DE69202404T2

DE69202404T2 - Faseroptischer Verstärker mit umschaltbarer Verstärkung.

Info

Publication number: DE69202404T2
Application number: DE69202404T
Authority: DE
Inventors: Martin Zirngibl
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-06-19
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-06-12
Also published as: JPH06224505A; JP2555247B2; CA2064424A1; EP0519648A3; DE69202404D1; EP0519648A2; US5128800A; CA2064424C; EP0519648B1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Faserverstärker, insbesondere Faserverstärker, bei denen die Verstärkung wunschgemäß verändert werden kann.

Hintergrund der Erfindung

Die Entwicklung von wirtschaftlichen Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern mit geringen Verlusten in den 70er Jahren eröffnete den Bereich optischer Kommunikation, was einen großen Einfluß auf Informationsverwaltung und -transport hatte. Anfängliche Bemühungen konzentrierten sich auf den Übertragungsbereich. In diesen anfänglichen Bemühungen wurde die optische Faser als ein Übertragungsmedium mit hoher Bandbreite verwendet, das in eine sonst elektronische Matrix zwischengeschaltet wurde. Demgemäß wurden Nachrichten darstellende elektrische Signale für die Übertragung in optische Signale umgewandelt und am Übertragungsende für eine weitere Verarbeitung zurück in elektrische Signale verwandelt. Es wurde jedoch immer festgestellt, daß eine maximale Wirtschaftlichkeit erreicht werden könnte, wenn die Signale auch in optischer Form verarbeitet werden würden, anstatt nur in optischer Form übertragen zu werden. Dementsprechend werden ständig Verfahren zum optischen Verschalten und Verarbeiten entwickelt. Unter den ersten Bereichen, in denen sich die optische Kommunikation verbreitet hat, ist neben der Übertragung der Bereich der optischen Verstärkung.
Bis jetzt erforderte die Verstärkung und die Regeneration eine Umformung des optischen Signals in elektrische Form. In letzter Zeit wurden jedoch im Handel erhältliche optische Verstärker hergestellt, die in erster Linie Erbium-dotierte optische Verstärker verwenden. Derartige Verstärkungsfasern weisen niedriges Rauschen, relativ große, polarisationsunabhängige Bandbreite, reduziertes Übersprechen und geringe Einspeisungsverluste auf und sind relativ billig herzustellen. Die Fasern können mit den jeweiligen Enden an eine Übertragungsfaser gekoppelt und quer durch einen Richtungskoppler mit einer Laserdiodenpumpe gekoppelt werden. Die Verstärkung konnte jedoch unangenehme Schwankungen aufgrund von Sättigungseffekten aufweisen. Neuerdings wurden elektrooptische Rückkopplungskreise dazu verwendet, diese Verstärkungsschwankungen zu reduzieren (E. Desurvire et al, CLE091, Baltimore, Md., April 1991, Paper CThJ3). Darüber hinaus wurden weiter verbesserte Verstärkungsstabilisationsanordnungen genannt, die optische Rückkopplungskreise verwenden (M. Zirngibl, Electronic Letters, Bd. 27, Nr. 7, Seite 560, 28. März 1991). Aufgrund der sehr langen Lebenszeiten der relevanten angeregten Zustände, die bei der Verstärkung mitwirken, erscheint jedoch eine schnelle Verstärkungsschaltung, die beispielsweise beim Paketschalten gebraucht wird, nicht als erreichbar. Um trotzdem einen Verkehrsfluß zu steuern, sind auch langsame Verstärkungsschalteranordnungen von wirtschaftlichem Interesse.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung nach Anspruch 1 ist ein rein optischer verstärkungsschaltbarer optischer Faserverstärker, der entfernt verstärkungsgeschaltet werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Rückkopplungskreis zwischen den Ausgangsport und den Eingangsport eines optischen Faserverstärkers geschaltet.
Ein nichtlineares verlustbehaftetes Material wird in dem Rückkopplungskreis angeordnet. In dieser Anordnung hat das Verstärkungs/Rückkopplungskreis-System eine endliche Anzahl von mehr als 1 von stabilen Verstärkungsbetriebszuständen. Das System kann von einem Zustand zu dem anderen geschaltet werden, indem in den Verstärker optische Energie mit geeigneter Wellenlänge und Leistung eingebracht wird. In einer speziellen Ausführungsform kann der optische Faserverstärker und/oder das nichtlineare Medium eine Erbium-dotierte optische Faser aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Faserverstärkers nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Verstärkungssättigungskurve des optischen Faserverstärkers von Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines verstärkungsstabilisierten optischen Faserverstärkers;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Verstärkungssättigungskurve des verstärkungsstabilisierten optischen Faserverstärkers von Fig. 3;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen verstärkungsschaltbaren optischen Faserverstärkers;
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Verstärkungssättigungskurve des erfindungsgemäßen verstärkungsschaltbaren optischen Faserverstärkers von Fig. 5;
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 stellt Ausgangsspektren der Ausführungsform von Fig. 7 dar, die den zwei Zuständen des bistabilen Systems entsprechen; und
Fig. 9 ist ein Graph der Signale, die in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingespeist werden, und der zeitlichen Entwicklung der spontanen Emission des Verstärkers (ASE).

