FI105856B - Optisen WDM-signaalin vahvistus - Google Patents

Description

» 105856

Optisen WDM-signaalin vahvistus

Keksinnön ala

Keksintö liittyy yleisesti aallonpituusmultipleksointia (WDM, Wave-5 length Division Multiplexing) käyttäviin optisiin siirtojärjestelmiin, ja erityisesti niissä käytettävään optiseen vahvistinyksikköön.

Keksinnön tausta

Optisissa siirtojärjestelmissä moduloidaan lähetettävän datavirran 10 avulla optista signaalia ja moduloitu optinen signaali syötetään optiselle kuidulle. Järjestelmän kapasiteetin kasvattamiseksi voidaan kasvattaa datavirran kaistanleveyttä tai ottaa käyttöön lisää aallonpituuksia, joita kutakin moduloidaan omalla datavirrallaan. Jälkimmäistä vaihtoehtoa kutsutaan aallonpituus-multipleksoinniksi.

15 Aallonpituusmultipleksointi on tehokas tapa lisätä optisen kuidun kapasiteettia moninkertaiseksi. Aallonpituusmultipleksoinnissa useat itsenäiset lähetin-vastaanotin-parit käyttävät samaa kuitua. Kuvioissa 1a ja 1b on havainnollistettu aallonpituusmultipleksoinnin periaatetta käyttäen esimerkkinä järjestelmää, jossa on neljä rinnakkaista lähetin-vastaanotin-paria. Jokainen 20 neljästä informaatiolähteestä (ei esitetty kuviossa) moduloi yhtä neljästä optisesta lähettimestä, joista kukin tuottaa valoa eri aallonpituudella (λ,...λ4). Kuten kuviosta 1a havaitaan, kunkin lähteen modulaatiokaistanleveys on pienempi kuin aallonpituuksien väli, joten moduloitujen signaalien spektrit eivät mene päällekkäin. Lähettimien tuottamat signaalit yhdistetään samalle opti-25 selle kuidulle OF WDM-multiplekserissa WDM1, joka on täysin optinen (ja usein passiivinen) komponentti. Kuidun vastakkaisessa päässä WDM-demultiplekseri WDM2, joka on myös täysin optinen (ja usein passiivinen) komponentti, erottaa yhdistetyn signaalin eri spektrikomponentit toisistaan. Jokainen näistä signaaleista ilmaistaan omalla vastaanottimellaan. Kullekin 30 signaalille annetaan siis käyttöön kapea aallonpituusikkuna tietyllä aallonpituusalueella. Tyypillinen käytännön esimerkki voisi olla järjestelmä, jossa „ signaalit ovat 1550 nm aallonpituusalueella esim. siten, että ensimmäinen signaali on aallonpituudella 1544 nm, toinen signaali aallonpituudella 1548 nm, kolmas signaali aallonpituudella 1552 nm ja neljäs signaali aallonpituudella 35 1556 nm. Nykyisin on aallonpituuksien välisen etäisyyden de-facto-standar- diksi muodostumassa 100 GHz:n (n. 0,8 nm:n) monikerta. Tässä yhteydessä 105856 2 kutsutaan WDM-signaalin sisältämiä erillisiä signaaleja aallonpituuskanavasig-naaleiksi.

Optisilla kuitulinkeillä on optisena vahvistimena käytetty yleisesti erbium-seostettua kuituvahvistinta (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), 5 koska siinä yhdistyvät useat hyvät ominaisuudet, kuten yleisesti ottaen yksinkertainen rakenne sekä luotettavien ja tehokkaiden pumppuiaserien saatavuus. Näissä vahvistimissa vahvistus tapahtuu Er-seostetussa kuidussa (josta käytetään jäljempänä nimitystä aktiivikuitu), mutta myös muita seostuksia on käytetty haluttaessa esim. vahvistus toisella aallonpituusalueella.

