SE522622C2 - Optisk fiberförstärkare med styrd förstärkning - Google Patents

Description

20 25 30 522 622 2 är i stånd att upplyfta erbiumjoner från lägre energitillstånd till högre energitillstånd i den erbi- umdopade fibem. Ljus alstras då i fibern, när jonema återvänder till de lägre energinivåerna.

I ett typiskt WDM-system varierar normalt antalet använda våglängdskanaler slumpmässigt.

Förstärkningen hos en erbiumdopad förstärkare, som drivs på det vanliga mättade sättet, beror på antalet våglängdskanaler, se det i fig. 1 visade diagrammet, beroende på förstärkarens totala kon- stanta avgivna effekt. I fig. 1 är förstärkningen för en typisk erbiumdopad fiberförstärkare avsatt som funktion av våglängden, när endast en WDM-våglängdskanal används, se den övre kurvan, och när alla kanaler är aktiva eller används, se den nedre kurvan. Förstärkningen har en skillnad av minst 10 dB för det betydelsefulla våglängdsbandet 1540 - 1560 nm. Detta innebär, att också förstärkningen kommer att variera slumpmässigt, när den erbiumdopade förstärkaren används i ett typiskt WDM-system, vilket används för telekommunikation.

I WDM-system är det uppenbarligen betydelsefullt att ha konstant förstärkning i det använ- da våglängdsbandet, eftersom detta till exempel medger en optimering av andra komponenter.

Det är också ineffektivt att använda förstärkningsutjäninande filter, se artikeln av Paul F. Wy- socki et al., "Broad-band Erbium-Doped Fiber Amplifier Flattened Beyond 40 nm Using Long- Period Grating Filter", IEEE Photonics Techn. Lett., vol. 9, 10, okt. 1997, eftersom sådana filter måste utformas beroende på förstärkarens faktiska förstärkningskurva. En möjlig lösning skulle kunna vara att styra den pumpeffekt, som avges till den aktiva fibern, med detta innefattar nack- delar, vilka härrör från den långa livstiden hos exciterade erbiumjoner i den aktiva fibern.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa en optisk fiberförstärkare med en förstärk- ningskurva, som är oberoende av antalet aktiva våglängdskanaler.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en optisk fiberförstärkare med förstärkning för olika våglängdskanaler, som för varje betraktad kanal är approximativt konstant i tiden och så litet som möjligt påverkas och/eller under så kort tid som möjligt påverkas av att en arman kanal blir inaktiv eller aktiv.

Det av uppfinningen lösta problemet är sålunda, hur en optisk fiberförstärkare skall anord- nas, vilken används för att förstärka ljussignaler av olika våglängder och har väsentligen samma förstärkning i tiden för alla inkommande ljussignaler oberoende av antalet närvarande inkom- mande ljussignaler, och hur det skall uppnås, att förstärkningen för varje våglängdskanal så litet som möjligt påverkas av andra kanaler.

När en erbiumdopad fiberförstärkare utformas, dimensioneras förstärkarens förstärkning för fallet med att alla WDM-kanaler är aktiva. F örstärkarens förstärkning beror på antalet exciterade erbiumjoner och detta antal är approximativt konstant för tillräcklig inmatad pumpljuseffekt och 10 15 20 25 30 då drivs förstärkaren i mättat tillstånd. Detta leder till en approximativt konstant avgiven effekt från förstärkaren oberoende av antalet inkommande signaler, vilka skall förstärkas. Detta leder i sin tur till att förstärkningen ökar, när en eller flera WDM-kanaler blir inaktiva. Antalet excitera- de erbiumj oner kan ändras genom att ändra den pumpljuseffekt, som avges till förstärkaren, vilket leder till en förändring av förstärkningskaraktäristiken. Med en lämplig styrning kan förstärkaren fås att ha väsentligen konstant förstärkning oberoende av antalet aktiva WDM-kanaler och detta är ett vanligen använt förfarande för styrning av optiska ñberförstärkare. Emellertid kan reak- tionstiden för en sådan styrning vara alltför lång, såsom angetts ovan, eftersom exciterade erbi- umjoner i en aktiv fiber har alltför långa livstider, av ca 10 ms.

