DE60318142T2

DE60318142T2 - Verstärker für breitbandige optische Ramanverstärkung

Info

Publication number: DE60318142T2
Application number: DE60318142T
Authority: DE
Inventors: Clifford Flemington Headley; Marc Highland Park Mermelstein
Original assignee: Fitel USA Corp
Current assignee: Furukawa Electric North America Inc
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: US20030174938A1; EP1345345B1; CN1459659A; JP4018566B2; JP2003295238A; EP1345345A1; DE60318142D1; US6748136B2; CN1332484C

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Raman-Verstärker und insbesondere auf verteilte Raman-Verstärker mit flachem Gewinn über ein breites Band von Wellenlängen.
Hintergrund der Erfindung
Optische Übertragungssysteme setzen Wellenlängenmultiplexen (WDM, WDM = wavelength division multiplexing) ein, um die Informationshandhabung einer Optikfaserübertragungsleitung, gewöhnlich einer Langstreckenübertragungsleitung, zu erhöhen. Frühe WDM-Systeme waren mit einer relativ schmalen Wellenlängenbandbreite wirksam, die um 1550 Nanometer, z. B. 1530–1565 Nanometer, zentriert war und oft als das C-Band bezeichnet wurde. Dies ist die Wellenlängenregion, in der Standard-Silika-basierte-optische-Fasern eine optimal niedrige Absorption aufweisen.
Bei den meisten WDM-Systemen gibt es einen Kompromiss zwischen der Anzahl von Kanälen, die das System unterbringt, und der Kanaltrennung. Beide Ziele favorisieren ein breites Betriebsspektrum, d. h. einen breiten Bereich von Betriebswellenlängen.
In letzter Zeit wurden Systeme entworfen, die den wirksamen Betriebswellenlängenbereich weit über das C-Band-Übertragungsband hinaus erweitern. Bezüglich einer Wellenlänge ist das neue Band, das als das L-Band bezeichnet wird, verschiedenartig definiert, für den Zweck der vorliegenden Beschreibung umfasst es jedoch 1570–1610 Nanometer. Eine Verwendung dieser hinzugefügten Wellenlängen erweitert die Kapazität von WDM-Systemen wesentlich. Es wird eine fortlaufende Anstrengung unternommen, das wirksame Fenster einer Betriebswellenlänge weiter auf über 1610 nm zu erweitern, beispielsweise auf 1620 nm. Ein Erfolg dieser Anstrengungen hängt von dem Finden von Komponenten, beispielsweise Verstärkern, ab, die über diesen breiten Wellenlängenbereich einen wirksamen Betrieb vorsehen.
Bei WDM-Systemen ist es wichtig, über einen gleichmäßigen Gewinn über das gesamte WDM-Wellenlängenband zu verfügen. Mit einem Erweitern des Betriebswellenlängenbereichs auf längere Wellenlängen wird dieses Ziel schwieriger zu erreichen. In letzter Zeit wurden neue Arten von Optikfaserverstärkern entwickelt, die unter Verwendung von Raman-Streuung wirksam sind. Der herausragendste von diesen ist ein verteilter Verstärker, der über die normale Übertragungsspanne als Wanderwellenverstärker wirksam ist. Raman-Streuung ist ein Vorgang, durch den Licht, das auf ein Medium einfällt, zu Licht mit einer niedrigeren Frequenz als das einfallende Licht umgewandelt wird. Die Pumpphotonen regen das Molekül bis zu einem virtuellen Pegel (resonanzfreien Zustand) an. Der Molekularzustand fällt schnell auf einen niedrigeren Energiepegel ab, wobei ein Signalphoton emittiert wird. Da das Pumpphoton auf einen virtuellen Pegel angeregt wird, kann ein Raman-Gewinn für eine Pumpquelle bei einer beliebigen Wellenlänge auftreten. Die Differenz der Energie zwischen dem Pump- und dem Signalphoton wird durch die molekularen Vibrationen des Grundmaterials dissipiert. Diese Vibrationspegel bestimmen die Frequenzverschiebung und die Form der Raman-Gewinn-Kurve. Die Frequenzdifferenz (oder Wellenlängendifferenz) zwischen dem Pump- und dem Signalphoton wird die Stokes-Verschiebung genannt. Bei Ge-dotierten Silika-Fasern beträgt die Stokes-Verschiebung, bei der der Maximalgewinn erhalten wird, –13 THz. Aufgrund der amorphen Beschaffenheit von Silika ist die Raman-Gewinn-Kurve bei optischen Fasern ziemlich breit.
Da Raman-Streuung bei einer beliebigen Wellenlänge auftreten kann, kann dies bei einem Telekommunikationssystem, das mehrere Signalwellenlängen umfasst, durch ein Verwenden von Raman-Pumpen bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen zum Verstärken der Signale zum Vorteil ausgenutzt werden. Der Gewinn, der durch eine gegebene Wellenlänge erfahren wird, ist die Überlagerung des Gewinns, der durch sämtliche der Pumpen bereitgestellt ist, unter Berücksichtigung der Übertragung von Energie zwischen den Pumpen aufgrund von Raman-Streuung. Durch ein ordnungsgemäßes Gewichten der Leistung, die bei jeder der Raman-Pumpwellenlängen bereitgestellt ist, ist es möglich, ein Signal-Gewinn-über-Wellenlänge-Profil zu erhalten, bei dem eine kleine Differenz zwischen dem Gewinn, der durch unterschiedliche Signalwellenlängen erfahren wird, besteht (diese Differenz wird die Gewinnwelligkeit oder Gewinnflachheit genannt).
