DE69428359T2

DE69428359T2 - Dispersionskompensierung in einem optischen kommunikationssystem

Info

Publication number: DE69428359T2
Application number: DE69428359T
Authority: DE
Inventors: Gerard Sherlock; Martin Christopher Tatham
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2014-03-24
Also published as: CA2165564A1; JP3535164B2; AU687384B2; AU6286694A; GB9315011D0; JPH09500504A; EP0710413B1; DE69428359D1; EP0710413A1; WO1995003653A1; CA2165564C; US5861970A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Kompensation der Dispersion in optischen Kommunikationssystemen, insbesondere Verfahren und Einrichtungen, bei denen optische Phasenkonjugation verwendet wird.
Um einem optischen Kommunikationssystem eine hohe Übertragungskapazität zu verleihen, muß es eine niedrige Dispersion aufweisen; das bedeutet, daß Lichtimpulse, die sich entlang eines Wellenleiters des optischen Kommunikationssystems, im allgemeinen einer optischen Faser, ausbreiten, keine signifikanten Verzerrungen aufweisen sollten. Diese Verzerrungen können durch mehrere Quellen verursacht werden. Wenn das optische Kommunikationssystem Mehrmodenfasern verwendet, wird jeder der verschiedenen Moden eine unterschiedliche Gruppengeschwindigkeit aufweisen, so daß modulierte Signale, d. h., Lichtimpulse, die über die Mehrmodenfasern laufen, die durch mehrere verschiedene Moden des Wellenleiters gebildet werden, eine unterschiedliche Gruppenlaufzeit von jedem ihrer Moden aufweisen werden. Dadurch wird eine Streuung eines von mehr als einem Modus gebildeten Impulses bei dessen Ausbreitung verursacht, die als intermodale Dispersion bezeichnet wird. Sobald nacheinander folgende Impulse gestreut wurden, so daß sie nicht mehr voneinander unterschieden werden können, wurde die Informationsübermittlungsgrenze des optischen Kommunikationssystems erreicht. Diese Grenze wird als Produkt der Bandbreite · Distanz ausgedrückt, da sie bei einer höheren Bitrate für einen kürzeren optischen Datenübertragungsabschnitt erreicht wird. Die intermodale Dispersion zwischen den Moden der Mehrmodenfasern ist einer der Gründe, warum moderne optische Kommunikationssysteme zur Verwendung einer optischen Einmodenfaser übergingen, die keine intermodale Dispersion aufweist, da sie nur einen optischen Modus unterstützt.
Optische Einmoden-Kommunikationssysteme werden jedoch durch die Impulsstreuung gestört, die durch die geringe, aber endliche Bandbreite der verwendeten optischen Quelle verursacht wird. Dieser Typ der Impulsstreuung wird als chromatische Dispersion bezeichnet und wird durch zwei Effekte verursacht. Erstens durch die Materialdispersion, da der Brechungsindex eines streuenden Mediums, z. B. Silika, aus der optische Fasern üblicherweise hergestellt werden, von der Wellenlänge abhängt. Zweitens durch die Wellenleiterdispersion, da die Ausbreitungscharakteristiken des einzelnen Modus, der durch eine Einmodenfaser unterstützt wird, auch von der Wellenlänge abhängen. Da die Materialdispersion der Silika bei den meisten für die optischen Kommunikationssysteme in Frage kommenden Wellenlängen positiv ist und die Wellenleiterdispersion für Einmodenfasern negativ ist, können diese zwei Effekte bei einer richtig ausgelegten optischen Faser sorgfältig abgestimmt werden, so daß die chromatische Dispersion bei der Betriebswellenlänge des optischen Kommunikationssystems als Ganzes verschwindet.
Die überwältigende Mehrheit von optischen Kommunikationssystemen, die weltweit installiert wurden, enthält optische Einmodenfasern, die für die Verwendung im verlustarmen 1,3 um-Fenster ausgelegt wurden und als solche bei dieser Wellenlänge eine niedrige chromatische Dispersion aufweisen. In den letzten Jahren bedeutete die schnelle Entwicklung von erbiumdotierten Faserverstärkern (EDFA), daß die Faserverluste und somit der Leistungshaushalt der optischen Kommunikationssysteme nicht mehr die Grundgrenze für die erreichbare Übertragungsdistanz darstellen. Diese EDFKs können jedoch lediglich im optischen 1,55 um- Übetragungsfenster betrieben werden, so daß wenn die Leistung von bestehenden optischen Kommunikationsabschnitten erhöht werden soll, um z. B. bei höheren Bitraten betrieben zu werden, diese Systeme im 1,55 um-Übetragungsfenster arbeiten müssen, während die optischen Fasern für die Verwendung bei 1,3 um ausgelegt wurden. Die grundlegende Übertragungsbeschränkung des Bandbreiten-Distanz-Produkts bei der Erhöhung der Leistung eines bestehenden optischen Kommunikationssystems ist die durch die Dispersion verursachte Beschränkung. Weiterhin stellt die Dispersion wieder die grundlegende Beschränkung der Übertragungskapazität sogar für Systeme mit Fasern dar, die für die Verwendung bei 1,55 um ausgelegt wurden, wenn sehr hohe Bitraten angestrebt werden, es sei denn, daß für sehr schmale Strichstärken extern modulierte Laser verwendet werden.
Es sind zahlreiche Verfahren zur Kompensation der Dispersion bekannt. Bei einem derartigen Verfahren wird das optische Signal am senderseitigen Ende des optischen Kommunikationssystems absichtlich verzerrt, bevor es in die optische Faser eingekoppelt wird. Die auf das optische Signal wirkende Verzerrung muß derart berechnet werden, daß sie durch die Dispersion kompensiert wird, durch die anschließend das optische Signal während seiner Ausbreitung über die optische Faser gestört wird. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens wurde von Koch und Alferness in "Dispersion Compensation By Active Predistorted Signals Synthesis" Journal of Lightwave Technology, Band LT-3, Nr. 4, August 1985 beschrieben. Um diese Verfahren erfolgreich anzuwenden, müssen die Übertragungscharakteristiken der besonderen verwendeten optischen Faser sowie die Länge des Übertragungsabschnitts bekannt sein, damit das vorverzerrte Signal richtig synthetisiert werden kann. Im allgemeinen muß die bei diesen Systemen verwendete optische Quelle leistungsfähig und somit komplex sein, damit sie eine unabhängige Steuerung der Amplitude und der Frequenz des optischen Signals ermöglicht. Die Probleme der Vorverzerrung-Dispersionskompensationssysteme sind wesentlich größer für höhere Bitratensysteme, bei denen die Dispersionskompensation von größter Wichtigkeit ist.
