DE69221542T2

DE69221542T2 - Optischer Verstärker

Info

Publication number: DE69221542T2
Application number: DE69221542T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Aida; Hiroji Masuda; Kiyoshi Nakagawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: EP0517503A2; DE69221542D1; EP0517503A3; JP2648643B2; US5245690A; EP0517503B1; JPH04356984A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Verstärker für die Verwendung in einem optischen Übertragungssystem oder in einem optischen Signalverarbeitungssystem.
Laserdioden und optische Fasern, dotiert mit einem Element der seltenen Erden, wurden beide als optische Verstärker verwendet. Alle bekannten optischen Verstärker umfassen Einrichtungen fir das Reduzieren der Verstärkung proportional zu zunehmender optischer Leistung und unterliegen Linearitätsproblemen, wenn Versuche gemacht werden, den Betriebssignalpegel anzuheben. Die Verwendung eines Rückkopplungssystems ist als ein Mittel vorgeschlagen worden, diese Probleme zu überwinden. Bei der Verwendung des vorgeschlagenen Rückkopplungssystems in einem optischen Verstärker steuert das Rückkopplungssystem die Zufuhrenergie zu dem Verstärker, in Übereinstimmung mit den Eingangs- und Ausgangssignalpegeln und hält eine konstante Verstärkung aufrecht. Die Zufuhrenergie ist ein Treiberstrom im Falle eines Laserdiodenverstärkers und ist eine Lichtquelle im Falle einer dotierten optischen Faser.
Konventionelle optische Verstärker leiden an einer Abnahme ihres Ausgangspegels und einer Herabsetzung des Signal-Rausch-Verhältnisses, wenn ein Rückkopplungssystem eingesetzt wird aus Gründen, welche die folgenden umfassen:
(1) ein Teil des Signallichts geht in den Kopplern verloren, die in den Eingangs- und Ausgangsabschnitten vorgesehen sind,
(2) die Anzahl von Verbindungen mit den Kopplern nimmt zu, und
(3) exzessiver Verlust wird in den Kopplern hervorgerufen.
Darüber hinaus werden das optische System und die Schaltung für das Steuersystem kompliziert. Sie weisen auch Defizite insofern auf, daß, wenn das Eingangslicht mit dem Ausgangslicht verglichen wird, es nicht das System steuern kann, wenn es kein optisches Signal gibt. Genauer gesagt, gibt es, da die optischen Eingangssignale Information übertragen, unvermeidlich Zeiten, in denen die Signale bei den Intensitätsmodulationssystemen Null werden, und die Zeitkonstante des Regelsystems muß sorgfältig bestimmt werden unter angemessener Berücksichtigung statistischer Charakteristiken der optischen Eingangssignale. Darüber hinaus nimmt, wenn das Ausgangslicht Spontanemission, die verstärkt worden ist, enthält, der Regelfehler unvermeidlich bei dem Verstärker mit hohen Verstärkungsfaktoren zu.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Probleme, die man im Stand der Technik antrifft, zu lösen, und einen einfach strukturierten optischen Verstärker zu schaffen, der Verstärkungsfaktoren, ohne Notwendigkeit Eingangs- oder Ausgangslicht zu erfassen, konstant halten kann.
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 395 277 offenbart einen optischen Verstärker mit automatischer Verstärkungsfaktorregelung einschließlich eines Eingangs für den Empfang eines optischen Signals für die Verstärkung, Mitteln für das Erzielen der Verstärkung des optischen Signals, Mitteln für das Extrahieren eines Anteils des verstärkten Signals und einem Ausgang, der den Rest des verstärkten optischen Signals bereitstellt, wobei Rückkopplungsschleifenmittel den extrahierten Anteil des verstärkten Signals verwenden, um das optische Ausgangssignal auf einem konstanten Pegel zu halten, und wobei der extrahierte Anteil Spontanemission bei einer kontrollierten Wellenlänge oder Wellenlängenbändem umfaßt, die ungleich sind der Wellenlänge oder der Wellenlängenbänder des verstärkten optischen Ausgangssignals.
Die Erfindung schafft einen optischen Verstärker, umfassend eine mit seltener Erde dotierte optische Faser, eine Pumplichtquelle für das Pumpen von Licht in die optische Faser zum Anregen des Dotierungsmittels aus seltener Erde, welches im Betrieb ein auf die optische Faser auftreffendes optisches Signal verstärkt, bei welchem der optische Verstärker ein Erfassungsmittel für das Erfassen spontaner Emission von den Seiten der optischen Faser sowie ein Rückkopplungsmittel umfaßt, um die Pumplichtquelle derart zu steuern, daß im Betrieb der erfaßte Pegel der Spontanemission im wesentlichen konstant gehalten wird.
In einer Ausführungsform umfaßt das Erfassungsmittel einen Photodetektor, und der Photodetektor ist innerhalb einer integrierenden Kugel plaziert, welche die optische Faser umschließt.
In einer anderen Ausführungsform bildet die optische Faser eine Helix, und das Erfassungsmittel umfaßt einen Photodetektor, der auf einer Seite der Helix positioniert ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die optische Faser eine Serie von Schleifen, welche eine gekrümmte Struktur mit konvexen und konkaven Seiten bildet und bei der das Erfassungsmittel einen Photodetektor umfaßt, der positioniert ist, um Licht von der konkaven Seite der gekrümmten Struktur zu empfangen.
In einer Anordnung umfaßt das Erfassungsmittel eine Mehrzahl von Photodetektoren, die längs der optischen Faser positioniert sind, wobei das Rückkopplungsmittel ein Verarbeitungsmittel für die Verarbeitung der erfaßten Werte umfaßt, erhalten von der Mehrzahl von Photodetektoren und für das Regeln der Pumplichtquelle gemäß den verarbeiteten Werten.
Vorzugsweise umfaßt der optische Verstärker ein optisches Bandpaßfilter, und das Erfassungsmittel umfaßt einen Photodetektor, und das optische Bandpaßfilter ist zwischen dem Photodetektor und der optischen Faser für die Selektion von Licht nahe der Signallichtwellenlänge für Übertragung zu dem Photodetektor positioniert.
Der optische Verstärker kann einen Spiegel umfassen, der so positioniert ist, daß die optische Faser zwischen dem Spiegel und dem Erfassungsmittel liegt.
Der optische Verstärker kann ein optisches System umfassen, das zwischen dem Erfassungsmittel und der optischen Faser positioniert ist und in der Lage ist, Variationen in der Empfindlichkeit des Erfassungsmittels entsprechend dem Winkel, unter welchem Licht auf das Erfassungsmittel auftrifft, zu kompensieren.
Der optische Verstärker kann ein zweites Erfassungsmittel für das Erfassen der optischen Ausgangsleistung von der optischen Faser bei der Signalwellenlänge umfassen, ein Integriermittel für das Integrieren der erfaßten optischen Leistung über eine Periode, die länger ist als eine Zeitkonstante TS basierend auf den statistischen Charakteristiken des Signals, und ein Steuerungsmittel für die entsprechende Steuerung eines Referenz-Verstärkungsfaktors der dotierten optischen Faser in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert von dem integrierenden Mittel, um so zu bewirken, daß die mittlere optische Ausgangsleistung von der optischen Faser im wesentlichen konstant bleibt.
