DE69400790T2 - Optischer Verstärker - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der optischen Verstärker und insbesondere das Gebiet der optischen Verstärker, welche dotierte Laser-Faserverstärker verwenden.
- Das Gebiet der optischen Kommunikationssysteme, die optische Fasern verwenden, ist nun, obwohl verhältnismäßig neu, mit vielen zehntausenden installierten optischen Fasern, welche Millionen von Kilometern überbrücken, gut entwickelt. Ein bedeutender Gesichtspunkt bei der Konstruktion derartiger Systeme ist die Entfernung, über die sich ein optisches Signal durch eine Faser bewegen kann und immer noch zuverlässig erfaßt wird. Die optischen Fasern dämpfen die Signale und die ersten optischen Kommunikationssysteme verwendeten als Repeater bezeichnete Verstärker, um große Entfernungen zu überbrücken; die Signale wurden am Ende einer Faser erfaßt und dann neu gebildet und in eine andere Faser eingekoppelt. Das Verfahren wird so häufig wiederholt wie es notwendig ist, um die gewünschte Entfernung zu überbrücken. Repeater erfordern jedoch komplizierte elektronische Systeme, um die Signale zu erfassen und neu zu bilden. In einem konzeptionell einfacheren System werden die optischen Signale periodisch verstärkt ohne sie notwendigerweise zu regenerieren.
- Obwohl viele Arten von optischen Verstärkern erforscht und für die Verwendung in optischen Kommunikationssystemen berücksichtigt wurden, ist der mit seltenen Erden dotierte Faserverstärker zum jetzigen Zeitpunkt der meist verbreitetste, wobei Erbium am häufigsten als Dotierstoff verwendet wird. Die dotierte Faser verstärkt ein ankommendes Signal wie eines mit einer üblicherweise verwendeten wellenlänge von ungefähr 1,3 µm oder 1,5 µm, wenn sie bei einer geeigneten Leistung und wellenlänge optisch gepumpt wird. Derartige Verstärker sind nun auf dem Gebiet wohl bekannt und müssen nicht ausführlich beschrieben werden.
- Der optische Verstärker ist natürlich durch Systembetrachtungen auferlegten Konstruktionszwängen unterworfen. Beispielsweise sollte er für die Verwendung in einem tatsächlichen System sowohl eine hohe Verstärkung als auch ein geringes Rauschen aufweisen. Er sollte auch einfach zu verwirklichen sein. Einzelstufen- Verstärkerkonfigurationen können diese Konstruktionszwänge im Hinblick auf Rauschen und Verstärkung nicht leicht erfüllen. Sich rückwärts und vorwärts bewegende verstärkte spontane Emission (amplified spontaneous emission, ASE) vermindert den Inversionszustand in der Faser. Beide erniedrigen die Verstärkung und erhöhen die Rauschzahl. In einem Tandem-Verstärker unterdrückt die Einführung eines Isolators zwischen die Abschnitte die rücklaufende verstärkte spontane Emission (ASE) und verhindert eine Verschlechterung der Rauschzahl, aber die Verstärkung bleibt immer noch beschränkt. Siehe beispielsweise Lumholt, IEEE Photonics Technology Letters, 4, Seiten 568-570, Juni 1992. Zusätzlich verläßt ein bedeutender Teil der Pumpleistung in einem einstufigen Verstärker die aktive Faser und bleibt ungenutzt.
- Entsprechend wurden zweistufige Konstruktionen verwirklicht, die mehrere Pumplaser verwenden. Zweistufige Verstärker liefern ein niedriges Rauschen und eine niedrige Verstärkung in dem ersten Faserabschnitt; zusätzliche Verstärkung wird im zweiten Faserabschnitt bereitgestellt. Zweistufige Konstruktionen leiden durch die Nachteile einer hinzugefügten Komplexität und einem geringen Wirkungsgrad im Vergleich zu einstufigen Konstruktionen. Wenn sowohl die Pump- als auch die Signalwellenlängen gleichzeitig durch den Isolator übertragen werden, beispielsweise λp = 1.480 nm und λs = 1.550 nm, beugt der Isolator einer Verschlechterung der Verstärkungsleistung durch das Verhindern der übertragung der rückwärtigen ASE zwischen den Verstärkungsabschnitten vor, aber er dämpft sowohl die Pumpe als auch das Signal. Wenn sowohl die Pumpwellenlänge als auch die Signalwellenlänge nicht gleichzeitig durch den Isolator übertragen werden können, beispielsweise λp=980nm und λs=1.1150 nm bleibt dann die Pumpleistung ungenutzt.
