-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft optische Raman-Faserverstärker und optische Faserkommunikationssysteme
mit solchen Verstärkern
und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Pumpen der Übertragungsfaser
einer optischen Fasertelekommunikationsstrecke zum Erzeugen von
verteilter Ramanverstärkung
in der Faser zur Verstärkung
des Signals (der Signale), die über
diese Strecke übertragen
werden.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Bis
vor relativ kurzer Zeit wurde die Verstärkung optischer Signale in
faseroptischen Telekommunikationssystemen hauptsächlich erzielt durch die Verwendung
diskreter optischer Verstärker,
meist durch erbiumdotierte Faserverstärker (EDFAs). Der explosive
Anstieg der Nachfrage nach erhöhter
Kapazität
bei faseroptischen Kommunikationssystemen hat dazu geführt, dass
erneut Interesse daran besteht, verteilte Ramanverstärkung zu
benutzen. Siehe hierzu P. B. Hansen et al., IEEE Photonics Technology
Letters, Vol. 9(2), Seite 262 (Februar 1997). Bei diesem Vorschlag
wird die Übertragungsfaser selbst
als Verstärkungsmedium
für Signale
benutzt, während
sie zu einem Repeater oder einem Empfangsterminal geleitet werden,
und die sich ergebende Verstärkung
wird über
eine Länge
(typischerweise einige 10 km) der Faser verteilt. Verteilte Verstärkung hat
einen wichtigen Vorteil gegenüber
diskreter Verstärkung.
Die effektive Rauschzahl eines verteilten Verstärkers ist deutlich niedriger
als die eines diskreten Verstärkers
mit der gleichen Verstärkung.
Siehe hierzu beispielsweise P. B. Hansen et al., Optical Fiber Technology,
Vol. 3, Seite 221, (1997). Das ist eine direkte Folge dessen, dass
die Verstärkung
im zurückliegenden
Abschnitt der Strecke auftritt statt eher an deren Ende. Die sich
ergebende Verbesserung des Rauschverhaltens erlaubt nicht nur vergrößerte Kapazität und/oder
Streckenlänge
in Systemen ohne Repeater, sondern erlaubt auch die Erhöhung der Anzahl
der Strecken zwischen kostspieligen Signalregeneratoren in Mehrstreckensystemen
mit Repeatern. Zusätzlich
bietet Ramanverstärkung
die Möglichkeit
von Ultra-Breitbandverstärkung,
weil das Ramanverstärkungsspektrum
in Silica-Faser,
selbst bei einer einzigen Pumpwellenlänge, relativ breit ist und weiter
verbreitert werden kann durch den Einsatz von Mehrfach-Pump-Wellenlängen. Siehe
hierzu beispielsweise K. Rottwitt et al., Proceedings Optical Fiber
Communication Conference, Paper PD- 6 (Feb. 1998)". Das ist ein wichtiger
Gesichtspunkt für
Hochkapazitäts-Wellenlängenmultiplexsysteme
(WDM).
-
Zur
Erzeugung von Ramanverstärkung
in der Übertragungsfaser
für Signale
in einem bestimmten Wellenlängen-Band
ist erforderlich, dass die Faser gepumpt wird bei einem relativ
hohen Leistungspegel (Hunderte von mW) bei einer Wellenlänge oder bei
Wellenlängen,
von der/den Signalwellenlänge(n) nach
unten verschoben um einen Betrag, der der charakteristischen Ramanverschiebung
der Faser entspricht. Bei einer typischen Silicafaser besteht das
Ramanverstärkungsspektrum
aus einem relativ breiten Band, gruppiert um eine Verschiebung von ~440
cm–1.
Deshalb ist zum Bereitstellen von Verstärkung im C- Band (1530 bis
1565 nm) beispielsweise Pumpenergie in der 1455 nm Region erforderlich.
-
In
typischen Ausführungsbeispielen
von Raman-Verstärkern
mit verteilter Verstärkung
nach dem Stand der Technik wird der Ausgang einer Hochleistungslaser-
Quelle (z.B. ein Raman Faserlaser mit einer mittleren Wellenlänge von
~1455 nm) oder eine Gruppe von gemultiplexten Laserdioden mit Wellenlängen im
1455 nm Bereich von einem Empfänger- oder
Repeaterterminal eingekoppelt, um die Faser zu pumpen und Verstärkung für eingehende
G Bandsignale zur Verfügung
zu stellen. Zur Erweiterung der Verstärkungsbandbreite für Hochkapazitäts-WDM-Systeme
wird das eingekoppelte Pumpspektrum verbreitert durch Einsatz von
Mehrfach-Ramanlasern (jeder mit vorbestimmter Leistung und Wellenlänge) oder
durch Multiplexen zusätzlicher
Laserdioden mit bestimmter Wellenlänge und Leistung.
-
In 1 wird
ein charakteristischer Satz von Kurven von Leistung über Entfernung
für die
Pumpe, die Signalen und das durch den Verstärkungsprozess erzeugte Rauschen
gezeigt (in dieser Darstellung wird die Entfernung auf das Empfänger- oder Repeaterterminal
bezogen). Wie aus 1 ersichtlich, ist die Verstärkungsregion über eine
Länge der Übertragungsfaser
verteilt, die sich ~70 km zurück
in die Strecke erstreckt. Der größte Teil
der Verstärkung tritt
jedoch in den letzten ~15 km der Strecke auf. Um die Vorteile des
Rauschverhaltens der verteilten Ramanverstärkung weiter zu vergrößern, ist
es wünschenswert,
die Übertragungsfaser
auf eine solche Weise zu pumpen, dass die Verstärkungsregion in der Strecke
weiter zurück "geschoben" wird.
-
In
K. Rottwitt et al., Proceedings European Conference Optical Communication,
Vol. 11, Seite 144, (September 1999) erläutern die Autoren ein Pumpschema,
das die Ankopplung einer Hochleistungsquelle (800 mW) bei einer
Wellenlänge
von 1366 nm am Sendeterminal einschließt, um Ramanverstärkung entlang
der Übertragungsfaser
zur Verfügung
zu stellen für 1455
nm Energie, die am Empfängerterminal
eingekoppelt wird. Somit wird die Leistung bei 1455 nm, die die
Ramanverstärkung
für die
Signale bei 1550 nm liefert, entlang der Faser entsprechend der
lokalen Leistung bei 1366 nm verstärkt. Im Ergebnis wird bei dem
besonderen Fall, den sie betrachtet haben, (eine 80 km lange Strecke mit
200 mW bei 1455 nm eingekoppelt vom Empfängerterminal) ein wesentlicher
Anteil an Signalverstärkung
erzielt nahe sowohl dem Senderende als auch dem Empfängerende
der Strecke und die Verstärkung
tritt im Durchschnitt weiter zurück
in der Strecke auf. Die Autoren haben eine 3 dB Verbesserung der Rauschzahl
und eine 1 dB Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit (oder Verbindungsspielraum) im
Vergleich zu konventionellem Rückwärtspumpen gemessen.
Dieses Pumpschema erfordert jedoch, besonders wenn sie bei längeren Strecken
angewendet werden soll (z.B. 125 km), zwei relativ teure Quellen
mit relativ hoher Leistung (einige hundert mW). Dieser Nachteil
wird verschlimmert im Falle von Hochkapazitäts-WDM-Systemen, wobei die
Verbreiterung der Verstärkungsbandbreite
sogar noch mehr solcher Quellen erforderlich machen würde. Zusätzlich könnte bei
Verbindungen, bei denen die Einkoppelleistung des Signals am Limit
oder sehr nahe am Limit liegt, das im Hinblick auf schädliche nichtlineare Effekte
in der Faser gesetzt wurde, das Hinzufügen wesentlicher Verstärkung unmittelbar
hinter der Signaleinkopplung zu Verbindungsperformance-Beeinträchtigungen
wegen dieser nichtlinearen Effekte führen.