Bei einem zweiten bekannten Dispersionskompensationsverfahren wird eine optische Faser mit negativer Dispersion verwendet, um die am senderseitigen oder am empfängerseitigen Ende des optischen Übertragungsabschnitts auftretende positive Dispersion zu kompensieren, die durch optische Signale verursacht wird, die sich entlang der optischen Übertragungsfaser ausbreiten. Wenn optische Signale von 1,55 um mittels einer optischen Übertragungsfaser mit einer verschwindenden Dispersion bei 1,3 um übertragen werden, werden sie positive Dispersion aufweisen, d. h., das Vorzeichen der Ableitung ihrer Gruppenlaufzeit nach der Wellenlänge wird positiv sein und typischerweise in der Größenordnung von 17 ps/km/nm liegen. Eine optische Einmodenfaser kann insbesondere durch die Wahl der Wellenleiterparameter, die eine große negative Wellenleiterdispersion verursachen, derart ausgelegt werden, daß sie eine große negative chromatische Dispersion aufweist; z. B. wird eine Faser, die einen Kern kleinen Durchmessers und einen hohen Brechungsindex aufweist, eine negative Wellenleiterdispersion aufweisen. Ein solches Schema wurde von Izadpanah et al in "Disperson Compensation In 1310 nm Optimised SMFs Using Optical Equaliser Fibre, EDFAs And 1310/1550 nm WDM" Electronic Letters, 16. Juli 1992, Band 28, Nr. 15, Seite 1469 verwendet. Izadpanah et al verwendeten eine besonders ausgelegte, negative Dispersion aufweisende Faser mit einer Dispersion von -45 ps/km/nm. Die Länge der erforderlichen, die negative Dispersion aufweisenden Faser betrug annähernd ein Drittel der Länge des Übertragungsabschnitts, in dem die Dispersion kompensiert wurde. Derart große Längen von zusätzlichen Fasern sind ungeeignet und aufwendig. Desweiteren weist diese Faser aufgrund des im Kern verwendeten hohen Dotierungspegels und der geringen Kerngröße einen relativ hohen Verlust auf, so daß eine Verstärkung des optischen Signals sehr wichtig ist, selbst wenn die Bitrate des Systems nicht erhöht wird.
Eine dritte Form der Dispersionskompensation wurde von Yariv et al in "Compensation For Channel Dispersion By Non-linear Optical Phase Conjugation", Optics Letters, Band 4, Nr. 2, Februar 1979 theoretisch vorgeschlagen. Yariv et al schlugen vor, daß durch Erzeugen einer optischen phasenkonjugierten Nachbildung des optischen Signals, nachdem das Signal eine Hälfte des optischen Übertragungsabschnitts durchlief, und durch Einkoppeln dieser optischen phasenkonjugierten Nachbildung in die zweite Hälfte des optischen Übertragungsabschnitts die Wirkungen der Dispersion des optischen Signals in der ersten Hälfte des Abschnitts reversiert werden und das optische Signal wieder in seine ursprüngliche Form umgewandelt wird. Dieses Verfahren beruht auf der durch die Phasenkonjugation verursachten Zeitumkehrung der Gruppengeschwindigkeitsdispersion des optischen Signals und erfordert somit, daß die Dispersion in der zweiten Hälfte des optischen Übertragungsabschnitts dieselbe wie die Dispersion in der ersten Hälfte ist, wenn sie vollständig kompensiert werden soll.
Yariv's Vorschlag wurde bei einem optischen Kommunikationssystem durch Verwendung eines nicht degenerativen Vierwellen-Mischvorgangs (NDFWM) (non degenerate four wave mixing) in einer dispersionsverschobenen Faser (DSF) realisiert, um die erforderliche optische Phasenkonjugation durchzuführen. In diesem Fall bewegen sich die phasenkonjugierten optischen Signale in der gleichen Richtung wie das sich gleichzeitig ausbreitende Pumplicht und das ursprüngliche optische Signal. Dieses Verfahren wurde von Watanabe et al in "Compensation Of Chromatic Dispersion In A Single Mode Fibre By Optical Phase Conjugation" IEEE Photonics Technology Letters, Band 5, Nr. 1, Januar 1993 und von Jopson et al in "Compensation Of Fibre Chromatic Dispersion By Spectral Inversion", Electronic Letters, 1. April 1993, Band 29, Nr. 7, realisiert. In beiden Fällen waren große Längen, über 20 km, einer sorgfältig ausgelegten DSF erforderlich. Eine DSF ist eine Faser, die für eine verschwindende Dispersion im 1,55 um-Telekommunikationsfenster ausgelegt wurde, d. h., ihre verschwindende Dispersion wurde von 1,3 um zu ca. 1,55 um verschoben. Zusätzlich zu dieser Anforderung erforderten Watanabe und Jopson weiterhin, daß die Wellenlänge des für NDFWM in der DSF erforderlichen Pumplichts dieselbe ist wie die Wellenlänge der verschwindenden Dispersion der DSF, um eine ausreichende Phasenübereinstimmung zwischen dem Pumplicht und den optischen Signalen zu erreichen. Diese Anforderung an die Phasenübereinstimmung über 20 km DSF ist wichtig und bedeutet, daß die Wellenlänge des Pumplichts z. B. über 20 km mit einem Abstand von Pumplicht und Signal von 2 nm sorgfältig gesteuert werden muß, wobei die Pumplicht-Wellenlänge innerhalb von annähernd 1 nm der Wellenlänge der verschwindenden Dispersion liegen muß. Weiterhin wird diese Anforderung mit der Vergrößerung der Länge der DSF stärker, wobei sie sehr viel stärker wird, wenn der Wellenlängenabstand von Pumplicht und Signal vergrößert wird. Der sowohl von Watanabe als auch von Jopson erreichte Wirkungsgrad der Umwandlung des optischen Signals in seine phasenkonjugierte Nachbildung ist niedrig und beträgt in beiden Fällen ungefähr -25 dB. Das phasenkonjugierte Signal, das in die zweite Hälfte des optischen Übertragungsabschnitts eingekoppelt werden soll, weist demnach einen sehr niedrigen Pegel auf.
Von Murata et al wurde in "THz Optical Frequency Conversion Of 1 Gb/s Signals Using Highly Non-degenerate Four Wave Mixing In An InGaAsP Semiconductor Laser" IEEE Transactions Photonics Technology Letters, Band 3, Nr. 11, November 1991 vorgeschlagen, das Yariv's Phasenkonjugationsverfahren zur Dispersionskompensation durch Verwendung eines Fabry-Perot-Lasers als Phasenkonjuga-tionseinrichtung durchzuführen. Dieser Vorschlag wurde jedoch nicht vorgeführt.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Dispersionskompensation ist in "Chirping Compensation Using a Two-Section Semiconductor Laser Amplifier" - Journal of Lightwave Technology, Band 10, Nr. 9, September 1992, Seiten 1247-1254 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Kompensation der Dispersion in einem optischen Kommunikationssystem vor, wobei das Kommunikationssystem umfaßt:
eine Quelle optischer Signale, die optisch mit einem ersten Ende einer ersten Länge einer optischen Faser verbunden ist,
einen nicht-resonanten optischen Halbleiterverstärker zum Empfangen der optischen Signale von einem zweiten Ende der ersten Länge der optischen Faser,
eine zweite Länge einer optischen Faser, deren erstes Ende zum Empfangen optischer Signale von dem Verstärker dient, und wobei das Verfahren umfaßt:
i) Einkoppeln optischer Signale von dem zweiten Ende der ersten Länge der optischen Faser in den Halbleiterverstärker,
ii) Einspeisen optischer Pumpstrahlung in den optischen nicht-resonanten Halbleiterverstärker, so daß die eingekoppelten optischen Signale und die Pumpstrahlung innerhalb des optischen nicht-resonanten Halbleiterverstärkers miteinander wechselwirken und eine Phasenkonjugierte der eingekoppelten optischen Signale erzeugen, und
iii) Einkoppeln der phasenkonjugierten optischen Signale vom Verstärker in die zweite Länge der optischen Faser.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt somit die bei der Verwendung von DSF auftretenden Nachteile und ermöglicht eine optische Phasenkonjugation durch Benutzung eines optischen Halbleiterverstärkers. Derartige Einrichtungen sind kurz, in der Größenordnung von Hundert Mikron, so daß die Phasenübereinstimmung zwischen der Pumpstrahlung und dem optischen Signal problemlos erreicht wird. Da die optischen Halbleiterverstärker Verstärkungsfaktoren aufweisen, ist der Wirkungsgrad des optischen Phasenkonjugationsprozesses viel höher als bei passiven DSFs.
