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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung
des optischen Trägers
von auf einer Lichtleitfaser übertragenen
Signalen und auf eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.
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Bei
optoelektronischen Verbindungen wie denjenigen, die bei Fernmeldenetzen
mit hohem Durchsatz verwendet werden, erfordern die Eigenschaften
der verwendeten klassischen Bauteile eine sehr schwache Modulation
des optischen Trägers. Daraus
folgt, dass das von den Lichtleitfasern dieser Verbindungen übertragene
Signal aus einem geringen modulierten Teil und aus einer kontinuierlichen Komponente
mit hoher Amplitude besteht, wobei letztere die Ursache für die Sättigung
bestimmter Bauteile der Verbindungen sein kann, wie zum Beispiel
der Photodetektoren und der optischen Verstärker.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Reduzierung des optischen Trägers besteht
darin, selektiv den Überschuss
an optischem Träger
zu filtern, aber die verschiedenen Anwendungstechniken dieses Verfahrens
(Bragg-Filterung, Träger-Subtraktion,
usw.) führen
zu Verzerrungen und/oder Instabilitäten der übertragenen schnellen Signale.
Weitere Verfahren sind ebenfalls aus den Druckschriften
JP 2000091999 und
US 5781 327 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, das es ermöglicht,
die Modulationstiefe des optischen Trägers einer optischen Verbindung
zu erhöhen,
ohne dadurch Verzerrungen und/oder Instabilitäten der übertragenen schnellen Signale
hervorzurufen. Die vorliegende Erfindung hat auch eine Vorrichtung
zur Anwendung dieses Verfahrens zum Gegenstand, die einfach und
kostengünstig herstellbar
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht darin, die Modulationstiefe einer optischen Trägerwelle
zu erhöhen,
indem der Träger
durch Interferenz von zwei kohärenten
optischen Wellen in einem Lasermedium dynamisch reduziert wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Quelle von kohärenten
Lichtstrahlen, einen ausgehend vom Quellenstrahl zwei optische Strahlen
liefernden optischen Separator, einen elektrooptischen Modulator,
der mit einem der beiden Ausgänge
des Separators verbunden ist und dessen Modulationseingang mit einem
Generator eines modulierenden elektrischen Signals gekoppelt ist,
und ein Lichtleitfaser-Verstärkungsmedium
auf, von dem ein Ende mit dem Ausgang des Modulators und das andere Ende
mit dem anderen Ausgang des Separators verbunden ist.
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Diese
Vorrichtung zur Träger-Reduzierung verwendet
die Mischung von zwei Wellen von optischen Strahlen in einem nicht-linearen
Milieu und besteht darin, die Sättigung
des Verstärkungsgrads
im Verstärker
zu nutzen, um eine Verstärkungsfunktion aufgrund
des Lasergewinns mit einer nicht-linearen Funktion zu verbinden,
die das Einschreiben eines Netzes in den Verstärker erlaubt. Dieses Verstärkungsgrad-Netz
innerhalb des Verstärkers
wird in einer Reflexions-Konfiguration
des Verstärkers
erzeugt: Zwei Strahlen, d.h. ein "Pumpstrahl" und ein "Signalstrahl", treten über die entgegengesetzten Stirnseiten
in den Verstärker
ein und breiten sich entlang der Lichtleitfaser der Länge L aus.
Die Interferenzen der beiden Strahlen innerhalb des Verstärkers führen zu
räumlichen
Veränderungen
der Lichtstärke
entlang der Achse der Faser und erzeugen eine periodische Sättigung
des Verstärkungsgrads, was
zur Erzeugung des Netzes führt.
