DE19936422B4 - Langwelliger optischer Faserverstärker - Google Patents

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Abstract

Langwelliger, optischer Faserverstärker, mit
einer mit Erbium dotierten, optischen Faser (EDF) zur Verstärkung von Eingangssignallicht, das eine Wellenlänge in dem Bereich von 1580 nm aufweist, unter Verwendung von Pumplicht;
einer ersten Laserdiode (210; 400; 510), die stromaufwärts der EDF angeordnet ist, um in Vorwärtsrichtung Pumplicht in dem Wellenlängenbereich von 1480 nm in der gleichen Richtung zuzuführen, in der das Signallicht fortschreitet;
einer zweiten Laserdiode (230; 420; 530), die stromaufwärts der EDF angeordnet ist, um Pumplicht in dem Wellenlängenbereich von 980 nm in Vorwärtsrichtung in der gleichen Richtung zuzuführen, in der das Signallicht fortschreitet.
einer dritten Laserdiode (260; 450; 560), die stromabwärts der EDF angeordnet ist, um Pumplicht in dem Wellenlängenbereich von 1480 nm in Rückwärtsrichtung in der zu der Richtung entgegengesetzten Richtung zuzuführen, in der das Signallicht fortschreitet, und
zumindest einer Reflexionseinheit für eine verstärkte spontane Emission (ASE) stromaufwärts der ersten Laserdiode oder rückwärts von...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker für eine optische Faser langer Wellenlänge und insbesondere auf einen Verstärker einer optischen Faser für das Verstärken eines optischen Signals langer Wellenlänge im Bereich von 1580 nm.
  • BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • In einem optischen Übertragungssystem kann, da Erbium dotierte Faserverstärker (EDFAs) optische Signale, die durch die Übertragung geschwächt werden, direkt verstärken können, ohne dieselben in elektrische Signale umzuwandeln, die Übertragungsdistanz beachtlich erhöht werden. Bei Verfahren der Wellenlängenmultiplexübertragung (WDM), denen viel Aufmerksamkeit geschenkt wird, hat die Nachfrage nach EDFAs mit abgeflachter Verstärkung zugenommen. Um eine größere Datenmenge zu übertragen, ist auch das gleichzeitige Übertragen von viel mehr Kanälen erforderlich. Zu diesem Zweck wird ein flaches breites Band gefordert. Es ist notwendig, ein optisches Signal im Wellenlängenbereich von 1580 nm zu verstärken, das konventionellerweise nicht verwendet wurde.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines konventionellen optischen Faserverstärkers. Der in 1 gezeigte optische Faserverstärker umfaßt einen ersten Isolator 100, eine erste Laserdiode (LD) 102, einen ersten wellenlängenselektiven Koppler (WSC) 104, eine Erbium dotierte optische Faser (EDF) 106, eine zweite LD 108, einen zweiten WSC 110 und einen zweiten Isolator 112, und er arbeitet auf die folgende Weise.
  • Der erste WSC 104 koppelt Eingangssignallicht mit Pumplicht, das in der erste LD 102 erzeugt wird, und gibt das gekoppelte Licht an die EDF 106 aus. Das Pumplicht, das in der zweiten LD 108 erzeugt wird, die am hinteren Ende der EDF 106 angeordnet ist, fällt durch den zweiten WSC 110 in die EDF 106 ein. Das vorwärts und rückwärts einfallende Pumplicht erregt Erbium-Ionen in einem Grundzustand in der EDF 106. Das Signallicht wird durch die stimulierte Emission der angeregten Erbium-Ionen verstärkt. Die verstärkte spontane Emission (ASE), die in der EDF 106 erzeugt wird, wird von einem optischen Element, wie einem Verbindungsstück für die Signaleingabe/Signalausgabe, reflektiert. Die ersten und zweiten Isolatoren 100 und 112 verhindern, daß die ASE zur EDF 106 rückgeführt wird, und verhindern somit eine Erniedrigung der Verstärkungsleistung des Signallichts.
  • Ein solcher Verstärker erfordert eine Pumplichtleistung von ungefähr 100 mW beim Verstärken einer Wellenlänge im Bereich von 1550 nm. Wenn jedoch eine Wellenlänge im Bereich von 1580 nm verstärkt werden soll, so ist eine große Leistung von ungefähr 600 mW erforderlich. Somit werden, wenn eine konventionelle LD verwendet wird, die eine maximale Ausgangsleistung von ungefähr 150 mW aufweist, viele LDs und spezielle optische Vorrichtungen notwendig, und es ist auch schwierig, diese Komponenten zu handhaben.