Eine Anordnung des optischen Verstärkers umfaßt ein erstes Berechnungsmittel für den Empfang von Information von dem Rückkopplungsmittel bezüglich der Leistung, die mittels der Pumplichtquelle zugeführt wird und das Berechnen der optischen Ausgangsleistung von der optischen Faser entsprechend der Beziehung zwischen einer vorherigen Lichtpumpenleistung und dem entsprechenden Verstärkungsfaktor der optischen Faser, ein zweites Berechnungsmittel für das Integrieren des berechneten Wertes der optischen Ausgangsleistung über eine Periode, die länger ist als eine Zeitkonstante TS, basierend auf den statistischen Charakteristiken der Signale, um einen mittleren Wert der optischen Ausgangsleistung zu erhalten, und ein Steuermittel für entsprechende Steuerung des Rückkopplungsmittels derart, daß der mittlere Wert der optischen Ausgangsleistung gleich einem gewählten Referenzwert gemacht wird.
Eine andere Anordnung des optischen Verstärkers umfaßt eine Steuereinheit, angeschlossen zum Steuern der Pumplichtquelle, welche Steuereinheit einen Eingang für den Empfang des Ausgangs von dem Erfassungsmittel, Eingänge für den Empfang von gesetzten Werten für Verstärkungsfaktor und Wellenlänge für die optische Faser und einen Ausgang für das Bereitstellen eines Alarmsignals umfaßt, wenn die Steuereinheit die Pumplichtquelle so steuert, daß Ausgangsleistung auf einem Pegel angefordert wird, der eine Betriebsgrenze übersteigt, welche durch die gesetzten Werte für Verstärkungsfaktor und Wellenlänge bestimmt ist.
Vorzugsweise umfaßt der optische Verstärker einen Temperatursensor, positioniert zum Erfassen der Temperatur der optischen Faser, welcher Temperatursensor an ein Kompensationsmittel angeschlossen ist, um die von der Pumplichtquelle übertragene Leistung so zu variieren, daß temperaturabhängige Änderungen in den Spontanemissionen von der optischen Faser kompensiert werden.
Eine Anordnung des optischen Verstärkers umfaßt eine zusätzliche Pumplichtquelle für das Pumpen von Licht in die optische Faser, verbunden mit einem zusätzlichen Erfassungsmittel für das Erfassen spontaner Emissionen von den Seiten der optischen Faser, und ein zusätzliches Rückkopplungsmittel für die Regelung der Ausgangsleistung von der zusätzlichen Pumplichtquelle, wobei die Verstärkungsfaktoren des Rückkopplungsmittels vorgegeben sind, um sich voneinander zu unterscheiden.
Vorzugsweise umfaßt der optische Verstärker eine Überwachungs- und Steuereinheit für das Überwachen des Betriebs jedes Rückkopplungsmittels, Setzen des Verstärkungsfaktors jedes Rückkopplungsmittels und Ausschalten irgendwelcher fehlerhafter Rückkopplungsmittel.
Vorzugsweise umfassen die Rückkopplungsmittel Treiberschaltungen für das Versetzen von Differenzen in Charakteristiken zwischen den Pumplichtquellen.
Vorzugsweise ist jede Pumplichtquelle ein integraler Teil eines Pumpenmoduls, der eine Treiberschaltung für die Pumplichtquelle enthält.
Vorzugsweise sind die Pumpenmodule in der Lage, ein- und ausgeschaltet zu werden, und Mittel sind vorgesehen für das Ein- und Ausschalten der Pumpenmodule, wobei der optische Verstärker elektrische Tiefpaßfilter für die Rückkopplungsmittel umfaßt, welche die entsprechenden Pumpenmodule steuern, und ein Komparatormittel für das Einfügen des elektrischen Tiefpaßfilters in das entsprechende Rückkopplungsmittel für eine vorbestimmte Periode, die beginnt, wenn die entsprechenden Pumpenmodule eingeschaltet werden, wobei die elektrischen Tiefpaßfilter engere Durchlaßbänder aufweisen als die jeweiligen Rückkopplungsmittel.
Der optische Verstärker kann in Kaskade mit einem ähnlichen Verstärker verbunden sein, wobei der Verstärkungsfaktor des ersten Verstärkers in der Kaskade größer ist als jener des zweiten Verstärkers in der Kaskade.
Der optische Verstärker kann mit einer Mehrzahl ähnlicher Verstärker in Kaskade verbunden sein, wobei eine Mehrfachsteuerung mit Monitor- und Steuereinheit für die Veränderung der Verstärkungsfaktorverteilung unter den Verstärkern derart vorgesehen ist, daß ein konstanter Verstärkungsfaktor für die Kaskade von Verstärkern gehalten wird.
Optische Verstärkeranordnungen gemäß der Erfindung werden nun nur beispielshalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
Fig. 1 bis 11 den Aufbau verschiedener unterschiedlicher Formen von optischen Verstärkern gemäß der Erfindung,
Fig. 12 eine Rückkopplungsanordnung ähnlich der in Fig. 1 verwendeten mit einem Laserdiodenverstärker, der nicht der Erfindung entspricht,
Fig. 13 bis 18 weitere Formen des optischen Verstärkers gemäß der Erfindung,
Fig. 19 eine graphische Wiedergabe des Verhältnisses zwischen dem Ausgangssignalpegel und der optischen Pumpleistung für die Bildung des optischen Verstärkers nach Fig. 1 bis 11 und 13 bis 18,
Fig. 20 einen experimentellen Aufbau für die Abschätzung des Verhaltes eines optischen Verstärkers gemäß der Erfindung,
Fig. 21 eine vergrößerte Seitenansicht der wesentlichen Teile des experimentellen Aufbaus, gezeigt in Fig. 20,
Fig. 22 eine graphische Wiedergabe des Verhältnisses zwischen dem Verstärkungsfaktor und dem integrierten Wert der Spontanemission für Formen des optischen Verstärkers gemäß Fig. 1 bis 11 und 13 bis 18,
Fig. 23 eine graphische Wiedergabe des Verhältnisses zwischen dem integrierten Wert der Spontanemission und dem Eingangssignalpegel zusammen mit dem Verhältnis zwischen der optischen Pumpleistung und dem Eingangssignalpegel für Formen des optischen Verstärkers, wie in Fig. 1 bis 11 und 13 bis 18 gezeigt,
Fig. 24 eine graphische Wiedergabe des Verhältnisses zwischen dem Verstärkungsfaktor und dem Eingangssignalpegel für Formen des optischen Verstärkers nach Fig. 1 bis 11 und 13 bis 18 und
Fig. 25 und 26 weitere Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform des optischen Verstärkers gemäß dieser Erfindung, wobei mit Bezugszeichen 1 ein WDM (wellenlängen-divisionsmultiplexender) Koppler, 2 und 3 Isolatoren, 4 mit seltener Erde dotierte optische Fasern, 5 einen Photodetektor, 6 eine integrierende Kugel, 7 eine Treiberschaltung und 8 eine Pumplichtquelle bezeichnen. Die mit seltener Erde dotierte optische Faser 4, die mit Atomen (oder Ionen) seltener Erde, wie Erbium, dotiert ist, ist innerhalb einer bekannten integrierenden Kugel 6 vorgesehen zusammen mit einem Photodetektor 5. Ein Ende der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 ist mit einem WDM-Koppler 1 und einem Isolator 2 für auftreffendes Licht Pi eines Eingangs wie auch mit der Quelle 8 für Pumplicht Pe verbunden, während das andere Ende derselben mit einem Isolator 3 verbunden ist, um Ausgangslicht Po zu entnehmen. Der optische Verstärker ist in einer Weise strukturiert, daß der integrierte Wert der Spontanemission Pn von der Seite der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 von dem Photodetektor 5 erfaßt wird, und die Pumplichtquelle 8 von der Treiberschaltung 7 so gesteuert wird, daß die erfaßten Werte konstant werden.
Der Verstärkungsfaktor G des Verstärkers aus der mit seltener Erde dotierten optischen Faser wird wie unten angegeben ausgedrückt.
G = exp ( &sub0;Lτ (z) dz) ...(1)
worin die Buchstaben τ (z) eine lokale Verstärkung der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 bezeichnet, der Buchstabe L die Länge der mit seltenen Erde dotierten optischen Faser 4 bezeichnet und die lokale Verstärkung r (z) der Faser 4 eine Funktion der Position auf der Faser, der Stärke des Pumplichts und der Intensität des Signallichts ist.
Diese lokale Verstärung 7 (z) kann -mit der Spontanemission Pn (z) auf den Seiten der Faser und anderen Konstanten wie unten ausgedrückt werden.
τ (z) = C Pn (z) - aS ... (2)
worin
abs (λs) : Absorptionsquerschnitt bei Signalwellenlänge
emi (λs) : stimulierter Emissionsquerschnitt bei Signalwellenlänge