Das Vorhandensein dieses Netzes sowie die Verstärkung der beiden sich in Gegenrichtung
ausbreitenden Strahlen durch den Lasergewinn ermöglicht die Anzeige des Vorhandenseins
eines Kopplungsterms zwischen den beiden Wellen, der eine Neuverteilung
der Energie zu Wirkung hat. Im Betriebszustand "schwaches Signal" bewirkt diese Neuverteilung der Energie
eine Dämpfung
des "Signalstrahls", was sich dadurch
erklärt,
dass der Teil des Pumpstrahls, der sich in Richtung des Signals
beugt, eine Phasenverschiebung π aufweist
und von der Amplitude des Signalstrahls subtrahiert wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden anhand der ausführlichen
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele,
die nicht einschränkend
zu verstehen und in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das die Hauptelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt;
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild des Verstärkers der 1;
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3 ein
schematisches Schaltbild, das die Erzeugung eines Verstärkungsgrad-Netzes
in der Reflexions-Konfiguration im Verstärker der 1 darstellt;
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die 4A bis 4C Diagramme
der Simulationsergebnisse, die die Entwicklung der verminderten
Welle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt; und
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5 ein
vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Wie
in 1 dargestellt, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
hauptsächlich
auf: eine Lichtstrahlen-Quelle 1A mit
einer monochromatischen Lichtquelle 1, die über eine
Lichtleitfaser 2 mit einem optischen Separator 3 mit
zwei Ausgängen 3A und 3B verbunden
ist, einen elektro-optischen Modulator 4, zum Beispiel
vom Typ Mach-Zehnder, dessen Trägersignaleingang über eine
Lichtleitfaser 5 mit dem Ausgang 3A des Separators 3 und
dessen Ausgang über
eine Lichtleitfaser 6 mit einem Eingang 7A eines
Verstärkers 7 verbunden
ist, der in der Konfiguration des bidirektionalen Pumpens ist. Der
andere Eingang 7B des Verstärkers 7 ist über eine
Lichtleitfaser 8 mit dem Ausgang 3B des Separators 3 verbunden.
Die Quelle 1 kann zum Beispiel ein Halbleiterlaser oder
ein gepumpter Festkörperlaser
sein. Der Separator 3 ist derart, dass er am Ausgang 3A einen
Strahl F1 erzeugt, der eine geringere Amplitude als der Strahl F2
hat, der an seinem anderen Ausgang 3B erzeugt wird. Ein
modulierendes Signal s(t) wird an den Modulationseingang 4A des
Modulators 4 angelegt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist dieses Signal s(t) ein Signal, dessen Frequenz zwischen 1 MHz
und 40 GHz liegen kann. Dieses Signal s(t) moduliert zum Beispiel
die Stärke
des vom Ausgang 3A kommenden Strahls F1 wie auch des vom Ausgang 3A kommenden
Strahls F1A. So ist das vom Modulator 4 ausgehende Signal
F1A für
das zu transportierende Signal s(t) repräsentativ. Die Verstärkung durch
den Lasergewinn des Verstärkers 7 der
zwei sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreitenden Wellen, die
von den Strahlen F1A und F2 getragen werden, hat eine Neuverteilung
der Energie des das Signal s(t) tragenden optischen Strahls F1A zum
von 3B stammenden Strahl F2 zur Folge. Diese Neuverteilung der Energie
bewirkt die Verminderung des das modulierende Signal s(t) tragenden
Strahls F1A, aber ohne Auswirkung auf dieses Signal, das sich auf
einer anderen Frequenz befindet und eine sehr schwache Amplitude
hat (im Vergleich mit der Amplitude des Trägers), also unter der Verminderungsschwelle
liegt.
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In 2 ist
das vereinfachte Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Verstärkers 7 dargestellt. Dieser
Verstärker 7 weist
zwei Multiplexer 9, 10 auf. Die Ausgänge dieser
beiden Multiplexer sind über eine dotierte
Lichtleitfaser 11 einer Länge L miteinander verbunden.
Ein erster Eingang dieser Multiplexer 9, 10 ist über eine
Lichtleitfaser 12 bzw. 13 mit dem Eingang 7A bzw. 7B verbunden.
Der zweite Eingang dieser Multiplexer ist über eine Lichtleitfaser 14 bzw. 15 mit
einer Pumplaserquelle 16 bzw. 17 verbunden.