Eine Menge von Pumpen wurde und wird bei vielen unterschiedlichen Experimenten erfolgreich verwendet. Es gibt bei diesem Ansatz jedoch ein anhaltendes Problem. Eine nachteilige nicht-lineare Wirkung, die Vier-Wellen-Mischung (FWM, FWM = four-wave mixing) genannt wird, kann manchmal auftreten. Falls bei Telekommunikationssystemen eine FWM in dem Signalband auftritt, kann dies zu Übertragungsfehlern führen. Mit einem Erhöhen der Anzahl von Pumpen in einem Mehrpumpen-Wellenlängen-Raman-Verstärkungsschema erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von FWM.
Die schädlichen Wirkungen einer Vier-Wellen-Mischung wurden erkannt. Kürzlich wurde ein Ansatz hinsichtlich eines Verringerns dieser Wirkungen vorgeschlagen [ EP 1 148 666 A2 ]. Bei diesem Ansatz werden die Pumpwellenlängen entweder zusammen einem Zeitmultiplexen (TDM, TDM = time division multiplexing) unterzogen, oder die Frequenz der Pumpquelle wird moduliert (FM, FM = frequency modulated – frequenzmoduliert). Da die verschiedenen Pumpwellenlängen nur für kleine Strecken entlang der Faser überlappen, sollte eine FWM zwischen den Pumpwellenlängen eliminiert oder in hohem Maße verringert werden.
Zwar würde dieser Ansatz eine FWM eliminieren, die nominalen Pumpleistungserfordernisse bei diesem System sind jedoch relativ hoch. Ferner erhöht ein TDM einer relativ großen Anzahl von Pumpwellenlängen, von denen einige mit relativ hoher Leistung wirksam sind, die Kosten des Systems wesentlich. Ein Verringern einer dieser Erfordernisse würde die Attraktivität eines Verwendens einem Multiplexen unterzogener Pumpwellenlängen zum Steuern nachteiliger FWM-Wirkungen wesentlich erhöhen. Zusätzlich würde ein Raman-Verstärker, der bei einem Erzeugen eines gleichmäßigen und flachen Gewinns über das C + L-Band wirksam ist, einen wichtigen technologischen Fortschritt bei einem DWDM-Systementwurf (DWDM = dense WDM, dichtes WDM) darstellen.
Darlegung der Erfindung
Die Erfindung basiert teilweise auf einer Erkenntnis, dass die FWM-Wirkung nicht für alle Pumpwellenlängen gleichmäßig ist. Wir analysierten die Pumpwellenlängen und -leistungen, die erforderlich sind, um dem C- und L-Band eines verteilten Raman-Verstärkers einen flachen Raman-Gewinn bereitzustellen. Ausgehend von dieser Analyse wurden bestimmte Pumpwellenlängen identifiziert, bei denen eine FWM besonders verschlimmert ist. Einige Wellenlängen, die kürzesten Wellenlängen in dem Pumpspektrum der Beispiele, die unten beschrieben werden, erzeugen eine geringe oder keine FWM. Es wurde auch beobachtet, dass die Leistung, die bei den längeren Wellenlängen erforderlich ist, wesentlich geringer ist als bei den kürzeren Wellenlängen. Der Grund hierfür ist, dass die kürzeren Wellenlängen die längeren Wellenlängen in der Übertragungsspanne pumpen. Dieser Erkenntnis folgend kann die Eliminierung einer nachteiligen FWM unter Verwendung von TDM oder FM nur für die Pumpwellenlängen, die zu diesem Vorgang beitragen, realisiert werden. Die Menge von Leistung, die durch dieses TDM- oder FM-Schema benötigt wird, ist verringert, da es das Pumpen der längeren Wellenlängen durch die kürzeren Wellenlängen in der Übertragungsspanne ausnutzt. Die längeren Wellenlängen verfügen bereits über niedrigere Einkopplungsleistungen. Ergebnisse umfassen Folgendes:

1) Durch ein TDM von weniger Pumpen werden der Schaltungsbedarf bezüglich jeder Pumpe sowie die benötigten Spitzenleistungen verringert.
2) Der Frequenzbereich, der von einer FM-Quelle erforderlich ist, wird verringert.
3) Mit weniger zu modulierenden Pumpen verringern sich die Gesamtkosten der Elektronik.
