DE60034341T2

DE60034341T2 - Verstärkungsglättung mit nichtlinearen sagnac-verstärken

Info

Publication number: DE60034341T2
Application number: DE60034341T
Authority: DE
Inventors: Benjamin A. San Mateo VAKOC; Michel J. Palo Alto DIGONNET
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: AU1324301A; JP2003506733A; WO2001009991A2; US20020145795A1; EP1201011B1; US6377391B1; KR20020027515A; WO2001009991A3; CN1365456A; DE60034341D1; JP4514382B2; CA2380060A1; US6466364B1; EP1201011A2; KR100680682B1; CN1158567C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Lichtwellenleiterverbindungssysteme und insbesondere das Gebiet der Verstärker zur Verwendung in Lichtwellenleiterverbindungssystemen.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Um den steigenden Bedarf an Bandbreite zu befriedigen, bewegen sich Lichtwellenleiterverbindungssysteme immer mehr in Richtung Wellenlängen-Multiplextechnik (WDM), bei der viele Kanäle mit getrennten Wellenlängen auf demselben Leiter übertragen werden. Unerlässlich für die meisten derzeitigen Faserverbindungssysteme ist der Einbau von Verstärkern mit Erbium-dotierten Leitern/Fasern (EDFAs). Werden EDFAs in WDM-Systeme integriert, so wird die Verstärkungsflachheit der Verstärker ein kritischer Punkt. In 1A zeigt zum Beispiel eine Faserverbindungsleitung 100, die eine serielle Kette von Dämpfungsabschnitten 110(i) und Verstärkungsabschnitten 120(i) aufweist. In 1A repräsentieren Faserlängen die Dämpfungsabschnitte 110(i) und EDFAs die Verstärkungsabschnitte 120(i). Jeder Dämpfungsabschnitt 110(i) und ein zugehöriger Verstärkungsabschnitt 120(i) wird hierin als ein „Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitt" bezeichnet.
In einem WDM-System werden mehrere unabhängige Kanäle auf einzelnen Wellenlängen eingegeben. Die Verstärkung durch EDFAs ist eine Funktion der Wellenlänge mit einer typischen ungefilterten Verstärkungsänderung, wie sie in 1B gezeigt ist. Nach der Ausbreitung durch den ersten Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitt 110(1), 120(1) weisen die Kanäle mit ungefähr 1532 Nanometern aufgrund der EDFA-Verstärkungsänderung höhere Leistungen auf, als die übrigen Kanäle. Die Ausbreitung durch mehrere Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitte bewirkt eine Zunahme dieser Disparität der Kanalleistungen, und bewirkt schließlich, dass die Leistung mancher Kanäle am Ausgang des letzten Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitts 110(n), 120(n) auf unerwünschte Pegel abfällt.
Um den oben erwähnten Vorgang zu veranschaulichen, ist das Eingangsleistungsspektrum in 2A graphisch aufgezeichnet, und das Ausgangsleistungsspektrum nach 5 Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitten (d.h. n = 5 in 1A) ist in 2B graphisch aufgezeichnet. Die Unterschiede der beiden Spektra in 2A und 2B veranschaulichen die große Disparität der resultierenden Kanalleistungen, die durch EDFA-Verstärkungsänderungen verursacht worden ist.
Viele frühere Lösungen dieses Problems umfassten die Hinzufügung eines Filters zum EDFA, um einen Verstärkungs-Filter-Abschnitt zu erzeugen, der flacher ist, als die Verstärkung des EDFA alleine. Es ist jedoch keine unbedeutende Aufgabe, einen Filter in einer korrekten Form herzustellen, der nicht von den EDFA-Parametern (z.B. Signal- und Pumpleistungen) abhängig ist, und der lange haltbar und temperaturbeständig ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Glätten von Verstärkung mit nicht linearen Sagnac-Verstärkern. Die Verwendung nicht linearer Sagnac-Verstärker zum Glätten von Verstärkung ist eine neuartige Lösung. Anstatt einen Filter zu verwenden, der eine Dämpfung, die sich als eine Funktion der Wellenlänge ändert, aufweist, betrifft die vorliegende Erfindung einen Filter, dessen Dämpfung eine Funktion der Leistung ist. Insbesondere dampft der Filter gemäß der vorliegenden Erfindung einen bestimmten Kanal i basierend auf der Leistung dieses Kanals. Der Filter gemäß der vorliegenden Erfindung stellt keine Dämpfung bereit, bei der es sich um eine herkömmliche leistungsabhängige Breitbanddämpfung handelt. Vielmehr stellt der Filter gemäß der vorliegenden Erfindung eine leistungsabhängige Schmalband-Dämpfung bereit. Mit anderen Worten, die Dämpfung des Filters bei λ_i, der Wellenlänge von Kanal i, ist eine Funktion der Leistung im Bereich dieser Wellenlänge (d.h. bei λ_i ∀δλ), ist jedoch keine Funktion der Leistung bei einer gesonderten Wellenlänge λ_i∀n außerhalb des λ_i ∀δλ-Fensters. Ein solcher Filter wird erlangt, indem ein linearer Standardverstärker, wie er in 1A abgebildet ist, durch einen nicht linearen Sagnac-Verstärker (NSA), der in der Folge näher beschrieben wird, ersetzt wird.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verstärkungssystem gemäß der Darstellung in Anspruch 1 bereit. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Verstärkung einer Mehrzahl von Eingangslichtsignalen gemäß der Darstellung in Anspruch 22 bereit. Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Lichtsystem gemäß der Darstellung in Anspruch 23 bereit.
Das Verstärkungssystem dient zur Reduzierung von Leistungsdifferenzen bei einer Mehrzahl von auf eine Mehrzahl von Eingangslichtsignalen, die eine Mehrzahl entsprechender Lichtwellenlängen und eine Mehrzahl entsprechender Eingangsleistungen aufweisen, reagierenden Ausgangslichtsignalen. Das Verstärkungssystem umfasst eine interferometrische Schleife. Ein Koppler koppelt die Mehrzahl von Eingangslichtsignalen an die Schleife, um eine Ausbreitung entsprechender erster Abschnitte der Eingangslichtsignale in einer ersten Richtung in der Schleife, und eine Ausbreitung entsprechender zweiter Abschnitte der Eingangslichtsignale in einer zweiten Richtung in der Schleife zu bewirken. Der Koppler kombiniert die ersten und die zweiten Abschnitte, nachdem sich die ersten und zweiten Abschnitte in der Schleife ausgebreitet haben, um eine Mehrzahl von Ausgangslichtsignalen zu erzeugen. Ein Verstärker ist an einem in Bezug auf das Zentrum der Schleife asymmetrischen Ort angeordnet. Der Verstärker weist ein Verstärkungsspektrum auf, das bewirkt, dass der Verstärker eine Mehrzahl entsprechender Verstärkungen bei der Mehrzahl von Lichtwellenlängen aufweist. Der in Bezug auf das Zentrum asymmetrische Ort des Verstärkers hat Leistungsunterschiede der ersten Signalabschnitte und der zweiten Signalabschnitte des Eingangslichtsignals zur Folge, während diese Abschnitte die interferometrische Schleife passieren. Die Leistungsunterschiede der ersten und der zweiten Signalabschnitte bewirkt, dass aufgrund des optischen Kerr-Effekts in den ersten und den zweiten Signalabschnitten entsprechende Phasenverschiebungen in der Leiterschleife eintreten. Die Kerr-induzierten Phasenverschiebungen verändern sich in Reaktion auf Unterschiede der entsprechenden Eingangsleistungen und der entsprechenden Verstärkungen, um eine größere Kerr-induzierte Dämpfung der Eingangslichtsignale, die ein größeres Verstärkungs-Leistungs-Produkt aufweisen, zu bewirken. Vorzugsweise weist der Verstärker einen Verstärker mit Erbium-dotierten Leitern auf. Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen weisen des Weiteren einen Wellenlängenmultiplexkoppler in der Schleife nahe dem Verstärker auf. Eine Pumpquelle ist mit dem Wellenlängenmultiplexkoppler gekoppelt, um über den Wellenlängenmultiplexkoppler Pumplicht für den Verstärker bereitzustellen.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verstärkungssystem zur Reduzierung von Ausgangsleistungsdifferenzen bei einer Mehrzahl von auf eine Mehrzahl von Eingangslichtsignalen, die eine Mehrzahl entsprechender Lichtwellenlängen und eine Mehrzahl entsprechender Eingangsleistungen aufweisen, reagierenden Ausgangslichtsignalen. Das Verstärkungssystem weist eine interferometrische Schleife auf, die ein erste und eine zweite Lichtleiterlänge aufweist, welche durch einen Lichtverstärker getrennt sind. Die erste Lichtleiterlänge ist im Wesentlichen länger als die zweite Lichtleiterlänge. Ein Koppler koppelt die Lichtsignale in die interferometrische Schleife, um in der interferometrischen Schleife eine Gegenausbreitung der entsprechenden ersten und zweiten Abschnitte der Lichtsignale in einer ersten und einer zweiten Richtung zu bewirken. Der Koppler kombiniert die entsprechenden ersten und zweiten Abschnitte der Lichtsignale nach der Ausbreitung durch die interferometrische Schleife, um eine Mehrzahl entsprechender Ausgangssignale bei der Mehrzahl von Lichtwellenlängen zu erzeugen. Die Mehrzahl von Ausgangssignalen weist eine Mehrzahl entsprechender Ausgangsleistungen auf. Der Verstärker weist eine Verstärkungskennlinie auf, die bewirkt, dass der Verstärker bei der Mehrzahl von Lichtwellenlängen eine Mehrzahl entsprechender Verstärkungen aufweist. Die ersten und zweiten Abschnitte der Lichtsignale, die sich in der ersten und der zweiten Richtung ausbreiten, erfahren entsprechende durch Selbstphasenmodulation, durch gemeinsame Ausbreitung der Kreuzphasenmodulation und durch Gegenausbreitung der Kreuzmodulation erzeugte Kerr-induzierte Phasenverschiebungen. Der Ort des Verstärkers bewirkt, dass Licht, das sich in der ersten Richtung ausbreitet, die erste Lichtleiterlänge passiert, bevor es sich durch den Verstärker und die zweite Lichtleiterlänge ausbreitet. Der Ort des Verstärkers bewirkt auch, dass Licht, dass sich in der zweiten Richtung ausbreitet, durch die zweite Lichtleiterlänge und den Verstärker ausbreitet, bevor es sich durch die erste Lichtleiterlänge ausbreitet. Der Ort des Verstärkers bewirkt auch, dass Licht, das sich in der ersten Richtung ausbreitet, eine größere Gegenausbreitung der Kreuzphasenmodulation erfährt, als das Licht, das sich in der zweiten Richtung ausbreitet. Der Ort des Verstärkers bewirkt auch, dass Licht, das sich in der zweiten Richtung ausbreitet, eine größere Selbstphasenmodulation und eine größere gemeinsame Ausbreitung der Kreuzmodulation erfährt, als Licht, das sich in der ersten Richtung ausbreitet. Die Kerr-induzierten Phasenverschiebungen der Mehrzahl von Lichtsignalen bei der Mehrzahl von Lichtwellenlängen reagieren auf die entsprechenden Verstärkerverstärkungen bei der Mehrzahl von Lichtwellenlängen und auf die entsprechenden Eingangsleistungen der Mehrzahl von Lichtsignalen, so dass die Unterschiede der Ausgangsleistungen, die sowohl durch die Unterschiede der Eingangsleistungen als auch die Unterschiede der Verstärkungen bei der Mehrzahl von Lichtwellenlängen verursacht werden, reduziert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Lichtverstärkungssystem, das eine serielle Kette aus mindestens einem ersten und einem zweiten Verstärkungsabschnitt aufweist. Der erste Verstärkungsabschnitt ist so gekoppelt, dass er eine Mehrzahl von Eingangslichtsignalen empfängt. Jedes Eingangslichtsignal weist eine entsprechende Lichtwellenlänge und eine entsprechende Eingangslichtleistung auf. Jeder Verstärkungsabschnitt weist einen entsprechenden Verstärker darin auf. Die Verstärker weisen entsprechende Verstärkungskennlinien auf, gemäß derer sich die Verstärkungen, mit denen die Lichtsignale beaufschlagt sind, mit der Wellenlänge verändern. Der erste Verstärkungsabschnitt stellt eine erste Mehrzahl von Lichtausgangssignalen bereit. Der zweite Verstärkungsabschnitt ist so gekoppelt, dass er die erste Mehrzahl von Ausgangslichtsignalen empfängt, und eine zweite Mehrzahl von Lichtausgangssignalen bereitstellt. Jedes der zweiten Mehrzahl von Ausgangslichtsignalen weist eine entsprechende Lichtwellenlänge und eine entsprechende Ausgangslichtleistung auf. Die Verstarkungsabschnitte wirken so, dass sie Unterschiede der entsprechenden Lichtausgangsleistungen der zweiten Mehrzahl von Lichtausgangssignalen, die durch Unterschiede der Eingangslichtleistungen und Unterschiede der auf die Lichtsignale wirkenden Verstärkungen erzeugt werden, reduzieren. Jeder Verstärkungsabschnitt weist eine interferometrische Schleife auf. Der Verstärker des Verstärkungsabschnitts ist in der Schleife asymmetrisch angeordnet. Ein Koppler koppelt Licht in die interferometrische Schleife, um zu bewirken, dass sich Licht bei jeder der Lichtwellenlängen in Form von ersten und zweiten gegenausbreitenden Abschnitten ausbreitet. Des Weiteren kombiniert der Koppler die ersten und zweiten gegenausbreitenden Abschnitte bei jeder der Wellenlängen, nachdem sich die ersten und zweiten gegenausbreitenden Abschnitte des Lichts durch die Schleife ausgebreitet haben. Die ersten und zweiten gegenausbreitenden Formen bei jeder der Wellenlängen überlagern sich, um bei jeder der Wellenlängen ein Ausgangssignal bereitzustellen. Das Ausgangssignal bei jeder der Wellenlängen weist eine Leistung in Reaktion auf die Eingangsleistung bei der Wellenlänge, die Verstärkerverstärkung bei der Wellenlänge und die Kerr-induzierte Phasenverschiebung bei der Wellenlänge auf. Die Kerr-induzierte Phasenverschiebung ist für Lichtwellenlängen, die größere Verstärkungs-Leistungs-Produkte aufweisen, größer, um Unterschiede der Ausgangsleistung verursacht durch Unterschiede der Verstärkungs-Leistungs-Produkte mindestens teilweise zu reduzieren. Vorzugsweise weist jeder der Verstärker einen Verstärker mit Erbium-dotierten Leitern auf. Des Weiteren weisen die Verstärker vorzugsweise Verstärkungen auf, die sich mit der Lichtwellenlänge verändern. Die Lichtsignale bei der Mehrzahl von Wellenlängen weisen unterschiedliche Leistungen auf. Die Verstärkungsabschnitte funktionieren so, dass sie bewirken, dass Ausgangsleistungen bei jeder der Wellenlänge am Ausgang der seriellen Kette zur selben Sollausgangsleistung in einem auswählbaren Ausgangsleistungsbereich hin konvergieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verstärkung einer Mehrzahl von Eingangslichtsignalen. Die Eingangslichtsignale weisen entsprechende Lichtwellenlängen in einem Lichtwellenlängenbereich und entsprechende Lichtleistungen in einem Eingangslichtleistungsbereich auf. Das Verfahren erzeugt eine entsprechende Mehrzahl von Ausgangslichtsignalen, die entsprechende Ausgangsleistungen innerhalb eines ausgewählten Ausgangslichtleistungsbereichs aufweisen. Das Verfahren umfasst das Passieren der Eingangslichtsignale durch einen ersten nicht linearen Sagnac-Verstärker, um eine Mehrzahl von Zwischenlichtsignalen zu erzeugen. Die Mehrzahl von Zwischenlichtsignalen reagiert auf die Mehrzahl von Eingangslichtleistungen, die Verstärkerverstärkung und die Kerr-induzierte Phasenverschiebung, um eine entsprechende Mehrzahl von Zwischenlichtleistungen innerhalb eines Zwischenlichtleistungsbereiches aufzuweisen. Die Zwischenlichtleistungsbereich ist ein kleinerer Bereich als der Eingangslichtleistungsbereich. