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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme, die
Faseroptik verwenden, und insbesondere auf eine verbesserte
Anordnung zum Ausrichten optischer Fasern.
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Bei vielen Anwendungen werden optische Übertragungssysteme
verwendet. Die Faseroptik liefert ein kostengünstiges
Verfahren zum Übertragen eines Lichtsignals von einem Punkt
zu einem anderen. Ferner ermöglicht die Faseroptik eine
Übertragung über Wege, die Geometrien aufweisen, die
komplexer sind als die durch die herkömmliche Optik
bereitgestellten geradlinigen Segmente.
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Während optische Übertragungssysteme viele Vorteile
aufweisen, sind diese Systeme besonders problematisch, wenn Licht
von einer Faser mit einer zweiten Faser gekoppelt werden
muß, nachdem es gefiltert oder auf andere Weise verarbeitet
wurde. Man betrachte ein System, bei dem Licht eine erste
optische Faser verläßt, irgendein optisches Element
passiert und anschließend in eine zweite optische Faser neu
abgebildet wird. Bei bekannten Systemen wird das Ende der
ersten optischen Faser in einem Winkel geschnitten, um zu
verhindern, daß sich Reflexionen von der Glas-Luft-
Schnittstelle an der optischen Faser entlang
rückausbreiten. Ferner muß die geschnittene Faser poliert werden, um
zu verhindern, daß Unvollkommenheiten, die sich aus dem
Schneidevorgang ergeben, sich Rückausbreitungsreflexionen
erzeugen. Schließlich wird eine Antireflexionsbeschichtung
auf das geschnittene und polierte Ende aufgebracht, um
Reflexionen weiter zu verringern. Die Kosten einer
derartigen Behandlung jedes geschnittenen Endes erlegt der
Verwendung von Systemen, bei denen Licht aus einer Faser
austreten und Luft passieren muß, wirtschaftliche Beschränkungen
auf.
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Ein zweites Problem bei derartigen Systemen ergibt sich aus
dem hohen Maß einer Ausrichtgenauigkeit, die zwischen den
optischen Fasern benötigt wird. Bei Einmodenfasern müssen
die Enden mit einer Toleranz in der Größenordnung eines
Mikrometers ausgerichtet sein. Ferner müssen die Fasern vom
Standpunkt einer Drehung her eingeschränkt sein. Auch wenn
eine Faser korrekt im Raum feststehend ist, weist die
andere Faser bezüglich des feststehenden Endes der ersten
Faser zwei Rotationsfreiheitsgrade und drei
Raumfreiheitsgrade auf. Das hohe Maß an Ausrichtgenauigkeit erhöht die
Kosten von Systemen dieser Art beträchtlich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum
Ausrichten einer Mehrzahl von optischen Fasern gemäß
Anspruch 1 vorgesehen. Diese Vorrichtung kann eine
verbesserte Ausrichtung von Fasern in bezug aufeinander liefern.
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Es ist ferner möglich, eine Vorrichtung zum Verringern des
Reflexionsvermögens von geschnittenen Faserenden
bereitzustellen, die kein Polieren der Enden erfordert.