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Der
Verstärker 7 ist
in der Konfiguration des bidirektionalen Pumpens. Die Pumplaserquelle 16 liefert
einen Lichtstrahl F3 an den Multiplexer 9, und dieser Strahl
wird in gleicher Richtung wie der vom Eingang 7A kommende
Strahl F1A in die Lichtleitfaser 11 eingespeist. Der Multiplexer 9 ermöglicht es, über eines
der Enden der Faser 11 zwei Wellen auf dem gleichen optischen
Strahl F4 zu koppeln (oder zu trennen), der sich in der Faser 11 in
Richtung des Multiplexers 10 ausbreitet. Eine dieser beiden
Wellen ist auf der Wellenlänge
des Signalstrahls F1A, der über
den Eingang 7A ankommt (diese Wellenlänge beträgt zum Beispiel 1,55 μm, wenn die
Faser 11 mit Erbium dotiert ist). Die andere Welle ist
auf der Wellenlänge
des Pumplasers 16, zum Beispiel auf 0,98 μm.
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Die
Pumplaserquelle 17 liefert einen Lichtstrahl F5 an den
Multiplexer 10, und dieser Strahl F5 wird in zum (vom Eingang 7A kommenden)
Signalstrahl F1A sowie zum Strahl F4 entgegengesetzter Richtung
in die Faser 11 eingespeist. Dieser Multiplexer 10 ermöglicht es, über das
andere Ende der Faser 11 (also das dem Multiplexer 10 benachbarte
Ende) den vom Separator 3 über den Eingang 7B des Verstärkers 7 kommenden
Pumpstrahl F2 (dieser Strahl ist zum Beispiel auf der Wellenlänge von
1,55 μm
für eine
mit Erbium dotierte Faser 11) mit dem von der Pumplaserquelle 17 kommenden
Lichtstrahl F5 zu koppeln oder davon zu trennen, um einen Strahl F6
zu ergeben, der sich entgegengesetzt zum Strahl F4 ausbreitet. Die
Interferenz dieser beiden Strahlen F4 und F6 führt zu räumlichen Veränderungen
der Lichtstärke
entlang der Achse der Faser 11 und verändert lokal deren Lasergewinn.
In den dunklen Zonen zwischen den Interferenzstreifen wird die Populationsinversion
aufrechterhalten, während
sie in Höhe
der Leuchtstreifen abnimmt, wodurch ein räumliches Verstärkungsgrad-Netz
erzeugt wird. Da es sich hier um zwei sich in entgegengesetzter
Richtung ausbreitende kohärente
Wellen handelt, von denen eine (F6) stärker ist als die andere (F4),
führt die
stärkere
Welle durch Beugung an diesem Verstärkungsgrad-Netz zu einer sich
in gleicher Richtung wie die weniger starke Welle ausbreitenden
Welle, die aber eine Phasenverschiebung von π aufweist und sich so von der
Amplitude der schwächeren
Welle subtrahiert, was zu einer Verminderung dieser letzteren führt.
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Im
Schaltbild der
3 ist vereinfacht die Lichtleitfaser
11 dargestellt,
in der das Verstärkungsnetz
18 durch
Interferenz der optischen Strahlen F4 und F6 mit Amplituden A
1 bzw. A
2 erzeugt
wird. Diese beiden Strahlen kommen von der gleichen monochromatischen
Laserquelle
1 und treten in das Verstärkungsmedium
7 über seine
entgegengesetzten Enden
7A bzw.
7B ein. Gemäß den Literaturstellen: M.
T. Gruneisen, A. L. Gaeta and R. W. Boyd, "Exact theory of pump-wave propagation
and its effect on degenerate four-wave mixing in saturable-absorbing media", J. Optic. Soc.
Am. B 2, 1117–1121
(1985) einerseits und: A. Brignon and J.–P. Huignard, "Two-wave mixing in
Nd : YAG by gain saturation", Opt.