  • Aus der Druckschrift EP 0 954 070 A2 ist ein langwelliger optischer Faserverstärker zur Erzielung eines hohen Verstärkungsfaktors einer Langwellenverstärkung im 1580 nm Bereich und einer niedrigen Kurzwellenverstärkung im 1550 nm Bereich bekannt. Diese Eigenschaften werden dadurch erzielt, dass in dem EDFA eine Populationsinversion von Erbium-Ionen erzeugt wird, die einerseits für eine Langwellenverstärkung notwendig ist, andererseits die lineare Verstärkung im Kurzwellenbereich unterdrückt. Dieser Faserverstärker weist keine dritte Laserdiode mit einer Wellenlänge auf, die sich von den Wellenlängen der ersten und zweiten Laserdiode unterscheidet.
  • In der Druckschrift US 5 268 910 ist eine inkohärente kurzwellige Lichtquelle offenbart mit einem Reflektor, der eine verstärkte spontane Emission (ASE) aus einem EDF zum EDFA zurück reflektiert, so dass eine große Populationsinversion von Erbium-Ionen entsteht. In der Druckschrift von Ono, H., et al. (Electronics Letters, Vol. 33, No. 17, 1997, S. 1477–1479) wird ein geräuscharmer optischer 1580 nm Faserverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor offenbart, der zwei durch einen Isolator getrennte EDFAs aufweist, die mit Pumplicht unterschiedlicher Wellenlängen betrieben werden. Der erste Verstärker erzielt einen niedrigen Geräuschpegel, weil er mit Pumplicht in dem 980 nm Band angeregt wird und der zweite Verstärker erzielt eine hohe Verstärkung, weil er mit Pumplicht in dem 1480 nm Band betrieben wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Findung liegt darin, einen langwelligen optischen Faserverstärker im 1580 nm Bereich bereitzustellen, der eine hohe Verstärkung und einen niedrigen Rauschpegel aufweist.
  • Gelöst wird dieses Problem mit einem langwelligen optischen Faserverstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit diesen Merkmalen werden die angestrebte Vorteile dadurch erzielt, dass Pumplicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird, das Pumplicht aber nicht, wie in der Druckschrift von Ono, H., et al. (1997) an zwei durch einen Isolator getrennte EDFs zugeführt wird, sondern an eine einzige EDF.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch das detaillierte Beschreiben einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die angefügten Zeichnungen.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines konventionellen langwelligen optischen Faserverstärkers;
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines langwelligen optischen Faserverstärkers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt Verstärkungseigenschaften, die von der Populationsinversionsverteilung abhängen;
  • 4 ist ein schematisches Diagramm eines langwelligen optischen Faserverstärkers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist ein schematisches Diagramm eines langwelligen optischen Faserverstärkers gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 zeigt experimentelle Ergebnisse für die optischen Faserverstärker, die in den 2, 4 und 5 gezeigt wurden.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Betrachtet man 2 so umfaßt der langwellige optische Faserverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung eine Reflektionseinheit 200 für das Ausgeben von Eingangssignallicht und eines vorbestimmten reflektieren Lichts, eine erste LD 210 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 1480 nm, einen ersten WSC 220 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 1480 nm mit dem Licht, das von der Reflektionseinheit 200 ausgegeben wird, eine zweite LD 230 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 980 nm, einen zweiten WSC 240 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 980 nm zum Licht, das vom ersten WSC 220 eingegeben wird, eine EDF-Einheit 250, eine dritte LD 260 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 1480 nm, einen dritten WSC 270 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 1480 nm mit der EDF-Einheit 250 und für das Ermöglichen, daß das verstärkte Licht, das von der EDF-Einheit 250 ausgegeben wird, durch dieselbe hindurch gelangt, und einen Isolator 280. Da der Einfügungsverlust jeder passiven Vorrichtung hier im Wellenlängenbereich von 1580 nm nur ungefähr 0,2 db höher ist als im Wellenlängenbereich von 1550 nm, können die passiven Vorrichtungen, die im Bereich von 1550 nm verwenden werden, auch im Bereich von 1580 nm verwendet werden.
  • Die Reflektionseinheit 200 umfaßt einen 3 db Koppler 201, einen Zirkulator 202, ein abstimmbares Filter 203 und einen Dämpfer 204.
  • Die EDF-Einheit 250 umfaßt EDFs 251 und 253 und einen zweiten Isolator 252, der zwischen den EDFs 251 und 253 angeordnet ist. Die Längen der EDFs 251 und 253 sind ungefähr 10 bis 20 mal länger als beim EDF, das in einem optischen Faserverstärker verwendet wird, der einen Wellenlängenbereich von 1550 nm aufweist.
