NL1013531C2 - Parallelle optische vezelversterker met hoog nuttig effect van vermogensomzetting. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Parallelle optische vezelversterker met hoog nuttig effect van vermogensomzetting.

De uitvinding heeft betrekking op een optische inrichting voor optische communicatie, en meer in het bijzonder op een parallelle optische vezelversterker met een configuratie die in staat is om hergebruikt versterkt spontaan emissielicht (ASE licht) te gebrui-5 ken als secundaire pompbron.

Recentelijk zijn Er~'-gedoteerde vezelversterkers (EDFAs) met een brede versterkingsband voorgesteld om problemen op te lossen die optraden bij golflengtedeling-gemultiplexte (WDM) systemen als gevolg van een voortdurende toename van de capaciteit daarvan. Voor 10 praktische systemen die opgebouwd zijn met gebruik van zulke EDFAs werd er van uitgegaan dat het onvermijdelijk noodzakelijk is om op silica gebaseerde EDFAs te gebruiken, van een typische C-band (een golflengteband van 1530 tot 1560 nm) of een L-band van lange golflengten, parallel met elkaar gekoppeld, in termen van kostprijs en 15 toepasbaarheid, ondanks het feit dat optische vezelversterkers die gemaakt zijn van nieuwe materialen, bijvoorbeeld EDFAs op tellu-riet-basis, ontwikkeld zijn. In combinatie met L-band EDFAs zijn er veel hangende problemen op te lossen vanwege de korte ontwikkelingsgeschiedenis van L-band EDFAs. L-band EDFAs hebben bijvoor-20 beeld een laag nuttig effect van vermogensomzetting, leidend tot een eis van pompen van hoog vermogen. Als gevolg van dat lage nuttige effect van pompen van L-band EDFAs hebben op silica gebaseerde optische vezelversterkers met een opbouw met een L-band EDFA paral-ielverbinding een beperking in het gebruik ervan in brede banden. 25 Om een middel te verschaffen om een verbetering te bereiken in het nuttige effect van vermogensomzetting van L-band EDFAs, hebben de uitvinders een techniek ontwikkeld voor het hergebruiken van nutteloos versterkt spontaan emissielicht (ASE licht) als secundaire pompbron voor een niet gepompt EDF gebied. Volgens deze techniek 30 wordt een aanzienlijke verbetering in de prestaties vertoond. Deze techniek wordt beschreven in Koreaanse octrooiaanvrage 96-34370. In combinatie met het hergebruik van nutteloos achterwaarts ASE licht hebben de uitvinders ook het feit ingezien dat een techniek voor het hergebruiken van achterwaarts ASE licht, opgewekt in een C-band 55 EDFA, voor versterking in een L-banc EDFA trap, toepasbaar is bij - 2 - breedbandige op silica gebaseerde optische vezelversterkers met de configuratie van een paraiieïverbinding.

Een doel van de uitvinding is dan ook een optische vezelver-sterker te verschaffen die een hoog nuttig effect van vermogensom-5 zetting vertoont in brede qolflengtebanden.

Uitgaande van een parallelle optische vezelversterker, omvattend een eerste erbium gedoteerde vezelversterker (EDFA) trap, en een tweede EDFA trap, parallel verbonden met de eerste EDFA trap, welke tweede EDFA trap een andere versterkingsgolflengteband heeft 10 dan de eerste, is de uitvinding gekenmerkt doordat hij verder omvat middelen voor het hergebruiken van spontaan emissielicht dat geëmitteerd wordt vanuit de eerste EDFA trap als secundaire pomp-brcn voor de tweede EDFA trap.

De eerste EDFA trap kan een C-banc EDFA omvatten en de tweede 15 EDFA trap kan een L-band EDFA omvatten. Ir. dit geval is het moge-lijk een parallelle optische vezelversterker te realiseren die in staat is een hoog nuttig effect van vermogensomzetting te vertonen bij betrekkelijk brede golflengtebanden.