- Von einem Versuch, die zweistufige Konstruktion mit einer einzelnen Pumpe zu verbessern, wurde vor kurzem berichtet. Siehe beispielsweise Laming et al., IEEE Photonics Technology Letters, 4, Seiten 1348-1350 und 1345-1347, Dezember 1992. In diesen Aufsätzen wird von einem Tandem- Vorverstärker mit einer einzelnen Pumpe berichtet, welcher einen Zwischenstufenisolator zwischen dem zweiten und dritten Multiplexern verwendet, um sowohl eine hohe Verstärkung als auch ein niedriges Rauschen zu erreichen. In dieser Geometrie wird für die Pumpe eine umgehungsstrecke verwendet, während die Signalwellenlänge durch den Isolator übertragen wird. Außerdem erfordert der beschriebene Verstärker drei Multiplexer, was die Komplexität und die optischen Einführverluste in den Pfaden der Signal- und Pumpwellenlängen erhöht.
- Die Erfindung wird in den Ansprüchen 1 und 9 definiert. Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung wird ein optischer Verstärker mit einem Pumplaser und einem ersten und zweiten Multiplexer, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Faserverstärker befinden, hergestellt. Der erste und der zweite Verstärker empfangen Signale von dem ersten bzw. zweiten Multiplexer. Der erste Faserverstärker verstärkt das Eingangssignal vom ersten Multiplexer und der zweite Faserverstärker empfängt das Pumpsignal vom zweiten Multiplexer. Der erste Multiplexer überlagert Signale von dem Pumplaser und dem Eingang. Der zweite Multiplexer demultiplext die Pumpe und verstärkte Eingangssignal und multiplext dann das verstärkte Eingangssignal mit der rückgeführten Pumpe, welche durch den zweiten Faserverstärker weiter verstärkt wird. Der Verstärker weist eine Einrichtung zum Aufnehmen des verstärkten Eingangssignals vom zweiten Multiplexer und zum Bereitstellen eines Zwischenstufenisolators zwischen der ersten und zweiten Verstärkungsstufe auf.
- In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zum Aufnehmen einen Zwischenstufenisolator, welcher ein optischer Isolator, ein optischer Faserspleiß, ein Verlustelement oder ein Wellenlängenfilter sein kann. In einer anderen Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zum Aufnehmen eine Faserschleife, welche mehrere Konfigurationen aufweisen kann. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform die Faserschleife mit dem zweiten Multiplexer verbunden und das Signal von diesem Multiplexer verläuft durch den zweiten Multiplexer, d.h. es wird wieder mit der Pumpe gemultiplext. In einer anderen Ausführungsform ist die Faserschleife mit dem zweiten Multiplexer verbunden und das Ausgangssignal wird aus dem zweiten Multiplexer entnommen. In diesen beiden Ausführungsformen ist der Zwischenstufenisolator mit der ersten Schleife verbunden. In einer wieder anderen Ausführungsform kann die Faserschleife das Verlustelement sein.
- Figuren 1 und 2 sind schematische Darstellungen von beispielhaften Ausführungsformen eines Verstärkers gemäß der Erfindung.
- Identische Bezugszeichen in verschiedenen Figuren bezeichnen identische Elemente.
- Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine besondere beispielhafte Ausführungsform beschrieben. Nachdem diese Ausführungsform ausführlich beschrieben ist, werden Ergebnisse gezeigt, welche den Verstärker mit Verstärkern nach dem Stand der Technik vergleichen. Dann wird noch eine beispielhafte Ausführungsform diskutiert und andere Ausführungsformen erwähnt.
- Eine beispielhafte Ausführungsform ist in Figur 1 gezeigt. Dargestellt ist ein Pumplaser 1, ein erster Isolator 3, ein erster Multiplexer 5, ein erster Faserverstärker 7, ein zweiter Multiplexer 9, ein zweiter Faserverstärker 11 und ein zweiter Isolator 13. Der zweite Multiplexer 9 ist mit einer Faserschleife 15 verbunden. Die Faserschleife 15 besitzt ferner einen derartigen Zwischenstufenisolator wie einen ersten und zweiten Bandpaßfilter 151 und 153 und einen dritten und vierten Isolator 155 und 157. Es existiert ein optischer Faserspleiß, welcher auch ein Zwischenstufenisolator ist. Obwohl eine Vielzahl dargestellt ist, wird nur einer der Zwischenstufenisolatoren verwendet. Das erste Filter 151 und der dritte Isolator 155 sind parallel verbunden, während das zweite Filter und der vierte Isolator in Reihe verbunden sind. Die Faserschleife 15 bildet eine Einrichtung zum Aufnehmen des Signals von dem zweiten Multiplexer und zum Einführen dieses in den zweiten Multiplexer, wo es wieder mit der Pumpe gemultiplext und dann in den zweiten Faserverstärker eingeführt wird. Die Eingangs- und Ausgangssignale werden in bzw. aus dem ersten Isolator 3 bzw. dem zweiten Isolator 13 gekoppelt. Die erwähnten Komponenten sind mittels mit 17 bezeichneten optischen Wellenleitern optisch aneinander gekoppelt. Die dargestellte Ausführungsform besitzt zwei Faserverstärkerstufen, die durch einen Zwischenstufenisolator getrennt sind, der das Fortpflanzen der verstärkten spontanen Emission vermindert.
- Die dargestellte Ausführungsform kann durch Fachleute auf dem Gebiet leicht hergestellt werden. Ein typisches Eingangssignal ist eines bei 1.550 nm und ein typischer Pumplaser für die Erbium dotierte Faser ist ein Halbleiterlaser, welcher eine Strahlung von 80 mW bei 980 nm emittiert. Derartige Laser sind wohlbekannt und können leicht ausgewählt werden. Andere Wellenlängen können verwendet werden, sind aber nicht so effizient im Anregen von Atomen in den invertierten Besetzungszustand. Die Multiplexer können auch leicht durch Fachleute auf dem Gebiet ausgesucht werden. Beispielsweise können evaneszente Koppler verwendet werden. Die Faserverstärker 7 und 11 sind typischerweise nun wohlbekannte Erbium dotierte Faserverstärker. Faserlängen von 13 bzw. 20 m wurden für die Verstärker 7 bzw. 11 verwendet. Geeignete Längen können leicht unter Berücksichtigung derartiger Faktoren wie Verstärkung und Rauschen ausgewählt werden. Wie erwähnt, können die zwei Verstärker unterschiedliche Längen besitzen. Die Länge wird unter Berücksichtigung der wahrscheinlichen Betriebsleistung ausgewählt, da sowohl die Verstärkung als auch das Rauschen eine Funktion der Leistung sind. Die Fasern besitzen einen Germano-Silikatkern und eine numerische Apertur (NA) von 0,24 und eine im amerikanischen Sprachgebrauch als Cut-off-Wellenlänge bezeichnete Grenzwellenlänge von 890 nm. Der Verstärker weist eine Erbiumabsorption von 3,5 dB/m und 3,1 dB/m bei 980 bzw. 1.530 nm auf.