Ausführliche Beschreibung

Die Erfindung umfaßt einen faseroptischen Verstärker mit einem Rückkopplungskreis, der zwischen den Eingangsport des Verstärkers und den Ausgangsport des Verstärkers geschaltet ist. Ein nichtlineares verlustbehaftetes Medium in dem Rückkopplungskreis ergibt eine endliche Anzahl, größer als 1, von stabilen Betriebszuständen des optischen Faserverstärker/Rückkopplungskreis-Systems. (Zum Zweck dieses Patents wurde der Ausdruck nichtlineares Medium dazu verwendet, um ein Material zu bezeichnen, dessen Übertragungseigenschaften sich nichtlinear mit der optischen Energie in dem Medium ändern.)
Die der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegenden Prinzipien werden besser verstanden, indem zunächst sowohl der faseroptische Verstärker als auch der verstärkungsstabilisierte faseroptische Verstärker betrachtet werden. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Faserverstärkers 10. Derartige Verstärker sind dem Fachmann wohlbekannt und weisen beispielsweise eine Erbium-dotierte optische Faser auf Siliziumbasis (silica-based) auf, die als Verstärkungsmedium wirkt. Wenn das Erbium-dotierte Verstärkungsmedium geeignet gepumpt wird, wie beispielsweise beim optischen Pumpen, wird die Besetzung der Zustände invertiert. Unter diesen Bedingungen wird eine optische Signalenergie geeigneter Wellenlänge verstärkt und tritt über die beispielhafte Faser 12 aus, wenn sie über die beispielhafte Faser 11 in den Verstärker eingespeist wird. Die Verstärkung des Verstärkers ist jedoch bei der Einspeisung optischer Signalleistung nicht konstant. Vielmehr gelangt das Verstärkungsmedium in Sättigung, und die Verstärkung nimmt ab, wenn die Eingangsleistung zunimmt. Dies ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Natürlich ist diese Veränderung der Verstärkung nicht erwünscht.
In letzter Zeit wurde eine rein optische Technik offenbart, um die Verstärkungseigenschaften von faseroptischen Verstärkern zu stabilisieren (M. Zirngibl, Electronic Letters, Bd. 27, Nr. 7, Seite 560, 28. März 1991). Die Technik ist schematisch in Fig. 3 dargestellt und umfaßt die Verwendung eines optischen Rückkopplungskreises 21 zwischen dem Eingangsport 22 und dem Ausgangsport 23 des optischen Faserverstärkers 24. Ein bei relevanten Wellenlängen verlusterzeugendes Material 25 ist in den Rückkopplungskreis eingefügt. Ein Teil der Ausgangsleistung bei speziellen Wellenlängen wird durch den Rückkopplungskreis geleitet. In Fig. 4 sind die Verstärkungssättigungskurve des Verstärkers und die Verlusteigenschaften des Mediums 25 schematisch wiedergegeben. Wenn der Verlust des Mediums 25 größer als die Verstärkung des Verstärkers wird, d. h. G < L, kann der Verstärker den Verlust nicht kompensieren und die Leistung in dem Rückkopplungskreis nimmt ab. Demgemäß steigt, wie auch durch den nach oben zeigenden Pfeil in Fig. 4 gezeigt, die Verstärkung an, wenn die Leistung in dem Rückkopplungskreis abnimmt. Wenn andererseits der mit dem Medium 25 verbundene Verlust geringer als die Verstärkung ist, d. h. G > L, dann überkompensiert der Verstärker den Verlust in dem Rückkopplungskreis und die Leistung in dem Rückkopplungskreis steigt an. Wie durch den nach unten zeigenden Pfeil in Fig. 4 gezeigt ist, führt dieser Anstieg zu einem Abnehmen der Verstärkung.