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Die bevorzugte Ausrichtvorrichtung kann bei viel geringeren
Kosten in Massenproduktion hergestellt werden als bekannte
Ausrichtmechanismen.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel schafft eine Vorrichtung
zum Ausrichten einer Mehrzahl von optischen Fasern in
vorbestimmten Positionen in bezug aufeinander. Die
Vorrichtung umfaßt eine obere Platte und eine untere Platte, die
in derselben einen ersten Satz von Ausrichtungsrillen
aufweist, wobei jeder optischen Faser eine derartige Rille
entspricht. Die Ausrichtungsrillen sind derart
positioniert, daß sich die optischen Fasern in ihren korrekten
Positionen in bezug aufeinander befinden, wenn die
optischen Fasern durch die obere Platte an die Unterseite der
Rillen gedrückt werden. Um Reflexionen von geschnittenen
Fasern zu verringern, sind diese optischen Fasern in einem
Winkel bezüglich der Achse der optischen Faser geschnitten,
und das geschnittene Ende ist durch eine Klebstoffschicht,
die denselben Brechungsindex aufweist wie der Kern der
optischen Faser, mit einer optischen Flachstelle verbunden,
wodurch verhindert wird, daß Unvollkommenheiten, die durch
den Schneidevorgang eingebracht werden, bewirken, daß Licht
in die Faser zurückreflektiert wird. Daher werden die bei
Systemen des Standes der Technik verwendeten Polierschritte
vermieden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfaßt die optische Flachstelle
ferner ein Antireflexionsmaterial auf der nicht mit
Klebstoff versehenen Oberfläche derselben. Die untere Platte
wird vorzugsweise unter Verwendung von
photolithographischen Ätztechniken hergestellt, die ähnlich denen sind, die
bei einem Mikrobearbeiten und bei einer Herstellung von
integrierten Schaltungen verwendet werden. Dies ermöglicht
es, daß die unteren Platten in Massenproduktion hergestellt
werden können, während die engen Toleranzen, die für hohe
Lichtsammeleffizienzen benötigt werden, beibehalten werden.
Mit Hilfe weiterer Rillen in den unteren Platten können
ferner verschiedene optische Komponenten an den unteren
Platten in Rillen angebracht sein.
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Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird
nachstehend lediglich beispielhaft ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 die Herstellung von Faserenden bei Anwendungen,
bei denen Licht von einer ersten Faser in eine
zweite Faser abgebildet wird;
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Fig. 2 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer
Ausrichtvorrichtung;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten
Ausrichtvorrichtung durch Linie 120-121;
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten
Ausrichtvorrichtung durch Linie 122-123;
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Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Optische-
Verarbeitung-Anordnung, die die durch Optische-
Verarbeitung-Elemente eingebrachten
Ausrichtprobleme veranschaulicht;
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Fig. 6 eine Draufsicht einer beispielhaften universellen
Kollimatorplattform;
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Fig. 7 eine schematische Zeichnung eines herkömmlichen
optischen Verstärkers;
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Fig. 8 eine Draufsicht eines Beispiel eines optischen
Verstärkers; und
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Fig. 9 eine Draufsicht eines weiteren Beispiels eines
optischen Verstärkers.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird eventuell leichter
unter Bezugnahme auf Fig. 1 verstanden, die das Abbilden
von Licht von einer ersten Faser 12 in eine zweite Faser 14
mittels einer Linse 16 veranschaulicht. Wie oben angegeben
wurde, müssen die Enden jeder Faser behandelt werden, um zu
vermeiden, daß sich Reflexionen, die an der Glas/Luft-
Schnittstelle erzeugt werden, entlang der Faser
rückausbreiten. Diese Behandlung besteht in der Regel aus einem
Schneiden des Endes in einem Winkel, wie bei 18 gezeigt
ist, Polieren des Endes und anschließendem Beschichten des
Endes mit einer Antireflexionsbeschichtung. Falls eine
Anzahl von Fasern in bezug aufeinander positioniert werden
muß, muß jedes Ende geschnitten, poliert und beschichtet
werden.
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Nun sei auf Fig. 2, 3 und 4 Bezug genommen, die ein
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ausrichten mehrerer
optischer Fasern in bezug aufeinander und zum Passivieren
der Enden, um Reflexionen zu verringern, veranschaulichen.
Die erforderliche Ausrichttoleranz wird durch einen Sockel,
auch als untere Platte bezeichnet, 102 geliefert, der bzw.
die Ausrichtungsrillen 104 umfaßt, die derart positioniert
sind, daß Fasern, die an die Unterseite jedes Schlitzes
gedrückt werden, in bezug aufeinander ordnungsgemäß
ausgerichtet werden. Beispielhafte Fasern sind bei 105-110
gezeigt. Die Fasern werden durch die obere Platte 112, die
vorzugsweise an den Sockel 102 gekittet ist, an die Rillen
104 gedrückt. Die Art und Weise, wie der Sockel 102
aufgebaut ist, wird nachstehend ausführlicher erläutert.
