DE69303112T2

DE69303112T2 - Optische Leistung begrenzender Verstärker

Info

Publication number: DE69303112T2
Application number: DE69303112T
Authority: DE
Inventors: Richard Ian Laming; Machael Nickolaos Zervas
Original assignee: Pirelli Cavi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: US5579153A; DE69303112D1; EP0567941B1; EP0567941A2; GB2266620B; CA2094870C; GB2266620A; EP0567941A3; ES2090761T3; GB9209095D0; CA2094870A1

Description

Es wird erwartet, daß Verstärker mit einer dotierten Faser, wie z.B. Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser (EDFAs), eine Schlüsselrolle bei der Verwirklichung von Faseroptik-Kommunikationsnetzwerken mit hoher Kapazität und hoher Geschwindigkeit spielen werden.
Die durchschnittliche Ausgangssignalleistung eines Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser nimmt mit der durchschnittlichen Eingangssignalleistung in nichtlinearer Weise monoton zu.
Das Überrollen in der Eingangs-/Ausgangskennlinie des Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser beruht auf Verstärkungssättigungswirkungen. Dies ist ein erwünschtes Merkmal, das eine schwache (weiche) optische Begrenzung der Ausgangsleistung für einen weiten Eingangssignalbereich liefert.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist es jedoch unbedingt erforderlich, daß die Ausgangssignalleistung des Verstärkers an bestimmten Punkten des optischen Netzwerkes immer konstant ist (harte Begrenzung). In diesen Fällen ist die gattungstypische Nichtlinearität der Sättigung des Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser zur Begrenzung der Verstärkerausgangsleistung nicht ausreichend.
Diese Aufgabe wird von einem Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser mit einer besonderen Eingangs-Ausgangs- Kennlinie gelöst, der optischer Leistungsbegrenzungsverstärker (OLA) genannt wird. Die Ausgangssignalleistung bleibt in einem Eingangssignalleistungsbereich, der dynamischer Bereich des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers genannt wird, im wesentlichen konstant (d.h. sie schwankt um weniger als ± 0, 5 dB). Außerdem ist ein Verstärker mit harter Begrenzung bei der Verringerung der an den dynamischen Bereich gestellten Anforderungen für die elektronischen und optischen Bauteile in dem Netzwerk nützlich.
Optische Leistungsbegrenzungsverstärker sind aus W. I. Way et al. in Electronics Letters, 31. Jan. 1991, Band 27, Nr. 3, Seite 211-213, und in Journal of Lightwave Technology, Band 10, Nr. 2, Februar 1992, Seite 206-214, bekannt.
In der ersten Druckschrift ist ein optischer Begrenzungsverstärker dargestellt worden, der drei Kaskadenverstärkerstufen mit einer mit Erbium dotierten Faser benutzt, die jeweils mit entsprechenden Pumpquellen entgegengesetzt zur Signalausbreitungsrichtung gepumpt werden. Ein Fabry-Perot-Filter ist zwischen der ersten und zweiten Stufe angeordnet, und ein winkelabgestimmter Fabry-Perot-Etalon ist zwischen der zweiten und der dritten Stufe angeordnet.
Zur Vermeidung optischer Reflexionen ist nach jeder Verstärkerstufe ein optischer Isolator angeordnet.
In der zweiten Druckschrift wurde ein optischer Leistungsbegrenzungsverstärker unter Verwendung zweier Kaskadenstufen von Faserverstärkern, zweier optischer Isolatoren und zweier optischer Bandpaßfilter gebaut.
Beide obengenannten Lösungen benutzen eine Filtereinrichtung, die nach dem Verstärker oder nach jeder Verstärkerstufe angeordnet ist. Die Filter bringen einen relevanten Gesamtverlust von ungefähr 9-12 dB in das Signal ein.
Die optischen Isolatoren werden nach dem Ende jedes Verstärkers eingesetzt und zur Vermeidung optischer Reflexionen verwendet.
Aus der EP-A-0556973 (Artikel 54(3) EPÜ) und aus Proceedings of Optical Amplifier Topical Meeting, Santa Fe, New Mexico, Juni 1992, Artikel FV82, Seite 162-165, ist der Einsatz eines Isolators bekannt, der zur Verringerung der sich rückwärts bewegenden verstärkten Spontanemission (ASE) zwischen zwei Abschnitten einer mit Erbium dotierten Faser eines optischen Verstärkers eingefügt ist. Der Bereich der optimalen Isolatorposition liegt bei 30% ± 15% der Gesamtlänge des Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser.
In der US 5,050,949 wird ein mehrstufiger Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser gezeigt, der Entzerrung des Verstärkungsspektrums für Kanäle bei verschiedenen Wellenlängen mittels eines zweistufigen Faserversstärkers mit zwei dotierten Faserzusammensetzungen vorsieht, um für jede Stufe ein anderes Verstärkungsspektrum zu erhalten. Zwischen den beiden Stufen ist zur Unterdrückung von Rauschen und Spontanemission, die durch Reflexion angeregt werden, ein optischer Isolator eingebracht.
Bei diesem Verstärker zeigt sich keine Leistungsbegrenzungswirkung bei einer einzigen Signalwellenlänge.
In der EP 0 470 497 wird ein optischer Faserverstärker gezeigt, bei dem eine spulenförmige, mit Erbium dotierte optische Faser verwendet wird, deren Krümmungsradius so festgelegt ist, daß der bei dem Signallicht mit der Wellenlänge 1,536 µm verursachte Biegeverlust klein ist, während der bei dem durch Erbiumspontanemission erzeugten Licht mit der Wellenlänge 1,55 µm erzeugte Biegeverlust groß ist. Der bevorzugte Biegungsradius beträgt 20 mm, und die Verstärkung nimmt deutlich ab, wenn der Krümmungsradius 13 mm oder weniger beträgt.
Keine Leistungsbegrenzungswirkung wird bei der Signalwellenlänge gezeigt, und kein differentieller Verlust zwischen Signal- und Pumplicht wird gelehrt.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein optischer Leistungsbegrenzungsverstärker hergestellt werden kann, indem ein konzentrierter Verlust für die Signalwellenlänge innerhalb des Abschnitts des dotierten optischen Wellenleiters oder der dotierten optischen Faser des Verstärkers verursacht wird, wenn der Verlustwert und die Position entlang des Wellenleiters gemäß einem vorbestimmten Verhältnis ordnungsgemäß gewählt werden, so daß eine nahezu konstante Ausgangsleistung in einem Eingangssignalleistungsbereich größer als 15 dB erreicht wird.
Die Erfindung sieht einen optischen Verstärker vor mit:
- einem mit seltener Erde dotierten optischen Wellenleiter,
- einer Signaleingangseinrichtung, die Signale mit Signalwellenlänge in einem Signaleingangsleistungsbereich empfängt,
- einer Pumpeinrichtung, die Pumpleistung mit einer Pumpwellenlänge liefert,
- einer Kopplungseinrichtung zum Koppeln der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter,
- einer Signalausgangseinrichtung, die mit Ausgangsleistung verstärkte Ausgangssignale durch stimulierte Emission der im Wellenleiter gepumpten seltenen Erde emittiert,