η : Überlappungsfaktor
τ : Lebensdauer der Spontanemission
: Dotierungspegel mit Erbium (Er)
h : Planck'sches Wirkungsquantum
n : mittlere Frequenz der Spontanemission
ΓER: Radius der Fläche, die mit Er dotiert ist
Die Buchstaben αS (Absorptionsverlust der mit seltener Erde dotierten Fasern infolge eines Ausfall-Signallichts) und C sind die Konstanten, die nicht von der Position auf der Faser, der Stärke des Pumplichts und der Intensität des Signallichts abhängen.
Aus Gleichungen (1) und (2) kann der Verstärkungsfaktor G durch die unten stehende Gleichung repräsentiert werden.
G = exp ( &sub0;L Pn (z) dz αS L) ...(3)
Mit anderen Worten kann durch Regeln des integrierten Wertes der Spontanemission Pn (z) von der Seite der mit seltener Erde dotierten optischen Faser längs der Länge der Faser auf einen gegebenen Wert der Verstärkungsfaktor G bei einem konstanten Pegel gehalten werden, da C und αS L konstanten sind.
Die erste Ausführungsform dieser Erfindung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist in einer Weise strukturiert, daß die mit seltener Erde dotierte optische Faser 4 und der Photodetektor 5 innerhalb der integrierenden Kugel 6 angeordnet sind, um den integrierten Wert der Spontanemission von der Seite der genannten mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 zu erfassen, und die Pumplichtquelle 8 wird durch die Treiberschaltung 7 geregelt, um den erfaßten Wert konstant werden zu lassen, um dadurch den Verstärkungsfaktor G konstant zu halten. Wenn mehrere Photodetektoren verwendet werden, könnte die Genauigkeit der Bestimmung des integrierten Wertes verbessert werden. Wenn mehrere Pumplichtquellen verwendet werden, könnte selbst dann, wenn ein Teil der Lichtquellen versagt, der Verstärkungsfaktor G bei einem konstanten Pegel mittels der verbleibenden Lichtquellen gehalten werden, ohne irgendein Signal zu unterdrücken, selbst für einen Augenblick, um dadurch die Verläßlichkeit erheblich zu verbessern.
Wie vorstehend festgehalten, kann durch Anordnen der mit seltener Erde dotierten optischen Faser und mindestens eines Photodetektors innerhalb einer integrierenden Kugel, Erfassen des intergrierten Wertes der Spontanemission von den Seiten der mit seltener Erde dotierten optischen Faser und Regeln mindestens einer Pumplichtquelle zum Aufrechterhalten des erfaßten Wertes bei einem konstanten Pegel derart, daß der Verstärkungsfaktor konstant geregelt werden kann, ohne die Notwendigkeit, das Signallicht zu erfassen, und ohne daß Änderungen im Verstärkungsfaktor, die sonst durch die Signaldichte-Veränderungen hervorgerufen werden könnten, perfekt unterdrückt werden.
Fig. 2 zeigt die zweite Ausführungsform des optischen Verstärkers gemäß der Erfindung, wobei die mit seltener Erde dotierte optische Faser 4 zu einer Helix oder Spule gewickelt ist, ein Photodetektor 5 an der Seite derselben angeordnet ist, um die Spontanemission von der Seite der mit seltener Erde dotierten optischen Faser zu erfassen, und eine Pumplichtquelle (nicht dargestellt) geregelt wird, um den erfaßten Wert konstant werden zu lassen.
Wenn bei dieser Struktur der Durchmesser der Spule der optischen Faser 4 auf R gesetzt wird, kann die Spontanemission von der Seite derselben mit einem Intervall von π.R abgetastet werden, um die Summe mittels eines einzelnen Photodetektors zu erfassen. Die Summe ist ein Näherungswert des integrierten Wertes der Spontanemission von der Seite der optischen Faser. Da der Verstärker strukturiert ist, um die Pumplichtquelle zu regeln, damit der erfaßte Wert So konstant wird, so daß der Verstärkungsfaktor G bei einem konstanten Pegel gehalten würde. Wenn mehrere Pumplichtquellen verwendet werden, würde selbst dann, wenn ein Teil der Lichtquellen versagte, der Verstärkungsfaktor G konstant durch die verbleibenden Lichtquellen geregelt werden, um eine Unterbrechung der Signale, nicht einmal für einen Augenblick, zu garantieren. Dies könnte die Verläßlichkeit erheblich verbessern.
Fig. 3 zeigt die dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere Photodetektoren 5a, 5b und 5c an unterschiedlichen Positionen
*) Anmerkung des Übersetzers: Der Satz ist auch im Englischen unvollständig. längs der Seite der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 plaziert sind, um die Distanzverteilungscharakteristiken der Spontanemission von der Seite der optischen Faser 4 zu erfassen, wobei der erfaßte Wert durch eine Rechnungseinheit (CPU) 9 für einen vorbestimmten Betrieb verarbeitet wird und die Pumplichtquelle (nicht dargestellt) geregelt wird, um das Ergebnis des Betriebs So konstant werden zu lassen.
Bei dieser Struktur kann ein Näherungs-So des integrierten Werts der Spontanemission von der Seite der Faser erhalten werden durch Multiplizieren der erfaßten Werte, gewonnen aus den mehreren Photodetektoren 5a, 5b und 5c mit einem Wichtungskoeffizienten und Addieren derselben, um die Summe zu erhalten, basierend auf der Theorie der numerischen Integration, und weiter kann der Verszärkungsfaktor G durch Regeln der Pumplichtquellen derart konstant gehalten werden, daß der Näherungswert So konstant wird. Da die lokale Verstärkungsverteilung in der Längsrichtung der Faser in diesem optischen Verstärker gemessen wird, kann die Längencharakteristik G (z) des Verstärkungsfaktors bekannt sein. Darüber hinaus kann die Rauschzahl NF, die ein ebenso wichtiger Faktor wie der Verstärkungsfaktor ist, bekannt sein. Genauer gesagt, kann die Rauschzahl NF ausgedrückt werden, wie unten stehend.
worin
as : Absorptionsquerschnitt bei Signalwellenlänge
es: stimulierter Emissionsquerschnitt bei Signalwellenlänge
Ein Zwei-Wege-Pumpverfahren wird für die Erregung verwendet. Der Verstärkungsfaktor kann mit einer höheren Präzision als im Falle des Ein-Weg-Pumpverfahrens geregelt werden (Vorwärts- oder Rückwärtspumpen) durch Regeln der Pumplichtquelle, basierend auf den Gleichungen (3) und (4), und Minimieren der Änderungen in der Rauschzahl NF gegenüber Änderungen im Eingangssignalpegel. In ähnlicher Weise wie bei den optischen Verstärkern nach Figuren 1 und 2 kann, wenn mehrere Pumplichtquellen verwendet werden, der Verstärkungsfaktor G konstant geregelt werden, selbst dann, wenn ein Teil der Lichtquellen versagt, und zwar mittels der verbleibenden Lichtquellen, um die Unterbrechung des Signals, selbst für einen Augenblick, zu verhindern, und die Verläßlichkeit erheblich zu verbessern.
Fig. 4 zeigt die vierte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der ein optisches Bandpaßfilter 10 zwischen der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 und dem Photodetektor 5 plaziert ist, welches Filter das optische Band einschließlich und abschließend zu jenem des Signallichts überträgt. Diese Struktur kann Licht von Wellenlängen unterdrücken, die nicht jene sind, welche im Betrieb verwendet werden, um dadurch den Verstärkungsfaktor genauer zu regeln.
Fig. 5 zeigt die fünfte Ausführungsform dieser Erfindung. Diese Ausführungsform ist strukturiert mit einem Spiegel 11 an einer Position gegenüber dem Photodetektor 5, quer zu der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4. Dies erhöht die Spontanemission, die auf den Photodetektor 5 auftrifft, um damit das S/R-Verhältnis in dem Regelsystem zu vergrößern.
