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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken eines
optischen Signals. Überdies
betrifft sie einen optischen Signalverstärker.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Der
ständig
steigende Bedarf an Bandbreite in optischen Kommunikationssystemen
hat zu einer großen
Nachfrage nach Systemen geführt,
die in der Lage sind, in einem großen spektralen Fenster zu arbeiten,
zum Teil außerhalb
des Verstärkungsbandes, das
durch Erbium-dotierte Faserverstärker
bereitgestellt wird. Erbium-dotierte Faserverstärker arbeiten effektiv in einem
begrenzten Wellenlängenband.
Abhängig
von der Verstärkerkonfiguration
und dem Fasermaterial kann Erbium-dotierte Faser zur Verstärkung eines
optischen Signals verwendet werden, das über dem C-Band und L-Band der
Telekommunikation definiert ist, d.h. entsprechend von ungefähr 1528 nm
bis 1568 nm und weiter bis 1620 nm. Aber mindestens mehrere verschiedene
Erbium-dotierte Faserverstärkungskonfigurationen
wären erforderlich, um
diesen gesamten Bereich abzudecken, was hohe Kosten mit sich bringt.
Und noch stärkere
Einschränkungen
werden sich aus der Verwendung von Erbium-dotierten Faserverstärkern aufgrund
eines inhomogenen Verstärkungsspektrums
mit relativ hoher Rauschzahl ergeben. Andere mit Seltenerdmetallen dotierte
Faserverstärker
wurden zur Verstärkung
außerhalb
des Erbium-Wellenlängenbandes
verwendet. Aber sie haben im Vergleich zu Erbium-dotierten Verstärkern einen
sehr niedrigen Wirkungsgrad sowie andere technische Probleme, die
mit jedem speziellen Typ des Dotanden verbunden sind.
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Entsprechend
wurden andere Verstärkerkonfigurationen
entwickelt, um Wellenlängenbandbereiche
zu verstärken,
die größer als
die sind, die mit einzelnen Seltenerdmetall-dotierten Verstärkern verstärkt werden können. Ein
Beispiel, das die meiste Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, umfaßt einen Raman-Faserverstärker, wie
er verwendet werden kann, um die Reichweite von Weitverkehrssystemen mit
Dense Wavelength Division Multiplexed (DWDM) zu vergrößern. Ein
solcher Verstärker
wandelt Laserstrahlung von einem Pumplaser in einen anderen Wellenlängenbereich
mittels stimulierter Raman-Streuung
um. Konkret funktioniert die Raman-Streuung nach dem Prinzip der
Stokes'schen Lichterzeugung,
welche von der optischen Pumpfrequenz durch eine Energie nach unten
verschoben wird, die von den Schwingungsmoden in dem Atomaufbau
der Faser bestimmt wird. Mit anderen Worten ergibt sich die Raman-Verstärkung aus
der Wechselwirkung von intensivem Licht mit optischen Phononen in
dem Glas, und die Raman-Effekte führen zu einer Übertragung
von Leistung von einem optischen Strahl, oder der Pumpquelle, an
einen anderen optischen Strahl, oder das Signal. Während eines
Raman-Streuungseffektes
wird das Signal frequenzmäßig nach
unten verschoben, d.h. wellenlängenmäßig um einen
Wert nach oben verschoben, der durch die Schwingungsmoden des Glases
oder des Mediums bestimmt wird.
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In
Betrieb wird ein Pumplaser verwendet, um die Pumpstrahlung durch
ein Raman-Medium zu leiten. Die Signalstrahlung, die sich kollinear
mit der Pumpquelle ausbreitet, wird durch die stimulierte Raman-Streuung
verstärkt,
wodurch ein Pumpphoton stimuliert wird, um ein optisches Phonon
und ebenfalls ein Photon mit der gleiche Energie und Phase wie das
Signalphoton zu emittieren. Eine entgegengesetzte Ausbreitung der
Signalstrahlung bezüglich der
Pumpstrahlung ist ebenfalls denkbar. Der Wellenlängenbereich, in dem Verstärkung auftritt,
bezieht sich auf die Wellenlänge
der optischen Pumpquelle, und die Bandbreite wird durch die Phononenspektren des
Raman-Mediums bestimmt.