dadurch gekennzeichnet, daß eine einen differentiellen Verlust verursachende Einrichtung, die einen Verlust für ein Signal verursacht, das um einen vorbestimmten Verlustbetrag größer ist als der Verlust für die Pumpwellenlänge, an einer vorbestimmten Position entlang des Wellenleiters angeordnet ist, wobei der vorbestimmte Verlustbetrag und die vorbestimmte Verlustposition in einem gegenseitigen Verhältnis zueinander gewählt werden, jm eine Verstärkung schwächerer Eingangssignale innerhalb des Signaleingangsleistungsbereichs zu verursachen, die um einen Betrag größer ist als die Verstärkung stärkerer Eingangssignale in diesem Bereich, wobei der Verstärkungsbetrag in einem dynamischen Bereich von Eingangssignalen, die stärker als 15 dB sind, eine im wesentlichen konstante Ausgangsleistung sicherstellt.
Der Wellenleiter weist vorzugsweise eine mit seltener Erde dotierte optische Faser auf.
Der Wellenleiter ist vorzugsweise mit Erbium dotiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorbestimmte Verlustbetrag größer als 2 dB und noch bevorzugter größer als 3 dB.
Die vorbestimmte Position entlang des Wellenleiters liegt zwischen 50 und 75% der Gesamtlänge des mit seltener Erde dotierten Wellenleiters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das gegenseitige Verhältnis zwischen dem vorbestimmten Verlustbetrag und der vorbestimmten Verlustposition darin, daß der Verlustbetrag mit zunehmendem Positionswert entlang des Wellenleiters zunimmt.
Vorzugsweise wird mindestens ein Teil der Pumpleistung zur Ausbreitung in dem mit seltener Erde dotierten optischen Wellenleiter in der Richtung des Signals zugeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die einen differentiellen Verlust verursachende Einrichtung aus einer Spule mit einer oder mehr Windungen einer optischen Faser, die einen vorbestimmten Radius haben und optisch mit dem Wellenleiter gekoppelt sind.
Die einen differentiellen Verlust verursachende Einrichtung besteht insbesondere aus einer Spule mit einer oder mehr Windungen einer optischen Faser, die einen vorbestimmten Radius haben und optisch mit der mit seltener Erde dotierten optischen Faser gekoppelt sind.
Die Spule besteht vorzugsweise aus einer oder mehr Windungen der gleichen mit seltener Erde dotierten optischen Faser.
Der vorbestimmte Windungsradius ist vorzugsweise ein Radius, der kleiner ist als ein Radius, bei dem die Ausbreitungsmode der Signalwellenlänge in der Faser einen Verlust erfährt, der größer ist als 0,1 dB pro Windung.
Die optische Faser ist vorzugsweise bei der Pumpwellenlänge im Einfachmodus.
In einer noch bevorzugteren Ausführungsform hat die optische Faser eine Grenzwellenlänge, die zwischen 800 und 950 nm liegt, und ihre Pumpwellenlänge beträgt 980 nm.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung einen optischen Isolator auf.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung eine für die Pumpwellenlänge wirksame Überbrückungseinrichtung auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter einen Wellenlängen-Teilungs-Muitiplexer auf, der einen Eingang hat, der mit einer Pumpquelle verbunden ist.
Insbesondere weist die Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter einen Wellenlängen-Teiler-Multiplexer auf, dessen erster Eingang mit einer Pumpquelle verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit einer Signalquelle verbunden ist, und an dessen Ausgang die Signal- und Pumpleistung zusammengekoppelt sind, und der mit dem Wellenleiter verbunden ist.
Alternativ dazu weist die Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter einen ersten Wellenlängen-Teiler-Multiplexer auf, der milt einem ersten Ende des Wellenleiters verbunden ist, und einen zweiten Wellenlängen-Teiler-Multiplexer, der mit einem zweiten Ende des Wellenleiters verbunden ist, wodurch ein bidirektionales Pumpen ermöglicht wird.
Die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung ist vorzugsweise in weniger als 10% der gesamten Wellenleiterlänge konzentriert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung eine erste differentiellen Verlust verursachende Einrichtung auf, die nach einem ersten Teil des Wellenleiters in Signalausbreitungsrichtung entlang des Wellenleiters angeordnet ist, und eine zweite differentiellen Verlust verursachende Einrichtung, die durch ein Wellenleiterzwischenteil von der ersten differentiellen Verlust verursachenden Einrichtung getrennt ist, wobei die erste differentiellen Verlust verursachende Einrichtung einen optischen Isolator aufweist.
Vorzugsweise ist mindestens der differentielle Verlust aufgrund der zweiten differentiellen Verlust verursachenden Einrichtung größer als 2 dB.
Vorzugsweise liegt die Länge des ersten Wellenleiterteils zwischen 15 und 45% der gesamten Wellenleiterlänge.
Die Summe der Längen des ersten Wellenleiterteils und des Wellenleiterzwischenteils beträgt vorzugsweise mindestens 50% der gesamten Wellenleiterlänge.
Die Erfindung ermäglicht die Herstellung eines dotierten optischen Verstärkers mit einem dynamischen Bereich über 25 dB mit der zusätzlichen Fähigkeit der optischen Steuerung der konstanten Ausgangssignalleistung.
Die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung kann einen implementierten Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust aufweisen, z.B. wenn der Wellenleiter aus einer optischen Faser hergestellt ist, indem die Faser an einer oder mehreren einzelnen Positionen eng gespult wird.
Alternativ dazu könnte der Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust durch einen Isolator implementiert werden, d.h. durch eine Konponente, die die Übertragung von optischer Leistung nur in einer Richtung erlaubt.
Der Einsatz eines Isolators hat den zusätzlichen Vorteil, daß er einen differentiellen Verlust zwischen der sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden verstärkten Spontanemission verursacht, indem er die sich rückwärts ausbreitende Spontanemission blockiert. Dies führt zu besserer Leistungsfähigkeit.
Der optische Wellenleiter kann mit einer seltenen Erde, vorzugsweise Erbium, dotiert werden, obwohl andere Dotierungsstoffe, wie z.B. Übergangsmetalle, ebenfalls geeignet sein können.
Der Verstärker weist ferner vorzugsweise mindestens einen Wellenlängen-Teiler-Multiplexer-Koppler auf, dessen Ausgang mit dem Wellenleiter verbunden ist, und dessen Eingänge mit Pump- bzw. Signalguellen verbunden sind. In einer weiteren Anordnung können Wellenlängen-Teiler-Multiplexer-Koppler an jedem Ende der Faser vorgesehen sein, um bidirektionales Pumpen zu ermöglichen.
Einige Beispiele für erfindungsgemäße Verstärker werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 die Übertragungskennlinie eines herkömmlichen Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser und eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers darstellt;