- Der Betrieb des Verstärkers wird kurz beschrieben. Der erste Faserverstärker wird durch den ersten Multiplexer gepumpt, d.h. durch das Pumpsignal vom ersten Multiplexer. Nach dieser Verstärkung demultiplext der zweite Multiplexer das Signal und die Pumpe. Der Rest des Pumpsignals wird dann verwendet, um dem zweiten Faserverstärker zu pumpen. Das Signal wird durch die Faserschleife zurückgeschleift und dann in den zweiten Multiplexer, wo es wieder gemultiplext und durch den zweiten Faserverstärker weiter verstärkt wird.
- Ein derartiger Zwischenstufenisolator wie ein Isolator in der Faserschleife verbessert die Verstärkung und das Rauschen des Verstärkers weiter durch Vermindern sowohl der rück- als auch der vorwärtsgerichteten ASE. Ein Filter kann auch verwendet werden. Beispielsweise weist die ASE- Amplitude nahe 1.531 nm ihren Spitzenwert auf, falls das Signal eine wellenlänge von 1.555 nm besitzt. Ein Filter kann das meiste des Signals durchlassen und das meiste der ASE aufhalten. Einige Signalstärke geht verloren, aber dieser Verlust kann toleriert werden. Die Ausführungsform erlaubt eine Auswahl von Pump- und Signalfrequenzen in einem weiten Bereich, da die Multiplex-/Demultiplex-Funktionen von der Isolationselement-Funktion getrennt sind; d.h. der Zwischenstufenisolator stoppt das Wiedergemultiplexte der Rückwärts-ASE.
- Die Kenngrößen der Verstärkung und des Rauschens wurden als Funktion der Pumpleistung bei 3 Signalwellenlängen gemessen; nämlich 1.533, 1.548 und 1.556 nm, welche den verschiedenen Bereichen des Erbium-Fluoreszenzspektrums entsprechen. Die Ergebnisse zeigten eine Verbesserung von 6 dB im Vergleich zu der Verstärkung für einen einstufigen Verstärker. Eine maximale Verstärkung von 44 dB wurde für ein Eingangssignal bei 1.563 nm erreicht. Noch höhere Verstärkungen können für niedrigere Eingangssignalpegel erhalten werden. Die Kenngröße des Rauschens war verhältnismäßig flach in Bezug auf die Wellenlänge; diese Kennlinie richtet sich nach dem Wirkungsgrad des Isolators für das Blockieren der rückwärts gerichteten ASE.
- Als die Verstärkung und das Rauschen als Funktion der Signalausgangsleistung untersucht wurden, wurde festgestellt, daß die Verstärkung eine Kompression und dann eine Kontraktion erleidet, wodurch ein niedriges gesättigtes Ausgangssignal und eine höhere Rausch-Kenngröße resultieren. Bei dem Beginn der Sättigung wird durch die erste Stufe mehr Pumpleistung in Signalleistung umgewandelt und weniger übrigbleibende Pumpleistung ist zum Pumpen der zweiten Stufe verfügbar. Wenn die Eingangssignalleistung sich weiter erhöht, ist die verbleibende Pumpleistung nicht ausreichend, um eine Fasertransparenz zu erreichen. Die Faser beginnt dann die Signalleistung zu absorbieren, während die rückgerichtete ASE die Inversion in der Faser weiter vermindert. Wenn der Verstärker stark in Sättigung betrieben wird, erhöht sich das gesättigte Ausgangssignal vom Tiefpunkt und steigt wieder linear mit dem Eingangssignal. Die Faser hat ihre Transparenz wiedergewonnen und keine zusätzliche Signalleistung wird absorbiert. Dies erlaubt die Verwendung als ein Verstärker-Begrenzer.
- Die Konfiguration wurde durch ihre Verwendung als ein Vorverstärker in einem 10 Gb/sec Übertragungssystem geprüft. Der übertrager verwendete einen 1.556 nm DFB-Laser, welcher extern mit einem LiNbO&sub3; Mach-Zehnder-Modulator moduliert wird. Der Extinktionsabstand war größer als 15 dB. Der Empfänger filterte den Verstärkerausgang mit einem elektronisch abstimmbaren Fabry-Perot-Filter, welches eine Bandbreite von 27,9 GHz und einen Einführverlust von 3 dB hatte. Das Signal zum Rauschverhältnis am Empfängereingang betrug 18 dB. Bei direkter Erfassung betrug die Empfängerempfindlichkeit -19 dBm bei einem BER von 10&supmin;&sup9; unter Verwendung eines Eingangs-PIN-Empfängers mit hoher Empfindlichkeit.