10 Tällaiset vahvistimet eivät kuitenkaan ole sellaisenaan kovin sopivia WDM-yhteyksien toteuttamiseen, koska niiden epätasainen vahvistuskäyrä aiheuttaa rajoituksia aallonpituuksien valinnalle. Tästä syystä nykyisin käytetäänkin yleisesti tasaisen vahvistuskäyrän omaavia vahvistimia WDM-yhteyk-sillä. Toisin sanoen, vahvistuskäyrä joudutaan tasoittamaan niin, että eri aal-15 lonpituudet kokevat oleellisesti yhtä suuren vahvistuksen. Vahvistuskäyrän tasoittamiseksi voidaan joko (1) lisätä EDFA:an suodatin, joka tasoittaa vah-vistuserot tai (2) vaihtaa vahvistimessa oleva aktiivinen kuitu sellaiseen kuituun, jolla on tasaisempi vahvistuskäyrä. Tällainen kuitu on esim. erbium-seostettu fluoridikuitu, mistä syystä kyseisiä vahvistimia kutsutaan nimellä 20 EDFFA (Erbium-Doped Fluoride Fiber Amplifier).

Tällaisessa kaikille aallonpituuksille yhteisessä vahvistimessa on koko ulostuloteho jaettava kaikkien aallonpituuksien kesken, joten käytännössä kunkin signaalin kokemalle vahvistukselle on olemassa jokin yläraja, joka on sitä pienempi, mitä enemmän WDM-signaali sisältää näitä eri aallonpituuk-25 silla olevia signaaleja. Suodatinta käytettäessä eräs merkittävä epäkohta on lisäksi se, että suodattimena on tietty spektraalimuoto, joka on suunniteltu olettaen, että vahvistuksen epätasaisuudella on määrätty muoto aallonpituuden funktiona. Jos vahvistimeen tuleva teho poikkeaakin oletetusta arvostaan, muuttuu myös vahvistuskäyrän muoto (joka on riippuvainen tehosta), jolloin 30 suodattimen toiminta saattaa puolestaan muuttua hyvinkin epäedulliseksi.

: Tehon käytön kannalta on lisäksi epäedullista, että suodattimena joudutaan vaimentamaan niitä aallonpituuksia, jotka kokevat suuremman vahvistuksen.

EDFFA: n käytännön toteutus on puolestaan erittäin hankala johtuen siitä, että vahvistimessa käytetään kuitumateriaalia, joka poikkeaa huomatta-35 vasti tavanomaisissa tietoliikennekuiduissa käytetystä materiaalista. Tästä johtuen on esim. kuitujen liittäminen toisiinsa erittäin hankalaa. Näistä vaikeuk- 105856 3 sista johtuen ei käytännön EDFFA-toteuksia juurikaan ole olemassa. EDFFA , on myös kohinaominaisuuksiltaan huonompi kuin EDFA, eikä niitä voida pumpata eri aallonpituuksilla, kuten EDFA-vahvistimia.

Yhdelle yhteiselle vahvistimelle vaihtoehtoinen tapa on käyttää 5 omaa vahvistinta WDM-signaalin jokaista aallonpituutta kohti, jolloin kunkin vahvistimen koko teho saadaan kyseisen signaalin käyttöön. Tällaisessa toteutuksessa WDM-signaali joudutaan ensin demultipleksoimaan, jotta eri aallonpituudet saadaan erilleen vahvistusta varten. Ratkaisu on varsin kallis, sillä se vaatii demultiplekserin ja rinnakkaisten vahvistimien lisäksi multiplekse-10 rilaitteet, joiden avulla multipleksoidaan vahvistuksessa tarvittava pumppusig-naali ja WDM-signaalin kukin aallonpituuskanavasignaali ko. aallonpituus-kanavasignaalia vastaavan vahvistimen kuidulle. (Tässä yhteydessä käytetään termiä pumppusignaali, vaikka kysymyksessä onkin pelkkä optinen pumppute-ho, jonka avulla ei kuljeteta tietoa.) 15

Keksinnön yhteenveto

Keksinnön tavoitteena on päästä eroon edellä kuvatuista epäkohdista ja saada aikaan tehon käytön kannalta edullinen vahvistinratkaisu, joka on lisäksi toteutettavissa entistä yksinkertaisemmin ja taloudellisemmin.