  • Es wird nun der Betrieb des optischen Faserverstärkers, der die oben beschriebene Konfiguration aufweist, beschrieben.
  • Die erste LD 210 erzeugt Pumplicht im Bereich von 1480 nm, und die zweite LD 230 erzeugt Pumplicht im Bereich von 980 nm. Das Pumplicht von der erste LD 210 und der zweiten LD 230 wird mit dem Signallicht im Bereich von 1580 nm durch die ersten beziehungsweise zweiten WSCs 220 und 240 gekoppelt, um die EDF-Einheit 250 dann in einer Vorwärtsrichtung zu betreten. Die dritte LD 260 erzeugt Pumplicht im Bereich von 1480 nm, und der dritte WSC 270 legt das erzeugte Pumplicht an die EDF-Einheit 250 in einer Rückwärtsrichtung an. Das Pumplicht befindet sich im Wellenlängenbereich von 980 nm, wobei es ein geringes Rauschen aufweist, und im Wellenlängenbereich von 1480 nm, wobei es die maximale Leistung aufweist. Wenn das Pumplicht in den Bereichen von 980 nm und 1480 nm einfällt, so wird eine große ASE im Bereich von 1530 bis 1560 nm an den Enden der EDF-Einheit 250 erzeugt, so daß die Verstärkung des Signallichts im Bereich von 1580 nm schlechter wird. Hier kann die Verminderung des Verlustes durch die ASE und eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors der Langwellenverstärkung durch das Verwenden eines langwelligen Pumplichts im Bereich von 1550 nm begleitet werden. Eine Pumplichtquelle für diesen Wellenlängenbereich ist noch nicht entwickelt worden.
  • Die EDF-Einheit 250 verstärkt Signallicht im Bereich von 1580 nm unter Verwendung des jeweiligen Pumplichts. Der zweite Isolator 252 ist zwischen die EDFs 251 und 253 eingefügt, um somit die Rauscheigenschaften zu verbessern.
  • Die Reflektionseinheit 200 reflektiert ASE, die in der EDF-Einheit 250 erzeugt wurde, nach hinten, wobei diese an ihrem Eingabeende einfällt, und gestattet es, daß sie zur EDF-Einheit 250 zurück gegeben wird. Der Zirkulator 202 gibt die zurückgegebene rückwärtige ASE durch einen ersten Anschluß 202-1 an einen zweiten Anschluß 202-2 aus. Ein abstimmbares Filter 203 und ein Dämpfer 204 stellen die Wellenlänge und die Leistung der rückwärtigen ASE ein. Ein 3 dB Koppler 201 gibt das Ausgangssignal des Dämpfers 204 zu einem dritten Anschluß 202-3 des Zirkulators 202. Der Zirkulator 202 gibt die rückwärtige ASE zum ersten Anschluß 202-1 aus und gibt sie dann nochmals in die EDF 250 ein. Der Zirkulator 202 dient auch als ein Isolator.
  • Die ASE, die in die EDFs 251 und 253 vom ersten Anschluß 202-1 des Zirkulators 202 wieder einfällt, unterdrückt die hohe inverse Population der EDFs 251 und 253 durch das Pumplicht, um die Verstärkung eines langwelligen Signallichtes zu unterstützten.
  • 3 zeigt Verstärkungseigenschaften, die von der Populationsinversionsverteilung abhängen. Betrachtet man 3, so wird im Falle einer hohen Populationsinversion der Wellenlängenbereich von 1530 bis 1560 nm stark verstärkt, und im Falle einer niedrigen Populationsinversion ist eine Verstärkung im Wellenlängenbereich von 1580 nm möglich. Somit wird die ASE für den Zweck des Einstellens der Populationsinversion, die durch das Pumplicht verursacht wird, verwendet, so daß sie für eine Verstärkung des langwelligen Signallichtes geeignet ist. Mit anderen Worten, die ASE, die vom Zirkulator 202 wieder einfällt, schwächt die Populationsinversionsverteilung der Erbium-Ionen, die in den EDFs 251 und 253 angeregt werden, um somit die Verstärkung einer kurzen Wellenlänge im Bereich von 1530 bis 1560 nm und den Verlust durch die ASE zu vermindern oder zu eliminieren. Da die ASE nochmals absorbiert wird, während sie durch eine lange EDF hindurchgeht, die schwach durch Pumplicht von beiden Enden der EDF, die eine hohe Populationsinversion aufweist, beeinflußt wird, erhöht die ASE die Signalverstärkung bei langen Wellenlängen ohne einen Verlust mit dem Pumplicht. Die Verstärkung und die Ausgangsleistung unterscheiden sich in Abhängigkeit von den Wellenlängen und der Leistung der zurückgeführten ASE.
