DE69504935T2 - Interferometrischer Multiplexer - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf interferometrische Multiplexer und bezieht sich insbesondere auf Multiplexer, die zur Verwendung mit optisch gepumpten optischen Verstärkern geeignet sind.
• Es gibt verschiedene Formen von optischen Multiplexern oder Lichtleitfaser-Kopplern. Eine erste Form ist der polierte Halbkoppler, der zwei gekrümmte Lichtleitfaserabschnitte umfaßt, von denen jeweils ein Teil der Ummantelung entfernt ist. Die blanken Faserabschnitte werden geätzt oder gespalten, poliert und in aneinander anliegender Beziehung in einer Vergußmasse ausgerichtet. Diese Art von Koppler ist in der Herstellung aufwendig und schwierig. Eine zweite Form eines Kopplers ist der Koppler mit verschmolzenen Lichtleitfasern, der aus zwei oder mehr Lichtleitfasern gebildet ist, die fortschreitend gedehnt werden, während sie Seite an Seite aneinanderliegend erhitzt werden. Eine dritte Form eines Kopplers ist ein Multiplexer auf der Grundlage eines Beugungsgitters. Andere Arten von Kopplern unter Verwendung von Strahlteilern sind bekannt, doch sind diese Koppler groß und können nur schwierig in einem Gehäuse angeordnet werden.
• Der polierte Halbkoppler ist nicht besonders wirkungsvoll, weil 3 dB von jeder Lichtleitfaser zur anderen Lichtleitfaser gekoppelt werden. Entsprechend werden Halbkoppler bei optisch gepumpten optischen Verstärkern nicht verwendet. Aus verschmolzenen Lichtleitfasern bestehende Koppler arbeiten allgemein bei Eingangswellenlängen, die durch zumindest den Wellenlängen Durchgangsbereich des Kopplers getrennt sind, oder anderenfalls wird jedes Pumpsignal zur Lichtleitfaser des anderen Pumpsignals gekoppelt. Der Wellenlängen-Durchgangsbereich kann durch eine Technik verringert werden, die als Überkopplung oder Überziehen der Lichtleitfasern bekannt ist - dies führt jedoch zu langen Multiplexern, die schwierig in Gehäusen anzuordnen sind und die weiterhin Störungen ausgesetzt sind, weil der Fleckgrößendurchmesser eines Signals den Durchmesser der Lichtleitfaser übersteigen kann. Weitere Probleme treten bei einem schmalen Wellenlängen-Durchgangsbereich aufgrund einer Wechselwirkung der Polarisationszustände der Eingangsstrahlen auf. Multiplexer auf der Grundlage von Beugungsgittern leiden an einer Temperaturabhängigkeit und erfordern eine gute Winkelauflösung, um eine Breitbandquelle aufzuspalten.
• In einem optisch gepumpten optischen Verstärker ist es häufig wünschenswert, die Lichtmenge, mit der der Verstärker optisch gepumpt wird, zu einem Maximum zu machen. Optische Lichtleitfaser-Verstärker umfassen eine Faser, die mit einem Ion dotiert ist, das eine stimulierte Emission erzeugen kann. Ein Signalstrahl, der verstärkt werden muß und der bei einer Wellenlänge arbeitet, die einer Laserwirkungs- oder stimulierten Übergangs- Wellenlänge des Verstärkers entspricht, wird zusammen mit einem oder mehreren Pumpsignalen in den Verstärker eingeleitet. Die Pumpsignale erregen oder invertieren die dotierten Ionen auf höhere Energiepegel, worauf diese nachfolgend von dem Signalstrahl stimuliert werden, so daß sie entregt werden und ein Photon bei der Wellenlänge des Eingangsstrahls in dem Prozess emittieren. Somit wird ein Signalstrahl, der an einem ersten Ende des Lichtleitfaser-Verstärkers injiziert wird, verstärkt, während er die Lichtleitfaser durchläuft, und es ergibt sich zu dem zu verstärkenden Signal kohärentes Licht. Wenn mehrere Pumpquellen verwendet werden, um den Gesamtpumpwirkungsgrad der Pumpen zu einem Maximum zu machen, so sollten die Wellenlängen so nahe wie möglich an der Signalwellenlänge liegen, um den Gesamtpumpwirkungsgrad zu einem Maximum zu machen.