Fig. 2 einen allgemeinen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers mit unidirektionalem Pumpen und einem einzigen Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust darstellt;
Fig. 3 ein Beispiel für einen Verstärker gemäß Fig. 2 darstellt, bei dem ein örtlich gehäufter Verlust durch eine Faserspule erreicht wird;
Fig. 4 ein Beispiel für einen Verstärker gemäß Fig. 2 darstellt, bei dem der örtlich gehäufte Verlust durch einen optischen Isolator erreicht wird;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers mit bidirektionalem Pumpen darstellt;
Fig. 6 den Aufbau einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers mit unidirektionalem Pumpen und einem doppelten Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust darstellt;
Fig. 7 die Schwankung der Pump- und Signalleistungs-Entwicklung entlang der Länge eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers für zwei extreme Eingangssignalleistungwerte von -25 dBm und 0 dBm und eine Eingangsleistung von 20 mW darstellt;
Fig. 8 die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eines erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers von verschiedenen Positionen des örtlich gehäuften Verlusts darstellt, bei dem die Eingangspumpleistung 20 mW beträgt und der Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser eine Länge von 6 m aufweist;
Fig. 9 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines durch 30 mW, 40 mW bzw. 60 mW Pumpleistung unidirektional gepumpten optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers darstellt, wobei der örtlich gehäufte Verlust der sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden verstärkten Spontanemission des Signals 3 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 10 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines durch 30 mW Gesamtpumpleistung unidirektional bzw. bidirektional gepumpten optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers darstellt, wobei der örtlich gehäufte Verlust der sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden verstärkten Spontanemission des Signals 3 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 11 das Verhältnis zwischen Verlust und Windungsradius bei verschiedenen numerischen Aperturen der Faser darstellt, wenn der Verlust durch enges Spulen der Faser erreicht wird;
Fig. 12 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers an verschiedenen Positionen entlang der Faser darstellt, wenn der örtlich gehäufte Verlust des Signals 1 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 13 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers an verschiedenen Positionen entlang der Faser darstellt, wenn der örtlich gehäufte Verlust des Signals 2 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 14 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers an verschiedenen Positionen entlang der Faser darstellt, wenn der örtlich gehäufte Verlust des Signals 3 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 15 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers an verschiedenen Positionen entlang der Faser darstellt, wenn der örtlich gehäufte Verlust des Signals 4 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 16 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers an verschiedenen Positionen entlang der Faser darstellt, wenn der örtlich gehäufte Verlust des Signals 5 dB und der Pumpverlust 0 dB beträgt;
Fig. 17 die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers von Fig. 6 verdeutlicht.
Die Eingangs-Ausgangs-Signalkennlinie eines optischen Verstärkers ist in Fig. 1 durch die teilweise gepunktete Kurve 1 dargestellt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, nimmt die Ausgangsleistung (in willkürlichen Einheiten dargestellt) im ersten Teil 1a (ununterbrochene Linie) der Kurve 1 mit der Eingangsleistung im wesentlichen linear zu, während die Ausgangsleistung bei Verstärkung der Eingangssignalleistung nach einem bestimmten Wert aufgrund von Verstärkungssättigungswirkungen, die eine weiche Begrenzungswirkung der Ausgangsleistung liefern, in nichtlinearer Weise monoton zunimmt.
Bei vielen Anwendungen ist jedoch in einem Welten Eingangssignalleistungsbereich eine konstante Ausgangsleistung (harte Begrenzung) gemäß der ununterbrochenen Linie 2 von Fig. 1 erforderlich.
Wie in der Figur gezeigt ist, hat die Linie 2 einen im wesentlichen konstanten Teil 2a, in dem die Ausgangsleistung als Reaktion auf den Eingangsleistungsanstieg innerhalb des Bereichs "D" der Eingangssignalleistung um weniger als ± 015 dB schwankt.
Der Bereich D der Eingangssignalleistung des oben definierten Teils 2a des Verstärkerfrequenzgangs wird als "dynamischer Bereich" des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers bezeichnet.
Der durch die Erfindung erhaltene dynamische Bereich ist größer als 15 dB und vorzugsweise größer als 20 dB.
Erfindungsgemäße Verstärker sind mit dem in Fig. 2 gezeigten allgemeinen Aufbau hergestellt worden und bestanden aus einem Abschnitt einer mit Erbium dotierten optischen Faser, die ällgemein mit 3 angegeben und an einem Ende 4 mit der Ausgangsfaser 5 eines Wellenlängen-Teiler-Multiplexer- Kopplers 6 verbunden ist, dessen Eingangsfasern 7 und 8 mit Signal- und Pumpquellen S bzw. P verbunden sind, die die Wellenlängen λs bzw. λp haben.
Die Ausgangsleistungsbegrenzungswirkung des Verstärkers wurde durch die Einführung eines Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust 9 innerhalb der Länge der optischen Faser geschaffen, der nach einem Weg entlang eines ersten optischen Faserteils 10 einen Verlust in das Signal einbrachte. Die Pumpe dagegen kann sich entlang der gesamten Länge einer mit Erbium dotierten Faser 3 ohne oder mit minimalen zusätzlichen Verlusten ausbreiten. So bewirkte der örtlich gehäufte Verlust 9 einen differentiellen Verlust zwischen der Pump- und der Signalleistung.
Nach einem zweiten optischen Faserteil 11 wurde das Signal an dem Ausgangsende 12 der mit Erbium dotierten Faser herausgeführt und überwacht.
Im praktischen Einsatz des Verstärkers kann die Signalquelle durch eine davor angeordnete optische Telekommunikationsfaser einer optischen Telekommunikationsleitung ersetzt werden, die das zu verstärkende Signal leitet, während eine dahinter angeordnete Faser einer optischen Telekommunikationsleitung oder eines optischen Empfangsapparates an das Faserausgangsende 12 angeschlossen werden kann.
Bei allen folgenden Beispielen betrug die Pumpwellenlänge ungefähr 980 nm, und die Signalwellenlänge beträgt ungefähr 1,53 µm, Die bei den Versuchen und theoretischen Berechnungen benutzten Parameter sind unten in Tabelle 1 angegeben.