20 Tämä päämäärä saavutetaan ratkaisulla, joka on määritelty itsenäi sissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön ajatuksena on käyttää vahvistinyksikön lähtö- tai tulo-päässä tai molemmissa waveguide phased array -komponenttia sekä aallon-pituuskanavasignaalien että pumppusignaalien käsittelyyn. Esim. tulopään 25 osalta tämä tarkoittaa sitä, että samaa komponenttia käytetään sekä demulti-plekserinä, jolla erotetaan WDM-signaalin eri aallonpituudet erilleen että multi-plekserinä, jolla yhdistetään pumppusignaali WDM-signaalin kuhunkin aallon-pituuskanavasignaaliin. Waveguide phased array -komponentti (josta käytetään myös nimitystä waveguide array grating tai arrayed waveguide grating) , 30 on tunnettu kuituoptiikassa käytetty komponentti, joka on erittäin sopiva aal- lonpituusmultipleksointia käyttäviin järjestelmiin mm. siksi, että sen kautta pystytään siirtämään suuri määrä eri aallonpituuksia.

Keksinnön avulla saadaan usean rinnakkaisen vahvistimen perusratkaisua, jossa yhden vahvistimen koko ulostuloteho saadaan kokonaisuu-35 dessaan yhden aallonpituuskanavasignaalin (aallonpituuden) käyttöön, yksinkertaistettua huomattavasti, koska WDM-signaalin sisältämien aallonpituus- , 105856 4 kanavasignaalien ja pumppusignaalien käsittely pystytään integroimaan tehokkaasti niin, että vahvistinyksikön sisäistä rinnakkaisuutta saadaan pienemmäksi.

Keksinnön mukaisen ratkaisun ansiosta voidaan jokaiselle aallonpi-5 tuudelle saada hyvin suuri vahvistus tai vaihtoehtoisesti, jos pienempi vahvistus on riittävä, voidaan käyttää jokaiselle signaalille hyvin yksinkertaista vahvistinta, jolloin saadaan taloudellisempi edullisempi vahvistinyksikkö.

Keksinnön mukaisen ratkaisun eräs tärkeä lisäetu on se, että vahvistinyksikkö voidaan toteuttaa erittäin kompaktina rakenteena, kuten jäljem- 10 pänä kuvataan. Parhaimmillaan ratkaisu mahdollistaa koko vahvistinyksikön integroimisen samaan komponenttiin (samalle substraatille).

Keksinnön eräs toinen lisäetu on se, että kutakin aallonpituus-kanavasignaalia voidaan helposti mitata (toisin kuin tavallisessa vahvistimessa), jolloin voidaan toteuttaa aallonpituuskohtainen monitorointi.

15

Kuvioluettelo

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia toteutustapoja kuvataan tarkemmin viitaten kuvioihin 5... 10c oheisten piirustusten mukaisissa esimerkeissä, joissa 20 kuviot 1a ja 1b havainnollistavat aallonpituusmultipleksointia käyttä vää optista siirtojärjestelmää, kuvio 2 havainnollistaa waveguide phased array -komponentin rakennetta, kuvio 3 havainnollistaa waveguide phased array -komponentin 25 toimintaa, kuvio 4 havainnollistaa waveguide phased array -komponentin toimintaa demultiplekserinä, kuvio 5 havainnollistaa waveguide phased array -komponentin toimintaa multiplekserinä, 30 kuvio 6 ja 7 havainnollistavat waveguide phased array -komponentin keksinnön mukaista käyttöä, kuvio 8 esittää erästä keksinnön mukaista vahvistinyksikköä, kuvio 9 esittää erästä toista keksinnön mukaista vahvistinyksikköä, ja 35 kuviot 10a... 10c esittävät erilaisia mahdollisuuksia pumppusignaalin tuomiseksi waveguide phased array -komponentille.

105856 5

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus ► Taustaksi keksinnön mukaiselle ratkaisulle kuvataan ensin wave guide phased array -komponentin rakennetta ja toimintaa kuvioihin 2...5 . viitaten.