• Typischerweise wird ein Verstärker in einem Wellenlängenbereich gepumpt, das durch die Übertragungsfenster des Faserträgers und das Absorptionsfenster des Dotierungsmittels bestimmt ist. Silica-Fasern haben ein Übertragungsfenster von ungefähr 500 bis 1700 nm, das mehrere Spitzen aufweist. Fluorzirkonat-Gastfasern, die ebenfalls für manche Verstärker verwendet werden, beispielsweise für mit Praseodym dotierte optische Verstärker, haben abweichende Übertragungsfenster.
• Die Erbium-Ionen von mit Erbium dotierten optischen Verstärkern haben verschiedene Absorptionsfenster, in denen sie in wirkungsvoller Weise die optische Pumpgleistung ausnutzen; zwei dieser Fenster liegen bei ungefähr 980 nm und 1470 nm. Obwohl das 1470 nm-Absorptionsfenster in großem Umfang aufgrund der Tatsache verwendet wird, daß es einem Spitzenwert in dem Silizium- Übertragungsfenster entspricht, wurde festgestellt, daß das Erbium-Absorptionsfenster bei 980 nm eine von Haus aus bessere Populationsinversion aufweist. Weiterhin hat dieses Fenster von 980 nm den Vorteil, daß es mit Halbleiterlasern gepumpt werden kann, und es wurde festgestellt, daß dies eine gute Verstärker-Rauschzahl ergibt. Der Nachteil besteht darin, daß das 980 nm-Fenster lediglich 5 nm breit ist, so daß entsprechend die Pumplaser im Wellenlängenbereich mit engem Abstand voneinander angeordnet werden müssen - weniger als 1 nm für eine wirkungsvolle Kombination. Ein mehrfaches Pumpen in dem 980 nm- Absorptionsfenster wurde daher nicht in weitem Umfang verwendet, weil es durch die vorstehend beschriebenen Arten von Kopplern nicht in bequemer Weise gepumpt werden kann.
• Es war bekannt, daß das Mach-Zehnder-Interferometer eine brauchbare Form eines Kopplers ergibt, doch war es in Verbindung mit bestimmten Schmalbandverstärkern, beispielsweise mit Erbium dotierten Verstärkern, nicht besonders anwendbar. Diese fehlende Anwendbarkeit war das Ergebnis der Schwierigkeit, den Wellenlängenabstand zwischen den Eingangslasern zu steuern. Wenn die Laser keinen ausreichenden Abstand hinsichtlich ihrer Wellenlänge aufweisen, so kann eine destruktive Interferenz am Ausgang des Interferometers auftreten. Probleme ergeben sich weiterhin aufgrund der Wellenlängendrift der Laser, und Temperaturänderungen können das Betriebsverhalten des Interferometers durch Ändern der Pfadlänge der Arme verschlechtern.
• Die GB-A-22 54 746 beschreibt einen interferometrischen optischen Koppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die vorliegende Erfindung ist auf die Überwindung der bei interferometrischen Multiplexern auftretenden Probleme und auf die Schaffung eines Wellenlängenmultiplexers (WDM) gerichtet, der eine Sub-Nanometer-Kombination ermöglicht.
