DE69716237T2 - Optische Verstärker und Verstärkungsverfahren - Google Patents

Optische Verstärker und Verstärkungsverfahren

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Description

  • Die Erfindung betrifft optische Verstärker mit den Eigenschaften geringen Rauschens und hoher Verstärkung sowie Verstärkungsverfahren.
  • In jüngster Zeit wurde die Entwicklung eines optischen Verstärkers, bei dem eine optische Faser mit einem mit einem Element der seltenen Erden dotierten Kernen als Verstärkungsmedium bereitgestellt ist, für Anwendungen auf dem Gebiet der optischen Kommunikation vorangetrieben. Es wurde insbesondere ein Erbium-(Er³&spplus;)-dotierter Faserverstärker (EDFA) entwickelt, und außerdem werden Entwicklungsbemühungen zur Erweiterung der Anwendungen des EDFA auf ein optisches Kommunikationssystem unternommen.
  • Kürzlich wurde dabei eine Wellenlängemultiplextechnik (WDM) ausgiebig untersucht, um der für die kommende Jahre zu erwartenden Angebotsausweitung von Kommunikationsdiensten gerecht zu werden. Die WDM-Technik ist eine optische Kommunikationstechnik, die ein System von Multiplexwellenlängen zur effektiven Verwendung eines verfügbaren Übertragungsmediums verwendet, damit es zur Vergrößerung eines Übertragungsvolumens führt. Eine der für den in der WDM-Technik angewendeten EDFA erforderlichen Eigenschaften ist eine schmale Variation bei der Verstärkung bezüglich einer Signalwellenlänge. Der Grund ist, dass es Leistungsunterschiede unter den optischen Signalen gibt, die übergangsverstärkt werden, indem sie durch eine Mehrfachstufenanordnung des EDFA geleitet werden, sodass eine Durchführung der Signalübertragung mit über alle verwendeten Wellenlängen homogen aufrechterhaltenen Eigenschaften schwierig ist. Daher wurde der einen flachen Verstärkungsbereich bezüglich der vorbestimmten Wellenlängen zeigende EDFA durch Fachleute untersucht.
  • Als vielversprechenster Kandidat für den EDFA wurde einem Erbium dotierten (E³&spplus;) Fluoridfaserverstärker (F-EDFA) Beachtung geschenkt, bei dem eine fluoridbasierte Faser als Wirtsmaterial für Er³&spplus; verwendet wird. Der F-EDFA ist gekennzeichnet durch sein Emissionsspektrum, das durch einen Übergang von dem &sup4;I13/2-Niveau auf das &sup4;I15/2-Niveau der Er³&spplus;-Ionen in dem Fluoridglas in einem Wellenlängenband von 1,55 um verursacht wird.
  • Fig. 1 zeigt ein typisches spontanes Amplitudenemissionsspektrum (ASE) des F-EDFA. Diese Figur zeigt außerdem das ASE-Spektrum einer Er³&spplus;-dotierten Quarzglasfaser (S-EDFA). Gemäß der Figur ist das Emissionsspektrum (durchgezogene Linie in der Figur) des F-EDFA breiter als das Emissionsspektrum (strichlierte Linie in der Figur) des S-EDFA. Zusätzlich ist die Ansprechkurve des F-EDFA glatter als die des S-EDFA und im oberen Teil des Verlaufs flach, ohne einen von einer Wellenlänge in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich abhängigen steilen Abschnitt (M. Yamada et al. IEEE Photon. Technol. Lett., Band 8, Seiten 882-884, 1996). Weiterhin wurden Experimente über Wellenlängenmultiplexverfahren unter Verwendung von mehrfachgestuften F-EDFAs ausgeführt, wobei als Ausführungsbeispiel eine Kaskadenkonfiguration mit einem 980 nm gepumpten S-EDFA und einem 1480 nm gepumpten F- EDFA genannt wird (M. Yamada et al. IEEE Photon. Technol. Lett., Band 8, Seiten 620-622, 1996)
  • Trotz der vorstehend angeführten Entwicklungsbemühungen weist der F-EDFA das Problem auf, dass er eine Rauschfigur (NF) nicht soweit reduzieren kann, wie es bei dem S-EDFA beobachtet wird, und zwar aus den folgenden Gründen.