-
Trotz
dem schon gezeigten Potential verteilter Ramanverstärkung zum
Erreichen von Breitbandverstärkung
bei niedrigem Rauschen gibt es einen andauernden Bedarf an weiterer
Leistungsverbesserung und Kostenreduzierung bei optischen Kommunikationssystemen.
Deshalb ist ein verteiltes Ramanverstärker-Pumpschema, wie das in
dieser Anmeldung offenbarte, das zu weiter reduziertem Rauschen
und erhöhter
Flexibilität
und verbessertem Preis/Leistungsverhältnis bei der Verbreiterung
und dynamischen Steuerung des Verstärkungsspektrums führt, höchst wünschenswert.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 und ein Verfahren
nach Anspruch 22 gelöst.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Breit
betrachtet, stellt die Erfindung ein Pumpschema zur Erzeugung verteilter
Ramanverstärkung
in der Übertragungsfaser
eines faseroptischen Kommunikationssystems zur Verfügung, bei dem
die hohe Pumpleistung bei der Wellenlänge (den Wellenlängen), die
zur Verstärkung
des Signals erforderlich ist, in der Übertragungsfaser selbst aufgebaut
wird, anstatt dass sie direkt in die Faser eingekoppelt wird. Das
Pumpverfahren kann zu deutlich reduziertem Verstärkerrauschen, erhöhter Flexibilität und verbessertem
Preis/Leistungsverhältnis
bei der Verbreiterung und dynamischen Steuerung des Verstärkungsspektrums
führen
im Vergleich zu konventionellen Pumpverfahren.
-
Genauer
betrachtet wird bei einem typischen Ausführungsbeispiel eine 'primäre' Pumpquelle mit einer
vorbestimmten Wellenlänge λp,
kürzer
als die letztendlich gewünschte
Pumpwellenlänge(n) λf1 ... λfk,
in die Übertragungsfaser
eingekoppelt mit im Wesentlichen geringerer Energie bei einer oder
mehreren sekundären 'Seed'-Wellenlänge(n) λs1 ... λsn,
wobei n > 1 und λp < λsn < λfk.
Die Wellenlänge
und Leistung der sekundären
Seedquelle(n) werden speziell so gewählt, dass in Gegenwart einer
Pumpleistung bei λp eine Serie von n stimulierten Raman Konversionen
schließlich
zu einer hohen Leistung bei der (den) letztendlich gewünschten
Pumpwellenlänge(n) λf1 ... λfk führt, wobei
k ≤ n ist,
die in der Übertragungsfaser
auftritt. Die Mittel zum Erzeugen einer wesentlich niedrigeren Energie
bei einer oder mehreren sekundären
Seedwellenlängen
umfassen wenigstens eines aus: einem Reflexionsmittel, um verstärkte spontan
gestreute Ramanstrahlung, die in der besagten Faser wegen der Anwesenheit
von hoher Leistung bei einer Wellenlänge entsteht, die um eine Ramanverschiebung
unter der speziellen Seedwellenlänge
liegt, in die besagte Übertragungsfaser
zurückzuführen; und
einer Quelle mit abstimmbarer Wellenlänge, um das spektrale Profil
der Ramanverstärkung,
die das Signal erfährt,
anzupassen.
-
Bei
einem besonderen Ausführungsbeispiel wird
eine primäre
Pumpquelle mit einer Wellenlänge von
1276 nm zusammen mit zwei sekundären
Niedrigleistungsquellen, die Wellenlängen von 1355 und 1455 nm haben,
angekoppelt. Die Energie bei der primären Pumpwellenlänge von
1276 nm wird zuerst einer stimulierten Raman-Konversion auf 1355
nm unterzogen, und dann, in der zweiten Stufe der Raman-Kaskade,
wird die resultierende hohe Leistung bei 1355 nm umgesetzt, um hohe
Leistung bei 1455 nm zu erhalten, der Pumpwellenlänge, die
erforderlich ist, um verteilte Ramanverstärkung von Signalen im 1550
nm- Bereich zu erzeugen. Bei einer Erweiterung dieses exemplarischen
Ausführungsbeispiels wird
eine dritte Niedrigleistungsquelle mit einer Wellenlänge von
~1430 nm zusammen mit den oben erwähnten primären und sekundären Quellen
angekoppelt. Als Ergebnis der Anwesenheit dieser zusätzlichen
Seedquelle, wird die Umsetzung der hohen Leistung bei 1355 nm bei
der zweiten Stufe der Raman-Kaskade zwischen den beiden Wellenlängen 1430
nm und 1455 nm aufgeteilt, was zu hoher Leistung bei beiden dieser
Wellenlängen
und zur Verbreiterung des sich ergebenden Ramanverstärkungsprofils
für die übertragenen
Signale führt.
Erfindungsgemäß kann weitere
Verbreiterung des Verstärkungsspektrums
erreicht werden durch Einkoppeln zusätzlicher Low-Cost Seedquellen
mit vorbestimmter Wellenlänge
und Leistung. Weiterhin können
der Betrag und das Spektralprofil der Verstärkung dynamisch ge steuert werden
durch selektives Ändern
der Leistung der Niedrigleistungs-Seedquellen. Zusätzliche Flexibilität bei der
dynamischen Steuerung des Verstärkungsspektrums
ergibt sich, wenn die Wellenlänge
einer oder mehrerer der sekundären
Seedquellen abstimmbar ist.
-
Bei
einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel, das eine Variante
des vorstehenden Beispiels ist, wird die sekundäre Quelle bei 1355 nm durch
ein Reflexionsmittel ersetzt (beispielsweise einem Goldreflektor
oder einem Bragg-Fasergitter mit einer Spitzenreflexion bei 1355
nm). Spontane Raman-Streuung der primären Hochleistungspumpe bei 1276
nm erzeugt Strahlung im 1355 nm Bereich, die sich in beiden Richtungen
der Übertragungsfaser ausbreitet.
Während
sie die Faser durchläuft,
wird diese 1355 nm Strahlung verstärkt wegen der Ramanverstärkung bei
1355 nm auf Grund der 1276 nm Pumpe. Zusätzlich erfährt ein Teil der ausgehenden 1355
nm Strahlung eine Rayleigh Rückstreuung
und ist rückwärts auf
das Pumpeneinkopplungsterminal gerichtet, wobei er auf diesem Weg
weiter verstärkt wird.
Der 1355 nm Reflektor schickt die ankommende verstärkte spontane
Raman-Streuungs-Strahlung
zurück
in die Übertragungsfaser,
wo sie die gleiche Rolle einnimmt wie die 1355 nm Seedquelle im
vorhergehenden Beispiel. Bei einer Erweiterung dieses exemplarischen
Ausführungsbeispiels
wird auch die 1455 nm Seedquelle durch einen Reflektor ersetzt, was
den Bedarf an aktiven sekundären
Quellen wie Laserdioden vollständig
eliminiert und die Kosten weiter reduziert.
-
Bei
den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist
die Ausbreitungsrichtung von primärer Pumpe und sekundärer Seedquelle(n)
entgegengesetzt zu den übertragenen
Signalen. Die vorliegende Erfindung erlaubt aber auch Konfigurationen
mit gleicher Ausbreitungsrichtung, die vorteilhaft angewendet werden können im
Vergleich zu Pumpverfahren nach dem Stand der Technik, weil die
Spitzenverstärkungsregion
in einiger Entfernung vom Sendeterminal auftritt, wodurch ungünstige nichtlineare
Effekte verringert werden.