4) Durch ein Verschmälern des Frequenzbereichs, der für ein Pumpmultiplexen erforderlich ist, werden die Erfordernisse an eine Gewobbelte-Wellenlänge-Quelle verringert, wodurch diese Option attraktiver und durchführbarer wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Raman-Optikfaserverstärkers;
2 ist eine schematische Ansicht der optischen Faser, die bei dem Verstärker von 1 verwendet wird;
3 ist eine schematische Darstellung des Betriebs eines Optikfaser-Raman-Prozesses;
4 ist eine Kurve, die das normierte Raman-Gewinn-Spektrum für eine optische Faser einer Ge-dotierten Silika zeigt;
5 ist eine grafische Darstellung von Pumpleistung über Pumpwellenlänge für eine flache Gewinnwelligkeit in dem C+L-Band von 140 km von optischer Faser;
6 ist eine grafische Darstellung von Verstärkergewinn über Pumpwellenlänge unter Verwendung der Pumpe von 5;
7 ist eine schematische Darstellung eines möglichen Vier-Wellen-Mischungsprozesses (FWM-Prozesses);
8 ist ein schematisches Diagramm einer Mehrwellenlängenpumpe unter Verwendung von Pumpwellenlängen, die einem Zeitmultiplexen (TDM) unterzogen wurden;
9 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Vier-Wellen-Mischung und einer Pumpwellenlänge zeigt;
10 ist eine schematische Darstellung eines Raman-Verstärkers unter Verwendung der Prinzipien der Erfindung;
11 ist eine schematische Darstellung einer frequenzmodulierten Mehrwellenlängenpumpe(FM-Mehrwellenlängenpumpe);
12 zeigt ein Beispiel einer gepaarten Pumpquelle gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 zeigt die TDM-Struktur für die Pumpwellenlängen von 12; und
14 und 15 zeigen alternative Anordnungen für die Pumprichtung.
Detaillierte Beschreibung
Auf 1 Bezug nehmend stellt die gezeigte Anordnung eine Verteilter-Raman-Optikfaserverstärker-Struktur mit einer Übertragungsspanne 11, gewöhnlich einer optischen Faser, dar. Die Übertragungsspanne 11 stellt eine Faser einer beträchtlichen Länge, gewöhnlich mehr als 1 km, dar. Für Fachleute ist es offenbar, dass die Figuren bei der vorliegenden Beschreibung nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind und die Elemente schematisch gezeigt sind. Für Zwecke eines Veranschaulichens der Details der Beschreibung ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, d. h. ein verteilter Verstärker, bei dem das Verstärkermedium die normale Übertragungsspanne ist. Die Prinzipien der Erfindung gelten auch für diskrete Verstärker, bei denen das Verstärkungsmedium ein zweckgebundenes Stück einer optischen Faser oder ein anderes geeignetes Wanderwellenmedium ist. Das Stück einer Faser, das durch 11 dargestellt ist, weist vorzugsweise eine Länge von zumindest 500 m auf, um die optischen Wechselwirkungen zu ermöglichen, die eine Signalverstärkung erzeugen. Der Verstärker wird gewöhnlich End-gepumpt und gegen-gepumpt, wie es in der Figur durch eine Pumpquelle 13 gezeigt ist, die durch einen Koppler hindurch, der schematisch bei 12 gezeigt ist, in den Kern der Faser gekoppelt ist. Typische Pumpwellenlängen betragen 14xx Nanometer, können jedoch auch bei anderen Wellenlängen liegen. Das Eingabesignal ist durch 14 dargestellt, und das verstärkte Signal, das ausgegeben wird, ist bei 16 gezeigt.
Bezug nehmend auf 2 ist ein Ende der optischen Faser gezeigt. Diese Sicht ist auch für einen Querschnitt, der an einer beliebigen Position entlang der Faser genommen wird, repräsentativ. Die Faser weist einen Kern 21 und eine Umhüllung 22 auf. Der Kern der Faser ist gewöhnlich Ge-dotierte Silika. Alternativ kann er mit Phosphor oder anderen indexmodifizierenden Verunreinigungen oder Kombina tionen von diesen dotiert sein. Die Umhüllungsschicht ist vorzugsweise ein Material mit hohem Silikaanteil, d. h., zumindest 85% SiO₂. Bei einigen bevorzugten Strukturen kann sie reine Silika oder Fluor-dotierte Silika sein. Die Faser weist auch eine Schutzbeschichtung 23 auf, gewöhnlich eine Polymerbeschichtung.
Die Abmessungen der Struktur, die in 2 gezeigt ist, können beträchtlich variieren. Der Umhüllungsschichtdurchmesser liegt gewöhnlich in dem Bereich von 50–400 μm und vorzugsweise bei 70–300 μm. Der Kerndurchmesser beträgt gewöhnlich 2–12 μm.
Optikfaser-Raman-Verstärker sind gemäß dem Prinzip wirksam, dass Licht, das in einer Silika-basierten optischen Faser gestreut wird, eine niedrigere Wellenlänge aufweist als die des einfallenden Lichts. Dies ist in 3 schematisch veranschaulicht, wo ein Pumpphoton, ν_p, ein Molekül bis zu einem virtuellen Pegel (resonanzfreien Zustand) anregt. Das Molekül fällt schnell auf einen niedrigeren Energiepegel ab, wobei ein Signalphoton, ν_s, emittiert wird. Ein wichtiger Punkt, auf den hingewiesen wird, ist, dass Raman-Gewinn für eine Pumpquelle bei einer beliebigen Wellenlänge auftreten kann, da das Pumpphoton auf einen virtuellen Pegel angeregt wird. Die Differenz der Energie zwischen dem Pump- und dem Signalphoton wird durch die Molekularvibrationen des Grundmaterials dissipiert. Diese Vibrationspegel bestimmen die Frequenzverschiebung und die Form der Raman-Gewinn-Kurve. Die Frequenzdifferenz (oder Wellenlängendifferenz) zwischen dem Pump- und dem Signalphoton wird die Stokes-Verschiebung genannt. Bei Fasern einer Ge-dotierten Silika beträgt die Stokes-Verschiebung, bei der ein Maximalgewinn erhalten wird, ~13 THz. Aufgrund der amorphen Beschaffenheit von Silika ist die Roman-Gewinnkurve bei optischen Fasern ziemlich breit. Das normierte Raman-Gewinn-Spektrum für eine Ge-dotierte optische Faser ist in 4 in Abhängigkeit von einer Frequenzverschiebung von der Pumpe gezeigt.