Bij voorkeur wordt de versterker zo uitgevoerd dat de herge-20 bruikmiddelen omvatten: een circulator voor het uit de eerste EDFA

trap ontvangen van spontaan emissielicht; een verbindende optische vezel voor het overbrengen van het ontvangen spontane emissi eli cht naar de tweede EDFA trap, en een optische koppelaar, zodanig tussen de verbindende optische vezel en de tweede EDFA trap geplaatst dat 25 het spontane emissielicht vanuit de verbindende optische vezel wordt cvergebracht naar de tweede EDFA trap.

Eveneens bij voorkeur wordt de uitvoering zo gekozen dat de tweece EDFA trap een optisch pompmiddei omvat, een eerste optisch vezeldeei dat bestemd is om optisch te worden gepompt door het op-30 tische pompmiddei, en een tweede optisch vezeldeei dat bestemd is om niet te worden gepompt door het optzsche pompmiddei, en dat het optische pompmiddei van de tweede EDFA trap opgesteld is tussen het eerste en het tweede optische vezeldeei en een voorwaartse pompwerking ceieid voor het eerste optische vezeldeei. In dit geval kan 35 een meer efficiënte optische versterking voor de tweede EDFA trap wcrcen verkregen omdat aar. ceze tweede EDFA trap het nutteloze achterwaartse ASE licht wcrct toegevoerü uit het eerste optische ve-zelgedeelte ervan, naast nutteloos achterwaarts ASE licht uit de eerste EDFA trap.

- 3 -

In de beide bovengenoemde gevallen bestaan de eerste en de tweede EDFA trap bij voorkeur uit een op silica gebaseerde optische vezel.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de 5 bijgevoegde tekeningen.

Fig. la is een schema dat een algemene parallelle optische vezelversterker weergeeft;

Fig. 1b is een schema dat een parallelle optische vezelver-sterker volgens een uitvoering van de uitvinding weergeeft; 10 Fig. 2 is een grafiek die een optisch uitgangsspectrum af- beeldt van de in fig. la getoonde algemene parallelle optische ve-zelversterker, voor een vervaardigd ingangssignaal van 0 dBm, waar de algemene parallelle optische vezelversterker geen EDF gedeelte heeft dat niet bestemd is om te worden gepompt; 15 Fig. 3 is een grafiek die achterwaartse ASE spectra afbeeldt respectievelijk waargenomen voor C-band en L-band EDFAs wanneer een vervaardigd signaal van 0 dBm wordt ingevoerd;

Fig. 4a is een grafiek die de meetresultaten afbeeldt voor de verzadigde signaaluitgangsintensiteit van 1595 nm (samen 'met de 20 verzadigde signaaluitgangsintensiteit voor 1540 nm) en het nuttige effect van vermogensomzetting van het hele systeem, verkregen in de algemene parallelle optische vezelversterker van fig. la en de parallelle optische vezelversterker volgens de uitvoering van de uitvinding, terwijl de lengte van het niet te pompen gedeelte van de 25 EDF wordt gevarieerd, en

Fig. 4b is een grafiek die ruisfactoren afbeeldt die gemeten zijn voor de parallelle optische vezel versterkers van fig. 1a respectievelijk 1b.

De uitvinding zal hierna worden toegeïicht aan de hand van de 30 bijgaande tekening van enkele voorkeursuitvoeringen.

De volgende beschrijving zal gegeven worden terwijl een parallel optische-vezelversterker volgens een uitvoering van de uitvinding vergeleken zal worden met een algemene optische vezelversterker in termen van ce opbouw en prestaties, voor gemakkeiijke iden-25 tificatie van met de uitvoering van de uitvinding verkregen effecten.

