DE69212402T2 - Polarisationsunempfindliche Verstärkereinrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine polarisationsunempfindliche Verstärkereinrichtung, bestehend aus einem optischen Haibleiterverstärker, dem das Verstärkereinrichtungseingangssignal auf einer Seite zugeführt wird und dem auf der anderen Seite ein Reflektor zugeordnet ist, wobei das Verstärkereinrichtungsausgangssignal, gebildet durch das vom Reflektor reflektierte und vom Verstärker verstärkte Verstärkereinrichtungseingangssignal, auf der ersten Seite des Verstärkers abgenommen wird. Eine solche Einrichtung ist in der Druckschrift mit dem Titel "Polarisation-independent Configuration Optical Amplifier", veröffentlicht in "Electronic Letters", 18. August 1988, Band 24, No. 17, Seiten 1075 and 1076 offenbart.
• In optischen Kommunikationssystemen werden oft Verstärker benutzt, im allgemeinen optische Halbleiterverstärker, welche eine verstärkung haben, die oft stark von der Polarisation des optischen Signals, das in diesen eingeht, abhängig ist.
• Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird von einem Prinzip gemäß obengenannter Druckschrift Gebrauch gemacht, wobei das optische Signal zweimal durch den Verßtärker geht, nämlich einmal in Vorwärtsrichtung und zum anderen in Umkehrrichtung, wobei die Polarisation des optischen Signals um 90º zwischen den beiden Übertragungsrichtungen gedreht wird. Für diesen Zweck wird das Eingangssignal in bekannter Weise auf einer Seite des Verstärkers eingegeben, während ein Reflektor auf der anderen Seite vorgesehen ist, der, gemäß besagter Druckschrift, aus einem nicht reziproken Faraday-Rotor mit einem Drebwinkel von 45º besteht und aus einem dahinter angeordneten Spiegel. Nachdem das Verstärkereingangssignal einer ersten Verstärkung unterworfen wurde, passiert das verstärkte Signal den Faraday-Rotor und wird dann vom Spiegel reflektiert. Das vom Spiegel reflektierte Signal passiert dann wiederum den Faraday-Rotor und wird vom Verstärker zum zweiten Mal verstärkt. Auf der ersten Seite des Verstärkers, auf der das Eingangssignal eingegeben wird, wird das verstärkte, auf dieser Seite erscheinende reflektierte Signal als Verstärkereinrichtungsausgangssignal abgenommen.
• Die Kombination aus Faraday-Rotor und Spiegel ist als ein nicht reziproker Reflektor in bezug auf die Polarisation zu betrachten. Besagter Reflektor, auf dem ebenfalls als ein orthogonaler polarisationsreflektor Bezug genommen wird, reflektiert das Licht mit einer Drehung von 90º mit dem Ergebnis, daß die Totalverstärkung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung unabhängig von der Richtung der Polarisation des in den Verstärker eingegebenen optischen Signals sein wird. Da das Signal die gleiche Einrichtung für eine Drehung von 90º zweimal passiert, scheint es notwendig zu sein, eine nicht reziproke Polarisations- Drehungskomponente zu benutzen.
• Der bekannte orthogonale Polarisationsreflektor hat jedoch den Nachteil, daß der Faraday-Rotor eine sperrige Komponnente darstellt, mit dem Ergebnis, daß auch eine zusätzliche Linse mit dem Problem der Fluchtungsausrichtung und von Reflexionen benötigt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die obengenannten Nachteile vermieden sind.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reflektor reziprok ist, wobei ein diesem zugeleitetes Signal oder eine Signalkomponente, die eine Polarisation senkrecht zur Hauptachse des Verstärkers, als ein Reflexionssignal reflektiert wird, das eine Polarisation virtuell parallel zu dieser Hauptachse hat und umgekehrt.
• Es wurde gefunden, daß die Polarisationsunabhängigkeit auch mit einfachen Reziprokeinrichtungen erreicht werden kann. In diesem Fall wird eine Polarisationsreflexion statt einer Polarisationsrotation ausgeführt.
• In einer bevorzugt zu verwendenden Ausführungsform der Erfindung besteht der Reziprokreflektor aus einem Retarder und einem dahinter angeordneten Spiegel. Vorzugsweise ist der Retarder ein λ/4-Retarder, und der Winkel zwischen einer der Hauptachsen des Retarders und der Polarisation des Verstärkers beträgt 45º.