Die Anmelder haben überraschenderweise festgestellt, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Kompensation der Dispersion in optischen Kommunikationssystemen ungeachtet dessen erfolgreich verwendet werden kann, daß im wesentlichen keine Vergrößerung des Hohlraums der optischen Phasenkonjugation im optischen Halbleiterverstärker stattfindet. Der theoretische Vorschlag von Murata et al führt den Fachmann zur Erwartung, daß eine wesentliche Vergrößerung des Hohlraums bei der Durchführung des Vierwellen-Mischprozesses mittels einer resonanten Anordnung, z. B. eines Fabry-Perot-Lasers, zum Erreichen eines ausreichenden Wirkungsgrades der optischen Phasenkonjugation wichtig ist. Die Anmelder entdeckten, daß nicht nur dies der Fall ist, sondern daß die Verwendung eines optischen Halbleiterverstärkers anstatt eines Halbleiterlasers signifikante Vorteile bietet. Wenn die Vergrößerung des Hohlraums oder der Resonanz in einem signifikanten Ausmaß verwendet wird, müssen sowohl das Pumplicht als auch das optische Signal bezüglich der Wellenlänge genau derart gesteuert werden, daß sie mit einem der Hohlraummoden übereinstimmen, so daß eine genaue Steuerung der Wellenlänge dieser Signale erforderlich ist. Insbesondere muß die Wellenlänge der Pumpstrahlung mit der Wellenlänge eines der Hohlraummoden des Fabry-Perot-Lasers übereinstimmen, um seine Injektion zu verriegeln, wobei diese Moden typischerweise eine Injektionsverriegelungs-Bandbreite von nur wenig GHz aufweisen. Des weiteren bewirkt die Verwendung der Resonanzverstärkung eine Einschränkung der Modulationsbandbreite, die dem optischen Signal auferlegt wird. Dies wird dadurch begründet, daß, wenn die Bandbreite des optischen Signals anfängt, sich der Bandbreite der Hohlraumresonanz zu nähern, die Hohlraumresonanz als ein Spektralfilter auf das optische Signal wirkt und eine Störung des Modulationsmusters des optischen Signals verursacht. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn die Modulationsbandbreite des optischen Signals erweitert wird, und insbesondere dann, wenn die optischen Signale nicht transformationsbegrenzt sind, beispielsweise wenn der Sender eine erhebliche Strichstärke aufweist oder durch Zirpen gestört wird. Ein weiterer Nachteil sämtlicher Resonanzeinrichtungen ist ihre Instabilität bei Temperaturänderungen oder mechanischen Vibrationen.
Ein bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeter optischer Halbleiterverstärker weist durch Seitenflächenreflexionen verursachte Änderungen des Verstärkungsfaktors mit der Wellenlänge von weniger als 5 dB auf, d. h., daß die Amplitude der sogenannten "Verstärkungswelligkeit" weniger als 5 dB beträgt. Die Anmelder stellten fest, daß optische Halbleiterverstärker mit einer Verstärkungswelligkeit von weniger als 5 dB von den Nachteilen der Hohlraumverstärkung, zum Beispiel von der oben erwähnten Einschränkung der Bandbreite des optischen Signals, nicht wesentlich betroffen werden. Wie im nachfolgenden Text beschrieben wird, profitieren derartige optische Halbleiterverstärker jedoch in geringem Ausmaß von einer begrenzten Hohlraumverstärkung.
Der bei der vorliegenden Erfindung verwendete optische Halbleiterverstärker weist vorzugsweise Seitenflächenreflexionen von weniger als 10&supmin;³ auf. Dadurch wird wirksam sichergestellt, daß der optische Halbleiterverstärker für einzelne Durchlaßverstärkungsfaktoren bis zu 20 dB als ein Wanderfeldverstärker arbeitet, der keine Hohlraumverstärkung aufweist.
Die Wellenlänge des optischen Signals und die Wellenlänge der Pumpstrahlung unterscheiden sich vorzugsweise um wenigstens 1 nm. Dadurch wird gewährleistet, daß der Vierwellen-Mischvorgang, dem die optischen Signale sowie die Pumpstrahlung unterzogen werden, weitgehendst nicht- degenerativ ist. Dies ist erwünscht, da der nicht-degenerative Vierwellen- Mischvorgang (NDFWM) auf einem ultraschnellen optischen bandinternen nichtlinearen Verstärkungsprozess beruht, der eine sehr kurze Reaktionszeit von weniger als 1 ps aufweist und somit eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens zur Kompensation der Wellenlängendispersion bei optischen Kommunikationssystemen ermöglicht, die bei Bitraten bis zu Terabits pro Sekunde arbeiten.
Die Verstärkung des optischen Halbleiterverstärkers wird vorzugsweise durch die Pumpstrahlung gesättigt. Die Anmelder haben überraschenderweise entdeckt, daß das Verhältnis zwischen dem phasenkonjugierten Signal und der spontanen Hintergrundemission durch den Betrieb des optischen Halbleiterverstärkers im gesättigten Zustand erhöht wird.
Der optische Halbleiterverstärker wird zusätzlich oder alternativ vorzugsweise mit einem hohen Injektionsstrom betrieben. Obwohl sowohl der Pegel des phasenkonjugierten optischen Signals als auch der spontanen Hintergrundemission mit der Erhöhung des Injektionsstroms erhöht werden, wurde festgestellt, daß die Geschwindigkeit der Pegelerhöhung des phasenkonjugierten optischen Signals höher ist als die Geschwindigkeit der Pegelerhöhung der spontanen Hintergrundemission, so daß das Verhältnis zwischen dem Signal und dem Hintergrund durch eine Erhöhung des Injektionsstroms erhöht werden kann.
Obwohl die optische Pumpstrahlung in den optischen Halbleiterverstärker über die erste Länge der Lichtleitfaser eingespeist werden kann, wird sie in den optischen Halbleiterverstärker vorzugsweise von einer optischen Pumpquelle eingespeist, die neben dem optischen Halbleiterverstärker angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß die optische Pumpstrahlung in der ersten Lichtleitfaser beispeilsweise nicht durch die Brillouin'sche Streuung gestört wird.