Eine direkte Folge davon ist, daß die Verstärkung bei jeder Wellenlänge in einer
optischen Faser durch die richtige Auswahl der Wellenlänge der
optischen Pumpquelle realisiert werden kann.
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Eines
der Probleme, die allgemein mit Raman-Verstärkern in Zusammenhang stehen,
ist die Forderung nach einer relativ großen Pumpleistung. Ein wesentlicher
Vorteil von Raman-Verstärkern ist jedoch
die niedrige Rauschzahl, die verbunden damit dicht an der Quantengrenze
von 3 dB liegt.
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In
WO02/056510 ist ein optischer Signalverstärker beschrieben, der einen
Raman-Faserverstärker
mit einem optischen Halbleiterverstärker beinhaltet. Er nutzt die
niedrige Rauschzahl, die in der Regel mit Raman-Verstärkern verbunden
ist, die signifikante Verstärkung
auf der optischen Signalwellenlänge, die
in der Regel mit optischen Halbleiterverstärkern verbunden ist, und die
Restpumpleistung von einem Raman-Verstärker, um die Sättigungsausgangsleistung
des optischen Halbleiterverstärkers
zu erhöhen.
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In "Raman amplification
using high-power incoherent semiconductor pump sources" von D. Vakhshoori
et al., PD47-1, OFC-2003, ist ein Raman-Kettenverstärker beschrieben,
der hochleistungsfähige
und spektral inkohärente
Halbleiter-Pumpquellen
verwendet. Über
250 mW der breitbandigen verstärkten
Spontanemission (Amplified Spontaneous Emission/ASE) wurden effektiv
von einer Halbleiterquelle für
Single-Space-Mode generiert. Dies wurde über die Kopplung eines optischen Pumpsignals
geringer Leistung von einer Halbleiter-ASE-Quelle in einen Halbleiterverstärker-Wellenleiter mit
langem Resonator erreicht, welcher in der Auslegung für die Leistungsverstärkung der
Mittenwellenlänge
optimiert wurde. Zwei Pumpquellen und vier optische Leistungsverstärkervorrichtungen
wurden nach Leistung und Wellenlänge
innerhalb des gleichen Schmetterlingspaketes multiplexiert. Dieses Dokument
zeigt deutlich, daß das
Ziel, die Wellenlänge über einen
großen
Bandbereich zu verstärken,
der mindestens das C-Band der Telekommunikation abdeckt, die Verwendung
von mehreren Halbleiterpumpen bedeutet, die auf verschiedenen Wellenlängen emittieren
und in der Polarisation multiplexiert sind. Dies ist unerläßlich mit
hohen Kosten wegen der Forderung verbunden, für mehrere Pumpen die Kosten zu
tragen, um mindestens das Verstärkungsspektrum
des C-Bandes abzudecken. Außerdem
bedeuten diskrete Wellenlängen
das Entstehen von Verstärkungsausschlägen in dem
Raman-Verstärkungsspektrum.
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Das
Dokument US 2002/0015220 offenbart Raman-Verstärkungen, in welchen das reflektierte ASE-Rauschen
als eine Pumpquelle verwendet wird.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Angesichts
des oben Genannten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Verstärkung für optische
Signale über
ein möglichst
breites Spektrum bereitzustellen, während ein Verfahren oder eine
Vorrichtung verwendet wird, die möglichst preiswert ist. Überdies
ist es ebenfalls eine Aufgabe, die Vorteile der breiteren und flacheren
Verstärkungsspektralbereiche
mit niedrigerer effektiver Rauschzahl zu nutzen, die mit der Raman-Verstärkung erhalten
wurden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Verwendung eines optischen Signalverstärkers erreicht, der einen optischen
Halbleiterverstärker
(Semiconductor Optical Amplifier/SOA) als Halbleiterquelle für verstärkte Spontanemission (ASE)
umfaßt.