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Bei dem in Fig. 2-4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die
zwischen jedem Faserpaar liegenden optischen Komponenten
durch Blöcke 133-135 angegeben. Ausführungsbeispiele mit
spezifischen optischen Elementen werden nachstehend
ausführlicher erörtert.
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Nun sei auf Fig. 4 Bezug genommen, die veranschaulicht, auf
welche Weise die Enden der optischen Fasern behandelt
werden, um zu verhindern, daß Licht an den Glas/Luft-
Schnittstellen an den Fasern entlang zurückreflektiert
wird. Nachdem die Fasern mittels der oberen Platte an der
unteren Platte bzw. dem Sockel befestigt wurden, wird jede
Faser in dem gewünschten Winkel geschnitten, indem ein
Sägeschnitt durch die obere Platte 112 erfolgt. Der Schnitt
erstreckt sich in den Sockel 102, wie bei 131 und 132
gezeigt ist. Der Sägeschnitt durchtrennt jede Faser im
richtigen Winkel. Man sollte beachten, daß ein einziger
Sägeschnitt mehrere Fasern durchtrennt. Im Gegensatz zu
bekannten Systemen werden die Enden der optischen Fasern
nach dem Sägeschnitt nicht poliert. Statt dessen wird mit
Hilfe einer Schicht 145 aus transparentem Kitt, auch als
Klebstoff bezeichnet, eine Platte 146 an die Faserenden
gekittet. Der Brechungsindex des Kitts wird so gewählt, daß
er im Fall einer Einmodenfaser dem Brechungsindex des Kerns
der Faser entspricht. Falls die Faser eine GRIN-Linse ist,
wird der Index so gewählt, daß er dem Index der
Mittelregion der GRIN-Linse entspricht. Die Platte 146 ist aus einem
Material aufgebaut, das denselben Brechungsindex aufweist
wie die Kittschicht. Daher werden jegliche Kratzer auf der
Seite der Platte 146, die sich in Kontakt mit der
Kittschicht oder an dem geschnittenen Faserende befindet, durch
die Kittschicht eliminiert. Die Oberfläche 147 der Platte
146, die sich nicht in Kontakt mit der Kittschicht
befindet, wird vorzugsweise mit einem Antireflexionsmaterial
beschichtet, um Reflexionen weiter zu verringern.
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Man sollte beachten, daß die Platte 146 eine kostengünstige
Komponente ist, die lediglich eine optisch flache
Oberfläche, d. h. Oberfläche 147, aufweisen muß. Daher kann die
Vorrichtung 100 unter Kosten hergestellt werden, die
wesentlich geringer sind als die Kosten von Systemen, bei
denen die Faserenden poliert und mit dem
Antireflexionsmaterial beschichtet werden. Man hat experimentell
festgestellt, daß das hierin beschriebene Antireflexionssystem
genausogut funktioniert wie das herkömmliche System
geschnittener und polierter Enden. Somit liefert dieses
System die Vorteile der Systeme des Standes der Technik bei
wesentlich verringerten Kosten.
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Der Sockel 102 kann unter Verwendung herkömmlicher
Photolithographietechniken hergestellt werden. Derartige Techniken
liefern die erforderliche Ausrichtgenauigkeit und
ermöglichen eine Massenproduktion. Techniken zum Liefern von V-
Rillen in Silizium oder Keramik sind in der
Mikrobearbeitungstechnik hinreichend bekannt. Im Fall eines
Siliziumsubstrats kann beispielsweise ein KOH-Ätzmittel verwendet
werden. KOH liefert ein nicht-isotropes Ätzen, bei dem die
Ätzrate der (111)-Ebene so niedrig ist, daß der Ätzvorgang
praktisch an den (111)-Ebenen gestoppt wird. Daher führt
eine Ätzmaske, die zu der (110)-Richtung auf einem (100)-
Siliziumwafer ausgerichtet ist, zu einer V-Rille, die durch
zwei (111)-Ebenen gebildet ist, die sich in einem Winkel
von genau 70,53º schneiden. Die Tiefe der V-Rille wird
einzig und allein durch die Breite der Maskenöffnung
bestimmt. Daher kann eine zweidimensionale Lithographie
verwendet werden, um eine genaue dreidimensionale V-
Rillenstruktur zu erzeugen.