  • Fig. 2 zeigt ein Energiediagramm von Er³&spplus;. Eine Phonenenergie nimmt einen Wert in der Größenordnung von 1,100 cm&supmin;¹ an, wenn der EDFA eine optische Quärzglasfaser als Verstärkungsmedium verwendet (d. h. im Falle des S- EDFA), sodass eine vorteilhafte Besetzungsinversion zwischen dem &sup4;I13/2-Niveau und dem &sup4;I15/2-Niveau durch eine effiziente Anregung auf das &sup4;I13/2-Niveau als Ergebnis einer phononemittierten Relaxation von höheren Energieniveaus auf das &sup4;I13/2-Niveau nach einer Anregung auf das &sup4;I13/2-Niveau durch 0,98 um-Pumplicht ausgebildet werden kann (Fig. 2(A)). Folglich ermöglicht der S-EDFA eine Reduktion in der NF um etwa 4 dE nahe an einer Quantengrenze (3 dB). Andererseits kann der F-EDFA nicht eine Anregung auf das &sup4;I13/2-Niveau unter Verwendung eines Übergangs von dem &sup4;I15/2-Niveau auf das &sup4;I11/2-Niveau aufgrund seiner geringen Phonenenergie durchführen. Genauer weist der F-EDFA eine Phonenenergie von etwa 500 cm&supmin;¹ auf, was nahezu die Hälfte der Phonenenergie des S-EDFA ist, sodass die Verursachung einer phonenemittierten Relaxation von dem &sup4;I11/2-Niveau auf das &sup4;I13/2-Niveau und der Erhalt einer Verstärkung durch 0,98 um-Pumplicht schwierig ist. Dabei wird daher eine Verstärkung bei einer Wellenlänge von 1,55 um durch eine direkte Anregung von dem &sup4;I15/2-Niveau auf das &sup4;I13/2-Niveau unter Verwendung von Licht bei einer Pumpwellenlänge von etwa 1,48 um erhalten (Fig. 2(B)). Diese Art der Anregung ist jedoch eine Anfangsanregung des Grundenergieniveaus auf das höhere Energieniveau, sodass die Bewirkung einer günstigen Besetzungsinversion, bei der die Anzahl von Er³&spplus;-Ionen auf höheren Energieniveaus jener auf niederen Energieniveaus überschreitet, schwierig ist, was zu der hohen NF führt (d. h. 6 bis 7 dB).
  • Daher wurde der bekannte F-EFDA nicht mit günstigen Rauscheigenschaften im Vergleich zu denen des S-EFDA verwirklicht.
  • Ferner offenbart die Druckschrift US-5247529 eine angeregte Zustandsabsorption (ESA) durch eine Wellenlänge λ&sub3; = 850 nm und die bei dieser ESA verwendeten Energieniveaus sind &sup4;I13/2 und &sup4;S3/2. Die Funktion dieser ESA ist die Verminderung des optischen Verstärkungsgrads.
  • Zudem offenbaren die Druckschriften JP-A-04149525 und US- 5134517 Verstärkungsstrukturen, welche denen ähnlich sind, die erfindungsgemäß verwendet werden, außer den Fluoridgläsern als Verstärkungsmedium.
  • Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das vorstehend beschriebene Problem (d. h. einer hohen Rauschfigur) des bekannten F-EDFA zu lösen und einen optischen Verstärker mit den Eigenschaften geringen Rauschens sowie einer hohen und flachen Verstärkung sowie ein Verstärkungsverfahren bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst.
  • Erfindungsgemäße und vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die beigefügten abhängigen Ansprüche definiert.
  • Fig. 1 zeigt ein typisches spontanes Amplitudenemissionsspektrum (ASE) des F-EDFA;
  • Fig. 2 zeigt das Energiediagramm von Er³&spplus; für den bekannten S-EDFA in (A) und den bekannten F-EDFA (B);
  • Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen den Wellenlängen und dem Absorptions- oder Emissionsquerschnitt bezüglich des Energiezustands zwischen dem &sup4;I15/2-Niveau und dem &sup4;I11/2- Niveau;
  • Fig. 4 zeigt ein Energiediagramm für Er³ für den erfindungsgemäßen F-EDFA;
  • Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines optischen Verstärkers unter Verwendung einer Er³&spplus;-dotierten ZrF&sub4;- basierten Fluoridfaser in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen den Pumpwellenlängen und den. Signalverstärkungen bezüglich des optischen Verstärkers unter Verwendung der Er³&spplus;-dotierten ZrF&sub4;-basierten Fluoridfaser aus Fig. 5; und
  • Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines optischen Verstärkers als eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung.