Dieser SOA wird dann zum Erzeugen des optischen Pumplichtes verwendet,
welches verstärkt
werden muß,
um eine große
Pumpleistung zu erhalten.
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Mit
einer solch großen
Pumpleistung wird es möglich
sein, der Dämpfung
von optischen Signalen in einer Faserverbindung entgegenzuwirken,
die durch sie in einer Faserverbindung übertragen wurden, durch Anwenden
des verstärkten
Pumplichtes als Raman-Verstärkung
auf die optischen Signale in einer Faserverbindung.
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Eine
Ausführungsform
des optischen Signalverstärkers
gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der
SOA den höchsten
Reflexionskoeffizienten auf seiner hinteren Kristallfläche und
den niedrigsten Reflexionskoeffizienten auf seiner gegenüberlegenden
Kristallfläche
zeigt, die optisch mit einer Verbindungsfaser verbunden sein muß, wo sich
die optischen Signale ausbreiten werden. Auf solch eine Weise wird
der SOA optimiert, um als eine Halbleiter-ASE-Quelle zu dienen,
die optisches Pumplicht erzeugt.
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Die
Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Verstärken eines
optischen Signals, das die Kombination einer Halbleiter-ASE-Quelle zusammen mit
einer leistungsstarken Pumpquelle umfaßt. Letztere wird verwendet,
um das optische Pumplicht zu verstärken, das durch die Halbleiter-ASE-Quelle
zu erzeugen ist. Entsprechend wird das erhaltene verstärkte Pumplicht
verwendet, um als eine Raman-Verstärkung der optischen Signale
zu dienen.
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Vorteilhafte
Entwicklungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen, in
der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen beschrieben.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung wird nun weiter mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert:
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1 ist
eine schematische Ansicht eines kombinierten optischen Verstärkers, der
eine Faserverbindung zur Übertragung
der optischen Signale gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet;
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2 ist
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des optischen Signalverstärkers gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist
ein kombinierter optischer Verstärker
gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Er umfaßt
einen SOA 1, der als eine Halbleiter-ASE-Quelle zum Erzeugen
des optischen Pumplichtes verwendet wird. Letzteres wird optisch durch
einen Pumpkombinator 3 wie ein Wavelength Dense Multiplexer
WDM mit der Emission einer leistungsstarken Pumpquelle gekoppelt.
Sowohl das optische Pumplicht als auch die Emission der leistungsstarken
Pumpquelle 2 werden durch 4 an eine Verbindungsfaser 6 übertragen,
entgegengesetzt ausgebreitet durch optische Signale. Diese optischen
Signale werden am Eingang 7 empfangen und am Ausgang 9 der
Verbindungsfaser 6 gesendet. In dem in 1 gezeigten
kombinierten optischen Verstärker werden
die optischen Signale unter Verwendung eines WDM 8 nach
der Ausbreitung durch die Verbindungsfaser 6 so entkoppelt,
um in Wechselwirkung mit dem Pumplicht nur in der Verbindungsfaser 6 zu sein.
Dafür kann
es am besten sein, einen weiteren Isolator 5 zwischen beiden
verwendeten WDM 3 und 8 einzusetzen, um zu verhindern,
daß die
restlichen optischen Signale in die leistungsstarke Pumpquelle 2 und/oder
den SOA 1 hineinkommen.
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In 2 ist
eine genauere schematische Ansicht einer Ausführungsform des optischen Signalverstärkers gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt und nur als ein einzelnes Paket 9 dargestellt.
Es beinhaltet den SOA 1, der von dem Pumpkombinator 3 direkt
durch einen Isolator 10 isoliert ist. Mit diesem Pumpkombinator 3 ist
ebenfalls optisch die leistungsstarke Pumpe 2 verbunden,
die vorzugsweise ein Raman-Faserlaser
ist, der z.B. auf einer Wellenlänge möglicherweise
nahe 1340 nm oder 1360 nm zentriert ist. Ein zusätzlicher Eingang 11 ist
bereitgestellt, an den eine weitere zentrierte Pumpe gekoppelt werden
könnte,
um noch einen größeren Bandbereich abzudecken.
