DE69308968T2

DE69308968T2 - Messung eines Parameters eines optischen Verstärkers

Info

Publication number: DE69308968T2
Application number: DE69308968T
Authority: DE
Inventors: Jennifer Aspell; Neal S Bergano; Bruce Mitchell Nyman; Richard Gordon Smart; James W Sulhoff; John Lehrer Zyskind
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-08-12
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: US5223705A; DE69308968D1; EP0586103A3; EP0586103B1; JPH06177475A; JP2724282B2; EP0586103A2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Testen von optischen Verstärkern. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf das Messen der Rauschkenndaten von optischen Verstärkern unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Hintergrund der Erfindung

Die Hauptparameter zum Kennzeichnen der Nutzleistung eines optischen Verstärkers sind die Verstärkung, die Ausgangsleistung und die Rauschzahl. Die Verstärkung und die Ausgangsleistung eines Verstärkers sind relativ einfach zu messen. Das genaue Bestimmen der Rauschzahl ist jedoch schwieriger, insbesondere für den Fall eines gesättigten Betriebs, der von großer praktischer Bedeutung ist. Das Problem tritt auf, wenn die Spektraldichte der verstärkten spontanen Emission (ASE) bei der Signalwellenlänge in Gegenwart eines großen Eingangssignals gemessen wird. Eine herkömmliche Technik zum Messen der Rauschzahl, beispielsweise eines erbium-dotierten Faserverstärkers, beinhaltet das Anlegen einer Kurve an den ASE-Pegel nahe des Signals und das anschließende Extrapolieren der Kurve, um den ASE-Rauschpegel bei der Signalwellenlänge zu finden. Das Hauptproblem bei dieser Technik liegt darin, daß das ASE- Spektrum durch die Seitenbänder der Signalquelle und durch das Ansprechen des optischen Spektralanalysators in Gegenwart eines dauerhaften Signals verzerrt wird.
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen eines Betriebsparameters und im besonderen der Rauschzahl eines optischen Verstärkers unter verschiedenen Betriebsbedingungen bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 7 definiert.
Das Ziel wird erreicht, indem unter Einsatz der Polarisationseigenschaften des Signals und des Rauschens das Signal von dem Rauschen kontrollierbar isoliert wird. Bei einem optischen Faserverstärker ist das erzeugte verstärkte spontane Emissionsrauschen nicht polarisiert und das Eingangssignal in einer Richtung polarisiert. Indem ein Polarisator an den Ausgang des optischen Verstärkers angeordnet und der Polarisator auf einen Polarisationszustand eingestellt wird, der orthogonal zu dem des verstärkten Signals ist, kann das verstärkte spontane Emissionsrauschen ohne die zugehörige Verzerrung infolge des verstärkten Signals erhalten und gemessen werden. Unter Verwendung des erhaltenen Wertes für die verstärkte spontane Emission und unter Verwendung der Verstärkung des optischen Verstärkers kann die Rauschzahl (NF) berechnet werden. Bei einer Ausführungsform ist eine Polarisationsregeleinrichtung, gefolgt von einem Polarisator, zwischen dem optischen Verstärker und einem optischen Spektralanalysator angeordnet. Entweder durch abwechselndes Einstellen des Polarisators, um das verstärkte Signal durchzulassen bzw. zu blockieren, oder indem der Polarisator wechselweise in den Lichtweg eingefügt und aus diesem ferngehalten wird, können aufeinanderfolgende Messungen der verstärkten spontanen Emission, ohne daß das verstärkte Signal vorhanden ist, und der verstärkten spontanen Emission mit dem verstärkten Signal erhalten werden. Letzteres wird verwendet, um die Verstärkung des optischen Verstärkers zu erhalten. Durch Verwendung einer Teilereinrichtung, z. B. einem 3dB-Koppler, um das Signal vom optischen Verstärker in zwei Teile aufzuteilen, und durch Richten des einen Teils des aufgeteilten Signals zu einem orthogonal zur Polarisation des Verstärkersignals eingestellten Polarisators und des anderen Teils des aufgeteilten Signals direkt zu einem Detektor, können bei einer anderen Ausführungsform gleichzeitige Messungen der verstärkten spontanen Emission, ohne daß das verstärkte Signal vorliegt, und der verstärkten sponanten Emission mit dem vorliegenden verstärkten Signal durchgeführt werden, wobei letztere verwendet wird, um die Verstärkung des optischen Verstärkers zu erhalten.