-
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel,
bei dem gegenläufige
verteilte Raman-Vorverstärkung am
Empfangsende der Strecke angewendet wird, werden eine oder mehrere
Quellen mittlerer Leistung bei Wellenlängen λss1 ... λssj am
Sendeterminal eingekoppelt, wobei die λssj um
die Roman-Verschiebung in der Übertragungsfaser
kürzer
sind als λfk, wobei Ramanverstärkung bei den verbleibenden
ankommenden gegenläufigen
endgültigen
Pumpwellenlängen λfk erfolgt,
was wiederum etwas verteilte Ramanverstärkung für die ausgehenden Signale zur
Verfügung stellt.
Der Betrag und/oder das Spektralprofil dieser zusätzlichen
Ramanverstärkung
können
dynamisch gesteuert werden durch selektives Ändern der Leistung und/oder
der Wellenlänge
(wenn irgendeines der λssj abstimmbar ist) der Quelle(n) mittlerer
Leistung, wodurch dynamische Verstärkungssteuerung und Begradigung
nahe beim Sendeterminal angewendet anstatt am Empfangsende wird,
wo dies weniger effektiv ist wegen der Laufzeiteinflüsse. Diese Anwendung
der Erfindung kann auch vorteilhaft verwendet werden in Fällen, bei
denen am Empfängerterminal
ein traditionelles direktes Raman Pumpschema eingesetzt wird.
-
Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Pumpen der Übertragungsfaser
einer faseroptischen Telekommunikationsstrecke zur Verfügung gestellt zur
Erzeugung von verteilter Ramanverstärkung in der Faser für Signale,
die über
die Faserstrecke übertragen
werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen
einer oder mehrerer primärer
Pumpquellen bei Wellenlängen λp1 ... λpl,
kürzer
als die Pumpwellenlängen λf1 ... λfk,
die letztendlich erforderlich sind, um direkt verteilte Ramanverstärkung für die Signalwellenlängen zu
erzeugen;
Bereitstellen im Wesentlichen niedrigerer Energie
bei einer oder mehreren sekundären
Seedwellenlängen λs1 ... λsn,
wobei n ≥ 1
und λp1 < λp1 ≤ λfk ist;
und
Ausbreiten der Energie bei der(n) primären Pumpwellenlänge(n) und
sekundären
Seedwellenlängen
in die Übertragungsfaser,
wobei die primären
Pumpwellenlängen λpl um
einen Betrag, der m Ramanverschiebungen in der Übertragungsfaser entspricht, kleiner
sind als die Wellenlängen λfk wobei
m ≥ 1 ist und
wobei, wenn m > 1
ist, die Gesamtheit der sekundären
Seedquellen λsn wenigstens eine in der Nachbarschaft jeder
Zwischenwellenlänge λl umfasst,
wobei l = m – 1,
m – 2
... 1 ist und die Anzahl der Ramanverschiebungen in der Übertragungsfaser
zwischen den Wellenlängen λl und
der letztendlich erforderlichen Wellenlänge λfk angibt;
und wobei die Gesamtheit der sekundären Seedwellenlängen jede
letztendlich erforderliche Pumpwellenlänge λfk umfasst,
wobei der Schritt des Bereitstellens deutlich niedrigerer Energie
bei einer oder mehreren sekundären
Seedwellenlängen
wenigstens eines der folgenden umfasst: Zurückführen in die Übertragungsfaser
mit einem Reflexionsmittel von verstärkter, spontan gestreuter Ramanstrahlung,
die in der besagten Faser wegen der Anwesenheit von hoher Leistung
bei einer Wellenlänge
entsteht, die um eine Ramanverschiebung unter der speziellen Seedwellenlänge liegt;
und Abstimmen wenigstens einer der besagten einen oder mehreren
Wellenlängen,
um das spektrale Profil der Ramanverstärkung, die das Signal erfährt, anzupassen.
-
Entsprechend
einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Anwendung einer dynamischen
Steuerung des Betrages und/oder des spektralen Profils der verteilten Ramanverstärkung bei
oder nahe dem Signaleinkopplungsterminal einer faseroptischen Telekommunikationsstrecke
zur Verfügung
gestellt, bei dem gegenläufige
verteilte Raman-Vorverstärkung
am Empfangs- oder Repeaterende oder an einem Zwischenpunkt entlang
der Strecke durchgeführt
wird, was zu verbleibender Energie bei der letztendlichen direkten Pumpwellenlänge λfk nahe
des Signaleinkopplungsterminals führt, wobei das Verfahren folgende
Schritte umfasst: Bereitstellen einer oder mehrere Quellen mittlerer
Leistung bei Wellenlängen λss1 ... λssj,
die um einen Betrag, der der Ramanverschiebung in der Übertragungsfaser
entspricht, kürzer
sind als die Pumpwellenlängen λf1–λfk,
die letztendlich erforderlich sind, um direkt verteilte Ramanverstärkung für die Signalwellenlängen zu
erzeugen; Bereitstellen von Kopplungsmitteln, um Strahlung von den
besagten sekundären
Pumpquellen bei λssj in die Übertragungsfaser vom Signalankopplungsterminal
der Strecke oder von einem Zwischenpunkt nahe dem besagten Signalankopplungsterminal
zur Ausbreitung in gleicher Richtung in Bezug auf die Signale einzukoppeln;
und Bereitstellen von Mitteln zum selektiven Ändern der Leistung und/oder
der Wellenlängen
der besagten sekundären
Pumpquellen bei λssj, um die Ramanverstärkung dynamisch zu steuern,
die die eingehende Strahlung bei der letztendlichen direkten Pumpwellenlänge λfk erfährt und
dabei dynamisch den Betrag und/oder das spektrale Profil der sich
ergebenden zusätzlichen
Ramanverstärkung
zu steuern, die die eingekoppelten Signale erfahren.
-
Entsprechend
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Pumpen der Übertragungsfaser
einer faseroptischen Telekommunikationsstrecke zur Verfügung gestellt
zur Erzeugung von verteilter Ramanverstärkung in der Faser für Signale,
die über
die Faserstrecke übertragen
werden, und das umfasst: eine oder mehrere primäre Pumpquellen bei Wellenlängen λp1 ... λpl, kürzer als
die Pumpwellenlängen λf1 ... λfk,
die letztendlich erforderlich sind, um verteilte Ramanverstärkung für die Signalwellenlängen direkt
zu erzeugen, wobei die eine oder mehreren primären Pumpquellen-Wellenlängen λp1 ... λpl um
einen Betrag kleiner ist als die Pumpwellenlänge λfk,
der m Ramanverschiebungen in der Übertragungsfaser entspricht,
wobei m ≥ 1
ist; Mittel zum Bereitstellen im Wesentlichen niedrigerer Energie
bei einer oder mehreren sekundären Seedwellenlängen λs1 ... λsn,
wobei n ≥ 1
und λp1 < λsn ≤ λfk ist;
und wobei, wenn m > 1
ist, die Gesamtheit der einen oder mehreren sekundären Seedwellenlängen wenigstens
eine in der Nachbarschaft jeder Zwischenwellenlänge λl umfasst,
wobei l = m – 1,
m – 2
... 1 ist und die Anzahl der Ramanverschiebungen in der Übertragungsfaser
zwischen den Wellenlängen λl und
der letztendlich erforderlichen Wellenlänge λfk angibt;
und wobei die Gesamtheit der einen oder mehreren sekundären Seedwellenlängen jede letztendlich
erforderliche Pumpwellenlänge λfk umfasst;
und Kopplungsmittel, um Energie von der einen oder den mehreren
primären
Pumpquellen bei Wellenlängen λp1 ... λpl und
Energie von einer oder mehreren sekundären Seedwellenlängen λs1 ... λsn in
die besagte Übertragungsfaser
einzukoppeln.