Verwijzend naar fig. la zijn een C-band EDFA trap 110 op sili-cabasis en een L-band EDFA trap 120 op siïicabasis parallel met elkaar verbonden door C-band/L-banc WDIk koppelaars 130 en 132. De 4 0 C-band EDFA trap 11C omvat een C-fcanc EDF 112 met een gewenste - 4 - lengte, en een eerste laserdiode 114 voor het afgeven van pomplicht van 980 nm, bestemd voer het pompen van de C-band EDF 112. De eerste laserdiode 114 is met de C-band EDF 112 gekoppeld door een eerste WDM koppelaar 116. Anderzijds omvat de L-band EDFA trap 120 5 twee EDFs 122 en 124 die in serie met elkaar verbonden zijn, en een tweede laserdiode 126 die geschakeld is tussen de EDFs 122 en 124 en bestemd voor het afgeven van pomplicht van 980 nm. De tweede laserdiode 126 is met de EDF 124 gekoppeld door een tweede WDM koppelaar 128 zodat hij de EDF 124 voorwaarts pompt. Door zo'n opstel-10 ling van de tweede laserdiode 126 wordt de EDF 122 door de tweede laserdiode 126 niet gepompt om de loop van optische signalen in één richting in de optische vezelversterker te geleiden, zijn optische isolators 1 40, 142 en 144 aangebracht aar. de ingangsklem van de optische vezelversterker, de uitgangsklem van de C-band EDFA trap 15 110 respectievelijk de uitgangsklem van de L-band EDFA trap 120. De reden waarom de optische vezelversterker cp de genoemde wijze is opgebouwd is niet alleen om versterkingen in brede golflengtebanden te verkrijgen door het gebruik van de C-band en L-band EDFA trappen 110 en 120, maar ook om toe te laten dat achterwaarts ASE licht, 20 uitgezonden vanuit de EDF 124, wordt gepompt in de L-band EDFA trap 120 cm te dienen als secundaire pompbron vcor de EDF 122, waardoor een verhoging wordt bereikt in nuttig effect van vermogensemzet-ting.

Fig. lb is een schema dat de parallel optische vezelversterker 25 volgens een uitvoering van de uitvinding weergeeft. In fig. 1b zijn elementen die respectievelijk overeenkomen met die in fig. la door dezelfde verwijzingscijfers aangeduid en deze zullen eenvoudig-heidshaïve niet weer worden beschreven.

In fig. 1b wordt achterwaarts ASE licht dat afkomstig is uit 30 de C-band EDFA trap 110, toegevoerd aan de EDF 122, niet gepompt door de tweede laserdiode 126, via een optische circulator 150, een optische verbindingsvezel 160 en een C-band/L-band WDM koppelaar 170. Volgens deze opbouw volgens een uitvoering van de uitvinding gebruikt dan ook de niet door de tweede laserdiode 126 gepompte EDF 35 122 zowel het nutteloze achterwaartse ASE licht dat uitgezonden wordt deer de EDF 124 cie door de tweece laserdiode wordt gepompt, als het nutteloze achterwaartse ASE licht dat wordt uitgezonden door de C-band EDFA trap 110, waardoor een verbetering wordt be reikt in nuttig effect van veririogensomzetting. Hoewel de niet te 40 pompen EDF 122 beschreven als opgenomen :n de L-band EDFA trap 120 - 5 - in de weergegeven uitvoering van de uitvinding, is de optische vezel versterker van de uitvinding tot die opbouw niet beperkt. Dit blijkt uit de volgende beschrijving, gegeven aan de hand van fig. 4a en 4b, waarin het feit wordt beschreven dat de bedoelde effecten 5 van de uitvinding zelfs worden verkregen waar de lengte van de EDF 122 nul is.