Fig. 6 zeigt die sechste Ausführungsform dieser Erfindung, bei der eine mit seltener Erde dotierte optische Faser 4 auf dem vorbestimmten Umfang 12 rings um einen Photodetektor 5 vorgesehen ist. Dies ermöglicht eine gleichförmige Erfassung der Spontanemission von entsprechenden Teilen der Faser, um dadurch die Erfassungsgenauigkeit des integrierten Wertes der Spontanemission zu erhöhen.
Fig. 7 zeigt die siebte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der ein Raumfilter oder ein optisches System 13 vor einem Photodetektor 5 vorgesehen ist, um die Auftreffwinkelabhängigkeit der Erfassungsempfindlichkeit zu kompensieren. Das optische System 13 kann eine Linse oder ein Prisma sein. Diese Struktur ermöglicht gleichförmige Erfassung der Spontanemission von jedem Teil der Faser, um dadurch die Erfassungsgenauigkeit des integrierten Wertes der Spontanemission zu erhöhen.
Fig. 8 zeigt die achte Ausführungsform der Erfindung. Fig. 8 zeigt zwei optische Verstärker 14 und 15, die in Kaskade geschaltet sind, und eine Steuereinheit 16, die mit beiden Verstärkern 14 und 15 verbunden ist. Die Gesamtreferenz oder die Sollverstärkung ist GS und die Steuereinheit 16 erzeugt entsprechende Verstärkungsfaktoren G&sub1;&sub4; bzw. G&sub1;&sub5; für die Verstärker 14 bzw. 15, entsprechend der Beziehung G&sub1;&sub5; = GS/G&sub1;&sub4;. Der optische Verstärker 14, dem ein Lichteingang P. zugeführt
wird, ist auf einen höheren Verstärkungsfaktor als der Verstärker 15 eingestellt, aus welchem der Lichtausgang Po erhalten wird. Der niedrigere Verstärkungsfaktor kann weniger als Eins betragen. Diese Anordnung kann die Verstärkung des optischen Verstärkers, der folgt, regeln und nicht an einer Erhöhung der Netto-Rauschzahl leiden, wie dies normalerweise der Fall wäre, wenn der Verstärkerungsfaktor des vorangehenden Verstärkers verringert wird. Deshalb kann der Verstärkerungsfaktor des Gesamtsystems ganz erheblich verändert werden.
Fig. 9 zeigt die neunte Ausführungsform der Erfindung. Fig. 9 zeigt den Lichtausgang Po von einem optischen Verstärker 6, abgenommen über einen Isolator 3 zu einem Verteiler 17, von wo es durch einen Photodetektor 18 passiert, der die Ausgangssignalleistung erfaßt. Ein Integrator 19 integriert dann die erfaßte Leistung über eine Zeitperiode, die länger ist als eine Zeitkonstante τs (die Zeit, wenn der Wert sich nicht mehr ändert), die auf den statistischen Charakteristiken des Eingangssignals basiert, wobei der integrierte Wert mittels eines Komparators 20 mit dem Referenzwert Sr des Ausgangsignalpegels verglichen wird, und die Pumplichtquelle 8 von einer Treiberschaltung 7 geregelt wird, um die mittlere Ausgangssignalleistung konstant werden zu lassen, indem das Ergebnis des Vergleichs verwertet wird.
Bevor die Vorteile dieses optischen Verstärkers erläutert werden, soll der Hintergrund beschrieben sein. Die Eingangssignalleistung eines optischen Verstärkers, verwendet in einem optischen Zwischenverstärker/Übertragungssystem, ändert sich entsprechend den Änderungen in dem Verlust (Temperaturgänge, chronologische Änderungscharakteristiken) in der Opto-Faser-Übertragungsleitung. Je kleiner die Faserverluste werden, desto größer wird die Leistung der Eingangssignale, wenn jedoch die Verstärkung des optischen Verstärkers konstant gehalten wird, wird die Ausgangssignalleistung manchmal die Eingangsgrenze (infolge des nichtlinearen Effektes) der optischen Faser übersteigen. Mit zunehmendem Faserverlust nimmt die Eingangssignalleistung ab, wenn jedoch der Verstärkungsfaktor des optischen Verstärkers konstant gehalten wird, nimmt auch die Ausgangssignalleistung ab, unter Verschlechterung des Signalrauschverhältnisses des Übertragungssystems. Deshalb sollte die Ausgangssignalleistung des optischen Verstärkers bei dem Referenzwert (einem konstanten Wert) gehalten werden.
Ein Begrenzerverstärker kann die obigen Anforderungen erfüllen, doch da die Linearität von Eingang/Ausgang nicht aufrecht erhalten werden kann, wenn ein Lichtamplituden-Modulationssystem verwendet wird, würde er den Verzerrungsfaktor bei Analogübertragungssystemen vergrößern und die Fehlerrate bei Digital-Übertragungssystemen verschlechtern. Darüber hinaus erfordert das optische Zwischenverstärker/Übertragungssystem generell, daß die Ausgangssignalleistung bis zu + 10 dBm für den optischen Verstärker ist, doch ist dieser Wert in dem Sättigungsbereich des optischen Verstärkers, und solange nicht der Verstärkungsfaktor konstant geregelt wird, würden sich die Übertragungscharakteristiken verschlechtern. Kurz gesagt, müssen optische Verstärker, verwendet in optischen Übertragungssystemen, gleichzeitig diese scheinbar widersprüchlichen beiden Probleme (d. h. konstanter Ausgang und konstanter Verstärkungsfaktor) lösen.
Der in Fig. 9 gezeigte optische Verstärker kann die Referenzverstärkung des optischen Verstärkers mit dem integrierten Wert der optischen Leistung des Ausgangssignallichtes regeln, um die mittlere Leistung des Ausgangssignals konstant werden zu lassen, und die Pumplichtquelle in einer Zeit regeln, die hinreichend kürzer ist als die Spontanemissionslebensdauer τ der mit seltener Erde dotierten optischen Faser unter Verwendung des Referenzverstärkungsfaktors und der integrierten Spontanemission, wodurch der Verstärkungsfaktor dazu gebracht wird, mit dem Referenzverstärkungsfaktor zusammenzufallen. Im Ergebnis wird die Linearität des Eingangs/Ausgangs des Verstärkers aufrecht erhalten, um Verschlechterung in den Übertragungscharakteristiken zu verhindern. Da darüber hinaus der Ausgangspegel konstant gehalten wird (die Mittelwertbildungszeit ist länger als die Zeitkonstante τS), würden die Übertragungscharakteristiken nicht durch die Eingangsbegrenzung der optischen Faser verschlechtert, und auch das Signalrauschverhältnis würde nicht verschlechtert.
Fig. 10 zeigt die zehnte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der Betriebsinformation der Pumplichtleistung aus der Treiberschaltung 7 entnommen wird, der Ausgangssignalpegel (optische Leistung des Signallichts) mittels Rechnereinheit 9, basierend auf der Beziehung der Information bezüglich des Referenzverstärkungsfaktors des optischen Verstärkers berechnet wird, die mittlere Ausgangssignalleistung durch Intergrieren des Pegeis mittels Integrator 19 mit einer Zeitkonstante berechnet wird, die länger ist als die Zeitkonstante τS, basierend auf den statistischen Charakteristiken der Signale, die mittlere Ausgangssignalleistung und der Referenzwert Sr des Ausgangssignalpegels mittels Komparator 20 verglichen werden und die Pumplichtquelle 8 über die Treiberschaltung 7 geregelt wird, um die mittlere Ausgangssignalleistung entsprechend dem Ergebnis der Berechnung konstant zu machen.
