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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen optischen Verstärker.
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Bei vielen Anwendungen werden optische Übertragungssysteme
benutzt. Faseroptik stellt ein kostengünstiges Verfahren zum Übertragen
eines Lichtsignals von einem Punkt zu einem anderen bereit. Zusätzlich erlaubt
eine Faseroptik eine Übertragung über Wege,
die Geometrien aufweisen, die komplexer sind als die geradlinigen
Segmente, die durch herkömmliche
Optik bereitgestellt sind.
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Während
optische Übertragungssysteme viele
Vorteile aufweisen, sind diese Systeme besonders problematisch,
wenn Licht von einer Faser zu einer zweiten Faser gekoppelt werden
muß, nachdem dasselbe
gefiltert oder anderweitig verarbeitet wurde. Man betrachte ein
System, bei dem Licht eine erste optische Faser verläßt, durch
ein optisches Element einer gewissen Art passiert und dann in eine
zweite optische Faser wieder abgebildet wird. Bei bekannten Systemen
ist das Ende der ersten optischen Faser in einem Winkel geschnitten,
um zu verhindern, daß sich
Reflexionen von der Glas-Luft-Schnittstelle durch die optische Faser
rückausbreiten.
Zusätzlich muß die geschnittene
Faser geschliffen werden, um zu verhindern, daß Unvollkommenheiten, die aus dem
Schnittvorgang resultieren, sich rückwärts ausbreitende Reflexionen
erzeugen. Schließlich
wird eine Antireflexionsbeschichtung auf das geschnittene und geschliffene
Ende aufgebracht, um Reflexionen weiter zu reduzieren. Die Kosten,
jedes geschnittene Ende auf diese Weise zu behandeln, erlegen der
Verwendung von Systemen, bei denen Licht aus einer Faser austreten
und durch Luft passieren muß, ökonomische
Beschränkungen
auf.
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Ein zweites Problem bei derartigen
Systemen resultiert aus dem hohen Grad an Ausrichtungsgenauigkeit,
die zwischen den optischen Fasern benötigt wird. Bei Einmodenfasern
müssen
die Enden mit einer Toleranz in der Größenordnung von einem Mikrometer
ausgerichtet sein. Zusätzlich
müssen
die Fasern drehmäßig eingeschränkt sein.
Sogar falls eine Faser korrekt im Raum befestigt ist, weist die
andere Faser bezüglich
des befestigten Endes der ersten Faser zwei Drehfreiheitsgrade und
drei räumliche Freiheitsgrade
auf. Der hohe Grad an Ausrichtungsgenauigkeit erhöht die Kosten
von Systemen von diesem Typ wesentlich.
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Die US-A-5,191,467 offenbart einen
optischen Verstärker,
der folgende Merkmale aufweist: eine Eingangsfaser, die ein Lichtsignal
mit einer vorbestimmten Wellenlänge,
das verstärkt
werden soll, empfängt;
eine erste Pumplichtquelle; eine erste Wellenteilungs-Multiplexeinrichtung,
die Licht aus der ersten Pumplichtquelle in ein erstes Ende einer dotierten
optischen Faser fokussiert, wobei die dotierte optische Faser durch
die erste Pumplichtquelle pumpfähig
ist; eine Einrichtung zum Koppeln von Licht, das aus einem zweiten
Ende der dotierten optischen Faser austritt, in eine optische Ausgangsfaser;
und eine optische Isoliereinrichtung zum Einschränken der Bewegungsrichtung
des Lichts, wobei die optische Isoliereinrichtung zwischen dem ersten und
dem zweiten Ende der dotierten optischen Faser angeordnet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein wie in Anspruch 1 spezifizierter optischer Verstärker bereitgestellt.
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Andere Merkmale werden in der europäischen Patentanmeldung
96301763.7, veröffentlicht als
EP 0732603 , von der dies
eine Teilanmeldung ist, und in der ebenfalls anhängigen Teilanmeldung Nr. EP
01110557.4, veröffentlicht
als EP 1124148, behandelt.