5 Komponentti (WGA, kuvio 2) käsittää samalle substraatille integroi tuina N kappaletta optisia tulo/lähtöjohteita AWG ensimmäisellä puolella komponenttia, N kappaletta optisia tulo/lähtöjohteita BWG toisella puolella komponenttia, kaksi tasomaista aaltojohdetta (slab waveguide), SWG1 ja SWG2, ja optisista kanava-aaltojohteista WG muodostuvan hilan (grating) GR, joka 10 yhdistää tasomaiset aaitojohteet toisiinsa. Kumpikin puoli komponenttia voi toimia tulo- tai lähtöpuolena, joten johteet AWG tai BWG voivat olla lähtö- tai tuiojohteita. Tasomaiset aaitojohteet, jotka yhdistävät tulo/lähtöjohteet hilan erillisiin kanava-aaltojohteisiin WG, rajoittavat valon leviämistä ainoastaan substraattia vastaan kohtisuorassa tasossa, mutta sallivat valon leviämisen 15 sivusuunnassa. Hilan kanava-aaltojohteet WG sen sijaan estävät valon leviämisen myös sivusuunnassa. Tasomaisten aaltojohteiden molemmin puolin niihin liittyvät kanavamaiset aaitojohteet on järjestetty ympyrän kaarelle siten, että kukin on suunnattu kohden vastakkaisen puolen aaltojohderyhmän keskimmäistä aaltojohdetta. Hilassa on kahden vierekkäisen kanava-aaltojohteen 20 välillä vakio pituusero, joka on käytetyn keskiaallonpituuden monikerta. Jos toisen puolen keskimmäisestä tulo/lähtöjohteesta syötetään valoa sisään komponentin keskiaallonpituudella, valo hajaantuu hilan kaikille aaltojohteille. Koska aaltojohteiden pituusero on keskiaallonpituuden monikerta, ovat kaikki aallot samassa vaiheessa tullessaan lähtöpuolen tasomaiseen aaltojohtee-25 seen, jolloin valo fokusoituu keskimmäiseen lähtevään aaltojohteeseen. Kun aallonpituus poikkeaa keskiaallonpituudesta, lähtöön saapuva aaltorintama on hiukan kallistunut, jolloin se ei fokusoidukaan täsmälleen keskelle, vaan jonkin muun lähtöpuolen johteen kohdalle. Näin ollen komponentti fokusoi eri aallonpituudet eri lähtöihin, ja komponentin mitoituksella vaikutetaan siihen, mitkä 30 aallonpituudet fokusoituvat mihinkin lähtöön. Samalla tavoin kuin keskimmäisen tulojohteen aallonpituus vaikuttaa siihen, mikä on lähtöjohdin, vaikuttaa myös tulojohteen paikka siihen, mikä on iähtöjohde.

Waveguide phased array -komponentti käsittää siis joukon valo-kanavia, joiden geometria on sellainen, että niillä on sekä fokusoivia ominai-35 suuksia (linssi) että dispersoivia ominaisuuksia (hilan aallonpituusriippuvuus).

Kuviossa 3 on havainnollistettu komponentin perustoimintaperiaa- 6 105856 tetta esittämällä tapaus, jossa kolmella eri aallonpituudella (λ,, λ2 ja λ^) kytketään valoa vuorotellen kuhunkin kolmesta tuloportista. Kuten kuviosta havaitaan, tietyn aallonpituuskanavan lähtöportti on riippuvainen sekä kyseisen kanavan aallonpituudesta että siitä, mikä on kyseisen kanavan tuloportti.

5 Komponentti pystyy demultipleksoimaan yhdestä tuloportista tulevat N aallon-pituuskanavaa siten, että kukin kanavista menee eri lähtöporttiin. Se, miten kanavat jakautuvat eri lähtöportteihin riippuu siitä, mikä on tuloportti. Verkon kannalta tarkasteltuna tilanne on siis sellainen, että jos tiettyyn lähtöporttiin kytketty verkkoelementti vastaanottaa signaalin tietyllä aallonpituudella, se 10 tietää lähtöportin ja aallonpituuden perusteella, mistä tuloportista kyseinen signaali on tullut.

Symmetrisessä NxN phased array -komponentissa on N kappaletta optisia portteja A-puolella ja N kappaletta optisia portteja B-puolella. Komponentti on suunniteltu siten, että se multipleksoi aallonpituuksia, joiden väli on 15 Δλ. Kun optisiin portteihin liitetään optiset kuidut, kytkeytyy kunkin A-puolen portin ja kunkin B-puolen portin välillä valoa aallonpituudella, joka määräytyy kaavasta: λ = X<j+AX(i+j-2). Kaavassa i on portin järjestysnumero A-puolella ja j portin järjestysnumero B-puolella, ja λ0 on porttien i=1 ja j=1 välillä kytkeytyvä aallonpituus. Kahden portin välillä kytkeytyvä aallonpituus on sama riippumatta 20 siitä, tapahtuuko valon kytkentä sisään A-puolen portista ja ulos B-puolen portista vai vastakkaiseen suuntaan, ja komponentin toiminta on muutenkin symmetrinen A- ja B-puolien vaihdon suhteen.

