker und insbesondere Raman-Verstärker mit
einem relativ weiten Verstärkungsprofil,
das im wesentlichen flach über
der Bandbreite des optischen Signals ist, das verstärkt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Breitbandige
optische Übertragungssysteme haben
in den vergangenen Jahren große
Aufmerksamkeit erfahren. Derartige Systeme erfordern breitbandige
optische Verstärker,
um die Übertragung
von großvolumigen
Wellenlängen-Multiplex-Signalen
zu erreichen. Ein Typ optischer Verstärker, der manchmal Anwendung
findet, ist ein sogenannter verteilter Verstärker, in dem die Signalverstärkung entlang
eines Signalübertragungspfades
auftritt. Ein Beispiel eines verteilten Verstärkers ist ein Raman-Verstärker.
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Raman-Verstärkung wird
durch Einführen des
Signals und Energieeinspeisung entlang der gleichen optischen Faser
erreicht. Die Pumpe und das Signal können sich miteinander oder
entgegengesetzt in bezug zueinander fortpflanzen. Ein Raman-Verstärker verwendet
stimulierte Raman-Streuung, die in Silica-Fasern auftritt, wenn
ein starker Pumpstrahl sich hierdurch fortpflanzt. Stimulierte Raman-Streuung
ist ein inelastischer Streuungsprozeß, bei dem ein besonderes Pump-Photon
seine Energie verliert, um ein anderes Photon mit reduzierter Energie
bei einer niedrigeren Frequenz zu erzeugen. Die verbleibende Energie
wird von dem Fasermedium in Form von molekularen Vibrationen (z.B.
optische Photonen) absorbiert. Das bedeutet, daß Pumpenergie einer gegebenen
Wellenlänge
ein Signal einer längeren
Wellenlänge
verstärkt.
Die Beziehung zwischen der Pumpenergie und der Raman-Verstärkung für eine Silica-Faser
ist in
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1 gezeigt.
Die besondere Wellenlänge der
Pumpenergie, die in diesem Beispiel verwendet wird, ist durch Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
Wie gezeigt, ist das Verstärkungsspektrum 2 für diese
besondere Pumpwellenlänge
in der Wellenlänge
verschoben in bezug zu der Pumpwellenlänge. Wie 1 zeigt,
ist die Bandbreite des Raman-Verstärkers begrenzt. Zum Beispiel
beträgt
die Bandbreite des in 1 gezeigten Verstärkers nur
um 20 nm bei einer Verstärkung
von 10 dB.
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US-A-6320884
offenbart einen Raman-Verstärker,
der eine gesteigerte Bandbreite aufweist. Dieses Resultat wird erreicht
durch Bereitstellen zweier Pumpquellen, die Pumpenergie bei 30 zwei oder
mehr anderen Wellenlängen
bereitstellen. Wie in 2 gezeigt, erzeugt Pumpenergie,
die bei einer Wellenlänge
bereitgestellt wird, die mit Bezugszeichen 40 gekennzeichnet
ist, eine Verstärkungskurve 42,
während
Pumpenergie, die bei einer Wellenlänge bereitgestellt wird, die
mit Bezugszeichen 41 bezeichnet ist, eine Verstärkungskurve 43 erzeugt.
Das zusammengesetzte Verstärkungsspektrum,
gekennzeichnet durch Kurve 44, weist eine Bandbreite auf, die
größer ist
als jede der individuellen Verstärkungskurven 42 und 43.
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Es
ist allgemein wünschenswert,
ein Verstärkungsspektrum
bereitzustellen, das vernünftigerweise
flach über
die gesamte oder einen wesentlichen Abschnitt der Verstärkerbandbreite
ist. Unglücklicherweise
wird, wenn mehrere Pumpen in der Art und Weise verwendet werden,
wie sie in dem oben genannten Patent beschrieben ist, ein flaches
Verstärkungsspektrum
nicht erreicht. Zum Beispiel wird, wenn mehrere Pumpen verwendet
werden, die alle die gleiche Pumpleistung generieren, aber bei verschiedenen
Wellenlängen,
die gleichmäßig beabstandet
voneinander sind, eine asymmetrische Verstärkungskurve erzeugt, in der
mehr Verstärkung
bei höheren
Wellenlängen
als bei niedrigeren Wellenlängen
generiert wird. Dies tritt auf, weil die Pumpquellen bei niedrigeren
Wellenlängen
effektiver pumpen als die Pumpquellen, die bei höheren Wellenlängen arbeiten.