BEISPIEL 1

Bei einem ersten Versuch wurde ein Verstärker gemäß dem in Fig. 2 allgemein gezeigten Aufbau hergestellt, und der Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust 9 wurde mittels einer wie in Fig. 3 gezeigten Faserspule 9a erhalten.
Die mit Erbium dotierte Faser wurde mit 10 Windungen mit einem Radius von 5 mm gespult, und der sich ergebende Verlust betrug 3 dB bei der Signalwellenlänge und 0 dB bei der Pumpwellenlänge.
Der erste mit Erbium dotierte Faserteil 10 hatte eine Länge von 37,5 m, während der zweite mit Erbium dotierte Faserteil 11 eine Länge von 22,5 m hatte, so daß die Gesamtlänge der mit Erblum dotierten Faser 3 60 m betrug, und der Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust bei 62,5 % der Faserlänge angeordnet war.
Die von einer aus einer Laserdiode bestehenden Pumpquelle gelieferte Pumpleistung betrug 20 mW.
Die Ausgangsleistung des Verstärkers wurde am Faserende 12 gemessen, und das Ergebnis wird durch die Kurve 13 von Fig. 8 dargestellt.
Wie in der Figur gezeigt, wurde ein konstanter Verstärkungsbereich mit einem dynamischen Bereich von ungefähr 20 dB beobachtet.
Die gleichen Ergebnisse wurden durch Berechnung bei einer mit Erbium dotierten Faser mit einer Er³&spplus;-Konzentration von 10²&sup5; m&supmin;³ und einer Gesamtlänge von 6 m erzielt, wobei der örtlich gehäufte Verlust nach 3,75 m der Faser positioniert wurde. Die übrigen Parameter waren gleich.

BEISPIEL 2

Ein Verstärker wurde mit dem gleichen Aufbau wie in Beispiel 1 hergeslellt, aber der Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust wurde nach einem ersten Teil 10 positioniert, der bei derselben Fasergesamtlänge von 60 m eine Länge von 55 m hatte, was 91% der Fasergesamtlänge entsprach (normalisierte Länge 0,91).
Die Ausgangskennlinie ist in Fig. 8 durch Kurve 14 dargestellt.
Wie durch die Abbildung gezeigt, wurde kein konstanter Ausgangsleistungsbereich beobachtet.

BEISPIEL 3

Ein Verstärker wurde mit dem gleichen Aufbau wie in Beispiel 1 hergestellt, aber der Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust wurde nach einem ersten Bereich 10 positioniert, der bei derselben Fasergesamtlänge von 60 m eine Länge von 20 m hatte, was 33% der Fasergesamtlänge entsprach (normalisierte Länge 0,33).
Die Ausgangskennlinie ist in Fig. 8 durch Kurve 15 dargestellt.
Wie durch die Figur gezeigt ist, wurde im wesentlichen kein konstanter Ausgangsleistungsbereich beobachtet.

BEISPIEL 4

Ein Verstärker wurde mit dem gleichen Aufbau wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei der Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust in der Mitte der mit Erbium dotierten Faser, die eine Gesamtlänge von 60 m hatte, positioniert wurde.
Der Verstärker ist mit verschiedenen Eingangspumpleistungen getestet worden, wobei die Position und Stärke des örtlich gehäuften Verlusts unverändert belassen wurde.
Durch Erhöhung der Eingangspumpleistung von 20 mW auf 60 mW wurde festgestellt, daß die Signalausgangsleistung des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers von ungefähr 8 dBm auf ungefähr 14 dBm anstieg. Außerdem nimmt der dynamische Bereich des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers um ungefähr 5 dB zu.
Die gemessene Ausgangsleistung des Verstärkers ist in Fig. 9 mit den Kurven 16, 17, 18, 19 gezeigt, die 20 mW, 30 mW, 40 mW bzw. 60 mW Pumpleistung entsprechen.

BEISPIEL 5

Fig. 5 zeigt einen modifizierten Versuch, bei dem ein zweiter Wellenlängen-Teiler-Multiplexer-Koppler 24 mit dem Ende 12 der optischen Faser 1 verbunden ist und eine Faser 25 hat, die mit einer zweiten Pumpquelle P' verbunden ist, so daß die Pumpe auch von dem Ende 12 in die Faser eingegeben wird, während das Ausgangssignal von der Faser 26 des Kopplers abgenommen wird.
In Fig. 10 entsprechen die Kurven 27 und 28 der Eingangs- Ausgangs-Signalkennlinie des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers für uni- bzw. bidirektionales Pumpen. In beiden Fällen beträgt die Gesamtpumpleistung 30 mW. In dem bidirektionalen Fall (Kurve 28) werden das vordere und ferne Ende des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers mit 20 mW und 10 mW Pumpleistung beleuchtet. Das bidirektionale Pumpen führt auch zu einer Zunahme der Ausgangssignalleistung um 1 dB und einer viel flacheren Kennlinie über den gesamten dynamischen Bereich.
Ein Verstärker mit dem allgemein in Fig. 2 dargestellten Aufbau kann auch mit einem optischen Isolator 20 hergestellt werden, um den in Fig. 4 gezeigten Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust 9 zu erhalten. Der optische Isolator ist ein Bauteil, das die Übertragung von optischer Leistung nur in einer Richtung erlaubt und einen Verlust in das Signal einbringt.
Optische Isolatoren sind im Handel erhältlich und bekannter Stand der Technik und werden deshalb nicht ausführlicher beschrieben.
Die Pumpleistung kann durch die Koppler 21, 22 und die Umgehungsfaser 23 den Isolator mit minimalem Verlust umgehen.
Der durch den Isolator verursachte Signalverlust kann mit den durch die Koppler verursachten Dämpfungen 3 dB betragen, während der durch die Koppler und Spleißubgen verursachte Verlust in der Pumpleistung weniger als 0,5 dB betragen kann.
Mit der gleichen Position des Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust 9 wie im Beispiel 1 ist eine ähnliche Eingangs-Ausgangs-Kennlinie zu erwarten.
Eine solche Konstruktion hat den Vorteil, daß die Rauschzahl des Verstärkers im Vergleich zu der Konstruktion des Versuchs in Beispiel 1 um mehr als 1 dB verringert wird.
Die Rauschzahl wird definiert als NF (S/N)i/(S/N)o, wobei (SIN)i und (S/N)o das Signal-/Rauschverhältnis gemessen am Eingang bzw. am Ausgang bedeuten.
Aus dem vorstehenden folgt, daß die Verwendung eines Isolators zum Erhalten der Leistungsbegrenzungswirkung den Vorteil hat, einen differentiellen Verlust zwischen der sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden verstärkten Spontanemission durch Blockieren der sich rückwärts ausbreitenden verstärkten Spontanemission zu verursachen und dadurch das Rauschen in dem Verstärker zu verringern, selbst wenn die für einen Isolator für die gewünschte Begrenzungswirkung zu wählende Position außerhalb des Isolatorpositionsbereichs liegt, der zum Erhalten einer nützlichen niedrigen Rauschzahl im Verstärker geeignet ist und der, wie festgestellt wurde, 15-45% der Verstärkerfaserlänge beträgt, wie in der vorher angeführten Patentanmeldung EP 93300762.7 offenbart wurde.