Diese heuristische Analyse zeigt, daß die Verstärkung zunimmt, wenn G < L und die Verstärkung abnimmt, wenn G > L. Demzufolge ergibt sich der einzige stabile Arbeitspunkt, wenn G gleich L ist. Daher ergibt die Vorrichtung von Fig. 3 einen verstärkungsstabilisierten optischen Faserverstärker.
Der erfindungsgemäße verstärkungsschaltbare optische Faserverstärker ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. In dieser Fig. ist 50 ein Faserverstärker, 51 ein beispielhafter Fasereingangsport, 52 ein beispielhafter Faserausgangsport, 53 ein Rückkopplungskreis und 54 ein verlustbehaftetes nichtlineares Medium. (während der Rückkopplungskreis in dieser Anwendung einer optischen Faser gleichgesetzt ist, wird klar sein, daß in einzelnen Ausführungsformen der Rückkopplungskreis irgend eine geeignete Struktur sein kann, die zumindest einen Teil des Ausgangs zu dem Eingang zurückführt. Dementsprechend sind geeignete Reflektoren, die beispielsweise eine lineare Kavität bilden, ebenfalls von dem Ausdruck Rückkopplungskreis umfaßt, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird. Fachleuten ist es natürlich klar, daß der Faserrückkopplungskreis das bildet, was von vielen vielfach "Ringkavität" genannt wird). Das nichtlineare Medium weist eine homogene bzw. gleichmäßige Breite auf. (Für den Zweck dieser Anmeldung wird sogar ein nur teilweise homogen breites Medium als homogen breit bezeichnet.)
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der optischen Eigenschaften des optischen Faserverstärkers 50 und des nichtlinearen Mediums 54. In Fig. 6 ist 62 die Verstärkungssättigungskurve des optischen Faserverstärkers 50, und 61 stellt die Eigenschaften des nichtlinearen Verlustmediums 54 dar. Wie in Fig. 4, neigt die Verstärkung dazu, in Bereichen, in denen G < L ist, anzusteigen, wohingegen die Verstärkung in Bereichen, in denen G > L ist, dazu neigt abzufallen. Dementsprechend gibt es infolge der in Verbindung mit Fig. 4 genannten Analyse nur zwei stabile Arbeitspunkte in Fig. 6. Diese Arbeitspunkte sind durch 63 und 64 dargestellt.
Anfangs arbeitet die Anordnung von Fig. 5 am Punkt 63. Wenn die Eingangsleistung bei der Rückkopplungswellenlänge erhöht wird, wandert das System zum Arbeitspunkt 64. (Es sollte beachtet werden, daß die Eingangsleistung nur so groß sein muß, um das System zum Punkt 65 zu bringen, da an diesem Punkt die Instabilitätseigenschaften des Systems es automatisch zum Punkt 64 bringen. Die zusätzlich nötige Leistung, um von Punkt 65 zu Punkt 64 zu kommen, wird als Ergebnis der Verstärkungseigenschaften des Verstärkers 50 erhalten.)
Ist das System einmal bei Punkt 64 angelangt, kann die Verstärkung auf Punkt 63 zurückgeschaltet werden, indem ein Signal angelegt wird, dessen Wellenlänge sich von der Wellenlänge der für den Rückkopplungskreis gewählten Wellenlänge unterscheidet, welches den Verstärker ausreichend sättigt, um die Verstärkungskurve von Kurve 62 auf beispielsweise Kurve 66 abzuändern. Wenn die Verstärkungskurve der Kurve 66 anstatt der Kurve 62 entspricht, ist es klar, daß während die Verlustkurve immer noch durch 61 dargestellt wird, immer G < L ist. Wenn die Verstärkung immer kleiner als der Verlust ist, muß die Leistung in den Rückkopplungskreis 0 sein, und der einzige stabile Arbeitspunkt ist Punkt 67. Wenn das System einmal zu Punkt 67 geht, wird die Sättigungsleistung weggenommen und das System wird in Punkt 63 arbeiten und wird von Punkt 64 über Punkt 67 auf Punkt 63 geschaltet worden sein.