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Demzufolge
ist es wünschenswert,
einen breitbandigen Raman-Verstärker
bereitzustellen, der eine Vielzahl von Pumpquellen verwendet, in
denen das resultierende Verstärkungsspektrum
flach innerhalb spezifizierter Toleranzen über der Verstärkerbandbreite
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung,
wie in Anspruch 1 definiert, ist ein Raman-Verstärker bereitgestellt, der wenigstens
einen Abschnitt einer optischen Faser umfaßt, in dem ein optisches Signal
wandert. Der optische Faserabschnitt kann ein Ganzes oder einen Teil
des optischen Übertragungspfades
eines optischen Kommunikationssystems einschließen. Eine Pumpeinheit ist bereit gestellt,
die wenigstens drei Pumpquellen umfaßt, die Pumpleistung bei unterschiedlichen
Pumpwellenlängen
bereitstellen. Die verschiedenen Pumpwellenlängen sind durch ungleichmäßige Werte
beabstandet voneinander angeordnet, so daß ein vorgeschriebenes Raman-Verstärkungsprofil
in dem optischen Faserabschnitt generiert ist. Ein optischer Koppler
ist bereitgestellt zum Koppeln der Pumpleistung mit dem optischen
Faserabschnitt und Übertragen
des optischen Signals durch diesen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist das Verstärkungsprofil des Verstärkers im
wesentlichen flach innerhalb einer vorbestimmten Schwelle über der
Bandbreite des optischen Signals. Ein derartiges Profil kann erreicht
werden durch Anordnen der nicht-gleichförmigen Pumpwellenlängenverteilung,
so daß der
Abstand zwischen den Pumpwellenlängen
für abnehmende
Pumpwellenlängen
abnimmt. Darüber
hinaus koppelt der Koppler die Pumpleistung mit dem optischen Faserabschnitt,
der ein Wellenlängen-Multiplex-Koppler
oder alternativ ein optischer Zirkulator sein kann. Die Pumpeinheit kann
einen optischen Koppler zum Kombinieren der unterschiedlichen Pumpwellenlängen vor
dem Richten auf den optischen Faserabschnitt umfassen, in dem sich
das Signal fortpflanzt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen eines
vorgeschriebenen Raman-Verstärkungsprofils
in wenigstens einem Abschnitt einer optischen Faser bereitgestellt, das
als Verstärkungsmedium
dient und in dem sich das optische Signal fortpflanzt. Pumpleistung
wird bei wenigstens drei unterschiedlichen Pumpwellenlängen bereitgestellt.
Die unterschiedlichen Pumpwellenlängen sind derart ausgewählt, daß sie beabstandet
voneinander durch ungleiche Werte angeordnet sind, so daß in dem
optischen Faser abschnitt erzeugte Raman-Verstärkung ein vorgeschriebenes Profil
aufweist. Die Pumpleistung ist mit dem optischen Faserabschnitt
gekoppelt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Beziehung zwischen Pumpenergie und Raman-Verstärkung für eine Silica-Faser.
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2 zeigt
die Raman-Verstärkung,
die durch den Raman-Verstärker
bereitgestellt wird, der in 5 gezeigt
ist.
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3 zeigt
ein optisches Kommunikationssystem, das optische Verstärker verwendet.
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4 zeigt
sachdienliche Details eines bekannten Raman-Verstärkers.
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5 zeigt
ein anderes Beispiel eines Raman-Verstärkers.
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6 zeigt
eine Reihe von Pumpenergien, die von einem Raman-Verstärker verwendet
werden, die in der Wellenlänge
gleichmäßig voneinander
beabstandet sind.
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7 zeigt
die normierte Verstärkungskurve,
erzeugt durch einen Raman-Verstärker
mit einer Spektralverteilung der in 6 gezeigten
Pumpenergien.
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8 zeigt
ein Beispiel einer ungleichmäßigen Verteilung
der Pumpwellenlängen,
die von einem Ramanverstärker
gemäß der Erfindung
verwendet werden.
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9 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Raman-Verstärkers,
der gemäß der Erfindung
verwendet werden kann.