  • Der Isolator 280 verhindert, daß die ASE, die in der EDF-Einheit 250 erzeugt wurde, durch ein Ausgangsverbindungsstück oder dergleichen reflektiert wird, und gibt diese an dasselbe zurück.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm eines langwelligen optischen Faserverstärkers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in 4 gezeigte optische Faserverstärker umfaßt eine erste LD 400 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 1480 nm, einen ersten WSC 410 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 1480 nm zum Eingangssignallicht, eine zweite LD 420 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 980 nm, einen zweiten WSC 430 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 980 nm zum Licht, das vom ersten WSC 410 ausgegeben wird, eine EDF-Einheit 440, eine dritte LD 450 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 1480 nm, einen dritten WSC 460 für das Eingeben des Pumplichts im Bereich von 1480 nm in die EDF-Einheit 440 und dem Ermöglichen, daß das Licht, das von der EDF-Einheit 440 ausgegeben wird, durch dieselben hindurchgeht, einen Reflektor 470 und einen Isolator 480.
  • Die EDF-Einheit 440 umfaßt EDFs 441 und 443 und einen zweiten Isolator 442, der zwischen den EDFs 441 und 443 angeordnet ist. Die Längen der EDFs 441 und 443 sind ungefähr 10 bis 20 mal länger als beim EDF, der in einem optischen Faserverstärker verwendet wird, der einen Wellenlängenbereich von 1550 nm aufweist.
  • Der Reflektor 470 ist vorzugsweise ein Gitter kurzer Periode.
  • Der Betrieb des in 4 gezeigten optischen Faserverstärkers ist derselbe wie der des in 2 gezeigten, mit der Ausnahme, daß der Reflektor 470 anders als die Reflektionseinheit 200, die in 2 gezeigt ist, arbeitet. Der Reflektor 470 reflektiert ausgewählt die Wellenlänge der ASE unter der Vorwärts-ASE, die in der EDF-Einheit 440 erzeugt wurde, und gestattet es, daß dieselbe in die EDF-Einheit 440 zurückgegeben wird. Die zurückgegebene ASE verstärkt das langwellige Signallicht.
  • 5 ist ein schematischen Diagramm eines langwelligen optischen Faserverstärkers gemäß einer nochmals anderen Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung. Der in 5 gezeigte optische Faserverstärker umfaßt einen ersten Reflektor 500 für das Ausgeben von Eingangssignallicht und eines vorbestimmten reflektierten Lichts, eine erste LD 510 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 1480 nm, einen ersten WSC 520 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 1480 nm mit Licht, das vom ersten Reflektor 500 ausgegeben wird, eine zweite LD 530 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 980 nm, einen zweiten WSC 540 für das Koppeln des Pumplichts im Bereich von 980 nm mit dem Licht, das vom ersten WSC 520 ausgegeben wird, eine EDF-Einheit 550, eine dritte LD 560 für das Erzeugen von Pumplicht im Bereich von 1480 nm, einen dritten WSC 570 für das Ausgeben des Pumplichts im Bereich von 1480 nm zur EDF-Einheit 550 und dem Ermöglichen, daß das Licht, das von der EDF-Einheit 550 ausgegeben wird, durch dieselbe hindurch gelangen kann, einen zweiten Reflektor 580 und einen Isolator 590.
  • Der erste Reflektor 500 umfaßt einen 3 dB Koppler 501, einen Zirkulator 502, ein abstimmbares Filter 503 und einen Dämpfer 504.
  • Die EDF-Einheit 550 umfaßt EDFs 551 und 553 und einen zweiten Isolator 552, der zwischen die EDFs 551 und 553 eingefügt ist. Die Längen der EDFs 441 und 443 sind ungefähr 10 bis 20 mal länger als beim EDF, der in einem optischen Faserverstärker verwendet wird, der einen Wellenlängenbereich von 1550 nm aufweist.
  • Der zweite Reflektor 580 ist vorzugsweise ein Gitter kurzer Periode und seine Reflektionszustände werden unter Berücksichtigung der Reflektionseigenschaften des ersten Reflektors 500 bestimmt.
  • 6 zeigt die Leistungs- und Rauschfigur eines verstärkten Signals bezüglich einer abgeflachten Verstärkung, wenn Signallicht im Bereich von 1588,6 nm in die in den 2, 4 und 5 gezeigten optischen Faserverstärker einfällt. Die EDF ist eine Germanosilicat-EDF, die Wellenlänge der Vorwärts-ASE, die in den optischen Faserverstärker zurückgegeben wird, beträgt 1553 nm und die Wellenlänge der Rückwärts-ASE beträgt 1548,6 nm.