I stället kan i den optiska fiberförstärkaren den avstängda kanalen eller de avstängda kanalema ersättas med en extra kanal eller tomgångskanal, som har en våglängd utanför det våg- längdsband, vilket används av WDM-kanalema, eller allmänt har en våglängd skild från dem, vilka används av WDM-kanalerna, såsom en våglängd mellan två våglängdsband. I praktiska fall kan den våglängd, som används för tomgångskanalen, vara en våglängd, vilken är större än det för signalöverföring använda våglängdsbandet, såsom större än det vanligen använda våglängds- bandet kring 1530 - 1550 nm. En laserdiod, som tillhandahåller tomgångsvåglängdskanalen, kan snabbt styras att modifiera sin avgivna effekt, så att den från den totala förstärkaren avgivna ef- fekten hålls väsentligen konstant, vilket resulterar i bättre reaktionstider och mer konstant för- stärkning, än vad som är möjligt att uppnå genom att styra den inmatade pumpeffekten.

Sålunda innefattar allmänt en optisk fiberförstårkare för WDM-signaler, dvs ljussignaler av olika våglängdskanaler, vilka vanligen är innefattande i ett våglängdsband eller ett våglängdsom- råde, en aktiv optisk fiber av den typ, som är dopad med en sällsynt jordartsmetall. Den aktiva fi- berlängden pumpas med pumpljus från en pumpkälla såsom en laserdiod. För att ge förstärkaren konstant förstärkning för WDM-signalema oberoende av antalet aktiva WDM-signaler är en extra ljuskälla anordnad att införa, när så erfordras, dvs när en eller flera WDM-signaler blir inaktiva, extra ljus i den aktiva optiska fibern för att ersätta den saknade inmatade ljuseffekten. Den extra inmatningen kan göras i endast en del av den aktiva fiberlängden och då i en sista del eller änddel av denna, som är belägen nära den aktiva fiberns utgångsände. Införandet åstadkorns med hjälp av något slag av effektkombinerare, som är ansluten på det avsedda stället i den aktiva fiberlängden.

Det inmatade ljuset väljs, så att det inte stör fortplantningen av signalljus i den aktiva fibem. Det har sålunda en våglängd skild från var och en av WDM-kanalemas våglängder. Vidare är våg- längden företrädesvis längre än våglängdema hos allt signalljus, så att den inte orsakar någon för- stärkande effekt eller pumpeffekt i den aktiva optiska fibem. Emellertid väljs våglängden, så att den fortfarande kan förstärkas i den aktiva fibem. Ljuskällan styrs av en signal, som härleds från 10 15 20 25 30 '7 L. 9 l-n 5262 4 en mätanordning iör avgiven effekt, så att den inmatar extraljus, när en WDM-kanal blir inaktiv.

Effekten hos det extra ljuset väljs sålunda, så att den optiska fiberförstärkaren mättas, vilket ger denna en konstant förstärkning oberoende av antalet signalkanaler, dvs av effekten hos de inma- tade ljussignalerna. Ett ljustilter är företrädesvis anslutet till den aktiva optiska fibern för att spärra det extra införda ljuset från att fortplantas genom mer än den avsedda delen av den aktiva fibem.

Sålunda anvisas en optisk fiberförstärkare avsedd att förstärka WDM-signaler, som har en förstärkning för de olika kanalerna, vilken för varje betraktad kanal har gjorts konstant i tiden.