-
Entsprechend
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Anwendung einer dynamischen
Steuerung des Betrages und/oder des spektralen Profils der verteilten
Ramanverstärkung
bei oder nahe dem Signaleinkopplungsterminal einer faseroptischen
Telekommunikationsstrecke zur Verfügung gestellt, bei dem gegenläufige verteilte
Raman-Vorverstärkung
am Empfangsende der Strecke durchgeführt wird, das umfasst: eine
oder mehrere Quellen mittlerer Leistung bei Wellenlängen λss1 ... λssj,
die kürzer
sind als die Pumpwellenlängen λf1–λfk,
die letztendlich erforderlich sind, um direkt verteilte Ramanverstärkung für die Signalwellenlängen zu
erzeugen; wobei die eine oder mehrere sekundäre Pumpquellen-Wellenlängen λss1 ... λssj um
einen Betrag, der der Ramanverschiebung in der Übertragungsfaser entspricht,
kürzer
sind als die Wellenlängen λfk;
verbliebene Strahlung bei der letztendlichen Direkt- Pumpwellenlänge λfk,
die sich in Richtung auf das Signaleinkoppelterminal ausbreitet
in Gegenrichtung in Bezug auf die Signale; Kopplungsmittel, um Strahlung
von der einen oder den mehreren sekundären Pumpquellen bei Wellenlängen von λss1–λssj in
die Übertragungsfaser
vom Signalankopplungsterminal der FaseRstrecke oder von einem Zwischenpunkt
nahe dem besagten Signalankopplungsterminal zur Ausbreitung in gleicher
Richtung in Bezug auf die Signale einzukoppeln; und Mittel zum selektiven Ändern der
Leistung und/oder der Wellenlängen
der einen oder mehreren sekundären Pumpquellen
bei Wellenlängen
von λss1–λssj,
um die Ramanverstärkung
dynamisch zu steuern, die die eingehende Strahlung bei der letztendlichen
direkten Pumpwellenlänge λfk erfährt und
dadurch dynamisch den Betrag und/oder das spektrale Profil der sich
ergebenden zusätzlichen
Ramanverstärkung
zu steuern, die die eingekoppelten Signale erfahren.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird leichter verständlich durch
Studium der folgenden Beschreibung zusammen mit den dazugehörigen Zeichnungen,
in denen:
-
1 eine
Kurvendarstellung ist, die die Entwicklung der Pumpleistung, des
Signals und des durch den Verstärkungsprozess
erzeugten Rauschens über
die Distanz vom Empfänger- oder Repeaterterminal
für verteilte
Ramanverstärkung
nach dem Stand der Technik zeigt;
-
2 ein
Blockschaltbild ist, das ein typisches Pumpschema nach dem Stand
der Technik zeigt, bei dem eine Pumpquelle über einen WDM Koppler an eine Übertragungsfaser
angeschlossen wird;
-
3 ein
Blockschaltbild ist, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt, es werden eine primäre
Pumpquelle und zwei Seedquellen in die Übertragungsfaser eingekoppelt;
-
4 eine
Kurvendarstellung ist, die die Entwicklung der primären Pumpleistung
und der zwei sekundären
Seedquellen-Wellenlängen über die
Distanz vom Empfänger-
oder Repeaterterminal zeigt;
-
5 eine
Kurvendarstellung ist, die den Vergleich der Entwicklung der letztendlichen
Pumpleistung, des Signals und des durch den Verstärkungsprozess
erzeugten Rauschens über
den Abstand vom Empfänger-
oder Repeaterterminal für Pumpen
nach dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
6 ein
Blockschaltbild ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt, wobei eine der Seedquellen ein Reflektor ist;
-
7 ein
Blockschaltbild ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt, wobei die Signale, die primäre Pumpquelle und die sekundären Seedquellen
sich in der gleichen Richtung ausbreiten;
-
8 ein
Blockschaltbild ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt, wobei sekundäre
Zwischenwellenlängenquellen
vom Signaleinkopplungsterminal eingekoppelt werden, um dynamische
Steuerung und Begradigung nahe am Anfang der Strecke zu erreichen.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die
Anwendung verteilter Ramanverstärkung
in faseroptischen Telekommunikationssystemen wurde angeregt durch
zwei Schlüsseleigenschaften
des Prozesses der verteilten Ramanverstärkung. Erstens bietet der Prozess
der verteilten Ramanverstärkung
verbessertes Verstärkerrauschverhalten
im Vergleich zu diskreter Verstärkung
aufgrund der Tatsache, dass die Verstärkung eher zurückliegend
auf der Übertragungsstrecke
als am Empfänger- oder Repeaterterminal
erfolgt. Zweitens erlaubt Ramanverstärkung Breitbandverstärkung, weil
das Ramanverstärkungsspektrum
verbreitert werden kann durch Einsatz von Mehrfach-Pumpwellenlängen. Ein
erfindungsgemäßes Pumpschema kann
die Vorteile des Rauschverhaltens der verteilten Verstärkung weiter
vergrößern und
kann in erhöhter Flexibilität und Kosteneffektivität bei der
Verbreiterung und dynamischen Steuerung des Ramanverstärkungsspektrums
resultieren.
-
Eine
allgemeine faseroptische Telekommunikations-Übertragungsstrecke, die verteilte
Ramanverstärkung
und ein typisches Pumpschema nach dem Stand der Technik anwendet,
wird in 2 gezeigt. Terminal 1 kann
entweder das Sendeterminal sein oder, alternativ dazu, ein Repeaterterminal.
Analog dazu kann Terminal 2 das Empfängerterminal oder ein Repeaterterminal
sein. Beim Pumpen mit einer einzigen Wellenlänge ist die Pumpquelle 3 normalerweise
entweder eine Raman-Faserlaser-Hochleistungspumpe (> 500 mW) oder eine
Anzahl von Polarisations- und/oder Wellenlängen-Multiplex-Laserdioden
relativ hoher Leistung (> 150
mW) ungefähr
gleicher Wellenlänge.
Die Wellenlänge
des Raman- Faserlasers oder der Multiplex-Laserdioden wird so gewählt, dass
direkt Ramanverstärkung
für die
eingehenden Signale in der Übertragungsfaser erzeugt
wird. Beispielsweise wird bei Signalwellenlängen im 1550 nm Bereich in
einer typischen Silica-Übertragungsfaser
eine Pumpquellen-Wellenlänge
von ~1455 nm gewählt.
Der Ausgang der Pumpquelle 3 wird in die Übertragungsfaser über einen Koppler 4,
wie einem Wellenlängenmultiplexer
(WDM = Wavelength Division Multiplex) eingekoppelt in gegenläufiger Richtung
in Bezug auf die Signale. Der sich ergebende charakteristische Kurvensatz
Leistung über
Distanz (in Bezug auf Terminal 2) für die Pumpe, die Signale und
das durch den Verstärkungsprozess
erzeugte Rauschen werden in 1 gezeigt.