In einem Telekommunikationssystem, das mehrere Signalwellenlängen aufweist, können Raman-Pumpen bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, um die Signale zu verstärken, da Raman-Streuung bei einer beliebigen Wellenlänge stattfinden kann. Der Gewinn, der durch eine gegebene Wellenlänge erfahren wird, ist die Überlagerung des Gewinns, der durch sämtliche der Pumpen bereitgestellt ist, unter Berücksichtigung der Übertragung von Energie zwischen den Pumpen aufgrund von Raman-Streuung. Durch ein ordnungsgemäßes Gewichten der Leistung, die bei jeder der Raman-Pumpwellenlängen bereitgestellt ist, ist es möglich, ein Signal-Gewinn-über-Wellenlänge-Profil zu erhalten, bei dem eine kleine Differenz zwischen dem Gewinn, der durch unterschiedliche Signalwellenlängen erfahren wird, besteht. Diese Differenz wird die Gewinnwelligkeit oder Gewinnflachheit genannt und kann in dB als (Gmax-Gmin) ausgedrückt werden.
Ein Beispiel eines Mehrpumpensystems, das entworfen ist, um einen flachen Gewinn zu erzeugen, ist in 5 gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Leistungspegel, die bei den längeren Wellenlängen erforderlich sind, wesentlich geringer als die bei den kürzeren Wellenlängen sind. Eine Verwendung dieser Mehrpumpenanordnung in einem WDM-Raman-Verstärker erzeugt das Ausgabe-WDM-Signal, das in 6 gezeigt ist, wobei ein relativ flacher Gewinn über das C- und L-Band erhalten wird.
Wie zuvor beschrieben bringt die Verwendung mehrerer Pumpen das Problem einer Vier-Wellen-Mischung (FWM) ein. Eine Vier-Wellen-Mischung tritt auf, wenn sich Photonen einer oder mehrerer Wellen verbinden, um Photonen mit anderen Frequenzen zu erzeugen. Die neuen Frequenzen sind derartig bestimmt, dass Gesamtenergie und Impuls (Phasenanpassung) bewahrt wird. Eine Möglichkeit hierfür ist in 7 schematisch gezeigt. In dem Kontext der vorliegenden Beschreibung entsprechen die drei Wellenlängen, νp1, νp2 und νp3, zwei oder mehr einzelnen Pumpwellenlängen. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass eine FWM aus einer nicht-linearen Wechselwirkung zwischen drei Wellenlängen resultiert, die in der hier gegebenen Veranschaulichung drei Pumpwellenlängen sind. Es ist auch möglich, dass eine FWM mit nur zwei Pumpwellenlängen und einer dritten Wellenlänge von einer anderen Quelle, die sich in dem Medium bewegt, auftritt.
In einem Telekommunikationssystem können störende Wellenlängenkomponenten, die aus einer FWM in dem Signalband resultieren, zu Übertragungsfehlern führen. Anders als bei Raman-Streuung, bei der die Phasenanpassungsbedingungen automatisch erfüllt sind, hängt die Effizienz einer FWM von einer geeigneten Wahl von Frequenzen und Brechungsindizes ab. Es gibt drei Beiträge zu der Phasenfehlanpassung: Materialdispersion, Wellenleiterdispersion und Faser-Nicht-Linearität. Durch ein Manipulieren der Position der Null-Dispersionswellenlänge (daher die Wellenleiterdispersion) der Faser kann eine sehr effiziente FWM auftreten. In der Praxis lässt sich dies entweder auf ein Aufweisen einer Pumpwellenlänge nahe der Dispersionsnull der Faser oder zwei Pumpen mit Wellenlängen auf jeder Seite der Dispersionsnull übertragen. Es wird daher klar, dass sich mit einem Erhöhen der Anzahl von Pumpen in einem Mehrpumpen-Wellenlängen-Raman-Verstärkungsschema die Wahrscheinlichkeit einer FWM erhöht.
Ein wirksamer Ansatz hin zu einem Verringern von FWM-Wirkungen ist, die mehreren Pumpwellenlängen einem Zeitmultiplexen (TDM) zu unterziehen. Da die verschiedenen Pumpwellenlängen nur für kurze Strecken entlang der Faser überlappen, werden eine FWM und andere nachteilige nicht-lineare Wirkungen, die aus Wechselwirkungen zwischen den Pumpwellenlängen hervorgehen, eliminiert oder wesentlich verringert. Eine TDM-Mehrpumpquelle ist in 8 schematisch gezeigt. Laserdiodenpumpquellen 71, 72 und 73, die bei 1480 nm, 1494 nm bzw. 1508 nm wirksam sind, werden zusammen synchronisiert und einem Multiplexen in separate Zeitschlitze unterzogen, die durch 74, 75 und 76 dargestellt sind. Die Pumpquellen 71 und 72 werden in einem WDM-Kombinierer 81 kombiniert, und die Pumpquelle 73 wird 71 und 72 bei einem WDM-Kombinierer 82 hinzugefügt. Zwar hilft der Ansatz, der in 8 dargestellt ist, bei einem Steuern einer FWM und anderer nachteiliger nicht-linearer Wirkungen, jedoch bestehen dabei mehrere Probleme.

