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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Signalübertragung,
und im Besonderen betrifft diese Erfindung das Gebiet der optischen
Signalaufspaltung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Optische
Aufspalter sind Leistungsteiler, welche eine Anzahl "N" gleicher Signale durch N-faches Aufspalten
der Leistung des optischen Eingangssignals erzeugen. Beispielsweise
teilt ein optischer 1 × 2-Aufspalter
eine einzelne optische Signaleingabe in zwei optische Signalausgaben
mit jeweils der Hälfte der
Leistung des Eingangs- bzw. Eingabesignals. Diese optischen Aufspalter
zeigen jedoch einen zusätzlichen
Leistungsverlust, einen sog. Überschussverlust,
welcher durch die Leistungsineffizienz des Aufspalters bewirkt wird.
Im obigen Beispiel des optischen 1 × 2-Aufspalters würden die
zwei optischen Ausgabesignale 49,5 % statt 50 % der Leistung des optischen
Eingabesignals aufweisen, falls der Aufspalter einen Wirkungsgrad
von 99 % aufweist. Ein Beispiel dieser Art von Leistungsaufspaltung
ist in 1 gezeigt, wo PL den Überschuss-Leistungsverlust des optischen Aufspalters
bezeichnet.
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Der
Leistungsverlust, der sich aus dem Verarbeiten dieser optischen
Signale in optischen Aufspaltern ergibt, hat einen wesentlichen
Einfluss auf den Aufbau eines Telekommunikationsnetzwerks. Beispielsweise
könnte
ein Kabelfernsehen ("Cable Television"; CATV)-Netzwerk
einen Sender bzw. Übertrager
aufweisen, welcher 5 dBm Leistung ausgibt, und Empfänger mit
einer Eingabeleistungsempfindlichkeit von –25 dBm verwenden. Um die Zahl
der Sender zu minimieren, könnte
der CATV-Signalanbieter die Ausgabe eines Sender bzw. Übertragers mit
optischen Aufspaltern aufteilen, um so viele Abonnenten (Empfänger) wie
möglich
zu bedienen. Das sich ergebende Signalverteilungsnetzwerk könnte wie
in 2 gezeigt implementiert sein, wo das optische
Signal vom Sender 20 durch den optischen Aufspalter 22 senderseitig
aufgespalten wird, zu entfernten Verteilknoten 24 weitergeleitet
wird, erneut in optischen Aufspaltern 26 aufgespalten und
zu den Abonnenten 28 weitergeleitet wird.
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Falls
die verschiedenen optischen Aufspalter 1 × 16-Einheiten mit einem Überschussverlust
von 1 dB sind, würden
die optischen Aufspalter dann einen Verlust von 26 dB in das Netzwerk
einführen.
Weil die Leistungsmenge dieses Beispiels nur 30 dB (5-(-25)) beträgt, würde nur
eine Leistung von 4 dB für
andere Netzwerkverluste, wie beispielsweise einen Faser- und Verbindungsverlust,
und einen Verbindungssicherheitsbereich übrig bleiben. Für dieses
Beispiel hat der Verlust durch die optischen Aufspalter die Senderverfügbarkeit
auf 256 Abonnenten verringert, die sich ungefähr 6 km vom Sender entfernt
befinden. Falls die optischen Aufspalter den Aufspaltungsverlust
nicht zeigen würden,
würde der
einzige im Netzwerk auftretende Verlust durch eine Faserdämpfung und
Verbindungsstücke
bewirkt werden. Dieser niedrige Verlust würde es erlauben, die Zahl und
Position der Abonnenten, die von dem Sender bedient werden, auf
Werte zu erhöhen,
die für
den CATV-Betreiber aufgrund anderer als technischer Faktoren beschränkt wären.
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Die
folgenden europäischen
Patentanmeldungen beschreiben Erfindungen innerhalb des Gebiets
optischer Aufspalter und Verstärker,
welche von Interesse sind:
EP-A-0 474 426 von AT&T; EP-A-0 721
261, ebenfalls von AT&T;
EP-A-0 881 511 von TRW.