- Die beschriebene Konfiguration wird als ein Vorverstärker verwendet, kann aber auch als ein Inline-Verstärker oder Leistungsbooster, beispielsweise in optischen Kommunikationssystemen, verwendet werden. Das beschriebene Verhalten wurde nahe 1.556 nm gemessen, und die Konfiguration wird eine noch bessere Leistung bei niedrigeren Wellenlängen zeigen. Insbesondere wird die Leistung gut nahe des Spitzenwertes des Erbium- Emissionsspektrums in der Nähe von 1.531 nm sein, bei dem über viele Vorverstärker-Experimente und -Ergebnisse berichtet wurde.
- Eine andere Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt. In dieser Konfiguration verläuft die Faser von dem zweiten Faserverstärker zurück durch den zweiten Multiplexer. Diese Ausführungsform wird leicht durch Fachleute auf dem Gebiet aufgebaut. Der Betrieb ist im allgemeinen ähnlich zu dem Betrieb der Ausführungsform der Figur 1 und bedarf nicht der Beschreibung.
- Veränderungen in den beschriebenen Ausführungsformen lassen sich leicht durch Fachleute auf dem Gebiet vorstellen. Beispielsweise sind andere Konfigurationen als die diskutierten möglich. Zusätzlich kann das Eingangssignal beispielsweise mittels eines durch die Pumpe gepumpten Faser-Gitter-Lasers im ersten Abschnitt erzeugt werden. Bei einer derartigen Konfiguration werden sowohl die Pump- als auch die Signalwellenlänge gleichzeitig erzeugt und können direkt zum ersten Faserverstärker laufen. In dieser Ausführungsform ist der erste Multiplexer entfernt. Faserverstärker, welche andere seltene Erden als Erbium verwenden, können auch nach der Erfindung benutzt werden. Andere seltene Erden als Erbium können auch in einer Faser verwendet werden, die als Verlusteiement benutzt wird.
- Ein derartiger Filter wie das Filter 153 kann ein Add-Drop- Filter sein. Er kann auch ein Multiplexer sein, welcher verwendet werden kann, um ein anderes Signal oder eine andere Pumpe zu multiplexen. Sowohl das andere Signal als auch die andere Pumpe können wieder gemultiplext werden. Die zusätzliche Pumpe stellt eine zusätzliche Verstärkung ohne Verschlechterung der Rausch-Kenngröße bereit.
Claims (12)
1. Optischer Verstärker, welcher umfaßt:
einen Pumplaser (1), der ein Pumpsignal erzeugt;
einen ersten Multiplexer (5), wobei der erste
Multiplexer (5) das Pumpsignal und ein Eingangssignal
überlagern kann;
einen durch das Pumpsignal gepumpten ersten
Faserverstärker (7) zum Verstärken des Eingangssignals
aus dem ersten Multiplexer (5);
einen zweiten Multiplexer (9), wobei der Multiplexer den
Rest des Pumpsignals nach dem Pumpen des ersten
Faserverstärkers (7) und das verstärkte Eingangssignal
demultiplext;
einen zweiten Faserverstärker (11), wobei der Verstärker
(11) durch den Rest des Pumpsignals aus dem zweiten
Multiplexer (9) gepumpt wird und
eine Einrichtung (15) zum Entnehmen des verstärkten
Eingangssignals aus dem zweiten Multiplexer (9) und
Einführen des verstärkten Eingangssignals in den zweiten
Multiplexer (9) entweder bevor es durch den zweiten
Faserverstärker (11) weiter verstärkt wird, in welchem
Fall der zweite Multiplexer (9) das eingeführte,
verstärkte Eingangssignal mit einem Rest des Pumpsignals
multiplext und dann das gemultiplexte, verstärkte
Eingangssignal durch den zweiten Faserverstärker (11)
weiter verstärkt wird, oder nachdem das verstärkte
Eingangssignal durch den zweiten Faserverstärker (11)
weiter verstärkt wurde, wobei die Einrichtung (15) einen
Zwischenstufenisolator (151, 153, 155, 157) zum
Vermindern sich fortpflanzender verstärkter spontaner
Emissionsstrahlung umfaßt.