  • Jeder der erfindungsgemäßen optischen Verstärker und der erfindungsgemäßen Verstärkungsverfahren ist hauptsächlich gekennzeichnet durch die Verwendung von zumindest einem Pumplicht bei einer Wellenlänge in dem Bereich von 0,96 um bis 0,98 um für die Anregung von Er³&spplus; von den Grundniveau auf das &sup4;I11/2-Niveau aus den nachstehend aufgeführten Gründen.
  • Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen den Pumpwellenlängen und der Querschnittsflächen (in der Figur zeigt eine durchgezogene Linie ein Absorptionsquerschnitt und eine strichlierte Linie einen induzierten Emissionsquerschnitt) bezüglich eines Energiezustands zwischen dem &sup4;I15/2-Niveau auf das &sup4;I11/2-Niveau. In dem Wellenlängenbereich von über etwa 980 nm wird gemäß der Figur die induzierte Emissionsquerschnittfläche (strichlierte Linie) größer als die Absorptionsquerschnittsfläche (durchgezogene Linie). Daher tritt ein induzierter Emissionsübergang von dem &sup4;I11/2-Niveau auf das &sup4;I15/2-Niveau im Vergleich zu einem Absorptionsübergang von dem &sup4;I15/2-Niveau auf das &sup4;I11/2- Niveau in diesem Wellenlängenbereich tendenziell stärker auf, sodass die Anregung auf das &sup4;I11/2-Niveau nicht effektiv in Erscheinung gebracht werden kann. Wie in der Figur deutlich gezeigt ist, kann die Anregung auf das &sup4;I11/2-Niveau durch Pumpen bei einer kürzeren Wellenlänge als 980 nm effektiv in Erscheinung gebracht werden. Dabei ist andererseits die Pump-ESA (angeregte Zustandsabsorption) von dem &sup4;I11/2-Niveau auf das &sup4;F7/2- Niveau in ihrem Auftreten wahrscheinlicher. Gemäß Fig. 4 kann jedoch die Anregung auf das &sup4;I13/2-Niveau aufgrund des Schritts des Relaxierens des &sup4;I11/2-Niveaus auf das &sup4;I13/2-Niveau schließlich erreicht werden.
    • (Ausführungsbeispiel 1)
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist eine Grundkonfiguration eines optischen Verstärkers mit einer Er³&spplus;-dotierten ZrF&sub4;- basierten Fluoridfaser als eine der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Zur näheren Beschreibung ist ein Anregungsspektrum (die Pumpwellenlängenabhängigkeit der Signalverstärkung) der vorstehend angeführten Faser in Fig. 6 gezeigt.
  • Der optische Verstärker umfasst zwei optische Isolatoren 1, 2, eine Pumplichtquelle 3, sowie eine von den optischen Isolatoren 1, 2 sandwichartig umfasste Er³&spplus;- dotierte ZrF&sub4;-basierte Fluoridfaser. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Faser 4 eine Länge von 25 m mit einer Grenzwellenlänge von 1 um auf, und außerdem beträgt die Dotierstoffkonzentration von Er³&spplus; in seinem Kern 200 ppm. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt weiterhin die Signalwellenlänge 1530 nm, die Eingangssignalleistung beträgt -30 dBm, und die Pumplichtleistung beträgt 60 mW.
  • In Abhängigkeit von der vorstehend beschriebenen Konfiguration des optischen Verstärkers kann die Maximalverstärkung bei einer Pumpwellenlänge von 970 nm erhalten werden. Gemäß Fig. 6 wird jedoch eine negative Verstärkung bei einer Pumpwellenlänge von 980 nm beobachtet. Diese Wellenlänge wird herkömmlicherweise für eine Anregung auf das &sup4;I11/2-Niveau verwendet, und somit erkennen wir, dass wir die Verstärkung bei der Pumpwellenlänge von 980 nm nicht erhalten können. Daher ist irgendeine Wellenlänge in dem Bereich von 960 nm bis 980 nm, vorzugsweise in der Nähe von 970 nm wirksam, um eine Verstärkung durch Anregung auf das &sup4;I11/2-Niveau zu erhalten.