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EP-A-0
474 426 betrifft einen sternförmigen optischen
M × N-Koppler,
welcher eine Faserverstärkertechnologie
verwendet, um eine Verstärkung
von Nachrichtensignalen vorzusehen. Die Eingabesignale in den Stern
umfassen mindestens ein Nachrichtensignal und mindestens ein Pumpsignal.
Die Nachrichtensignale und die Pumpsignale kombinieren sich in einem
Verstärkerkopplungsbereich,
um eine Ausgabe des verstärkten
Nachrichtensignals zu bilden. Die verstärkten Nachrichtensignale werden
dann in die Vielzahl der N Ausgabewellenleiter eingekoppelt. In
einer Ausführungsform
wird eine Vielzahl von Faserverstärkern in einer 1:1-Beziehung
mit der Vielzahl von Ausgabewellenleitern gekoppelt. Da der Verstärker seiner
Natur nach reziprok ist, kann der Stern als eine bidirektionale
Vorrichtung verwendet werden. Die Koppler können auch so miteinander verbunden
sein, dass sie eine kaskadierte Anordnung bilden, die in der Lage
ist, eine erneute Verstärkung
der Nachrichtensignale bereitzustellen.
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EP-A-0
721 261 betrifft ein sich selbst verstärkendes Kommunikationssystem
oder Netzwerk, in welchem ein oder mehrere Bereiche eines Verstärkermediums
optisch durch einige oder alle Lichtquellen im System gepumpt werden.
Die Lichtquellen dienen sowohl als Signallichtstrahlquellen als
auch als Pumpquellen, welche den verstärkenden Bereichen Pumplichtstrahlen
bereitstellen. Das Übertragungsmedium
kann eine optische Faser sein oder kann ein freier Raum oder ein Übertragungsmedium
mit planaren Wellenleitern sein. Das verstärkende Medium kann in einer
Faser, einem Wellenleiter oder einer Mengen ("bulk"-)
Geometrie vorhanden sein und kann lokal an einer Pumpquelle vorhanden,
entfernt im System angeordnet oder sogar innerhalb des Übertragungsmediums
verteilt sein. Feste optische Pfade mit oder ohne Übertragung
eines gewissen Pumplichts durch einen optischen Verstärker werden verwendet.
Netzwerktopologieeinstellungen können vorgesehen
sein, wie beispielsweise Punkt-zu-Punkt-, Stern- oder Ringanordnungen. Kommunikationsaufwärtsverbindungen
und -abwärtsverbindungen
können
unter gleichen oder unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten; und eine Verstärkung kann
für die
Aufwärtsverbindung,
die Abwärtsverbindung
oder beide bereitgestellt werden.
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EP-A-0
881 511 betrifft einen aktiven optischen Signalaufspalter, der dazu
gedacht ist, optische Signalaufspaltungsverluste zu kompensieren. Der
aktive optische Signalaufspalter umfasst einen aktiven Multimode-Wellenleiter,
welcher eine Aufspaltung und Verstärkung eines optischen Eingangssignals
bereitstellt und eine Vielzahl von integrierten Einzelmode- bzw.
Monomode-Wellenleitern. Die Monomode-Wellenleiter können sowohl
mit aktiven als auch passiven Wellenleiterbereichen ausgebildet sein.