Edellä esitetty kuvaus pätee myös komponenttiin, jossa A- ja B-puolien optisten porttien lukumäärät eivät ole yhtä suuret. Tällöin N on porttien luku-25 määrä sillä puolella, missä niitä on enemmän, ja toiselta puolelta voidaan vain katsoa osan porteista puuttuvan, mutta komponenteissa olevien porttien välistä kytkeytymistä kuvaa edelleen yllä esitetty kaava.

Komponentin perustoimintoa demultiplekserina kuvaa aallonpituuksien kytkentä yhdestä A-puolen portista kaikkiin B-puolen portteihin, siten että 30 kuhunkin niistä kytkeytyy oma aallonpituutensa. Tätä on havainnollistettu kuviossa 4. Esimerkiksi, kun valoa kytketään sisään portista i=1, lähtöportteihin kytkeytyvät aallonpituudet λ = λο+Δλ(ί-1). Käänteinen toiminto multiplekserinä saadaan, kun kustakin A-puolen portista kytketään sisään siten valittu aallonpituus, että ne kytkeytyvät ulos kaikki samasta B-puolen portista. Tätä on 35 havainnollistettu kuviossa 5. Esimerkiksi, kun kustakin portista kytkettävä aallonpituus on λ = λ0+Δλ(ί-1), kytkeytyvät ne kaikki ulos portista j=1.

105856 7

Yleisesti komponentin toiminta on myös aallonpituuden suhteen jaksollinen, aallonpituusjaksolla FSR (Free Spectral Range). Tällöin, mikäli kahden portin välillä on kytkentä aallonpituudella λ, on niiden välillä myös kytkentä , aallonpituuksilla λ + n χ FSR, missä n on positiivinen tai negatiivinen koko- 5 naisluku. Käytännön komponentit suunnitellaan siten, että FSR on suurempi kuin ΔλχΝ, koska muuten sama aallonpituus kytkeytyy tietystä tuloportista useampaan kuin yhteen lähtöporttiin, mikä ei ole haluttu toiminto. Erityistapaus on NxN phased array, jossa FSR on täsmälleen ΔλχΝ. Tässä komponentissa jokaisesta A-puolen portista voidaan kytkeä samat N kappaletta aallonpituuk- 10 siä λ = λο, λο+Δλ, λο+2Δλ.....λο+(Ν-1)Δλ, kukin eri porttiin B-puolelle. Tällöin myös näiden eri aallonpituuksien järjestys B-puolen porteissa on erilainen aina, kun kytkentä tapahtuu eri portista A-puolelta.

Waveguide phased array -komponentin teoreettisia perusteita on kuvattu tarkemmin esim. artikkelissa Transmission Characteristics of Arrayed 15 Waveguide NxN Wavelength Multiplexer, Journal of Lightwave Technology, ss. 447-455, Vol. 13, No. 3, March 1995, josta kiinnostunut lukija löytää enemmän taustatietoa. Komponenttia voidaan käyttää erilaisilla tavoilla siten, että sama komponentti toimii samanaikaisesti sekä multiplekserina että demul-tiplekserina samalle sarjalle aallonpituuksia. Kaksi tällaista tapaa on kuvattu 20 artikkelissa Anticrosstalk amayed-waveguide add-drop multiplexer with fold-back paths for penalty free transmission, Electronics Letters, ss. 2053-2055, November 1994, Vol. 30, No. 24. Kolmas tapa esitetään hakijan PCT-hake-muksessa PCT/FI98/00436 (salainen esillä olevan hakemuksen jättöhetkellä). Koska nämä tavat eivät kuitenkaan liity esillä olevaan keksintöön, ei niitä 25 kuvata tässä yhteydessä tarkemmin.