Wie aus der Kurve Leistung über
Distanz für die
Signale ersichtlich, beginnt die Ramanverstärkung deutlich zu werden etwa
60 bis 70 km zurück auf
der Übertragungsstrecke
(wo das Absinken der Signalleistung aufgrund der normalen Übertragungsverluste
in der Faser beginnt, sich umzukehren) und erreicht ihren Spitzenwert
am Ende der Strecke, wo die Pumpleistung ein Maximum hat. Die Tatsache, dass
die Verstärkung über eine
Länge der Übertragungsfaser
verteilt ist (d.h., dass die Verstärkung in die Strecke "zurückgeschoben" wird), führt direkt
zu einer niedrigeren effektiven Rauschzahl als bei der Anordnung
eines diskreten Verstärkers
beim Terminal 2.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt Mittel zur Verfügung, mit denen die Verstärkung noch
weiter in die Strecke „zurückgeschoben" werden kann und
dadurch die Streckenrauschzahl noch weiter verbessert werden kann. 3 zeigt
eine allgemeine Übertragungsstrecke,
bei der verteilte Ramanverstärkung mit
Pumpmitteln entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung angewendet wird. In 2 und 3 beziehen
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente. Mit Bezug auf 3 wird
eine primäre
Pumpquelle 6 hoher Leistung (> 1 W) mit einer Wellenlänge λp in
den Faserabschnitt 12 über
einen WDM Koppler 7 angekoppelt, von wo das Pumpsignal
durch den WDM Koppler 11 läuft und in die Übertragungsfaser
in Gegenrichtung in Bezug auf die Signale eingekoppelt wird. Die
Ausgänge
der ersten und zweiten Laserdioden geringer Leistung (gewöhnlich einige
10 mW) der Seedquellen 8 und 9 bei Wellenlängen λs1 bzw. λs2 werden über einen
WDM Koppler 10 kombiniert, über den WDM Koppler 11 in
die Übertragungsfaser
eingekoppelt, um sich in gleicher Richtung mit der Pumpenergie bei λp auszubreiten.
-
Bei
dem obigen Ausführungsbeispiel
ist ein wesentliches Element der Erfindung, dass die Wellenlänge λp der
primären
Hochleistungspumpquelle kürzer
ist als die Wellenlänge(n) λfk,
die letztendlich erforderlich sind, um Ramanverstärkung für die Signalwellenlänge(n) λsig zu erzeugen.
Genauer gesagt, λp muss niedriger sein als λfk um
einen Betrag, der m aufeinander folgenden Ramanverschiebungen in
der Übertragungsfaser
entspricht, wobei m ≥ 1
ist. Wenn m > 1 ist,
ist auch erforderlich, dass es unter den sekundären Seedwellenlängen wenigstens
eine Quelle in der Nachbarschaft jeder Zwischenwellenlänge λl gibt,
wobei l = m – 1,
m – 2
... 1 ist und die Anzahl der Ramanverschiebungen in der Übertragungsfaser zwischen λl und
der letztendlich erforderlichen Wellenlänge λfk angibt.
Zusätzlich
ist erforderlich, dass die Gesamtheit der sekundären Seedquellen jede letztendlich
erforderliche Pumpwellenlänge λfk umfasst.
Beispielsweise können
zur Verstärkung
von Signalen im 1550 nm Bereich die Wellenlängen λp, λs1 und λs2 gewählt werden
mit 1276, 1355 bzw. 1455 nm. Bei diesem Beispiel ist die endgültig erforderliche Pumpwellenlänge λfk 1455
nm (was mit λs2 korrespondiert), 1276 nm ist kleiner als
diese Wellenlänge um
einen Betrag, der zwei aufeinander folgenden Ramanverschiebungen
in der Silicafaser entspricht, und die Zwischenwellenlänge 1355
nm ist um eine Ramanverschiebung von 1455 nm entfernt. In diesem Fall
stellt die Pumpenergie bei 1276 nm verteilte Ramanverstärkung für die Energie
zur Verfügung,
die von der Seedquelle geringer Leistung bei 1355 nm ausgeht, und
führt somit
dazu, dass hohe Leistung bei dieser Wellenlänge in der Faser aufgebaut
wird. Diese hohe Leistung bei 1355 nm ihrerseits stellt verteilte
Ramanverstärkung
für die
Energie zur Verfügung,
die von der 1455 nm Seedquelle ausgeht, was schließlich zu
der Anwesenheit hoher Leistung in der Faser bei einer Wellenlänge führt, die
für verteilte
Ramanverstärkung
von 1550 nm Signalen erforderlich ist.
-
Die
Tatsache, dass die hohe Leistung bei der für die Verstärkung der Signale erforderlichen
Wellenlänge
selbst auch durch verteilte Ramanverstärkung in der Übertragungsfaser
aufgebaut wird, anstatt dass sie von Terminal 2 eingekoppelt
wird, bedeutet, dass die Pumpleistung bei 1455 nm, und damit die
Signalverstärkung,
in einiger Entfernung vom Terminal ihren Spitzenwert haben, und
dass die Verstärkung
im Mittel weiter zurück
in der Übertragungsfaser
auftritt, als das bei dem Pumpschema nach dem Stand der Technik
von 2 der Fall ist. Die Entwicklung der Leistungswerte
bei den drei Wellenlängen
für das
oben beschriebene exemplarische Beispiel ist in 4 gezeigt.
Die Spitzenleistung bei der endgültigen
Pumpwellenlänge
von 1455 nm tritt in einer Entfernung von ungefähr 25 km vom Empfänger- oder
Repeaterterminal (Terminal 2) auf. 5 zeigt
die schlussendliche Pumpleistung, Signal- und Rauschleistung über der
Entfernung (in Bezug auf Terminal 2) für diesen beispielhaften Fall
im Vergleich zu denen, die bei der gleichen endgültigen Signalverstärkung erreicht
werden, wenn nach dem typischen Schema nach dem Stand der Technik
von 2 gepumpt wird. Beim Pumpen nach der vorliegenden
Erfindung beginnt die Ramanverstärkung
deutlich zu werden bei etwa 85 km vom Empfänger- oder Repeaterterminal
im Gegensatz zu etwa 70 km beim Fall des Pumpens nach dem Stand
der Technik. Die Signal- und
Rauschpegel zeigen einen Spitzenwert in einer Entfernung von etwa
15 km vom Terminal und fallen tatsächlich von dem Punkt ab aufgrund
der normalen Übertragungsverluste
in der Faser. Für
den Fall gleicher Verstärkung,
der in 5 gezeigt wird, ist die Rauschleistung, die den
Terminal erreicht, ungefähr
3 dB niedriger als beim Fall des Pumpens nach dem Stand der Technik.
Umgekehrt wird bei gleicher Rauschleistung, die den Empfänger- oder Repeaterterminal
erreicht, beim Pumpen nach der vorliegenden Erfindung die Signalleistung
ca. 3 dB höher
sein. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Mittel
zur Verfügung,
um das optische Signal/Rauschverhältnis am Empfänger- oder
Repeaterterminal einer Übertragungsstrecke
durch den Einsatz verteilter Ramanverstärkung deutlich zu verbessern.
-
Die
Wahl der Quellen-Wellenlänge
und Leistung, die Anzahl der primären Pumpquellen und sekundären Seedquellen
niedriger Leistung, die Energiequellen bei den Seedwellenlängen, die
Koppelmittel und die Fortpflanzungsrichtung in Bezug auf die Signale,
wie sie vorstehend für
das Ausführungsbeispiel
beschrieben sind, sind lediglich erläuternd für das zugrunde liegende Prinzip
der Erfindung: nämlich
dass die Energie bei der (den) Pumpwellenlänge(n), die für die Verstärkung des übertragenen
Signals (der übertragenen
Signale) erforderlich ist, innerhalb der Übertragungsfaser aufgebaut
und/oder verstärkt
und/oder modifiziert wird durch stimulierte Raman Streuwechselwirkungen,
die ausgelöst
werden durch Einkoppeln von Energie bei Wellenlänge(n), die kürzer sind
als die endgültige
Pumpwellenlänge(n)
um einen Betrag, der m aufeinander folgenden Ramanverschiebungen
entspricht, wobei m ≥ 1 ist.