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Durchleiten der Zwischenlichtsignale durch mindestens einen zweiten nicht linearen Sagnac-Verstärker, um die Mehrzahl von Ausgangslichtsignalen zu erzeugen. Die Mehrzahl von Ausgangslichtsignalen reagiert auf die Mehrzahl von Zwischenlichtleistungen, die Verstärkerverstärkung und die Kerr-induzierte Phasenverschiebung, um eine Mehrzahl von Ausgangslichtleistungen innerhalb eines ausgewählten Ausgangslichtleistungsbereichs aufzuweisen. Der ausgewählte Ausgangslichtleistungsbereich ist kleiner als der Zwischenlichtleistungsbereich und kleiner als der Eingangslichtleistungsbereich.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Lichtsystem, das einen Eingang aufweist, der Eingangslichtsignale, die Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich aufweist, empfängt. Ein Ausgang gibt Lichtsignale aus, die auf die Eingangslichtsignale reagieren. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist mindestens ein erster Verstärker angeordnet. Der erste Verstärker weist ein erstes Verstärkungsspektrum auf. Das erste Verstärkungsspektrum verändert sich mit der Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich, um zu bewirken, dass ein erstes durch den ersten Verstärker bei einer ersten Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs erzeugtes Lichtsignal eine erste Lichtleistung aufweist, und dass ein zweites durch den ersten Verstärker bei einer zweiten Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs erzeugtes Lichtsignal eine zweite Lichtleistung aufweist. Die erste Lichtleistung und die zweite Lichtleistung unterscheiden sich durch eine Leistungsdifferenz. Das System umfasst des Weiteren mindestens einen zweiten Verstärker, der zwischen dem ersten Verstärker und dem Ausgang angeordnet ist. Der zweite Verstärker weist einen nicht linearen Sagnac-Verstärker auf. Der zweite Verstärker wirkt derart, dass er Verstärkungsunterschiede des ersten Verstärkers in dem Wellenlängenbereich mindestens teilweise kompensiert, um die Leistungsdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal zu reduzieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Lichtsystem, das einen Eingang aufweist, der Eingangslichtsignale, die Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenbereichs aufweisen, empfängt, und das einen Ausgang aufweist, der in Reaktion auf die Eingangslichtsignale Ausgangslichtsignale ausgibt. Eine erste Mehrzahl von Verstärkern einer ersten Art ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet. Die Verstärker der ersten Art weisen ein erstes Verstärkungsspektrum auf, das sich über den Wellenlängenbereich verändert, um zu bewirken, dass ein erstes Lichtsignal bei einer ersten Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs durch den Verstärker der ersten Art mit einer ersten Verstärkung verstärkt wird, und dass ein zweites Lichtsignal bei einer zweiten Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs durch den Verstärker der ersten Art mit einer zweiten Verstärkung verstärkt wird. Die zweite Verstärkung unterscheidet sich von der ersten Verstärkung. Eine zweite Mehrzahl nicht linearer Sagnac-Verstärker ist an ausgewählten Orten im Lichtsystem angeordnet. Die nicht linearen Sagnac-Verstärker wirken derart, dass sie Unterschiede zwischen der ersten Verstärkung und der zweiten Verstärkung der Verstärker der ersten Art mindestens teilweise kompensieren, um Leistungsdifferenzen zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal zu reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden ist die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen ausführlich beschrieben, in denen:
1A eine lineare Verstärkerkette abbildet, die eine Mehrzahl von Mehrfach-Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitten aufweist, wobei die Dämpfungsabschnitte Leiterabschnitte aufweisen, und die Verstärkungsabschnitte Verstärker mit Erbium-dotierten Leitern (EDFAs) aufweisen;
1B die Verstärkungsänderung eines beispielhaften Verstärkers mit Erbium-dotierten Leitern als eine Funktion der Wellenlänge abbildet;
2A das Eingangsleistungsspektrum eines Wellenlängenmultiplex(WDM)-Systems mit einem Eingangssignal, das einen Kanalabstand von 2 Nanometern aufweist, abbildet;
2B das Ausgangsleistungsspektrum abbildet, das sich aus dem Eingangsleistungsspektrum von 2A, das auf fünf Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitt angelegt worden ist, ergibt, wobei die Verstärkungsänderung als eine Funktion der Wellenlänge in 1B gezeigt ist;
3 eine Ausführungsform eines nicht linearen Sagnac-Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet;
3A eine bevorzugte Ausführungsform eines Lichtverstärkers von 3 abbildet;
4 eine Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet;
5A eine Übertragungsfunktion eines beispielhaften nicht linearen Sagnac-Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet, wobei die Verstärkung 21,8 dB beträgt, wobei P_i ⁽ⁿ⁾ die Leistung von Kanal i am Ausgang des Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitts n ist und P_i ⁽ⁿ⁺¹⁾ die Leistung von Kanal i am Ausgang des Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitts n + 1 ist, und wobei die Ausgangsleistung auf einen bleibenden Wert konvergiert;
5B die Konvergenz der Ausgangsleistung P_i ⁽ⁿ⁾ der Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitte als eine Funktion von n für verschiedene Ausgangswerte von P_i ⁽⁰⁾ für die Übertragungsfunktion von 5A abbildet;
5C eine Übertragungsfunktion eines beispielhaften nicht linearen Sagnac-Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet, wobei die Verstärkung 24 dB beträgt, wobei die erhöhte Linearitätsabweichung der Übertragungsfunktion bei erhöhter Verstärkung gezeigt ist, und wobei P_i ⁽ⁿ⁾ nicht auf einen bleibenden Wert konvergiert;
5D den Mangel an Konvergenz der Ausgangsleistung P_i ⁽ⁿ⁾ der Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitte als eine Funktion von n für verschiedene Ausgangswerte von P_i ⁽⁰⁾ für die Übertragungsfunktion von 5C abbildet;
6 eine Graphik des asymptotischen Verhaltens von P_i ⁽ⁿ⁾ als eine Funktion der Verstärkerverstärkung abbildet, die zeigt, dass die Leistung im Kanal bei Erhöhung der Verstärkung schwingt und dann chaotisch wird;
7A ein Beispiel von Phasenumtastung (phase shift keying = PSK) abbildet;
7B die resultierende Streuung im Kanalspektrum für eine Pseudo-Zufalls-Bitstruktur, die auf ein PSK-System angewandt wird, abbildet, wobei die Amplitude auf lineare Einheiten normalisiert wird;
8 P^cr, die kritische Leistung in Milliwatt über der angeregte Brillouin-Streuung bedeutsam wird, als eine Funktion der Übertragungsrate abbildet, wobei die Übertragungsrate in Megabits pro Sekunde auf einer logarithmischen Skala gezeigt ist;
9 eine graphische Darstellung der asymptotischen Werte von G_iP_i ⁽ⁿ⁾X/2 als eine Funktion der Verstärkung abbildet;
10 das Verstärkungsspektrum für 16 Wellenlängenmultiplexkanäle für eine Gesamteingangsleistung von 1,4 Milliwatt (Kurve a), 0,56 Milliwatt (Kurve b) und 0,22 Milliwatt (Kurve c) abbildet.
11A und 11B die Entwicklung der Leistung in den 16 WDM-Kanälen von 10 für eine Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker (11A) und für eine Kette von Standardverstärkern (11B) abbildet;
12A das Kanalleistungsspektrum für eine Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker nach 20 Segmenten abbildet;
12B das Kanalleistungsspektrum für eine Kette von Standardverstärkern nach 20 Segmenten abbildet;
13 die Leistungsentwicklung eines 16-Kanal-WDM-Systems abbildet, in dem 8 Kanäle nach dem vierzehnten und vor dem fünfzehnten nicht linearen Sagnac-Verstärker weggelassen werden;
14A eine Ausführungsform eines EDFA zur Verwendung in der Schleife eines nicht linearen Sagnac-Verstärkers abbildet, wobei der EDFA zwei parallel geschaltete Verstärker zum Verstärken von zwei Lichtbändern aufweist;
14B eine Ausführungsform eines EDFA zur Verwendung in der Schleife eines nicht linearen Sagnac-Verstärkers abbildet, wobei der EDFA zwei in Serie geschaltete Verstärker zum Verstärken von zwei Lichtbändern aufweist;
15 einen Aufbau abbildet, der zwei parallel geschaltete nicht lineare Sagnac-Verstärker aufweist, um eine Verstärkung über zwei unterschiedliche Lichtbänder bereitzustellen; und
16 eine alternative Ausführungsform zur Ausrührungsform von 4 abbildet, wobei ausgewählte der nicht linearen Sagnac-Verstärker in einer Kette durch Standardverstärker ersetzt worden sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
3 bildet eine Ausführungsform eines nicht linearen Sagnac-Verstärkers (NSA) 300 gemäß der vorliegenden Erfindung ab. Der NSA 300 weist ein Sagnac-Interferometer 310 auf, das gemäß der folgenden Beschreibung modifiziert worden ist, auf.
Der NSA 300 weist einen Eingangslichtleiter 312 (oder einen anderen geeigneten Wellenleiter) auf, der an einen ersten Anschluss (A) eines optischen Zirkulators 314 gekoppelt ist. Der optische Zirkulator 314 weist einen zweiten Anschluss (B) und einen dritten Anschluss (C) auf. Der optische Zirkulator 314 funktioniert in einer bekannten Weise, um zu bewirken, dass sich Licht, das einem Anschluss als Eingang bereitgestellt wird, in einer einzigen Richtung (zum Beispiel im Uhrzeigersinn in 3) zum nächsten Anschluss ausbreitet, wo im Wesentlichen das gesamte Licht aus dem Zirkulator ausgegeben wird. Insbesondere wird in 3 Licht, das am Anschluss A des Zirkulators 314 als Eingabe bereitgestellt wird, bei Anschluss B des Zirkulators 314 ausgegeben. Licht, das am Anschluss B des Zirkulators 314 als Eingabe bereitgestellt wird, wird bei Anschluss C des Zirkulators 314 ausgegeben. Am Anschluss C des Zirkulators 314 wird kein Licht als Eingabe bereitgestellt. Im Gegenuhrzeigersinn breitet sich im Zirkulator 314 kein Licht aus. Ein beispielhafter optischer Zirkulator 314 ist ein polarisationsunabhängiger Lichtwellenzirkulator, wie zum Beispiel ein Zirkulator Modell PIFC23A211000, erhältlich von E-Tek Dynamics, Inc., in San Jose, Kalifornien. (Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den optischen Zirkulator 314 umfasst, kann der Zirkulator 314 durch einen handelsüblichen 3-dB-Kuppler (nicht abgebildet) ersetzt werden, um eine weniger teure Komponente zum Eingeben von Signalen in den, und Zurückleiter von Signalen aus dem Sagnac-Interferometer 310 bereitzustellen; es versteht sich jedoch, dass ein solcher Kuppler Aufspaltungsverluste verursachen wird, wobei solche Verluste in manchen Anwendungen annehmbar sein können.)
Anschluss C des Zirkulators 314 ist mit einem Ausgangsleiter 320 verbunden, der einen Ausgangsanschluss 1 bereitstellt. Anschluss B des Zirkulators 314 ist über den Leiterabschnitt 322 mit einem ersten Anschluss 332 an der Eingabe/Ausgabe-Seite eines herkömmlichen 2×2-Optokopplers 330 verbunden. Der Koppler 330 weist an der Eingabe/Ausgabe-Seite des Kopplers 330 einen zweiten Anschluss 334 auf. Der Koppler 330 weist einen dritten Anschluss 336 und einen vierten Anschluss 338 an der Schleifenseite des Kopplers 330 auf. Der zweite Anschluss 334 des 2×2-Optokopplers 330 ist mit einem Ausgangsleiter 340 verbunden, der einen Ausgangsanschluss 2 bereitstellt.
Der dritte Anschluss 336 des Kopplers 330 ist an ein erstes Ende 352 einer Lichtwellenleiterschleife 354 gekoppelt. Die Länge der Lichtwellenleiterschleife 354 ist so gewählt, dass ein nicht linearer Effekt dritter Ordnung bereitgestellt wird, wie im Folgenden erörtert. Die Lichtwellenleiterschleife 354 weist ein zweites Ende 356 auf, das an einen ersten Anschluss 362 eines Lichtverstärkers (AMP) 360 gekoppelt ist. Der Lichtverstärker 360 weist einen zweiten Anschluss 364 auf, der über eine Länge 366 eines Lichtwellenleiters an den vierten Anschluss 338 des 2×2-Kopplers 330 gekoppelt ist. Der Lichtverstärker 360 ist ein zweiseitig gerichteter Verstärker, der Licht, das durch den ersten Anschluss 362 eintritt, verstärkt, und das verstärkte Licht als eine Ausgabe am zweiten Anschluss 364 bereitstellt. Entsprechend verstärkt der Lichtverstärker 360 Licht, das durch den zweiten Anschluss 364 eintritt, und stellt das verstärkte Licht als eine Ausgabe am ersten Anschluss 362 bereit.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist der Lichtverstärker 360 von 3 einen Verstärker mit Erbium-dotierten Leitern (EDFA) auf. Eine bevorzugte Ausführungsform des Lichtverstärkers 360, der als ein EDFA ausgeführt ist, ist in 3A abgebildet. Wie in 3A abgebildet, weist der Lichtverstärker 360 eine Länge eines Lichtwellenleiters 370 auf, die ein erstes Ende 372 und ein zweites Ende 374 aufweist. Der Leiter 370 ist mit Erbium dotiert. In alternativen Ausführungsformen kann der Leiter 370 mit einem anderen Seltenerdmetall dotiert sein.
