DE69201244T2

DE69201244T2 - Lichtverstärker mit optischer Faser.

Info

Publication number: DE69201244T2
Application number: DE69201244T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Aoki
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-01-28
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2012-01-28
Also published as: EP0497246B1; EP0497246A2; JPH04250429A; JP2734209B2; EP0497246A3; DE69201244D1; CA2060000C; US5218608A

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtverstärker mit Lichtleitfaser und insbesondere einen Lichtverstärker mit einer erbiumdotierten Lichtleitfaser.
In den letzten Jahren sind aktive Forschungsarbeiten über optische Verstärker durchgeführt worden, die das Signallicht ohne photoelektrische Umwandlung verstärken, mit der Absicht, die Größe und die Kosten von Zwischenverstärkern für die optische Nachrichtenübertragung oder für den Verlustausgleich bei der Lichtverzweigung zu reduzieren. Zu den optischen Verstärkungssystemen, über die bisher berichtet wurde, gehört ein System mit Verwendung eines Halbleiter-Lasers und ein weiteres, das eine Lichtleitfaser verwendet, deren Kern mit einem Seltenerd-Element wie z. B. Erbium (Er) dotiert ist. Über optische Verstärker mit Verwendung einer Er-dotierten Lichtleitfaser (Verstärker mit Er-dotierter Lichtleitfaser) werden gegenwärtig wegen ihrer Vorteile, wie z. B. der hohen Verstärkung von 30 dB oder mehr, die sie im 1,55-Mikrometer- Wellenbereich bieten, der den Wellenbereich mit dem niedrigsten Verlust für Lichtleitfasern darstellt, und wegen der geringen Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung viele Forschungs- und Entwicklungsversuche durchgeführt. Weitere Informationen über einen dieser Verstärker mit Er-dotierter Lichtleitfaser findet man in R.I. Laming u.a., "Noise Characteristics of Erbium-Doped Fiber Amplifiers Pumped at 980 nm" (Rauscheigenschaften von Verstärkern mit erbiumdotierten Lichtleitfasern, die bei 980 nm gepumpt werden), in IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Bd. 2, Nr. 6 (Juni 1990), S. 418- 421.
Dieser Verstärker mit Er-dotierter Lichtleitfaser verstärkt ein Signallicht, indem er simultan dazu ein Pumplicht, dessen Wellenlänge gleich der Absorptionswellenlänge von Er- Ionen ist, in eine Lichtleitfaser einfallen läßt. Bekannte Einfallsrichtungen des Pumplichts sind das Vorwärtspumpen, um das Signallicht und das Pumplicht so einzukoppeln, daß sie sich in der Lichtleitfaser in gleicher Richtung ausbreiten, das Rückwärtspumpen, um die beiden Lichtstrahlungen so einzukoppeln, daß sie sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, und das Hybridpumpen, bei dem sowohl das Vorwärtspumpen als auch das Rückwärtspumpen angewendet werden. Zu den normalerweise verwendeten Wellenlängenbereichen des Pumplichts gehören die Wellenbänder von 0,5 Mikrometer, 0,6 Mikrometer, 0,8 Mikrometer, 0,98 Mikrometer und 1,48 Mikrometer, wovon das 0,98-Mikrometer-Band und das 1,48-Mikrometer-Band als die brauchbarsten Bereiche für praktische Zwecke angesehen werden, da in ihnen keine Absorption von angeregten Zuständen aus auftritt (eine Erscheinung, bei der angeregte Elektronen auf ein noch höheres Niveau angeregt werden), und da sie hohe Verstärkungen liefern können.
Ein Verstärker mit Er-dotierter Lichtleitfaser zur Verwendung bei der optischen Kommunikation sollte günstigerweise eine hohe Sättigungs-Ausgangsleistung liefern und verhältnismäßig rauschfrei sein (einen niedrigen Rauschfaktor aufweisen). Beim Pumpen im 1,48-Mikrometer-Band erhält man zwar eine hohe Sättigungs-Ausgangsleistung, jedoch bei hohem Rauschfaktor, während man beim Pumpen im 0,98-Mikrometer-Band eine niedrige Sättigungs-Ausgangsleistung, aber einen hohen Rauschfaktor erhält.