Ein Pumpstrom kann an den aktiven Monomode-Wellenleiterbereich angelegt
werden, um eine individuelle Amplitudensteuerung der N optischen
Ausgangssignale bereitzustellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beseitigt vorteilhafterweise die Nachteile
des Standes der Technik und stellt einen verlustfreien optischen
Aufspalter und ein System bereit, welches ein optisches Signal in
eine Vielzahl von optischen Ausgangssignalen ohne übergroßen Verlust
umwandelt. Unter einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
wird ein optischer Aufspalter bereitgestellt, der umfasst: eine Eingangslichtleitfaser
bzw. optische Eingangsfaser, welche ein optisches Signal entlang
eines optischen Signalpfads empfängt;
eine gestufte optische Aufspaltungsschaltung, die mit der Eingangslichtleitfaser entlang
des optischen Signalpfads verbunden ist und aus einer Vielzahl von
Laserionen-dotierten Lichtwellenleitern oder Lichtleitfasern gebildet
wird, die sich in eine Vielzahl von Ausgangslichtleitfasern verzweigen,
die so angeordnet sind, dass sie mindestens zwei sich verzweigende
Stufen bilden; und eine optische Pumpquelle zum Pumpen eines optischen Pumpsignals
entlang einer Ausbreitungsrichtung des optischen Eingangssignals
in eine erste Stufe der gestuften optischen Aufspaltungsschaltung,
um Laserionen der dotierten Lichtwellenleiter oder Lichtleitfasern
der optischen Aufspaltungsschaltung anzuregen und um eine Verstärkung über den
optischen Aufspalter zu verteilen, um jeglichen Signalverlust des
optischen Eingangssignals durch die mindestens zwei sich verzweigenden
Stufen zu vermeiden.
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In
verschiedenen beispielhaften Implementierungen weist das innerhalb
der Eingangslichtleitfaser empfangene optische Signal eine Wellenlänge von
ca. 1550 nm auf und wobei das optische Pumpsignal eine Wellenlänge von
ca. 980 nm oder ca. 1480 nm aufweist. Die Laserionen können Erbiumionen
umfassen. Es können
m sich verzwei gende Stufen vorhanden sein, wobei m mindestens oder
gleich 2 beträgt,
und wobei jede Verzweigung n Ausgänge dergestalt aufweist, dass
nm Ausgangslichtleitfasern vorhanden sind.
In einem bestimmten Beispiel ist n gleich zwei, so dass 2m Ausgangslichtleitfasern vorhanden sind.
Es ist ein Pumptreiber vorhanden, der so wirkt, dass er die optische
Pumpe antreibt. Eine Systemimplementierung kann mit einem Laserübertrager
zusätzlich
zum optischen Aufspalter vorgesehen sein.
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Verfahrensumsetzungen
sind ebenso offenbart und beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der nun folgenden genauen Beschreibung der Erfindung klar, wenn
sie im Lichte der beigefügten
Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
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1 einen
optischen Aufspalter nach dem Stand der Technik zeigt, welcher ein
optisches Eingangssignal in einer Vielzahl optischer Ausgangssignale
aufspaltet, aber einen zusätzlichen
Leistungsverlust aufgrund der Leistungsineffizienz des Aufspalters
aufweist.
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2 ein
weiteres optisches Aufspaltersystem nach dem Stand der Technik für ein Kabelfernsehen-Netzwerk
zeigt, das einen optischen Aufspaltungsverlust und eine verminderte
Senderverfügbarkeit
für Abonnenten
aufweist.
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3 einen
verlustlosen optischen Aufspalter zeigt, der ein optisches Verstärkerelement
in dem optischen Aufspalter verwendet.
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4 noch
einen weiteren verlustlosen optischen Aufspalter zeigt, welcher
ein optisches Verstärkerelement
nach einem optischen Aufspalten einführt.
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5 einen
erfindungsgemäßen verlustlosen
optischen Aufspalter und die grundsätzlichen Komponenten des gestuften
optischen Aufspalters zeigt.
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6 eine
Teilansicht des erfindungsgemäßen verlustlosen
optischen Aufspalters ist, der den gestuften optischen Schaltungsaufbau
darstellt.
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Genaue Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden genauer mit Bezug auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen
unterschiedlichen Formen ausgeführt
werden, und sollte nicht als auf die im Folgenden beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt angesehen
werden.
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Statt
dessen sind diese Ausführungsformen vorgesehen,
damit diese Offenbarung genau und vollständig offenbart wird und wird
den Umfang der Erfindung dem Fachmann vollständig zur Verfügung stellen.
Gleiche Zahlen beziehen sich durchgängig auf gleiche Elemente.