Das zweite Ende 374 des Leiters 370 ist mit dem zweiten Anschluss 364 des Lichtverstärkers 360 verbunden. Das erste Ende 372 des Leiters 370 ist mit einem Wellenlängenmultiplexkoppler (WDM) 380 verbunden. Der WDM-Koppler 380 weist einen ersten Anschluss 381, einen zweiten Anschluss 382, einen dritten Anschluss 383 und einen vierten Anschluss 384 auf. Das erste Ende 372 des Lichtwellenleiters 370 ist mit dem ersten Anschluss 381 verbunden. Der dritte Anschluss 383 ist gegenüber dem ersten Anschluss 381 angeordnet, und der dritte Anschluss 383 ist mit dem ersten Anschluss 362 des Lichtverstärkers 360 verbunden.
Der vierte Anschluss 384 des WDM-Kopplers 380 ist ebenfalls gegenüber dem ersten Anschluss 381 angeordnet und ist mit einer Pumpquelle 386 verbunden. In der hierin beschriebenen Ausführungsform weist die Pumpquelle 386 vorteilhafterweise eine Lichtquelle auf, die bei einer Wellenlänge von ungefähr 980 Nanometern oder ungefähr 1.480 Nanometern arbeitet. In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist die Pumpquelle 386 eine Laserdiode oder ähnliches auf.
Der zweite Anschluss 382 des WDM-Kopplers 380 ist auf derselben Seite des WDM-Kopplers 380 angeordnet, wie der erste Anschluss 381. Der zweite Anschluss 382 kann vorteilhafterweise reflexfrei durch einen Abschluss 388 begrenzt sein.
Der WDM-Koppler 380 ist so gestaltet, dass sich Licht, das bei der Wellenlänge im Bereich von ungefähr 1.500 Nanometern bis ungefähr 1.650 Nanometern oder mehr in den Koppler eintritt, vom ersten Anschluss 381 zum dritten Anschluss 383, und vom dritten Anschluss 383 zum ersten Anschluss 381, ausbreitet. Sehr wenig Licht in diesem Wellenlängenbereich wird zum vierten Anschluss 384 oder zum zweiten Anschluss 382 weitergeleitet. Der WDM-Koppler ist des Weiteren so gestaltet, dass er Licht, das bei der Pumpwellenlänge (entweder ungefähr 980 Nanometer oder ungefähr 1.480 Nanometer) durch den vierten Anschluss 384 eintritt, zum ersten Anschluss 381 weiterleitet. Aufgrund der Gestaltung des WDM-Kopplers 380 wird wenig oder überhaupt kein Pumplicht zum zweiten Anschluss 382 weitergeleitet. Durch den reflexfreien Abschluss 388 wird kein solches Licht zum zweiten Anschluss 382 reflektiert.
Es ist ersichtlich, dass der WDM-Koppler 380 so funktioniert, dass er Pumplicht von der Pumpquelle 386 über den ersten Anschluss 381 zum Erbium-dotierten Leiter 370 weiterleitet. Im Gegensatz dazu wird Licht bei den Signalwellenlängen im Wesentlichen weder zum zweiten Anschluss 382 noch zum vierten Anschluss 384 weitergeleitet. Folglich bleibt im Wesentlichen das gesamte Licht bei den Signalwellenlängen in der interferometrischen Schleife.
Wie in 3 gezeigt, bilden der 2×2-Optokoppler 330 und die Leiterelemente, die den dritten Anschluss 336 und den vierten Anschluss 338 verbinden, das Sagnac-Interferometer 310, dessen Funktion im Folgenden beschrieben ist.
Ein Eingangssignal, das verstärkt werden soll, wird an den Eingangsleiter 312 angelegt. Das Eingangssignal weist Licht auf, das eine Mehrzahl von Wellenlängen λ_i (i = 1, 2, ... n) aufweist. In einer ersten bevorzugen Ausführung der vorliegenden Erfindung in Verbindungssystemen wird entweder die Phase oder die Frequenz der Signale moduliert. Beispiele solcher Systeme umfassen Phasenumtastung (PSK) und Frequenzumtastung (FSK). In einer zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung in Verbindungssystemen wird die Amplitude der Signale moduliert; eine solche Ausführung kann jedoch Einschränkungen aufgrund von Impulsverzerrung und Kanalnebensprechung unterliegen.
Das Eingangssignal breitet sich zu Anschluss A des Zirkulators 314 aus. Der Zirkulator 314 zirkuliert das Eingangssignal zu Anschluss B, und das Eingangssignal breitet sich über den Leiter 322 zum ersten Eingabe/Ausgabe-Anschluss 332 des 2×2-Optokopplers 330 aus. Der 2×2-Optokoppler 330 funktioniert auf herkömmliche Weise, um das Eingangslicht in zwei im Wesentlichen gleiche Abschnitte aufzuteilen, wobei ein erster Abschnitt zum dritten Anschluss 336, und ein zweiter Abschnitt zum vierten Anschluss 338 geleitet wird.
Der erste Abschnitt des Eingangssignals breitet sich vom dritten Anschluss 336 des 2×2-Optokopplers 330 im Uhrzeigersinn (CW) durch die Schleife 354 zum ersten Anschluss 362 des Lichtverstärkers 360 aus. Das Licht wird im Lichtverstärker 360 verstärkt, und der verstärkte erste Abschnitt breitet sich über die Länge des Wellenlichtleiters 366 vom zweiten Ende 364 des Lichtverstärkers 360 zum vierten Anschluss 338 des 2×2-Optokopplers 330 aus.
Der zweite Abschnitt des Eingangssignals breitet sich vom vierten Anschluss 338 des 2×2-Optokopplers 330 zum zweiten Ende 364 des Lichtverstärkers 360 aus, und wird darin verstärkt. Der verstärkte zweite Abschnitt breitet sich dann vom ersten Ende 362 des Lichtverstärkers 360 im Gegenuhrzeigersinn (CCW) durch die Schleife 354 zum dritten Anschluss 336 des 2×2-Optokopplers 330 aus.
Der verstärkte erste Lichtabschnitt, der durch den vierten Anschluss 338 des 2×2-Optokopplers 330 eintritt, und der verstärkte zweite Lichtabschnitt, der durch den dritten Anschluss 336 des 2×2-Optokopplers 330 eintritt, werden darin interferometrisch kombiniert. Abhängig vom Phasenverhältnis zwischen den beiden Signalabschnitten wird das kombinierte Signal entweder durch den ersten Anschluss 332, oder durch den zweiten Anschluss 334, oder durch beide Anschlusse des 2×2-Optokopplers 330 ausgegeben. Lichtausgabe vom zweiten Anschluss 334 breitet sich über den Ausgangsleiter 340 zum Ausgangsanschluss 2 aus. Lichtausgabe vom ersten Anschluss 332 breitet sich zum Anschluss B des Zirkulators 314 aus, wird zum Anschluss C des Zirkulators 314 weitergeleitet, und breitet sich über den Leiter 320 zum Ausgangsanschluss 1 aus. Die Leistung im Ausgangsanschluss 1 und die Leistung im Ausgangsanschluss 2 hängen somit vom Phasenverhältnis zwischen den sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Signalen ab.
Wie zuvor beschrieben, ist der Lichtverstärker 360 im Interferometer 310 asymmetrisch angeordnet, so dass der Lichtverstärker 360 optisch näher am vierten Anschluss 338 des 2×2-Optokopplers 330 als am dritten Anschluss 336 des 2×2-Optokopplers 330 angeordnet ist. Aufgrund der asymmetrischen Anordnung des Lichtverstärkers 360 wird Licht, das durch den vierten Anschluss 338 des 2×2-Optokopplers 330 in das Interferometer 310 eintritt, durch den Lichtverstärker 360 verstärkt, bevor es sich (im Gegenuhrzeigersinn) durch die Schleife 354 ausbreitet und durch den dritten Anschluss 336 austritt. Im Gegensatz dazu breitet sich Licht, das durch den dritten Anschluss 336 in das Interferometer 310 eintritt, (im Uhrzeigersinn) durch die Schleife 354 aus, bevor es durch den Lichtverstärker 360 verstärkt wird und durch den vierten Anschluss 338 austritt. Folglich gilt für die Anordnung, die in 3 gezeigt ist, dass Licht, das sich innerhalb der Schleife 354 im Gegenuhrzeigersinn ausbreitet, die Verstärkung des Lichtverstärkers 360 erfährt, bevor es sich in der Schleife ausbreitet, und dass Licht, dass sich innerhalb der Schleife 354 im Uhrzeigersinn ausbreitet, die Verstärkung des Lichtverstärkers 360 erfährt, nachdem es sich in der Schleife 354 ausgebreitet hat. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert ist, wird dieser Unterschied, wann die beiden sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden die Verstärkung des Lichtverstärkers 360 erfahren, vorteilhaft verwendet, um eine Verstärkungsglättung zu erzielen.
Wie im Folgenden erörtert ist, wird die gewünschte Filterleistung erzielt, indem die Kerr-induzierte Phasenverschiebung, die in der Sagnac-Schleife 354 erzeugt wird, benützt wird, um die Verstärkung in Übereinstimmung mit der Leistung bei jeder Wellenlänge des Lichtsignals, das an die Schleife 354 angelegt wird, zu verändern.
Die Kerr-induzierte Phasenverschiebung, dθ_i, eines Kanals i der Wellenlänge λ_i ergibt sich aus einer Nichtlinearität dritter Ordnung im Leiter, und in ihre Wirkung besteht darin, dass sie einen Strahl eine nicht lineare Phasenverschiebung vermittelt, die sich ergibt aus:
In Gleichung 1 ist die Leistung im Kanal i, P_other ist jegliche andere Leistung im Leiter, dl ist die Einwirkungslänge und A_eff ist die Wirkmodusfläche. (Ein Kriterium zum Festlegen der Leistung in Kanal i ist im Folgenden dargelegt.) Der Parameter n₂ ist der nicht lineare Koeffizient, und der Parameter k_i ist der k-Vektor für das Signal bei der Wellenlänge λ_i (das heißt, k_i = 2π/λ_i) _. Man beachte, dass die Kerr-induzierte Kreuzphasenmodulation (die Phasenmodulation aufgrund anderer Kanäle) um den Faktor zwei größer ist, als die Selbstphasenmodulation (das heißt, die Phasenmodulation aufgrund des Kanals selbst). Man nimmt an, dass das gesamte sich gemeinsam ausbreitende Licht innerhalb eines bestimmten Kanals die Selbstphasenmodulation auf diesem Kanal erzeugt, und dass das gesamte übrige Licht (einschließlich aller übrigen sich gemeinsam ausbreitenden Kanäle zusammen mit allen sich entgegengesetzt ausbreitenden Kanälen) die Kreuzphasenmodulation erzeugt.
Um den Effekt der Kerr-induzierten Phasenverschiebung zu berechnen, wird angenommen, dass N Kanäle in Anschluss 312 des NSA, der in 3 gezeigt ist, eingekoppelt werden. Die Länge der Schleife 354 ist L, die Verstärkung des Verstärkers bei λ_i ist G_i, und P_i ist die Eingangssignalleistung bei λ_i im Anschluss 312.
Unter Verwendung von Gleichung 1 kann die Kerr-induzierte Phasenverschiebung, die der i^te Kanal, der im Uhrzeigersinn wandert, aufspeichert, festgehalten werden als:
In Gleichung 2 ist der Faktor 2 im Nenner das Ergebnis der Teilung jeder Eingangssignalleistung in zwei Abschnitte durch den Koppler 330. Das erste Glied zwischen den Klammem ist die Selbstphasenmodulation. Das zweite Glied zwischen den Klammern ist die Kreuzphasemnodulation aufgrund anderer im Uhrzeigersinn wandernder Kanäle. Das dritte Glied zwischen den Klammem ist die Kreuzphasenmodulation aufgrund aller im Gegenuhrzeigersinn wandernden Kanäle. Man beachte, dass das dritte Glied den Faktor G_j aufweist, da jeder im Gegenuhrzeigersinn wandernde Kanal die Verstärkung G_j des Verstärkers 360 erfahren hat, bevor er durch die Sagnac-Schleife 354 wandert. Der Parameter L_eff ist die wirksame Schleifenlänge, und ist definiert durch L_eff = (1/α)[I – e^–αL], wobei α die Leiterdämpfung ist (wobei der Einfachheit halber angenommen wird, dass diese von der Wellenlänge abhängt).
Ebenso ist die Kerr-induzierte Phasenverschiebung, die der i^te Kanal, der im Gegenuhrzeigersinn wandert, aufspeichert, festgehalten als:
In Gleichung 3 wird den ersten beiden Gliedern die Verstärkung G_i angefügt, da die ersten beiden Glieder Signale darstellen, die sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreiten, welche die Verstärkung G_i erfahren, bevor sie sich durch die Schleife 354 ausbreiten. Folglich wird aus Gleichung 2 und Gleichung 3 der Kerr-induzierte Phasenunterschied für Kanal i angegeben als:
In Gleichung 4 hängt der numerische Wert des nicht linearen Koeffizienten n₂ von mehreren Parameter ab, insbesondere vom Leitermaterial und der Art und Konzentration der Dotierstoffe, die es enthalten kann. Für einen annähernd reinen Siliziumoxid-Leiterkern liegt der Wert von n₂ zum Beispiel typischerweise bei ungefähr 2,4 × 10^–16 cm²/W im Spektralbereich von 1,3–1,6 μm. In Leitern auf Siliziumoxid-Basis, die stark mit Germanium dotiert sind, kann dieser Wert um einen mehrfachen Faktor verbessert sein.
