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Diese
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Verstärker und
im Besonderen auf breitbandige optische Verstärker. Die vorliegende Erfindung ist
in besonderer Weise auf Ramanverstärker anwendbar.
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Die
Ramanverstärkung
wird als besonders geeignet für
den Einsatz in breitbandigen und ultrabreitbandigen optischen Verstärkern betrachtet,
die zum Beispiel in Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystemen
eingesetzt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass, anders
als bei Erbium-dotierten Faserverstärkern, die Verstärkung in
einem zuvor festgelegten Wellenlängenbereich
bereitgestellt werden kann, indem eine geeignete Pumpwellenlänge gewählt wird.
Zusätzlich
kann die Ramanverstärkung entlang
einer Übertragungsfaser
verteilt werden, was ein verbessertes optisches Signal/Rausch-Verhältnis, eine
geringere Signaleingangsleistung und damit längere Übertragungsstrecken bietet,
ohne eine weitere Verstärkung
und/oder Wiederholung zu erfordern.
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Ein
Nachteil besteht jedoch darin, dass bei einem Ramanverstärker, der
nur eine einzige Pumpwellenlänge
verwendet, das Verstärkungsprofil
des Verstärkers
bei weitem nicht flach ist. Typischerweise ist das Verstärkungsprofil
eine Kurve mit einem Peak an der für die maximale Verstärkung gewählten Wellenlänge. Oft
ist es wünschenswert,
dass der Verstärker
in angemessener Weise über
einen Wellenlängenbereich
arbeitet, und daher können
zur Verbesserung der Flachheit des Verstärkerprofils über einen breiten
Wellenlängenbereich
mehrere Pumpquellen eingesetzt werden.
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1 zeigt
einen optischen breitbandigen Ramanverstärker nach dem Stand der Technik.
In 1 wird ein zu verstärkendes Signal in Faser 2 eingespeist.
Zusätzlich
wird der Faser 2 über
den Signal- und Pumpkoppler 4 Pumpstrahlung bereitgestellt.
Das daraus resultierende Signal wird an die Faser 6 ausgegeben.
N unterschiedliche Pumpquellen (allgemein angegeben [unter Ziffer] 8)
werden bereitgestellt, und jede Pumpquelle erzeugt Pumpstrahlung
einer anderen Wellenlänge
aus den anderen Pumpquellen, d. h., es wird eine Pumpstrahlung der Wellenlängen λ1, λ2, λ3 ... λN bereitgestellt.
Alle Quellen der Pumpstrahlung werden in einen Multiplexer 10 eingespeist,
der die Pumpquellen multiplext und die daraus resultierende Pumpstrahlung
breitbandiger Wellenlängen
an den Signal- und Pumpkoppler 4 überträgt. Auf diese Weise können Signale verstärkt werden,
die sich auf der mit dem Signalkoppler 4 verbundenen Faser
bewegen.
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Diese
Lösung
beruht auf der Annahme, dass die Ramanverstärkung, die sich aus diesen
mehrfachen Pumpen ergibt, in der Nähe der Überlagerung der Ramanverstärkungen
liegt, die sich aus der jeweils einzelnen Nutzung jeder der Pumpquellen
ergeben würde.
Deshalb kann durch die Wahl geeigneter Pumpwellenlängen und
Leistungen sowie durch die Berücksichtigung
der Verstärkung
zwischen den Pumpen ein angemessen flaches Verstärkungsprofil über ein
zuvor festgelegtes Wellenlängenband
erzielt werden.
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Diese
Lösung
weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die hauptsächlich von
dem Umstand herrühren,
dass mehr als eine Pumpquelle benötigt wird. Erstens sind Pumpen
teure Komponenten, und zweitens würde die Einbeziehung einer
Reihe von Pumpen die Größe der Verstärker wesentlich
erhöhen.
Außerdem
würde der
Einsatz einer Reihe von Pumpen die Anforderungen an den Pumpenantriebsstrom
erhöhen,
was dort besonders einschränkend sein
kann, wo der Verstärker
für den
Einsatz in faseroptischen Tiefseekabelsystemen vorgesehen ist, wo der
Leitungsstrom angemessen niedrig gehalten werden muss. Darüber hinaus
kann in Systemen, in denen eine höhere Zuverlässigkeit benötigt wird,
die Anzahl der einbezogenen redundanten Pumpen so hoch sein wie
die Anzahl der arbeitenden Pumpen, was wiederum das Problem von
Kosten, Größe und Komplexität für die Verstärker übermäßig verschärft.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Pumplaser für die Ramanverstärkung bereitzustellen,
der einige oder alle dieser Probleme abmildert.