Die Graphik der Fig. 19 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Ausgangssignalpegel und der Pumplichtleistung, wenn der Verstärkungsfaktor konstant bei 20 dB geregelt wird. In dem Bereich, wo der Ausgangssignalpegel 0 dBm Übersteigt, wenn die Pumpenlichtleistung auf einen Pegel gesetzt ist, wird der Signalausgangspegel automatisch bestimmt. Diese Tatsache wird in der Ausführungsform nach Fig. 10 verwertet, während der Verstärkungsfaktor komzident mit dem Referenzverstärkungsfaktor gemacht wird, indem nicht nur die mittlere Ausgangssignalleistung konstant geregelt wird, sondern auch die Pumplichtquellen, basierend auf dem Referenzverstärkungsfaktor und der integrierten Spontanemission, mit der Zeit hinreichend kürzer als die metastabile Lebensdauer τ der mit seltener Erde dotierten optischen Faser. Im Ergebnis wird die Linearität von Eingang/Ausgang des Verstärkers so gehalten, daß keine Verschlechterung der Übertragungscharakteristiken bewirkt wird. Darüber hinaus wird der Ausgangspegel auch bei einem konstanten Pegel gehalten (der Mittelwert über eine längere Zeit als die Zeitkonstante τS wird konstant gehalten), so daß es möglich wird, die Verschlechtein den Übertragungscharakteristiken oder des Signalrauschverhältnisses zu vermeiden, die sonst hervorgerufen würden, bewirkt durch die Eingangsbegrenzung. Gemäß dieser Ausführungsform wird, da es nicht erforderlich ist, einen Koppler an einem Ausgang für das Aufteilen der Ausgangssignale und Erfassung von dessen Leistung vorzusehen, die Struktur einfach, und die Verluste, die sonst durch das Auskoppeln hervorgerufen würden, werden vermieden, und es wird ein höherer Ausgang möglich.
Fig. 11 zeigt die elfte Ausführungsform des optischen Verstärkers gemäß der Erfindung, bei der eine Steuereinheit 16 mit einem Verstärkungsfaktor Gr und einer Wellenlänge λr für den Verstärkungsfaktor Gr von außerhalb gespeist wird, und den Verstärkungsfaktor Gr mit einem Verstärkungsfaktor vergleicht, erhalten durch Umsetzen des integrierten Wertes der Spontanemission, wobei die Pumplichtquelle 8 durch die Treiberschaltung 7, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs, geregelt wird, und wobei, wenn die Steuergröße (Treiberstrom) zu der Pumplichtquelle 8 die Betriebsgrenze übersteigt, ein Alarm SAL erzeugt wird.
Mit anderen Worten wird ein Verstärkungsfaktor Gr und eine Wellenlänge λr für das Erhalten einer solchen Verstärkung Gr von außerhalb in die Steuereinheit 16 eingegeben. Die Steuereinheit 16 berechnet einen Integrationswert der Spontanemission entsprechend dem Verstärkungsfaktor unter Verwendung von Gleichung (3) und überträgt einen Referenzwert der Spontanemission zu der Treiberschaltung 7. Die Treiberschaltung 7 vergleicht den Referenzwert mit dem erfaßten integrierten Wert der Spontanemission zum Regeln der Lichtquelle 8 und überträgt eine Information bezüglich des Treiberstromes für die Lichtquelle 8 zu der Steuereinheit 16. Im Ergebnis wird die Steuereinheit 16 in die Lage versetzt, einen Alarm SAL zu erzeugen, wenn die eingestellte Verstärkung cder der Eingangssignalpegel zu hoch sind, und die Regelgröße (Treiberstrom) für die Pumplichtquelle 8 die Betriebsgrenze übersteigt. Deshalb wird es möglich zu überprüfen, ob der optische Verstärker im Normalbetrieb arbeitet oder nicht.
Fig. 12 zeigt die zwölfte Ausführungsform des optischen Verstärkers gemäß der Erfindung, bei der ein Photodetektor 5 an einer Seite eines Laserdiodenverstärkers 21 plaziert ist, der eine aktive Schicht 21a und Elektroden 21b und 21c umfaßt, und der von elektrischem Strom cepumpt wird. Die Gesamtheit der Spontanemission von den Seiten des Verstärkers 21 oder ein proportionaler Wert Pn der gesamten Spontanemission wird erfaßt, der erfaßte Wert wird mit dem Referenzwert Sr mittels eines Komparators 20 verglichen, und die Treiberschaltung 7 steuert den Treiberstrom, damit der erfaßte Wert konstant wird.
Ähnlich dem Fall des Verstärkers mit mit seltener Erde dotierter optischer Faser wird der Verstärkungsfaktor G eines Laserdiodenverstärkers durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Da, mit anderen Worten, C und αs L Konstanten sind, kann der Verstärkungsfaktor G bei einem konstanten Pegel gehalten werden, indem er so geregelt wird, daß der Wert, erhalten durch Integrieren der Spontanemission Pn (z) von den Seiten des Laserdiodenverstärkers längs der Länge der aktiven Schicht ein konstanter Wert wird.a und C sind Konstanten, die nicht abhängen von der Position der aktiven Schicht, der Pumphöhe und der Signalleistungsintensität, und dementsprechend unten ausgedrückt.
worin
αS: Absorptionsverluste der aktiven Schicht für Kleinpegelsignallicht
h : Planck'scher Wirkungsquantum
Γα : Einschlußkoeffizient (α bezeichnet den Polarisationsmodus (TE oder TM)
A : differenzierter Verstärkungsfaktorkoeffizient
τ : Träger-Lebensdauer
v : Lichtgeschwindigkeit durch das Medium
n : mittlere Frequenz der Spontanemission
S : Querschnitt der aktiven Schicht
no, α: Trägerdichte, wo die Verstärkung erzeugt wird
Da die Spontanemission von den Seiten des Laserdiodenverstärkers in dieser Ausführungsform nicht gleichförmig ist, ist es wünschenswert, die Gesamtheit durch Integration der gesamten Emission längs der ganzen Länge der aktiven Schicht zu erhalten, doch für praktische Zwecke würde es genügen, wenn ein proportionaler Wert der Gesamtheit gemessen wird. Durch Konstantregeln dieses Wertes kann der Verstärkungsfaktor G konstant gehalten werden, weil C und αS L Konstanten sind.
Fig. 13 zeigt die dreizehnte Ausführungsform des optischen Verstärkers gemäß der Erfindung, bei der ein Temperatursensor 22 nahe den mit seltener Erde dotierten optischen Fasern 4 plaziert ist, um deren Betriebstemperatur zu erfassen. Die Temperaturcharakteristiken der spontanen Emission Pn, erfaßt durch den Photodetektor 5 und die Temperaturcharakteristiken der Verluste in der Signallichtwellenlänge der Faser 4, werden durch einen Temperaturgangkompensationskreis 23 kompensiert, die Verstärkung wird aus dem so kompensierten Wert aus einem Verstärkungsfaktor-Rechnerkreis 24 berechnet, der erhaltene Wert mit dem Referenzwert Sr mittels eines Komparators 20 verglichen, und die Pumplichtquelle 8 wird von der Treiberschaltung 7 geregelt, um den Verstärkungsfaktor konstant werden zu lassen. Obwohl Spontanemission von der Temperatur abhängig ist, hat diese Ausführungsform Mittel, um das zu kompensieren. Der Faserverlust in der Signallichtwellenlänge hängt ebenfalls von der Temperatur ab, wird jedoch ebenfalls kompensierbar. Im Ergebnis können, wenn der Verstärkungsfaktor des optischen Verstärkers aus der Spontanemission berechnet wird, die Fehler, die sonst durch den Temperaturgang hervorgerufen würden, vermieden werden, um dadurch den Verstärkungsfaktor konstant zu regeln.
Ähnlich dieser Ausführungsform könnte ein Temperatursensor in der Nachbarschaft des Laserdiodenverstärkers in der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform plaziert werden, um den Temperaturgang der Spontan-emission oder der Signallichtwellenlänge zu kompensieren, speziell den Temperaturgang der Signallichtwellenlänge in der aktiven Schicht desselben, basierend auf den von dem Sensor erfaßten Betriebstemperaturen.