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Detaillierte
Beschreibung
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Bezugnehmend
auf 3 ist ein Lichtwellenkommunikationssystem offenbart,
das optische Faserverstärker,
wie Raman-Verstärker,
verwendet. Das System umfaßt
Sender/Empfängeranschlüsse 3 und 5 und
optische Übertragungsfaserpfade 2 und 4, die
bidirektionale Kommunikation unterstützen. Die übertragenen Signale von den
Anschlüssen 3 und 5 sind
in optischer Form. Es gibt keine Zwischenumwandlung zu elektrischer
Form. Eine Vielzahl optischer Verstärker 7 und 8 sind
in die Faserpfade 2 und 4 zwischen den Sender-/Empfängeranschlüssen 3 und 5 eingefügt. Die
optischen Verstärker 7 und 8 umfassen
eine Faserlänge,
die ein Verstärkungsmedium
bereitstellt, eine Energiequelle, die in die Faser einpumpt, um
Verstärkung
bereitzustellen, und ein Mittel zum Einkoppeln von Energie in die
Faser ohne Interferenz mit dem verstärkten Signal. Im Fall von Raman-Verstärkern ist
die Faser, die das Verstärkungsmedium
bereitstellt, der Übertragungspfad selbst.
Diese Komponenten des optischen Verstärkers sind detailliert in 4 gezeigt.
Während
ein Paar optischer Verstärker
in 3 zum Zwecke der Erläuterung ausgewählt sind,
ist es für
mit dem Stand der Technik Vertraute selbstverständlich, daß die Erfindung Anwendung in
Emissionspfaden bei allen Längen
mit vielen zusätzlichen
Paaren optischer Verstärkung
finden kann.
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Bezugnehmend
auf 4 umfaßt
jeder verteilte optische Verstärker
einen optischen Faserabschnitt 20 des Übertragungspfades, in dem Raman-Verstärkung generiert
wird. Dieser Abschnitt 20 der Faser kann in seiner Größe variieren
und zum Beispiel auf einen kleinen Abschnitt des Übertragungspfades
begrenzt sein. Alternativ kann der Faserabschnitt 20, in
dem Raman-Verstär kung
generiert wird, eine Länge
aufweisen, die den gesamten Übertragungspfad
umgreift. Der Faserabschnitt 20 ist an einer Quelle optischer
Pumpenergie 21 über
einen Koppler 22, wie einen Wellenlängen-Multiplexer (WDM), angekoppelt.
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5 zeigt
einen Raman-Verstärker 100 des in
US-A-6320884 offenbarten
Typs. Paare von Raman-Verstärkern 100 können in
einem Übertragungssystem,
wie in 2 gezeigt, verwendet werden. Ähnlich wie bei 4 umfaßt der Raman-Verstärker 100 einen
optischen Faserabschnitt 30, in dem Raman-Verstärkung generiert
wird, und eine optische Pumpeinheit 35, die durch einen
optischen Koppler 31 mit dem Faserabschnitt 30 gekoppelt
ist. Die beispielhafte Pumpeinheit 35 umfaßt acht
optische Pumpquellen 31–39. Ein optischer
Koppler 34 kombiniert die Energie von den Pumpquellen 31–39 und
richtet den resultierenden Strahl zum WDM-Koppler 31. Wie
vorher beschrieben, generieren die Pumpquellen 31–39 Pumpenergie
bei unterschiedlichen Wellenlängen,
die ausgewählt
sind, um die Verstärkerbandbreite
zu maximieren.
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6 zeigt
ein Beispiel der Spektralverteilung der Pumpenergien, die von der
Pumpeinheit 35 verwendet werden. Wie gezeigt, umfassen
die acht Pumpen einen Wellenlängenbereich
zwischen 1420 und 1504 nm und sind gleichmäßig um 12 nm beabstandet voneinander
angeordnet. Die Pumpleistung jeder Pumpquelle ist veranschaulichend
gewählt
zu 100 mw. Der Raman-Verstärker 100 kann
ein WDM-Signal im Bereich von 1520–1619 nm verstärken.
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7 zeigt
die normierte Verstärkungskurve,
die durch den Verstärker 100 mit
der Spektralverteilung an Pumpenergien erzeugt wird, die in 6 gezeigt
ist. Es ist klar, daß die
Verstärkung
ungleich über
der Bandbreite des Signals ist, mit einer weit größeren Verstärkung, die
bei höheren
Wellenlängen übertragen
wird. Diese Asymmetrie tritt auf, weil die niedrigeren Pumpwellenlängen die
höheren
Pumpwellenlängen
pumpen, was auf diese Weise die niedrigeren Pumpwellenlängen abschwächt.