BEISPIEL 6

Fig. 6 zeigt einen weiteren Versuch, bei dem ein optischer Isolator 20 und relative Koppler und Umgehungsfaser 21, 22, 23 für die Pumpleistung zwischen einem ersten mit Erbium dotierten Faserteil 29 und einem zweiten mit Erbium dotierten Faserteil 30 eingefügt wurde; ein durch eine Faserspule gebildeter Mechanismus für differentiellen Verlust 9 wurde zwischen dem zweiten Faserteil 30 und einem dritten mit Erbium dotierten Faserteil 31 eingefügt.
Der erste, zweite und dritte Faserteil 29, 30, 31 bilden zusammen die mit Erbium dotierte Faser 3 des Verstärkers, der das Signaleingangsende 4 und das Signalausgangsende 12 aufweist.
Das Signal wurde der Eingangsfaser 7 des Kopplers 6 zugeführt, und die Pumpleistung wurde durch die Pumpquelle P der Faser 8 des Kopplers 6 zugeführt, dessen Ausgangsfaser an das Eingangsende 4 der mit Erbium dotierten Faser 3 gespleißt war.
Das Ausgangssignal wurde am Ausgangsende 12 der mit Erbium dotierten Faser 3 abgenommen und überwacht.
Die Gesamtlänge der mit Erbium dotierten Faser betrug 80 m, der erste Faserteil 29 hatte eine Länge von 15 m und der zweite Faserteil hatte eine Länge von 40 m.
Der Verlust durch den Isolator 20 betrug 1 dB für die Signalleistung und 015 dB für die Pumpleistung.
Der Verlust durch den Mechanismus für differentiellen Verlust 9 (Faserwindungen) betrug 3 dB für die Signalleistung und 0 dB für die Pumpleistung.
Die mit Erbium dotierte Faser 3 hatte eine numerische Apertur NA =0,24, und die übrigen Fasereigenschaften sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Die Pumpleistung betrug 50 mW.
Die Verstärkerkennlinie ist in Fig. 17 durch die Kurve 32 dargestellt.
Die Kurve 33 der Fig. 17 bezieht sich auf einen Verstärker, der die gleiche mit Erbium dotierte Faser mit einer Gesamtlänge von 80 m benutzt, wobei ein Isolator nach einem ersten Faserteil von 35 m, d.h. bei 43% der Gesamtlänge positioniert war, was im Umfang der bereits angeführten Patentanmeldung EP-A-0556973 liegt.
Der differentielle Verlust durch den Isolator betrug 1 dB für die Signalleistung und 0,5 dB für die Pumpleistung; die Pumpleistung betrug 50 mW.
Aus Fig. 17 ist offensichtlich, daß der Verstärker der Fig. 6 (Kurve 32) einen brauchbaren dynamischen Bereich D hat, in dem die Ausgangsleistung im wesentlichen konstant ist (±0,5 dB) und im Bereich um 35 dB liegt, während die Kurve 33 ohne brauchbaren dynamischen Bereich eine kontinuierliche Zunahme der Ausgangssignalleistung als Reaktion auf die Eingangssignalleistung zeigt, (die Ausgangsleistung nimmt bei einer Zunahme der Eingangssignalleistung von weniger als 15 dB um mehr als 0,5 dB zu).
Das zugrundeliegende Wirkungsprinzip des erfindungsgemäßen Leistungsbegrenzungsverstärkers wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 erklärt, wo die Pump- und Signalentwicklung entlang der normalisierten Faserlänge für zwei extreme Eingabesignalleistungen von -25 dBm und 0 dBm gezeigt wird, die mit einer ununterbrochenen bzw. einer gestrichelten Linie gezogen sind. Das Pumpen erfolgt unidirektional (Fig. 2) mit einer Eingangspumpleistung von 20 mW. Die Begrenzungswirkung wird durch das feine Gleichgewicht zwischen der Pumpleistung und der Leistung des verstärkten Signais in Stufe I und II (die dem ersten und zweiten Faserteil 10 bzw. 11 entsprechen) vor und nach der Position des örtlich gehäuften Verlusts erreicht.
In Stufe I werden beide Signale mit dem Hocheingangsleistungs- (0 dBm) Signal verstärkt, das erwartungsgemäß höhere Pegel erreicht als das Niedrigeingangsleistungs- (-25 dBm) Signal. Die Pumpleistung wird jedoch von dem Niedrigemgangsleistungssignal langsamer erschöpft, und es ist genügend Restpumpleistung in Stufe II verfügbar, um das gedämpfte schwache Eingangssignal auf denselben Pegel wie den des starken Eingangssignals zu verstärken.
Das Hocheingangsleistungssignal andererseits erschöpft die Pumpleistung in Stufe I stark auf sehr niedrige Pegel. Gegen Ende von Stufe II fällt die Pumpleistung unter den Schwellenwert, und das Signal wird geringfügig gedämpft, um einen gleich hohen Wert wie den des Niedrigeingangsleistungssignals zu erreichen. Die Signale der Zwischeneingangsleistung entwickeln sich in einer analogen Weise und konvergieren gegen denselben Ausgangspegel.
Das gleiche Wirkungsprinzip gilt im Falle des bidirektionalen Pumpens (Fig. 5).
Es ist zu beachten, daß erfindungsgemäß die Leistungsbegrenzungswirkung im Verstärker vorzugsweise dann erhalten wird, wenn mindestens ein Teil der Pumpleistung in der Richtung des Signals zugeführt wird und ein ausreichender Pumpleistungspegel an der Position des örtlich gehäuften Verlusts in der Faser vorhanden ist, um zur Verstärkung des Niedrigeingangsleistungssignals im dynamischen Bereich des Verstärkers beizutragen.
Wie bereits erwähnt, ist die Begrenzungswirkung des erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers auf ein Gleichgewicht zwischen der relativen Restpumpen- und Signalleistung an der Position des örtlich gehäuften Verlusts angewiesen.
Deshalb wird erwartet, daß sich der Betrag und die relative Position des örtlich gehäuften Verlusts entlang der Faserlänge auf die Übertragungskennlinie und den dynamischen Bereich des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers auswirken.