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Die europäische Patentanmeldung 96301763.7
behandelt eine Ausrichtungsvorrichtung, die zu viel geringeren Kosten
als bekannte Ausrichtungsmechanismen in Massen produziert wer den kann.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
dieser Anmeldung stellt eine Vorrichtung zum Ausrichten einer Mehrzahl
von optischen Fasern in vorbestimmten Positionen mit Bezug aufeinander
bereit. Die Vorrichtung umfaßt
eine obere Platte und eine untere Platte, die einen ersten Satz
von Ausrichtungsrillen in derselben aufweist, wobei jeder optischen
Faser eine derartige Rille entspricht. Die Ausrichtungsrillen sind positioniert,
derart, daß die
optischen Fasern mit Bezug aufeinander in den korrekten Positionen
derselben sind, wenn die optischen Fasern durch die obere Platte
gegen den Boden der Rillen gedrängt
werden. Um Reflexionen von einer geschnittenen Faser zu reduzieren,
sind diese Fasern bezüglich
der Achse der optischen Faser in einem Winkel geschnitten, und das
geschnittene Ende ist durch eine Haftmittelschicht mit einem optischen
Flachstück
bzw. Planelement verbunden, das den gleichen Brechungsindex wie
die optische Faser aufweist, wodurch verhindert wird, daß durch
den Schneidevorgang eingebrachte Unvollkommenheiten bewirken, daß Licht
in die Faser zurück
reflektiert wird. Folglich werden die Schleifschritte vermieden,
die bei bekannten Systemen verwendet werden. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfaßt das
optische Flachstück
ferner ein Antireflexionsmaterial an der nicht geleimten Oberfläche desselben. Die
untere Platte wird vorzugsweise hergestellt, indem photolithographische Ätztechniken
verwendet werden, die denen ähnlich
sind, die bei einer Mikrobearbeitung und einer Herstellung von integrierten Schaltungen
verwendet werden. Dies erlaubt, daß die unteren Platten in Massen
hergestellt werden können,
wobei die engen Toleranzen beibehalten werden, die für hohe Lichtsammelwirksamkeiten
benötigt
werden. Verschiedene optische Komponenten können ferner unter Zuhilfenahme
weiterer Rillen in den- unteren Platten an den unteren Platten in
Rillen befestigt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist im folgenden nur durch ein Beispiel mit Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 die
exemplarische Vorbereitung von Faserenden in Anwendungen darstellt,
in denen Licht aus einer ersten Faser in eine zweite Faser abgebildet
wird.
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2 eine
exemplarische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Ausrichtungsvorrichtung ist,
die in der europäischen
Anmeldung 96301763.7 behandelt wird.
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3 eine
Querschnittsansicht der in 2 gezeigten
Ausrichtungsvorrichtung durch die Linie 120-121 ist.
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4 eine
Querschnittsansicht der in 2 gezeigten
Ausrichtungsvorrichtung durch die Linie 122-123 ist.
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5 eine
exemplarische Querschnittsansicht einer optischen Verarbeitungsanordnung
ist und die Ausrichtungsprobleme darstellt, die durch optische Verarbeitungselemente
eingebracht werden.
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6 eine
Draufsicht eines Beispiels einer universellen kollimierenden Plattform
ist.
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7 eine
schematische Zeichnung eines herkömmlichen optischen Verstärkers ist.
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8 eine
Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
eines optischen Verstärkers
gemäß der Erfindung
ist.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
kann mit Bezug auf 1 leichter
verstanden werden, die exemplarisch das Abbilden von Licht durch
eine Linse 16 aus einer ersten Faser 12 in eine
zweite Faser 14 darstellt. Wie oben angemerkt, müssen die
Enden jeder Faser behandelt werden, um zu vermeiden, daß sich Reflexionen,
die an der Glas-Luft-Schnittstelle erzeugt werden, durch die Faser
rückwärts ausbreiten.