1) Erstens sind große Mengen von Spitzenpumpleistungen erforderlich, um die gleiche Gewinnflachheit aufrechtzuerhalten. Dies kann zu anderen nachteiligen nicht-linearen Wirkungen führen.
2) Mit einem erforderlichen Erhöhen der Anzahl von TDM-Pumpen erhöhen sich auch die Schaltgeschwindigkeitserfordernisse. Dies erhöht auch die benötigte Spitzenleistung.
3) Ähnlich bei einer FM-Quelle. Mit einem sich erhöhenden breiteren Bereich von Signalwellenlängen erhöhen sich sowohl die Rate, mit der die Quelle moduliert werden müsste, als auch die erforderliche Leistung.
4) Ein Modulieren der Dioden ist kostenaufwendiger als ein Betreiben dieser mit einer gleich bleibenden Ausgabe; für ein TDM-Schema bedeutet dies, dass sich die Kosten, die der Pumpe zugehörig sind, mit der Anzahl von Wellenlängen erhöhen.
5) Für ein FM-Schema ist der erforderliche große Frequenzbereich eine ernsthafte Beschränkung der Möglichkeiten zum Entwickeln einer derartigen Quelle.

Ein Erleichtern dieser Bedingungen gemäß der Erfindung folgt zwei wichtigen Entdeckungen. Erstens tragen nicht sämtliche der Pumpen zu einer nachteiligen FWM bei. Bei einem typischen Fall, der in 9 gezeigt ist, sind nur die drei längsten Wellenlängen bei dem FWM-Mechanismus betroffen. Die Figur zeigt rückgestreute Energie über Wellenlänge in Nanometern für fünf WDM-Kanäle in dem Wellenlängenbereich von 1525 nm bis 1550 nm. Es gibt zwei Kurven, die durchgezogene Kurve stellt eine Rückstreuung ohne Signal dar, und die gestrichelte Kurve stellt eine Rückstreuung mit dem Signal ein dar. Die Pumpwellenlängen liegen bei 1445 nm, 1466 nm, 1480 nm, 1494 nm und 1508 nm. Diese Veranschaulichung betrifft nur einen Teil des C-Bands, jedoch zeigen andere Abschnitte des C+L-Bands qualitativ ähnliche Wirkungen. Eine Analyse zeigt, dass die Rückstreuungsspitze bei ungefähr 1527 nm das Ergebnis einer FWM zwischen den Pumpwellenlängen 1508 nm, 1494 nm und 1480 nm ist. Bezug nehmend auf 7 entsprechen diese νp1, νp2 bzw. νp3. Die Spitze bei 1527 entspricht νFWM. Die Spitze bei etwa 1537 nm ist das Ergebnis einer FWM, bei der νp1 1494 nm beträgt, νp2 1480 nm beträgt und νp3 1445 nm beträgt. Die Spitze bei etwa 1540 nm ist das Ergebnis einer FWM, bei der νp1 1508 nm beträgt, νp2 1494 nm beträgt und νp3 1466 nm beträgt. Ausgehend von 7 wird darauf hingewiesen, dass alle drei Pumpwellenlängen erforderlich sind, um die FWM-Spitzen in 9 zu erzeugen. Die Erkenntnis, dass die längeren Wellenlängen die Hauptteilnehmer bei der FWM für alle drei Spitzen sind, führt zu einem Aspekt der Erfindung. Durch ein Multiplexen nur der längeren Wellenlängen, d. h., 1480 nm, 1494 nm und 1508 nm, wird sichergestellt, dass es keinen Zeitpunkt gibt, an dem sämtliche der Wellenlängen, die für eine FWM erforderlich sind, gleichzeitig vorhanden sind. Daher ist es nicht erforderlich, SÄMTLICHE der mehreren Pumpquellen einem TDM zu unterziehen, um die Vorteile von TDM-Mehrpumpquellen zu erhalten. Mit einer geeigneten Auswahl können weniger als alle einem Multiplexen unterzogen werden. Die verbleibenden Pumpen werden bezüglich einer kontinuierlichen Welle (CW, CW = continuous wave) betrieben. Ein System auf der Basis dieser Prinzipien ist in 10 gezeigt. Dies führt zu einem erheblichen Fortschritt hinsichtlich der oben aufgezählten Faktoren. Sobald erkannt wurde, dass weniger als sämtliche der Pumpquellen einem Multiplexen unterzogen werden müssen, ist die Auswahl dieser einfach. Die Messungen, die in 9 impliziert sind, folgen bekannten Prinzipien und können empirisch bestätigt werden.