  • Wenn die Verstärkung auf ungefähr 19 dB eingestellt wird, und die gesamte Eingagssignalleistung ungefähr 1 dBm beträgt, so beeinflußt eine Rückführung der ASE die Verstärkung nicht. Wenn die Verstärkung jedoch auf ungefähr 31 dB eingestellt wird, und die gesamte Eingangssignalleistung ungefähr – 15 dBm beträgt, so erhöht die Rückführung der ASE die Verstärkung um ungefähr 5 dB. Wenn die gesamte Eingangssignalleistung ungefähr – 20 dBm beträgt, so wird der Effekt der Erhöhung der Verstärkung größer. Somit ist die Rückführung der ASE in dem Fall, bei dem die Eingangssignalleistung klein ist, vorteilhafter.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind weniger Laserdioden und optischen Vorrichtung beim Verstärken eines Signallichtes, das eine lange Wellenlänge aufweist, notwendig, indem ein Reflektor für das Reflektieren der ASE bereit gestellt wird. Es wird auch die Verstärkung in dem Fall erhöht, wenn die Leistung eines Eingangssignals klein ist.

Claims (5)

  1. Langwelliger, optischer Faserverstärker, mit einer mit Erbium dotierten, optischen Faser (EDF) zur Verstärkung von Eingangssignallicht, das eine Wellenlänge in dem Bereich von 1580 nm aufweist, unter Verwendung von Pumplicht; einer ersten Laserdiode (210; 400; 510), die stromaufwärts der EDF angeordnet ist, um in Vorwärtsrichtung Pumplicht in dem Wellenlängenbereich von 1480 nm in der gleichen Richtung zuzuführen, in der das Signallicht fortschreitet; einer zweiten Laserdiode (230; 420; 530), die stromaufwärts der EDF angeordnet ist, um Pumplicht in dem Wellenlängenbereich von 980 nm in Vorwärtsrichtung in der gleichen Richtung zuzuführen, in der das Signallicht fortschreitet. einer dritten Laserdiode (260; 450; 560), die stromabwärts der EDF angeordnet ist, um Pumplicht in dem Wellenlängenbereich von 1480 nm in Rückwärtsrichtung in der zu der Richtung entgegengesetzten Richtung zuzuführen, in der das Signallicht fortschreitet, und zumindest einer Reflexionseinheit für eine verstärkte spontane Emission (ASE) stromaufwärts der ersten Laserdiode oder rückwärts von der dritten Laserdiode, um in der EDF erzeugten ASE mit dem langwelligen Eingangssignallicht zu koppeln und dieses erneut der EDF einzugeben.
  2. Langwelliger optischer Faserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EDF des Weiteren einen Isolator (252; 442; 552) in ihrer Mitte umfasst, um Rauschen zu verringern.
  3. Langwelliger, optischer Faserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärts der ersten und zweiten Diode angeordnete ASE-Reflexionseinheit umfasst: einen Zirkulator (202; 502) zur Ausgabe der rückwärtigen ASE, die durch einen ersten Anschluss (202-1) eintritt, an einen zweiten Anschluss (202-2) und zur Ausgabe von Licht, das durch einen dritten Anschluss (202-3) eintritt, an den ersten Ausgang, und zu dessen erneuter Eingabe in die EDF, ein abstimmbares Filter (203; 503) zur Auswahl von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge aus der ASE, die von dem zweiten Anschluss einfällt, und zu dessen Ausgabe, eine Dämpfungseinrichtung (204; 504) zur Einstellung der Leistung der ASE, die von dem abstimmbaren Filter ausgegeben wird, und einen optischen Koppler (201; 501) zur Kopplung des Ausgangs der Dämpfungseinrichtung und des langwelligen Eingangssignallichts und zur Eingabe davon an dem dritten Anschluss (202-3).
  4. Langwelliger, optischer Faserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er jeweils eine Reflexionseinheit für verstärkte, spontane Emission (ASE) stromaufwärts der ersten und zweiten Laserdiode (510, 530) und rückwärts der dritten Laserdiode (560) umfasst.
  5. Langwelliger, optischer Faserverstärker nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ASE-Reflexionseinheit, die rückseitig der dritten Laserdiode (560) angeordnet ist, ein kurzperiodiges Fasergitter umfasst, das die Wellenlänge der ASE selektiv reflektiert.
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