Figurenbeschreibung

In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel einer Anordnung zum Messen der Verstärkung und/oder der Rauschzahl eines optischen Faserverstärkers unter Einsatz der Erfindung;
Fig. 2 Kurven der gemessenen Verstärkung und der Rauschzahlen als eine Funktion der Ausgangsleistung bei wechselnden Beträgen eines Unterdrückungssignals.

Detaillierte Beschreibung

Erbium-dotierte Faserverstärker sind extrem attraktive Bauteile für moderne Lichtwellensysteme. Deren attraktiven Eigenschaften beinhalten eine hohe Effizienz, hohe Ausgangsleistungen eine Polarisationsunempfindlichkeit und die Fähigkeit, mit Rauschzahlen nahe der 3dB- Grenzwellenlänge zu arbeiten. Die meisten gegenwärtigen Studien der Rauschkenndaten von erbium-dotierten Faserverstärkern haben sich auf deren Verhalten in dem auf Vorverstärker anwendbaren Kleinsignalbereich konzentriert, bei denen ein geringes Rauschen von höchster Wichtigkeit ist. Jedoch ist eine weitere Hauptanwendung von erbium- dotierten Faserverstärkern deren Einsatz als Zwischenverstärker zur Fernübertragung, bei der sowohl ein geringes Rauschen als auch hohe Ausgangsleistungen benötigt werden. Solche Verstärker werden bei einem mittelmäßigen Sättigungsgrad betrieben. Ein letzte Anwendung von erbium- dotierten Faserverstärkern ist deren Einsatz als Leistungsverstärker, wobei die Ausgangsleistung von primärer Wichtigkeit ist, obwohl auch ein geringes Rauschen ein wünschenswertes charakteristisches Merkmal darstellt.
Wie vorhergehend erwähnt, ist die Rauschzahl ein schwierig zu bestimmender Parameter, insbesondere wenn der Rauschpegel der verstärkten spontanene Emission (ASE) in Gegemwart eines großen Eingangssignals gemessen wird. Hier werden ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, um dieses Problem mit Hilfe eines Polarisations-Nullabgleichs zu überwinden.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß das durch den optischen Verstärker hervorgerufene, verstärkte spontane Emissionsrauschen willkürlich polarisiert ist, wohingegen das verstärkte Signal in einer Richtung polarisiert ist. Somit kann die ASE ohne die Verzerrung infolge des verstärkten Signals erhalten und gemessen werden, indem ein Polarisator am Ausgang des optischen Verstärkers angeordnet und der Polarisationszustand des Polarisators orthogonal zu dem des verstärkten Signals eingestellt wird. Die Rauschzahl kann unter Verwendung dieses gemessenen Wertes und der Verstärkung des optischen Verstärkers exakt bestimmt werden.
Nachfolgend wird auf Fig. 1 Bezug genommen, bei welcher eine Anordnung zum Erhalten der Rauschzahl eines optischen Faserverstärkers unter Verwendung eines Polarisations-Nullabgleichs dargestellt ist. Eine Signalquelle, welche innerhalb der Bandbreite der Verstärkung des optischen Verstärkers liegt, wie beispielsweise eine von einer Laserdiode erzeugte Signalquelle von 1,554 µm, wird durch einen optischen Isolator 20, ein Bandpaßfilter 22 mit einer Bandbreite von 1 nm, ein Dämpfungsglied 24, einen 90%:10%-geschmolzenen Faserkoppler 26 und einen zweiten Isolator 28 geführt. Das Eingangssignal wird an dem 10%-Port des geschmolzenen Faserkopplers 26 durch einen mit einem Hewlett-Packard (HP) 8153A-Lichtwellenmultimeter verbundenen Leistungsdektektor 