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Die
vorliegende Erfindung stellt vorteilhafterweise einen verlustlosen
optischen Aufspalter bereit, welcher den inhärenten Verlust der Leistungsaufspalter
nach dem Stand der Technik, welche beim Verarbeiten optischer Signale
verwendet werden, überwindet,
und zwar durch Implementieren eines Verstärkerelements in den Aufspalter,
um eine Verstärkung durch
die optische Aufspaltungsschaltung hinweg zu verteilen. Unter einem
bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung empfängt eine
gestufte optische Aufspaltungsschaltung ein optisches Signal und
eine optische Pumpenergie von einer Eingangslichtleitfaser und wird
aus einer Vielzahl von Erbiumionen-dotierten optischen Wellenleitern
gebildet, welche sich in eine Vielzahl von Ausgabelichtleitfasern verzweigen.
Eine optische Pumpquelle pumpt ein optisches Pumpsignal durch die
gestufte optische Aufspaltungsschaltung, regt das Erbium an und
verteilt die Verstärkung über den
optischen Aufspalter.
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Zur
Hintergrundinformation werden zuerst zwei Arten von verlustlosen
optischen Aufspaltern mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben,
bevor eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen verlustlosen
optischen Aufspalters, so wie er in den 5 und 6 gezeigt
ist, mit einer gestuften optischen Konfiguration gegeben wird.
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Ein
verlustloser optischer Aufspalter (Lossless Optical Splitter; LLS)
kann den inhärenten
Verlust eines herkömmlichen
Leistungsaufspalters durch Einbringen eines Verstärkerelements
in den optischen Aufspalter überwinden.
Zwei Architekturen zum Implementieren eines verlustlosen Aufspalters sind
in den 3 und 4 umgesetzt. In beiden in den 3 und 4 gezeigten
Ausführungsformen kann
der optische Aufspalter eine dotierte optische Faser bzw. Lichtleitfaser
verwenden, welche ein optisches Pumpsignal zum Erzeugen der Verstärkung empfängt. In
der in 3 gezeigten Architektur für den optischen Aufspalter 40 wird
das optische Eingangssignal mittels eines Verstärkerelements 42 um den
notwendigen Ausgleich verstärkt,
um den Verlust in dem folgenden 1 × N-Aufspalter 44 auszugleichen. Eine
optische Pumpe 46 gibt ein optisches Pumpsignal durch das
Verstärkerelement
mittels dem Fachmann bekannter Techniken aus. Eine ähnliche
Struktur ist im US-Patent Nr. 5,323,474 gezeigt, wo eine erbiumdotierte
Faser in einer vor dem optischen Aufspalter angeordneten Verstärkerschaltung
gepumpt wird. Der Nachteil dieser optischen Schaltungsarchitektur
ist, dass dann, falls das Eingangssignal hoch ist, welches der Fall
eines verlustlosen Aufspalters wäre,
der an der Ausgabe eines Senders 48 angeordnet ist, die
Signalpegel die Ressourcen des Verstärkerelements 42 überschreiten
und das optische Signal verzerrt wird.
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In
einer anderen Architektur 50 für verlustfreie optische Aufspalter,
die in 4 gezeigt ist, wird das optische Eingangssignal
zunächst
im 1 × N-Aufspalter 51 aufgespalten
und dann mit dem Faktor "N" in einem Verstärkerelement 52 um
den notwendigen Ausgleich verstärkt,
um den Verlust in dem folgenden optischen Aufspalter auszugleichen.
Wie vorher stellt die optische Pumpe 54 das Pumpsignal
zum Anregen jeglicher Dotiermittel und zum Erzeugen einer Verstärkung bereit.