• Gemäß der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, wird ein interferometrischer optischer Koppler geschaffen, der erste und zweite Eingangsanschlüsse, einen Ausgangsanschluß und einen optischen Überwachungsanschluß aufweist, wobei die ersten und zweiten Laser mit jeweiligen Eingangsanschlüssen gekoppelt sind, während ein mit dem Überwachungsanschluß gekoppelter Photodetektor einen Teil einer Rückführungsschaltung bildet, wobei der optische Koppler weiterhin eine Wellenlängen-Steuereinheit umfaßt, wodurch jeder Laser in einer Schwankungsweise um eine Mittelfrequenz arbeitet, und wobei die Rückführungsschaltung so betreibbar ist, daß die Mittenfrequenz beider Laser gesteuert wird. Dies ermöglicht es, daß zwei Laser mit einem geringen Wellenlängenabstand multiplexiert werden. Dadurch, daß sichergestellt wird, daß die Ausgänge der Laser unterschiedlich sind, jedoch lediglich durch ein schmales Wellenband voneinander getrennt sind, kann eine wirkungsvolle Kopplung der Laserausgänge in einem einfachen System geschaffen werden.
• Vorzugsweise haben beide Laser eine Wellenlängen-Steuereinrichtung, die durch eine Änderung der Betriebstemperatur jedes Lasers bewirkt wird. Dadurch, daß eine Schwankung oder ein Zittern des Ausganges des Lasers um eine Mittenfrequenz hervorgerufen wird, kann der Laser-Ausgang geregelt werden. Die Schwankungsfrequenz kann in der Größenordnung von einigen wenigen Megahertz sein, und diese Schwankungsfrequenz muß größer als die Grenzfrequenz des Verstärkeransprechverhaltens sein. Diese Frequenzschwankung wird vorzugsweise optisch in der Rückführungsschaltung diskriminiert.
• Durch Einfügen eines Phasendetektors in die Rückführungsschaltung kann eine Phasendiskrimination bewirkt werden, um ein Rückführungssignal für eine Frequenznachführung zu schaffen. Dieser Phasendetektor kann einen Multiplizierer und einen Integrator umfassen, wobei Signale von dem Photodetektor und einer Lasersteuerschaltung dem Multiplizierer als Eingangssignale zugeführt werden, der dann ein Ausgangssignal an einen Integrator liefert, um ein Rückführungssignal für die Frequenzsteuerschaltung zu liefern. Alternativ kann der Phasendetektor einen Multiplizierer und einen Vergleicher umfassen, wobei die Signale von dem Photodetektor und von einer Laser-Steuerschaltung dem Multiplizierer als Eingangssignale zugeführt werden, der ein Ausgangssignal an einen ersten Eingang des Vergleichers liefern kann, wobei der Vergleicher ein Rückführungssignal für die Frequenz-Steuerschaltung liefern kann.
• Der Photodetektor kann gemeinsam von den Lasern genutzt werden, und jeder Laser kann eine Rückführungsschleife haben, wobei der einzige Photodetektor einen Teil jeder Rückführungsschleife bildet.
• Der interferometrische optische Koppler kann zur Verwendung in einem faseroptischen Multiplexer gemäß Anspruch 9 angepaßt werden, wobei der Multiplexer zwei Pumpquellen umfaßt, die mit jeweiligen Eingangsanschlüssen des Multiplexers gekoppelt sind, wobei der Multiplexer einen Ausgangsanschluß und einen Überwachungsanschluß aufweist, der mit einem Photodetektor gekoppelt ist, der einen Teil einer Rückführungsschaltung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der interferometrische Multiplexer weiterhin eine Wellenlängen-Steuerschaltung aufweist, wodurch jede Pumpquelle in einer Schankungsbetriebsweise um eine Mittenfrequenz arbeitet und wobei die Rückführungsschaltung zur Steuerung der Mittenfrequenz beider Pumpquellen betreibbar ist.