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Eine
Mehrfachwellenlängen-Ramanstrahlungsquelle
ist aus
EP-A-0984532 bekannt;
demzufolge empfängt
die Quelle Pumpstrahlung mit einer gegebenen Wellenlänge und
liefert Ausgänge
mit zwei oder mehr längeren
Wellenlängen.
Dieses Dokument befasst sich jedoch nicht mit dem Problem, eine
flache Verstärkung
zu erzielen, wenn der Verstärker über eine
von den Pumpquellen bereitgestellte Vielzahl von Wellenlängen arbeitet.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt einen breitbandigen Ramanverstärker mit
abgeflachter Verstärkung
bereit, der eine Laserquelle der Pumpstrahlung und Mittel umfasst,
um aus der Pumpquelle eine Vielzahl von Pumpstrahlungswellenlängen zu
erzeugen, umfassend Mittel zur Bereitstellung einer einstellbaren
optischen Rückkopplung
zu der Pumpquelle auf einer Vielzahl von Strahlungswellenlängen. Alternativ
kann die Erfindung an Stelle der oder zusätzlich zu den Mitteln zur Bereitstellung
einer einstellbaren optischen Rückkopplung
Mittel zur unabhängigen
Leistungsregelung jeder Wellenlänge
umfassen.
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Der
Verstärker
kann einen Koppler umfassen, um die Pumpstrahlung in die Signalfaser
zu koppeln, und er kann die Faser umfassen (welche die Übertragungsfaser
sein kann), in der die Verstärkung stattfindet.
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Auf
diese Weise kann durch die Erzeugung einer Mehrfachwellenlängen-Pumpstrahlung aus
einer einzigen Pumpquelle die Anzahl der bereitzustellenden Pumpquellen
verringert werden. Vorzugsweise wird nur eine Pumpquelle einbezogen,
obwohl unter bestimmten Umständen
mehr als eine Pumpquelle bereitgestellt werden kann, wobei jede
Pumpquelle eine Vielzahl unterschiedlicher Pumpstrahlungswellenlängen erzeugt.
Eine (mehrere) weitere Pumpquelle(n) müssen gegebenenfalls auch für Redundanzzwecke
bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise
umfassen die Mittel zur Erzeugung der Pumpstrahlung einen oder mehrere
Reflektoren, zum Beispiel Gitter. Vorzugsweise erzeugt jeder Reflektor
eine optische Rückkopplung
zur Pumpe auf einer Wellenlänge,
und die Merkmale der Reflektoren werden so ausgewählt, dass
jeder Reflektor eine optische Rückkopplung
auf einer geeigneten Wellenlänge
erzeugt, die sich typischerweise von den durch die anderen Reflektoren
erzeugten Wellenlängen
unterscheidet.
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Vorzugsweise
umfasst der Verstärker
Regelungsvorrichtungen zur Regelung der optischen Rückkopplung,
z. B. durch Auswählen
einer oder mehrerer Wellenlängen
und/oder durch Dämpfung der
Strahlung einer (mehrerer) ausgewählter Wellenlänge(n).
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Vorzugsweise
umfassen die optischen Regelungsvorrichtungen ein oder mehrere variable
optische Dämpfungsglieder,
und besonders bevorzugt gibt es ein separates variables Dämpfungsglied
für jeden
Reflektor. In einer Ausführungsform
wird mindestens etwas Strahlung aus mehr als einem Reflektor gleichzeitig
in die Pumpe rückgekoppelt,
um eine Vielzahl von Pumpstrahlungswellenlängen zu erzeugen. Die auf diese
Weise auf einer Vielzahl von Wellenlängen erzeugte Pumpstrahlung
wird über
den Signal- und Pumpkoppler 4 in den Signalpfad gekoppelt.