Esillä olevassa keksinnössä toteutetaan WDM-signaalin vahvistus aallonpituuskohtaisilla vahvistimilla siten, että waveguide phased array -komponenttia käytetään sekä demultiplekserinä, jolla erotetaan WDM-signaalin eri aallonpituudet erilleen että multiplekserinä, jolla yhdistetään pumppusignaali 30 kullakin aallonpituudella olevaan aallonpituuskanavasignaaliin. Kuviossa 6 on havainnollistettu tätä periaatetta. Waveguide phased array -komponentin tulopuolella on tässä tapauksessa käytössä N+1 porttia ja lähtöpuolella N porttia, kun N on WDM-signaalin sisältämien aallonpituuksien (aallonpituus-kanavasignaalien) lukumäärä. Tässä esimerkissä N=8. Demultiplekseritoimin-35 non tulokuitu, jonka kautta WDM-signaali tulee vahvistimelle liitetään waveguide phased array -komponentin johonkin A-puolen porttiin (kuviossa porttiin 8 105856 i=1) niin, että kuhunkin käytössä olevaan B-puolen porttiin kytkeytyy tästä aailonpituusjoukosta oma aallonpituutensa. Muihin A-puolen käytössä oleviin portteihin tuodaan kuhunkin vahvistuksessa tarvittava pumppusignaali, jonka aallonpituutta on kuviossa merkitty viitemerkillä λρ. (Vaikka kaikkiin näihin 5 portteihin tuodaankin sama pumppuaallonpituus, kuviossa on jokaiselle pump-puaallonpituudelle merkitty oma yläindeksinsä, jotta eri pumppusignaalien kulkemat reitit erottuisivat kuviosta.) Kukin pumppusignaali kytkeytyy omaan B-puolen porttiin, joten kuhunkin käytössä olevaan B-puolen porttiin kytkeytyy yksi WDM-signaalin aallonpituuksista sekä sen lisäksi pumppuaallonpituus. 10 Kukin tällainen yhden aallonpituuskanavasignaalin ja pumppusignaalin yhdistelmä etenee tämän jälkeen oman vahvistimensa aktiivikuidulle, joka on toteutettu sinänsä tunnetusti.

Varsinaisten vahvistimien jälkeen keksinnön mukaisessa vahvis-tinyksikössä on toinen waveguide phased array -komponentti, joka toimii 15 ensimmäiseen nähden päinvastaisesti. Tätä on havainnollistettu kuviossa 7. Tässä tapauksessa komponentti multipleksoi WDM-signaalin sisältämät aallonpituudet, jolloin ne tulevat ulos samasta lähtöpuolen portista (portti j=1 kuviossa). Kuhunkin aallonpituuskanavasignaaliin liittyvä pumppusignaali erotetaan puolestaan omaan lähtöporttiinsa.

20 Kuviossa 8 on havainnollistettu erästä edellä kuvatulla tavalla to teutettua optista vahvistinyksikköä OFA, joka on tässä esimerkkitapauksessa tarkoitettu neljä aallonpituuskanavasignaalia sisältävän WDM-signaalin vahvistamiseen. Vahvistimen tulopuolella on edellä esitetyn mukaisesti ensimmäinen waveguide phased array -komponentti WGA1, joka toimii kuvion 6 mukai-25 sesti WDM-signaalin demultiplekserinä, joka samalla yhdistää pumppusignaalin kuhunkin aallonpituuskanavasignaaliin. Tässä komponentissa on siis tulo-portti WDM-signaalia varten ja lisäksi N=4 tuloporttia pumppusignaaleja varten.

Ensimmäiseltä waveguide phased array -komponentilta signaalit kytkeytyvät varsinaiselle vahvistinosalle FAU siten, että kukin aallonpituus-30 kanavasignaalin ja pumppusignaalin yhdistelmä kytkeytyy omalle aktiivikuidul-leen FAi (i=1...4). Nämä kuidut voivat olla esim. erbium-seostettuja kuituja, joita käytetään tavanomaisen EDFA-vahvistimen ytimenä, mutta on myös mahdollista käyttää muita tunnettuja materiaaleja (joihin viitattiin edellä). Myös muut kuin kuituun perustuvat vahvistinelementit ovat mahdollisia, oleellista 35 vahvistinosan kannalta on ainoastaan se, että se on toteutettu elementeillä, joihin voidaan soveltaa optista pumppausta. (Näin ollen vahvistinosana ei 105856 9 voida käyttää esim. optista puolijohdevahvistinta, joka vaatii sähköisen pumppauksen.)