• In diesem Fall ist es möglich, dies mit einer kleinen λ/4-Platte zu erreichen, die in bezug auf ihre Größenabmessungen klein ist. Diese Platte kann sehr dünn sein mit dem Ergebnis, daß eine Linse vermieden werden kann, und es wird dadurch eine sehr kompakte Einheit erhalten.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der λ/4- Retarder aus einem Abschnitt einer doppelbrechenden Glasfaser gebildet, deren Länge gleich ist (1/2) n + 1/4 x der Schwebungslnge, wobei n = 0 ist oder einer ganzen Zahl.
• Eine sehr kompakte Einheit wird erhalten, wenn der λ/4-Retarder im Verstärker integriert ist.
• Bei den vorerwähnten Ausführungsformen ist es sehr vorteilhaft, eine Beschichtung zu verwenden, die als Spiegel eine hohe Reflexion hat, wodurch im Ergebnis die Einheit noch kompakter wird.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht der Reziprokreflektor aus einem Schleifenreflektor, in den ein Retarder eingefügt ist. In Weiterbildung davon weist der Schleifenreflektor eine Kopplungseinrichtung auf, mit deren Ausgängen die Enden einer Glasfaserschleife verbunden sind, in welcher Schleife ein 90º-Kreisretarder eingefügt ist. In diesem Falle ist der Kreisretarder auf einfache Weise durch einen verdrillten Glas faserabschnitt gebildet.
• Die Erfindung wird im einzelnen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Darstellungen zeigt Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung.
• Die Literatur offenbart eine Lösung für einen verfügbaren Verstärker, bspw. einen optischen, weniger polarisationsabhängigen Verstärker, unter Ausnutzung des Prinzips, daß das Signal zweimal verstärkt wird, d.h., einmal in Vorwärtsrichtung und zum zweiten Mal in umgekehrter Richtung. Vor der Verstärkung in umgekehrter Richtung wird die Polarisation des einmal verstärkten Signals gedreht. Weil das Eingangssignal zweimal mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen verstärkt wird, wird die Gesamtverstärkung von der Polarisationsrichtung des Eingangssignals weniger abhängig sein. Um diesen Effekt zu erreichen, wird ein orthogonaler Polarisationsreflektor benutzt, und die Polarisation des Eingangssignals wird orthogonal nach Verstärkung durch den optischen Verstärker reflektiert. Eine diesbezügliche Ausführungsform enthält einen Farady-Rotor und einen Spiegel.
• Die Erfindung basiert auf der erfinderischen Erkenntnis, daß es für jede Polarisationsrichtung nicht ist, orthogonal reflektiert zu werden. Eine solche Reflexion ist allein für die horizontale und vertikale Polarisationsrichtung unter der Voraussetzung notwendig, daß der Verstärker eine horizontale Polarisationshauptachse hat. Davon ausgehendkann von einem Reflektor Gebrauch gemacht werden, der reziprok ist, wobei ein diesem zugeleitetes Signal mit einer vertikalen Polarisation als ein Reflexionssignal reflektiert wird, das eine virtuelle hori zontale Polarisation hat und umgekehrt.
• Bzgl. des Konzeptes "reziprok" und "nicht reziprok" wird Bezug genommen auf die Druckschrift mit dem Titel "A New Calculus for the Treatment of Optical Systems I .... VIII" by R.C. Jones, veröffentlicht im the Journal of the Opt. Soc. Am., Band 31, 1941, Seiten 488 - 503, Bd. 32, 1942, Seiten 486 - 493, Bd. 37, 1947, Seiten 107 - 112, Bd. 38, 1948, Seiten 671 - 685 und Bd. 46, 1956, Seiten 126 - 132.
• Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform umfaßt einen Kreis mit mindestens drei Anschlüssen, wobei das Eingangssignal an einem Anschluß eingegeben und am benachbarten Anschluß ausgegeben wird. Dieser benachbarte Anschluß ist mit einem optischen Verstärker verbunden, wie bspw. einem optischen Halbleiter-Verstärker. An der anderen Seite des optischen Verstärkers ist ein Retarder R, insbesondere ein λ/4-Retarder vorgesehen, hinter dem ein Spiegel 5 angeordnet ist. Der Winkel zwischen einer der Hauptachsen des Retarders R und der Polarisationsrichtung des Verstärkers beträgt vorzugsweise 45º.