Dieser Ansatz vermeidet die bei der Architektur aus 3 vorkommenden
hohen Signalpegel. Der sich ergebende niedrige Signalpegel und der
Verlust aufgrund dieses Leistungsaufspalters führen jedoch zu einem schlechten
Rauschwert für den
verlustlosen optischen Aufspalter, was die Qualität und Nützlichkeit
des optischen Signals verschlechtert. Darüber hinaus benötigt die
Architektur eine Zahl von N Verstärkern, was zu hohen Kosten, hohem
Leistungsverbrauch und großer
körperlicher Ausdehnung
führt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung überwindet
ein gestufter verlustloser Aufspalter 70 die in die 3 und 4 gezeigten
Nachteile und ist in den 5 und 6 gezeigt.
Das Eingangssignal vom Übertrager 72 wird
von einem Erbium-Wellenleiterverstärker verarbeitet, welcher gleichzeitige
schrittweise Signalverstärkungs-
und Leistungsaufspaltungsfunktionen bereitstellt. Ein bevorzugtes
Dotiermittel ist Erbium, welches in die Lichtleitfaser oder -wellenleiter
hineindotiert wird und bei 1.550 Nanometern (nm) betreibbar ist
und typischerweise bei ca. 980 oder ca. 1480 nm gepumpt wird. Eine
elektrische Leistung 74 betreibt einen Pumptreiber 76,
um die optische Pumpe 78 anzutreiben, welche ein optisches
Pumpsignal zum Anregen der Erbiumatome entlang der in 6 gezeigten
gestuften optischen Schaltung 80 pumpt. Dieser Ablauf ist
in 6 anhand des exemplarischen optischen Signalpfads
von Punkt A zu Punkt B dargestellt. In diesem Pfad erhält das optische
Signal eine Verstärkung
von 3 dB, die an das optische Signal durch den gepumpten Erbiumwellenleiter
angelegt wird. Das optische Signal wird auch in zwei optische Signale
in diesem Pfad aufgespalten, und zwar durch die Geometrie der Verlustwellenleiter,
was zu einer Dämpfung
des Signals von 3 dB führt.
Der resultierende Verlust des optischen Signals, während es
vom optischen Signal an Punkt A zur aufgespaltenen Kopie des optischen
Signals an Punkt B läuft,
beträgt
0 dB. Daher ist das optische Signal auf fast konstantem Pegel aufrechterhalten
worden, wodurch man sowohl die Sättigung als
auch die Rauschprobleme vermeidet, welche oben beschrieben und in
den 3 und 4 gezeigt worden sind. Darüber hinaus
wird durch Implementieren des Verstärkerelements mit einem bevorzugten
gestuften Erbiumwellenleiter der Nachteil des Mehrfachverstärkerelements,
das durch die in 4 gezeigte Architektur dargestellt
wird, ebenfalls vermieden.
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Unter
einem Gesichtspunkt der Erfindung ist die gestufte optische Aufspalterschaltung
mit 2m optischen Ausgängen ausgebildet, wobei m die
Zahl der Stufen bzw. Abstufungen ist, z.B. drei Stufen, wie in 6 gezeigt,
wo acht optische Signalausgänge
als Lichtleitfaserleitungen gezeigt sind. Aufgrund der gestuften
Schaltungskonfiguration wird das optische Pumpsignal durch die gestufte
optische Aufspalterkonfiguration in der gleichen Richtung wie das
optische Signal erzeugt. Typischerweise, wie es auch dem Fachmann
bekannt ist, liegt das optische Signal bei einer Wellenlänge von
ca. 1.550 nm und könnte mittels
eines Lasers mit verteilten Rückführungen oder
einer anderen dem Fachmann bekannten Quelle erzeugt werden. Das
optische Pumpsignal liegt typischerweise bei ca. 980 oder ca. 480
nm, wie es dem Fachmann bekannt ist.
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Viele
Modifikationen und andere Ausführungsformen
der Erfindung werden dem Fachmann einfallen, welcher von den dargestellten
Lehren in den obigen Beschreibungen und zugehörigen Zeichnungen profitiert
hat. Daher ist es so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf
die offenbarten bestimmten Ausführungsformen
beschränkt
ist und dass die Modifikationen und Ausführungsformen dazu gedacht sind,
vom Umfang der anhängenden
Ansprüche
umfasst zu werden.