2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, in welchem der
Zwischenstufenisolator (151, 153, 155, 157) eine
Filtervorrichtung (151, 153) umfaßt.
3. Optischer Verstärker nach Anspruch 2, in welchem der
Zwischenstufenisolator einen optischen Isolator (155,
157) umfaßt.
4. Optischer Verstärker nach Anspruch 2, in welchem der
Zwischenstufenisolator ein Wellenlängenfilter (151, 153)
umfaßt.
5. Optischer Verstärker nach Anspruch 4, in welchem das
Wellenlängenfilter (151, 153) ein Add-Drop-Filter
umfaßt.
6. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, in welchem die
Einrichtung (15) zum Entnehmen eine optische
Faserschleife umfaßt.
7. Optischer Verstärker nach Anspruch 6, in welchem die
optische Faserschleife mit dem zweiten Multiplexer (9)
so verbunden ist, daß das Signal aus dem Multiplexer (9)
durch den zweiten Multiplexer (9) geschleift wird.
8. Optischer Verstärker nach Anspruch 6, in welchem die
Faserschleife mit dem zweiten Multiplexer (9) verbunden
ist und das Ausgangssignal aus dem zweiten Multiplexer
(9) entnommen wird.
9. Optischer Verstärker, welcher umfaßt:
einen Faser-Gitter-Laser, wobei der Laser ein Pumpsignal
und ein Eingangssignal übertragen kann;
einen ersten zum Verstärken des Eingangssignals durch
das Pumpsignal gepumpten Faserverstärker (7), der mit
dem Faser-Gitter-Laser und einem Multiplexer (9)
verbunden ist, wobei der Multiplexer (9) den Rest des
Pumpsignals nach dem Pumpen des ersten Faserverstärkers
(7) und das verstärkte Eingangssignal demultiplext;
einen zweiten Faserverstärker (11), wobei der
Faserverstärker (11) durch den Rest des Signals aus dem
Multiplexer (9) gepumpt wird und
eine Einrichtung (15) zum Entnehmen des verstärkten
Eingangssignals aus dem Multiplexer (9) und Einführen
des verstärkten Eingangssignals in den Multiplexer (9),
entweder bevor es durch den zweiten Faserverstärker (11)
weiter verstärkt wird, in welchem Fall der Multiplexer
(9) das eingeführte, verstärkte Eingangssignal mit einem
Rest des Pumpsignals multiplext und dann das
gemultiplexte, verstärkte Eingangssignal durch den
zweiten Faserverstärker (11) weiter verstärkt wird, oder
nachdem das verstärkte Eingangssignal durch den zweiten
Faserverstärker (11) weiter verstärkt wird, wobei die
Einrichtung einen Zwischenstufenisolator (151, 153, 155,
157) umfaßt.
10. Optischer Verstärker nach Anspruch 9, in welchem die
Einrichtung (15) zum Aufnehmen eine optische
Faserschleife umfaßt.
11. Optischer Verstärker nach Anspruch 10, in welchem die
Faserschleife mit dem Multiplexer (9) verbunden ist, so
daß das Signal aus dem Multiplexer (9) die Schleife
durch den Multiplexer (9) durchläuft.
12. Optischer Verstärker nach Anspruch 11, in welchem die
Faserschleife mit dem Multiplexer (9) verbunden ist und
das Ausgangssignal aus dem Multiplexer (9) entnommen
wird.
Applications Claiming Priority (1)
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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