• Ein Retarder ist eine Reziprokeinrichtung. Das diesem zugeleitete Signal kann durch zwei Komponenten repräsentiert werden, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht stehen. Der Retarder verzögert eine Komponente in bezug auf die andere. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird das Verstärkereingangssignal an einem Anschluß des Zirkulators C eingegeben und erreicht via eines benachbarten Anschlusses den optischen Verstärker OA. Nach Verstärkung durch den optischen Verstärker OA erreicht das verstärkte Eingangssignal den λ/4-Retarder R mit den oben erwähnten Verzögerungseigenschaften der Komponenten des verstärkten Eingaflgssignales. Nach Reflexion am Spiegel 5 passiert das Signal wieder den Retarder R und den optischen verstärker OA in umgekehrter Richtung. Am Eingabeanschluß des optischen Verstärkers erscheint das verstärkte Reflexionssignal rs und wird vom Eingangssignal is durch Mittel des Zirkulators C getrennt. Das verstärkte Reflexionssignal kann als verstärktes Ausgangssignal os am dritten Anschluß aufgenommen werden.
• Unter Benutzung des Polarisations-Reziprokreflektors&sub1; der bei dieser Ausführungsform aus dem λ/4-Retarder R und einem Spiegel 5 besteht, ergibt sich, daß das Ausgangssignal os weniger polarisationsabhängig ist.
• Wenn der Winkel zwischen der Hauptachse des λ/4-Retarders und der Polarisation des Verstärkers gleich 45º ist, wird eine optimale Polarisationsunabhängigkeit der verstärkung erhalten. Die einfachste Form des Retarders ist eine 45º λ/4- Platte. Diese Platte kann sehr dünn sein und in Konsequenz dessen direkt mit den damit zusammenwirkenden Komponenten gekoppelt werden, d.h., mit dem Verstärker und dem Spiegel. Mit anderen Worten, Linsen können vermieden werden. Es ist klar, daß im Falle dieser Ausführungsform eine kompakte Einheit erreicht wird.
• Die λ/4-Platte wandelt vertikal linear polarisiertes Licht in zirkulär polarisiertes Licht, das dann vom Spiegel zirkulär polarisiert in einer anderen Orientierungsrichtung (linkshändig/rechtshändig) reflektiert wird. Die λ/4-Platte kehrt das ihr zugeführte optische Signal in horizontal polarisiertes Licht um. Die Umkehrung findet für ein horizontal polarisiertes optisches Eingangssignal statt.
• Es wurde gefunden, daß das Eingangssignal is mit einem polarisationsunabhängigen Verstärkungsfaktor durch Mittel mit der oben beschriebenen einfachen Gestaltung verstärkt wird, die allein aus Reziprokkomponenten bestehen.
• Der λ/4-Retarder kann mit dem gleichen vorteilhaften Effekt durch einen Abschnitt einer doppelbrechenden Glasfaser gebildet sein, deren Länge gleich ist. dem (1/2) n + 1/4-fachen der Schwebungslänge, wobei n = 0 ist oder einer ganzen Zahl entspricht.
• Das Konzept der Schwebungslänge wird im Falle von zwei Ausbreitungsarten benutzt, die eine unterschiedliche Ausbreitungskonstante haben. Wenn sich die zwei Arten über die Distanz einer Schwebungslänge ausbreiten, beträgt die Phasendifferenz zwischen zwei Arten 360º. Anstelle von Schwebungslänge wird auch "Kopplungslänge" benutzt. Für die doppelbrechende Glasfaser sind die beiden jeweiligen Ausbreitungsarten die beiden Hauptpolarisationen.
• Um den Reziprokreflektor noch kompakter auszubilden, wird der λ/4-Retarder in den Verstärker einbezogen. Eine optimale Kompaktgestaltung wird erreicht, wenn der Spiegel aus einer Beschichtungslage gebildet wird, die eine hohe Reflexion hat und die an der Ausgangsfläche des λ/4-Retarders angeordnet ist.
• Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Polarisations-Reziprokreflektor aus einem Schleifenreflektor gebildet ist, der eine reziproke Polarisationsdrehung von 90º hat.
• Nach Passage durch den Zirkulator C gelangt das Eingangssignal is in eine Kopplungseinrichtung, bspw. eine 3 dB- Kopplungseinrichtung, hinter der das aus einem Ausgangsanschluß austretende Signal in den Verstärker OA gelangt. Das vom Verstärker OA ausgehende Signal gelangt via Kopplungseinrichtung K zu einer Seite einer Glasfaserschleife OF, wobei die andere Seite der Glasfaser mit dem anderen Anschluß der Kopplungseinrichtung K verbunden ist. Einbezogen in die Glasfaserschleife OF ist ein 90º-Kreisretarder CR. Dieser Kreisretarder kann als ein verdrillter Glasfaserabschnitt ausgebildet sein. Die in diesem Falle benutzte Kreisverzögerung wirkt auch als optische Aktivität.
• Eine 3 dB-Kopplungseinrichtung kann ferner als Aufnahmeeinrichtung genutzt werden, für die ein Zirkulator C in der gezeigten Ausführungsform gewählt ist.
• Bei der Gestaltung gemäß Fig. 2 wird das Eingangssignal is wieder mit einem polarisationsunabhängigen Verstärker verstärkt.
• Aus dem obigen ergibt sich, daß eine polarisationsunabhänige Verstärkung mit einfachen und kompakten Reziprokkomponenten erhalten werden kann.