Fig. 14 zeigt die vierzehnte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der mehrere Pumplichtquellen 8, 28 vorgesehen sind, ebenso wie Photodetektoren 5, 25 innerhalb einer integrierenden Kugel 6 und mehrere Rückkopplungsschleifen angeordnet sind, entsprechend jeweils den Lichtquellen. Ein Koppler 26 ist zwischen einem Ende der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 4 und dem Isolator 3 eingefügt. In der ersten Rückkopplungsschleife wird der erfaßte Wert der Spontanemission Pn von der Seite der optischen Faser 4 vom Photodetektor 5 mit dem Referenzwert Srl mittels Komparator 20 verglichen, und das Pumplicht Pe1 von der Lichtquelle 8 wird durch die Treiberschaltung 7 geregelt, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs. In der zweiten Schleife wird der erfaßte Wert vom Photodetektor 25 mit dem Referenzwert Sr2 mittels Komparator 29 verglichen, und das Pumplicht Pe2 von der Lichtquelle 28 wird von der Treiberschaltung 27 geregelt. Da die Verstärkungsfaktoren der beiden Rückkopplungsschleifen oder die Referenzwerte Sr1 und Sr2 an den beiden Komparatoren 20, 29 geringfügig voneinander unterschiedlich sind, ist die Schleife, die mit dem höchsten Verstärkungsfaktor eingestellt ist, zu betreiben, und die Pumplichtquelle(n) an der anderen Schleife/den anderen Schleifen wird (werden) auf Minimum-Betriebszustand geregelt (der durch die Schaltungsauslegung bestimmt ist). Demgemäß wird/werden die Pumplichtquelle(n) der anderen Schleife(n) auf heißem Stand-by bezüglich Betrieb, jedoch auf kaltem Stand-by bezüglich Verläßlichkeit gehalten. Das bedeutet, wenn die vorbestimmte Verstärkung infolge irgendeinem Versagen der Pumplichtquelle oder des Regelsystems in der aktiven Rückkopplungsschleife gehalten werden kann, und die Verstärkung auf einen Pegel abfällt, der niedriger liegt als die Verstärkung der zweiten Rückkopplungsschleife, die mit dem zweithöchsten Verstärkungsfaktor eingestellt ist, beginnt die zweite Rückkopplungsschleife zu arbeiten, und die Verstärkung würde nicht weiter absinken.
Fig. 15 zeigt eine fünfzehnte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Überwachungs- und Steuereinheit 30 den Betrieb der Treiberschaltungen 7 und 27 und der Komparatoren 20, 29 überwacht, und die Referenzverstärkungsfaktor-Einstellung an jedem Komparator 20 oder 29 und deren Schalten steuert.
In dieser Ausführungsform ist, zusätzlich zu der Struktur des in Fig. 14 gezeigten optischen Verstärkers, eine Überwachungs- und Steuereinheit 30 vorgesehen, um den Betrieb der mehreren Rückkopplungsschleifen zu uberwachen und die Referenzverstärkungsfaktoreinstellungen und deren Umschaltung zu steuern. Wenn ein Fehler in der ersten Rückkopplungsschleife auftritt und ihre Verstärkung zunimmt, schaltet die Überwachungs- und Steuereinheit 30 die versagende erste Schleife aus. Der Verstärkungsfaktor des optischen Verstärkers sinkt dann auf den Pegel unterhalb der Verstärkungseinstellung an der zweiten Rückkopplungsschleife ab, die zweite Schleife beginnt automatisch zu arbeiten, um zu verhindern, daß die Verstärkung weiter absinkt. Selbst wenn der Signalpegel geringfügig abnimmt, kann das Signallicht verstärkt werden, und zwar ohne die geringste Unterbrechung. Darüber hinaus kann der Verstärker wieder auf den Originalzustand gebracht werden, indem der Verstärkungsfaktor der zweiten Rückkopplungsschleife auf denselben Wert gebracht wird, wie der der ersten Rückkopplungsschleife, was von der Überwachungs- und Steuereinheit 30 aus erfolgt.
Fig. 16 zeigt die sechzehnte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der ein Pumpenmodul 31, der die Treiberschaltung 31a und die Pumplichtquelle 31b integriert, und mit einer Schaltung versehen ist für cas Ausgleichen der Differenz in den Charakteristiken zwischen den Lichtquellen, um so die Charakteristiken aller Pumplichtquellen identisch zu machen, wenn vom Komparator 20 aus betrachtet, und ein Pumpenmodul 32 mit Quelle 32b sind an den Komparator 20 in parallelem Pegel von entsprechenden Pumpenmodulen angeschlossen, um dadurch eine Verbesserung der Regelung des Verstärkungsfaktors auf konstanten Wert durch den andern Pumpenmodul zu verbessern und dadurch Signale daran zu hindem, selbst für nur einen Augenblick unterbrochen zu werden, womit die Verläßlichkeit des optischen Verstärkers verbessert wird.
Fig. 17 zeigt die siebzehnte Ausführungsform dieser Erfindung. In dieser Ausführungsform sind zwei Pumpmodule 33 und 34 parallel an einen Komparator 35 angeschlossen. Einer der Pumpenmodule 33 umfaßt integral eine Treiberschaltung 33a mit einer Schaltung zum Ausgleichen der Differenz der Pumplichtquellen in deren Charakteristiken derart, daß die Charakteristiken aller Pumpenlichtquellen identisch miteinander sind, qesehen vom Komparator 20 aus, eine Pumplichtquelle 33b, ein Tiefpaßfilter 33c mit einem Band, das enger ist als das Regelungsband des Komparators 20, und seinen Umgehungsschalter 33d, während der andere Pumpenmodul 34 integral eine ähnliche Treiberschaltung 34b, eine Pumplichtquelle 34b. ein Tiefpaßfilter 34c und einen Umgehungsschalter 34d umfaßt. Die Steuereinheit 35 fügt einen Tiefpaßfilter in die Regelschleife in der Anfangsstufe ein, wo beide Pumpenmodule 33 und 34 von AUS auf EIN geschaltet werden, und trennt die Tiefpaßfilter von der Schleife durch Einschalten des Umgehungsschalter nach einer vorbestimmten Zeitperiode.
Die Arbeitsweise dieses optischen Verstärkers wird nun beschrieben. Im Anfangszustand wird die Verstärkung konstant geregelt durch den ersten Pumpenmodul 33, und der zweite Pumpenmodul 34 im AUS- Zustand ist mit einem Ausgang der Rückkopplungsschleife desselben verbunden. In einem solchen Zustand wird der zweite Pumpenmodul 34 von AUS auf EIN geschaltet. Wenn kein Tiefpaßfilter 34c vorgesehen ist, würde das Regelsignal abrupt an die Lichtquelle 34d in Sprungform angelegt, und das Ausgangspumpenlicht von dem zweiten Pumpenmodul 34 würde die Frequenzkomponenten enthalten, die höher sind als das Regelungsband der Rückkopplungsschleife. Darüber hinaus kann es eine Übergangsreaktionsspitze enthalten, die zeitweilig die Regelung der Verstärkung auf einen konstanten Pegel unmöglich macht.
In der Ausführungsform nach Fig. 17 wird jedoch, wenn der Pumpmodul 34 von AUS auf EIN beispielsweise geschaltet wird, das Regelsignal, ausgegeben vom Komparator 20 der Treiberschaltung 34a über das Tiefpaßfilter 34d zugeführt, um die Pumplichtquelle 34b anzusteuern. Deshalb würde die Frequenzkomponente, die höher liegt als das Regelungsband, niemals in das Ausgangspumpenlicht einfließen. Da darüber hinaus das Frequenzband des Treiberstromes begrenzt ist, würde die Reaktionsübergangsspitze niemals hervorgerufen. Demgemäß kann die Verstärkung von dem Pumpenmodul 33, der bereits in die Rückkopplungsschleife eingeschaltet ist, konstant geregelt werden wie auch durch den Pumpenmodul 34, der zusätzlich betreibbar wurde. Da der Aufbau derart ist, daß das Tiefpaßfilter von dem Pumpenmodul 34 nach einer vorbestimmten Zeitperiode getrennt wird, wenn das Regelsystem eingeschwungen ist, wird es möglich, beide Module zu entsperren, um gleichermaßen für die Regelung in einem gegebenen Band zu arbeiten. Da darüber hinaus das Tiefpaßfilter nur getrennt wird, wenn der eingeschwungene Zustand etabliert ist, würde das Regelsystem niemals in dem Ausmaß gestört werden, daß die Regelung unmöglich wird. Wie vorstehend dargelegt, kann ein neuer Pumpenmodul in das Verstärkungsfaktorregelsystem im Betrieb eingefügt werden, ohne im geringsten den Verstärkungsfaktor des optischen Verstärkers zu verändem, so daß der Aufbau eines optischen Verstärkers im kalten Stand-by möglich wird und dadurch die Verläßlichkeit erheblich verbessert wird.