Die Sättigungs-Ausgangsleistung Ps kann durch Gleichung (1) dargestellt werden, wobei Pp die Pumplichtleistung, λs die Wellenlänge des Signallichts und λp die Wellenlänge des Pumplichts bedeutet:
Ps = (λp/λs)Pp
Wenn daher λs gleich 1,55 Mikrometer ist und ein Pumplicht von 1,48 Mikrometer verwendet wird, dann ist das Umwandlungsverhältnis des Pumplichts in das Signal1icht (Ps/Pp) gleich 95 %. Falls ein Pumplicht von 0,98 Mikrometer verwendet wird, ist Ps/Pp gleich 63 %.
Dann läßt sich der Rauschfaktor NF allgemein durch
NF = 2N2/(N2 - N1) (2)
wobei N2 die Anzahl der Elektronen auf dem oberen Niveau und N1 die Elektronenzahl auf dein unteren Niveau ist. Beim Pumpen im 0,98-Mikrometer-Band ist die Energiedifferenz zwischen dem Anregungsniveau und dem oberen Niveau ausreichend groß, und bei einem hochangeregten Zustand ist N1 gleich 0, wodurch sich ein idealer Rauschfaktor NF von 3 dB ergibt. Beim Pumpen im 1,48-Mikrometer-Band, wo das Anregungsniveau und das obere Niveau dicht beieinanderliegen, bleiben jedoch Elektronen auf dem Anregungsniveau und auf den unteren Niveaus, selbst wenn die Puinplichtleistung stark erhöht wird. Infolgedessen existieren Elektronen mit N1 = 0,38 N2, woraus sich ein Rauschfaktor von NF = 5,1 dB ergibt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verstärker mit Er-dotierter Lichtleitfaser zu schaffen, der ein geringeres Rauschen zu läßt und eine größere Sättigungs-Ausgangsleistung liefert als herkömmliche Verstärker dieser Art und der beim Pumpen im 0,98-Mikrometer- und im 1,48-Mikrometer-Band frei von den obenerwähnten Nachteilen ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Zu beachten ist die Tatsache, daß Rauscharmut erzielt werden kann, wenn das Pumpen bei einer Wellenlänge erfolgt, die ausreichend kürzer ist als die Wellenlänge des Signallichts, wie z. B. im 0,98-Mikrometer-Band, und daß sich eine hohe Sättigungs-Ausgangsleistung beim Pumpen in der Nähe der Wellenlänge des Signallichts erzielen läßt, wie z. B. im 1,48- Mikrometer-Band. In einem Bereich, wo die verstärkte Signallichtleistung gering ist, wird das Rauschen durch verstärkte spontane Emission durch Pumpen einer Er-dotierten Lichtleitfaser bei einer Wellenlänge λ1 unterdrückt. Im einem Bereich, wo die Signallichtleistung relativ groß ist, erfolgt das Pumpen bei einer Wellenlänge λ2, um die Sättigungs-Ausgangsleistung zu erhöhen.
Nach der ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Er-dotierte Lichtleitfaser mit einem Pumplicht der Wellenlänge λ1 vorwärts gepumpt und mit einem Pumplicht der Wellenlänge λ2 rückwärts gepumpt.
Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung können zwei oder mehr Er-dotierte Lichtleitfasern in optischer Kaskadenschaltung verwendet werden, und das Pumpen erfolgt zumindest in der Anfangsstufe eines Lichtleitfaser-Verstärkerteils auf der Signaleingangsseite bei der Wellenlänge λ1 und in der Endstufe des Lichtleitfaser-Verstärkerteils bei der Wellenlänge λ2. Wenn hierbei die Verstärkung in jedem optischen Verstärkerteil erhöht wird, kann Rauschlicht, das in einem Verstärker einer nachgeschalteten Stufe entsteht, in einen Verstärker einer vorgeschalteten Stufe eindringen und eine Schwingung oder irgendeine andere Instabilität verursachen, aber diese Störung läßt sich verhüten, indem man zwischen den Er-dotierten Lichtleitfasern einen optischen Isolator einfügt.
Fig. 1 zeigt das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang der Ausgangs-Signallichtleistung mit der Pumplichtleistung im ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Rauschlichtleistung und der Verstärkung im ersten Ausführungsbeispiel darstellt; und