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Die Fähigkeit, optische Plattformen, die eine präzise
feststehende Ausrichtung aufweisen, in Massenproduktion
herzustellen, befähigt das System, für eine Anzahl
optischer Komponenten verwendet zu werden. Bei vielen
Anwendungen muß Licht, das an einer ersten optischen Faser
entlangwandert, durch eine bestimmte optische Komponente
gefiltert, polarisiert und auf andere Weise verarbeitet werden,
bevor es an einer zweiten optischen Faser entlang
weiterwandert. Die allgemeine Anordnung für ein derartiges
Verarbeiten ist in Fig. 5 bei 160 gezeigt. Licht, das an einer
optischen Faser 161 entlangwandert, wird durch eine Linse
164 kollimiert und passiert anschließend eine optische
Komponente 162. Das die Komponente 162 verlassende Licht
wird anschließend durch eine zweite Linse 165 gesammelt,
die dieses Licht in die optische Ausgangsfaser 163
abbildet. Um Reflexionen an der optischen Faser 161 zurück zu
eliminieren, ist die optische Komponente 162 derart
positioniert, daß sich die Normale zu ihrer Oberfläche in einem
Winkel bezüglich der optischen Achse der optischen Faser
161 befindet. Aufgrund des Unterschieds des Brechungsindex
der Komponente 162 und von Luft führt diese winkelmäßige
Verschiebung dazu, daß das die Komponente 162 verlassende
Licht in einem Ausmaß 167, das von der Dicke und dem
Brechungsindex der Komponente 162 abhängt, bezüglich der
optischen Achse der optischen Faser 161 verschoben wird.
Wie oben erwähnt wurde, muß die Ausrichtung der optischen
Faser 163 streng gesteuert werden, um eine hohe
Lichtsammlungseffizienz aufrechtzuerhalten.
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Bei Optische-Verarbeitung-Systemen des Standes der Technik
sind die Kosten eines Ausrichtens der Fasern für jede
unterschiedliche optische Komponente sehr hoch. Die
Erfindung liefert eine Einrichtung zum Herstellen sehr genau
ausgerichteter optischer Fasern und Komponenten in
Massenproduktion; daher stellt eine Ausrichtvorrichtung gemäß der
Erfindung eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem
Stand der Technik dar.
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Insbesondere kann die Erfindung verwendet werden, um eine
universelle optische Plattform zum Verarbeiten von Licht,
das zwischen optischen Fasern oder Teilsätzen derselben
wandert, herzustellen. Eine schematische Draufsicht einer
exemplarischen Plattform ist in Fig. 6 bei 200 gezeigt. Die
Plattform 200 verarbeitet Licht von optischen Fasern 202-
205. Über beliebige der Fasern kann Licht entweder in die
Plattform eintreten oder dieselbe verlassen. Das eine Faser
verlassende oder in eine solche eintretende Licht wird
durch eine entsprechende Linse abgebildet oder kollimiert.
Die den optischen Fasern 202-205 entsprechenden Linsen sind
jeweils bei 212-215 gezeigt. Das tatsächliche Verarbeiten
des Lichts wird durch eine Beschichtung bewerkstelligt, die
auf eines oder mehrere der 5 optischen Elemente, die bei
221-225 gezeigt sind, aufgebracht wird.
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Die Plattform 200 kann verwendet werden, um Licht, das
zwischen zwei Fasern, die einander gegenüberliegen,
beispielsweise Fasern 202 und 204, wandert, zu filtern und zu
polarisieren. Die Plattform 200 kann ferner verwendet
werden, um durch ein Verwenden der Fasern, die in rechten
Winkeln zu diesen Fasern angeordnet sind, einen
Strahlenteiler oder einen Wellenlängenteilungsmultiplexer
herzustellen.