  • Sodann werden die Verstärkungseigenschaften der vorstehend beschriebenen Faser 4 durch eine Vorwärtsanregung unter Verwendung von Pumplicht bei einer Wellenlänge von 970 nm untersucht (d. h. das Pumplicht wird in die Faser 4 von der stromaufwärtsgerichteten Seite der Faser 4 durch die Lichtquelle 3 eingeleitet) Dabei beträgt die in die Faser 4 eingeleitete Eingangssignalleistung -30 dBm. Wenn die Pumplichtleistung 132 mW beträgt, ist die erhaltene Verstärkung bei einer Wellenlänge von 1,53 um 30 dB und die Rauschfigur (NF) ist 4,5 dB. Außerdem beträgt die NF 3,5 dB, wenn die Wellenlänge 1,55 um beträgt. Wenn die vorstehend beschriebene Faser 4 durch ein Pumplicht mit der Wellenlänge von 1,48 um angeregt wird, liegt der Verbesserungsgrad der NF bei 1,5 dB oder darüber bzgl. der NF bei 1,55 um von 5 dB oder darüber. Zusätzlich bestätigten wir, dass die NF verbessert (verringert) war, wenn das Pumplicht von einer beliebigen Wellenlänge in dem Bereich von 960 nm bis 980 nm war, im Vergleich zu dem bei der Anregung bei 1,48 um. Zusätzlich ist die NF durch die Anregung unter Verwendung von zwei oder mehr Wellenlängen in dem Bereich von 960 nm bis 980 nm verbessert.
    • (Ausführungsbeispiel 2)
  • Derselbe optische Verstärker wie der gemäß Ausführungsbeispiel 1 wird bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet, um die NF durch Einführung von WDM-Signalen bei acht unterschiedlichen Wellenlängen in dem Bereich von 1530 bis 1560 nm zu messen. Die in den optischen Verstärker eingelassene Eingangssignalleistung beträgt - 20 dBm pro eine Wellenlänge. Wenn die Anregung mit einer Gesamtpumplichtleistung von 150 mW unter Verwendung der Pumpwellenlänge von 970 nm durchgeführt wird, dann beträgt die beobachtete NF durch Einführen der WDM- Signale bei den Wellenlängen in dem Bereich von 1530 bis 1560 nm 5 dB oder weniger.
    • (Ausführungsbeispiel 3)
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Verstärkungseigenschaften eines optischen Verstärkers unter Verwendung derselben WDM-Signale wie gemäß Ausführungsbeispiel 2 bestimmt, mit den nachstehenden Ausnahmen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der optische Verstärker derselbe, wie der von Ausführungsbeispiel 1 oder 2, außer dass ein bidirektionales Pumpverfahren zum Einleiten von unterschiedlichem Pumplicht in die Faser 4 verwendet wird. Das Verfahren umfasst die Schritte der Anwendung von Pumplicht bei Wellenlängen in dem Bereich von 960 bis 980 nm von der Vorderseite (d. h. der stromaufwärts gerichteten Seite der Faser 4 in derselben Richtung wie der des Signallichts) und der gleichzeitigen Anwendung von Pumplicht bei einer Wellenlänge von 1480 nm von der Rückseite (d. h. der stromabwärts gerichteten Seite der Faser 4).
  • Fig. 7 zeigt eine Konfiguration des optischen Verstärkers. Im Vergleich zu einer Konfiguration des in Fig. 5 gezeigten optischen Verstärkers ist eine zusätzliche Lichtquelle 5 für die Anregung auf das &sup4;I13/2- Niveau zusätzlich in dem optischen Verstärker eingebaut und in der stromabwärts gerichteten Seite der Er³&spplus;- dotierten Fluoridfaser 4 angeordnet. Die Pumplichtleistung für die Vorderseite beträgt 50 mW, während die Pumplichtleistung für die Rückseite in dem Bereich von 100 mW bis 150 mW liegt. Ferner zeigt der optische Verstärker die NF von 5 dB oder weniger für die Wellenlängen von 1530 nm bis 1560 nm, was eine Verstärkungsabweichung von 2 dB oder weniger für die Signalwellenlänge erlaubt.
    • (Ausführungsbeispiel 4)
  • Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele 1 bis 3 werden die Verstärkungseigenschaften des optischen Verstärkers unter Verwendung der Er³&spplus;-dotierten ZrF&sub4;-basierten Fluoridfaser als seinem Verstärkungsmedium bewertet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Verstärkungsmedium als Wirtsmaterial für Er³&spplus; aus der Gruppe einer InF&sub3;-basierten Fluoridfaser, einer Chalkogenidglas-basierten Faser, einer TeO&sub2;-basierten Faser sowie einer PbO-basierten Faser anstelle der ZrF&sub4;- basierten Fluoridfaser zur Herstellung eines optischen Verstärkers ausgewählt. Sodann wird der optische Verstärker mit einem der vorstehend angeführten Fasern denselben Experimenten wie gemäß den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 zur Bewertung seiner Verstärkungseigenschaften unterzogen. Als Ergebnis zeigte der optische Verstärker mit einer der vorstehend angeführten Fasern als Verstärkungsmedium eine NF von 5 dB oder weniger.