Diese Behandlung umfaßt
typischerweise ein Schneiden des Endes in einem Winkel, wie es mit 18 gezeigt
ist, ein Schleifen des Endes und dann ein Beschichten des Endes
mit einer Antireflexionsbeschichtung. Falls eine Anzahl von Fasern
relativ zueinander positioniert werden muß, muß jedes Ende geschnitten, geschliffen
und beschichtet werden.
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Nun wird auf die 2, 3 und 4 Bezug genommen, die exemplarisch
ein Beispiel einer Vorrichtung zum Ausrichten mehrerer optischer
Fasern mit Bezug aufeinander und zum Passivieren der Enden darstellt,
um Reflexionen zu reduzieren, was in der europäischen Anmeldung 96301763.7
behandelt wird. Die erforderliche Ausrichtungstoleranz wird durch
einen Sockel 102 bereitgestellt, der Schlitze 104 umfaßt, die
positioniert sind, derart, daß Fasern, die
gegen den Boden jedes Schlitzes gedrängt werden, mit Bezug aufeinander
ordnungsgemäß ausgerichtet
sind. Exemplarische Fasern sind mit 105–110 gezeigt. Die
Fasern werden durch eine obere Platte 112 gegen die Schlitze 104 gedrängt, die
vorzugsweise an den Sockel 102 gekittet ist. Die Weise,
auf die der Sockel 102 aufgebaut wird, wird im folgenden
detaillierter erörtert.
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In dem in den 2–4 gezeigten Beispiel sind
die zwischen jedem Paar von Fasern liegenden optischen Komponenten
durch die Blöcke 133–135 angegeben.
Beispiele mit spezifischen optischen Elementen werden im folgenden
detaillierter erörtert.
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Nun wird auf 4 Bezug genommen, die exemplarisch die
Weise darstellt, auf die die Enden der optischen Fasern behandelt
werden, um zu verhindern, daß Licht
an den Glas-Luft-Schnittstellen durch
die Fasern zurück
reflektiert. Nachdem die Fasern durch die obere Platte an dem unteren
Sockel befestigt wurden, wird jede Faser durch ein Durchführen eines
Sägeschnitts
durch die obere Platte 112 mit dem gewünschten Winkel geschnitten.
Der Schnitt erstreckt sich in dem Sockel 102, wie es mit 131 und 132 gezeigt
ist. Der Sägeschnitt
durchtrennt jede Faser mit dem korrekten Winkel. Es ist anzumerken,
daß ein
einziger Sägeschnitt
mehrere Fasern durchtrennt. Im Gegensatz zu bekannten Systemen werden
die Enden der optischen Fasern nach dem Sägeschnitt nicht geschliffen.
Anstelle dessen wird eine Platte 146 mit Hilfe einer Schicht 145 aus
transparentem Kitt an die Faserenden gekittet. Der Brechungsindex
des Kitts wird gewählt,
um mit dem Kernbrechungsindex der Faser im Fall einer Einmodenfaser übereinzustimmen.
Falls die Faser eine GRIN-Linse ist, wird der Index gewählt, um
mit dem Index der mittleren Region der GRIN-Linse übereinzustimmen.
Die Platte 146 ist aus einem Material hergestellt, das
den selben Brechungsindex wie die Kittschicht aufweist. Folglich
werden jegliche Kratzer an der Seite der Platte 146, die
sich mit der Kittschicht in Kontakt befindet, oder an dem geschnittenen
Faserende durch die Kittschicht eliminiert. Die Oberfläche 147 der
Platte 146, die sich nicht mit der Kittschicht in Kontakt
befindet, wird vorzugsweise mit einem Antireflexionsmaterial beschichtet,
um Reflexionen weiter zu reduzieren.
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Es ist anzumerken, daß die Platte 146 eine kostengünstige Komponente
ist, die lediglich eine optisch flache Oberfläche aufweisen muß, d. h.
die Oberfläche 147.