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Alle oben beschriebenen Funktionen können durch Verwenden
verschiedener optischer Beschichtungen auf den optischen
Elementen 221-225 bewerkstelligt werden. Diese optischen
Elemente sind transparent und vorzugsweise planar. Bei
Abwesenheit jeglicher Beschichtungen auf den optischen
Elementen 221-225 sind die Fasern derart ausgerichtet, daß
Licht, das die Faser 202 verläßt, in die Faser 204
abgebildet wird. Desgleichen wird Licht, das die Faser 205
verläßt, in die Faser 203 abgebildet. Schließlich wird Licht,
das die Faser 202 verläßt und von dem optischen Element 225
reflektiert wird, in die Faser 203 abgebildet. Diese
Ausrichtung berücksichtigt jegliches Strahlauseinanderlaufen,
die durch das Hindurchtreten des Lichts durch die
verschiedenen optischen Elemente hervorgerufen wird. Man sollte
beachten, daß die Elemente 221-224 vorzugsweise derart
positioniert sind, daß Licht, das von ihren Oberflächen
reflektiert wird, nicht in die Faser zurück abgebildet
wird, aus der es stammte.
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Die Plattform, auf der die verschiedenen Komponenten
angebracht sind, wird vorzugsweise wie oben beschrieben
hergestellt. Bei allen Anwendungen müssen sich alle fünf der
optischen Komponenten an ihrem Platz befinden. Für jegliche
spezifische Anwendung sind eine oder mehrere der optischen
Komponenten mit einem Dünnfilm beschichtet, der das
erforderliche optische Verarbeiten lieferte. Falls
beispielsweise ein Strahlenteiler hergestellt werden soll, wird die
Oberfläche des optischen Elements 225 mit einer teilweise
reflektierenden Beschichtung beschichtet. Falls zwischen
den Fasern 202 und 204 ein Filter- oder
Polarisierungsvorgang durchgeführt werden soll, wird die Oberfläche eines
der Elemente 221 und 223 beschichtet. Da die Beschichtungen
viel dünner sind als die optischen Elemente, kann jegliches
Auseinanderlaufen, das sich aus einem Dickenunterschied des
beschichteten Elements ergibt, vernachlässigt werden. Somit
kann für eine große Anzahl von Anwendungen eine einzige in
Massenproduktion hergestellte optische Anordnung verwendet
werden, ohne das Erfordernis, die Vorrichtung für jede neue
Anwendung auszurichten.
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Die oben beschriebene beispielhafte Plattform 200
verwendete eine Linse, die von dem benachbarten optischen Element
getrennt war, um das Licht von dem optischen Element in die
entsprechende optische Faser abzubilden. Fachleuten wird
jedoch einleuchten, daß die Linse mit dem optischen Element
kombiniert werden könnte, falls nicht-planare optische
Elemente akzeptabel sind.
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Es gibt eine Reihe von anderen Optische-Verarbeitung-
Vorrichtungen, die vorteilhafterweise unter Verwendung
einer optischen Ausrichtvorrichtung, wie sie hierin
beschrieben ist, aufgebaut werden können. Beispielsweise
können an einer derartigen Vorrichtung optische Verstärker
aufgebaut werden. Die Art und Weise, auf die ein typischer
optischer Verstärker arbeitet, leuchtet vielleicht unter
Bezugnahme auf Fig. 7, die eine schematische Zeichnung
eines bekannten Ausführungsbeispiels eines optischen
Verstärkers 300 mit Er-dotierter Faser, eher ein. Der optische
Verstärker 300 verstärkt ein an einer Faser 302
eingegebenes Lichtsignal. Die Eingangsseite der Faser 302 ist durch
einen optischen Isolator 303 isoliert. Das Licht wird in
einer Er-Dotierte-Faser-Schleife 305, die mittels Lasern
304 und 306 gepumpt wird, verstärkt. Das Pumplicht wird
durch Wellenteilungsmultiplexer (WDMs - wave division
multiplexers) 309 und 310 in die Schleife 305 gekoppelt.