Gleichung 4 ist insbesondere anwendbar, wenn alle beteiligten Signale denselben Polarisationsstatus aufweisen. Weisen jedoch nicht alle beteiligten Signale denselben Polarisationsstatus auf, ist Gleichung 4 nach wie vor anwendbar, der zu verwendende Wert für n₂ hängt jedoch von der relativen Polarisation der sich gegenseitig beeinflussenden Signale ab. Besteht die Leiterschleife der vorliegenden Erfindung aus einem handelsüblichen Leiter niedriger Doppelbrechung, wird sich der Polarisationsstatus des Signals in Kanal i entlang der Leiterlänge entwickeln. Der erste Grund für diese Entwicklung ist der, dass sich die Ausrichtungen der Achse der Doppelbrechung des Leiters über die Leiterlänge verändern. Der zweite Grund ist der, dass sich die senkrecht aufeinander ausgerichteten langsamen und schnellen Polarisationskomponenten eines bestimmten Kanals i mit geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, und daher geringfügig unterschiedliche Phasenverschiebungen erfahren. Da jeder Kanal eine andere Wellenlänge aufweist, und möglicherweise auch einen geringfügig unterschiedlichen Eingangspolarisationsstatus, wird sich der Polarisationsstatus jedes Kanals des Weiteren gemäß seiner eigenen Verteilung entwickeln. Somit sind der Polarisationsstatus eines bestimmten Kanals i, der Polarisationsstatus aller anderen sich gemeinsam ausbreitenden Kanäle j ≠ i, und der Polarisationsstatus aller sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden Kanäle j, an jedem einzelnen Punkt entlang des Leiters im Allgemeinen unterschiedlich. Da die Indexänderung durch den Kerr-Effekt vom Polarisationsstatus dieser verschiedenen Signale abhängt, muss der Wert von n₂ in einer langen Leiterschleife (typischerweise länger als einige zig Meter) nochmals angepasst werden.
Die Abhängigkeit der Kerr-induzierten Indexänderung von der Polarisation ist ziemlich komplex (siehe, zum Beispiel, C. B. Clausen, et al.; „Polarization sensitivity of the nonlinear amplifying loop mirror," Optics Letters, Vol. 21, Nr. 19, Oktober 1996, Seiten 1535–1537). In einem Lichtwellenleiter, der lange genug ist, (wiederum typischerweise einige zig Meter oder mehr), wird der Polarisationsstatus jedes der N Signale alle möglichen Zustände durchlaufen, während sich die Leiterdoppelbrechungsachsen über alle möglichen räumlichen Ausrichtungen verändern. In diesem Fall kann die Kerr-induzierte Indexänderung berechnet werden, indem zuerst die relative Phase jedes Signals, und danach die räumliche Ausrichtung der Leiterdoppelbrechungsachsen auf einen Mittelwert gebracht werden, wie in der oben genannten Entgegenhaltung von Clausen, et al. beschrieben. Wendet man das Verfahren, das in der Entgegenhaltung von Clausen, et al. beschrieben ist, auf die Schleifenanordnung mit unausgeglichenen, sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden Signalleistungen, die kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist, an, kann gezeigt werden, dass Gleichung 4 nach wie vor anwendbar ist, vorausgesetzt man ersetzt n₂ durch einen kleineren wirksamen nicht linearen Koeffizienten n_2,eff.
In Anbetracht der beiden oben genannten Abhängigkeiten von n₂, nämlich der Abhängigkeit von der Signalpolarisation und der Abhängigkeit von der Leiterzusammensetzung verwendeten wir in den hierin vorgelegten numerischen Simulationen, sofern nicht anders angegeben, einen Wert von n_2,eff = 5,47 × 10^–20 cm²/W. Obwohl dieser Wert deutlich innerhalb des Bereichs angegebener wirksamer nicht linearer Koeffizienten liegt, ist es wichtig zu bedenken, dass er sich von Leiter zu Leiter, teilweise sogar wesentlich, verändert. Es ist jedoch ebenso wichtig, zu bedenken, dass der spezifische Wert von n_2eff, der in diesen Simulationen verwendet wird, weder für das Prinzip der vorliegenden Erfindung noch für dessen praktische Anwendbarkeit entscheidend ist. Die vorliegende Erfindung kann auch mit Leitern verwendet werden, die entweder deutlich kleinere, oder um ganze Größenordnungen größere wirksame Nichtlinearitäten aufweisen, vorausgesetzt, dass die Leiterlänge entsprechend angepasst wird. Die vorliegende Erfindung kann auch mit Lichtwellenleitern und/oder Vollmaterialien verwendet werden, die entweder deutlich kleinere, oder um ganze Größenordnungen größere wirksame Nichtlinearitäten dritter Ordnung aufweisen.
In Gleichung 4 ist der Kerr-induzierte Phasenunterschied ausschließlich eine Funktion der Leistung im Kanal i, was genau dem Schmalbandverhalten entspricht, das benötigt wird. Der Ausgang des Sagnac-Interferometers ist eine Funktion des Phasenunterschieds zwischen den sich gegenseitig beeinflussenden Signalen. Somit ist der Ausgang des Sagnac-Verstärkers 300 eine Funktion dieses Kerr-induzierten Phasenunterschieds sowie jeglicher anderen Phasenverzerrungen zwischen den beiden sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtsignalen. Wie oben erörtert, wird der Kerr-induzierte Phasenunterschied durch die Einwirkung des Sagnac-Interferometers 310 in eine wellenlängenabhängige Dämpfung umgewandelt.
Die Übertragungsfunktion des NSA 300, der die Eingangsleistung von Kanal i mit der Ausgangsleistung von Kanal i an einem bestimmten Anschluss in Beziehung bringt, ist gegeben durch:
In Gleichung 5 ist ϕ_bias die Verfälschungsphasenverschiebung des Sagnac-Interferometers 310 ohne den Kerr-Effekt, die von Natur aus 0 für Ausgangsanschluss 1 und π für Ausgangsanschluss 2 ist, wenn das Licht anfangs durch den Anschluss 312 eingegeben wird. Verwendet man den Kerr-induzierten Phasenunterschied, der oben berechnet worden ist (Gleichung 4), lautet die Übertragungsfunktion:
Aus Gleichung 6 ist ersichtlich, dass P_i ^out zu P_i in einer nicht linearen Beziehung steht.
Insbesondere, wenn die Phasenverzerrung ϕ_bias und/oder die Länge L_eff passend gewählt werden, ist die Wirkung des Kerr-induzierten Phasenunterschieds bei einem Anstieg des Verstärkungs-Leistungs-Produkts G_iP_i die, das Verstärkungs-Leistungs-Produkt in einem immer kleiner werdenden Verhältnis zu multiplizieren, so dass ein Ansteigen des Verstärkungs-Leistungs-Produkts keine entsprechenden Erhöhungen der Ausgangsleistung nach sich zieht. Des Weiteren hängt die Ausgangsleistung P_i ^out in Gleichung 6 von der Leistung P_i in Kanal i ab, nicht jedoch von den Leistungen P_j, die irgendeiner der anderen Kanäle j ≠ i trägt. Folglich beeinträchtigt die Leistung in den anderen Kanälen diesen Effekt, nämlich die Tatsache, dass ein Ansteigen des Verstärkungsprodukts nicht in einem entsprechenden Ansteigen der Ausgangsleistung resultiert, nicht. Mit anderen Worten, jeder Kanal wirkt auf sich selbst unabhängig von den anderen Kanälen. Folglich zeigt Gleichung 6, dass der nicht lineare Sagnac-Verstärker 300 eine leistungsabhängige Schmalbandübertragungsfunktion (Verstärkung) erzielt.
In 4 ist eine Mehrzahl nicht linearer Sagnac-Verstärker (NSAs) 300 in Übereinstimmung mit 3 miteinander verkoppelt, um eine Verstärkerkette 400 zu bilden, welche eine Verstärkungsglättung erzielt. Die beispielhafte NSA-Kette 400 von 4 wird gebildet, indem ein Eingangssignal, das verstärkt werden soll, zuerst an einen ersten Leiterabschnitt 410(1) und dann an den Eingangsleiter 312(1) eines ersten NSA 300(1) angelegt wird. Der Ausgangsanschluss 1 (Leiter 320(1)) des ersten NSA 300(1) ist über einen zweiten Leiterabschnitt 410(2) mit dem Eingangsleiter 312(2) eines zweiten NSA 300(2) verbunden. Der Ausgangsleiter 320(2) des zweiten NSA 300(2) ist über einen dritten Leiterabschnitt 410(3) mit dem Eingangsleiter 312(3) eines dritten NSA 300(3) verbunden, und so weiter, bis eine gewünschte Anzahl von NSAs 300 miteinander verbunden sind. Es ist zu beachten, dass die Leiterabschnitte 410(i) Leiterlängen von zum Beispiel zig Kilometer (zum Beispiel 70 Kilometer) von Leitern zwischen Verstärkern in einem Weitbereichsverbindungssystem darstellen. Die Leiterabschnitte können auch Verluste, wie zum Beispiel Aufspaltungsverluste oder ähnliches, oder eine Kombination von Komponentenverlusten und Leiterverlusten bedeuten.
In 4 können die Verstärker innerhalb jedes NSA 300 durch eine gemeinsame Pumpquelle gepumpt werden, falls die NSAs 300(i) nahe beieinander angeordnet sind, oder die Verstärker können mit einzelnen Pumpquellen gepumpt werden.
In der folgenden Erörterung ist L_eff die wirksame Länge der Sagnac-Schleife 354 in jedem NSA 300(i) von 4. Zum Zweck der folgenden Erörterung wird angenommen, dass ein Gesamtverlust vom Ausgang eines NSA 300(n) zum Eingang des nächsten NSA 300(n + 1) (einschließlich Leiterdämpfung und Zirkulatorzwischenschaltungsverlust) für jeden NSA 300 ungefähr gleich ist und einen Wert von X aufweist. Für die folgende Erörterung weist X zum Beispiel einen Wert von 0,01 (–20 dB) auf. Wie in 4 gezeigt, ist P_i ⁽ⁿ⁾ als die Leistung von Kanal i am Ausgang des Dämpfungs-Verstärkungs-Abschnitts n der NSA-Kette 400 definiert. Die folgenden Werte werden ebenfalls in der folgenden Erörterung verwendet:
n_2eff = 5,47 × 10^–20 m²/W; A_eff = 12 μm²; α = –0,4 dB/km;
λ = 1,55 μm; ϕ_bias = 0; und L_eff = 10 km.
Man beachte, dass für die folgende Erörterung angenommen wird, dass L_eff und die Verstärkungen für jeden NSA(i) in 4 dieselben sind. Es versteht sich, dass die Werte nicht dieselben sein müssen, damit die vorliegende Erfindung funktioniert.
Die Übertragungsfunktion zwischen P_i ⁽ⁿ⁾ und P_i ^{(n + 1)} (die Leistung am Ausgang der (n + 1)-ten Stufe der NSA-Kette 400) ist gegeben durch:
In Gleichung 7 basiert die Übertragungsfunktion eines einzelnen NSA auf der Gleichung 6 und umfasst des Weiteren den Effekt des Verlustes X. Um die Arbeitsweise der NSA-Kette zu bewerten, ist die Entwicklung der NSA-Ausgangsleistungen P_i ⁽ⁿ⁾ bei zunehmendem Wert n in 5A–5D graphisch dargestellt, wie im Folgenden erörtert.
Die aufeinander folgenden Werte von P_i ⁽ⁿ⁾ können ermittelt werden, indem die Übertragungsfunktion (Gleichung 7) fortwährend auf die Anfangsleistung, P_i ⁽⁰⁾, angewandt wird, das heißt: Pi (1) = TF(Pi (0)) Pi (2) = TF(Pi (1)) = TF(TF(Pi (0)) ... Pi (n) = TF(n)(Pi (0)). (8)
In Gleichung 8 bezeichnet TF⁽ⁿ⁾ die n-malige Anwendung der Funktion TF. Ein Verständnis des Konzepts, wie sich P_i ⁽ⁿ⁾ entwickelt, erhält man, indem man diesen sich wiederholenden Vorgang graphisch ausführt. (Siehe, zum Beispiel, M. J. Feigenbaum, „Quantitative universality for a class of nonlinear transformations," Journal of Statistical Physics, Vol. 19, Nr. 1, Seiten 25–52, 1978.) Zu diesem Zweck werden in 5A zwei Kurven graphisch dargestellt. Die erste Kurve (gekrümmte Linie) stellt die Funktion P_i ^{(n + 1)} = TF(P_i ⁽ⁿ⁾), also Gleichung 7, dar. Die zweite Kurve (gerade Linie) stellt die Funktion P_i ^{(n + 1)} = (P_i ⁽ⁿ⁾, also eine Linie einheitlicher Neigung, die durch den Nullpunkt verläuft, dar.
Das Vorerwähnte ist in 5A für eine Verstärkung G, von 26 dB veranschaulicht. Es wird eine Anfangsleistung, P_i ⁽⁰⁾, gewählt (in diesem Fall 3 Milliwatt). Dann wird eine vertikale Linie von x = P_i ⁽⁰⁾ bis y = P_i ⁽¹⁾ = TF(P_i ⁽⁰⁾)) auf der Übertragungsfunktion (Punkt A) gezogen. Um P_i ⁽²⁾ zu finden, wird dann eine horizontale Linie von Punkt A auf der Übertragungsfunktion zur Linie P_i ⁽ⁿ⁺¹⁾ = P_i ⁽ⁿ⁾ (Punkt B) gezogen. Dann wird eine vertikale Linie von Punkt B zur Übertragungsfunktion (Punkt C) gezogen. Dieser Wert ist P_i ⁽³⁾. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, um jedes P_i ⁽ⁿ⁾ zu finden, wie es für die Punkte D, E, F, G und H in 5A abgebildet ist. Für die Übertragungsfunktion, die in 5A graphisch dargestellt ist, konvergiert P_i ⁽ⁿ⁾ zu einem asymptotischen Wert von ungefähr 5 Milliwatt (dem Schnittpunkt der Übertragungsfunktion und der Linie y = x bei Punkt H). Für einen großen Bereich von P_i ⁽⁰⁾ ist der asymptotische Wert von P_i ⁽ⁿ⁾ somit unabhängig vom Anfangswert. Dies ist in 5B gezeigt, welche den Wert von P_i ⁽ⁿ⁾ als eine Funktion von n für fünf verschiedene Anfangswerte von P_i ⁽⁰⁾ graphisch darstellt. Man beachte, dass alle Werte von P_i ⁽ⁿ⁾ zum selben asymptotischen Wert von ungefähr 5 Milliwatt konvergieren.