-
Beispielsweise
könnten
als Vereinfachung des vorstehenden Ausführungsbeispiels eine primäre Pumpwellenlänge λp von
1355 nm und eine einzige Seedquelle bei 1455 nm gewählt werden.
Im Gegensatz dazu könnten
als Erweiterung des vorstehenden Ausführungsbeispiels eine oder mehrere
zusätzliche Seedquellen
mit Wellenlängen
im Bereich 1400 bis 1500 nm hinzugefügt werden, um das Verstärkungsspektrum,
das die Signale erfahren, zu verbreitern und anzupassen. Weiterhin
könnte
die Leistung dieser Seedquellen (und/oder ihre Wellenlänge(n), wenn
sie abstimmbar sind) selektiv gesteuert werden, um die Verstärkung und
ihr Spektralprofil dynamisch zu regeln (z.B., um Verstärkungsschwankungen
und Frequenzgangverschiebungen, die von Add/Drop Einrichtungen auf
dem Kanal verursacht werden, zu kompensieren). Es ist auch vorgesehen, dass
die primären
Pumpquellen und/oder die Zwischen-Seedquellen (bei diesem Beispiel
die Quelle bei 1355 nm), wenn diese vorhanden ist, so konfiguriert
wird, dass sie bei mehr als einer Wellenlänge emittiert und so auch ermöglicht,
dass die Leistung bei jeder Wellenlänge selektiv gesteuert wird,
damit ähnlich
das Verstärkungsprofil
verbreitert und geregelt werden kann. Alternativ dazu könnten primäre Mehrfachpumpquellen
und/oder Mehrfach-Zwischen-Seedquellen, alle bei verschiedenen Wellenlängen, ähnlich eingesetzt
werden. Weiterhin können primäre Pumpquelle(n)
und/oder sekundäre
Seedquelle(n) vorteilhaft eingesetzt werden zur dynamischen Steuerung
des Verstärkungsspektrums.
-
Für Fachleute
auf dem Gebiet der Ramanverstärkung
ist offensichtlich, dass das zugrunde liegende Prinzip der Erfindung
nicht auf Signale im 1550 nm-Bereich beschränkt ist. Es kann tatsächlich angewendet
werden, um Verstärkung
von Signalen in irgendeinem Telekommunikationsfenster mit optischer
Faser bereitzustellen. Beispielweise können als Variante des besonderen
Falls, der in Verbindung mit 3 beschrieben
ist, Signale im 1300 nm-Gebiet (dem ersten Telekommunikationsfenster) ähnlich verstärkt werden
durch entsprechende Wahl von λp, λs1 und λs2 mit 1115, 1175 bzw. 1240 nm.
-
6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die sekundäre
Seedquelle 8 von 3 bei der
Wellenlänge λs1 durch
Reflexionsmittel 19 ersetzt wird, beispielsweise einem
Bragg-Fasergitter mit einer Spitzenreflexion bei λs1.
In den 3 und 6 beziehen sich gleiche Bezugsziffern
auf gleiche Elemente. Wie in 6 gezeigt,
erfährt
die primäre
Pumpenergie hoher Leistung bei der Wellenlänge λp, während sie
die Übertragungsfaser
entlang fortschreitet, spontane Raman Streuung, die Strahlung mit
dem klassischen Ramanverschobenen Spektralprofil in der Faser in
beiden Richtungen erzeugt. Diese spontane Raman-Streustrahlung wird verstärkt, während sie
sich in der Faser ausbreitet, aufgrund der Ramanverstärkung, die
durch die hohe Leistung bei der Wellenlänge λp entsteht,
die in der Faser auftritt. Weiterhin erfährt die ausgehende spontane
Raman-Streustrahlung eine Rayleigh Rückwärts-Streuung und wird weiter
verstärkt,
während
sie sich in Richtung Terminal 2 ausbreitet. Die verstärkte spontane
Raman-Streustrahlung (hier mit ASE bezeichnet in Analogie zu "Amplified Spontaneous
Emission" (= verstärkte spontane
Emission) in optischen Verstärkern),
die zum Terminal 2 zurückläuft, wird über WDMs 11 und 10 zum
Reflektor 19 zurückgekoppelt.
In dem exemplarischen Fall, bei dem der Reflektor 19 ein
Bragg Fasergitter mit Spitzenreflexion bei λs1 ist,
wird der Teil des ASE Spektrums bei der Wellenlänge λs1 durch
die WDMs 10 und 11 zurück in die Übertragungsfaser reflektiert. Bei
diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird
von dem Reflektor 19 und einem verteilten Rayleigh Spiegel
eine Verstärkungshöhlung zur
Abstrahlung bei der gewünschten
Seedwellenlänge λs1 gebildet.
Das führt
dazu, dass wesentliche Energie bei der Wellenlänge λs1 in
der Übertra gungsfaser
in der Nachbarschaft von Terminal 2 auftritt, wo es die
gleiche Rolle spielt wie die eingekoppelte Seedquelle λs1 im
Beispiel von 3.
-
Die
genauen Details, die im Zusammenhang mit 6 diskutiert
wurden, sind nicht als Beschränkung
der Prinzipien dieses Ausführungsbeispiels
der Erfindung gedacht, nämlich,
dass die Energie bei einer oder mehreren der gewünschten Seedwellenlängen bereitgestellt
werden kann durch Einsatz von Reflexionsmitteln anstelle von Laserquellen
bei den Seedwellenlängen.
Beispielsweise können
wechselnde oder andere Reflexionsmittel verwendet werden, wie ein
Goldreflektor anstelle des Bragg Fasergitters, das im vorhergehenden
Beispiel diskutiert wurde. Weiterhin können Seedquellen völlig eliminiert
werden durch Einsatz der Reflexionsmittel anstelle beider Seedquellen
von 6. Bei einem weiteren Beispiel des Prinzips der
vorliegenden Erfindung kann die spektrale Breite des Raman ASE in der
Nachbarschaft jeder Zwischenwellenlänge λl wie auch
die endgültige
Pumpwellenlänge
im Gebiet um λfk vorteilhaft ausgenutzt werden. Der Ersatz
einer bestimmten Quelle (oder von bestimmten Quellen) durch Mehrfach-Bragg-Fasergitter,
von denen jedes eine andere Wellenlänge der Spitzenreflexion innerhalb
des ASE Spektrums aufweist, ermöglicht
das Anpassen und Verbreitern des Verstärkungsspektrums, das die Signale
erfahren. Für
die Verstärkung von
Signalen im 1550 nm Bereich und λp und λs1 gewählt
als 1276 bzw. 1355 nm könnte
beispielsweise eine Serie von zwei Bragg Fasergittern, eines mit
einer Spitzenreflexion bei 1430 nm und ein anderes bei 1455 nm anstelle
der einzigen Seedquelle bei 1455 nm verwendet werden, um das Verstärkungsspektrum
zu verbreitern. Das Anpassen des Verlaufs des Verstärkungsspektrums
kann durch die Auswahl des Werts des Reflexionsgrades des Bragg
Gitters bei jeder Wellenlänge
erreicht werden. Außerdem
kann, wenn die beiden Bragg Gitter parallel geschaltet werden (z.B.
je eines an eine Eingangsfaser eines kombinierenden WDM Kopplers),
dynamische Steuerung der Verstärkung
und deren Profil erreicht werden durch Einsatz eines variablen optischen
Abschwächers
(VOA) zwischen jedem Gitter und dem kombinierenden Koppler und selektives Ändern der
Abschwächung
jedes VOA.