Das verstärkte Licht von der Schleife 305 wird anschließend
gefiltert, um jegliches Licht mit der Pumpfrequenz zu
entfernen. Das Ausgangsende der Faser 302 ist durch einen
Isolator 307 von Komponenten auf der Ausgangsseite der
Faser 302 isoliert. Die optischen Isolatoren verhindern ein
Lasern in dem Verstärker, indem sie gewährleisten, daß
Licht in der Er-Dotierte-Faser-Schleife 305 lediglich in
einer Richtung wandert.
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Nun sei auf Fig. 8 Bezug genommen, die eine schematische
Zeichnung eines optischen Verstärkers mit Er-dotierter
Faser zum Verstärken eines an einer optischen Faser 404
empfangenen Signals ist. Das verstärkte Lichtsignal wird
mit einer optischen Faser 410 gekoppelt. Das an der
optischen Faser 402 empfangene Lichtsignal wird durch eine
Kugellinse 403 kollimiert und tritt in die Er-dotierte
optische Faser 404 ein, nachdem es den Isolator 406 und den
WDM 407 passiert hat. Licht von einem Pumplaser 408 wird
von der Oberfläche des WDM 407 reflektiert und tritt
ebenfalls in dieses Ende der dotierten Faser 404 ein. Der
optische Isolator 406 führt Funktionen aus, die analog zu
den in Fig. 7 gezeigten Isolatoren 303 und 307 sind. Das
Lichtsignal wird verstärkt, während es die dotierte Faser
404 passiert. Das verstärkte Signal wird durch eine
Kugellinse 412 in die Ausgangsfaser 410 abgebildet.
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Um das Pumpen der dotierten Faser 404 zu verbessern, können
ein zweiter Pumplaser 409 und ein WDM 405 enthalten sein.
Das zweite Pumpsystem ermöglicht, daß die dotierte Faser
von beiden Enden gepumpt wird. Der optische Isolator 406
verhindert, daß das Licht von dem Pumplaser 409 durch die
Ausgangsfaser 410 entweicht.
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Man sollte beachten, daß ein einziger optischer Isolator
406 die Isolierungsfunktionen der beiden Isolatoren
erfüllt, die oben unter Bezugnahme auf den in Fig. 7
gezeigten optischen Verstärker erwähnt wurden. Zusätzlich zu
einem Bereitstellen eines optischen Verstärkers, der auf
einer kostengünstigen, in Massenproduktion hergestellten
Plattform zusammengebaut werden kann, eliminiert der
optische Verstärker 400 einen optischen Isolator. Man sollte
beachten, daß die Kosten der optischen Isolatoren bei
optischen Verstärkern des in Fig. 7 gezeigten Typs einen
beträchtlichen Anteil der Kosten derartiger Verstärker
ausmachen. Daher liefert dieses Beispiel zusätzliche
Vorteile gegenüber optischen Verstärkern des Standes der
Technik.
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Ein alternatives Beispiel eines optischen Verstärkers ist
in Fig. 9 bei 500 gezeigt. Dieses Beispiel verwendet zwei
optische Isolatoren 531 und 532, um zu gewährleisten, daß
Licht in einer Er-dotierten Faser 504 lediglich in einer
Richtung wandert; im Gegensatz zu dem optischen Verstärker
400 erfordert dieses Beispiel jedoch lediglich einen
Pumplaser. Das Eingangslicht wird an einer Faser 502 empfangen,
und das verstärkte Lichtsignal tritt durch eine Faser 510
aus. Die Er-dotierte Faser 504 ist über die Isolatoren 531
und 532 mit dem Verstärker gekoppelt. Die Er-dotierte Faser
wird mittels eines Lasers 525, der über einen WDM 522 mit
der Faser 504 gekoppelt ist, gepumpt.
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Linsen 520-523 liefern die erforderlichen
Abbildungsfunktionen. Die Linsen 520-521 koppeln das Licht von der
Eingangsfaser 502 in die Faser 504 und das aus der Faser 504
austretende Licht in die Ausgangsfaser 510. Die Linse 523
bildet das Pumplicht in die Faser 504 ab.