Die Konvergenz von P_i ⁽ⁿ⁾ auf einen einzigen bleibenden Wert ist nicht das einzige mögliche Verhalten. Wenn die Verstärkung gesteigert wird, steigt die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion an, und die Größe der Neigung der Übertragungsfunktion kann an dem Punkt, an dem die Übertragungsfunktion die Linie P_i ⁽ⁿ⁺¹⁾ = P_i ⁽ⁿ⁾ schneidet, größer werden als 1. Wenn die Größe der Neigung der Übertragungsfunktion am Schnittpunkt der beiden Funktionen größer als 1 ist, das heißt, wenn die Neigung der Übertragungsfunktion entweder größer als +1 oder kleiner als –1 ist, ist das asymptotische Verhalten nicht länger eindeutig, sondern schwingend. Dies ist in 5C abgebildet, in der die Übertragungsfunktion mit demselben Parametersatz wie in 5A graphisch dargestellt ist, außer, dass die Verstärkung, G_i, von 26 dB auf 28 dB erhöht worden ist. Anstatt zu konvergieren, schwingt die Leistung, P_i ⁽ⁿ⁾, in 5C zwischen einem oberen Wert (ungefähr 5 Milliwatt) und einem unteren Wert (ungefähr 3,5 Milliwatt). Die Schwingung ist in 5D noch deutlicher zu erkennen, welche die Entwicklung von P_i ⁽ⁿ⁾ beim zunehmendem Wert n graphisch darstellt. Man beachte, dass P_i ⁽ⁿ⁾ in den Beispielen von 5C und 5D ein periodisches Verhalten zeigt, das in 5D eine Periode von 2 aufweist.
Da die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion TF bei einer weiteren Erhöhung der Verstärkung G_i weiter zunimmt, verdoppelt sich die Periode, die in 5D gezeigt ist, auf 4, dann auf 8, dann auf 16, usw. Bei noch weiterer Erhöhung der Verstärkung wird das asymptotische Verhalten chaotisch. Das Vorerwähnte ist in 6 dargestellt, die den asymptotischen Wert (oder Satz von Werten) von P_i ⁽ⁿ⁾ als eine Funktion der Verstärkung graphisch darstellt. Ist die Verstärkung niedriger als der Verlust im Leiterabschnitt 410 und dem Schleifenleiter 354, konvergiert die Leistung P_i ⁽ⁿ⁾ auf Null, wie erwartet. Sobald die Verstärkung größer wird, als der Verlust, konvergiert P_i ⁽ⁿ⁾ auf einen Nichtnullwert. Wenn die Verstärkung einen Wert von ungefähr 27,6 dB erreicht, wird das asymptotische Verhalten von P_i ⁽ⁿ⁾ periodisch. P_i ⁽ⁿ⁾ schwingt zwischen zwei Werten. Der Unterschied zwischen den beiden Werten wird größer, wenn die Verstärkung zunimmt. Wie in 6 abgebildet, beginnt P_i ⁽ⁿ⁾ bei einer Verstärkung von ungefähr 28,46 dB zwischen vier Werten zu schwingen. Bei einer Verstärkung von ungefähr 28,63 dB beginnt P_i ⁽ⁿ⁾ zwischen acht Werten zu schwingen. Für einen sehr schmalen Bereich von Verstärkungen schwingt P_i ⁽ⁿ⁾ zwischen 16 Werten, dann 32 Werten (nicht abgebildet) und dann 64 Werten (nicht abgebildet). Für noch etwas höhere Verstärkungen wird das asymptotische Verhalten von P_i ⁽ⁿ⁾ chaotisch, wie durch die punktierten und weißen Bänder in 6 dargestellt ist, so dass kein periodischer Charakter des Verhaltens mehr festgestellt werden kann. Die unregelmäßigen weißen Bänder werden durch schmale Verstärkungsbereiche verursacht, in denen das asymptotische Verhalten wieder ein periodisches Verhalten aufnimmt. Die vorliegende Erfindung arbeitet mit einem Bereich von Verstärkungen, die geringer sind, als die Verstärkung, bei der das chaotische Verhalten beginnt, und es ist nicht notwendig, das in 6 gezeigte chaotische Verhalten weiter zu erörtern. Des Weiteren arbeitet die Erfindung vorzugsweise bei Verstärkungen, die geringer sind, als die Verstärkungen, bei denen das periodische Verhalten beginnt.
Es ist ersichtlich, dass eine NSA-Kette dazu neigt, durch die selbstregulierende Übertragung, die sich aus der Kerr-induzierten Phasenverschiebung ergibt, die Leistung eines Kanals auf einen bleibenden Wert zu zwingen. Werden zum Beispiel zwei Kanäle, welche die Wellenlängen λ₁ und λ₂ sowie entsprechende Verstärkungen von 25 beziehungsweise 27 dB aufweisen, in einem EDFA an den Eingang einer linearen Kette von EDFAs angelegt, wie in 1A abgebildet, erdrückt der Kanal bei λ₂ schließlich den Kanal bei λ₁, und P₁ ⁽ⁿ⁾ (die Leistung im Kanal bei λ₁) konvergiert auf 0. Für die NSA-Kette 400 zeigt 6A, dass P₁ ⁽ⁿ⁾ auf ungefähr 5,0 Milliwatt konvergiert, und P₂ ⁽ⁿ⁾ auf ungefähr 5,2 Milliwatt konvergiert. Diese Werte liegen ausreichend nahe beieinander um sicherzustellen, dass beide Kanäle mit angemessener Leistung beim Empfänger ankommen. Die Selbstregulierung der NSA-Kette 400 verhindert, dass einzelne Kanäle vorherrschen, und ermöglicht dadurch einer größeren Anzahl von Kanälen, mit angemessener feststellbarer Leistung am Empfänger anzukommen. In Simulationen ist beobachtet worden, dass sich die Konvergenz der Leistung zu ihren bleibenden Wert verlangsamt, sobald sich die Verstärkung dem Bereich nähert, in dem periodisches und chaotisches Verhalten eintritt. Wie in den 5B und 5D gezeigt, tritt die Konvergenz bei geringeren Verstärkungen nach nur wenigen Wiederholungen ein.
Die obige Beschreibung legt dar, wie sich die NSA-Kette 400 verhält. Die folgende Erörterung beschreibt die Simulation der NSA-Kette 400 zum Ermitteln optimaler Anordnungen. Um verschiedene Anordnungen zu bewerten, wird zunächst das relativ komplizierte Verhalten der NSA-Kette 400 auf einen einzigen Wert als Parameter für die Übertragungsgüte reduziert. Im Speziellen ist der Wert der Übertragungsgüte zum Zweck der folgenden Erörterung als eine zulässige Verstärkungsvariabilität, ΔG, definiert. Der zulässige Verstärkungsvariabilitätsparameter beschreibt einen Bereich, in dem die Verstärkung variieren kann, wobei sie P_i ⁽ⁿ⁾ nach wie vor zwingt, zu einem annehmbaren asymptotischen Verhalten zu konvergieren.
Um zu definieren, was ein annehmbares Verhalten ist, wird die folgende Einschränkung für P_i ⁽ⁿ⁾ aufgestellt:
Die Einschränkung in Gleichung 9 legt eine Obergrenze für die Leistungsmenge, die aus dem Lichtverstärker 360 im Sagnac-Schleifenleiter 356 im Gegenuhrzeigersinn austritt, fest. Der Faktor zwei in Gleichung 10 ergibt sich aus dem 50-Prozent-Koppler 330, der das Licht in Strahlen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn spaltet. Die obere Leistungsgrenze ergibt sich aus verschiedenen unerwünschten nicht linearen Vorgängen im Schleifenleiter, wie zum Beispiel Brillouin-Streuung oder Vierwellenmischen (FWM). Die Obergrenze kann auch durch Beschränkungen des EDFA-Leistungsausgangs festgesetzt werden.
Um P_max zu wählen, wird angenommen, dass die Brillouin-Streuung der einschränkende nicht lineare Vorgang ist. Die kritische Leistung P^cr, über der die Brillouin-Streuung bedeutsam wird, wird bei G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, San Diego, 1995, angegeben als:
In der Annäherung von Gleichung 10 ist der Parameter g_B der Brillouin-Verstärkungskoeffizient, der eine Funktion der Linienbreite jedes Kanals ist.
Für die folgende Analyse wird angenommen, das jeder Kanal Phasenumtastung (PSK) einsetzt, bei der 0 und 1 auf einem Laser-Dauerstrich (continuous wave = cw) kodiert sind, indem eine 0- beziehungsweise eine π-Phasenverschiebung angelegt wird, wie in 7A abgebildet. In 7A weist jedes Bit eine Dauer T auf. Diese Phasenmodulation verbreitert die Linienbreite des Kanals. (Siehe zum Beispiel Y. Aoki, et al., „Input power limits of single-mode optical fibers due to stimulated Brillouin scattering in optical communication systems," Journal of Lightwave Technology, Vol, 6, Nr. 5, Seiten 710–719, 1988.) In 7B ist das sich ergebende Frequenzspektrum eines PSK-Kanals mit einer Übertragungsgeschwindigkeit B = 1/T für eine Pseudo-Zufalls-Bitstruktur gezeigt. Die Gesamtbreite beim halben Maximum (FWHM) der Linienbreite des PSK-Signals ist ungefähr gleich B.
Die erhöhte Linienbreite, die in 7B gezeigt ist, resultiert in einem erhöhten P^cr, wie folgt:
In der Annäherung von Gleichung 11 ist Δν_B die Eigen-Brillouinverstärkungszeilenbreite, die in Abhängigkeit von der Leiterdotierung zwischen 10 und 100 MHz beträgt. Der Wert des Brillouinverstärkungsparameters, g_B, für einen Siliziumdioxidleiter beträgt 4,6 × 10^–11 Meter/Watt. Mit diesen Parametern und mit A_eff = 9,0 μm² und L_eff = 10 Kilometer wird die kritische Leistung, P^cr, für Brillouin-Streuung in 8 als eine Funktion der Kanalübertragungsrate graphisch dargestellt. Wie in 8 gezeigt, liegt P^cr für einen unmodulierten Kanal deutlich unter einem Milliwatt. Für einen Kanal mit 2,5 Gigabit pro Sekunde beträgt P^cr jedoch mehr als 10 Milliwatt. Obwohl der Wert von P^cr für den Fall von PSK berechnet worden ist, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch mit anderen Arten von Signalmodulation kompatibel ist, wie oben erörtert. Das Beispiel PSK wird nur verwendet, um einen spezifischen Wert für P^cr bereitzustellen.
Wie im Folgenden ausführlicher erörtert, vergleicht das Verfahren zur Bewertung verschiedener Anordnungen von NSA-Ketten die sich ergebende zulässige Verstärkungsvariabilität ΔG. Um ΔG zu ermitteln, werden die asymptotischen Werte von G_iP_i ⁽ⁿ⁾X/2 als eine Funktion der Verstärkung in 9 graphisch dargestellt. Aus den graphischen Darstellungen werden die Verstärkungsbereiche ermittelt, für die Gleichung 9 erfüllt ist. In 9 wird der nicht lineare Koeffizient n₂ verändert, während die übrigen Parameter konstant gehalten werden. Man beachte, dass höhere Werte von n² bewirken, dass der asymptotische Wert von G_iP_i ⁽ⁿ⁾X/2 niedriger wird, wodurch ein größerer Wert für ΔG ermöglicht wird. Wird P_max auf 10 Milliwatt gesetzt, wie durch die horizontale Linie in 9 gezeigt, erzeugt der Wert n₂ = 5,47 × 10^–20 m²/W (ein Wert, der derzeit mit im Handel erhältlichen Leitern erreicht wird) ein ΔG von 1,65 dB. Eine mäßige Verringerung von n₂ um einen Faktor von 2 verringert ΔG auf 0,4 dB. Entsprechend erhöht eine Erhöhung von n₂ um einen Faktor von 2 ΔG auf 3,6 dB (falls die vorliegende Erfindung nicht im schwingenden Bereich von mehr als ungefähr 27,6 dB ausgeführt wird).
Graphische Darstellungen der asymptotischen Werte von G_iP_i ⁽ⁿ⁾X/2 gegen die Verstärkung können als eine Funktion anderer Parameter, wie zum Beispiel L oder ϕ_bias erzeugt werden, um die NSA-Kette weiter zu analysieren und zu optimieren.
10 bildet die Verstärkungsspektren für 16 Wellenlängenmultiplexkanäle für eine Gesamteingangsleistung von 1,4 Milliwatt (Kurve a), 0,56 Milliwatt (Kurve b) und 0,22 Milliwatt (Kurve c) ab. Die Gesamteingangsleistung wird gleichmäßig auf die 16 Wellenlängen verteilt und wird von beiden Seiten auf den EDFA angelegt, wie es der Fall wäre, wenn der EDFA in die Sagnac-Schleife eingesetzt wäre. Die Parameter der NSA-Kette sind dieselben, wie die oben angegebenen.
Um das Verhalten einer Kette von NSAs zu simulieren, wird zuerst die Verstärkung berechnet, die jedes der N Eingangssignale, die durch jeden einzelnen Verstärker in jedem NSA der Kette wandern, erfährt. Da die Verstärkung in einem Lichtverstärker durch Verstärkungssättigung im Allgemeinen auf komplexe Art und Weise von den Eingangssignalleistungen abhängt, und da das Eingangssignalleistungsspektrum für jeden Verstärker unterschiedlich ist, sollte die Verstärkung, die jedes der N Eingangssignale bei jedem Verstärker in der Kette erfährt, berechnet werden, um absolut exakt zu sein. Obwohl alle Verstärkungen unter Verwendung bestehender EDFA-Simulationsprogramme berechnet werden können, sind die Berechnungen ziemlich zeitaufwändig. Anstatt alle Verstärkungen auf diese Weise zu berechnen, wird die Annäherung, die in D. M. Baney, et al., „WDM EDFA gain characteristics with a reduced set of saturating channels", IEEE Photonics Technologe Letters, Vol. 8, Nr. 12, 1996, Seiten 1615–1617, verwendet. Die Entgegenhaltung von Baney, et al., lehrt, dass das Verstärkungsspektrum eines Verstärkers exakt berechnet werden kann, indem N Eingangssignale in den Verstärker durch ein einziges Eingangssignal (bezeichnet als Sättigungston) mit passend gewählter Wellenlänge und Leistung ersetzt werden. Im Besonderen ist laut der Entgegenhaltung von Baney, et al., das Verstärkungsspektrum eines Verstärkers, der mit N Eingangssignalen mit unterschiedlichen Leistungen P_i arbeitet, fast völlig gleich dem Verstärkungsspektrum desselben EDFA (das heißt, eines EDFA, der unter denselben Bedingungen gepumpt wird), der durch einen Sättigungston mit der Wellenlänge λ_S und der Leistung P_S gesättigt ist, wobei Letztere angegeben ist mit:
In Gleichung 12 ist G_i die (gesattigte) Verstärkung bei der Wellenlänge λ_i G_S ist die (gesättigte Verstärkung bei der Wellenlänge λ_i, und G_i und G_S sind lineare Verstärkungen (im Gegensatz zu Verstärkungen, die in dB ausgedrückt sind). Ist eine inhomogene Verbreiterung im EDFA vernachlässigbar, wie hier angenommen ist, kann die Sättigungstonwellenlänge λ_S aus einem breiten Wellenlängenbereich ausgewählt sein, ohne die Exaktheit des Verfahrens zu beeinträchtigen. Nach diesem Verfahren ist offensichtlich, dass das Verstärkungsspektrum des EDFA nur für einen Bereich von Sättigungstonleistungen berechnet werden muss (anstatt für jede beliebige Kombination von N Signalleistungen berechnet werden zu müssen).