Fig. 18 zeigt die achtzehnte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der mehrere optische Verstärker 36 und 37 in Kaskade verbunden sind, und wenn irgendeiner der Verstärker versagt, um die Referenzverstärkung zu Erreichen, wird die Verstärkungsverteilung zwischen den optischen Verstärkern 36 und 37 mittels einer Überwachungs- und Steuereinheit 38 so geregelt, daß die Nettoverstärkung konstant wird. Die optischen Verstärker 36 und 37 können irgendeine der Ausführungsformen, wie oben beschrieben, sein. Mit einer solchen Struktur wird, wenn eine benötigte Verstärkung selbst dann nicht sichergestellt ist, wenn die Pumplichtquelle der optischen Verstärker 37 der letzteren Stufe geregelt wird, die Pumplichtquelle des optischen Verstärkers 36 in der vorangehenden Stufe so geregelt, daß die Verstärkung erhöht wird, um dadurch dafür zu sorgen, daß die Nettoverstärkung konstant wird. Dieser optische Verstärker kann das System bei einem Versagen selbst dann wiederherstellen, wenn die Anzahl verfügbarer Pumplichtquellen begrenzt ist, um dadurch erheblich die Verläßlichkeit zu verbessern.
Experimente wurden ausgeführt, um die Erfindung zu beurteilen, indem Verstärker mit den Strukturen nach Figuren 20 und 21 verwendet wurden. Eine optische mit Erbium (Er) als seltenes Erdatom dotierte Faser 40 wird in eine Schraube mit einem Durchmesser von 100 mm gewickelt. Die optische Faser 40 wurde mit UV-Beschichtung versehen, um so in der Lage zu sein, die Spontanemission von ihren Seiten her zu erfassen. Die Länge der optischen Faser 40 wurde auf 25 m bemessen und der Erbium-Dotierungspegel mit 1000 ppm. Um Spontanemission zu erkennen, wurden ein Photodetektor mit Durchmesser von 4 mm und ein Spiegel 42 auf einander gegenüberliegenden Positionen quer zu der Spule der optischen Faser 40 plaziert, und die Spontanemission wurde durch einen Schlitz 43a einer Lichtsperrplatte 43 erfaßt. Die Spontanemission von der aufgespulten optischen Faser 40 wurde mit einem Intervall von etwa 310 mm abgetastet.
Eine 1,48 µm Laserdiode (nicht dargestellt) wurde für das Pumpen der optischen Faser 40 verwendet.
Fig. 22 zeigt die Basisdaten für die Bestätigung der Gültigkeit von Gleichung (3), auf der die vorliegende Erfindung basiert war. Die Graphik zeigt die Beziehung zwischen den Verstärkungsfaktoren eines optischen Verstärkers und integrierter Spontanemission bei verschiedenen Eingangssignalleistungen. In der Graphik bezeichnen die offenen Kreise die Werte, die bei der Eingangssignalleistung von -23,8 dBm erhalten wurden, und die gefüllten Kreise bezeichnen jene bei -9,2 dBm. Die Graphik zeigt deutlich, daß Spontanemission als Mittel für das Messen des Verstärkungsfaktors überlegen ist, und daß das erfindungsgemäße Verfahren effizient als Mittel für das Integrieren der Spontanemission funktioniert.
Fig. 23 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehlng zwischen der integrierten Spontanemission und der Eingangssignalleistung (offene Kreise) sowie der Beziehung zwischen der Pumplichtleistung und der Eingangssignalleistung des optischen Verstärkers (gefüllte Kreise), wenn die Verstärkungsfaktoren konstant geregelt wurden.
Fig. 24 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Verstärkungsfaktor und der Eingangssignalleistung eines Verstärkers, wenn der Verstärkungsfaktor konstant geregelt wird (AGC EIN) (wiedergegeben mit offenen Kreisen in der Graphik), und wenn der Verstärkungsfaktor nicht konstant geregelt wird (AGC AUS) (wiedergegeben durch offene Dreiecke). Die integrierte Spontanemission kann durch Rückkopplung zu der Pumplichtleistung bis zu dem Punkt konstant gehalten werden, wenn die Eingangssignalleistung - 10 dBm wird. Zwischenzeitlich nahm die Pumplichtleistung von 12 mW (Eingang bei -50 dBm) auf 38 mW (Eingang bei -10 dBm) zu. Da die Leistung des Pumplichts auf 38 mW maximal begrenzt ist, nimmt die integrierte Spontanemission von dem Punkt aus ab, wenn das Signallicht -10 dBm übersteigt.
Die 1 dB Verstärkungskompression der Eingangssignalleistung für die 20 dB Verstärkung EDFA beträgt -22 dBm ohne Verstärkungsregelung und - 9 dBm mit Verstärkungsregelung Demgemäß zeigt sich, daß der Bereich des linearen Betriebs des optischen Verstärkers um etwa 13 dB durch Einschalten der Verstärkungsregelung erhöht werden kann.
Fig. 25 zeigt eine andere Ausführungsform dieser Erfindung, bei der die mit seltener Erde dotierte optische Faser mit Bezugszeichen 40 markiert ist, Photodetektoren mit 41a, 41b bzw. 41c, Koppler mit 44 und 45, Isolatoren mit 46 und 47, Treiberschaltungen mit 48 und 49, Pumplichtquellen mit 50 und 51 und eine Steuereinheit mit 52. Die Photodetektoren 41a, 41b und 41c sind an unterschiedlichen Stellen seitlich der mit seltener Erde dotierten optischen Faser 40 plaziert, um von dieser herrührende Spontanemission zu erfassen. Eine Steuereinheit 52 berechnet diese erfaßten Werte, basierend auf den Gleichungen (3) und (4), um den Verstärkungsfaktor und die Rauschzahl NF abzuleiten, und regelt über die Treiberschaltungen 48 und 49 die Pumplichtquellen 50 und 51, welche Pumplicht zu der Signaleingangsseite bzw. -ausgangsseite der optischen Faser 40 liefern, um so die Rauschzahl NF bei konstanter Verstärkung zu minimieren. Selbst dann, wenn eine der Lichtquellen 50 und 51 versagt, kann die Verstärkung konstant geregelt werden unter Verwendung der anderen Lichtquelle, und Signale würden nicht einmal für einen Augenblick unterbrochen, womit die Verläßlichkeit des optischen Verstärkers verbessert wird.
Fig. 26 zeigt noch eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, bei der die Bezugszeichen 60 und 70 optische Verstärker bezeichnen, die zweistufig strukturiert sind. Eine Überwachungs- und Steuereinheit 80 ist vorgesehen, um die Verstärkungsverteilung zwischen den beiden optischen Verstärkern zu verändern. Beide optischen Verstärker 60 und 70 sind mit mit seltener Erde dotierten optischen Fasern aufgebaute Verstärker. Der optische Verstärker 60 umfaßt Koppler 61a und 61b, Isolatoren 62a und 62b, eine mit seltener Erde dotierte optische Faser 63, einen Photodetektor 64, eine integrierende Kugel 65, eine Komparator 66, einen Pumpenmodul 67, der eine Treiberschaltung 67a und eine Pumplichtquelle 67b integriert, und einen Pumpenmodul 68, der eine Treiberschaltung 68a und eine Pumplichtquelle 68b integriert. der optische Verstärker 70 umfaßt Koppler 71a und 71b, Isolatoren 72a und 72b, eine mit seltener Erde dotierte optische Faser 73, einen Photodetektor 74, eine integrierende Kugel 75, einen Komparator 76, einen Pumpenmodul 77, der eine Treiberschaltung 77a und eine Pumplichtquelle 77b integriert, und einen Pumpenmodul 78, der eine Treiberschaltung 78a und eine Pumplichtquelle 78b inteqriert. Wegen diesem Aufbau kann selbst dann, wenn ein Teil der Pumplichtquellen versagt, automatische Verstärkungsregelung ausgeführt werden, wobei man den Rest der Lichtquellen verwendet, um den Betrieb des optischen Verstärkers ohne Änderung des Verstärkungsfaktors aufrecht zu erhalten. Wenn die Pumplichtleistung von dem Rest der Lichtquellen nicht ausreicht, kann die Verstärkung abnehmen, doch wird der Zustand der Pumplichtquellen der beiden Stufen von der Überwachungs- und Steuereinheit 80 so überwacht, daß sie den Verstärkungsfaktor der Verstärker so einstellt, daß es immer noch eine Reserve in der Leistung Richtung höherer Pegel gibt, und die Verstärkung eines Verstärkers, der nicht genug Leistung liefert, auf einen niedrigeren Pegel gesetzt wird. Im Ergebnis kann die Netto-Verstärkung des Systems auf konstanten Wert geregelt werden, der Verstärkungsfaktor des Verstärkers kann mehrfach geschützt werden, um zu verhindern, daß optische Signale nicht einmal für einen Augenblick ausfallen, um dadurch erheblich die Verläßlichkeit des optischen Verstärkers zu erhöhen.