Fig. 4 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Fig. 1 ist die Konfiguration eines Lichtleitfaser- Verstärkers abgebildet, der ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie aus der Abbildung erkennbar, ist eine Lichtleitfaser 1 eine Er-dotierte Einmodenfaser von 7 Mikrometer Kerndurchmesser 20 m Länge und 300 ppm Er-Konzentration; eine erste Pumplichtquelle (PLS) 21 ist ein InGa-As/AlGaAs-Halbleiterlaser mit gedehnter Überstruktur, einer Wellenlänge von 0,98 Mikrometer und einer maximalen Ausgangsleistung von 100 mW; und eine zweite Pumplichtquelle PLS 22 ist ein InGaAsP/InP-Fabry-Pérot-Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 1,48 Mikrometer und einer maximalen Ausgangsleistung von 200 mW. Ein Lichtkoppler-/- teiler 31 ist ein Einmodenfaser-Koppler, der ein Signallicht von 1,55 Mikrometer Wellenlänge mit einem Pumplicht von 0,98 Mikrometer Wellenlänge koppeln und teilen kann, und ein Lichtkoppler-/-teiler 32 ist ein Einmodenfaser-Koppler zum Koppeln und Teilen eines Signallichts von 1,55 Mikrometer Wellenlänge mit einem Pumplicht von 1,48 Mikrometer Wellenlänge. Keiner dieser Lichtleitfaser-Koppler/-Teiler läßt einen Verlust von mehr als 0,5 dB bei einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer zu, und sie werden mit einem Verlust von weniger als 0,1 dB durch Schmelzspleißen mit der Er-dotierten Lichtleitfaser 1 verbunden.
Bei diesem Lichtleitfaser-Verstärker wird das Signallicht, nachdem es durch den Lichtleitfaser-Koppler 31 mit dem von der PLS 21 emittierten Pumplicht von 0,98 Mikrometer Wellenlänge gekoppelt wurde, in die Er-dotierte Lichtleitfaser 1 eingekoppelt. Das in dieser Er-dotierten Lichtleitfaser verstärkte Signallicht wird durch den Lichtleitfaser-Koppler 32 vom Pumplicht entkoppelt und dann ausgegeben. Inzwischen wird das Pumplicht von 1,48 Mikrometer Wellenlänge von der PLS 22 durch den Lichtleitfaser-Koppler 32 in die Er-dotierte Lichtleitfaser 1 in Rückwärts-Pumpkonfiguration eingestrahlt.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das den gemessenen Zusammenhang zwischen der Ausgangs-Signallichtleistung und der bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erhaltenen Pumplichtleistung darstellt. Bei dieser Messung betrug die Eingangs-Signallichtleistung -10 dBm. Das Verhältnis zwischen der 0,98- Mikrometer-Pumplichtleistung und der 1, 48-Mikrometer-Pumplichtleistung wurde konstant bei 1 : 9 gehalten. Für einen Vergleich mit dem Stand der Technik ist auch ein Fall einbezogen, bei dem nur ein 0,98-Mikrometer-Pumplicht verwendet wurde (dargestellt durch die gestrichelte Linie in Fig. 2), sowie ein weiterer Fall, bei dem nur ein 1,48-Mikrometer- Pumplicht verwendet wurde (die strichpunktierte Linie in Fig. 2). Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Umwandlungs-Wirkungsgrad von etwa 70 % erzielt, d. h. etwa der gleiche Ausgangspegel wie im Falle des Pumpens bei 1,48 Mikrometer.
Fig. 3 zeigt den Zusammenhang der Rauschlichtleistung mit der Verstärkung, gemessen unter den gleichen Anregungsbedingungen wie bei Fig. 2. Hierbei beträgt die Eingangs-Signallichtleistung -35 dBm. Auch bei dieser Abbildung werden zum Zweck des Vergleichs mit dem Stand der Technik Fälle einbezogen, in denen nur ein 0,98-Mikrometer-Pumplicht bzw. nur ein 1,48-Mikrometer-Pumplicht verwendet wurde. Der aus diesen Befunden abgeschätzte Rauschfaktor (NF) beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 3,5 dB und ist mit dem Faktor im rauscharmen Fall des Pumpens bei 0,98 Mikrometer vergleichbar.