Nu zal een vergelijking worden gemaakt tussen de algemene optische vezelversterker en de optische vezelversterker van de uitvinding in termen van de werking ervan. Ter vergelijking worden in 10 de twee gevallen van fig. la en 1b dezelfde EDFs gebruikt. Elk van de gebruikte EDFs bestaat uit een in de handel verkrijgbare optische vezel met Al-codotering die een maximale absorptiecoëfficiënt vertoont van 4,5 dB/m bij een golflengte van 1530 nm. Om een verandering in nuttig effect van vermoger.somzetting waar te nemen afhan-15 kelijk van de lengte van de niet door de tweede laserdiode 126 te pompen EDF 122, werd een meting gedaan voor het nuttig effect van vermogensomzetting onder de omstandigheid waarin respectieve lengten van de C-band EDF 112 en L-band EDF 124, die bestemd zijn om respectievelijk door hun eigen pompen te worden gepompt, bevestigd 20 zijn aan 20 m en 135 m, terwijl de lengte van EDF 122 werd gevarieerd op 0 m, 5 m, 15 m, 20 m, 25 m respectievelijk 35 m. De eerste en tweede laserdiodes 114 en 126, die een pompwerking geleiden bij een golflengte van 980 nm, had een uitgangsvermogen van 85 mW. Twee externe resonerende lasers, respectievelijk afgestemd op 1540 25 nm en 1595 nm, werden ook gebruikt, samen met een analysator voor het optische spectrum, om respectieve versterkingen van de optische versterkers te evalueren. Er worden ingangssignalen met een sterkte van 0 dBm bij de twee golflengten ingevoerd aan elk van de respectieve optische vezelversterkers, om zo de versterking van een klein 30 signaal, ruisfactor, sterkte van verzadigd vermogen, en nuttig effect van vermogensomzetting te meten. In beide gevallen werd een tussenplaatsingsverïies van 3,5 dB vertoond. Verlies resulterende uit de circulator en verlies resulterende uit de C-band/L-band WDM koppelaar waren 0,6 dB respectievelijk 0,3 dB. b5 Fig. 2 is een grafiek die een optisch uitgangsspectrum af- fceelöt van de in fig. 1a getoonde algemene parallelle optische vezelversterker voor een verzadigd ingangssignaal var. 0 dBm waar de algemene parallelle optische vezelversterker geen EDF gedeelte heeft dat niet bestemd is om te worden gepompt. Verwijzend naar 4 0 fig. 2 ziet men cat ce bandbreedte van de optische versterking die - 6 - resulteert uit het ASE spectrum breed is, d.w.z. 80 nm of meer. Voor signalen van 1540 nm en 1595 nm waren de intensiteiten van verzadigde uitgangen 14,75 dBm respectievelijk 10,66 dBm.

Om het feit te identificeren dat er achterwaarts ASE licht is 5 met een voldoende intensiteit om een verbetering te geven in nuttig effect van vermogensomzetting, werd de intensiteit van het achterwaartse ASE licht, geëmitteerd vanuit zowel de C-band EDFA ais de L-banö EDFA, gemeten met gebruik van een andere circulator. Fig. 3 is een grafiek die achterwaartse ASE spectra afbeeldt die respec-10 tieveiijk waargenomen werden voor de bovenstaande twee EDFAs wanneer een verzadigd ingangssignaal van 0 dBm werd ingevoerd. De spectrummeting werd uitgevoerd met gebruik van een optische spec-trumanalysator met een resolutie van 0,2 nm. Beide spectra vertoonden pieken in de buurt van golflengten van 1540 nm respectievelijk 15 1595 nm, zoals blijkt uit fig. 3. Deze pieken kunnen resulteren uit

achterwaartse verstrooiing volgens Rayleigh van eik ingangssignaal. De intensiteit van het vanuit de C-band EDFA geëmitteerde achterwaartse ASE licht was 1,5 mW. Deze waarde is betrekkelijk laag in vergelijking met de intensiteit van het vanuit de L-band EDFA ge-20 emitteerde achterwaartse ASE licht, dat wil zeggen 17 mW. De ASE

intensiteit van ongeveer 1,5 mW kan evenwel voldoende zijn om een verbetering te geven in nuttig effect van L-band versterking. Dit kan geïdentificeerd worden door te verwijzen naar een artikel uitgegeven door A. Mori en getiteld "Tellurite-Based EDFA for Wide-25 Band Communications" in GFC Technical Summery WAi, 1998, biz. 7. Het artikel beschrijft gebruik van signalen van 1550 nm met eer.

lagere intensiteit dan 1,5 mW ais pompbron voor L-band versterking.