Vahvistuksen jälkeen signaalit etenevät toiselle waveguide phased , array -komponentille, joka toimii kuvion 7 mukaisesti yhdistäen hyötyaallonpi- 5 tuudet omaan lähtöporttiin ja erottaen pumppusignaalit omiin lähtöportteihinsa. Vahvistinyksikkö on siis muuten tavanomainen, mutta WDM-signaalin demulti-pleksointiin ja aallonpituuskanavasignaalien ja pumppusignaalien yhdistämiseen käytetään samaa waveguide phased array -komponenttia. Vastaavasti lähtöpäässä käytetään samaa waveguide phased array -komponenttia aallon-10 pituuskanavasignaalien ja pumppusignaalin erottamiseen sekä aallonpituuskanavasignaalien multipleksointiin.

Molemmat waveguide phased array -komponentit ovat periaatteessa kaksisuuntaisia siten, että ne pystyvät sekä yhdistämään sisääntulevan pump-puaallonpituuden hyötyaallonpituuksiin että erottelemaan vastakkaiseen 15 suuntaan kulkevat pumppusignaalit omiin portteihinsa. Pumppusignaali voidaan näin ollen tuoda paitsi myötäsuuntaisesti (komponentin WGA1 kautta) myös vastasuuntaisesti (komponentin WGA2 kautta) tai kaksisuuntaisesti (molempien komponenttien kautta). Viimeisimmässä vaihtoehdossa saadaan suurin tehovahvistus. Tällöin siis sama portti, joka toimii pumppusignaalin 20 ulostuloporttina toimii myös ko. päästä syötettävän pumppusignaalin sisään-menoporttina.

Kuvioiden 6 ja 7 mukaiset toiminnot voidaan myös yhdistää samaan komponenttiin. Tällaista vaihtoehtoa on havainnollistettu kuviossa 9, kun WDM-signaali sisältää neljä eri aallonpituutta. Waveguide phased array -kom-25 ponentti, jota on merkitty viitemerkillä WGA3, käsittää näin ollen ensimmäisellä puolella demultipleksitoiminnon tuloportin ja pumppusignaalien tuloporttien lisäksi multiplekseritoiminnon lähtöportin (josta vahvistettu WDM-signaali tulee ulos) sekä pumppusignaalien lähtöportit (yhteensä N+2 porttia). Puolet toisen puolen porteista (N kappaletta) on kytketty aktiiivikuiduille ja loput toisen puo-30 Ien porteista vastaanottavat äktiivikuiduilta tulevat signaalit. Tällöin kukin aktiivikuitu FAi kiertää silmukan, joka alkaa yhdestä toisen puolen portista ja . päättyy toiseen toisen puolen porttiin.

Pumppusignaali voidaan syöttää vahvistinkuituihin molemmista päistä myös siinä tapauksessa, että käytetään kuvion 9 mukaisesti vain yhtä wave-35 guide phased array -komponenttia, koska pumppusignaali jaetaan tällöin eri portteihin (A-puolella) siten, että osasta pumppuaallonpituus etenee kuvion 6 105856 10 mukaisesti em. silmukoiden alkupäihin ja osasta pumppuaallonpituus kytkeytyy niihin portteihin, joihin em. silmukat päättyvät.

Pumppuaallonpituus voidaan syöttää waveguide phased array -komponentille useilla eri tavoilla. Kuvioissa 10a... 10c on esitetty kolme erilaista 5 vaihtoehtoa, kun oletetaan, että pumppusignaali tulee vain WDM-signaalin tulosuunnasta. Kuvion 10a esimerkissä käytetään vain yhtä pumppulaseria PL, jonka signaali syötetään waveguide phased array -komponentin kaikkiin pumpputuloihin. Kuvion 10b esimerkissä on puolestaan, luotettavuuden parantamiseksi, jokaista pumpputuloa kohti oma pumppulaserinsa, joista kukin 10 syöttää pumppusignaalin suoraan sitä vastaavaan pumpputuloon. Kuvion 10c esimerkissä on myöskin oma pumppulaser jokaista pumpputuloa kohti, mutta kaikkien ulostulot on kytketty tähtihaaroittimelle SC, joka kytkee osan (tässä tapauksessa neljäsosan) kunkin laserin tehosta jokaiseen ulostuloonsa. Tähti-haaroittimen avulla saavutetaan se etu, että yhden pumppulaserin vikaantues-15 sa yksikään aallonpituuskanavasignaali ei katkea kokonaan, vaan ((N-1)/N) osa pumpputehosta jää jäljelle kaikille aallonpituuskanavasignaaleille, tässä esimerkkitapauksessa esim. % pumpputehosta. Tähtihaaroittimelle kytkettävien pumppulaserien lukumäärän ei välttämättä tarvitse vastata pumpputulojen lukumäärää.