Die in den optischen Halbleiterverstärker eingespeiste optische Pumpstrahlung wird vorzugsweise innerhalb des optischen Halbleiterverstärkers erzeugt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß sowohl der optische Halbleiterverstärker als auch die optische Pumpquelle durch eine Halbleiteranordnung mit einem wellenlängenselektiven Rückkopplungsmittel, z. B. durch einen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) oder einen Laser mit verteilter Bragg'scher Reflexion, gebildet werden. In diesem Fall wird die Pumpstrahlung für den Vierwellen-Mischvorgang, anstatt in den optischen Halbleiterverstärker von einer vom optischen Halbleiterverstärker getrennten optischen Pumpquelle eingespeist zu werden, durch Zusammenwirken des wellenlängenselektiven Rückkopplungsmittels mit dem Verstärkungsmedium des optischen Halbleiterverstärkers erzeugt. Somit erfüllt in diesem Fall eine einzige Halbleiteranordnung, z. B. ein DFB-Laser, die Funktion sowohl einer Pumpstrahlungsquelle mit schmaler Strichstärke als auch des nichtlinearen Mediums, in dem der Vierwellen-Mischvorgang stattfindet. In die einzelne Halbleiteranordnung werden somit lediglich die optischen Signale injiziert und die phasenkonjugierten optischen Signale werden aus der Halbleiteranordnung entfernt. Das Wellenlängenselektive Rückkopplungsmittel bewirkt vorzugsweise eine starke optische Rückkopplung lediglich bei der Pumpwellenlänge, so daß eine Spektralfilterung der optischen Signale oder der optischen phasenkonjugierten Signale vermieden wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Kommunikationssystem vorgeschlagen, das umfaßt:
einen Übertragungspfad mit einer ersten optischen Faser und einer zweiten optischen Faser,
eine optische Signalquelle für das Einkoppeln optischer Signale in die erste optische Faser,
eine optische Pumpquelle für das Erzeugen der Pumpstrahlung, und einen nicht-resonanten optischen Halbleiterverstärker mit einem Eingang für das Empfangen von Signalen von der ersten optischen Faser und einem Ausgang zum Speisen der zweiten optischen Faser, wobei der nicht- resonante optische Halbleiterverstärker im Betrieb die Pumpstrahlung und die optischen Signale empfängt, nachdem die Signale sich durch die erste optische Faser ausgebreitet haben, und phasenkonjugierte Nachbildungen der optischen Signale erzeugt, die in die zweite optische Faser eingekoppelt werden.
Nachfolgend werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung lediglich anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a das Ausgangsspektrum eines 500 um-Fabry-Perot-Lasers im Leerlauf mit einem Injektionsstrom von 64 mA,
(b) das Injektionsverriegelungsspektrum desselben Lasers mit einem -6,7 dBm-Licht, das in die Anordnung von einem LEC-Laser eingespeist wurde, der bei 1,557249 um betrieben wurde,
Fig. 2 einen nicht degenerativen Vierwellen-Mischvorgang in einem injektionsverriegelten Fabry-Perot-Laser in der Nähe der 5. Resonanz, (a) das Verstimmungsspektrum mit der Sondenlaser-Wellenläge zwischen zwei FP-Wellentypen, (b) das Resonanzspektrum mit den auf den höchsten Punkt der FP-Resonanz abgestimmten Sondenlaser.
Fig. 3 einen nicht degenerativen Vierwellen-Mischvorgang in einem injektionsverriegelten Fabry-Perot-Laser in der Nähe der 14. Resonanz, wobei (a) das Verstimmungsspektrum und (b) das Resonanzspektrum darstellen;
Fig. 4 Resonanzprofile für (a) das NDFWM-konjugierte Signal, und (b) das Sonden-Lasersignal in einem injektionsverriegelten Fabry-Perot-Laser;
Fig. 5 die Seitenflächenausgangsleistungen eines FP-Lasers, des Pumplichts, der Sonde und der NDFWM-konjugierten Signale (für kurze und lange Wellenlängen) beim Maximum jeder Resonanz als Funktion der Pump-Sonden-Verstimmung;
Fig. 6 Resonanzkurven eines FP-Lasers für das Pumplicht, das Sondenlicht und das NDFWM-konjugierte Signal (kurze Wellenlänge) für (a) die 5. und (b) die 14. Resonanz um die FP-Resonanz, bei der das Pumplicht injiziert wird, wobei die Abzissen die Pump-Sonden-Verstimmungsfrequenzen darstellen;
Fig. 7 die theoretische Änderung der Resonanzverstärkung und der Bandbreite des hohlraumverstärkten NDFWM mit der Verstärkungswelligkeit;
Fig. 8 eine experimentelle Anordnung für eine Ausführung der Erfindung;
Fig. 9 optische Spektren, die am Ausgang der in Fig. 8 dargestellten SOA (a) mit dem DFB-Signal, (b) ohne das DFB-Signal (Offsett von -10 dB) gemessen wurden;
Fig. 10 Augendiagramme für die Anordnung gemäß Fig. 8 für (a) eine "back-to-back"-Anordnung, (b) eine Übertragung über 100 km ohne Dispersionskompensation, und (c) eine Übertragung über 100 km mit Dispersionskompensation, wobei die Messungen durch die Verwendung eines optischen 2,5 Gbit/s-Empfängers mit einer empfangenen Leistung von - 26 dBm durchgeführt wurden;
Fig. 11 Bitfehlerratekurven für die "back-to-back"-Anordnung, die Übertragung über 100 km ohne Dispersionskompensation, und die Übertragung über 100 km mit Dispersionskompensation bei 2,5 Gbit/s (2¹&sup5;-1) NRZ Pseudozufallsfolge;
Fig. 12 die Leistung des phasenkonjugierten Signals und das Signal-zu- Hintergrund-Verhältnis als eine Funktion der Chipverstärkung eines Wanderfeldverstärkers (TWA);
Fig. 13 die Leistung des phasenkonjugierten Signals und das Signal-zu- Hintergrund-Verhältnis als eine Funktion der Gesamteingangsleistung der optischen Faser (Pumplicht + Signal). (Die Kurve dient als Aufklärungshilfe für den Beobachter).
Die Anmelder führten Versuche und eine theoretische Analyse durch, um die Wirkung der Hohlraumverstärkung bei NDFWM zu ermitteln. Zuerst werden diese Experimente und die Analyse beschrieben, worauf eine Beschreibung eines optischen Kommunikationssystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung folgt.
Mehrere Experimente wurden mit Fabry-Perot-Lasern durchgeführt, d. h., mit Einrichtungen mit sehr hohen Niveaus der Hohlraumverstärkung, durch Injizieren von zwei Signalen, eines Pumplichts und eines Sondenlichts in diese Laser, und durch Abstimmen der Wellenlänge des Pumplichts und des Sondenlichts durch die Fabry-Perot(FP)-Resonanzen der Laser. Fig. 1a zeigt das Ausgangsspektrum eines 500 um-Fabry-Perot- Lasers im Leerlauf, der 16 mehrfache Quantenbohrungen (multiple quantum wells - MQW) aufweist, mit einem Injektionsstrom von 64 mA. Dieser Figur ist zu entnehmen, daß die Ausgangsleistung bei der Resonanz um ca. 30 dBm höher ist als bei einer Verstimmung. Fig. 1b zeigt das Ausgangsspektrum des gleichen Fabry-Perot-Lasers nach einer Injektionsverriegelung mit einem -6,7 dBm-Licht von einer abstimmbaren Pumpquelle.