Es sollte klar sein, daß die Diskussion der Erfindung bis zu diesem Punkt sehr allgemein war. In der Praxis kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzliche Elemente enthalten, die zum Gebrauch der Erfindung nicht unbedingt nötig sind, die aber in Abhängigkeit von der einzelnen Ausführungsform, die verwendet wird, nützlich sein können. So können beispielsweise verschiedene Isolatoren und Interferenzfilter in dem Rückkopplungskreis verwendet werden, um die in diesem Abschnitt der Vorrichtung übertragenen Wellenlängen zu bestimmen. Zusätzlich kann der Verstärker und/oder das verlustbehaftete Medium Erbium-dotierte optische Fasern auf Siliziumbasis aufweisen. Ein Koppeln zwischen dem Rückkopplungskreis und den Eingangs- und/oder Ausgangsports kann durch wohlbekannte selektive Wellenlängenkoppler erreicht werden. Ebenso kann die für den Betrieb des Verstärkers notwendige Pumpstrahlung in den Verstärker mittels eines geeigneten wellenlängenselektiven Kopplers eingespeist werden. Die zum Schalten des Systems von einem stabilen Verstärkungsarbeitspunkt zu einem anderen nötige Pumpstrahlung kann zusammen mit dem Signal, das verstärkt wird, in den Verstärker eingespeist werden. Natürlich wird der Verstärker selbst geeigneterweise an andere Elemente eines beispielhaften Übertragungssystems über geeignete optische Fasern und Verbinder angeschlossen werden.
Eine spezielle Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt. Der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) 78 enthält 19,5 m einer Al&sub2;O&sub3;:GeO&sub2;:SiO&sub2;-Faser mit einer Kleinsignalspitzenverstärkung von 34 dB. Pumpstrahlung wird mittels eines wellenlängenselektiven Kopplers 71 bei 1,48 um in den Verstärker eingespeist. Das Ausgangssignal des EDFA wird zuerst isoliert und dann von einem wellenlängenunabhängigen 3 dB-Koppler (WIC) 72 in einen Ausgangszweig und einen Rückkopplungszweig aufgeteilt. In dem Rückkopplungskreis ist ein auf 1560 nm mit einer 3 dB Bandbreite von 1,2 nm abgestimmtes Interferenzfilter 73 in einen Strahlexpander eingebracht. Der sättigungsfähige Absorber enthält 4 m eines zweiten Stücks mit Al&sub2;O&sub3;:GeO&sub2;:SiO&sub2; Erbium-dotierter Faser 74, deren Kleinsignal-Absorptionskoeffizient bei 1560 nm als 5 dB/m gemessen wurde. Ein Isolator 75 verhindert das Eintreten der spontanen Verstärkerrückwärtsemission (ASE) in den Rückkopplungskreis. Zwei Signalkanäle 76 werden mit dem nichtlinearen Rückkopplungskreis (NFL)-Signal in einem wellenlängenunabhängigen Koppler 77 gemultiplext und durch den wellenlängenselektiven Koppler (WSC) 71 in den EDFA 78 eingespeist. Die Quellen der Signalkanäle sind ein Faserlaser (FL) mit schmaler Bandbreite, der exakt auf die Rückkopplungswellenlänge von 1560 nm abgestimmt ist, und eine Fabry-Perot-Laserdiode (FP), deren Frequenzspektrum um 1535 nm zentriert ist. Um die dynamischen Eigenschaften dieser Schaltanordnung zu untersuchen, werden die zwei Signale gleichzeitig in einem Strahlexpander gechopped bzw. zerhackt. Das EDFA- Ausgangssignal wird von einem optischen Spektrumanalysator 79 überwacht. Ein zweiter Ausgangszweig wird in einem Strahlexpander 80 gefiltert und von einem Ge-Fotodetektor 81 erfaßt. Ge- Fotodetektoren werden auch für die Überwachung der Signalleistung bei Psig 82 und dem EDFA-Eingang bei Pin 83 verwendet.