Fig. 4a beeldt de meetresultaten af voor de verzadigde sig-naaiui tgangsintensi tei t van 1595 nm (samen .met de verzadigde sig- 30 naaluitgangsintensiteit van 1540 nm) en het nuttige effect var. ver- mogenscmzetting van het hele systeem, verkregen in de algemene parallelle optische vezelversterker van fig. la (hierna aangeduio als "paraiielconfiguratie van eerste type") en de parallelle optische vezeiversterker volgens de uitvoering van de uitvinding (hierna 35 aanceduid als "paraiielconfiguratie van tweede type") terwijl de lengte var. het niet te pompen EDF gedeelte were gevarieerd. Verwijzend naar lig. 4a blijkt dat de uit gangs intensiteit van de eerste paraiielconfiguratie een sterke afhankelijkheid vertoont van de lengte van het EDF gedeelte dat niet bestemd is om te worden ge-40 pompt, zodanig dat hij toeneemt naarmate de lengte van het niet te - 7 - pompen EDF gedeelte toeneemt. In de paralielconfiguratie van het eerste type werd een verbetering van het totale nuttige effect van pompen verkregen lopende van 24,4ï tot 31,3t. Deze verbetering resulteert uit het feit 'dat het nutteloze achterwaartse ASE licht dat 5 geëmitteerd wordt vanuit het gepompte EDF gedeelte van de L-band EDFA trap opnieuw gebruikt wordt in het EDF gedeelte dat niet bestemd is om te worden gepompt. Anderzijds werden, in de parailel-configuratie van tweede type, een hogere verzadigde signaaluit-gangsintensiteit bij 1595 nm en een hoger nuttig effect van vermo-10 gensomzetting vertoond in vergelijking met de paralielconfiguratie van eerste type. In het geval van de paralielconf iguratie van tweede type nam de verzadigde signaaluitgangsintensiteit toe tot 16,8 mW zelfs wanneer er geen EDF gedeelte is dat niet bestemd is om te worden gepompt. Onder dezelfde omstandigheid vertoonde de 15 paralielconfiguratie van eerste type 11,6 mW.

De reden waarom de paralielconfiguratie van tweede type betere resultaten vertoont ten opzichte van de paralielconfiguratie van eerste type is omdat het vanuit de C-band EDFA trap geëmitteerde achterwaartse ASE licht effectiever opnieuw gebruikt wordt in de 20 paralielconfiguratie van tweede type, zelfs hoewel de intensiteit ervan gering is, in vergelijking met de paralielconfiguratie van eerste type. Er dient te worden opgemerkt dat in fig. 4a het toe-name-effect van de efficiency van vermcgensomzetting, verkregen door hergebruik van het vanuit de C-band EDFA trap geëmitteerde 25 achterwaartse ASE licht, geleidelijk toeneemt naarmate de lengte van het niet te pompen EDF gedeelte toeneemt. Dit verschijnsel ontstaat uit het feit dat de intensiteit van het vanuit de C-band EDFA geëmitteerde achterwaartse ASE licht lager is dan dat van de L-band EDFA. Op basis van de bovengenoemde resultaten is het mogelijk een 30 configuratie van een parallelle optische vezelversterker te ontwerpen die in staat is het meest efficiënte gebruik van pompintensi-teit te bereiken. Volgens de uitvinding wordt dan ook het EDF gedeelte dat niet bestemd is om te worden gepompt bovenstrooms cpge-steld ten opzichte van de pompende iaserciode, zodanig dat daardoor 35 hergebruik plaatsvindt van de intensiteit van achterwaarts ASE licht dat resulteert uit de pompwerking van de pompende iaserdiode.