In der Praxis wird Gleichung 12 nicht direkt verwendet, da die Sättigungsverstärkungen G_i und G_S anfangs unbekannt sind. Stattdessen werden zunächst mit einem EDFA-Simulationsprogramm die ungesättigten Verstärkerverstärkungen G_i und G_S berechnet, wobei ein einziges Sättigungssignal bei der Wellenlänge λ_S mit der Leistung
angenommen wird. In einem zweiten Schritt werden die ungesättigten Verstärkungswerte in Gleichung 12 eingesetzt, um einen ungefähren Wert für P_S zu berechnen. Dieser ungefähre Wert für P_S wird dann im EDFA-Simulationsprogramm verwendet, um einen zweiten Satz (gesättigter) Verstärkungen G_i und G_S zu berechnen. Der Vorgang wird wiederholt, bis die Verstärkungen zu einen stabilen Wert konvergieren. In der Praxis wird die Konvergierung der Verstärkungen im zweiten Schritt erlangt.
In der folgenden Erörterung ist die übliche Situation eines EDFA mit vernachlässigbarer inhomogener Erweiterung simuliert. Diese Simulation ermöglicht die Auswahl (wiederum ohne Exaktheit einzubüßen) einer willkürlich gewählten Sättigungstonwellenlänge λ_S von 1.551 Nanometern. Um den EDFA in der Sagnac-Schleife zu simulieren, in der jedes Signal der Wellenlänge λ_i in zwei Richtungen wandert, wird das Sättigungssignal mit den passenden jeweiligen Leistungen an beide Eingangsanschlüsse des EDFA angelegt.
Der EDFA, der in 10 simuliert ist, ist ein 7-Meter-Abschnitt eines Erbium–dotierten Leiters, der zweiseitig gerichtet mit Licht von 110 Milliwatt und 1,480 Nanometern gepumpt wird (Gesamtpumpleistung 220 Milliwatt). Der EDFA zeigt Verstärkungsspektren, wie in 10 abgebildet. Im Bereich von 1.544 Nanometern bis 1.559 Nanometern, in dem sich die 16 WDM-Signale befinden (Kanalabstand: 1 Nanometer), lag die typische Verstärkungsänderung im Bereich von 1–2 dB, abhängig von der Eingangssignalleistung.
11A und 11B zeigen die Entwicklung der Leistung in allen 16 Kanälen als eine Funktion der Verstärkeranzahl für eine NSA-Kette (11A) und für eine Standardverstärkerkette (11B). In der Standardverstärkerkette wurde der Verlust zwischen den Abschnitten (X) von 20 dB auf 24 dB erhöht, um den Verlust von 4 dB des nicht linearen Leiters auszugleichen, der im Simulator auf Null gesetzt ist. Der EDFA ist identisch mit dem, der in der NSA-Kette verwendet ist. Wie abgebildet, zwingt die NSA-Kette alle Leistungen auf einen asymptotischen Wert, so dass alle Kanäle eine Leistung von zwischen 3,7 Milliwatt und 5,2 Milliwatt beibehalten. Die Konvergenz erfolgt nach den ersten paar NSAs. In der Standardverstärkerkette beherrschen die Kanäle mit den höchsten Verstärkungen rasch die übrigen Kanäle. Die stabilisierende Wirkung des NSA ist somit beim Vergleich von 11A und 11B klar ersichtlich.
Das Kanalleistungsspektrum ist in 12A und 12B für die NSA-Kette beziehungsweise die Standardkette, jeweils nach Segment 20, abgebildet. In der NSA-Kette sind alle Kanalleistungen nach Segment 20 ungefähr gleich (siehe 12A). Im Gegensatz dazu besteht nach Segment 20 der Standardkette ein großer Unterschied zwischen den Leistungen bei etwa 1.557 Nanometern und den Leistungen bei etwa 1.544 Nanometern (siehe 12B). An der Ausgangsseite der NSA-Kette (siehe 12A) sind alle 16 Ausgangssignale nutzbar (das heißt, sie tragen ausreichend Leistung, um mit einem hohen Signal-Rauschverhältnis erfasst zu werden). Im Gegensatz dazu sind an der Ausgangsseite der Standardverstärkerkette (siehe 12B) nur ungefähr 6 der 16 Ausgangssignale nutzbar. Alle anderen Signale tragen eine zu geringe Leistung und sind nicht mit ausreichend hohem Signal-Rauschverhältnis zu erfassen, um nutzbar zu sein. Dieser Vergleich veranschaulicht, dass die vorliegende Erfindung über eine große Bandbreite nach einer großen Anzahl von Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitten Ausgangssignale mit ungefähr gleichen Ausgangsleistungen erzeugen.
Die obige Erörterung veranschaulicht die Ergebnisse spezifischer Simulationen, welche die Verstärkungsglättung, die durch die NSA-Kette 400 erzielt wird, angeben, und stellt überdies ein Verfahren zur Bewertung der Arbeitsweise der NSA-Kette 400, nämlich durch Verwendung des Parameters ΔG zur Auffindung der maximal zulässigen Verstärkungsvariabilität, dar.
Fachleute werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung eine wahre (das heißt, ohne externe Rückmeldung) automatische Verstärkungssteuerung (automatic gain control = AGC) erzielt. Sie erzielt eine automatische Verstärkungssteuerung in dem Sinne, dass sie automatisch die Leistungen einer großen Anzahl von Signalen am Ausgang einer Kette von Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitten innerhalb eines kleinen Bereichs von Leistungswerten aufrechterhält, indem sie unvorhersehbare Änderungen der Eingangssignalleistungen, der Pumpleistungen und der Anzahl von Signalen intern korrigiert. Im Gegensatz dazu bietet die überwiegende Mehrheit optischer Verstärkungsglättungssysteme, die bisher entwickelt worden sind, keine wahre automatische Verstärkungssteuerung. Stattdessen sind die anderen Systeme auf zusätzliche externe Rückmeldungssysteme (welche die Komplexität und die Kosten des Systems erhöhen) angewiesen, um Veränderungen dieser Parameter zu korrigieren.
Wie oben erörtert, war die Kerr-induzierte Phasenmodulation eines zweiten Strahls (Kreuzphasenmodulation) doppelt so groß, wie jene durch Selbstphasenmodulation, ein Merkmal, das der NSA-Kette 400 ermöglicht, die Verstärkung zu glätten. Die Bedingungen für Selbstphasenmodulation und Kreuzphasenmodulation in Zusammenhang mit faseroptischen Kreiseln werden in B. Crosignani, „Kerr effect and chromatic dispersion in fiber-optic gyroscopes," Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-3, Nr. 4, Seiten 914–918, 1985, behandelt, worin gezeigt ist, dass Selbstphasenmodulation und Kreuzphasenmodulation mit der Streuung in der Faser zusammenhängen. Die Informationen aus dem Crosignani-Beitrag sind in der Folge verwendet, um die Bedingungen für Selbstphasenmodulation und Kreuzphasenmodulation zu definieren.
Zunächst wird eine charakteristische Bandbreite, Δν', definiert mit:
In Gleichung 13 ist L_eff die wirksame Leiterlänge, wie oben definiert, und A die Leitergruppengeschwindigkeitsstreuung (das heißt, 1/A = d²β/dω², wobei β die Ausbreitungskonstante und ω die Frequenz ist). Die Kerr-induzierte Phasenverschiebung einer Frequenzkomponente mit ν₁ auf einer anderen Frequenzkomponente mit ν₂ kann als Selbstphasenmodulation angesehen werden, falls *ν₁ – ν₂* << ν' ist. Entsprechend erfolgt eine Kreuzphasenmodulation, wenn *ν₁ – ν₂* >> ν' ist. Gleichung 13 ermöglicht die Berechnung des Wertes von Δν' für eine bestimmte Sagnac-Schleife.
Die obigen Ergebnisse erlegen der Kanalbandbreite (das heißt, der Übertragungsgeschwindigkeit) und der Kanaltrennung des nicht linearen Sagnac-Verstärkers Einschränkungen auf. Das gesamte Licht innerhalb jedes Kanals muss alle übrigen sich gemeinsam in selben Kanal ausbreitenden Signale selbstmodulieren. Daher sollte die Bandbreite jedes Kanals, B, die folgende Beziehung erfüllen: B << Δν' (14)
In Gleichung 14 ist B die Übertragungsgeschwindigkeit 1/T für Direkt-PSK, wobei T die Bitdauer ist. Somit besteht ein Verhältnis zwischen der maximalen Übertragungsgeschwindigkeit jedes Kanals und den Parametern des nicht linearen Sagnac-Verstärkers.
Des Weiteren muss das gesamte Licht innerhalb eines Kanals das gesamte Licht in anderen Kanäle kreuzphasenmodulieren. Dies bedeutet, dass der Kanalabstand, Δν_Kanal, die folgende Beziehung erfüllen sollte: ΔνKanal >> Δν' (15)und somit der Kanalabstand einen Mindestwert aufweist, der eine Funktion der Schleifenparameter ist.
Da die Länge, L_eff, der Schleife gewählt wird, um die Leistung der Verstärkungsglättung zu optimieren, wie oben erörtert, wird Δν' vorzugsweise auf einen optimalen Wert gesetzt, indem die Gruppengeschwindigkeitsstreuung, A, des Schleifenleiters abgeändert wird (siehe Gleichung 13). Ein typischer Wert für Δν' kann berechnet werden, indem L_eff = 5 Kilometer und A^–1 = 3,28 × 10^–28 s²/Meter (geeignet für einen streuungsverschobenen Leiter nahe der Nullstreuungswellenlänge) angenommen wird. Die beiden Werte ergeben einen Wert von 124 GHz für Δν'. Dieser Wert kann problemlos durch den Parameter A verändert werden.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass der nicht lineare Sagnac-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung ungeachtet bedeutsamer Unterschiede der Leistung der Eingangslichtsignale bei verschiedenen Wellenlängen ein Ausgangssignalspektrum erzeugt, das flach ist. Im Gegensatz zu bekannten Verstärkungsglättungssystemen verbessert sich die Flachheit des Ausgangssignalspektrums des Weiteren im Allgemeinen mit einer wachsenden Anzahl von Verstärkungs-Dämpfungs-Elementen. Die Flachheit des Ausgangssignalspektrums ist ziemlich gut über eine große Bandbreite. Zum Beispiel ist die Flachheit in einer Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker mit EDFAs, die flach mit Werten innerhalb von ungefähr 1–2 dB sind, nach einer großen Anzahl von Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitten über eine sehr große Bandbreite besser als 1,5 dB. Im Gegensatz dazu glätten passive Filter die Verstärkung eines einzelnen EDFA typischerweise auf Werte, die innerhalb von einigen Zehnteln eines dB liegen, was nicht ausreicht, um eine flache Verstärkung nach der Wanderung durch eine große Anzahl solcher EDFAs zu gewährleisten. Nach dem Wandern durch 24 Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitte, die EDFAs, die auf 0,3 dB geglättet sind, aufweisen, ist die Ausgangssignalspektrumflachheit typischerweise zum Beispiel 1,5 dB, oder schlechter. Die NSA-Kette erzielte diesen selben Pegel von Spektrumflachheit mit Verstärkern, die nur auf 1–2 dB geglättet sind. Angesichts der obigen Erläuterungen ist ersichtlich, dass das nicht lineare Sagnac-Interferometer vorteilhafter ist, wenn die Größe der Kette (das heißt, die Anzahl von Verstärkern in der Kette) zunimmt. Dies ist insbesondere von Vorteil für Ketten, die eine sehr große Anzahl an Verstärkern aufweisen, wie zum Beispiel ein Überseeübertragungsbus.
Wie oben erörtert, konvergiert die Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker nach einer Anzahl von Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitten zu einer flachen Verstärkung. Die Anzahl von Verstärkern, die erforderlich ist, um eine flache Verstärkung zu erlangen (zum Beispiel einen asymptotischen Verstärkungswert oder einen Prozentsatz (zum Beispiel 90 Prozent) des asymptotischen Verstärkungswertes), ist eine Systemcharakteristik, die angepasst werden kann, indem die Parameter der nicht linearen Sagnac-Verstärker in der Kette angepasst werden. Die Fähigkeit, diese Konvergenzgeschwindigkeit zu steuern, ist bedeutsam, da in manchen Systemen eine rasche Konvergenz erforderlich ist (zum Beispiel eine Konvergenz auf eine flache Verstärkung nach vier Verstärkern), und in anderen Systemen eine langsamere Konvergenz annehmbar ist (zum Beispiel eine Konvergenz auf eine flache Verstärkung nach zwanzig Verstärkern).
Im Gegensatz zu EDFAs die mit passiven Verstärkern geglättet sind, ist das System der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, da das Ausgangssignalspektrum sogar dann sehr flach bleibt, wenn ein oder mehrere der Eingangssignale weggelassen werden. Fällt die Leistung eines Eingangssignals weg, tragen alle anderen Ausgangssignale, die den verbleibenden (nicht weggelassenen) Eingangssignalen entsprechen, eine höhere Leistung. Die vorliegende Erfindung verhindert jedoch, dass sich die Flachheit des Ausgangssignalspektrums überhaupt, oder mehr als in sehr geringem Maße, verändert. Desgleichen ändert sich die Verstärkungsflachheit nicht, oder nur in sehr geringem Maße, wenn sich die Leistung in einem oder mehreren der Eingangssignale verändert (das heißt, zunimmt, oder abnimmt). Um dies zu veranschaulichen, zeigt 13 die Leistungsentwicklung eines 16-Kanal-WDM-Systems, in dem nach dem vierzehnten und vor dem fünfzehnten NSA 8 Kanäle weggelassen werden. Die verbleibenden acht Kanäle erfahren nun eine geänderte Verstärkung, und konvergieren daher auf andere asymptotische Werte. Die Leistungsabweichung ist jedoch ziemlich gering, und alle 8 verbleibenden Kanäle erreichen das Ende des NSA mit Leistungen von zwischen 5 Milliwatt und 5,5 Milliwatt.
Die Ausgangssignalspektrumflachheit ist auch widerstandsfähig gegen Änderungen der Leistung, die einen oder mehrere der EDFAs in der Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker pumpt. Änderungen irgendeiner oder aller Pumpleistungen verursachen Änderungen der Lichtverstärkung und somit der Leistung, die von allen Ausgangssignalen am Ausgang der Kette getragen wird. Durch die konvergierende Wirkung der Kette nicht linearer Sagnac-Verstärker bleibt die Flachheit des Ausgangssignalspektrums jedoch nominell unverändert (vorausgesetzt, die Größe der Änderungen der Pumpleistung ist angemessen maßvoll). Diese Widerstandsfähigkeit hinsichtlich der Flachheit des Ausgangssignalspektrums stellen filtergeglättete EDFAs nicht bereit.