Ähnliche Ziele können unter Verwendung einer Alternative zu einem TDM erreicht werden, d. h., unter Verwendung einer frequenzmodulierten Pumpquelle. Durch ein Wobbeln durch die mehreren Pumpwellenlängen mit einer einzelnen Quelldiode ist nur eine Wellenlänge zu einem Zeitpunkt eingekoppelt, wodurch das Potential für eine FWM eliminiert wird. Dieser Ansatz ist in 11 veranschaulicht, wo eine Gewobbelte-Frequenz-Quelle 91 anstelle der mehreren Dioden 71–73 von 8 verwendet wird. Dieser Ansatz ist in mancherlei Hinsicht einfacher zu implementieren, jedoch sind einzelne Breitbandquellen nicht so weit entwickelt wie Komponenten für das System von 8. Mit der Einführung dieser Komponenten können die Systeme der Erfindung jedoch mit FM-Ansätzen genauso wirksam oder sogar noch wirksamer implementiert werden. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass der Wellenlängenbereich, der für die Gewobbelte-Wellenlänge-Quelle erforderlich ist, unter Verwendung der Prinzipien der Erfindung verringert wird. Beispielsweise kann die gewobbelte Diode von 10 (FM) und 11 über den Wellenlängenbereich von 1480 nm–1508 nm wirksam sein, während die verbleibenden Pumpen, die in dem Bereich von 1420 nm–1480 nm wirksam sind, einzelne Dioden sind, die bezüglich einer CW wirksam sind.
Die Mehrpumpmultiplextechnik ist in einer Gegenausbreitungskonfiguration wirksam, da die Signalkanäle durch die modulierten Pumpen wandern. Falls die Pumpleistungen erhöht werden, um die verringerte Wechselwirkungslänge zu kompensieren, ist der Weg-gemittelte Raman-Gewinn gleich bleibend. Die Rate, mit der die TDM- oder FM-Quelle zyklisch durch sämtliche der unterschiedlichen Pumpwellenlängen läuft, muss auch schnell genug sein, so dass keine gewinn-abhängige Modulation der Signalleistung auftritt. Vergangene Arbeit bezüglich einer Rauschübertragung von der Pumpe an ein Signal schlägt vor, dass die Gesamtwiederholungsrate für sämtliche der Pumpwellenlängen größer als 50 kHz sein sollte. Jede Wellenlänge wird dann etwa n Male schneller moduliert, wobei n die Anzahl von Wellenlängen ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Modulationsrate und die erforderlichen Spitzenleistungen verknüpft sind. Je höher die Modulierungsrate ist, desto mehr Spitzenleistung ist bei einer gegebenen Wellenlänge erforderlich.
Beim Durchführen dieser Analysen wurde auch erkannt, dass die Pumpleistung, die bei den längeren Wellenlängen erforderlich ist, wesentlich geringer ist, als die bei den kürzeren Wellenlängen. Der Grund hierfür ist, dass die kürzeren Wellenlängen die längeren Wellenlängen in der Übertragungsspanne Raman-pumpen. Dies macht dann, von einem Leistungsstandpunkt aus gesehen, die Eliminierung der nachteiligen FWM durch ein Verwenden von TDM oder FM nur bei den längeren Pumpwellenlängen annehmbar. Um die insgesamt einem Multiplexen unterzogene Quelle vollständig auszugleichen, ist es tatsächlich erforderlich, dass die Laserdiodenquellen für die einzelnen Pumpwellenlängen abgestimmt werden, um eine ungleiche Leistung bereitzustellen. Dies verringert die Leistungserfordernisse für die Längere-Wellenlänge-Quellen und verringert auch die Gesamtpumpleistung, die in der TDM-Pumpquelle enthalten ist. Ein Verringern der Gesamtpumpleistung kann mehrere wichtige Systemvorteile haben, die auf dem Gebiet weithin bekannt sind.
Um den Vorteil eines Raman-Energieaustauschs zwischen einzelnen Pumpen zu erhalten, ist es erforderlich, dass die Länge der Wechselwirkung beträchtlich ist, d. h. 1 km oder mehr. Diese Länge kann eine Übertragungsspanne darstellen, die in einer verteilten Mode (gewöhnlich länger als 1 km, d. h., 3–100 km) wirksam ist, oder kann eine optische Faser sein, die in einer diskreten Verstärkervorrichtung verwendet wird.
Zusammenfassend hat ein Verringern der Anzahl von Pumpquellen, die einem Multiplexen unterzogen werden, diese Vorteile.

1) Die Menge von Leistung, die durch das selektive Pumpquellenmultiplexen der Erfindung erforderlich ist, wird verringert, da das Pumpen der längeren Wellenlängen durch die kürzeren Wellenlängen in der Übertragungsspanne ausgenutzt wird. Die längeren Wellenlängen weisen bereits niedrigere Einkopplungsleistungen auf.
2) Durch ein Verringern der Menge eines Multiplexens werden die Schaltgeschwindigkeiten, die von jeder Pumpe erforderlich sind, und die erforderlichen Spitzenleistungen verringert.
3) Der Frequenzbereich, der von einer FM-Quelle erforderlich ist, wird verringert.
4) Mit weniger zu modulierenden Pumpen verringern sich die Gesamtkosten der Elektronik.
5) Durch ein Verschmälern des Frequenzbereichs erhöht sich die Anzahl von Ansätzen hin zu einem Entwickeln einer Gewobbelte-Wellenlänge-Quelle.