Fig. 4 zeigt nun einen Lichtleitfaser-Verstärker, der ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, bei dem drei in Kaskade geschaltete Er-dotierte Lichtleitfasern verwendet werden. In der Abbildung sind die Er-dotierten Fasern 11, 12 und 13 von je 10 m Länge vom gleichen Typ wie die im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Fasern. Zu den Pumplichtquellen (PLS) gehören die Quellen 41 und 42, die beide als InGaAs/AlGaAs-Halbleiterlaser mit gedehnter Überstruktur und 0,98 Mikrometer Wellenlänge ausgeführt sind, sowie eine Quelle 43, die als InGaAsP/InP-Fabry-Pérot-Halbleiterlaser von 1,48 Mikrometer Wellenlänge ausgeführt ist. Zu den Lichtkopplern-/-teilern gehören Einmodenfaser-Koppler 51 und 52, die beide zum Koppeln und Teilen bei 1,55 Mikrometer/0,98 Mikrometer dienen, und ein weiterer Einmodenfaser-Koppler zum Koppeln und Teilen bei 1,55 Mikrometer/1,48 Mikrometer. Die optischen Isolatoren 61, 62 und 63 sind polarisationsunabhängige Isolatoren mit einer Einfügungsdämpfung von 1,5 dB.
Bei diesem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Signallicht zunächst durch den Lichtleitfaser-Koppler 51 mit dem von der PLS 41 emittierten 0,98-Mikrometer-Pumplicht gekoppelt und nach dem Durchgang durch den optischen Isolator 61 in die Er-dotierte Lichtleitfaser 11 eingestrahlt. Das in dieser Er-dotierten Lichtleitfaser 11 verstärkte Signallicht wird nach zweimaligem Durchlaufen einer ähnlichen Prozedur weiter verstärkt. Dann wird das schließlich erhaltene verstärkte Signal von dem Pumplicht entkoppelt, um ein Ausgangssignal zu erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Vorwärtspumpen angewendet.
Wenn die Pumplichtleistungen bei 0,98 bzw. 1,48 Mikrometer Wellenlänge 30 mW bzw. 100 mW betrugen, ergab diese Konfiguration eine geringe Signalverstärkung von 65 dB und eine hohe Sättigungs-Signalausgangsleistung (die Signalausgangsleistung, bei welcher die Verstärkung um 3 dB abfällt) von etwa 14 dBm. Der Rauschfaktor (NF) war diesmal gleich 3,2 dB, was bedeutet, daß ein Lichtleitfaser-Verstärker realisiert wurde, der sowohl eine hohe Sättigungs-Ausgangsleistung als auch einen niedrigen Rauschpegel aufweist, der nahe am theoretischen Grenzwert liegt.
Die Wellenlänge der Pumplichtquelle (PLS) auf der kurzwelligeren Seite wurde zwar mit 0,98 Mikrometer angenommen, kann aber ebensogut an eine andere Absorptionswellenlänge von Er-Ionen angepaßt werden, wie z. B. an das 0,5-Mikrometer-, das 0,6-Mikrometer- oder das 0,8-Mikrometer-Band, und es kann eine beliebige andere Laserart verwendet werden. Offensichtlich können die Hochleistungs-Kopplungs/-Teilungseinrichtungen für das Pumplicht ebensogut ein dichroitischer Spiegel oder andere optische Elemente mit den erforderlichen Leistungsmerkmalen sein. Die Er-Konzentration, die Größe und die Anzahl der in Kaskade zu schaltenden Er-dotierten Lichtleitfasern sind ebenfalls nicht auf die in diesen Ausführungsbeispielen verwendeten Fasern beschränkt.
Wie bisher beschrieben, verwendet der erfindungsgemäße Verstärker mit Lichtleitfaser zwei Arten von Pumplichtguellen (PLS) mit zwei verschiedenen Wellenlängen λ1 und λ2 (λ1 < λ2) und pumpt eine dotierte Lichtleitfaser mit dem Pumplicht der kürzeren Wellenlänge (λ1) in einem Bereich, wo die verstärkte Signallichtleistung kleiner ist, und mit dem Pumplicht der längeren Wellenlänge (λ2) in einem Bereich, wo die Signallichtleistung größer ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß ein Verstärker mit Lichtleitfaser bereitgestellt wird, der ein Ausgangssignal mit niedrigem Rauschen und hoher Sättigung aufweist.

