DE69736292T2

DE69736292T2 - Spektraler entzerrer mit wiederkonfigurierbarem holographischem filter

Info

Publication number: DE69736292T2
Application number: DE69736292T
Authority: DE
Inventors: Joseph Robert MEARS; David Adam COHEN; Thomas Stephen WARR; Charles Michael Sutton PARKER
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-07
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2017-08-08
Also published as: JP2000515647A; WO1998006192A1; GB9616598D0; EP0917776A1; DE69736292D1; US20030142378A1; EP0917776B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die optische Kommunikation und insbesondere spektrale Entzerrer zur Verwendung mit Lichtleiterverstärkern.
Mit Erbium dotierte Lichtleiterverstärker (EDFA) sind heute für Zwecke der Fernmeldetechnik völlig etabliert. Es ist seit langem bekannt, daß zur Aufrechterhaltung einer akzeptablen spektralen Bandbreite dann, wenn viele Verstärker verkettet sind, eine passive spektrale Entzerrung erforderlich ist. Mit der großtechnischen Anwendung von optischen Übertragungssystemen vom Wellenlängenmultiplex- bzw. WD-Multiplextyp wird die Notwendigkeit für ein aktives Management der spektralen Verstärkung immer wichtiger, da sich individuelle Kanalleistungen über die Zeit ändern können und das Verstärkungsspektrum sich ebenfalls mit der dynamischen Eingangslast ändert.
Eine solche aktive Technik, die akustisch-optisch abstimmbare Filter (AOTF) verwendet, wurde vor kurzem von S.H. Huang, X.Y. Zou, A.E. Willner, Z. Bao und D.A. Smith beschrieben in "Experimental demonstration of active equalisation and ASE suppression of three 2-5-Gbit/s WDM-network channels over 2500 km using AOTF as transmission filters", Conference on Lasers and Electro-optics, Paper CMA4, 1996. Die angewandte Technologie ist jedoch teuer und erfordert zusätzliche parallele optische Komponenten, um eine Polarisationsunempfindlichkeit zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik für das aktive Management der spektralen Verstärkung auf der Basis eines polarisationsunempfindlichen, lichtbrechenden, ferroelektrischen Flüssigkristall- bzw. FLC-Inlinefilters. Die Technik ist auf mehrere zehn Kanäle erweiterbar und bei Massenfertigung potentiell kostengünstig.
Ein alternatives Verstärkungsentzerrungssystem wird in der US-PS 5 436 760 vorgeschlagen. Dabei sind mindestens zwei dielektrische Filter an einer rotierenden Vorrichtung angebracht, um die Übertragungsspektren abzustimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein spektraler Entzerrer für ein optisches Kommunikationssystem angegeben, der eine Anzahl von optischen Eingängen, eine Anzahl von optischen Ausgängen und ein rekonfigurierbares holographisches Filter aufweist, das in einem optischen Weg zwischen den optischen Eingängen und den optischen Ausgängen angeordnet ist, wobei das rekonfigurierbare holographische Filter so konfigurierbar ist, daß es für eine Anzahl von optischen Signalen oder Signalkanälen vorbestimmter unterschiedlicher Wellenlängen eine Signalleistungsentzerrung bewirkt.
Ferner wird ein rekonfigurierbares holographisches Filter in Kombination mit einer Verarbeitungseinrichtung angegeben, die Daten über eine Anzahl von vorbestimmten Hologrammen zum Konfigurieren des holographischen Filters speichert, wobei mindestens eines von den Hologrammen so angeordnet ist, daß es für eine Anzahl von optischen Signalen oder Signalkanälen vorbestimmter unterschiedlicher Wellenlängen eine Signalleistungsentzerrung bewirkt.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben; dabei zeigen:
1 eine experimentelle Konfiguration einer Vorrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Diagramm, das Eigenschaften eines mit Erbium dotierten Lichtleiterverstärkers zeigt;
3a und 3b Spektren für zwei beispielhafte Hologramme;
4 und 5 Fourier-Transformierte der in den 3a und 3b gezeigten Hologramme; und
6 und 7 schematische Darstellungen der Hologramme.
1 zeigt eine experimentelle Konfiguration, die durchweg einen Einmoden-Lichtleiter verwendet. Die Konfiguration weist einen abstimmbaren Laser 1 auf, der über einen Einmoden-Lichtleiter 3, 5 und einen Dämpfungsregler 7 mit einem mit Erbium dotierten Lichtleiterverstärker EDFA gekoppelt ist. Der Verstärker ist über Einmoden-Lichtleiter 9, 11 und ein Entzerrungsfilter 13 mit einem optischen Spektralanalysator 15 verbunden.
Das Entzerrungsfilter 13 weist folgendes auf: ein Paar von Linsen L1, L2, ein rekonfigurierbares holographisches Filter SLM in Form einer durchlässigen 128×128-Matrix mit einem Raster von D = 165 μm und ein fest angeordnetes durchlässiges Beugungsgitter FG mit einer Linienpaarbreite von d = 18 μm. Das Filter ist ausgelegt für ein spektrales Entzerrungs- und Systemmanagement über fünf Kanäle, die um jeweils ungefähr 4 nm voneinander beabstandet sind, wie es 2 zeigt.
In einem realen WD-Multiplexsystem ändert sich die Eingangskanalleistung aus den folgenden Gründen:

(i) ungleichmäßige Verstärkungsprofile der optischen Verstärker (z. B. 6,1 dB für den in 2 gezeigten EDFA);
(ii) Wellenlängenabhängigkeit passiver optischer Komponenten; und
(iii) Potentialschwankungen bei Injektionsverlusten und Signalwegverluste (z. B. Überbrückungsverluste und Einkopplungsknoten in einem Wellenlängenleitwegnetz).

Bei dieser experimentellen Konfiguration wird die Eingangskanaländerung durch den abstimmbaren Diodenlaser 1 mit variabler Ausgangsleistung simuliert. Es wäre wünschenswert, alle Signalkanäle gleichzeitig einzugeben, das war jedoch mit den verfügbaren Einrichtungen nicht möglich. Es werden niedrige Signalleistungen verwendet, um die maximale differentielle Verstärkung zu erreichen, die von dem EDFA zu erhalten ist, und dadurch den vorhandenen hohen Verlust des Filters zu überwinden und eine Nettoverstärkung zu erzeugen.
Der spektrale Entzerrer weist ein rekonfigurierbares holographisches Filter von dem Typ auf, das in dem Dokument von M.C. Parker und R.J. Mears, "Digitally tunable wavelength filter and laser", Photonics Technology Letters, 8(8), 1996, beschrieben wird, und weist einen EDFA auf, um die Filterverluste zu kompensieren. Das holographische Filter weist einen pixelierten örtlichen FLC-Lichtmodulator (SLM), der dynamische Hologramme anzeigt, in Verbindung mit einem fest angeordneten Binärphasen-Hochfrequenzraumgitter auf, und zwar jeweils innerhalb eines 4f-Linsensystems im freien Raum (siehe 1).
Der Filterdurchlaßbereich für jeden Kanal hat eine Halbwertsbreite (FWHM) von gerade unter 2 nm. Die Hologramme sind so ausgebildet, daß sie sowohl die Eingangskanal-Leistungsänderung als auch die spektrale Abhängigkeit der EDFA-Verstärkung kompensieren, so daß gleichmäßige Ausgangskanalleistungen erreicht werden. Wie gezeigt, ist es auch möglich, einen bestimmten Kanal, wie etwa denjenigen bei 1556,1 nm herauszunehmen, was für die Störsignalunterdrückung erwünscht ist, wenn dieser Kanal vorübergehend ungenutzt ist.
In den Figuren ist die aktive rekonfigurierbare Beschaffenheit des Entzerrers durch eine Änderung sowohl der Eingangsleistung als auch der Wellenlänge des Signals auf Kanal 4 demonstriert, um zu simulieren, daß das Signal auf diesem Kanal von einer anderen Quelle in dem Netz kommt. Zwei verschiedene Hologramme wurden erstellt, um diese Änderungen zu kompensieren und das Signal auf Kanal 4 auf den gleichen Pegel wie die drei anderen Signale zu entzerren. Der optische Spektralanalysator speichert die Resultate.
Die Hologramme, die notwendig sind, um einen Satz von Eingangskanaländerungen und -bedingungen, wie etwa eine Nutzungsänderung von Kanälen zur Wiederherstellung des Netzes zu kompensieren, werden vorher berechnet. Die Downloadzeit ist dabei 5 ms, aber mit einer verbesserten Schnittstelle kann mit einer Rekonfiguration in 20 μs gerechnet werden.
Die Gleichung für die Filterwellenlänge, die einer räumlichen Hologrammperiode zugeordnet ist, läßt sich näherungsweise wie folgt darstellen:
mit λ = Filterwellenlänge; x = 8,5 mm als Abstand des Ausgangslichtleiters von der optischen Achse; f = 96,1 mm als Brennweite; N = 128 als Anzahl der Pixel in dem örtlichen Lichtmodulator; D = 165 μm als Pixelabstand des räumlichen Lichtmodulators; d = 18 μm als Periode des fest angeordneten Gitters. Der Wert n ist eine ganze Zahl zwischen 0 und 64. Der Faktor n/ND repräsentiert eine der Raumfrequenzen des angezeigten Hologramms, welche die zu filternden Wellenlängen bestimmen.