Die Glättungseigenschaften eines nicht linearen Sagnac-Verstärkers sind widerstandsfähiger gegenüber Herstellungsabweichungen der Parameter von Komponenten, als die meisten anderen verstärkungsgeglätteten Verstärker, insbesondere im Vergleich zu verstärkungsgeglätteten EDFAs, die auf passive Filter angewiesen sind, in denen jeder EDFA mit einem bestimmten Filter, der auf die jeweilige Verstärkungskurve des EDFA angepasst ist, geglättet werden muss. Wenn passive Filter benützt werden, wird ein bestimmter Filter die Verstärkung eines bestimmten EDFA, der unter bestimmten Bedingungen betrieben wird, glätten, während der Filter jedoch schlecht, falls überhaupt, funktionieren wird, wenn er mit demselben EDFA, der mit einer anderen Pumpleistung oder mit einer anderen Anzahl von Signalen oder mit anderen Signalleistungen oder einer Kombination solcher Unterschiede betrieben wird, verwendet wird. Der Filter könnte auch schlecht funktionieren, wenn derselbe Filter mit zwei nominell identischen EDFAs benützt wird, die mit Erbium-dotierten Leitern mit geringfügigen Unterschieden ihrer Konstruktion, ihrer Erbiumkonzentrationen, ihrer übrigen Dotierstoffkonzentrationen, ihrer Länge oder einer Kombination solcher Unterschiede hergestellt sind. Ebenso werden Veränderungen des Filterdurchlässigkeitsspektrums (zum Beispiel durch Änderungen der Außentemperatur) die Flachheit der Kettenverstärkung verändern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verstärkern, deren Verstärkung durch passive Filter geglättet wird, kann ein nicht linearer Sagnac-Verstärker, der gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem bestimmten Schleifenleiter und einer bestimmten Schleifenlänge gebaut ist, die Verstärkung von EDFAs glätten, die einen großen Bereich von Eigenschaften aufweisen, und die Flachheit des Ausgangssignalspektrums der Kette ist widerstandsfähig gegen Schwankungen der Parameter der nicht linearen Sagnac-Verstärker.
Die hierin gezeigten Figuren veranschaulichen die Arbeitsweise von NSAs mit Schleifenlängen von 10 km. Es versteht sich, dass sich die Wahl der Schleifenlänge die Systemleistung auswirkt. Zum Beispiel besteht ein Kompromiss zwischen Länge und Modeneingrenzung. Im Besonderen bedeutet dies, je stärker die Modeneingrenzung ist, desto kurzer ist die benötigte Länge. Es besteht des Weiteren ein Kompromiss zwischen der Schleifenlänge und der Leiternichtlinearität. Im Besonderen bedeutet dies, je stärker die Leiternichtlinearität ist, desto kürzer ist die benötigte Länge. Ebenso gibt es einen Kompromiss zwischen der Schleifenlänge und der Signalleistung. Im Besonderen bedeutet dies, je stärker die Signalleistung ist, desto kürzer ist die benötigte Länge. NSAs mit Schleifenlängen, die entweder wesentlich kurzer oder wesentlich länger als 10 km sind, können so gestaltet werden, dass sie nominell mit denselben Eigenschaften funktionieren, wie in dieser Erfindung beschrieben.
Obwohl sie oben in Zusammenhang mit Verstärkern mit Erbium-dotierten Leitern beschrieben sind, sind die allgemeinen Prinzipien des nicht linearen Sagnac-Verstärkers, der hierin beschrieben ist, nicht auf trivalentes Erbium (Er³⁺) als aktiven Dotierstoff beschränkt. Der nicht lineare Sagnac-Verstärker kann auch verwendet werden, um die Verstärkung irgendeines Lichtverstärkers, der auf einem Leiter, einem Wellenleiter oder einer optischen Feststoffkomponente basiert, zu glätten. Der Lichtverstärker kann irgendein aktives Ion oder aktives Lasermedium verwenden, und kann über irgendeinen Abschnitt des Spektralbereichs arbeiten. Insbesondere kann der nicht lineare Sagnac-Verstärker mit Raman-Verstärkern, die zum Beispiel für Verstärkungsanwendungen, die durch andere Lichtverstärker nicht angemessen abgedeckt werden können, verwendet werden können, verwendet werden. Es ist anzumerken, dass ein Raman-Verstärker oder ein anderer Verstärker, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zweiseitig gerichtet sein sollte, damit er die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Signale in der Sagnac-Schleife verstärken kann. In Bezug auf eine Raman-Verstärker-Ausführungsform kann der Raman-Verstärker in einem Resonanzmodus betrieben werden, oder er kann in zwei unterschiedliche Richtungen gepumpt werden.
Man beachte des Weiteren, dass die obigen Ausführungsformen in Zusammenhang mit einem einzigen Verstärker in jeder Schleife beschrieben worden sind. Fachleute werden erkennen, dass ein einzelner EDA einen begrenzten Verstärkungsbereich aufweisen könnte. Zum Beispiel könnte ein erster Verstärker AMP1 über ein Wellenlängenband verstärken und über ein zweites Wellenlängenband ausgleichen. Ein zweiter Verstärker AMP2 könnte über das erste Band ausgleichen und über das zweite Band verstärken. Um eine Verstärkung über beide Bänder bereitzustellen, können die beiden Verstärker AMP1 und AMP2 parallel geschaltet als ein Verbundverstärker in der Schleife angeordnet sein, indem zwei WDM-Koppler verwendet werden. Mit anderen Worten wird der nicht lineare Sagnac-Verstärker von 3 mit einem Verstärker 360, der aus der parallelen Anordnung der beiden Verstärker AMP1 und AMP2, die in 14A gezeigt sind, besteht, benützt, wobei AMP1 und AMP2 zwei einzelne Verstärker sind, die zum Beispiel wie der Verstärker von 3A gestaltet und angeordnet sind.
Wenn ein erster Verstärker AMP1 ein erstes Band verstärkt und ein zweites Band durchlässt, und ein zweiter Verstärker AMP2 das erste Band durchlässt und das zweite Band verstärkt, können die beiden Verstärker in ähnlicher Weise in der Schleife in Serie geschaltet sein, um eine Verstärkung über beide Bänder bereitzustellen. Dieser Verbundverstärker ist in 14B abgebildet. Die einzelnen Verstärker AMP1 und AMP2 können zum Beispiel beide wie der Verstärker von 3A gestaltet und angeordnet sein. Der nicht lineare Sagnac-Verstärker besteht dann wiederum aus dem nicht linearen Sagnac-Verstärker von 3, der einen Verstärker 360, der aus dem Verbundverstärker von 14B besteht, aufweist.
Es ist anzumerken, dass Kombinationen von in Serie und parallel geschalteten Verstärkern verwendet werden können, um mehrere Wellenlängenbänder abzudecken.
Für den Fall, dass eine Verstärkung über einen sehr breiten Spektralbereich erforderlich ist, kann es notwendig sein, getrennte Schleifen für verschiedene Abschnitte des Spektralbereichs bereitzustellen, so dass die Parameter der Schleifen für die unterschiedlichen Abschnitte des Spektralbereichs optimiert werden können. Diese Anordnung ist in 15 schematisch gezeigt, in der NSA1 und NSA2 zwei nicht lineare Sagnac-Verstärker, die Verstärkung über unterschiedliche (und vielleicht benachbarte) Abschnitte des Spektrums (zum Beispiel 1300 Nanometer bis 1350 Nanometer für NSA1 und 1500 Nanometer bis 1650 Nanometer für NSA2) bereitstellen, darstellen. Der erste WDM-Koppler dient dazu, die Eingangssignale zu trennen und sie dann zum richtigen nicht linearen Sagnac-Verstärker zu leiten, nämlich Signale mit Wellenlängen zwischen 1300 Nanometer und 1350 Nanometer (in diesem Beispiel) zu NSA1, und Signale mit Wellenlängen zwischen 1500 Nanometer und 1650 Nanometer zu NSA2. Der zweite WDM-Koppler rekombiniert die Signale, die aus NSA1 und NSA2 austreten auf den Übertragungsleiter (dargestellt durch das Verlustkästchen in 15).
Eine zur Ausführungsform von 4 alternative Ausführungsform ist in 16 abgebildet. In der Ausführungsform von 16 weist ein Verstärkungs-Dämpfungs-Strang 1600 sowohl nicht lineare Sagnac-Verstärker (NSAs) 1610 als auch Standardlichtverstärker (AMPs) 1620, getrennt durch Dämpfungsabschnitte 1630 auf. Insbesondere sind in der Ausführungsform, die in 16 abgebildet sind, die NSAs 1610 und die AMPs 1620 abwechselnd angeordnet (das heißt, jeder zweite Verstärker ist ein NSA bzw. ein AMP). Der Prozentsatz nicht linearer Sagnac-Verstärker in der Kette, die in 16 abgebildet ist, beträgt somit 50% (das heißt, ein nicht linearer Sagnac-Verstärker 1610 für jeden Standardverstärker 1620). Der Prozentsatz nicht linearer Sagnac-Verstärker 1610 in der Kette kann kleiner (zum Beispiel kann jeder dritte Verstärker in der Kette ein nicht linearer Sagnac-Verstärker 1610 sein) oder größer (zum Beispiel kann jeder dritte Verstärker in der Kette ein Standardverstärker 1620 sein) sein, abhängig vom Ausmaß, in dem die Standardverstärker 1620 einzeln geglättet sind. Sind die Standardverstärker 1620 zum Beispiel nicht gut geglättet, könnte nur ein Standardverstärker 1620 für jeweils einige nicht lineare Sagnac-Verstärker 1610 verwendet werden. Sind die Standardverstärker 1620 einigermaßen gut geglättet, könnte jeder zweite Verstärker ein Standardverstärker 1620 sein. Sind die Standardverstärker sehr gut geglättet, muss nur hin und wieder ein nicht linearer Sagnac-Verstärker 1610 im Strang 1600 angeordnet werden (zum Beispiel jeder dritte Verstärker ist ein nicht linearer Sagnac-Verstärker 1610 und die übrigen Verstärker sind Standardverstärker 1620). Diese Hybridkette 1600 ist vorteilhaft, da sie (1) sogar nach einer sehr großen Anzahl von Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitten eine hohe Verstärkungsflachheit aufrechterhält, und da sie (2) die Verstärker-Dämpfungs-Kette widerstandsfähig gegen Veränderungen (absichtliche oder unabsichtliche) der Eingangsbedingungen (das heißt, der Anzahl von Signalen, der Signalleistung oder der Pumpleistung) macht. Die Hybridkette 1600 ist nützlich, da durch das Ersetzen von teureren nicht linearen Sagnac-Verstärker (welche die Leiterschleifen und optischen Zirkulatoren aufweisen) durch im Vergleich dazu günstigere Standardverstärker 1620 eine deutliche Kostenreduzierung erreicht werden kann.
Obwohl sie hierin in Zusammenhang mit der Glättung der Verstärkung von Verstärkern, die Verstärkungen, welche mit der Wellenlänge variieren, aufweisen, beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung auch mit einzelnen Verstärkern, die eine Verstärkung, die entweder keine oder nur eine sehr geringe Wellenlängenabhängigkeit zeigt, aufweisen, verwendet werden. Die Erfindung funktioniert sogar besser (das heißt, sie stellt nach weniger Verstärkern eine flachere Verstärkung bereit), wenn die Verstärkungsspektren der einzelnen Verstärker flacher sind.
Die vorliegende Erfindung kann auch mit einzelnen Verstärkern mit einem Verstärkungsspektrum, das nominell flach ist (das heißt, mit Werten, die über eine Bandbreite von 80 Nanometern innerhalb von 0,3 dB liegen), was durch eine Anzahl von Verfahren, die im Fach wohl bekannt sind, erreicht werden kann, verwendet werden. In diesem Fall führt die Erfindung die Funktion aus, die Verstärkungsflachheit nach einer großen Anzahl (zum Beispiel einigen zig) von Verstärkern aufrecht zu erhalten oder sogar zu verbessern. Wenn im Gegensatz dazu dieselben einzelnen Verstärker in der traditionellen linearen Verstärkerkette zusammengeschlossen werden, wie oben in Zusammenhang mit 1A beschrieben, führt der Verstärkerstrang mit zunehmender Anzahl von Verstärkungs-Dämpfungs-Abschnitten zu einer zunehmenden Verschlechterung der Verstärkungsflachheit.