Lett., 18, 1639–1641
(1993) andererseits, lauten die gekoppelten Differentialgleichungen,
die die Entwicklung der Amplituden der Strahlen F4 und F6 im Inneren
des Verstärkungsmediums
angeben, wie folgt:
wobei die γ
n gegeben
werden durch
wobei gilt
D(z)
[(1 + IS(z))2 – I2M (z)]1/2 -
Isat wird als die Stärke definiert, die notwendig ist,
um den Laserverstärkungskoeffizienten
um einen Faktor 2 zu verringern, und α0 wird
als der Verstärkungskoeffizienten
bei schwachem Signal definiert, der für I << Isat erhalten wird, während I1 =
|A1|2 die Intensität der Welle
mit der Amplitude A1 (bzw. A2)
ist.
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In
Kenntnis der Amplituden der Wellen A1(0) und
A2(0) am Eingang des Lasermediums können diese
Gleichungen zahlenmäßig durch
das Runge-Kutta-Verfahren gelöst
werden.
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In
den 4A bis 4C ist
für eine
mit Erbium dotierte Lichtleitfaser der Länge L = 20 m die Entwicklung
der Intensitäten
der verminderten Welle mit komplexer Amplitude A1 (und
die das Signal s(t) trägt)
und der Pumpwelle mit komplexer Amplitude A2 dargestellt,
und zwar unter Zuhilfenahme der zahlenmäßigen Auflösung gemäß dem Runge-Katta-Verfahren.
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Die
Kurve der 4A ermöglicht es, den Wert der Intensität A1 2(0) am Eingang
der Lichtleitfaser 11 (neben dem Multiplexer 9)
zu bestimmen, wobei diese Intensität dem Verminderungsminimum
der Intensität
A1 2(L) mit und ohne
Verstärkungsnetz
entspricht. Die Abszissen des Diagramms sind in A1 2(0)/Isat aufgeteilt,
und die Ordinaten sind im Verhältnis
von A1 2(L) mit Netz
zu A1 2(L) ohne Netz
unterteilt.
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Die
Kurven der 4B und 4C stellen die
Entwicklung der Verminderung der das Signal s(t) tragenden Welle
(und somit den Energietransfer zur vom Eingang 7B kommenden
Pumpwelle) entlang der Faser 11 der Länge L = 20 m dar. Die Kurven 4A bis 4C beziehen
sich auf den Wert A1 2(0),
wie er gemäß 4A bestimmt
wird, und für
ein Verhältnis von
30 zwischen dem Quadrat der Pumpeingangsintensität und dem Quadrat der Intensität der s(t))
tragenden Welle.
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In 5 ist
das vereinfachte Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt, die die Vorteile hat, eine adaptive Vorrichtung "ganz Lichtleitfaser" zu sein, und abgesehen
von den Lichtleitfasern nur übliche
Bauteile der Telekommunikationssysteme mit Standardeigenschaften
aufzuweisen, wie zum Beispiel die optischen Verstärker, Koppler,
Pump- und Quellenlaser und Amplitudenmodulatoren.
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Die
Vorrichtung der 5 enthält eine Lichtquellenvorrichtung 19,
die zwei Lichtstrahlen liefert und einen Halbleiterlaser 20 aufweist,
der über
eine Monomode-Lichtleitfaser 22 mit einem optischen Koppler 21 verbunden
ist. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
sendet der Laser 20 auf der Wellenlänge von 1,55 μm mit einer
mittleren Leistung von 10 mW. Der Koppler 21 liefert an
seinen beiden Ausgängen 21A und 21B optische
Strahlen F7 bzw. F8 gleicher Intensität. Der Ausgang 21A ist über eine Lichtleitfaser 23 mit
einem elektro-optischen Modulator 24 (zum Beispiel aus
Lithiumniobat) vom Typ Mach-Zehnder
verbunden. Dieser Modulator 24 empfängt an seinem Modulationseingang 24B ein modulierendes
elektrisches Signal s(t), das den von 21A kommenden optischen
Strahl F7 mit einem geringen Modulationsgrad (zum Beispiel einem
Grad von weniger als 0,1) moduliert. Die Frequenz des Signals s(t)
kann zwischen einigen Megahertz und einigen zehn Gigahertz liegen.