Folglich kann die Vorrichtung 100 zu Kosten hergestellt
werden, die im wesentlichen geringer sind, als die Kosten von Systemen,
bei denen die Faserenden geschliffen und mit dem Antireflexionsmaterial
beschichtet sind. Experimentell wurde festgestellt, daß das hierin
beschriebene Antireflexionssystem genauso gut wirkt, wie das herkömmliche System
mit einem geschnittenen und geschliffenen Ende. Somit liefert dieses
System die Vorteile bekannter Systeme zu wesentlich reduzierten
Kosten.
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Der Sockel 102 kann hergestellt
werden, indem herkömmliche
Photolithographietechniken verwendet werden. Derartige Techniken
stellen die erforderliche Ausrichtungsgenauigkeit bereit und können ohne
weiteres in Massen produziert werden. Techniken zum Bereitstellen
von V-Rillen in Silizium oder Keramiken sind auf dem Gebiet der
Mikrobearbeitung gut bekannt. Zum Beispiel kann im Fall eines Siliziumsubstrats
ein KOH-Ätzmittel
verwendet werden. KOH stellt ein anisotropes Ätzen bereit, bei dem die Ätzrate der
(111) Ebene so gering ist, daß der Ätzvorgang an den (111)
Ebenen praktisch gestoppt ist. Folglich resultiert eine Ätzmaske,
die zu der (110) Richtung an einem (100) Silizium-Wafer
hin ausgerichtet ist, in einer V-Rille, die durch zwei (111)
Ebenen gebildet ist, die einander mit einem präzisen Winkel von 70,53° schneiden.
Die Tiefe der V-Rille ist allein durch die Breite der Maskenöffnung bestimmt. Folglich
kann zweidimensionale Lithographie verwendet werden, um eine präzise dreidimensionale V-Rillenstruktur
zu erzeugen.
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Die Fähigkeit, optische Plattformen
in Massen zu produzieren, die eine präzise, feste Ausrichtung aufweisen,
ermöglicht
es, daß das
System für eine
Anzahl von optischen Komponenten verwendet wird. Bei vielen Anwendungen
muß Licht,
das sich durch eine erste optische Faser bewegt, gefiltert, polarisiert
oder auf andere Weise durch eine optische Komponente verarbeitet
werden, bevor sich dasselbe durch eine zweite optische Faser weiter
bewegt. Die allgemeine Anordnung für ein derartiges Verarbeiten
ist exemplarisch in 5 mit 160 gezeigt. Licht,
das sich durch die optische Faser 161 bewegt, wird durch
die Linse 164 kollominiert und passiert dann durch die
optische Komponente 162. Das Licht, das die Komponente 162 verläßt, wird
dann durch eine zweite Linse 165 gesammelt, die dieses
Licht in die optische Ausgangsfaser 163 abbildet. Um Reflexionen
zurück
durch die optische Faser 161 zu eliminieren, ist die optische
Komponente 162 positioniert, derart, daß die Normale zu der Oberfläche derselben bezüglich der
optischen Achse der optischen Faser 161 in einem Winkel
ist. Wegen der Brechungsindexdifferenz von der Komponente 162 und
von Luft resultiert diese Winkelverschiebung darin, daß das Licht,
das die Komponente 162 verläßt, bezüglich der optischen Achse der
optischen Faser 161 um einen Betrag 167 verschoben
ist, der von der Dicke und dem Brechungsindex der Komponente 162 abhängt. Wie
es oben angemerkt ist, muß die
Ausrichtung der optischen Faser 163 streng gesteuert werden,
um eine hohe Lichtsammelwirksamkeit zu erhalten.
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Bei bekannten optischen Verarbeitungssystemen
sind die Kosten eines Ausrichtens der Fasern für jede unterschiedliche optische
Komponente sehr hoch. Das System stellt eine Einrichtung zur Massenproduktion
von sehr genau ausgerichteten optischen Fasern und Komponenten bereit;
folglich ist eine Ausrichtungsplattform eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem
Stand der Technik.
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Insbesondere kann das System benutzt
werden, um eine universelle optische Plattform zum Verarbeiten von
Licht herzustellen, das sich zwischen vier optischen Fasern oder
Teilmengen derselben bewegt. Eine Draufsicht einer derartigen Plattform
ist exemplarisch in 6 mit 200 gezeigt.