Förstärkningen för en betraktad kanal påverkas föga under en mycket kort tidsperiod av att en an- nan kanal blir inaktiv eller aktiv. När en annan våglängdskanal blir inaktiv eller aktiv, bibehålls den konstanta förstärkningen för den betraktade kanalen med kort reaktionstid eller regleringstid, så att det inte blir någon märkbar ökning eller minskning av förstärkningen eller en ökning eller minskning under en mycket kort tidsperiod vid ett ögonblick, när den andra kanalen blir aktiv el- ler inaktiv.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas i detalj såsom ej begränsande utföringsexempel med hänvisning till de bifogade ritningama, i vilka: - Fig. 1 är ett diagram över förstärkningen som funktion av våglängden för en optisk fiberförstär- kare enligt känd teknik, - Fig. 2 är en schematisk bild, som visar den allmänna uppbyggnaden av en optisk fiberförstärkare med förbättrad förstärkningsstabilitet, - fig. 3 är en schematisk bild, som visar den allmänna uppbyggnaden av ett alternativt utförande av en optisk fiberförstärkare med förbättrad förstärkningsstabilitet, och - fig. 13 är en schematisk bild, som visar ett enkelt fiberoptiskt nät med optiska fiberförstärkare.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Optiska fiberförstärkare används för närvarande på olika ställen i fiberoptiska nät, såsom vi- sas i fig. 13. Här mottar en sändande nod 101 en elektrisk signal, som av lasern 103 omvandlas till en ljussignal. Ljussignalen förstärks av en kraftförstärkare 105 och sänds därifrån i en lång optisk fiber 107. Signalen kan dämpas, när den fortplantas längs den optiska fibern 107, och den måste då förstärkas av en linjeförstärkare 109. Ljussignalen i den optiska fibem 107 mottas av en mottagande nod 111, i vilken den först förstärks av en förförstärkare 113. Den förstärkta signalen detekteras av en ljusdetektor 115 och omvandlas i denna till en elektrisk signal, som avges från noden. I ett sådant nät innefattar vanligen effektfcårstärkaren 105, linj eförstärkaren 109 och förför- stärkaren 113 allihop optiska fiberförstärkare, vilka använder en längd av en aktiv optisk fiber 10 15 20 25 30 PG PO FO KJ! som det förstärkande mediet eller elementet.

I fig. 2 visas den allmänna uppbyggnaden av en optisk fiberförstärkare. Den aktiva delarna av denna är två längder 1, 3 av erbiumdopad fiber, vilka är anslutna i serie med varandra. Den första längden 1 mottar en optisk signal från någon källa, ej visad, som anländer till ett förbind- ningsdon 7 och som passerar längs en optisk fiber från förbindningsdonet 7 till en effektdelande anordning eller kopplare 9, som avtappar en liten del, tex 1%, av ljuseffekten i fibem till en ef- fektmätande anordning såsom en PIN-diod 11. Den huvudsakliga delen av ljuseffekten fortsätter till en optisk isolator 13 och från den optiska isolatorn till en ingång hos en effektkombinerare eller kopplare 15, varvid effektkombineraren 15 på sin andra ingång mottar pumpljuseffekt från en pumpljuskälla eller första ljuskälla 9, vilken alstrar ljus av t ex våglängden 980 nm eller 1480 nm. Utgången från effektkombineraren 15 är ansluten till ingångsänden hos den erbiumdopade fi- bern 1.

Utgångsänden från den andra ñberlängden 3 är via ett valfritt filter 18 ansluten till ingången hos en optisk isolator 21, vars utgång är förbunden med en effektdelande kopplare 21, vilken lik- som effektdelama på ingångssidan avtappar en liten, tex 1%, av ljuseffekten i fibern till mätan- ordning 23 för utmatad effekt. Den huvudsakliga delen av den utmatade effekten leds till någon destination, från effektdelaren 21 via ett kontaktdon 25.

Mellan de första och andra fiberlängderna 1, 3 är ytterligare en effektkombinerare eller kopplare 27 ansluten. Den mottar mättande ljus från en andra ljuskälla 29, som utsänder ljus av en våglängd i t ex området 1550 - 1570 nm och i vart fall med en våglängd skild från och företrä- desvis större än våglängderna inom det våglängdsband, som används för våglängdskanaler i WDM-system. Det av den andra ljuskällan 29 utsända ljuset kan sålunda inte användas för att "pumpa" förstärkaren utan kommer i stället att förstärkas i den andra längden 3 av aktivt fiber och sedan filtreras bort av det valfria filtret 18, vilket exempelvis kan vara ett filtrerande gitter med lång period, se till exempel A. Vengsarkar, "Long-period fiber gratings", in Conf. Optical Fiber Communications, 1996 Tech. Dig. Ser. Washington DC: Opt. Soc. Amer. 1996, vol. 2, sid. 269 - 270, paper ThP4.