Die Einfügungsverluste des
Modulators 24 betragen typischerweise etwa 6 dB. Der optische
Strahl F7A am Ausgang des Modulators 24 hat dann eine geringere
Amplitude als der Strahl F7 am Ausgang 21A des Kopplers 21.
Der Ausgang des Modulators 24 ist über eine Lichtleitfaser 24A mit
dem Eingang 25A eines Verstärkers 25 verbunden.
Der am Ausgang 21B des Kopplers 21 vorhandene
optische Strahl F8, der eine stärkere Amplitude
hat als der am Eingang 25A des Verstärkers 25 ankommende
Strahl F7A, da letzterer die Einfügungsverluste des Modulators 24 erfährt, geht in
eine Lichtleitfaser 26 über,
die ihn zu einem Isolator 27 führt. Die Länge der Faser 26 wird
so bestimmt, dass der Unterschied der optischen Strecke zwischen
der vom Strahl F7, F7A (zwischen dem Ausgang 21A und dem
Eingang 25B) durchlaufenen Strecke und der vom Strahl F8
(zwischen dem Ausgang 21B und dem Eingang 25B)
durchlaufenen Strecke kompensiert wird. Auf den Isolator 27 folgt ein
optischer Koppler 28, mit dem er über eine Lichtleitfaser 29 verbunden
ist. Der Koppler 28 ist über eine Lichtleitfaser 30 mit
dem Eingang 25B des Verstärkers 25 verbunden.
Der Ausgang 28A des Kopplers 28 ist über eine
Lichtleitfaser 31 mit einem optionalen Verstärker 32 verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers 32 ist über eine
Lichtleitfaser 33 mit einem optischen Detektor 34 verbunden.
Am Ausgang 34A des Detektors 34 wird ein elektrisches
Hochfrequenzsignal empfangen, das das Signal s(t) darstellt.
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Der
Koppler 28 ist so ausgebildet, dass der Strahl F8 ihn in
Richtung des Eingangs 25B durchqueren kann, und dass das
im Verstärker 25 verminderte
und durch 25B austretende Signal zum Ausgang 28A geleitet
wird, wobei der Isolator 27 dieses verminderte Signal daran
hindert, über
die Faser 26 zu verlaufen. Der Verstärker 25 ist hier der
gleiche wie in 2. Das Verstärkungsmilieu ist eine mit Erbium
dotierte Lichtleitfaser einer Länge
von 20 m. Die beiden Pumplaser sind Halbleiterlaser auf der Wellenlänge 0,98 μm. Die Wechselwirkungen
zwischen den sich in Vorwärtsrichtung
ausbreitenden Strahlen F7A und den sich in Gegenrichtung ausbreitenden Strahlen
F7B, die in den Verstärker 25 durch
den Eingang 25A bzw. 25B eintreten, haben die
Wirkung, dass der Strahl F7A über
die Lichtleitfaser 30 aus dem Verstärker 25 vermindert
austritt. Dieser verminderte Strahl geht durch den Koppler 28 und
die Lichtleitfaser 31, wird optisch in 32 verstärkt (wenn
nötig), und
gelangt zum Detektor 34. Der Verstärker 32 ist ein optischer
Verstärker,
zum Beispiel vom Typ SOA oder EDFA. Der Detektor 34 ist
eine schnelle Breitband-Photodiode (zum Beispiel von 1 MHz oder
sogar noch darunter, bis zu etwa 40 GHz) mit einer Empfindlichkeit
von etwa 1A/W. Diese Vorrichtung der 5 ermöglicht es
zum Beispiel, Modulationsgrade zu messen, die bis zu 100% gehen.
wobei gilt