In den Fabry-Perot-Laser wurde das Licht einer Sondenquelle eingekoppelt, wobei die Eingangsleistung auf 13,6 dBm (eingekoppelte Leistung) konstant gehalten wurde. Während die Wellenlänge des Pumplichts auf 1,557249 um aufrechterhalten wurde, wurde die Wellenlänge der Sonde durch die FP-Resonanzen des Pumplichts mit längeren Wellenlängen bis zu einer Verstimmung zwischen den zwei Eingängen von 9,7 nm (1,19 THz) abgestimmt. Die Ausgangsspektren mit zwei Eingängen sind in Fig. 2(a) & (b) (für eine Verstimmung zwischen dem Pumplicht und dem Sondenlicht von -3 nm, 370 GHz) und 3(a) & (b) (für eine Verstimmung von -9 nm, 1,1 THz) dargestellt, wobei in beiden Fällen Figur (a) das Verstimmungsspektrum und Figur (b) das Resonanzspektrum darstellen. Die Wirkung der FP-Hohlraumresonanzen auf den NDFWM ist qualitativ ganz klar: wenn die Wellenlänge des Sondenlichts zwischen zwei FP- Resonanzen (Verstimmung) liegt, könnten keine konjugierten Signale beobachtet werden; eine Abstimmung des Sondenlichts mit dem Maximum der FP-Resonanz bewirkt jedoch eine starke Erhöhung der Leistung des konjugierten Strahls.
Die optische Leistung des konjugierten NDFWM-Strahls (bei kürzeren Wellenlängen) und der Ausgangssignale des Sondenlasers werden als eine Funktion der Pumplicht-Sondenlicht-Verstimmung in Fig. 4(a) & (b) dargestellt. Die Leistungswerte wurden aus den gemessenen Spektren ermittelt, wobei das System derart kalibriert wurde, daß aktuelle Seitenflächenleistungen erhalten wurden. Sowohl der konjugierte Strahl als auch der Sondenstrahl zeigen Resonanzen mit schmaler Strichstärke, die jeder der 14 FP-Resonanzen entsprechen. Obwohl die Spitze-zu-Mulde-Verhältnisse für die Sondenstrahl-Resonanzen annähernd denen der restlichen FP- Moden des FP-Laser-Spektrums entsprechen, entspricht die Amplitude der Resonanzen des konjugierten Strahls dem Quadrat dieser Amplituden.
Die optischen Leistungen des Pumplichts, des Sondenlichts und der konjugierten NDFWM-Strahlen (sowohl bei längeren als auch bei kürzeren Wellenlängen) im Maximum der Resonanzen sind in Fig. 5 dargestellt. Das wichtigste Merkmal der Darstellung ist der Leistungsabfall des konjugierten Strahls bei einer kurzen Wellenlänge. Bei Verstimmungen bis zu 0,9 THz (7,2 nm) sinkt die Intensität des konjugierten Strahls mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 dB/Dekade. Oberhalb der 0,9 THz (7,2 nm) tritt ein wesentlich schnellerer Abfall der optischen Leistung auf. Der absolute Leistungspegel des konjugierten Strahls ist um mindestens eine Größenordnung höher als der, der bei ähnlichen Experimenten bei Wanderfeldverstärkern für ähnliche Eingangsleistungen gemessen wurde. In Wirklichkeit ist die Leistung des konjugierten Strahls auf der Ausgangsseitenfläche bei Verstimmungen bis zu -0,6 THz (4,8 nm) höher als die injizierte Leistung im Sondenstrahl. Die ausgezogene Linie zeigt die theoretisch vorgegebene NDFWM-Verstärkung (willkürliche Skala) gemäß der Formel:
wo Psat die Verstärkungssättigungsleistung des Verstärkers und P die optische Gesamtleistung, &epsi;NL den nicht linearen Verstärkungsparameter, ω die Pump-Sonden-Verstimmung, τR und τin die charakteristischen Zeiten der physikalischen Prozesse bezeichnen, aus denen sich zwei Werte, d. h., die Ladungsträgerdichte-"Besetzungs-pulsationen" - und die nichtlineare Verstärkung ergeben. τR ist die effektive Rekombinationszeit (einschließlich der stimulierten Emission), während in die bandinterne Relaxationszeit bezeichnet. Die dargestellte theoretische Kurve paßte gut zu den Versuchsdaten eines Wanderfeldverstärkers mit gespannter 16- Bohrungschicht (16-well strained layer) unter ähnlichen Versuchsbedingungen mit den Parametern τR = 0,08 ns und τin = 0,5 ps. Die Kurve entspricht den Daten für Verstimmungen bis zu 0,9 THz, wobei der relativ langsame Abfall (-10 dB/Dekade) sich aus der Kombination des schnellen Abfalls (20 dB/Dekade) des NDFWM aufgrund der Besetzungspulsationen (ω » 1/τR) und des fast konstanten Pegels des NDFWM aufgrund der nichtlinearen Verstärkung (ω ≥ 1/τR) ergibt.
Der schnelle Abfall des konjugierten Signals für Frequenzen oberhalb von 0,9 THz wird durch zwei Effekte verursacht: (1) die aus der reduzierten modalen Verstärkung resultierende Erweiterung der Resonanz und (2) die Dispersion des Modenindex, die einen sich verändernden FP- Modenabstand hervorruft. Da die Erhöhung der Leistung des konjugierten Strahls aus der Übereinstimmung des Sondenstrahls sowie des konjugierten Strahls mit FP-Resonanzen resultiert, bewirkt der letztgenannte Effekt, daß die beiden Strahlen nicht gleichzeitig ihren Resonanzzustand erreichen. Es scheint, daß dieser Effekt dominiert, da der Effekt (1) in einer scharfen Reduzierung der Sonden-Ausgangsleistung über die 0,9 THz- Verstimmung hinaus resultieren würde, die nicht beobachtet wurde.
Um die aus Hohlraumresonanzen resultierende Erhöhung des NDFWM- Wirkungsgrades auszuwerten, werden die im vorhergehenden Absatz beschriebenen Ergebnisse mit Ergebnissen von Wanderfeldverstärkern (TWA's) und DFB-Lasern verglichen. Bei den Wanderfeldverstärkern wurden ein Pump- und ein Sondenstrahl in eine Einrichtung injiziert, die auf beiden Seitenflächen bis zu ≤ 0,2% mit einer reflexionsverhindernden Beschichtung versehen war und die eine hohe Einwegverstärkung (single- pass gain) (-20 dB) mit einer restlichen Fabry-Perot-Welligkeit von ≤ 0,2 aufwies. Bei dem DFB-Laser wurde ein einziges Sondeneingangssignal in die Einrichtung injiziert, die oberhalb des Schwellenwertes η betrieben wurde und eine Leistung > 10 mW erbrachte.
Es ist jedoch notwendig, die Ergebnisse auf eine Art und Weise zu vergleichen, die die Abhängigkeit von Versuchsdetails, z. B. von Eingangsleistungen und Einwegverstärkung, beseitigt. Da die Leistung des konjugierten Strahls im allgemeinen durch die Beziehung PFWM = P&sub1;²·P&sub2; definiert wird, wobei P1, P2 und PFWM optische Leistungen des Pumplichts, des Sondenlichts und der FWM-konjugierten Strahlen bezeichnen, werden Koeffiziente out und in für die Vergleichszwecke folgendermaßen definiert:
PFWM, out = out·(P1,out)²·P2,out (2)
PFWM, in = in·(P1,in)²·P2,in (3)
wobei die tiefgestellten Indexe "out" und "in" bezeichnen, ob die Leistung die Seitenflächen-Ausgangsleistung oder die eingekoppelte Eingangsleistung ist. in bezeichnet den Grundwirkungsgrad einer Einrichtung für Phasenkonjugation, der von der Einwegverstärkung abhängig ist, mit der die Einrichtung betrieben wird. out bietet eine präzisere Angabe über den wahren Wirkungsgrad jedes Einrichtungstyps, da es die Abhängigkeit von der Einwegverstärkung beseitigt und deswegen die Wirkung der FP- Hohlraumresonanz klarer darstellen wird. Die Tabelle 1 zeigt die Werte von out und in für eine Pump-Sonden-Verstimmung von 1 THz bei fünf Messungen. Die Einrichtungen 1, 2 und 3 sind Verstärker mit zwei Beitenflächen und einer reflexionsverhindernden Beschichtung, die Einrichtung 4 ist ein DFB-Laser und die Einrichtung 5 ist ein Fabry-Perot-Laser. (Bei allen Messungen wies der weichere Sondenstrahl eine längere Wellenlänge als der Pumpstrahl auf.)