En erbiumdopad fiberförstärkare drivs vanligen i mättat tillstånd, i vilket den har ap- proximativt konstant avgiven effekt oberoende av den inkommande effekten, förutsatt att den in- matade pumpeffekten är tillräcklig. När en erbiumdopad fiberförstärkare utformas, måste förstär- karens förstärkning dimensioneras, så att den får tillräcklig storlek, eller likvärdigt för en förstär- kare, som drivs i mättat tillstånd, så att förstärkarens avgivna effekt är den som önskas. Då måste det fall betraktas, i vilket alla WDM-kanaler är aktiva, dvs att ljuset med våglängder hos alla WDM-kanaler överförs till förstärkarens ingångsände. Förstärkningen hos en typisk optisk fiber- 10 15 20 25 30 522 622 6 förstärkare för detta fall visas av den undre kurvan i diagrammet i fig. 1. Om en eller flera kanaler inte används, minskar den inkommande effekten medan den avgivna effekten är ungefär konstant, vilket leder till att törstärkningen ökar. Fallet med att alla kanaler är aktiva eller används leder så- lunda till den lägsta förstärkningskurvan. Den effekt, som orsakas av att kanaler blir inaktiva, åskådliggörs av den övre kurvan i fig. 1, som visar förstärkningen, när endast en WDM-kanal an- vänds eller är aktiv.

När det finns minst en inaktiv kanal, ersätter det av lasern 29 alstrade ljuset det inkom- mande ljus, som motsvarar de ej använda kanalerna, för att hålla förstärkningen konstant och möjliggör, att denna inte ökar på det sätt, som visas av kurvorna i fig. 1. Laserdioden 29 styrs så- lunda på motsvarande sätt och detta möjliggörs av att mättnadssignaleffekten är korrelerad med förstärkarens avgivna optiska effekt. Den avgivna effekten kan bestämmas av en elektrisk krets, såsom den i fig. 2 visade styrenheten 31, ur de signaler, vilka mottas från mätningsanordningen 23 av den utgående effekten och som anger den avgivna optiska effekten.

När alla kanaler är aktiva, styrs sålunda den optiskt avgivna effekten från mättnadslasern 29, så att den är lika med noll. När en WDM-kanal inte är aktiv, styrs mättnadslasern 29, så att den ersätter ljuseffekten hos denna våglängdskanal och så att den alstrar en liknande popula- tionsinversion i den aktiva fibern, se D.M. Baney and J. Stimple, "WDM EDFA Gain Characteri- zation With a Reduced Set of Saturating Channels", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 8, nr 12, dec. 1996, sid. 1615 - 1617.

Den andra ljuskällan 29 styrs sålunda hela tiden, så att intensiteten hos det från denna utsän- da ljuset varieras beroende på en styrsignal, vilken härleds från den från effektmätningsanord- ningen 23 avgivna signalen på utgångssidan. Denna effektmätande anordning är utformad att på något sätt mäta den avgivna effekten och särskilt kan den vara utformad att mäta närvaro och frånvaro av alla de WDM-kanaler, som förstärkaren är avsedd att förstärka. Detta kan åstadkom- mas exempelvis genom användning av pilottoner, se den publicerade europeiska patentansök- ningen nr 0 637 148 A1. Det finns då en elektrisk styrenhet 31, som är ansluten att mottaga mät- signaler från detektorn 23 och att sända en styrsignal till den andra ljuskällan 29 för att styra den- nas avgivna effekt för att tillhandahålla en mättande ljuseffekt.