Auf diese Weise kann ein breitbandiger optischer Verstärker bereitgestellt
werden, der immer noch weniger Pumpquellen (und vorzugsweise nur eine)
für die
Pumpstrahlung einsetzt. In solchen Ausführungsformen kann die Menge
der Dämpfung,
die von jedem variablen optischen Dämpfungsglied bereitgestellt
wird, in geeigneter Weise so ausgewählt werden, dass eine optische
Rückkopplung
mit geeignetem Pegel für
die Pumpe auf der entsprechenden Reflektorwellenlänge bereitgestellt
wird. Dadurch liefert die Pumpe Pumpstrahlung auf jeder Reflektorwellenlänge in einer
Größenordnung,
die von der optischen Rückkopplung
auf jener Wellenlänge
abhängt.
Durch die Regelung der optischen Rückkopplung von jedem Reflektor
kann ein wünschenswertes Pumpstrahlungsspektrum
erzielt werden, sodass ein geeignetes Gesamtverstärkungsprofil
für den
Verstärker
bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann ein wünschenswertes Verstärkungsprofil
ein flacher Frequenzgang sein, doch unter gewissen Umständen können andere
Profile erwünscht
sein. Die Merkmale jedes variablen Dämpfungsglieds können bestimmt oder
alternativ können
Regelungsvorrichtungen zur Regelung und/oder Einstellung der Dämpfung jedes variablen
optischen Dämpfungsglieds
in Abhängigkeit
von den Umständen
bereitgestellt werden.
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In
einigen Ausführungsformen
kann statt der Bereitstellung kontinuierlich variabler Dämpfungspegel
(oder sogar einer Vielzahl separater diskreter Dämpfungspegel) jedes variable
Dämpfungsglied nur
einen Dämpfungspegel
bereitstellen. Das bedeutet, dass zum Beispiel jedes variable optische
Dämpfungsglied
in der Tat ein optischer Schalter sein kann, der in Abhängigkeit
von der Einstellung des Schalters entweder im Wesentlichen keine
Dämpfung
oder im Wesentlichen 100% Dämpfung
bereitstellt. In solchen Ausführungsformen
können
die Schalter so eingestellt werden, dass jeweils nur einige oder
tatsächlich
nur einer der Reflektoren eine optische Rückkopplung an die Pumpe liefert.
Auf dieses Weise ist es möglich,
ein diskret auf die Wellenlänge
abstimmbares Verstärkerspektrum
bereitzustellen, das weniger Pumpquellen (und vorzugsweise nur eine)
einsetzt. Auch hier können
Regelungs vorrichtungen zur selektiven Regelung der Schalter bereitgestellt
werden, um die Gesamtkennlinie des Verstärkers zu verändern.
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Vorzugsweise
wird die Pumpquelle nach dem so genannten "Kohärenzkollaps"-Regime betrieben, sodass es möglich ist,
dass ein einzelner Pumplaser auf eine Vielzahl von Wellenlängen verriegelt
ist. Dies ist besonders für
die Ausführungsform geeignet,
die variable Dämpfungsglieder
einsetzt. Vorzugsweise ist die Pumpquelle temperaturstabilisiert,
damit dieses Verstärkungsspektrum
während ihres
Betriebs unverändert
bleibt.
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Alternativ
könnten,
statt eine Temperaturstabilisierung der Pumpquelle vornehmen zu
müssen, temperaturbedingte
Schwankungen in der Ausgangsleistung des Lasers durch die Regelung
des an den Laser gelieferten Eingangsstroms kompensiert werden.
Dies ist besonders in Verbindung mit der oben beschriebenen zweiten
Ausführungsform
geeignet, welche die optischen Schalter einsetzt.
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In
einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Bereitstellung eines breitbandigen Ramanverstärkers bereit,
welches den Schritt umfasst, dass aus einer Laserpumpquelle eine
Vielzahl von Wellenlängen
der Pumpstrahlung erzeugt wird, indem eine einstellbare optische
Rückkopplung
auf diesen Wellenlängen
bereitgestellt wird.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, auf denen:
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1 ein
Schaltbild eines optischen Verstärkers
nach dem Stand der Technik darstellt;
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2 ein
Schaltbild einer ersten Ausführungsform
eines optischen Verstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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3 ein
Schaltbild einer zweiten Ausführungsform
eines optischen Verstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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4 ist
eine dritte Ausführungsform
eines optischen Verstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In 2 wird
ein zu verstärkendes
Signal entlang der Übertragungsfaser 2 eingespeist.