30 überwacht, um dessen Wert zu bestimmen. Eine Pumpleistungsquelle, wie beispielsweise ein durch einen Ti:Saphir-Laser erzeugtes Signal von 980 nm ist mit dem 90%- Port eines 90%:10%-geschmolzenen Faserkopplers 32 verbunden und wird an dem 10%-Port durch einen mit einem HP8153A- Lichtwellenmultimeter verbundenen Leistungsdetektor 34 gemessen. Das Pumpsignal vom Koppler 32 und das Eingangssignal vom zweiten Isolator 28 werden unter Verwendung eines JDS Fitel Wellenlängenmultiplexers (WDM) 36 kombiniert. Das kombinierte Signal vom WDM 36 wird zu einem erbium-dotierten optischen Faserverstärker 38 geschaltet. Am Ausgang des erbium-dotierten optischen Verstärkers wird die übertragene Pumpleistung durch einen JDS Fitel WDM 40 von dem Signal getrennt. Die Pumpleistung wird durch einen mit einem HP8153A-Multimeter verbundenen Leistungsdetektor 42 gemessen.
Die verstärkte spontane Emission und das verstärkte Eingangssignal vom erbium-dotierten Faserverstärker 38 passieren den wellenlängenmultiplexer 40 und einen optischen Isolator 44. Das gefilterte verstärkte Ausgangssignal vom Isolator 44 wird durch einen 50%:50%-geschmolzenen Faserkoppler 46 in zwei separate Signale aufgeteilt, um eine exakte Bestimmung der verstärkten Signalleistung sowie der verstärkten spontanen Emissionsleistung bei verschiedenen Betriebsbedingungen, von Kleinsignal- bis hin zu gesättigten Bedingungen, zu ermöglichen. Ein Signal vom 2dB-Koppler 46 wird durch ein Bandpaßfilter 48 mit einer Bandbreite von 1 nm geführt und wird daran anschließend durch einen 90%:10%- Koppler 50 aufgeteilt. Das Bandpaßfilter 48 wird verwendet, um die Signalwellenlänge zu selektieren und den größten Anteil der ASE-Leistung auszusondern. Das verstärkte Signal wird an dem 90%-Zweig durch einen mit einem HP8153A-Meter verbundenen Leistungsdetektor 52 gemessen. Das Ausgangssignal an dem 10%-Zweig kann verwendet werden, um das von dem Bandpaßfilter 58 durchgelassene Spektrum zu prüfen.
Das andere Signal vom 3dB-Koppler 46 wird durch eine Polarisationsregeleinrichtung 60 geführt, die einjustiert ist, eine lineare Polarisation des verstärkten Signals sicherzustellen, und anschließend durch einen Polarisator 54 geführt, welcher orthogonal zum Polarisationszustand des verstärkten Signals eingestellt ist. Bei den Fällen, bei denen das verstärkte Signal in einer Richtung polarisiert ist, beispielsweise linear, muß die Polarisationsregeleinrichtung nicht notwendig sein. Der Polarisator 54 unterdrückt das verstärkte Signal um ungefähr 40 dB und die ASE um ungefähr 3 dB. Dieses minimiert die Verzerrung des gemessenen verstärkten spontanen Emissionsspektrums, welches aus den Seitenbändern der Quelle und den verstärkten spontanen Emissionen sowie aus einem optischen Spektralanalysator hervorgeht, der gekoppelt sein kann, um das Signal, wenn das Signal stark ist, zu analysieren. Das von dem Polarisator 54 durchgelassene Licht wird durch einem optischen Advantest Q8381 Spektralanalysator 56 detektiert. Der ASE-Pegel bei der Signalwellenlänge kann durch polynomisches Anpassen an das von dem optischen Spektralanalysator 56 aufgezeichnete Spektrum bestimmt werden. Die Messung der Verstärkung und der Rauschzahl des gesättigten erbium-dotierten Faserverstärkers kann durch Regelung des Dämpfungsgliedes, der Lichtwellendetektoren und des Spektralanalysators mit einem Computer über dessen GPIB-Schnittstellen unter Verwendung eines geeigneten Programms automatisiert werden.