Die Plattform 200 verarbeitet Licht aus den optischen Fasern 202–205.
Licht kann über
jede der Fasern entweder in die Plattform eintreten oder dieselbe
verlassen. Das Licht, das eine Faser verläßt oder in dieselbe eintritt,
wird durch eine entsprechende Linse abgebildet oder kollimiert.
Die Linsen, die den optischen Fasern 202–205 entsprechen,
sind jeweils mit 212–215 gezeigt.
Das eigentliche Verarbeiten des Lichts wird durch eine Beschichtung
durchgeführt,
die auf eines oder mehrere der 5 optischen Elemente aufgebracht ist,
die mit 221–225 gezeigt
sind.
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Die Plattform 200 kann verwendet
werden, um Licht zu filtern oder zu polarisieren, das sich zwischen
zwei Fasern bewegt, die einander gegenüberliegen, wie beispielsweise
die Fasern 202 und 204. Die Plattform 200 kann
ferner verwendet werden, um einen Strahlteiler oder ein Wellenlängenteilungs-Multiplexer
durch ein Benutzen der Fasern herzustellen, die in rechten Winkeln
zu diesen Fasern angeordnet sind.
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Alle der oben beschriebenen Funktionen können durch
ein Benutzen unterschiedlicher optischer Beschichtungen an den optischen
Elementen 221–225 erreicht
werden. Diese optischen Elemente sind transparent und vorzugsweise
Planar. Bei dem Nichtvorhandensein jeglicher Beschichtungen an den
optischen Elementen 221–225 werden die Fasern
ausgerichtet, derart, daß Licht,
das die Faser 202 verläßt, in die
Faser 204 abgebildet wird. Ähnlich wird Licht, das die
Faser 205 verläßt, in die
Faser 203 abgebildet. Schließlich wird Licht, daß die Faser 202 verläßt und von
dem optischen Element 225 reflektiert wird, in die Faser 203 abgebildet.
Diese Ausrichtung berücksichtigt
jeglichen Strahlweglauf, der durch das Passieren des Lichts durch
die verschiedenen optischen Elemente produziert wird. Es ist anzumerken,
daß die
Elemente 221–224 vorzugsweise positioniert
sind, derart, daß Licht,
das von den Oberflächen
derselben reflektiert wird, nicht in die Faser zurück abgebildet
wird, aus der dasselbe stammte.
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Die Plattform, an der die verschiedenen Komponenten
befestigt sind, kann wie oben beschrieben hergestellt werden. Bei
allen Anwendungen müssen
alle fünf
der optischen Komponenten an Ort und Stelle sein. Für jegliche
spezielle Anwendung wird eine oder mehrere der optischen Komponenten mit
einem Dünnfilm
beschichtet, der die benötigte
optische Verarbeitung bereitstellt. Falls zum Beispiel ein Strahlteiler
hergestellt werden soll, wird die Oberfläche des optischen Elements 225 mit
einer teilweise reflektierenden Beschichtung beschichtet. Falls
zwischen den Fasern 202 und 204 eine Filter- oder
Polarisierungsoperation durchgeführt
werden soll, wird entweder die Oberfläche des Elements 221 oder 223 beschichtet.
Da die Beschichtungen viel dünner
sind als die optischen Elemente, kann jeglicher Weglauf, der aus
einer Differenz der Dicke des beschichteten Elements resultiert,
vernachlässigt
werden. Somit kann eine einzige, in Massen produzierte optische Anordnung
für eine
große
Anzahl von Anwendungen verwendet werden, ohne die Vorrichtung für jede neue
Anwendung ausrichten zu müssen.
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Das oben beschriebene Beispiel der
Plattform 200 benutzte eine Linse, die von dem benachbarten
optischen Element getrennt war, um das Licht aus dem optischen Element
in die entsprechende optische Faser abzubilden. Für Fachleute
auf dem Gebiet ist es jedoch ersichtlich, daß die Linse mit dem optischen
Element kombiniert werden könnte,
falls nichtplanare optische Elemente annehmbar sind.