In Fig. 8 sind die Eingangs-Ausgangssignalleistungs-Kennlinien des erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers für verschiedene Positionen des örtlich gehäuften Verlusts gezeigt. Die induzierten Signal- und Pumpverluste betragen 3 dB bzw. 0 dB, was z.B. durch Spulen der Faser leicht erreichbar ist. Die Eingangspumpleistung beträgt 20 mW, und die Gesamtlänge des Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser beträgt 60 m. Es wird eindeutig gezeigt, daß die beste Kennlinie des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers erreicht wird, wenn der örtlich gehäufte Verlust 37,5 m vom Eingangsende des Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser entfernt positioniert wird.
Zum Vergleich ist auch der verlustlose Fall in derselben Figur dargestellt (gestrichelte Linie).
Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers ist die Möglichkeit, die Ausgangssignalleistung durch Verändern der Eingangspumpleistung optisch zu steuern.
In Fig. 9 wird die Eingangs-Ausgangssignalkennlinie des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers gezeigt, die durch unidirektionales Pumpen bei verschiedenen Eingangsleistungen erhalten wird.
Ein örtlich gehäufter Verlust (3 dB für das Signal, sich vorwärts und rückwärts ausbreitende verstärkte Spontanemission und 0 dB für die Pumpe) wird in der Mitte eibes 60 m Langen Verstärkers mit einer mit Erbium dotierten Faser positioniert. Durch Erhöhen der Eingangsleistung von 20 mW auf 60 mW steigt die Signalausgangsleistung des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers von ungefähr 8 dBm auf ungefähr 14 dBm an. Außerdem nimmt der dynamische Bereich des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers um ungefähr 5 dB zu. Position und Stärke des örtlich gehäuften Verlusts bleiben unverändert.
In dem Fall, in dem bidirektionales Pumpen angewandt wird (Fig. 5), ist die Kennlinie des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers weiter verbessert, wie in Fig. 10 gezeigt wird.
Der durch eine Faserwindung verursachte differentielle örtlich gehäufte Verlust beruht auf der Tatsache, daß in einer Faser im Einfachmodus bei Signal- und Pumpwellenlänge und insbesondere, wenn die Pumpwellenlänge ungefähr 980 nm und die Signaiwellenlänge ungefähr 1,53 um beträgt, das Pumplicht eine Wellenlänge λp aufweist, was nahe an der Grenzwellenlänge λc ist, die die Wellenlänge ist, unterhalb der zusätzlich zum Grundmodus Lp&sub0;&sub1; Modi höherer Ordnung innerhalb der Faser geleitet werden, während die Signalwellenlänge weit von derselben Grenzwellenlänge λc entfernt ist.
Bei den oben angegebenen Pump- und Signalwellenlängen wird die Grenzwellenlänge c vorzugsweise zwischen 800 und 950 nm gewählt.
In diesem Zustand ist die Pumpleistung gut innerhalb des Faserkerns bzw. -leiters gehalten, und es wird kein Entweichen zugelassen, selbst wenn die Faser mit einem kleinen Radius gebogen wird.
Die Signalwellenlänge wiederum ist weit von der Grenzwellenlänge entfernt, und ein größerer Anteil des Feldes breitet sich innerhalb des Fasermantels aus, so daß bei Vorhandensein einer Biegung der Modus vielleicht nicht mehr innerhalb der Faser geführt wird, was zu einem Leistungsverlust führt.
Die Erscheinung hängt von der numerischen Apertur NA der Faser und von dem Windungsradius ab; das Verhältnis zwischen Verlust (dB/Windung) und Windungsradius ist in Fig. 11 für verschiedene NA der Faser gezeigt.
Die NA der Faser wird definiert als:
NA = (n&sub1;² - n&sub2;²) ½,
wobei n&sub1; der Brechungsindex des Kerns und n&sub2; der Brechungsindex des Mantels ist.
Wie aus der Figur offensichtlich ist, erforderte die bei den Versuchen verwendete Faser mit NA = 0,24 ungefähr 10 Windungen mit einem Radius von 0,5 cm, um den gewünschten Verlust von 3 dB zu erreichen.
Ähnlich kann mit einer NA = 0,2 der gleiche Verlust von 3 dB bei Signalwellenlänge mit ungefähr 20 Windungen mit Radius 1 cm oder 3 Windungen mit Radius 0,8 cm erreicht werden.
Die Windungen können mit derselben mit Erbium dotierten Faser 3 des Verstärkers oder mittels eines anderen Faserteils, der zwischen den zwei Teilen 10, 11 eingefügt wird und mit dem erforderlichen Windungsradius und der erforderlichen Windungsanzahl gespult wird, hergestellt werden.
Die Figuren 22 bis 16 zeigen die Kennlinie eines optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers mit verschiedenen Verlustwerten und unterschiedlichen normalisierten Positionen entlang der mit Erbium dotierten Faser, zwischen 0,2 (obere Kurven) und 0,9 (untere Kurven), die auf der Grundlage der obigen Versuche abgeleitet und bewertet sind.
Insbesondere enthält Fig. 12 die Kurven, die die Kennlinie des Verstärkers für 1 dB differentiellen Verlust zwischen den Signal- und Pumpleistungn darstellen; Fig. 13 enthält die Kurven, die den Verlauf für 2 dB differentiellen Verlust darstellen; Fig. 14 enthält die Kurven, die den Verlauf für 3 dB differentiellen Verlust darstellen, Fig. 15 enthält die Kurven, die den Verlauf für 4 dB differentiellen Verlust darstellen und Fig. 16 enthält die Kurven, die den Verlauf für 5 dB differentiellen Verlust darstellen.