Die Verstärkung, G, des Verstärkers kann aus den von den Leistungsköpfen 30, 52 gemessenen Leistungen bestimmt werden. Die Rauschzahl (NF) des Verstärkers ist bestimmt durch den Ausdruck
NF(dB) = 10log&sub1;&sub0;PASE/hνGB,
wobei PASE der gemessene ASE-Rauschpegel bei einer gegebenen Bandbreite B ist, h Planck's Konstante, ν die optische Frequenz und G die Verstärkung des Verstärkers ist.
Unter Verwendung der hier offenbarten Erfindung wurde die Abhängigkeit der gemessenen Rauschzahl von der Signalleistung als eine Funktion der Unterdrückung des verstärkten Signals untersucht. Diese Ergebnisse sind in Fig. 2 für eine 0 dB, 5 db, 10 dB, 20 dB und 40 dB Unterdrückung des Signals dargestellt. Aus Fig. 2 kann gesehen werden, daß eine Signalunterdrückung von 20 dB einen exakten Wert für die Rauschzahl bei stark gesättigten Bedingungen bereitstellt. Die Polarisationsdrift ist ausreichend klein, so daß dieser Unterdrückungsgrad für erweiterte Periodendauern beibehalten wird. Somit können erweiterte Meßreihen, ohne daß ein Bedarf besteht, den Polarisator oder die Polarisationsregeleinrichtung nachzujustieren, durchgeführt werden.
Damit ist eine Anordnung offenbart, welche für ein gleichzeitiges exaktes Bestimmen der Verstärkung und der Rauschzahl eines optischen Faserverstärkers bei ungesättigten sowie gesättigten Zuständen automatisiert werden kann, welche einfach, kostengünstig und leicht automatisiert ist, um eine schnelle Datenerfassung zu gestatten.
Bei den Fällen, bei denen es nicht erwünscht ist, daß gleichzeitige Messungen der ASE mit dem Signal und der ASE ohne das Signal erhalten werden, kann der 3 dB-Koppler 46 entfernt werden. Der ASE-Rauschpegel wird gemessen, indem die Polarisationsregeleinrichtung justiert wird, das Signal zur Bestimmung der ASE-Spektraldichte zu minimieren und indem anschließend der Polarisator 90º gedreht wird, um das Signal für die Bestimmung der Verstärkung durchzulassen.
Unter Verwendung der hier offenbarten Erfindung wurde beobachtet, daß bei kleinen Eingangssignalen die Signalseitenbänder gut unterhalb des ASE-Rauschpegels liegen und das frühere Kurven-Anpassungsverfahren des gemessenen ASE-Rauschpegels relativ genau ist. Jedoch sind die Seitenbänder des Signals, wenn das Eingangssignal anwächst, nicht länger klein, verglichen mit dem ASE-Rauschpegel. Somit wird es bei großen Eingangssignalen schwierig, die Seitenbänder des Signals von dem ASE-Pegel zu trennen, und diese Seitenbänder verzerren die Form des ASE-Spektrums um die Signalwellenlänge herum, welches zu einer ungenauen Bestimmung der Rauschzahl führt. Die hier offenbarte Erfindung stellt eine genauere Messung des Rauschpegels bereit, weil diese Verzerrung mit einem Polarisations- Nullabgleich behoben wird.
Es ist offensichtlich, daß die hier offenbarte Erfindung für Messungen eines sich entgegengesetzt ausbreitenden Pumpens und bidirektionales Pumpens verwendet werden kann, um genaue Betriebsparameter, wie beispielsweise die Rauschzahl für jeden Sättigungsgrad eines optischen Faserverstärkers zu erhalten.