Das Pumplicht, das von dem Pumpkombinator 3 kommt, wird
von dem WDM 8 auf eine optische Verbindung 12 gerichtet,
um z.B. mit dem Ausgang der Verbindungsfaser 6 (in 2 nicht
gezeigt) gespleißt
zu werden. Das optische Signal wird nach der Ausbreitung durch die
Verbindungsfaser 6, wo es mit dem Pumplicht wechselwirken
wird, auf eine optische Verzweigung unter Verwendung des WDM 8 innerhalb
des Paketes 9 gerichtet. Der WDM 8 kann vorzugsweise
ein Breitbandmultiplexer sein. Dieser macht es möglich, z.B. ein Bandpaßfilter 13, dem
ein Isolator 14 vorangegangen ist, auf dem optischen Signal
als eine Art von Umwandlungsverfahren anzuwenden. Der Ausgang 15 des
Paketes 9 des optischen Signalverstärkers dient dazu, das bearbeitete
optische Signal zu erfassen.
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Der
optische Isolator 14 wird implementiert, um Schwingungen
zu verhindern, welche sich aus der Kombination der Raman-Verstärkung in
der Leitung mit Reflexionen ergeben könnten, die von den Endgeräten kommen. Überdies
ist das Bandpaßfilter implementiert,
um das mit dem optischen Signal vorhandene Raman-Rauschen zu unterdrücken. Aber die
Verwendung und der Ort der Isolatoren 4, 10, 14 sowie
der Kombinatoren 3, 8 und/oder des Filters 13 in 1 und 2 sind
nicht die alleinigen. Verschiedene Anordnungen könnten gewählt werden, die dennoch von
der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden.
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Ein
Verfahren zum Verstärken
eines optischen Signals gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auf der Verwendung eines Paketes ähnlich wie das in 2 gezeigte
Paket 9 basieren. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens
einer verstärkten
spontanen Halbleiter-Emissionsquelle, hier die SOA 1, zum
Erzeugen des optischen Pumplichtes. Ihr Verstärkungsmaximum kann neu mit
1450 nm genommen werden, um das optische Pumplicht über die
Raman-Verstärkung
in dem Telekommunikations-Übertragungsfenster
bei 1,55 μm
bereitzustellen, das unter anderem das (erweiterte) C-Band (ungefähr 1528
nm bis 1568 nm) umfaßt.
Da diese Ausgangsleistung in der Regel nicht hoch genug sein wird,
muß das
optische Pumplicht weiter verstärkt werden,
um eine signifikante Raman-Verstärkung des
optischen Signals bereitzustellen. Dies wird durch Bereitstellen
der leistungsstarken Pumpe 2 erreicht, die als eine Raman-Pumpe
zweiter Ordnung verwendet wird, wohingegen der SOA 1 die
sogenannte Primärpumpe
hinsichtlich des optischen Signals ist. Solch eine leistungsstarke
Pumpe 2 kann vorzugsweise ein Raman-Faserlaser sein, der
auf einer Wellenlänge
z.B. bei 1340 nm wie in dem Paket 9 in 2 zentriert
ist. Es könnte
aber eine andere leistungsstarke Pumpe genommen werden.
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Der
SOA 1 und die leistungsstarke Pumpe 9 sind entsprechend
die Raman-Pumpe erster und zweiter Ordnung relativ zu dem optischen
Signal. Das optische Signal hat in der Tat eine Frequenz nahe dem
Raman-Verstärkungsmaximum,
das durch die Pumpe erster Ordnung hervorgerufen wurde, welche selbst
eine Frequenz nahe dem Raman-Verstärkungsmaximum hat, das durch
die Pumpe zweiter Ordnung erzeugt wurde. Folglich wird das Licht, das
von der leistungsstarken Pumpquelle 9 zu emittieren ist,
wenn es sich durch eine Verbindungsfaser 6 zusammen mit
dem optischen Pumplicht ausbreitet, das von dem SOA 1 erzeugt
wurde, der als ASE-Quelle dient, eine Raman-Verstärkung des
optischen Pumplichtes sicherstellen. Letzteres wird seinerseits
wie eine Raman-Verstärkung
des optischen Signals dienen, das durch die Verbindungsfaser 6 übertragen
wird, sehr wirksam der gewöhnlich
während
der Ausbreitung durch eine Verbindungsfaser auftretenden Dämpfung entgegenwirken,
und die Raman-Verstärkung
der optischen Signale wird weiter entlang der Verbindungsfaser 6 verteilt
werden und so eine beachtliche Verbesserung der Rauschzahl möglich machen.