Claims

1. Verstärker mit Lichtleitfaser, der aufweist: eine mit Fremdatomen dotierte Lichtleitfaser (1);

eine erste Pumplichterzeugungseinrichtung (21) zum Einspeisen eines ersten Pumplichts mit einer ersten Lichtwellenlänge, die aus den Absorptionswellenlängenbereichen der Lichtleitfaser ausgewählt ist;

eine zweite Pumplichterzeugungseinrichtung (22) zum Einspeisen eines zweiten Pumplichts mit einer zweiten Lichtwellenlänge in den Absorptionswellenlängenbereichen, die länger ist als die erste Wellenlänge;

eine Lichtkopplungseinrichtung (31) zum Koppeln eines Signallichts mit dem ersten Pumplicht und zum Einspeisen des gekoppelten Lichts in das Eingangsende der Lichtleitfaser; und eine Lichtkopplungs-/-teileinrichtung (32), um das zweite Pumplicht in umgekehrter Richtung zum Signallicht vom Signalausgangsanschluß der Lichtleitfaser her einzuspeisen und gleichzeitig das Signallicht aus der Lichtleitfaser zu entnehmen.

2. Verstärker mit Lichtleitfaser, der aufweist: eine erste mit Fremdatomen dotierte Lichtleitfaser (11);

eine zweite mit Fremdatomen dotierte Lichtleitfaser (13);

wobei die erste und die zweite Lichtleitfaser optisch in Kaskade geschaltet sind;

eine erste Pumplichterzeugungseinrichtung (41, 42) zum Einspeisen eines ersten Pumplichts mit einer ersten Lichtwellenlänge, die aus den Absorptionswellenlängenbereichen der ersten und der zweiten Lichtleitfaser ausgewählt ist;

eine zweite Pumplichterzeugungseinrichtung (43) zum Einspeisen eines zweiten Pumplichts mit einer zweiten Lichtwellenlänge in den Absorptionswellenlängenbereichen, die länger ist als die erste Wellenlänge;

eine erste Lichtkopplungseinrichtung (51) zum Koppeln eines Signallichts mit einem ersten Pumplicht und für ihre Einspeisung als erstes gekoppeltes Licht in die erste Lichtleitfaser (11); und

eine zweite Lichtkopplungseinrichtung (53) zum Koppeln des Ausgangssignals der ersten Lichtleitfaser mit dem zweiten Pumplicht und für ihre Einspeisung als zweites gekoppeltes Licht in die zweite Lichtleitfaser (13); und

eine Trenneinrichtung (54), die mit dem Ausgangsende der zweiten Lichtleitfaser verbunden ist, um die Wellenlängenkoinponente des Signallichts aus dem Ausgang der zweiten Lichtleitfaser zu entnehmen.

3. Verstärker mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 2, der ferner aufweist:

eine erste optische Isolatoreinrichtung (61), die zwischen der ersten Kopplungseinrichtung und der ersten Lichtleitfaser vorgesehen ist; und

eine zweite optische Isolatoreinrichtung (63), die zwischen der zweiten Kopplungseinrichtung und der zweiten Lichtleitfaser vorgesehen ist.

4. Verstärker mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Fremdatome Erbium-Atome sind.

5. Verstärker mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 4, wobei die erste Lichtwellenlänge 0,98 Mikrometer und die zweite Lichtwellenlänge 1,48 Mikrometer beträgt.

6. Verstärker mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Dichte des Erbiums 300 ppm beträgt.