Im Gegensatz zu dem Fall, bei dem nur eine einzige Wellenlänge gefiltert wird, was ein einziges Resultat für n und die anschließende Hologrammauslegung erfordert, hat man die obige Gleichung für fünf separate Wellenlängen gelöst, was fünf Werte von n ergibt, die in einen computerbasierten Designprozeß eingespeist werden, um ein Holo gramm mit gemischter Raumfrequenz zu erzeugen. Der Algorithmus zur Hologrammerzeugung nutzt ein simuliertes Tempern, das modifiziert wird, um die Durchlässigkeitsamplitude des Hologramms bei einer Vielzahl von Wellenlängen zu steuern.
Die resultierenden Fourier-Transformierten (Modul quadriert) von Hologrammen sind als Diagramm in den 4 und 5 gezeigt. Aus den Fourier-Transformierten dieser Hologramme, die Darstellungen der spektralen Durchlässigkeit sind, ist ersichtlich, daß vier Positionen (oder Wellenlängen) bevorzugt in unterschiedlichen Graden durchgelassen werden.
Die obige Gleichung (1) wird einfach genutzt, um die Positionen der "Punkte" in der Zielfunktion zu bestimmen, die dann in einen simulierten Temper-Algorithmus eingespeist wird. Der Algorithmus erzeugt ein Hologramm, dessen Fourier-Transformierte so weitgehend wie möglich mit der Zielfunktion übereinstimmt.
In den Beispielen wird ein Hologramm erzeugt, das die Wellenlängen von 1548 nm, 1552 nm, 1560 nm und 1564 nm entzerrt. Bei f = 96,1 nm sind x = 8,5 mm, N = 128 und D = 18 μm; die entsprechenden Werte für n sind 33, 30, 23, 20, wobei nur ganzzahlige Werte von n für diesen speziellen Algorithmus zur Hologrammerzeugung zulässig sind.
Das bedeutet, daß die Zielfunktion eine 1×64-Matrix von Nullen ist mit der Ausnahme, daß an den Positionen 20, 23, 30 und 13 der Matrix Werte vorhanden sind, die den Designamplituden des holographischen Durchlässigkeitsspektrums entsprechen. In diesem Fall waren die entsprechenden Designamplituden an diesen Positionen 1, 31 bzw. 1, 22 bzw. 1 bzw. 2, 17. Die beiden resultierenden Hologramme sind in den 6 bzw. 7 gezeigt.
Anfängliche Designamplituden für das holographische Durchlässigkeitsspektrum werden bestimmt durch Inversion der Verhältnisse der EDFA-verstärkten Spontanemissions- bzw. ASE-Pegel bei den Kanalwellenlängen (siehe 2). Diese Designparameter ergeben Hologramme mit einer geringeren als idealen Kanalentzerrung infolge von Ungleichmäßigkeiten des Systems.
Die resultierenden systematischen Fehler, die in dem Ausgangsspektrum beobachtet wurden, wurden gemessen, und korrigierte Designparameter wurden zu dem Algorith mus zurückgeleitet. Durch eine In-situ-Rückkopplungsschleife würde das Hologrammdesign deutlich verbessert werden.
Die entzerrten Spektren für die beiden verschiedenen Hologramme sind in 3 gezeigt. Im ersten Fall (siehe 3a) haben die nicht entzerrten Eingangssignale einen 2,0 dB-Bereich von Leistungen, der nach der Entzerrung auf weniger als 0,3 dB reduziert ist. Im zweiten Fall haben die Eingangssignalleistungen einen Bereich von 8,5 dB, der nach der Entzerrung auf 0,3 dB reduziert ist.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Eingangs- und Ausgangsleistungen für die fünf Kanäle, wobei die zwei Hologramme jeweils verwendet wurden, um die vier Signale dynamisch zu entzerren. Der ungenutzte Kanal 3 wird in beiden Fällen um mehr als 13,5 dB unterdrückt. Die große EDFA-Spontanemission, die um die Wellenlänge von 1,533 μm herum vorhanden ist, wird ebenfalls um mindestens 13,5 dB mit Erfolg unterdrückt. Die individuelle Kanaltrennung variiert zwischen 6,7 dB und dem hohen Wert von 23 dB.
Tabelle 1
Tabelle 2