• Es wird weiterhin ein Verfahren zur Kopplung optischer Signale gemäß Anspruch 10 geschaffen, wobei ein interferometischer optischer Koppler mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen, einem Ausgangsanschluß und einem Ausgangs-Überwachungsanschluß verwendet wird, der mit einem Photodetektor gekoppelt ist, der einen Teil einer Rückführungsschaltung bildet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Betrieb der ersten und zweiten mit den jeweiligen Eingangsanschlüssen gekoppelten Laser in einer Schwankungs- oder Zitter-Betriebsweise um jeweilige Mittelfrequenzen, und optisches Diskriminieren der Frequenzschwankung, die auf den Ausgang jedes Lasers einwirkt, und Steuern der Mittenfrequenz beider Laser mit Hilfe der Rückführungsschaltung.
• Um ein umfassenderes Verständnis der Erfindung zu erreichen, wird nunmehr auf die Figuren der beigefügten Zeichnung verwiesen, in der:
• Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt,
• Fig. 2 Einzelheiten der Übertragungscharakteristik eines Mach-Zehnder-Interferometers zeigt, und Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein optischer Multiplexer gezeigt, der ein Mach-Zehnder-Interferometer 10 mit Halbleiterlaser-Lichtquellen P1, P2 an Eingangsanschlüssen 12, 14 verwendet. Die Pfadlängen der Arme des Interferometers 10 unterscheiden sich aufgrund der Einführung einer Pfadlängendifferenz dL in einem Arm. Diese Pfadlängendifferenz bestimmt die erforderlichen Eigenschaften des Interferometers. Das Mach-Zehnder-Interferometer 10 ist derart ausgebildet, daß im wesentlichen das gesamte Eingangslicht über den Ausgangsanschluß 16 übertragen wird, während ein kleiner Verlustausgang an einem Überwachungs- oder zweiten Ausgangsanschluß 18 von einem Photodetektor 22 verwendet wird. In dieser Figur ist lediglich ein Detektor-Laser-Steuerpfad gezeigt, der eine Wellenlängen-Steuereinheit 24, ein Laser-Leistungsversorgung 26, einen Multiplizierer 28 und einen Integrator 30 umfaßt. Die Laser-Leistungsversorgung 26 gibt ein Steuersignal ab, das mit einem Ausgangssignal von dem Photodetektor 22 multipliziert wird. Der Eingangslaser P2 weist einen einen niedrigen Pegel aufweisenden Steuerton auf, der bewirkt, daß die Ausgangsfrequenz des Lasers um eine bestimmte Frequenz (Mittenfrequenz) schwankt oder zittert, vorzugsweise mit einigen wenigen Megahertz, was jenseits der oberen Grenzfrequenz des Verstärker- Verstärkungsganges liegt.
• Die auf den Ausgang beider Laser wirkende Frequenzschwankung wird optisch durch die Übertragungsfunktion des Mach-Zehnder- Interferometers diskriminiert (Frequenz-/Amplitude). Wenn die Wellenlänge des Lasers P2 zu nahe an der Wellenlänge des Lasers P1 liegt, so kann die Rückführungs-Wellenlängen-Steuerschaltung des Lasers P2 den Wellenlängen-Steuermechanismus so betreiben, daß sichergestellt wird, daß die Laserausgänge von dem Ausgangsanschluß 16 ohne Dämpfung aufgrund einer destruktiven Interferenz austreten. Typischerweise umfaßt der Wellenlängen- Steuermechanismus eine Temperatursteuerschaltung. Die Temperatursteuerschaltung kann den Laser kühlen oder aufheizen, um eine Änderung der Ausgangs-Wellenlänge zu bewirken.
• Vorzugsweise sind beide Laser jeweils mit einer Wellenlängen- Steuerschaltung mit unterschiedlichen Schwankungsfrequenzen ausgerüstet.
• Der Mechanismus der Steuerschaltung ist wie folgt:
• Wenn die Laser-Wellenlänge zu niedrig ist, so ist der diskriminierte Ton (beispielsweise) außer Phase mit dem Bezugs- Steuerton. Wenn umgekehrt die Laserwellenlänge zu hoch ist, so ist der diskriminierte Ton gleichphasig. Durch die Durchführung eines Phasendetektorprozesses auf den Diskriminations- Steuerton wird ein Rückführungssignal für die Wellenlängen nachführung geschaffen. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, wird der Ausgang von dem Photodetektor 22 mit dem Bezugston multipliziert, was - in Abhängigkeit von der relativen Phase - ein positives oder negatives Gleichspannungs-Ausgangssignal ergibt. Eine Integration des Gleichspannungs-Ausgangssignals ergibt ein Rückführungssignal für die Laserwellenlängen-Steuerschaltung 24. In Fig. 1 ist lediglich die Steuerschaltung 24 für den Laser 2 gezeigt. Der Laser 1 könnte gemeinsam den gleichen Photodetektor nutzen, jedoch seinen eigenen Steuertongenerator und seine eigene Regelsschleifenelektronik haben.
• In einem typischen Beispiel würde ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einer Pfaddifferenz von 2 mm, der bei 980 nm arbeitet, eine Trennung von 0,32 nm zwischen benachbarten Spitzen haben. Entsprechend müßten die Eingangslaser bei Wellenlängen mit einem Abstand von zumindest 0,16 nm arbeiten. Über einen Temperaturbereich von 100ºC würde sich die absolute Mitten-Wellenlänge einer bestimmten Spitze der Mach-Zehnder-Charakteristik (siehe Fig. 2) angenähert um einen Bruchteil von ΔT · λ ändern. Bei 980 nm entspricht dies einer Änderung von 0,5 nm der Mitten- Wellenlänge, d. h., die Pump-Mitten-Wellenlänge müßte über diesen Bereich abgestimmt werden, um sie der Mach-Zehnder-Betriebscharakteristik nachzuführen. Dies stellt eine kleine Wellenlängenänderung verglichen mit dem Pumpband einer typischen ER-dotierten Lichtleitfaser in einem Lichtleitfaserverstärker dar. Somit kann der mögliche Vorteil einer losen Stabilisierung der Eingangswellenlängen innerhalb des Pumpbandes erzielt werden.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine abgeänderte Steuerschaltung gezeigt, die eine Steuerung der Leistung jedes Lasers P1, P2 zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, daß die Integratorstufe 30 durch einen Vergleicher oder Differenzverstärker 32 ersetzt wird. Der Vergleicher 32 vergleicht das multiplizierte Signal mit einem Bezugssignal 34. Das Bezugssignal sollte auf einen bestimmten Pegel eingestellt werden, damit sich eine feste Eingangsleistung in einen der Arme ergibt (d. h., ein automatisches Leistungssteuerschema, das nicht auf der Steuerung des Ansteuerstromes an die Laser beruht). Dies würde in Verbindung mit einer externen Schaltung durchgeführt, beispielsweise von einer Überwachung eines nachfolgenden Ausganges von dem gepumpten Verstärker, wodurch ein Rückführungsmechanismus geschaffen wird, um eine Verstärkungssteuerung des Verstärkers zu erzielen.
• In einem System gemäß der Erfindung kann das Steuerschema für jeden Eingangslaser vollständig unabhängig arbeiten, so daß der Laser 1 mit voller Leistung arbeiten könnte, während der Laser 2 abgeschaltet oder auf eine niedrige Ausgangsleistung eingestellt ist. Der Leistungsbeitrag von jedem Laser kann gleichförmig zwischen den beiden geändert werden, indem ihre Ansteuerströme geändert werden, und im wesentlichen die gesamte kombinierte Leistung kann von dem gleichen Ausgangsanschluß abgegeben werden, wodurch sich weiterhin eine Laser- Redundanzoption ergibt.