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Die
Erfinder haben erkannt, daß das
Problem der ungleichmäßigen Verstärkungsverteilung überwunden
werden kann durch Bereitstellen von Pumpquellen mit Wellenlängen, die
durch unterschiedliche Beträge
beabstandet sind, eher als durch konstante Beträge. Insbesondere kann die Verstärkungsverteilung
durch Reduzieren der Abstände
zwischen den Pumpwellenlängen
bei abnehmenden Pumpwellenlängen
vereinheitlicht werden. 8 zeigt ein Beispiel einer solchen
Verteilung für
acht Wellenlängen,
bei der die Variation im Abstand in gleichmäßiger Weise abnimmt, wie die
Pumpwellenlänge
abnimmt. Die resultierende Zunahme der Energiedichte bei niedrigeren
Wellenlängen
wird durch den Energietransfer von niedrigeren zu höheren Pumpwellenlängen ausgeglichen,
der auftritt, weil die niedrigeren Wellenlängen die höheren Wellenlängen pumpen.
Selbstverständlich
muß der
Abstand zwischen den Pumpwellenlängen
nicht in gleichmäßiger Art
und Weise variieren. Vielmehr kann jede ungleichmäßige Verteilung
verwendet werden, so daß die
Verstärkungskurve
flach innerhalb einer spezifizierten Toleranz über der Bandbreite des Signals
ist.
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Noch
allgemeiner betrachtet die Erfindung das Bereitstellen von Verstärkungskurven,
die eine vorgeschriebene Verteilung über der Bandbreite des Signals
aufweisen. Das bedeutet, daß die
ungleichförmige
Spektralverteilung der Pumpwellenlängen gemäß der Erfindung verwendet werden
kann, um eine Verstärkungskurve
zu erzeugen, die nicht flach, sondern vielmehr mit der Signalwellenlänge in vorgeschriebener
Weise variiert.
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9 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, in der ein WDM-Koppler 31 durch einen Zirkulator
ersetzt ist. In 5 und 9 kennzeichnen
Bezugszeichen gleiche Elemente. Der Raman-Verstärker 100 umfaßt einen
optischen Faserabschnitt 30, in dem Raman-Verstärkung generiert wird,
und eine optische Pumpeinheit 35, die an dem Faserabschnitt 30 durch
einen optischen Drei-Port-Zirkulator 31 angeschlossen ist.
Der Zirkulator 31 weist Ports 4, 5 und 6 auf,
wobei der Port 5 abströmig
von Port 4 angeordnet ist und Port 6 abströmig von
Port 5 angeordnet ist. Das bedeutet, daß optische Energie durch den
Zirkulator 31 in zum Uhrzeigersinn entgegengesetzte Richtung
transportiert wird. Die beispielhafte Pumpeinheit 35 umfaßt acht optische
Pumpquellen 31–39.
Ein optischer Koppler 34 kombiniert die Energie von den
Pumpquellen 31–39 und
richtet den resultierenden Strahl zum Port 4 des Zirkulators 31.
Wie vorher erläutert,
generieren die Pumpquellen 31–39 Pumpenergie bei
Pumpwellenlängen,
die in nicht-gleichförmiger
spektraler Form verteilt sind. Im Betrieb wird die Pumpenergie zu
der Übertragungsfaser 30 durch
den Eingangsport 4 des Zirkulators 31 zugeführt und
tritt über
den Port 5 aus. Das sich entlang der Übertragungsfaser 30 fortpflanzende
Signal tritt durch Port 5 des Zirkulators 31 und tritt über Port 6 aus.
Demgemäß kann,
solange die Bandbreite des Zirkulators 31 ausreichend ist,
der Zirkulator 31 Pump- und Signalwellenlängen aufnehmen,
die sich überlappen.
Im Gegensatz dazu verhindert das Design des WDM-Kopplers, der in 5 gezeigt
ist, inhärent,
daß sich
Pump- und Signalwellenlängen überlappen.
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Was
beschrieben wurde, ist lediglich erläuternder Natur in bezug auf
Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Andere Anordnungen
und Verfahren können
von mit dem Stand der Technik Vertrauten implementiert werden, ohne
den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel
sind die Vorteile, die sich durch Kombinieren optischer Pumpquellen
ansammeln, nicht begrenzt auf das Kombinieren acht unterschiedlicher Wellenlängen. Im
allgemeinen kann jede gewünschte Anzahl
von Pumpwellenlängen
verwendet werden, um weiter die resultierende Bandbreite des Raman-Verstärkers maßzuschneidern.