Das signifikanteste Merkmal der Tabelle besteht darin, daß während die Werte von out für die Messungen mit TWA und DFB relativ gleichbleibend sind, der Wert für die FP-Einrichtung bei Resonanz um -30dB größer ist. Das bedeutet, daß die Wirkung des FP-Hohlraums eine ungefähr dreifache Erhöhung des NDFWM-Wirkungsgrades bewirkt. Zwischen den Werten von in besteht infolge der viel niedrigeren Verstärkung der FP- Einrichtung ein wesentlich kleinerer Unterschied, obwohl, wie erwartet, die Ergebnisse für die TWA und DFB größere Unterschiede aufweisen.
Die in Fig. 4 gezeigten Ergebnisse lassen erkennen, daß die Resonanzverstärkung im NDFWM über eine schmale Bandbreite stattfindet und daher erhebliche Einschränkungen der Verwendung dieses Effekts sowohl bezüglich der maximalen Bitraten als auch der einfachen Verwendung bewirkt. Die Ausgangsintensitäten des Pumplichts, des Sondenlichts und des konjugierten Strahls (mit kurzer Wellenlänge) für einen kleinen Bereich von Verstimmungen um den Resonanzwert, sind in Fig. 6 für (a) die 5. Resonanz und (b) die 14. Resonanz dargestellt. Die Versuchspunkte für das Sondenlicht und die konjugierten Strahlen werden mittels der Verwendung der nachfolgenden Airy-ähnlichen Funktionen ermittelt:
Ipr = Ipr,0((1 - RG)² + 4RGsin²(Δk·L))&supmin;¹ (4)
IFWM = IFWM,0((1 - RG)² + 4RGsin²(Δk·L))&supmin;² (5)
wobei RG = (R&sub1;R&sub2;)·exp(GL) und R&sub1;, R&sub2; die Reflektivitäten der Seitenflächen bezeichnen, während g die Einwegverstärkung und L die Länge der Einrichtung bedeuten. Δk ist die Verstimmung des Weilenvektors aus der FP- Resonanz und Δk·L = (Δf/ΔfFSR), wobei mit Δf die Frequenzverstimmung und mit ΔfFSR der freie Spektralbereich der FP-Moden bezeichnet werden. Die Gleichungen (4) und (5) werden unter der Annahme einer gleichen, gleichmäßigen modalen Verstärkung und eines wirksamen Index (effective index) für das Sondenlicht und konjugierte Strahlen, sowie einer gleichmäßigen Pumpleistung erhalten.
Der Parameter RG bezeichnet den Grad der Rückkopplung innerhalb des Fabry-Perot-Hohlraums, wobei insbesondere die Größe der Verstärkungswelligkeit (d. h., das Verhältnis zwischen Verstärkungsmaximum und - minimum eines Hohlraummodes) durch die Formel:
Verstärkungswelligkeit = (1 + RG)²/(1 - RG)²
definiert wird.
In beiden Figuren wurden die Resonanzkurven des Sondenlichts und des konjugierten Strahls durch Verwendung des gleichen Werts von RG angepaßt (abgesehen von der Spitzenintensität der einzige veränderbare Parameter), wobei als ΔfFSR ein Meßwert von 82,4 GHz gewählt wurde. Die Halbwertsbreite (FWHM) für das Sondenlicht und die konjugierten Signale betrug für die 5. Resonanz 4,3 GHz bzw. 2,8 GHz, während die Resonanzbandbreite für die 14. Resonanz mit FWHM-Werten von 8,2 GHz bzw. 5,2 GHz für das Sondenlicht und die konjugierten Signale erheblich größer war. Für die 14. Resonanz existiert in den Resonanzmaximumpositionen für das Sondenlicht und die konjugierten Signale auch ein signifikanter Unterschied von 4-5 GHz, der die vorhin getroffene Schlußfolgerung unterstützt, daß die modale Dispersion bei Verstimmungen 1 THz die Hohlraumverstärkung reduziert.
Es ist klar, daß die schmale Bandbreite der Resonanzverstärkung eine erhebliche Einschränkung der Nützlichkeit des Effekts bewirkt. Die Gleichung (5) zeigt jedoch, daß zwischen der Resonanzbandbreite und dem Ausmaß der Erhöhung ein Verlust auftritt, während Fig. 7 die Abhängigkeit der Verstärkungswelligkeit von der Erhöhung des Resonanzmaximums und der FWHM (als Fraktion von ΔfFSR) darstellt. Der Punkt, in dem die Verstärkungswelligkeit gleich Null ist, entspricht dem Fall eines TWA mit der Verstärkung g. Die Figur zeigt, daß die Resonanzstrichstärke niedriger als 0,18 ΔfFSR (-15 GHz für eine 500 um-Einrichtung) sein müßte, um eine erhebliche Erhöhung, bespielsweise > 10, zu erreichen. Im vorliegenden Fall liegt das Verhältnis Δf(FWHM)/ΔfFSR im Bereich von 0,033- 0,06, was einer Resonanzerhöhung von 250-2000 entspricht, die mit dem im vorhergehenden Absatz erwähnten Wert übereinstimmt.
Die beschriebenen Versuche zeigten, daß extrem große Vergrößerungen des Wirkungsgrades der Wellenlängenverschiebung von NDFWM durch die Hohlraumverstärkung erreicht werden können. Unter den Versuchsbedingungen wurde eine ungefähr dreifache Vergrößerung des NDFWM- Wirkungsgrades für durchschnittliche Pumpleistungen und Pump- Sonden-Verstimmungen bis zur Phasenkonjugierten von 0,9 THz (9,2 nm) beobachtet.
Die Nützlichkeit des Effekts wird jedoch durch die folgenden Überlegungen begrenzt: (1) Die Bandbreite für die Injektionsverriegelung ist klein, typischerweise wenig GHz, und erfordert deswegen eine hohe Stabilität der Pump- und Mischeinrichtungen. Zusätzlich existieren bei zwei optischen Eingängen Regime, in denen die Injektionsverriegelung instabil wird, wenn die Einrichtung versucht, zwei Signale gleichzeitig zu verriegeln. (2) Die Bandbreite für die Resonanzerhöhung ist auch klein. Bei der Messung betrug diese Bandbreite 2,8 GHz (FWHM). Zwischen der Resonanzbandbreite und der erreichten Erhöhung tritt ein Verlust auf, und es wird vorausgesagt, daß eine Einschränkung auf eine Bandbreite von -15 GHz erforderlich ist, um eine Erhöhung des NDFWM-Wirkungsgrades um Faktor 10 (verglichen mit der eines Wanderfeldverstärkers) zu erreichen. Das bedeutet nicht nur, daß die Wellenlänge des Eingangssignals genau abstimmbar und stabil sein muß, sondern daß die maximale Bitrate für Signale, die phasenkonjugiert werden sollen, auf -15 Gbit/s begrenzt ist.