Den första fiberlängden 1 kan eventuellt ha en längd lika med noll, så att denna fullständigt utelämnas. Då kommer det av den andra ljuskällan utsända ljuset att röra sig genom hela den ak- tiva fibem och förstärkas i denna. Det är också möjligt att ansluta den effektkombinerare 27, som används för att införa av den andra ljuskällan 29 utsänt ljus, före den kombinerare 15, som inför ljus från pumpkällan 17. För dessa alternativa utföringsformer blir det en ytterligare införings- förlust för den våglängd, som motsvarar den av den andra ljuskällan 29 utsända våglängden, vil- 10 15 BS F.) PO ket leder till en högre total brusfaktor.

En annan möjlig utföringsform, se fig. 3, innefattar, att det från den andra ljuskällan 29 utsända extra ljuset införs i den totala aktiva fiberlängden för att röra sig i bakåtriktningen. Då är effektkombineraren/-delaren 27 ansluten till utgångsänden hos den andra aktiva fiberlängden 3.

Det valfria filtret 18 är anslutet mellan de två fiberlängderna 1, 3 för att avlägsna ljus med en våglängd, som motsvarar våglängden hos det av den andra ljuskällan 29 alstrade ljuset.

De ovan beskrivna förstärkarna är i första hand avsedda för att förstärka ljussignaler av elektromagnetisk enkelmodstyp. Detta medför, att alla använda komponenter inte får påverka lju- sets elektromagnetiska moder, både hos signalljuset och hos pumpljuset. Komponenterna, särskilt den optiska effektkombineraren 15 och det valfria filtret 18, skall då också utformas för att över- föra ljus med de respektive våglängderna hos signallj us och hos pumpljus i enkelmod.

Sålunda har en optisk fiberförstärkare här beskrivits att användas för att förstärka WDM- signaler såsom i WDM-nät, beskrivits här, vilken tillhandahåller en väsentligen konstant förstärk- ning för de använda WDM-kanalerna oberoende av de faktiska antalet använda kanaler och med en kort styrtid eller regleringstid, när en WDM-kanal blir inaktiv eller aktiv.

Claims (10)

10 15 20 25 30 5 2 2 6 2 2 s PATENTKRAV

1. Optisk fiberförstärkare för förstärkning av ljussignaler inom ett våglängdsband, varvid förstärkaren innefattar - en aktiv optisk fiber, som har en ingångsände anordnad att mottaga ljussignaler, vilka skall förstär- kas och har våglängder inom ett våglängdsornråde, och som har en utgångsände anordnad att vidare- befordra ljussignalerna, vilka har förstärkts under dessas förflyttning framåt i den aktiva optiska fi- bem med förstärkningsfaktorer, vilka är specifika för ljussignalemas våglängder, - en pumpkälla ansluten att införa pumpljus i den aktiva optiska fibem, - en mätanordning för avgiven effekt, som är ansluten till den aktiva optiska fiberns utgångsände för att vid utgångsänden mäta effekten hos ljus med våglängder inom våglängdsområdet, och - en ljuskälla för att införa ljus i den aktiva optiska fibern, varvid det införda ljuset har en våglängd utanför våglängdsorrirådet och är valt att inte kunna orsaka en förstärkande effekt eller pumpeffekt i den aktiva optiska fibem och är valt att vara i stånd att förstärkas av den optiska fiberförstärkaren, k ä n n e t e c k n a d av att lj uskällan är ansluten till mätanordningen för den avgivna effekten för att mottaga en styrsignal härledd från mätanordningens utgångssignal och är anordnad att styra in- tensiteten hos det av ljuskällan införda ljuset i beroende av styrsignalen för att hålla förstärknings- faktorema konstanta.

2. Optisk fiberförstärkare enligt krav 1 anordnad att förstärka ljussignaler inom signalkanaler med olika våglängder inom våglängdsorrirådet, k ä n n e t e c k n a d av att ljuskällan är ansluten, så att effekten hos det av ljuskällan införda ljuset mättar den aktiva optiska fibcm till konstant för- stärkning oberoende av antalet signalkanaler och därmed oberoende av den totala effekten hos de inkommande ljussignalerna.