Claims

Spektraler Entzerrer (13) für ein optisches Kommunikationssystem, der eine Anzahl von optischen Eingängen (10), eine Anzahl von optischen Ausgängen (12) und ein rekonfigurierbares holographisches Filter (17) aufweist, das in einem optischen Weg zwischen den optischen Eingängen (10) und den optischen Ausgängen (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das rekonfigurierbare holographische Filter (17) so konfigurierbar ist, daß es für eine Anzahl von optischen Signalen oder Signalkanälen vorbestimmter unterschiedlicher Wellenlängen eine Signalleistungsentzerrung bewirkt.
Spektraler Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Signal, das an dem rekonfigurierbaren holographischen Filter (17) empfangen werden kann, ein gemultiplextes optisches Signal ist, das zwei oder mehr Kanäle aufweist.
Spektraler Entzerrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das rekonfigurierbare holographische Filter (17) so konfigurierbar ist, daß es ein oder mehr optische Signale oder einzelne Kanäle innerhalb eines gemultiplexten optischen Signals fallen läßt.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zwei oder mehr optische Eingänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das rekonfigurierbare holographische Filter (17) so konfiguriert werden kann, daß es Signale von mindestens zwei verschiedenen optischen Eingängen an einen optischen Ausgang überträgt.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Vielzahl von optischen Ausgängen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das rekonfigurierbare holographische Filter (17) so konfigurierbar ist, daß es ein oder mehr optische Signale oder Signalkanäle an zwei oder mehr von den optischen Ausgängen sendet.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rekonfigurierbare holographische Filter (17) ein dynamisches holographisches Beugungselement in Kombination mit einem fest angeordneten Beugungsgitter oder Hologramm aufweist.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, die eine Anzahl von vorbestimmten Hologrammen speichert.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Verarbeitungseinrichtung zur dynamischen Bestimmung von Hologrammen für das rekonfigurierbare holographische Filter aufweist, um eine Signalleistungsentzerrung zu erzielen.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner einen optischen Verstärker (8) aufweist.
Spektraler Entzerrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärker (8) ein Erbium-dotierter Faserverstärker ist.
Spektraler Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das holographische Filter (17) so konfigurierbar ist, daß es verstärkte Spontanemissionen unterdrückt.
Kommunikationssystem, das einen spektralen Entzerrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Optischer Schalter, der einen spektralen Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
System, das ein rekonfigurierbares holographisches Filter und eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, die zum Speichern von Daten über eine Anzahl von vorbestimmten Hologrammen zum Konfigurieren des holographischen Filters ausgebildet ist, wobei mindestens eines von den Hologrammen so angeordnet ist, daß es für eine Anzahl von optischen Signalen oder Signalkanälen vorbestimmter unterschiedlicher Wellenlängen eine Signalleistungsentzerrung bewirkt.