Claims

1. Ein optischer Verstärker, umfassend eine mit seltener Erde dotierte optische Faser (4), eine Pumplichtquelle (8) für das Pumpen von Licht in die optische Faser (4) zum Anregen des Dotierungsmittels aus seltener Erde, welches im Betrieb ein auf die optische Faser (4) auftreffendes optisches Signal verstärkt, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärker ein Erfassungsmittel (5) für das Erfassen spontaner Emission von den Seiten der optischen Faser (4) sowie ein Rückkopplungsmittel umfaßt, um die Pumplichtquelle (8) derart zu steuern, daß im Betrieb der erfaßte Pegel der Spontanemission im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Erfassungsmittel (5) einen Photodetektor umfaßt und der Photodetektor innerhalb einer integrierenden Kugel (6) plaziert ist, welche die optische Faser (4) umschließt.

3. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 1, bei dem die optische Faser (4) eine Spule bildet und das Erfassungsmittel (5) einen seitlich der Spule positionierten Photodetektor umfaßt.

4. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 1, bei dem die optische Faser (4) eine Serie von Schlaufen umfaßt, die eine gekrümmte Struktur mit konvexen und Konkaven Seiten bilden, und bei dem das Erfassungsmittel (5) einen Photodetektor umfaßt, der für den Empfang von Licht von der konkaven Seite der gekrümmten Struktur positioniert ist.

5. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Erfassungsmittel (5) eine Mehrzahl von Photodetektoren umfaßt, die längs der optischen Faser (4) positioniert sind, wobei das Rückkopplungsmittel ein Verarbeitungsmittel (9) für das Verarbeiten der erfaßten Werte, erhalten von der Mehrzahl von Photodetektoren, umfaßt und die Pumplichtquelle (8) gemäß den verarbeiteten Werten steuert.

6. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einschließlich eines optischen Bandpaßfilters (10), wobei das Erfassungsmittel (5) einen Photodetektor umfaßt und das optische Bandpaßfilter (10) zwischen dem Photodetektor und der optischen Faser (4) für das Auswählen von Licht nahe der Signallichtwellenlänge für Übertragung zu dem Photodetektor positioniert ist.

7. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6 einschließlich eines Spiegels (11), der derart positioniert ist, daß die optische Faser (4) zwischen dem Spiegel (11) und dem Erfassungsmittel (5) liegt.

8. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7 einschließlich eines optischen Systems (13), das zwischen dem Erfassungsmittel (5) und der optischen Faser (4) positioniert ist, welches optische System (13) für die Kompensation von Variationen in der Empfindlichkeit des Erfassungsmittels (5) entsprechend dem Winkel ausgebildet ist, unter dem Licht auf das Erfassungsmittel (5) fällt.

9. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8 einschließlich eines zweiten Erfassungsmittels (18) für das Erfassen der optischen Ausgangsleistung von der optischen Faser (4) bei der Signalwellenlänge, mit einem Integrationsmittel (19) für das Integrieren der erfaßten optischen Leistung über eine Periode, die länger ist als eine Zeitkonstante TS basierend auf den statistischen Charakteristiken des Signals, und mit einem Steuermittel (20,7) für die Steuerung des Referenzverstärkungsfaktors der dotierten optischen Faser (4) entsprechend dem Ausgangswert von dem Integrationsmittel (19), um zu bewirken, daß die mittlere optische Ausgangsleistung von der optischen Faser (4) im wesentlichen konstant bleibt.

10. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem ersten Berechnungsmittel (9) für den Empfang von Information von dem Rückkopplungsmittel bezüglich der von der Pumplichtquelle (8) zugeführten Leistung und Berechnen der optischen Ausgangsleistung aus der optischen Faser (4) entsprechend der Beziehung zwischen einer vorherigen Pumplichtleistung und der entsprechenden Verstärkung der optischen Faser (4), mit einem zweiten Berechnungsmittel (19) für das Integrieren des berechneten Wertes der optischen Ausgangsleistung über eine Periode, die länger ist als eine Zeitkonstante TS basierend auf den statistischen Charakteristiken der Signale, um einen Mittelwert der optischen Ausgangsleistung zu gewinnen, und mit einem Steuermittel (20) für die Steuerung des Rückkopplungsmittels derart, daß der Mittelwert der optischen Ausgangsleistung gleich einem ausgewählten Referenzwert gemacht wird.

11. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Steuereinheit (16,7), die zur Steuerung der Pumplichtquelle (8) angeschlossen ist, welche Steuereinheit (16,7) einen Eingang für den Empfang des Ausgangs von dem Erfassungsmittel (5), Eingänge für den Empfang von Einstellwerten für die Verstärkung und die Wellenlänge für die optische Faser (4) und einen Ausgang für das Bereitstellen eines Alarmsignals umfaßt, wenn die Steuereinheit (16,7) die Pumplichtquelle (8) so steuert, daß Ausgangsleistung bei einem Pegel gefordert wird, welcher eine Betriebsgrenze übersteigt, die durch die gesetzten Werte für Verstärkung und Wellenlänge bestimmt ist.

12. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem Temperatursensor (22), positioniert zum Erfassen der Temperatur der optischen Faser (4), welcher Temperatursensor (22) mit einem Kompensationsmittel (23,24) verbunden ist, um die von der Pumplichtquelle (8) abgegebene Leistung so zu variieren, daß temperaturabhängige Änderungen in den spontanen Emissionen von der optischen Faser (4) kompensiert werden.

13. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einer zusätzlichen Pumplichtquelle (28) für das Pumpen von Licht in die optische Faser (4), verbunden mit einem zusätzlichen Erfassungsmittel (25) für das Erfassen spontaner Emissionen von den Seiten der optischen Faser (4), und mit einem zusätzlichen Rückkopplungsmittel für die Steuerung der Ausgangsleistung von der zusätzlichen Pumplichtquelle (28), wobei die Verstärkungsfaktoren der Rückkopplungsmittel so eingestellt sind, daß sie zueinander verschieden sind.

14. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 13 einschließlich einer Überwachungs- und Steuereinheit (30) für die Überwachung des Betriebs jedes der Rückkopplungsmittel, Einstellen der Verstärkung jedes der Rückkopplungsmittel und Ausschalten irgendeines fehlerhaften Rückkopplungsmittels.

15. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Rückkopplungsmittel Treiberschaltungen (31a,32a) für das Ausgleichen von Differenzen in den Charakteristiken zwischen den Pumplichtquellen (31b, 32b) umfaßt.

16. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 15, bei dem jede Pumplichtquelle (31b,32b) ein integraler Teil eines Pumpmoduls (31,32) ist, der eine Treiberschaltung (31a,32a) für die Pumplichtquelle (31b,32b) umfaßt.

17. Ein optischer Verstärker nach Anspruch 16, bei dem die Pumpmodule (31,32) ausgebildet sind, um ein- und ausgeschaltet zu werden, und Mittel vorgesehen sind für das Ein- und Ausschalten der Pumpmodule (31,32), welcher optische Verstärker elektrische Tiefpaßfilter (33c,34c) für das Rückkopplungsmittel umfaßt, das die entsprechenden Pumpmodule (31,32) steuert, und ein Komparatormittel (35) umfaßt für das Einfügen der elektrischen Tiefpaßfilter (33c,34c) in das entsprechende Rückkopplungsmittel während einer vorbestimmten Periode, die beginnt, wenn die entsprechenden Pumpmodule (31,32) eingeschaltet werden, welche elektrischen Tiefpaßfilter (33c,34c) schmalere Durchlaßbänder als die entsprechenden Rückkopplungsmittel haben.

18. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in Kaskade mit einem ähnlichen Verstärker geschaltet, wobei die Verstärkung des ersten Verstärkers in der Kaskade größer ist als jene des zweiten Verstärkers in der Kaskade.

19. Ein optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in Kaskade mit einer Mehrzahl ähnlicher Verstärker geschaltet und mit einer Mehrfachsteuerungsüberwachungs- und -steuereinheit (80) für die Veränderung der Verstärkungsverteilung unter den Verstärkern derart, daß eine konstante Verstärkung für die Kaskade von Verstärkern aufrechterhalten wird.