Die Ausgangsspektren, die den zwei stabilen Zuständen des bistabilen Systems von der EDFA-NFL- Anordnung entsprechen, sind in Fig. 8 dargestellt. Wenn die Pumpe anfangs eingeschaltet ist, startet das System den Laservorgang nicht selbständig, und das Ausgangsspektrum für diesen Fall ist durch die obere Kurve 90 in Fig. 8 gegeben. Das System wird durch Einbringen von -24 dBm cw-Leistung (bei Pin gemessen) bei 1560 nm von dem Faserlaser in den Laserbetrieb geschaltet und verbleibt im Laserbetrieb, nachdem dieses Signal weggenommen wird. Das Ausgangsspektrum für diesen Fall wird von der unteren Kurve 92 in Fig. 8 gezeigt. Der Laservorgang sättigt die ASE mit ungefähr 22 dB bei der Spitzenemissionswellenlänge von 1530 nm. Die Leistung in dem Rückkopplungskreis (bei Pin gemessen) betrug -8 dBm. Das Zurückschalten zu dem Zustand ohne Laservorgang wird erreicht, indem -8,5 dBm (bei Pin gemessen) von der 1535 nm Laserdiode eingegeben werden. Der ASE-Unterschied zwischen den zwei Zuständen kann aufgrund der verteilten Erzeugung von spontaner Emission über die ganze Faserlänge hinweg mit dem Kleinsignalverstärkungsunterschied nicht exakt identifiziert werden. Deshalb wurde diesseits der Kleinsignalverstärkungsunterschied bei 1530 nm untersucht, indem der FL nach dem Anschalten des Ringlaservorgangs auf diese Wellenlänge abgestimmt wurde. Ein Netto-Kleinsignalverstärkungsunterschied von 26 dB zwischen den zwei bistabilen Zuständen wurde gefunden.
Die dynamischen Eigenschaften dieses Schaltens wurden durch alternatives Einbringen des Schaltsignals mittels eines Choppers überprüft. Das Ausgangs-IF wurde auf 1530 nm abgestimmt, so daß die ASE-Spitzenleistung in einer 1,2 nm-Bandbreite von dem Ge-Fotodetektor überwacht wurde. Der obere Graph in Fig. 9 zeigt die zwei bei Psig erfaßten alternierenden Eingangssignale und der untere Graph den zeitlichen Verlauf der ASE. Wie erwartet, betragen die Schaltzeiten aufgrund der langen 4I13/2&supmin;- Lebensdauer des Er³&spplus; 10-50 ms.
Wie obenstehend dargelegt und auch aus Fig. 7 ersichtlich ist, wird viel mehr Signalleistung benötigt, um den Laservorgang auszuschalten, als ihn einzuschalten. Dies wird durch die Tatsache erklärt, daß das Ausschaltsteuersignal die bereits stark gesättigte Verstärkung durch einen zusätzlichen ausreichend großen Betrag herabsetzen muß, um die Verstärkung bei der Rückkopplungswellenlänge unter den minimalen Verlust in dem NFL zu drücken. Deshalb muß die Leistung des Ausschaltsignals in derselben Größenordnung wie die Ringlaserleistung sein. In speziellen Ausführungsformen, in denen es nicht ratsam ist, mit großen Steuersignalleistungsniveaus umzugehen, kann dieses Detail durch selektives Verstärken des Ausschaltsteuersignals in einem zweiten EDFA gehandhabt werden.
Der Schaltbereich in der dargestellten Anordnung ist durch lineare Verluste in dem Rückkopplungskreis wie dem WIC begrenzt. In einer optimierten Version kann das Multiplexen zwischen Signaleingangs- und -ausgangskanal und Rückkopplungskanal mit "verlustfreien" WSCs erreicht werden. In einem derartigen Fall könnte ein Verstärkungsschalten zwischen Transparenz (1 dB) und ungesättigter Kleinsignalverstärkung theoretisch erreicht werden, indem in dem Rückkopplungskreis eine Er-dotierte Faser verwendet wird, deren Kleinsignalverlust exakt die Kleinsignalverstärkung in dem EDFA bei der Rückkopplungswellenlänge kompensiert.