Diese Probleme können durch Verwendung eines optischen Halbleiterverstärkers (wie eines TWA) eliminiert werden, der eine geringe Hohlraumvergrößerung aufweist. Die dabei auftretenden Hauptschwierigkeiten liegen darin, eine ausreichende Leistung und ein ausreichendes Signal-zu- Hintergrund-Verhältnis des phasenkonjugierten Signals zu erhalten. Da der NDFWM in hohem Maße nichtlinear ist, sind diese zwei Größen von der Leistung des Sonden- und des Signalstrahls innerhalb des TWA stark abhängig. Um die optimalen Betriebsbedingungen zu ermitteln wurden diese zwei Parameter als eine Funktion von (a) der Verstärkung des TWA, und (b) der optischen Eingangsleistung gemessen.
Fig. 12 zeigt die phasenkonjugierte Leistung (gemessen an der Ausgangsseitenfläche) und das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis (gemessen mit einem optischen Frequenzspektrumanalysator mit einer Auflösung von 0,1 nm) als eine Funktion der Chipverstärkung für eine konstante Eingangsleistung von +4,8 dBm (Fasergesamtleistung, Pumplicht + Signal). Die phasenkonjugierte Leistung steigt bei hohen Injektionsströmen als die 3. Potenz der TWA-Verstärkung bis zu -16 dBm. Mit der Verstärkung steigt auch stark das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis, jedoch als Quadrat der Verstärkung. Bei den höchsten Verstärkungen beträgt das Verhältnis ca. 20 dB. Infolge der linearen Abhängigkeit der spontanen Hintergrundemission von der Verstärkung steigt das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis mit der Verstärkung langsamer als die phasenkonjugierte Leistung.
Die Abhängigkeit der phasenkonjugierten Leistung und des Signal-zu- Hintergrund-Verhältnisses von der Eingangsleistung ist in Fig. 13 für einen konstanten TWA-Injektionsstrom von 250 mA (wobei das Verhältnis zwischen der Sonden- und der Signaleingangsleistung konstant gehalten wurde) dargestellt. Überraschenderweise ist der phasenkonjugierte Leistungspegel völlig unempfindlich gegen die Eingangsleistung. Dies kann jedoch durch die kleine Änderung der Eingangsleistung des TWA unter starker Sättigung erklärt werden. Die Eingangsleistung hat jedoch einen starken Einfluß auf das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis. Infolge der Verringerung der spontanen Hintergrundemission steigt dieses Verhältnis steil mit der steigenden Eingangsleistung. Dies ist eine wichtige Überlegung beim Versuch, die bei der Phasenkonjugation eingeleitete Störung zu minimieren.
Nachfolgend wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der der Vierwellen-Mischvorgang (FWM) in einem optischen Halbleiterverstärker (SOA) verwendet wird, um die Dispersion in einem optischen Kommunikationssystem zu kompensieren. Bezugnehmend auf Fig. 8 wird als Sender ein DFB-Laser 1 verwendet, der mit einer 2,488 GBit/s-(2¹&sup5;-1)NRZ-Pseudozufall-Musterfolge direkt moduliert wird. Der DFB-Laser 1 weist eine Wellenlänge von λs = 1544,7 nm auf. Die Verzerrung sowie die Modulation des DFB 1 wurden so gewählt, das ein gutes Schwächungsverhältnis, jedoch infolgedessen heftiges Zirpen, erzielt wird. Am senderseitigen Ende des Systems wird das Signal mit einem CW-Licht von einem Pumplaser 2, einem bei λp = 1543,1 nm arbeitendem Laser mit langem externem Hohlraum (LEC), kombiniert. Das kombinierte Pump- und Signallicht wird über eine 50 km lange, normale Dispersion aufweisende Einmodenfaser 3 übertragen, die bei der Signalwellenlänge eine Dispersion von 17 ps/nm·km aufweist. Nach der Verstärkung durch einen erbiumdotierten Faserverstärker 4 (EDFA) wurde das Licht in einen SOA 5 eingekoppelt. Der SOA ist eine geätzte tafelförmig versenkte heterogene Strukturanordnung mit einer aktiven InGaAsP-Schicht und beiden mit einer reflexionsverhindernden Beschichtung versehenen Seitenflächen, deren Reflektivität weniger als 10&supmin;³ beträgt. Der SOA wird bei einem hohen Injektionsstrom (300 mA) betrieben, wobei die Verstärkung durch das injizierte Licht gesättigt wird, das eine restliche Fabry-Perot-Welligkeit von weniger als 1 dB aufweist. Das phasenkonjugierte Signal wird durch NDFWM innerhalb des SOA mit einer Wellenlänge nach der Formel λPC = (2λp&supmin;¹ - λs&supmin;¹)&supmin;¹ = 1541,4 nm erzeugt. Ein optisches Bandpaßfilter 6 (Bandbreite 1,3 nm) ist dem SOA nachgeschaltet und ermöglicht nur eine Übertragung des phasenkonjugierten Signals. Dieses Signal wird durch einen weiteren EDFA 7 verstärkt, weiter durch ein Filter 8 (0,6 nm-Filter) gefiltert und dann über eine zweite, 50 km lange Einmodenfaser 9 übertragen. Das Signal wird durch Verwendung eines optischen PIN-FET- Empfängers 10 demoduliert.
Die Spektren am Ausgang des SOA sind in Fig. 9(a) mit und (b) ohne den Signalstrahl dargestellt. In Anwesenheit sowohl des Signals als auch des Pumplichts und mit ausgerichteten Polarisationen wird bei 1541,4 nm das phasenkonjugierte Signal mit invertiertem Spektralprofil des DFB- Signalstrahls erzeugt. Die dem SOA zugeführten Fasereingangsleistungen der Pump- und Signalstrahlen betragen +2,7 dBm bzw. -4,1 dBm. Das Verhältnis zwischen Hintergrund und Spektren beruht auf der verstärkten spontanen Emission sowohl vom EDFA als auch vom SOA und verursacht eine Verringerung des Signal/Störverhältnisses. Um sowohl das Signal/Störverhältnis als auch den Wirkungsgrad bei Überlagerung zu maximieren, wird der SOA mit hoher Verstärkung und mäßig hoher optischer Eingangsleistung betrieben. Bei Berücksichtigung der Koppelverluste in den und aus dem SOA beträgt der Wirkungsgrad der Phasenkonjugation bei Überlagerung (d. h. das Verhältnis der Leistung des phasenkonjugierten Strahls auf der Ausgangsseitenfläche zu der in den SOA eingekoppelten Signalleistung) +2,4 dB mit einer Phasenkojugierten von -5,6 dBm auf der Ausgangsseitenfläche des SOA.
Die Wirkung der Dispersionskompensation geht aus dem Vergleich der Augendiagramme in Fig. 10 klar hervor, in der (a), (b) und (c) der "back-to- back"-Messung, und einer 100 km-Übertragung ohne und mit Dispersionskompensation entsprechen. Sämtliche Augendiagramme werden am Empfängerausgang mit einer empfangenen optischen Leistung von -26 dBm aufgenommen. Die Wirkungen der chromatischen Faserdispersion gehen aus der im Augendiagramm (b) gezeigten Störung hervor, wobei die deutlichste Darstellung ("clean eye") durch die Dispersionskompensation (Figur (c)) vollständig zurückgewonnen wird.