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Es gibt eine Anzahl von anderen optischen Verarbeitungsvorrichtungen,
die vorteilhaft hergestellt werden können, indem eine wie hierin
beschriebene optische Ausrichtungsplattform verwendet wird. Zum
Beispiel können
optische Verstärker
auf einer derartigen Plattform hergestellt werden. Die Weise, auf
die ein typischer optischer Verstärker wirkt, kann mit Bezug
auf 7 leichter verstanden
werden, die eine schematische Zeichnung eines bekannten Ausführungsbeispiels
mit einer Er-dotierten Faser eines optischen Verstärkers 300 ist.
Der optische Verstärker 300 verstärkt einen
Lichtsignaleingang an einer Faser 302. Die Eingangsseite
der Faser 302 ist durch einen optischen Isolierer 303 isoliert.
Das Licht wird in der Er-dotierten Faserschleife 305 verstärkt, die durch
Laser 304 und 306 gepumpt wird. Das Pumplicht
wird durch Wellenteilungs-Multiplexer (WDMs) 309 und 310 in
die Schleife 305 gekoppelt. Das verstärkte Licht aus der Schleife 305 wird
dann gefiltert, um jegliches Licht mit der Pumpfrequenz zu entfernen.
Das Ausgangsende der Faser 302 ist durch den Isolierer 307 von
Komponenten an der Ausgangsseite der Faser 302 isoliert.
Die optischen Isolierer verhindern ein Lasern in den Verstärker durch
ein Sicherstellen, daß sich
Licht in der Er-dotierten Faserschleife 305 nur in eine
Richtung bewegt.
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Nun wird auf 8 Bezug genommen, die eine schematische
Zeichnung eines optischen Verstärkers
mit einer Erdotierten Faser gemäß der Erfindung
zum Verstärken
eines Signals ist, das an der optischen Faser 404 empfangen
wird. Das verstärkte Lichtsignal
wird zu der optischen Faser 410 gekoppelt. Das Lichtsignal,
das an der optischen Faser 402 empfangen wird, wird durch
die Kugellinse 403 kollimiert und tritt in die Er-dotierte
optische Faser 404 ein, nachdem dasselbe durch den Isolierer 406 und den
WDM 407 passiert ist. Licht aus dem Pumplaser 408 wird
von der Oberfläche
des WDM 407 reflektiert und tritt ebenfalls in dieses Ende
der dotierten Faser 404 ein. Der optische Isolierer 406 führt Funktionen durch,
die analog zu den in 7 gezeigten
Isolierern 303 und 307 sind. Das Lichtsignal wird
verstärkt, wenn
es durch die dotierte Faser 404 passiert. Das verstärkte Signal
wird durch die Kugellinse 412 in die Ausgangsfaser 410 abgebildet.
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Um das Pumpen der dotierten Faser 404 zu verbessern,
ist ein zweiter Pumplaser 409 und ein zweiter WDM 405 enthalten.
Das zweite Pumpsystem erlaubt es, daß die dotierte Faser von beiden
Enden gepumpt wird. Der optische Isolierer 406 verhindert,
daß das
Licht aus dem Pumplaser 409 durch die Ausgangsfaser 410 entweicht.
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Es ist anzumerken, daß ein einziger
optischer Isolierer 406 die Isolierfunktionen der zwei
obigen Isolierer mit Bezug auf den optischen Verstärker durchführt, der
in 7 gezeigt ist. Folglich
eliminiert der optische Verstärker 400 zusätzlich zu
einem Bereitstellen eines optischen Verstärkers, der auf einer kostengünstigen,
in Massen produzierten Plattform zusammengefügt werden kann, einen optischen
Isolierer. Es ist anzumerken, daß die Kosten des optischen
Isolierers in optischen Verstärkern
von dem in 7 gezeigten
Typ einen erheblichen Teil der Kosten eines derartigen Verstärkers ausmachen.
Folglich liefert dieses Beispiel zusätzliche Vorteile gegenüber bekannten
optischen Verstärkern.