Claims (10)

1. Interferometrischer optischer Koppler (10) mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen (12, 14), einem Ausgangsanschluß (16) und einem Ausgangs-Überwachungsanschluß (18), der mit einem Photodetektor (229 gekoppelt ist, der einen Teil einer Rückführungsschaltung bildet, wobei erste und zweite Laser (P1, P2) mit jeweiligen Eingangsanschlüssen gekoppelt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der optische Koppler (10) weiterhin eine Wellenlängen-Steuereinheit (24) aufweist, wodurch jeder Laser in einer Schwankungsweise um eine Mittenfrequenz arbeitet, und wobei die Rückführungsschaltung zur Steuerung der Mittenfrequenz beider Laser betreibbar ist.

2. Koppler nach Anspruch 1, bei dem die Schwankungsfrequenzen der Laser in der Größenordnung von Megahertz sind, wodurch die Frequenzschwankung optisch diskriminiert werden kann.

3. Koppler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Rückführungsschaltung weiterhin einen Phasendetektor einschließt, wodurch eine Phasendiskrimiation bewirkt werden kann, um ein Rückführungssignal zur Frequenznachführung zu liefern.

4. Koppler nach Anspruch 3, bei dem der Phasendetektor einen Multiplizierer (28) und einen Detektor (30) umfaßt, bei dem Signale von dem Photodetektor (22) und einer Laser-Steuerschaltung (26) als Eingangssignale dem Multiplizierer (28) zugeführt werden, der ein Ausgangssignal an einen Integrator (30) liefert, und bei dem der Integrator (30) ein Rückführungssignal für die Wellenlängen-Steuereinheit (24) liefert.

5. Koppler nach Anspruch 3, beidem der Phasendetektor einen Multiplizierer (28) und einen Vergleicher (32) aufweist, bei dem Signale von dem Photodetektor (22) und von einer Laser- Steuerschaltung (26) als Eingangssignale dem Multiplizierer zugeführt werden, der ein Ausgangssignal an einen ersten Eingang eines Vergleichers (32) liefert, und bei dem der Vergleicher (32) ein Rückführungssignal für die Wellenlängen-Steuereinheit (24) liefert.

6. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Photodetektor (22) gemeinsam von den Lasern genutzt wird und jeder Laser eine Rückführungsschleife aufweist, wobei der einzige Photodetektor (22) einen Teil jeder Rückführungsschleife bildet.

7. Interferometrischer optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der zur Verwendung in einem Lichtleitfaserverstärker ausgebildet ist.

8. Lichtleitfaser-Verstärker mit einer Pumpschaltung, die einen interferometrischen optischen Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet.

9. Interferometrischer Multiplexer mit zwei Pumpquellen (P1, P2), die mit jeweiligen Eingangsanschlüssen (12, 14) des Multiplexers gekoppelt sind, wobei der Multiplexer einen Ausgangsanschluß (16) und einen Überwachungsanschluß (18) aufweist, der mit einem Photodetektor (22) gekoppelt ist, der einen Teil einer Rückführungsschaltung bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß der interferometrische Multiplexer weiterhin eine Wellenlängen-Steuereinheit (24) aufweist, wodurch jede Pumpquelle in einer Schwankungsweise um eine Mittenfrequenz arbeitet, und wobei die Rückführungsschaltung zur Steuerung der Mittenfrequenz beider Pumpquellen betreibbar ist.

10. Verfahren zur Kopplung optischer Signale unter Verwendung einer interferometrischen optischen Kopplers mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen (12, 14), einem Ausgangsanschluß (16) und einem Ausgangs-Überwachungsanschluß (18), der mit einem Photodetektor (22) gekoppelt ist, der einen Teil einer Rückführungsschaltung bildet, wobei das Verfahren die Schritte des Betriebs der ersten und zweiten mit den jeweiligen Eingangsanschlüssen (12, 14) gekoppelten Laser (P1, P2) in einer Schwankungsweise um jeweilige Mittenfrequenzen und die optische Diskrimination der auf den Ausgang jedes Lasers wirkenden Frequenzschwankung und die Steuerung der Mittenfrequenz beider Laser mit Hilfe der Rückführungsschaltung umfaßt.