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung, wenn sie mit einzelnen Verstärkern, von denen jeder ein Verstärkungsspektrum aufweist, das nominell flach ist (zum Beispiel mit Werten, die über eine Bandbreite von 80 Nanometern innerhalb von 0,3 dB liegen), verwendet wird, ein nominell flaches Verstärkungsspektrum, das gegen Änderungen der Signalleistung, Änderungen der Anzahl von Signalen und in gewissem Maße gegen Änderungen der Pumpleistung widerstandsfähig ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben in Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben ist, versteht sich, dass die Beschreibungen der Ausführungsformen nur als Veranschaulichung der Erfindung dienen und keinesfalls einschränkend wirken sollen. Fachleuten werden möglicherweise verschiedene Abänderungen und Anwendungen einfallen, ohne den Umfang der Erfindung, der in den angehängten Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Ein Verstärkungssystem zur Reduzierung der Ausgangsleistungsdifferenzen bei einer Vielzahl von auf eine Vielzahl von Eingangslichtsignalen reagierenden Ausgangslichtsignalen, wobei die Eingangslichtsignale über eine Vielzahl von entsprechenden Lichtwellenlängen und eine Vielzahl von Eingangslichtleistungen verfügen und das Verstärkungssystem folgendes umfasst: eine interferometrische Schleife (354); einen Koppler (330), der die Vielzahl von Eingangslichtsignalen an die Schleife (354) koppelt, um eine Ausbreitung der entsprechenden ersten Teile der Eingangslichtsignale in einer ersten Richtung in der Schleife (354) zu veranlassen und eine Ausbreitung der entsprechenden zweiten Teile der Eingangslichtsignale in einer zweiten Richtung in der Schleife (354) zu veranlassen, wobei der Koppler (330), nachdem sich die ersten und zweiten Teile in der Schleife (354) ausgebreitet haben, die ersten und zweiten Teile mit dem Ziel kombiniert, eine Vielzahl von Ausgangslichtsignalen zu erzeugen; einen Verstärker (360, 370), der an einem in Bezug auf ein Zentrum der Schleife (354) unsymmetrischen Ort gelegen ist, wobei der Verstärker (360, 370) eine Verstärkungskennlinie aufweist, dank der der Verstärker (360, 370) über eine Vielzahl von entsprechenden Verstärkungen bei der Vielzahl von Lichtwellenlängen aufweist, wobei der in Bezug auf das Zentrum der Schleife (354) asymmetrische Ort des Verstärkers (360, 370) Leistungsunterschiede der ersten Signalteile und der zweiten Signalteile der Eingangslichtsignale zur Folge hat, die Leistungsunterschiede der ersten und zweiten Signalteile entsprechende Kerr-induzierte Phasenverschiebungen in den ersten und zweiten Signalteilen erzeugen, wobei sich die Kerr-induzierten Phasenverschiebungen in Antwort auf die Unterschiede der entsprechenden Eingangsleistungen und der entsprechenden Verstärkungen ändern, um eine größere Kerr-induzierte Dämpfung der Eingangslichtsignale, die ein größeres Verstärkungs-Leistungs-Produkt aufweisen, zu erzeugen.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Verstärker (360, 370) einen Verstärker (370) mit Erbium-dotierten Leitern umfasst.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 2, umfassend außerdem: einen Wellenlängenmultiplexkoppler (380) in der Schleife (354) nahe dem Verstärker (370); und eine Pumpquelle (386), die an den Wellenlängenmultiplexkoppler (380) gekoppelt ist, wobei die Pumpquelle (386) Pumplicht für den Verstärker (370) über den Wellenlängenmultiplexkoppler (380) zur Verfügung stellt.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Verstärker (360) mindestens einen ersten, eine Verstärkung über ein erstes Wellenlängenband bereitstellenden Verstärker und mindestens einen zweiten, eine Verstärkung über ein zweites Wellenlängenband bereitstellenden Verstärker umfasst.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 4, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker mit Erbium-dotierte Leiter umfassen.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 4, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker parallel geschaltet sind.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 4, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker in Reihe geschaltet sind.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei: die interferometrische Schleife (354(1)), der Koppler (330(1)) und der Verstärker (360(1)) einen ersten nicht linearen Sagnac-Verstärker (300(1)) umfassen, wobei der erste Sagnac-Verstärker (300(1)) über einen ersten Spektralbereich verstärkt; und das Verstärkungssystem außerdem einen zweiten nicht linearen Sagnac-Verstärker (300(2)) umfasst, wobei der nicht lineare zweite Sagnac-Verstärker (300(2)) eine entsprechende interferometrische Schleife (354(2)), einen entsprechenden Koppler (330(2)), und einen entsprechenden Verstärker (360(2)) umfasst, wobei der zweite Sagnac-Verstärker (300(2)) über einen zweiten Spektralbereich verstärkt.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei: die interferometrische Schleife (354) eine erste (354) und eine zweite (366) Lichtleiterlänge umfasst, wobei die erste Lichtleiterlänge (354) im wesentlichen länger als die zweite Lichtleiterlänge (366) ist; die Vielzahl von Ausgangslichtsignalen eine Vielzahl von Lichtwellenlängen und die Vielzahl von Ausgangslichtsignalen eine Vielzahl von entsprechenden Ausgangsleistungen aufweist; der Verstärker (360) in der Schleife (354) zwischen der ersten (354) und der zweiten (366) Lichtleiterlänge liegt; die ersten und zweiten Teile der sich in ersten und zweiten Richtungen ausbreitenden Lichtsignale entsprechende durch Selbstphasenmodulation, durch eine Co-Ausbreitung der Kreuzphasenmodulation und eine Gegenausbreitung der Kreuzmodulation erzeugte Kerr-induzierte Phasenverschiebungen erfahren; und wobei der Ort des Verstärkers (360) in der interferometrischen Schleife (354): eine Lichtausbreitung in der ersten Richtung erzeugt, um durch die erste Lichtleiterlänge (354) vor der Ausbreitung durch den Verstärker (360) und die zweite Lichtleiterlänge (366) zu passieren; eine Lichtausbreitung in der zweiten Richtung erzeugt, um durch die zweite Lichtleiterlänge (366) vor der Ausbreitung durch den Verstärker (360) und durch die erste Lichtleiterlänge (354), zu passieren; eine Lichtausbreitung in der ersten Richtung erzeugt, um eine Gegenausbreitung der Kreuzphasenmodulation zu erzeugen, die größer als die Lichtausbreitung in der zweiten Richtung ist, und eine Lichtausbreitung in der zweiten Richtung erzeugt, um eine Selbstphasenmodulation und eine Co-Ausbreitung der Kreuzmodulation zu erzeugen, die größer als die Lichtausbreitung in der ersten Richtung sind, und die Kerr-induzierten Phasenverschiebungen der Vielzahl von Lichtsignalen bei der Vielzahl von Lichtwellenlängen auf die entsprechende Verstärkung des Verstärkers bei der Vielzahl von Lichtwellenlängen reagiert und außerdem auf die entsprechenden Eingangsleistungen der Vielzahl von Lichtsignalen reagiert, so dass die Unterschiede der durch die Unterschiede der Eingangsleistungen und die Verstärkungen bei der Vielzahl von Lichtwellenlängen erzeugten Ausgangsleitungen reduziert werden.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 9, wobei der Verstärker (360) mindestens einen ersten Verstärker umfasst, der eine Verstärkung über ein erstes Wellenlängenband bereitstellt und mindestens einen zweiten Verstärker umfasst, der eine Verstärkung über ein zweites Wellenlängenband bereitstellt.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 10, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker Erbium-dotierte Leiter umfassen.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 10, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker parallel geschaltet sind.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 10, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker in Serie geschaltet sind.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 9, wobei: die interferometrische Schleife (354(1)), der Koppler (330(1)) und der Verstärker (360(1)) einen ersten nicht linearen Sagnac-Verstärker (300(1)) umfassen, wobei der erste Sagnac-Verstärker (300(1)) über einen ersten Spektralbereich verstärkt; und das Verstärkungssystem außerdem einen zweiten nicht linearen Sagnac-Verstärker (300(2)) umfasst, wobei der nicht lineare Sagnac-Verstärker (300(2)) eine entsprechende interferometrische Schleife (354(2)), einen entsprechenden Koppler (330(2)), und einen entsprechenden Verstärker (360(2)) umfasst, wobei der zweite Sagnac-Verstärker (300(2)) über einen zweiten Spektralbereich verstärkt.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei: die interferometrische Schleife (354(1)), der Koppler (330(1)) und der Verstärker (300(1)) umfassen einen ersten Verstärkungsabschnitt (300(1)), wobei der erste Verstärkungsabschnitt (300(1)) so gekoppelt ist, dass er eine Vielzahl von Eingangslichtsignalen empfängt, wobei jedes Eingangslichtsignal entsprechende Lichtwellenlängen und eine entsprechende Eingangslichtleistung aufweist und der Verstärker (360(1)) eine erste Verstärkungskennlinie aufweist, gemäß der die Verstärkungen, mit denen die Lichteingangssignale beaufschlagt sind, mit der Wellenlänge variieren, wobei der erste Verstärkungsabschnitt (300(1)) eine erste Vielzahl von Ausgangslichtsignalen bereitstellt; und das Verstärkungssystem außerdem einen zweiten Verstärkungsabschnitt (300(2)) umfasst, der eine entsprechende interferometrische Schleife (354(2)), einen entsprechenden Koppler (330(2)) und einen entsprechenden Verstärker (360(2)) umfasst, wobei der zweite Verstärkungsabschnitt (300(2)) so gekoppelt ist, dass er die erste Vielzahl von Ausgangslichtsignalen empfängt und eine zweite Vielzahl von Ausgangslichtsignalen bereitstellt, wobei jedes der Vielzahl der zweiten Ausgangslichtsignale eine entsprechende Lichtwellenlänge und eine entsprechende Ausgangslichtleistung aufweist, wobei der entsprechende Verstärker (360(2)) im zweiten Verstärkungsabschnitt (300(2)) eine zweite Verstärkungskennlinie aufweist, wobei der erste und der zweite Verstärkungsabschnitt (300(1), 300(2)) so wirken, dass die Unterschiede der entsprechenden Ausgangslichtleistungen der zweiten Vielzahl von Ausgangslichtsignalen, die durch Unterschiede der Eingangslichtleistungen und durch Unterschiede der auf die Lichtsignale wirkenden Verstärkungen erzeugt werden, reduziert werden,
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 15, wobei jeder der Verstärker (360(1), 360(2)) Erbium-dotierte Leiter umfasst.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 15, wobei die Verstärker (360(1), 360(2)) Verstärkungen aufweisen, die mit der Lichtwellenlänge variieren und wobei die Eingangslichtsignale bei der Vielzahl von Wellenlängen verschiedene Leistungen aufweisen, wobei die Verstärkungsabschnitte (300(1), 300(2)) so funktionieren, dass Ausgangsleistungen bei jeder der Wellenlängen so erzeugt werden, dass zu Ausgangsleistungen in einem auswählbaren Ausgangsleistungsbereich hin konvergiert wird.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 15, wobei jeder der Verstärker (360(1), 360(2)) mindestens einen ersten Verstärker umfasst, der eine Verstärkung über ein erstes Wellenlängenband bereitstellt und mindestens einen zweiten Verstärker umfasst, der eine Verstärkung über ein zweites Wellenlängenband bereitstellt.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 18, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker mit Erbium-dotierte Leiter umfassen.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 18, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker parallel geschaltet sind.
Das Verstärkungssystem nach Anspruch 18, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker in Reihe geschaltet sind.
Ein Verfahren zur Verstärkung einer Vielzahl von Eingangslichtsignalen, wobei die Eingangslichtsignale entsprechende Lichtwellenlängen in einem Lichtwellenlängenbereich und entsprechende Lichtleistungen in einem Eingangslichtleistungsbereich aufweisen, wobei das Verfahren eine entsprechende Vielzahl von Ausgangslichtsignalen erzeugt, die entsprechende Ausgangsleistungen in einem ausgewählten Ausgangslichtleistungsbereich aufweisen, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Passieren der Eingangslichtsignale durch einen ersten nicht linearen Sagnac-Verstärker (300(1)), um eine Vielzahl von intermediären Lichtsignalen zu erzeugen, wobei die Vielzahl von intermediären Lichtsignalen auf die Vielzahl von Eingangslichtleistungen, auf die Verstärkung des Verstärkers und auf die Kerr-induzierte Phasenverschiebung reagiert, zum Aufweisen einer entsprechenden Vielzahl von intermediären Lichtleistungen in einem intermediären Lichtleistungsbereich, wobei der intermediäre Lichtleistungsbereich ein kleinerer Bereich als der Bereich der Eingangslichtleistungen ist; und Passieren der intermediären Lichtsignale durch mindestens einen zweiten nicht linearen Sagnac-Verstärker (300(2)), um die Vielzahl von Ausgangslichtsignalen zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Ausgangslichtsignalen auf die Vielzahl von intermediären Lichtleistungen, auf die Verstärkung des Verstärkers und auf die Kerr-induzierte Phasenverschiebung eine entsprechende Vielzahl von Ausgangslichtleistungen in dem ausgewählten Ausgangslichtleistungsbereich aufweist, wobei der ausgewählte Ausgangslichtleistungsbereich ein kleinerer Bereich als der Bereich der intermediären Lichtleistungen ist.
Ein Lichtsystem, umfassend: einen zum Empfang von Eingangslichtsignalen, die eine Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich aufweisen, geeigneten Eingang; einen zur Ausgabe von Ausgangslichtsignalen, die auf Eingangslichtsignale reagieren, geeigneten Ausgang; mindestens einen zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordneten ersten Lichtverstärker (1620), wobei der erste Lichtverstärker (1620) ein erstes Verstärkungsspektrum aufweist und das erste Verstärkungsspektrum über den Wellenlängenbereich variiert, wobei der erste Lichtverstärker (1620) dazu geeignet ist, bei einer ersten Wellenlänge im Wellenlängenbereich ein erstes Lichtsignal zu erzeugen, um eine erste Lichtleistung zu haben und bei einer zweiten Wellenlänge im Wellenlängenbereich ein zweites Lichtsignal zu erzeugen, um eine zweite Lichtleistung zu haben, wobei sich die erste Lichtleistung von der zweiten Lichtleistung durch die Leistungsdifferenz unterscheidet, und mindestens einen zwischen dem ersten Lichtverstärker (1620) und dem Ausgang angeordneten zweiten Lichtverstärker (1610), wobei der zweite Lichtverstärker folgendes umfasst: eine interferometrische Schleife (354); einen Koppler (330), der die Vielzahl von Eingangslichtsignalen an die Schleife (354) koppelt, um eine Ausbreitung der entsprechenden ersten Teile der Eingangslichtsignale in einer ersten Richtung in der Schleife (354) zu veranlassen und eine Ausbreitung der entsprechenden zweiten Teile der Eingangslichtsignale in einer zweiten Richtung in der Schleife (354) zu veranlassen, wobei der Koppler (330), nachdem sich die ersten und zweiten Teile in der Schleife (354) ausbreiten, die ersten und zweiten Teile mit dem Ziel kombiniert, um eine Vielzahl von Ausgangslichtsignalen zu erzeugen; einen Verstärker (360, 370), der an einem in Bezug auf ein Zentrum der Schleife (354) unsymmetrischen Ort gelegen ist, wobei der Verstärker (360, 370) eine Verstärkungskennlinie aufweist, dank der der Verstärker (360, 370) über eine Vielzahl von entsprechenden Verstärkungen bei der Vielzahl von Lichtwellenlängen aufweist, wobei der in Bezug auf das Zentrum der Schleife (354) asymmetrische Ort des Verstärkers (360, 370) Leistungsunterschiede der ersten Signalteile und der zweiten Signalteile der Eingangslichtsignale zur Folge hat, die Leistungsunterschiede der ersten und zweiten Signalteile entsprechende Kerr-induzierte Phasenverschiebungen in den ersten und zweiten Signalteilen erzeugen, wobei sich die Kerr-induzierten Phasenverschiebungen in Antwort auf die Unterschiede der entsprechenden Eingangsleistungen und der entsprechenden Verstärkungen ändern, um eine größere Kerr-induzierte Dämpfung der Eingangslichtsignale, die ein größeres Verstärkungs-Leistungsprodukt aufweisen, zu erzeugen.
Das Lichtsystem nach Anspruch 23, wobei mindestens ein erster Lichtverstärker (1620) eine erste Vielzahl von Lichtverstärkern (1620) und mindestens ein zweiter Lichtverstärker (1610) eine zweite Vielzahl von Lichtverstärkern (1610) umfasst, die an ausgewählten Orten im Lichtsystem angeordnet sind.