Für eine "back-to-back"-Übertragung, und eine 100 km-Übertragung ohne und mit Dispersionskompensation wurden Messungen der Bitfehlerrate (BER) durchgeführt, wobei die Ergebnisse in Fig. 11 dargestellt sind. Die "back-to-back"-Messung mit dem direkt in den Empfänger eingekoppelten DFB-Signal weist eine Empfindlichkeit von -27,5 dBm auf. Die Verwendung eins 0,6 nm-Bandpaßfilters bewirkt einen Leistungsverlust von weniger als 0,1 dB. Eine Übertragung des DFB-Signals über 100 km ohne Kompensation (mit einem einzigen EDFA im Sender) bewirkt einen erheblichen Dispersionsverlust, wobei niedrige Bitfehlerraten von 10&supmin;&sup9; nicht erreicht werden können. Ein ähnliches Augendiagramm und eine ähnliche BER-Charakteristik wurden durch Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 8 erreicht, jedoch mit Filtern, die auf die Übertragung des DFB- Signals abgestimmt waren. Mit der Dispersionskompensation ist eine erhebliche Verbesserung der BER-Charakteristik zu beobachten, mit einer BER = 10&supmin;&sup9; bis -25,5 dBm. Der Verlust von 2 dB ergibt sich sowohl aus der Verringerung des Wirkungsgrads bei Überlagerung als auch der Einführung des spontanen Signalschwebungsrausches, die beide durch die Wirkung der spontanen Verstärkeremission entstehen.
Die Kompensation der chromatischen Dispersion durch Verwendung der optischen Phasenkonjugation in einem optischen Halbleiterverstärker beseitigte den Dispersionsverlust bei der Übertragung eines direkt modulierten 2,5 Gbit/s-Signals bei 1,5 um über 100 km einer Normaldispersionsfaser. Der Wirkungsgrad der Phasenkonjugation ist bei +2,4 dB trotz der fehlenden Hohlraumvergrößerung hoch.
Bei einer alternativen Ausführung wird der SOA 5 durch einen DFB-Laser 5 mit einer Wellenlänge von 1543 nm gebildet, wodurch auf den Pumplaser 2 verzichtet werden kann. Bei dieser Ausführung wird die Pumpstrahlung bei 1543 nm innerhalb des SOA 5 erzeugt. Um wieder den Wirkungsgrad der Phasenkonjugation zu maximieren wird der SOA (in diesem Fall ein DFB) derart betrieben, daß er die maximale Ausgangsleistung bringt, d. h., mit einem hohen Injektionsstrom, der typischerweise mehr als das Zehnfache des Schwellenstromwerts beträgt. Weiterhin wird die Durchschnittsleistung des in den SOA 5 injizierten optischen Signals auf einen Pegel begrenzt, bei dem der Grad der im SOA stattfindenden Verstärkungsmodulation niedrig, typischerweise weniger als 1 dB, ist.

Claims

1. Verfahren zum Kompensieren der Dispersion in einem optischen Kommunikationssystem mit:

einer Quelle optischer Signale, die optisch mit einem ersten Ende einer ersten Länge einer optischen Faser (3) verbunden ist, einem nicht-resonanten optischen Halbleiterverstärker (5) zum Empfangen der optischen Signale an einem zweiten Ende der ersten Länge der optischen Faser, einer zweiten Länge einer optischen Faser (9), von der ein erstes Ende zum Empfangen optischer Signale von dem Verstärker dient, wobei das Verfahren umfaßt

i) Einkoppeln optischer Signale von dem zweiten Ende der ersten Länge der optischen Faser in den Halbleiterverstärker,

ii) Einspeisen optischer Pumpstrahlung in den optischen nicht- resonanten Halbleiterverstärker, so daß die eingekoppelten optischen Signale und die Pumpstrahlung innerhalb des optischen nicht-resonanten Halbleiterverstärkers miteinander wechselwirken und die Phasenkonjugierte der eingekoppelten optischen Signale erzeugen, und

iii) Einkoppeln der phasenkonjugierten optischen Signale von dem Verstärker in die zweite Länge der optischen Faser (9).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schwankung der Verstärkungswelligkeit des optischen Halbleiterverstärkers in Abhängigkeit von der Wellenlänge kleiner als 5 dB ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Reflektivität der Seitenflächen des optischen Halbleiterverstärkers kleiner als 10&supmin;³ ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge der optischen Signale und die Wellenlänge der Pumpstrahlung sich um wenigstens 1 nm unterscheiden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge der optischen Signale und die Wellenlänge der Pumpstrahlung sich um weniger als 20 nm unterscheiden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Verstärkung des optischen Halbleiterverstärkers durch die Pumpstrahlung gesättigt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der optische Halbleiterverstärker mit einer hohen Injektionsstromdichte betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der optische Halbleiterverstärker mit einer Injektionsstromdichte von mehr als 5 kA/cm² betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der optische Halbleiterverstärker mit einer Injektionsstromdichte von mehr als 10 kA/cm² betrieben wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optische Pumpstrahlung, die in den optischen Halbleiterverstärker (5) eingespeist wird, innerhalb des optischen Halbleiterverstärkers (5) erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste und zweite Länge der optischen Faser (3, 9) ähnliche Dispersionsgrade bei der Betriebswellenlänge des optischen Kommunikationssystems haben.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optischen Signale und Pumpstrahlung sich innerhalb des optischen Halbleiterverstärker nebeneinander ausbreiten.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optischen Signale und die phasenkonjugierten optischen Signale sich nebeneinander ausbreiten.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Schritt ii) die optische Pumpstrahlung von einer Pumpquelle in den optischen Halbleiterverstärker eingespeist wird, die neben dem optischen Halbleiterverstärker angeordnet ist.

15. Optisches Kommunikationssystem mit einem Übertragungspfad mit einer ersten optischen Faser (3) und einer zweiten optischen Faser (9), einer optischen Signalquelle (1) für das Einkoppeln optischer Signale in die erste optische Faser, einer optischen Pumpquelle (2) zum Erzeugen von Pumpstrahlung und einem nicht-resonanten optischen Halbleiterverstärker (5) mit einem Eingang für das Empfangen von Signalen aus der ersten optischen Faser und einem Ausgang zum Speisen der zweiten optischen Faser, bei dem im Betrieb der nicht-resonante optische Halbleiterverstärker die Pumpstrahlung und die optischen Signale empfängt, nachdem die Signale sich durch die erste optische Faser ausgebreitet haben, und phasenkonjugierte Nachbildungen der optischen Signale erzeugt, wobei die Kopien in die zweite optische Faser eingespeist werden.

16. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 15, bei dem sowohl der optische Halbleiterverstärker (5) als auch die optische Pumpquelle (2) durch eine Halbleitervorrichtung mit wellenlängenselektiver Rückkopplungsvorrichtung gebildet werden.

17. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 16, bei dem die Halbleitervorrichtung ein Laser mit verteilter Rückkopplung ist.

18. Optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 15, 16 oder 17, das außerdem ein optisches Filter (6) zum Filtern der restlichen optischen Signale und der Pumpstrahlung aus dem Ausgang des optischen Halbleiterverstärkers umfaßt, bevor er in die zweite optische Faser gespeist wird.