-
7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Ausgänge
der primären
Pumpquelle und der Seedquellen niedriger Leistung in die Übertragungsfaser
eingekoppelt werden in gleicher Ausbreitungsrichtung in Bezug auf
die Signale. In den 3 und 7 werden
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Gleichgerichtete Pumpschemen
nach dem Stand der Technik führen zu
schlechter Verstärkerleistung
wegen nichtlinearer Effekte aufgrund hoher Ramanverstärkung unmittelbar
nach der Signalankopplung und/oder wegen Pump-Signal-Übersprechens.
Das Pumpen in gleicher Ausbreitungsrichtung nach der vorliegenden
Erfindung verringert den schädlichen
Einfluss nichtlinearer Effekte wegen der Tatsache, dass das Gebiet
mit der höchsten
Verstärkung
in einige Entfernung vom Signal- und
Pump-Kopplungsterminal in die Übertragungsstrecke
zurückgeschoben
wird.
-
8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, das eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels von 3 darstellt.
In den 3 und 8 werden gleiche Bezugsziffern
für gleiche
Elemente verwendet. Wie in 8 gezeigt,
wird der Ausgang einer zusätzlichen
Seedquelle 13 mit einer Wellenlänge λs3 mit
dem der Seedquelle 9 mit λs2 über einen
WDM Koppler 14 kombiniert. Der Zwei-Wellenlängen-Ausgang
des WDM Kopplers 14 wird dann mit dem Ausgang der Seedquelle 8 über WDM
Koppler 10 kombiniert und in die Übertragungsfaser über WDM
Koppler 11 eingekoppelt, um sich in gleicher Richtung wie
die Pumpenergie bei λp auszubreiten. Die Wellenlänge λs3 wird
so gewählt,
dass sie in dem Wellenlängenbereich
liegt, der schlussendlich für
die Signalverstärkung
erforderlich ist, aber ausreichend verschieden von denen aller anderen
Seedquellen (oder Quellen) in diesem Wellenlängenbereich, um zu erreichen,
dass das Verstärkungsspektrum,
das die Signale erfahren, verbreitert und angepasst wird. Zum Beispiel
könnte
in dem besonderen Fall, der im Zusammenhang mit 3 diskutiert
wurde, bei dem die Wellenlängen λp, λs1 und λs2 gewählt wurden
mit 1276, 1355 bzw. 1455 nm, λs3 mit 1430 nm gewählt werden, um die Verstärkungsbandbreite
auf der Seite der kurzen Wellenlängen
des C-Bandes zu vergrößern und/oder
das Verstärkungsprofil über dem
Ende der kurzen Wellenlängen
des C-Bandes abzuflachen.
-
Am
anderen Ende der Übertragungsstrecke werden
zwei sekundäre
Quellen 15 und 16 mittlerer Leistung (gewöhnlich im
Bereich von 100 bis 300 mW) mit Wellenlängen λss1 und λss2 über WDM
Koppler 17 kombiniert und in die Übertragungsfaser vom Terminal 1 über WDM
Koppler 18 eingekoppelt. Jede der Quellen 15 und 16 kann
ein Raman-Faserlaser sein oder eine einzelne Laserdiode oder eine
Anzahl von im Multiplexbetrieb arbeitenden Laserdioden von im Wesentlichen
gleicher Wellenlänge.
Die Wellenlängen λss1 und λss2 werden
gewählt,
um Ramanverstärkung
in der Übertragungsfaser
für die
verbleibende eingehende Energie bei den Wellenlängen λfk bereitzustellen,
die für
die Ramanverstärkung
der Signale erforderlich ist. So würden beispielsweise für die oben
diskutierte Wahl der Wellenlängen λss1 und λss2 im
1355 nm Bereich gewählt,
um Ramanverstärkung für die eingehende
Energie bei 1430 und 1455 nm zu erhalten. Die Verstärkung der
verbleibenden eingehenden Energie bei den Wellenlängen λfk stellt
einige zusätzliche
verteilte Ramanverstärkung
für die
ausgehenden Signale zur Verfügung.
Die genauen Werte der beiden Wellenlängen λss1 und λss2 werden
gewählt,
um die Fähigkeit
zu optimieren, das Spektralprofil dieser zusätzlichen Verstärkung durch
selektives Ändern
der Leistung dieser beiden sekundären Quellen anzupassen.
-
Dies
stellt dann ein Mittel dar zur Anwendung eines dynamischen Verstärkungssteuerungs- und Angleichungselements
(z.B. zur Kompensation von Verstärkungsschwankungen
und Frequenzgangänderungen,
die auf Kanal Add/Drop-Vorgänge
zurückzuführen sind)
nahe dem Signaleinkopplungsterminal statt beim Empfangsterminal,
wo es wegen der Laufzeiteinflüsse
weniger effektiv ist.
-
Die
genauen Details, die im vorstehenden Beispiel beschrieben worden
sind, sind lediglich beschreibend für diese Anwendung der Erfindung.
Zum Beispiel ist der Vorteil, der sich aus der Anwendung dynamischer
Steuerung der Verstärkung
und/oder des Verstärkungsprofils
beim Signaleinkopplungsterminal ergibt durch Einkoppeln sekundärer Pumpquellen,
um Verstärkung
für die
eingehenden signalverstärkenden
Pumpwellenlängen
zur Verfügung
zu stellen, nicht auf die Einkopplung von zwei sekundären Pumpen
beschränkt.
Allgemeiner gesagt, kann dieses Prinzip vorteilhaft angewendet werden
mit jeder Anzahl N sekundärer
Pumpen, wobei N ≥ 1
ist. Selbst in Fällen,
wo es nur eine eingehende Wellenlänge λfk gibt,
ermöglicht
dieses Prinzip die Anwendung dynamischer Steuerung der Verstärkung beim Signaleinkopplungsterminal.
Weiterhin kann diese Ausführung
der Erfindung auch vorteilhaft benutzt werden in Fällen, bei
denen das traditionelle direkte Raman-Pumpschema nach dem Stand
der Technik am Terminal 2 zur Anwendung kommt.
-
Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele sind
lediglich beschreibend für
die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung und sind
nicht als Beschränkung
des Schutzumfangs der Erfindung gedacht. Weitere Anordnungen und
Verfahren können
vom Fachmann auf diesem Gebiet realisiert werden, ohne vom Grundgedanken
und Schutzbereich der Erfindung, wie sie in den anhängenden
Ansprüchen
dargelegt sind, abzuweichen. Wenn beispielsweise der Reflektor 19 von 6 ein
Bragg Fasergitter ist, dessen Spitzenwert der Reflexion außerhalb des
Bandes des übertragenen
Signals liegt, könnte dieser
direkt in der Faserverbindung zwischen WDM 11 und Terminal 2 angeordnet
werden und WDM 10 könnte
entfallen. Ähnlich
könnte,
wenn die Seedquelle 9 durch ein Fasergitter ersetzt wird
und dessen Spitzenwert der Reflexion außerhalb des Bandes des übertragenen
Signals liegt, dieses auch in der Faserverbindung angeordnet werden,
was dazu führt,
dass WDM 11 entfallen kann. Als weiteres Beispiel könnte der
WDM Koppler 11 aus 3 und 8 durch
einen optischen Drei-Port-Zirkulator ersetzt werden und die primäre Pumpquelle 6 mit
dem Ausgang des WDM Kopplers 10 kombiniert werden über einen
zusätzlichen
WDM Koppler, eingesetzt zwischen WDM Koppler 10 und dem
Zirkulator. Dann wäre
der WDM Koppler 7 nicht länger erforderlich. Stattdessen
könnte
ein Inline Signal-Passbandfilter eingesetzt werden, um zurückgestreutes
Pumplicht zu unterdrücken. Diese
Anordnung würde
erlauben, dass die Seedquellen bei den letztendlich gewünschten
Pumpwellenlängen
mit ausreichendem Abstand eingekoppelt werden können, so dass die längeren endgültigen Wellenlängen die
Signalwellenlängen überlappen, die
unter der Verstärkungskurve
verstärkt
werden, die von der (den) kürzeren
endgültigen
Wellenlänge(n)
erzeugt wird (werden). Außerdem
kann das Pumpschema nach der vorliegenden Erfindung am Sendeende
einer Verbindung eingesetzt werden oder am Empfangsende, an einem
Zwischenpunkt oder an einer Kombination dieser Orte. Weiterhin können die
Seedquellen (kann die Seedquelle) in enger Nachbarschaft mit der
(den) primären
Pumpquelle(n) oder an einem anderen Ort entlang der Übertragungsfaser
angeordnet werden.