Aus den obigen Darstellungen ist es offensichtlich, daß der Wert des differentiellen Verlusts, die Position des Verlusts und der sich ergebende dynamische Bereich miteinander ib Beziehung stehen.
Während sich insbesondere ein differentieller Verlust von 1 dB zum Erzielen einer brauchbaren Begrenzungswirkung als unbefriedigend erwies, lieferte ein Verlust von 2 dB, der bei 50% der Länge der mit Erbium dotierten Faser positioniert war, einen dynamischen Bereich von 15 dB.
Bei größerem differentiellen Verlust (3 bis 5 dB) wurde eine Zunahme des dynamischen Bereichs bis zu 20-25 dB bei zunehmender optimaler normalisierter Position festgestellt.
Ferner wurde beobachtet, daß ein differentieller Verlust vor ungefähr 50% der Länge der mit Erbium dotierten Faser nicht als geeignet befunden wurde, um die gewünschte Ausgabeleistungsbegrenzungswirkung in den experimentellen Zuständen zu erzeugen.
Aufgrund der vorhergehenden Versuche und Überlegungen wird angenommen, daß die gewünschte Leistungsbegrenzungswirkung, die durch einen dynamischen Bereich von vorzugsweise mehr als 15 dB gekennzeichnet ist, mit einem geeigneten differentiellen Verlust hinter 45% der Länge der mit Erbium dotierten Faser erhalten werden kann.
Dementsprechend umfaßt die vorliegende Erfindung insbesondere keine Verstärker, bei denen der differentielle Verlust nur durch einen Isolator verursacht wird, der sich bei oder vor 45% der Länge der mit Erbium dotierten Faser befindet.
Eine Zusammenfassung der Leistung verschiedener optischer Leistungsbegrenzungsverstärker mit differentiellem örtlich gehäuften Verlust mit unterschiedlichen Werten und an unterschiedlichen Positionen ist in Tabelle 2 aufgeführt.
Der erfindungsgemäße mit Erbium dotierte optische Leistungsbegrenzungsverstärker kann in verschiedenen faseroptischen Übertragungs- und Verteilungsnetzwerken verwendet werden. Er kann beispielsweise als Leitungs-, Leistungs- oder Vorverstärker in einem Langstreckensystem oder in einer Teilnehmerschleife eingesetzt werden, wo Übertragungs- oder Verteilungsverluste entlang dem Netzwerk schwanken.
Sie können auch zur Entzerrung einer verzerrt empfangenen Leistung von den unterschiedlichen Endgeräten in einem Schaltbzw. Koppelnetz verwendet werden.
Die Einrichtung für örtlich gehäuften Verlust läßt sich am einfachsten durch enges Winden der Faser, wie in Fig. 3 gezeigt, erreichen.
Andere herkömmliche Verfahren zum Erreichen des örtlich gehäuften Verlusts könnten ebenfalls angewandt werden.
Der differentielle örtlich gehäufte Verlust kann beispielsweise durch einen Koppler erreicht werden, der in der Lage ist, einen Teil der sich in der Faser ausbreitenden Signalwellenlänge in einer zweiten Faser zu koppeln, wo er zerstreut wird, ohne in die mit Erbium dotierte Faser zurückzukehren, während sich die Pumpleistung in der mit Erbium dotierten Faser ohne Koppeln in der zweiten Faser vorwärtsbewegen kann.
Obwohl in den Beispielen 1 bis 6 ein einziger Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust gezeigt wird, ist es auch möglich, daß mehrere Mechanismen für örtlich gehäuften Verlust vorhanden sind, wie in Fig. 7 gezeigt.
Wie durch die Kurve 32 in Fig. 17 gezeigt, ist es insbesondere offensichtlich, daß das gleichzeitige Vorhandensein des Isolators 20, der allein nicht ausreicht, (wegen seines Werts für differentiellen Verlust und seiner Position), um eine brauchbare Leistungsbegrenzungswirkung zu erzielen, und eines Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust 9 einen Leistungsbegrenzungsverstärker mit einem größeren dynamischen Bereich im Vergleich zu einem Verstärker gemäß Beispiel 1, in dem nur ein einziger Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust verwendet wird, erzeugt.
Um die gewünschte Wirkung zu erhalten, sind die Werte für geeignete Position und differentiellen Verlust für den Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust 9 in der Ausführungsform von Fig. 6 vorzugsweise die gleichen wie die für einen einzigen Verlustmechanismus angegebenen. Der bevorzugte Wert für differentiellen Verlust durch den Isolator ist größer als 1 dB.
Da der bevorzugte Positionsbereick für den Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust, der zur Erzielung der Leistungsbegrenzungswirkung verwendet wird, den optimalen Positionsbereich des zur Verringerung der Rauschzahl benutzten Isolators nicht beeinträchtigt, kann die Wahl der entsprechenden Positionen im Verstärker ohne Einschränkungen erfolgen.
Außerdem kann verteilter Verlust genutzt werden, d.h. ein differentieller Verlust, der in einer Länge der mit Erbium dotierten Faser verteilt ist, anstatt eines differentiellen Verlusts, der an einer begrenzten Position der mit Erbium dotierten Faser konzentriert ist, obwohl die Kennlinie nicht so wirkungsvoll wäre wie mit einem Mechanismus für örtlich gehäuften Verlust.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung gilt ein differentieller Verlust als "konzentriert", wenn er sich über weniger als ungefähr 10% der Gesamtlänge der Faser erstreckt. Das ist der Fall, wenn der differentielle Verlust durch eine Reihe von Faserwindungen mit kleinem Radius erreicht wird.
Beispielsweise benutzt die Spule aus 10 Windungen mit 0,5 cm Radius von Beispiel 1 ungefähr 30 cm Faser, was 0,5% der gesamten Faserlänge von 60 m ausmacht.