3. Optisk fiberförstärkare enligt något av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a d av att den aktiva optiska fibern är uppdelad i två delar, en första del med en ingångsände, som mottar de ljussignaler, vilka skall förstärkas, och en andra del med en utgångsände, från vilken de förstärkta ljussignalerna avges, varvid ljuskällan är anordnad att införa ljus endast i den andra delen.

4. Optisk fiberförstärkare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av en ljuskombinerande anord- ning, som är ansluten mellan de första och andra delarna för att mottaga ljus från ljuskällan, vilket skall införas i den andra delen.

5. Optisk fiberförstärkare enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av ett ljusfilter, som är anslutet till utgångsänden hos den andra delen för att släppa igenom ljussignalema från den andra delen men för att spärra ljus med en våglängd, som motsvarar våglängden hos det från ljuskällan utsända ljuset.

6. Optisk fiberförstärkare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av en ljusdelande/-kombineran- de anordning, som är ansluten till den andra delens utgångsände för att släppa igenom ljus från den 10 15 20 25 30 35 522 622 9 andra delen och för att mottaga ljus från ljuskällan, som skall införas i den andra delen i en riktning motsatt ljussignalemas riktning.

7. Optisk fiberförstärkare enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av ett ljusfilter, som är anslutet mellan de första och andra delarna för att släppa igenom ljussignalema från den första delen men för att spärra ljus med en våglängd, som motsvarar våglängden hos det från ljuskällan utsända ljuset.

8. Fiberoptiskt nät innefattande minst en sändande nod och en mottagande nod och minst en optisk fiberförstärkare för att förstärka ljussignaler inom ett våglängdsband, varvid förstärkaren in- nefattar - en aktiv optisk fiber, som har en ingångsände anordnad att mottaga ljussignaler, vilka har vågläng- der inom ett våglängdsområde och vilka skall förstärkas, och som har en utgångsände anordnad att vidarebefordra ljussignalerna, vilka har förstärkts under dessas förflyttning framåt i den aktiva optis- ka fibern med förstärkningsfaktorer, som är specifika för våglängderna hos ljussignalerna, - en pumpkälla ansluten att införa pumpljus i den aktiva optiska fibern, - en mätanordning för avgiven effekt, som är ansluten till den aktiva fiberns utgångsände för att mä- ta effekten hos ljus med våglängder inom väglängdsområdet vid utgångsänden, och - en ljuskälla för att införa ljus i den aktiva optiska fibern, varvid det införda ljuset har en våglängd utanför våglängdsområdet och är valt att inte kunna orsaka en förstärkande effekt eller pumpeffekt i den aktiva optiska fibem och är valt att kunna förstärkas av den optiska fiberförstärkaren, k ä n n e t e c k n at av att i den optiska ñberförstärkaren är ljuskällan ansluten till mätanordningen för den avgivna effekten för att mottaga en styrsignal härledd från utgångssignalen från mätanord- ningen i den optiska fiberförstärkaren och att ljuskällan vidare är anordnad att styra intensiteten hos det av ljuskällan i förstärkaren införda ljuset för att behålla förstärkningsfaktorerna i den optiska fi- berförstärkaren konstanta.

9. Fiberoptiskt nät enligt krav 1, i vilket den optiska fiberförstärkaren är anordnad att förstärka ljussignaler inom signalkanaler med olika våglängder inom våglängdsområdet, k ä n n e t e c k n at av att i den optiska fiberförstärkaren är ljuskällan ansluten, så att effekten hos det av ljuskällan in- förda ljuset mättar den aktiva optiska fibern till konstant förstärkning oberoende av antalet signalka- naler och därmed oberoende av den totala effekten hos de till förstärkaren inkommande ljussigna- lema.

10. Fiberoptiskt nät enligt något av krav 8 - 9, k ä n n e t e c k n at av att i den optiska fiberförstärkaren är den aktiva optiska fibern är uppdelad i två delar, en första del med en ingångsände, som mottar de ljussignaler, vilka skall förstärkas, och en andra del med en utgångsän- de, från vilken de förstärkta ljussignalerna avges, varvid ljuskällan i den optiska fiberförstärkaren är anordnad att införa ljus endast i den andra delen.