-
BEISPIEL 1
-
Es
wurde eine experimentelle faseroptische Übertragungsstrecke, die verteilte
Raman-Vorverstärkung aufweist,
im Wesentlichen wie in 3 gezeigt, aufgebaut. Die primäre Pumpquelle
war ein Hochleistungs-Raman-Faserlaser (MPB Communications Inc.,
Modell RRP-1276), der bei einer Wellenlänge von 1276 nm arbeitete.
Eine Laserdiode mit niedriger Leistung (1,5 mW), gefolgt von einem
optischen Isolator, und mit einer Wellenlänge von 1355 nm, wurde als
eine der sekundären
Seedquellen ausgewählt.
Das Hauptziel des Experiments war, einen direkten Vergleich des
Rauschverhaltens der verteilten Raman-Vorverstärkung, realisiert nach der
vorliegenden Erfindung mit dem Pumpschema nach dem Stand der Technik
zu ermöglichen.
Deshalb wurde ein Hochleistungs-Raman-Faserlaser (MPB Communications
Inc., Modell RRP-1455), der bei einer Wellenlänge von 1455 nm arbeitete,
eingesetzt, um entweder die Energie der zweiten Seedquelle niedriger Leistung
oder die direkte Hochleistungs-Pumpenergie für die Signale im 1550 nm Bereich
bereitzustellen. Der Ausgang dieses Ramanlasers wurde durch einen
Isolator in einen variablen optischen Abschwächer (VOA) geleitet, der zwischen
dem Laser und dem WDM Koppler 10 von 3 eingefügt war.
Die Änderung
der Einstellung dieses VOA ermöglichte ein
schnelles Umschalten von der Betriebsart als Seedquelle niedriger
Leistung auf direkten Hochleistungs-Pumpbetrieb. Im letzteren Fall wurden
sowohl der Hochleistungslaser bei 1276 nm als auch die Laserdiode
niedriger Leistung bei 1355 nm abgeschaltet. Die Übertragungsstrecke
bestand aus 100 km Corning LS+ Faser. Ein
einzelnes 2,5 Gbps Signal bei einer Wellenlänge von 1547,72 nm wurde über einen VOA
am entfernten Ende der Strecke in die Faser eingekoppelt. Das Signal,
das WDM 7 in 3 erregte, wurde in einen rauscharmen
optischen Empfänger
mit einem eingangsseitigen erbiumdotierten Faservorverstärker mit
einer Rauschzahl von 4 dB geleitet. Es wurden Bitfehlerraten- (BER
= bit error rate) Messungen durchgeführt für gleiche Raman-Verstärkungsbedingungen
für die
zwei Pumpschemata als Funktion der Einstellung des VOA am Sendeende der
Strecke.
-
Ohne
Ramanverstärkung
(d.h. bei abgeschalteten Pump- und Seedquellenlasern) wurde eine
BER von 10–9 für ein Signal-
Einkoppelleistung von –12,9
dBm erhalten. Bei dem direkten Pumpschema nach dem Stand der Technik
und einer 1455 nm Einkoppelleistung von 450 mW (entsprechend einer
optimalen Ramanverstärkung
von 24,2 dB) wurde die gleiche BER erreicht bei einer Signal-Einkoppelleistung
von –22,1
dBm, was einer Verbindungsabstandsverbesserung von 9,2 dB entspricht.
Bei erfindungsgemäßem Pumpen
wurde eine Verstärkung von
24,2 dB erreicht beim Einkoppeln von 2,1 W bei 1276 nm, 1,0 mW bei
1355 nm und 2 mW bei 1455 nm. In diesem Fall wurde eine BER von
10–9 bei
einer Signaleinkopplungsleistung von –24,4 dBm erreicht. Somit erzielt
ein Pumpschema nach der vorliegenden Erfindung eine weitere Verbindungsabstandsverbesserung
von 2,3 dB im Vergleich zu dem direkten Pumpschema nach dem Stand
der Technik.
-
Die
1355 nm Laserdiode wurde dann durch einen Goldreflektor ersetzt.
In diesem Fall wurde eine Verstärkung
von 24,2 dB erreicht beim Einkoppeln von 1,7 W bei 1276 nm und 2,5
mW bei 1455 nm. Unter diesen Bedingungen zeigten die BER Messungen wiederum
eine Verbindungsabstandsverbesserung von 2,3 dB im Vergleich zu
dem direkten Pumpschema nach dem Stand der Technik.
-
BEISPIEL 2
-
Die Übertragungsstrecke
von Beispiel 1 wurde modifiziert, indem die 100 km LS+ Faser
durch 100 km SMF-28 Faser ersetzt wurde. Außerdem wurden Vorkehrungen
getroffen, die ermöglichen,
dass die 1455 nm Eingangsfaser des WDM Kopplers 10 von 3 umgeschaltet
werden konnte vom Ausgang des VOA, der auf den 1455 nm Ramanlaser
folgt, auf eine mit Verbindern bestückte Faserlänge mit einem eingeschriebenen
Bragg Fasergitter mit hoher Reflexion (99,9%). Außerdem wurden
wegen der niedrigeren Ramanverstärkung
in der SMF-28 Faser (im Vergleich zur LS+ Faser)
alle Messungen mit dem Goldreflektor von Beispiel 1 anstelle der
Laserdiode bei 1355 nm durchgeführt.
-
Ohne
Ramanverstärkung
(d.h. mit abgeschalteten 1276 nm und 1455 nm Raman-Lasern) wurde
eine BER von 10–9 für eine Signaleinkoppelleistung
von –13,8
dBm erhalten. Bei dem direkten Pumpschema nach dem Stand der Technik
und einer 1455 nm Einkoppelleistung von 850 mW (entsprechend einer
optimalen Ramanverstärkung
von 24 dB) wurde die gleiche BER erreicht bei einer Signal-Einkoppelleistung
von –22,8
dBm, was einer Verbindungsabstandsverbesserung von 9 dB entspricht. Bei
erfindungsgemäßem Pumpen
und bei der Verwendung des 1455 nm Raman-Lasers zur Bereitstellung
der Seedquellenenergie bei 1455 nm wurde eine Ramanverstärkung von
24 dB erreicht beim Einkoppeln von 3 W bei 1276 nm, und 30 mW bei
1455 nm. In diesem Fall wurde eine BER von 10–9 bei
einer Signaleinkopplungsleistung von –25,0 dBm erreicht, was einer
weiteren Verbindungsabstandsverbesserung von 2,2 dB entspricht.
-
Der
1455 nm Raman-Laser wurde dann durch einen 1455 nm Bragg Fasergitterreflektor
ersetzt. In diesem Fall wurde eine Ramanverstärkung von 24 dB erreicht beim
Einkoppeln von 3 W bei 1276 nm und eine BER von 10–9 wurde
erreicht bei einer Signaleinkoppelleistung von –25,3 dBm entsprechend einer
Verbindungsabstandsverbesserung von 2,5 dB im Vergleich zu dem direkten
Pumpschema nach dem Stand der Technik.