Die Pumpstrahlung wird der Faser 2 über den Signal- und Pumpkoppler 4 bereitgestellt.
Die Ramanverstärkung findet
in der Faser 2 statt, und das verstärkte Signal wird auf einer
Faser 6 ausgegeben. Bereitgestellt wird eine einzige Pumpe 20,
die vorzugsweise eine Pumpstrahlung einer im Wesentlichen breiten
Bandbreite erzeugt. Die Pumpstrahlung wird in einen TAP-Koppler 22 eingespeist,
der seinerseits die Pumpstrahlung in einen weiteren Koppler 24 einspeist.
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Der
Koppler 24 koppelt die Pumpstrahlung mit einer Vielzahl
variabler optischer Dämpfungsglieder.
In 2 sind nur vier optische Dämpfungsglieder 26, 28, 30, 32 dargestellt,
doch selbstverständlich kann
eine beliebige Anzahl einbezogen sein. Jedes der optischen Dämpfungsglieder 26–32 ist
einem entsprechenden Reflektor 34–40 zugeordnet. Die Reflektoren
können
zum Beispiel Faser-Bragg-Gitter sein. Jedes Gitter 34–40 erzeugt
eine reflektierte Strahlung von entsprechend unterschiedlichen Wellenlängen, was
in 2 als λ1, λ2, λ3 und λN dargestellt
ist (was die Möglichkeit
von N Pumpwellenlängen
angibt).
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Die
Menge der von jedem Reflektor erzeugten Reflexionsstrahlung, die
zum Koppler 24 rückgekoppelt
wird, wird durch jedes der jeweiligen variablen optischen Dämpfungsglieder 26–32 geregelt.
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Die
kombinierte resultierende Reflexionsstrahlung wird anschließend in
die Pumpe eingespeist, um eine externe optische Rückkopplung
bereitzustellen. Die Parameter von einigen oder allen der variablen
optischen Dämpfungsglieder
können so
geregelt werden, dass das Gesamtspektrum der Pumpstrahlung verändert wird.
Auf diese Weise kann eine Mehrfachwellenlängen-Breitbandpumpe mit variabler
Kennlinie bereitgestellt werden. Die auf diese Weise – durch
optische Rückkopplung
aus einer Anzahl von Reflexionen auf unterschiedlichen Wellenlängen – erzeugte
Mehrfachwellenlängen-Pumpstrahlung
wird über
den Koppler 22 und den Signal- und Pumpkoppler 4 in
die Übertragungsfaser 2 eingespeist,
wo die Signalverstärkung
stattfindet.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Verstärkers
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Struktur ist der Ausführungsform von 2 ähnlich, und
für gleiche
Ausrüstungselemente
sind gleiche Kennzeichnungsziffern verwendet worden.
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In
dieser Ausführungsform
wurden jedoch die variablen optischen Dämpfungsglieder 26–32 von 2 durch
optische Schalter 42, 44, 46 und 48 ersetzt.
Wiederum sind nur vier optische Schalter dargestellt, es kann jedoch
jede geeignete Anzahl verwendet werden. In dieser Ausführungsform
können die
optischen Schalter so betätigt
werden, dass jeweils nur einige oder tatsächlich nur einer der Strahlungsreflektoren
betriebsfähig
mit der Pumpe verbunden ist. Auf diese Weise wird eine diskret auf
die Wellenlänge
abstimmbare Pumpe bereitgestellt.
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4 ist
ein Schaltplan, der eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in allgemeiner Form darstellt. Eine Mehrfachwellenlängenpumpe (allgemein
durch die Kennzeichnungsziffer 50 angegeben) besteht aus
einer Laserdiode 52, die mit einem Teilkoppler 54 gekoppelt
ist, der seinerseits mit Mitteln zur Bereitstellung einer einstellbaren
optischen Rückkopplung 56 unter
der Regelung einer Regelungsvorrichtung 58 gekoppelt ist.
Im Einsatz werden, wie zuvor beschrieben, die Mittel 56 eingesetzt,
um aus der Laserpumpquelle 52 eine Vielzahl von Pumpstrahlungswellenlängen zu
erzeugen, die danach mit einem (in 4 nicht
dargestellten) Verstärker
gekoppelt werden können.
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Die
obigen Ausführungsformen
werden lediglich als Beispiele dargestellt, und Varianten werden
für den
Fachmann ersichtlich sein.