TABELLE 1

Typische Werte der verschiedenen bei den Versuchen und Berechnungen der Leistungskennlinie des optischen Begrenzungs verstärkers benutzten Parameter.
a) Faserparameter.
Numerische Apertur 0,3
Grenzwellenlänge 835 nm
Signalabsorptionsquerschnitt 7, 9x10&supmin;²&sup5;m²
Signalemissionsquerschnitt 6,7x10&supmin;²&sup5;m²
Pumpabsorptionsquerschnitt 2, 55x10&supmin;²&sup5;m²
Pumpemissionsquerschnitt 0 m
Signalhintergrundverlust 0 dB/Km
Pumphintergrundverlust 0 dB/Km
Fluoreszenz-Lebensdauer 12,1 ms
Zur verstärkten Spontanemission
äquivalente Bandbreite 4,5 nm
Er³&spplus;-Konzentration 10²&sup4; m&supmin;³
Dotierungsstoff/Kern-Verhältnis (Rc) 1
b) Pump- und Signalparameter
Signalweltenlänge 1536 nm
Pumpwellenlänge 980 nm TABELLE 2 Zusammenfassung der Leistung des optischen Leistungsbegrenzungsverstärkers mit örtlich gehäuftem Verlust.

Claims

1. Optischer Verstärker mit

- einem mit seltener Erde dotierten optischen Wellenleiter (10, 11),

- einer Signaleirigangseinrichtung (7), die Signale mit einer Signalwellenlänge (λs) in einem Signaleingangsleistungsbereich empfängt,

- einer Pumpeinrichtung (8), die Pumpleistung mit einer Pumpwellenlänge (λp) liefert,

- einer Kopplungseinrichtung (6) zum Koppeln der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter,

- einer Signalausgangseinrichtung (12), die mit Ausgangsleistung verstärkte Ausgangssignale durch stimulierte Emission der im Wellenleiter gepumpten seltenen Erde emittiert,

dadurch gekennzeichnet, daß eine einen differentiellen Verlust verursachende Einrichtung (9), die einen Verlust für ein Signal verursacht, das um einen vorbestimmten Verlustbetrag größer ist als der Verlust für die Pumpwellenlänge, an einer vorbestimmten Position entlang des Wellenleiters angeordnet ist, wobei der vorbestimmte Verlustbetrag und die vorbestimmte Verlustposition in einem gegenseitigen Verhältnis zueinander gewählt werden, um eine Verstärkung schwächerer Eingangssignale innerhalb des Signaleingangsleistungsbereichs zu verursachen, die um einen Betrag größer ist als die Verstärkung stärkerer Eingangssignale in diesem Bereich, wobei der Verstärkungsbetrag in einem dynamischen Bereich von Eingangssignalen, die stärker als 15 dB sind, eine im wesentlichen konstante Ausgangsleistung sicherstellt.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine mit seltener Erde dotierte optische Faser aufweisen kann.

3. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter mit Erbium dotiert ist.

4. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Verlustbetrag größer als 2dB ist.

5. Optischer Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Verlustbetrag größer als 3dB ist.

6. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Position entlang des Wellenlei ters ein Wert ist, der zwischen 50 und 75% der Gesamtlänge des mit seltener Erde dotierten Wellenleiters beträgt.

7. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenseitige Verhältnis zwischen dem vorbestimmten Verlustbetrag und der vorbestimmten Position darin besteht, daß der Verlustbetrag mit zunehmendem Positionswert entlang des Wellenleiters zunimmt.

8. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Pumpleistung zur Ausbreitung in dem mit seltener Erde dotierten optischen Wellenleiter in der Richtung des Signals zugeführt wird.

9. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen differentiellen Verlust verursachende Einrichtung aus einer Spule mit einer oder mehr Windungen einer optischen Faser besteht, die einen vorbestimmten Radius haben und optisch mit dem Wellenleiter gekoppelt sind.

10. Optischer Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen differentiellen Verlust verursachende Einrichtung aus einer Spule mit einer oder mehr Windungen einer optischen Faser besteht, die einen vorbestimmten Radius haben und optisch mit der mit seltener Erde dotierten optischen Faser gekoppelt sind.

11. Optischer Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einer oder mehr Spulen der gleichen mit seltener Erde dotierten optischen Faser besteht.

12. Optischer Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Windungsradius ein Radius ist, der kleiner ist als ein Radius, bei dem die Ausbreitungsmode der Signalwellenlänge in der Faser einen Verlust erfährt, der größer ist als 0,1 dB pro Windung.

13. Optischer Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser bei der Pumpwellenlänge im EinfAchmodus ist.

14. Optischer Verstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine Grenzwellenlänge hat, die zwischen 800 und 950 nm liegt, und ihre Pumpwellenlänge 980 nm ist.

15. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung einen optischen Isolator aufweist.

16. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung eine für die Pumpwellenlänge wirksame Überbrükkungseinrichtung aufweist.

17. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter eine Wellenlängen-Teiler-Multiplexiereinrichtung aufweist, deren einer Eingang mit einer Pumpquelle verbunden ist.

18. Optischer Verstärker nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter eine Wellenlängen-Teiler-Multiplexiereinrichtung aufweist, deren einer Eingang mit einer Pumpquelle, deren zweiter Eingang mit einer Signalquelle verbunden ist und an deren Ausgang die Signal- und die Pumpleistung zusammengekoppelt sind, und die mit dem Wellenleiter verbunden ist.

19. Optischer Verstärker nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Signale und der Pumpleistung in dem mit seltener Erde dotierten Wellenleiter eine erste Wellenlängen-Teiler-Multiplexiereinrichtung aufweist, die mit einem ersten Ende des Wellenleiters verbunden ist, und eine zweite Wellenlängen-Teiler-Multiplexiereinrichtung, die mit einem zweiten Ende des Wellenleiters verbunden ist, wodurch ein bidirektionales Pumpen ermöglicht wird.

20. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung in weniger als 10% der gesamten Wellenleiterlänge konzentriert ist.

21. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den differentiellen Verlust verursachende Einrichtung eine erste differentiellen Verlust verursachende Einrichtung aufweist, die nach einem ersten Teil des Wellenleiters in Signalausbreitungsrichtung entlang des Wellenleiters angeordnet ist, und eine zweite differentiellen Verlust verursachende Einrichtung, die durch ein Wellenleiterzwischenteil von der ersten differentiellen Verlust verursachenden Einrichtung getrennt ist, wobei die erste differentiellen Verlust verursachende Einrichtung einen optischen Isolator aufweist.

22. Optischer Verstärker nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der differentielle Verlust aufgrund der zweiten differentiellen Verlust verursachenden Einrichtung größer ist als 2 dB.

23. Optischer Verstärker nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des ersten Wellenleiterteils zwischen 15 und 45% der gesamten Wellenleiterlänge liegt.

24. Optischer Verstärker nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Längen des ersten Wellenleiterteils und des Wellenleiterzwischenteils mindestens 50% der gesamten Wellenleiterlänge beträgt.