Claims

1. Verstärkungs-schaltbarer optischer Faserverstärker, umfassend einen optischen Faserverstärker mit einem optischen Eingangsport und einem optischen Ausgangsport und umfassend eine mit seltenen Erden dotierte optische Faser (78),

einen optischen Rückkopplungskreis (73, 74, 75, 77), der zwischen den Ausgangsport und den Eingangsport des optischen Faserverstärkers gekoppelt ist, wobei der optische Rückkopplungskreis ein verlustbehaftetes Medium (4) aufweist, welches den optischen Faserverstärker veranlassen kann, wenigstens einen ersten stabilen Betriebszustand und einen zweiten stabilen Betriebszustand einzunehmen, und

eine wellenlängenselektive Einrichtung (3), die in dem Rückkopplungskreis angeordnet ist, um die durch das nichtlineare Medium übertragenen Wellenlängen auf eine Untergruppe des verstärkungsspektrums des optischen Faserverstärkers zu beschränken, wobei die wellenlängenselektive Einrichtung ein Faserinterferenzfilter aufweist, welches an der einen Seite des nichtlinearen Mediums angeordnet ist, einen optischen Faserisolator (5), der an der anderen Seite des nichtlinearen Mediums angeordnet ist und

eine Einrichtung (FL, FP), die an den optischen Faserverstärker gekoppelt ist, um den optischen Faserverstärker von dem ersten stabilen Betriebszustand zu dem zweiten stabilen Betriebszustand durch Injizieren von optischer Energie geeigneter Wellenlänge und Leistung in den verstärker selektiv zu schalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Rückkopplungskreis eine optische Faser umfaßt, die mit dem verstärker eine Ringkavität bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der optische Faserverstärker eine Erbium-dotierte Faser umfaßt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend eine wellenlängenselektive Kopplung (71) zum Übertragen von Pumpenergie in den Erbium-dotierten Faserverstärker.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die wellenlängenselektive Einrichtung einen ersten wellenlängenselektiven Koppler umfaßt, der zwischen den Ausgangsport des optischen verstärkers und dem nichtlinearen Medium gekoppelt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher das nicht lineare Medium eine Erbium-dotierte optische Faser ist.