  • Folglich erlauben gemäß vorstehender Beschreibung die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 eine Verstärkung des 1,55 um-Bandes durch die Anregung auf das &sup4;I11/2-Niveau, was das Erzielen einer Verstärkung mit geringem Rauschen ermöglicht, wenn eine infrarottransparente Faser wie etwa aus Fluorid (welche durch Fachleute als ungeeignetes Medium angesehen wird) als Wirtsmaterial für Er³&spplus; verwendet wird. Daher wird ein optischer Verstärker mit den Eigenschaften einer flachen Verstärkung mit einer breiten Verstärkungsbandbreite und einem geringen Rauschen erhalten. Der somit erhaltene optische Verstärker kann bei einem Kommunikationssystem zur Erhöhung von dessen Übertragungsvolumen und zur Bereitstellung einer Angebotserweiterung der Systemkonfiguration zum Erzielen der Breitenverteilung von optischer Kommunikation, der wesentlichen Reduktion von deren Herstellungskosten usw. angewendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verstärkung eines optischen Signals in einem Wellenlängenband von 1,5 um, das ein mit Er³&spplus;-Ionen dotiertes optisches Verstärkungsmedium (4) verwendet, gekennzeichnet durch den Schritt
Anregen der Er³&spplus;-Ionen auf das &sup4;F7/2-Energieniveau durch eine Zweistufenabsorption eines ersten Pumplichtes von einer ersten Lichtquelle (3) von zumindest einer Wellenlänge in einem Bereich von 0,96 um bis zu ausschließlich 0,98 um,
dabei werden die auf das &sup4;F7/2-Energieniveau angeregten Er³&spplus;-Ionen auf das &sup4;I13/2-Energieniveau relaxiert,
wobei das optische Verstärkungsmedium (4) Fluoridglas, Chalkogenidglas, Telluridglas, einen Halogenidkristall oder ein Bleioxid basiertes Glas aufweist.
2. Optisches Verstärkungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verstärkungsmedium (4) die Gestalt einer Faser aufweist.
3. Optischer Verstärker zur Verstärkung eines optischen Signals in einem Wellenlängenband Von 1,5 um, mit
einem mit Er³&spplus;-Ionen dotierten optischen Verstärkungsmedium (4), sowie eine erste Lichtquelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass
das optische Verstärkungsmedium (4) Fluoridglas, Chalkogenidglas, Telluridglas, einen Halogenidkristall oder ein Bleioxid basiertes Glas aufweist, und die Er³&spplus;-Ionen auf das &sup4;F7/2-Energieniveau durch eine Zweistufenabsorption eines Pumplichts von zumindest einer Wellenlänge in einem Bereich von 0,96 um bis ausschließlich 0,98 um von der Lichtquelle (3) angeregt werden, wobei die auf das &sup4;F7/2-Energieniveau angeregten Er³&spplus;-Ionen auf das &sup4;I13/2-Energieniveau relaxieren.
4. Optischer Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verstärkungsmedium (4) die Gestalt einer Faser aufweist.
5. Optischer Verstärker nach Anspruch 3, zudem mit
einer zweiten Lichtquelle (5), dadurch gekennzeichnet, dass
die Er³&spplus;-Ionen auf das &sup4;I13/2-Energieniveau durch ein zweites Pumplicht mit einer Wellenlänge angeregt werden, die einer Energiedifferenz zwischen dem &sup4;I15/2-Energieniveau und dem &sup4;I13/2-Energieniveau der Er³&spplus;-Ionen von der zweiten Lichtquelle (5) entspricht,
wobei das erste Pumplicht von derselben Richtung des optischen Signals gestartet wird, und das zweite Pumplicht von der entgegengesetzten Richtung des optischen Signals gestartet wird.
6. Optischer Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verstärkungsmedium (4) die Gestalt einer Faser aufweist.
7. Optisches Verstärkungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt Starten eines zweiten Pumplichtes, das in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Pumplicht emittiert wird, von einer zweiten Lichtquelle (5) in das optische Verstärkungsmedium (4), um die Er³&spplus;-Ionen von dem &sup4;I15/2-Energieniveau auf das &sup4;I13/2-Energieniveau anzuregen.
8. Optisches Verstärkungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verstärkungsmedium (4) die Gestalt einer Faser aufweist.
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