Claims

1. Anordnung zum Bestimmen eines Betriebsparameters eines optischen Verstärkers (38) umfassend:

einen Polarisator (54), der angeschlossen ist, um ein von dem optischen Verstärker (38) verstärktes polarisiertes Signal zu empfangen und um verstärkte spontane Emission von dem optischen Verstärker (38) zu empfangen,

eine Einrichtung zum Orientieren des Polarisators, um das linear polarisierte verstärkte Signal zu unterdrücken, während gleichzeitig die verstärkte spontane Emission durchgelassen wird und

einen optischen Signaldetektor (56), der angeschlossen ist, um das Signal vom Polarisator zu empfangen, um den Wert der verstärkten spontanen Emission zu erzeugen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend:

eine Polarisationssteuereinrichtung (60) , die stromaufwärts vom Polarisator (54) angeordnet ist, um die lineare Polarisation des von dem Verstärker (38) verstärkten Signal sicher zu stellen, wobei der Polarisator (54) und die Polarisationssteuereinrichtung (60) relativ zueinander orientiert sind, um es dem Polarisator zu gestatten, das verstärkte Signal zu unterdrücken, und

eine Einrichtung zum Einstellen des Polarisators, um es beiden, dem verstärkten Signal und der verstärkten spontanen Emission, zu gestatten, zum optischen Detektor zu gelangen.

3. Anordnung nach Anspruch 2,

bei welcher der optische Signaldetektor (56) einen optischen Spektralanalysator umfaßt.

4. Anordnung nach Anspruch 3,

bei welcher der Verstärker (38) ein erbium-dotierter Faserverstärker ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1,

bei welcher die Orientierungseinrichtung eine Einrichtung zum Einstellen des Polarisators mit seinem Polarisationszustand orthogonal zum Polarisationszustand des verstärkten Signals ist, um zu bewirken, daß der Polarisator das verstärkte Signal unterdrückt und die verstärkte spontane Emission durchläßt.

6. Anordnung nach Anspruch 1,

ferner umfassend eine Einrichtung zur Bestimmung der Rauschzahl NF(dB) des optischen Verstärkers aus dem Verhältnis

NF(dB) = 10log&sub1;&sub0;PASE/hνGB

wobei PASE die gemessene verstärkte Emissionsleistung in einer speziellen optischen Bandbreite B ist,

h Planck's Konstante,

ν die optische Frequenz und

G die Verstärkung des optischen Faserverstärkers ist.

7. Verfahren zur Bestimmung eines Betriebsparameters eines optischen Verstärkers (38) umfassend die Schritte des: Teilens eines Signals vom optischen Verstärkter (38) in einen ersten und einen zweiten Teil, wobei jeder Teil aus einem Signal besteht, das durch den optischen Verstärker (38) verstärkt ist und verstärkter spontaner Emission vom optischen Verstärker (38),

lineares Polarisieren des verstärkten Signals des ersten Teils des geteilten Signals,

Richten des ersten Teils des geteilten Signals zu einem Polarisator (54) , dessen Polarisationszustand orthogonal zu dem Polarisationszustand des verstärkten Signals ist, um das verstärkte Signal zu unterdrücken und die verstärkte spontane Emission durchzulassen, Bestimmen aus dem durch den Polarisator durchgelassenen Signals den Leistungspegel der verstärkten spontanen Emission PASE.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

ferner umfassend den Schritt des Bestimmens der Verstärkung G des optischen Verstärkers (38) zur selben Zeit, zu der der Leistungspegel der verstärkten spontanen Emission PASE bestimmt wird und Verwenden des Leistungspegels der verstärkten spontanen Emission PASE und der Verstärkung G, um die Rauschzahl des Verstärkers aus dem Verhältnis zu bestimmen:

NF(dB) = 10log&sub1;&sub0;PASE/hνGB

wobei PASE der Leistungspegel der verstärkten spontanen Emission in einer speziellen optischen Bandbreite B ist,

h Planck's Konstante,

ν die optische Frequenz und

G die Verstärkung des optischen Verstärkers ist.