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Es
ist möglich,
das vorliegende Verfahren nicht nur für optische Signale, die in
dem C-Band der Telekommunikation definiert sind, sondern auch deutlich
darüber
hinaus wie über
das S-Band (um 1460 nm bis 1530 nm) und/oder L-Band zu verallgemeinern.
Dafür kann
es vorzuziehen sein, eine zusätzliche
Raman-Pumpe erster Ordnung hinzuzufügen, möglicherweise auch einen SOA,
der als eine ASE-Quelle dient, um so in der Lage zu sein, einen spektralen
Bereich der optischen Signale abzudecken, der z.B. das L-Band der
Telekommunikation umfaßt.
Das optische Pumplicht, das von der Raman-Pumpe erster Ordnung kommt,
wird auf die gleiche Weise wie die vorhergehende Raman-Pumpe erster
Ordnung (siehe 11 in 2) mit dem
Licht der Pumpe zweiter Ordnung kombiniert, um in der Verbindungsfaser
vor dem Einwirken auf die optischen Signale verstärkt zu werden.
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Die
Raman-Pumpe erster Ordnung wurde als verstärkte spontane Halbleiter-Emissionsquelle ausgewählt, d.h.
als SOA, der in der vorliegenden Erfindung für seine Emission der ASE und
nicht wie gewöhnlich
als ein Laser verwendet wird. Eine Optimierung solch einer Halbleiter-ASE-Quelle
kann durchgeführt
werden, bei der ihre hintere Kristallfläche den höchsten Reflexionskoeffizienten
aufweisen wird, während
ihre gegenüberliegende
Kristallfläche,
von wo das optische Pumplicht zu der Verbindungsfaser hin eingekoppelt
werden wird, den niedrigsten Reflexionskoeffizienten aufweisen wird.
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Überdies
kann solch eine Raman-Pumpe erster Ordnung vorteilhaft konstruiert
sein, um die annähernd
gleiche Verstärkung
bereitzustellen, wenn sie als Raman-Verstärkung in der Verbindungsfaser in
verschiedenen polarisierten Zuständen
des optischen Signals dient. Mit einer solchen unpolarisierten Emission
können
die gegenüber
Polarisation empfindlichen Effekte, die während der Übertragung der optischen Signale
durch die Verbindungsfaser auftreten, wirksam begrenzt werden.
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Wie
in beiden 1 und 2 gezeigt
ist, werden die Emissionen von der Raman-Pumpe erster Ordnung und
zweiter Ordnung kombiniert und eingekoppelt, in der Regel, aber
nicht ausschließlich, entgegengesetzt
gerichtet zu dem optischen Signal von der Empfangsseite. Und das
Licht, das von der Pumpe zweiter Ordnung kommt, wird das optische Pumplicht
von der Pumpe erster Ordnung während seiner
Ausbreitung durch die Verbindungsfaser 6 verstärken, d.h.
das optische Pumplicht wird entlang der Faser zunehmen. Schließlich wird
das verstärkte Pumplicht
seinerseits die Raman-Verstärkung
des optischen Signals erzeugen, das durch die Faserverbindung übertragen
wurde. Dieses Pumpschema hat den Vorteil, daß es das Signal auf eine dezentralere Weise
verstärkt,
verglichen mit dem Stand der Technik, d.h. wo eine einzelne leistungsstarke
Pumpe eingekoppelt wird. Folglich werden ein optischer Signalverstärker sowie
ein Verfahren zum Verstärken
eines optischen Signals gemäß der vorliegenden
Erfindung insbesondere ein besseres Rauschverhalten des Systems
ergeben.