Bei dem Ansatz des Stands der Technik, bei dem sämtliche der Pumpen bei dem Mehrpumpensystem einem Multiplexen unterzogen werden, gibt es keinen Raman-Austausch von Energie zwischen den einzelnen Pumpen. Wie es oben gezeigt ist, können diese Wechselwirkungen bei einem Verringern der Pumpenleistungen nützlich sein, die für die Längere-Wellenlänge-Pumpen erforderlich sind, d. h. diejenigen, die durch die kürzeren. Wellenlängen Raman-gepumpt werden. Eine Modifizierung des gerade beschriebenen Ansatzes ist, mehrere TDM- oder FM-Modulationsstrukturen zu verwenden. Im Wesentlichen basiert dieser Ansatz auf den oben beschriebenen Erkenntnissen, verwendet jedoch ein unterschiedliches Auswahlverfahren für die Pumpsignale, die einem Multiplexen unterzogen werden. Dies ermöglicht, dass der Vorrichtungsentwickler die Raman-Wechselwirkungen zwischen einzelnen Pumpquellen vorteilhaft verwenden kann und dennoch FWM-Wirkungen verringern oder eliminieren kann. Dies ist in 12 und 13 schematisch gezeigt. In diesem beispielhaften System werden vier Pumpwellenlängen verwendet. Vier-Wellen-Mischung-Komponenten werden durch die Kombination von λ₁ + λ₂ + λ₃ und λ₁ + λ₂ + λ₄ erzeugt. Falls die Modulation der Pumpen bei λ₁ und λ₃ überlappt und die Modulation der Pumpen bei λ₂ und λ₄ überlappt, könnte sämtliches nachteiliges FWM eliminiert werden. Dieses Modulierungsschema ist in 13 gezeigt. Zusätzlich kann in der Übertragungsspanne die Pumpe bei λ₁ noch die bei λ₃ verstärken, und die bei λ₂ kann die bei λ₃ pumpen. Der gleiche Ansatz könnte für zwei FM-Quellen verwendet werden, in denen eine Quelle von λ₁ zu λ₂ wobbelt, während eine andere von λ₃ zu λ₄ wobbelt. In jedem Fall wird die Übertragungsfaser vorteilhaft zum Verstärken einer zeitvariierenden Pumpquelle verwendet.
Das Konzept eines Verwendens der Übertragungsspanne als einen Verstärker für die TDM- oder FM-Pumpquelle kann auf ein Verwenden von Mehrordnungspumpen erweitert werden. Auf die Vorteile dieses Ansatzes wurde kürzlich in ( US-Patentschrift Nr. 6,163,636 ) hingewiesen. Bei einem Mehrordnungs-Raman-Pumpen ist das Signallicht mehr als 1,5 Stokes-Verschiebungen von der Maximalgewinnfrequenz des Pumplichts entfernt. Als ein Beispiel für ein Pumpen 2. Ordnung wird eine Pumpwellenlänge 2 Stokes-Verschiebungen weg von dem Signallicht verwendet, um eine Stokes-Pumpe 1. Ordnung zu pumpen, die 1 Stokes-Verschiebung von dem Signallicht weg ist. Dies ist in 14 und 15 veranschaulicht. Zwei Konfigurationen sind veranschaulicht. In dem ersten Fall, 14, werden sowohl eine Pumpe 1. als auch 2. Ordnung relativ zu dem Signallicht gegen-gepumpt. Es ist ein endliches Stück einer Faser erforderlich, damit die Pumpe 2. Ordnung zu der Pumpe 1. Ordnung umgewandelt werden kann. Die Pumpe 1. Ordnung pumpt dann das Signal. Dies ermöglicht dann, dass die Signalverstärkung näher an dem Signaleingabeende der Faser auftritt. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel dieses Ansatzes bewegt sich die Pumpe 2. Ordnung in die gleiche Richtung wie das Signal (gemeinsam gepumpt) (15), und die Pumpe erster Ordnung wird gegen-gepumpt. Die Pumpe 2. Ordnung pumpt die Pumpe erster Ordnung an dem Eingabeende der Faser, was es ermöglicht, dass die Pumpe 1. Ordnung das Signal pumpt. Dies wiederum ermöglicht, dass der Raman-Gewinn näher an dem Signaleingabeende der Faser stattfindet. Mehrordnungspumpen ist vorteilhaft, da bei einem Raman-Pumpen erster Ordnung die Pumpe sich allgemein in die entgegengesetzte Richtung des Signals bewegt. Der Großteil der Verstärkung tritt nahe dem Signalausgabeende der Übertragungsspanne auf. An dieser Position in der Faser ist die Signalleistung bereits wesentlich abgefallen. Falls der Raman-Gewinn, der in der Faser erfahren wird, näher an dem Signaleingabeende der Faser auftreten kann, wird, ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR, SNR = signal to noise ratio) und eine verbesserte Rauschzahl (NF, NF = noise figure) erhalten. Die Leistung, die für eine Pumpe zweiter Ordnung erforderlich ist, ist ziemlich moderat. Bei einem Beispiel eines Doppel-Ordnung-gepumptes-System betrug das Leistungsverhältnis für eine 1366/1455-nm-Pumpe jeweils 970/10 mW. Mit derartig niedrigen Leistungen bei 1455 nm erschiene dieser Ansatz auch ideal für ein Verwenden eines CW-TDM- oder CW-FM-Schemas, durch ein Ausnutzen der niedrigen Leistungserfordernisse.
Obgleich ursprünglich als eine Einrichtung zum Mäßigen einer FWM erdacht, beinhaltet die Erfindung mehrere zusätzliche Vorteile. Es gibt eine wesentliche Kostenverringerung, falls man ein vorhandenes System aktualisieren möchte, um einen Betrieb auf eine breitere Bandbreite zu erweitern. Anstelle eines Ersetzens sämtlicher der aktuellen Pumpen müsste man eventuell nur ein paar zusätzliche Pumpen hinzufügen, die moduliert werden können. Ebenfalls kann durch ein Manipulieren der Pumpstruktur und/oder Leistungspegel ein gewisser Grad von Steuerung der Gewinnflachheit über einige Kanäle erhalten werden. Dies würde unterschiedliche Gewinnprofilformen ermöglichen. Zusätzlich können nicht-lineare Wirkungen wie z. B. FWM oder Superkontinuumerzeugung durch ein Ermöglichen einer selektiven Modulation von Pumpen um die Nulldispersionswellenlänge der Faser verringert oder eliminiert werden.