Om het verlies van ruisfactor te meten, ontstaande uit de geringe en beperkte intensiteit van het vanuit de C-band EDFA trap geëmitteerde achterwaartse ASE licht, werden respectieve ruisfacto-40 ren gemeten van ce paralielconf iguraties van het eerste en het - 8 - tweede type. De gemeten resultaten zijn afgedeeld in fig. 4b. Men ziet hieruit dat de parallelconf iguratie van het tweede type een lagere interne ruisfactor vertoont dan de parallelconfiguratie van eerste type, en wei omstreeks G,3 dB. Deze lagere ruisfactor van de 5 parallelconf iguratie van tweede type kan ontstaan uit het feit dat het vanuit de C-band EDFA trap geëmitteerde achterwaartse ASE licht niet alleen dient ais pompbron voor het versterken van het signaal van 1600 nm, maar ook dient als fotonenzaden voor ASE licht van 1600 nm. Ook werd waargenomen, voor beide parallelconfiguraties, 10 dat een toename in ruisfactor optreedt naarmate de lengte van het niet te pompen EDF gedeelte toeneemt. Dit kan ontstaan uit een afname in populatie-inversie die plaatsvindt als gevolg van een afname in de intensiteit van het ASE licht per lengte in het niet te pompen EDF gedeelte.

15 Zoals blijkt uit de bovenstaande beschrijving past de uitvin ding de techniek voor het opnieuw gebruiken van nutteloos achterwaarts ASE licht toe bij een parallelle optische vezelversterker met verschillende versterkingsbanden, dat wil zeggen C-band en L-band, waardoor de parallelle optische vezeïversterker in een zeer 20 brede golflengteband kan werken terwijl hij een hoog nuttag effect van vermogensomzetting vertoont. Na beproeving van de prestaties van de optische vezeïversterker volgens oe uitvinding werd gevonden dat, wanneer een pcmpoperatie wordt uitgevoerd met gebruikmaking van licht dat een golflengte heeft van 980 nm, een opmerkelijke 25 toename in het nuttige effect van vermogensomzetting van het hele systeem wordt vertoond. Ook werd een geringer verlies vertoond in termen van de ruisfactor. Zo kan volgens de uitvinding een optische vezeïversterker met zeer verbeterde eigenschappen worden verschaft.

Claims (5)

1. Parallelle optische vezelversterker, omvattend een eerste % erbium gedoteerde vezelversterker (EDFA) trap, en een tweede EDFA trap, parallel verbonden met de eerste EDFA trap, welke tweede EDFA trap een andere versterkingsgolflengteband heeft dan de eerste, 5 gekenmerkt doordat hij verder middelen omvat voor het hergebruiken van spontaan emissielicht dat geëmitteerd wordt vanuit de eerste EDFA trap als secundaire pompbron voor de tweede EDFA trap.

2. Parallelle optische vezelversterker volgens conclusie 1, waarin de eerste EDFA trap een C-band EDFA omvat, en de tweede EDFA 10 trap een L-band EDFA omvat.

2. Parallelle optische vezelversterker volgens conclusie I, met het kenmerk, dat de hergebruikmiddelen omvatten: een circulator voor het uit de eerste EDFA trap ontvangen van spontaan emissielicht; 15 een verbindende optische vezel voor het overbrengen van het ontvangen spontane emissielicht naar de tweede EDFA trap, en een optische koppelaar, zodanig tussen de verbindende optische vezel en de tweede EDFA trap geplaatst dat het spontane emissielicht vanuit de verbindende optische vezel'wordt overgebracht naar 20 de tweede EDFA trap.

4. Parallelle optische vezelversterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ce tweede EDFA trap een optisch pompmiddel omvat, een eerste optisch vezeldeel dat bestemd is om optisch te worden gepompt 25 door het optische pompmiddel, en een tweede optisch vezeldeel dat bestemd is om niet te worden gepompt door het optische pompmiddel, en dat het optische pompiriiddel van de tweede EDFA trap opgesteïd is tussen het eerste en het tweede optische vezeldeel en een vocr-30 waartse pompwerking geleid voor het eerste optische vezeldeel.

5. Parallelle optische vezelversterker volgens één der conclusies i tot 4, met het kenmerk, dat zowel de eerste als de tweede EDFA trap bestaan uit een op silica gebaseerde optische vezel.