Claims (9)

1. Polarisationsunempfindliche Verstärkereinrichtung, bestehend aus einem optischen Halbleiterverstärker (OA), dessen einer Seite das Verstärkereinrichtungseingangssignal (is) zugeführt wird und auf dessen anderen Seite ein Reflektor (R, S) vorgesehen ist, wobei das Verstärkereinrichtungsausgangssignal (rs), gebildet durch das vorn Reflektor reflektierte und vom Verstärker verstärkte Verstärkereinrichtungseingangssignal, auf der ersten Seite des Verstärkers abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor reziprok ist, wobei ein diesem zugeleitetes Signal oder eine Signalkomponente, die eine Polarisation senkrecht in bezug auf die Hauptachse des Verstärkers hat, als ein Reflexionssignal reflektiert wird, das eine Polarisation virtuell parallel zu dieser Hauptachse hat und umgekehrt.

2. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor einen Retarder (R) und einen dahinter vorgesehenen Spiegel (5) umfaßt.

3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder ein /4-Retarder ist und daß der Winkel zwischen einer der Hauptachsen des Retarders und der Polarisation des Verstärkers gleich 45º ist.

4. Verstärkereinrichtung gemäß der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der λ/4-Retarder gebildet ist aus einem Abschnitt einer doppelbrechenden Glasfaser, deren Länge gleich ist dem (1/2) n + 1/4-fachen der Schwebungslänge, wobei n = 0 ist oder einer ganzen Zahl.

5. Verstärkereinrichtung gemäß der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der λ/4-Retarder im Verstärker integriert ist.

6. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel durch eine Beschichtung mit einer hohen Reflexion gebildet ist.

7. Verstärkereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reziprokreflektor ein Schleifenreflektor mit einem darin eingefügten Retarder ist.

8. Verstärkereinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifenreflektor eine Kopplungseinrichtung aufweist, mit deren Ausgängen die Enden einer Glasfaserschleife verbunden sind, in welcher Schleife ein 90º Kreisretarder eingefügt ist.

9. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisretarder durch einen verdrillten Glasfaserabschnitt gebildet ist.