Obgleich die vorhergehenden Ausführungsbeispiele verteilte Raman-Verstärker beschreiben, die in dem C- und L-Band wirksam sind, können die Prinzipien der Erfindung auf Raman-Verstärkung anderer Wellenlängen wie z. B. des S-Bands angewendet werden. Daher beträgt der Bereich von Signalwellenlängen, der für die Erfindung in Betracht gezogen wird, 1490 nm bis 1610 nm und darüber. Der Bereich von Pumpwellenlängen beträgt gewöhnlich 1380 nm bis 1520 nm, obgleich festgestellt werden kann, dass andere Wellenlängen nützlich sind.
Geeignete Pumpquellen zum Implementieren der Erfindung sind Halbleiterdioden, beispielsweise Si, GaAlAs, InGaAs, InGaAsP. Halbleiterpumplaser sind bevorzugt, jedoch können andere Pumpquellen, beispielsweise Nd-Glas, Ti-Saphir, verwendet werden.
In den meisten Fällen wird in Betracht gezogen, dass der Verstärker der Erfindung gegen-gepumpt wird. Eines der vorhergehenden Beispiele beschreibt eine Gegenpumpe und eine gemeinsame Pumpe (Co-Pumpe), und gewöhnlich wird etwas, wenn nicht das gesamte, Gegen-Pumpen verwendet.
Wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, kann die Erfindung unter Verwendung von entweder TDM oder FM von weniger als sämtlichen der Verstärkerpumpquellen implementiert werden. Der Begriff Modulieren, wo er in der vorliegenden Beschreibung oder in den nachfolgenden Patentansprüchen verwendet wird, soll sowohl TDM als auch FM umfassen.
Fachleuten auf dem Gebiet werden verschiedene zusätzliche Modifizierungen dieser Erfindung einfallen. Alle Abweichungen von den spezifischen Lehren der vorliegenden Beschreibung, die sich im Wesentlichen auf die Prinzipien und ihre Äquivalente stützen, durch die das Gebiet verbessert worden ist, sind ordnungsgemäß als in dem Schutzbereich der Erfindung liegend, wie sie beschrieben und beansprucht ist, betrachtet.

Claims

Ein Optikfaserverstärker, der eine Raman-Verstärkung verwendet und folgende Merkmale aufweist: a. ein Stück (11) einer optischen Faser, b. eine Lichtwellensignaleinrichtung (14) zum Einbringen eines Lichtwellensignals in die Faser, wobei das Lichtwellensignal zumindest drei einem Wellenlängenmultiplexen unterzogene Wellenlängen aufweist, c. eine Optikpumpeinrichtung (13) zum Einbringen von Lichtwellenpumpenergie in die Faser, wodurch die Lichtwellenpumpenergie mit dem Lichtwellensignal in Wechselwirkung tritt, um eine Raman-Verstärkung des Lichtwellensignals zu erzeugen, wobei die Optikpumpeinrichtung N einzelne Laserdiodenpumpquellen aufweist, wobei N zumindest 3 beträgt, von denen jede bei einer unterschiedlichen Wellenlänge wirksam ist, und eine Einrichtung zum Modulieren von N – x der N einzelnen Pumpquellen, wobei x zumindest 1 beträgt und wobei die x Pumpquellen nicht moduliert werden, und wobei die N – x Pumpquellen, die moduliert werden, ausgewählt sind, um längere Wellenlängen aufzuweisen, und die x Pumpquellen, die nicht moduliert werden, kürzere Wellenlängen aufweisen.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem sich das Lichtwellensignal in der optischen Faser in eine Rich tung bewegt und die Lichtwellenpumpenergie sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem die einzelnen Pumpquellen, die moduliert werden, einem Zeitmultiplexen unterzogen werden.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem die einzelnen Pumpquellen, die moduliert werden, frequenzmoduliert werden.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem N zumindest 3 beträgt und x zumindest 2 beträgt.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 2, bei dem die optische Faser Ge-dotierte Silika aufweist.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem die N einzelnen Pumpquellen in dem Wellenlängenbereich von 1380 nm bis 1520 nm wirksam sind.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 7, bei dem die einem Wellenlängenmultiplexen unterzogenen Wellenlängen in dem Bereich von 1490 nm bis 1610 nm liegen.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem die N einzelnen Pumpquellen in zumindest zwei Paare P1 und P2 aufgeteilt sind und ausgewählte Pumpquellen beider Paare einem Zeitmultiplexen unterzogen werden.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem die N einzelnen Pumpquellen in zumindest zwei Paare P1 und P2 aufgeteilt sind und ausgewählte Pumpquellen beider Paare frequenzmoduliert werden.
Der Faserverstärker gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest eine der N einzelnen Pumpquellen zumindest 1,5 Stokes-Verschiebungen von der Maximalverstärkungsspit ze einer anderen der N einzelnen Pumpquellen weg liegt.