20 Waveguide phased array -komponentit mitoitetaan sinänsä tunne tusti ja valmistetaan jollakin sinänsä tunnetulla tavalla, esim. planaarisella valokanavatekniikalla käyttäen esim. seostettuja lasivalokanavia, jotka valmistetaan joko piikiekon tai kvartsilasikiekon päälle. Komponentti voidaan aina suunnitella toteuttamaan haluttu funktionaalisuus. Edellä esitetyistä kaavoista 25 nähdään esimerkiksi, että kuvion 6 pumppumultipleksointi toteutuu, kun pumppusignaali portista 2 menee porttiin 8, jolloin muut kuviossa esitetyt pumppukytkennät saadaan automaattisesti.

Pumppuaallonpituus poikkeaa olennaisesti signaalien käyttämästä vahvistuskaistasta, esim. Er-kuituvahvistimella pumppu on yleensä aallonpi-30 tuudella 980 nm tai 1480 nm, kun vahvistuskaista on 1530...1565 nm. Jos portista 1 porttiin 8 kytkeytyy aallonpituuskanavasignaali λ18, voidaan komponentin aallonpituusjakso FSR (Free Spectral Range) valita (valituista sig-naaliaallonpituuksista riippumatta) siten, että pumppuaallonpituus λρ = λ18 - n χ FSR.

35 Edellä kuvatun kaltainen vahvistinyksikkö on mahdollista saada hyvin kompaktiin tilaan. Kuten edellä esitettiin, waveguide phased array -kom- i 105856 11 ponentit voidaan yhdistää yhdeksi komponentiksi samalle pii- tai kvartsilasikie-kolle, jolloin aktiivikuidut ovat ainoat tämän yhdistetyn komponentin ulkopuolelle jäävät osat. Koska tällä hetkellä on kuitenkin jo mahdollista toteuttaa optisia vahvistimia myös lasivalokanavarakenteisiin, voidaan rinnakkaisten 5 aktiivikuitujen sijasta käyttää rinnakkaisia valokanavavahvistimia, jotka ovat toteutettavissa samalle lasipalalle. Tällä tavoin koko vahvistinyksikkö on mahdollista rakentaa yhdeksi komponentiksi. Valokanavavahvistintekniikan kehittyessä tällainen käytännön toteutus tulee entistä edullisemmaksi. Myös pump-putehon jakamiseen tarkoitettu (tähti)haaroitin voidaan toteuttaa samalle 10 substraatille.

Keksinnön mukaisessa vahvistinyksikössä kutakin aallonpituus-kanavasignaalia voidaan helposti mitata (toisin kuin tavallisessa vahvistimessa) esim. haaroittamalla pieni osa kunkin aktiivikuidun aallonpituuskanavasig-naalista erilliselle detektorille, jolloin voidaan toteuttaa signaalin monitorointi 15 aallonpituustasolla. Lisäksi vahvistinyksikköön voidaan tarvittaessa integroida esim. add-drop-multiplekseri sijoittamalla multiplekserien väliin kullekin aktiivi-kuidulle omat optiset kytkimet.

Koska keksinnön mukaisessa ratkaisussa vahvistetaan kukin aal-lonpituuskanavasignaali omassa vahvistinelimessään, voidaan kuhunkin 20 vahvistinelimeen yhdistää isolaattori, jolloin isolaattorin suunnan avulla voidaan valita kunkin aallonpituuskanavasignaalin etenemissuunta. Tällä tavoin voidaan vahvistinyksikkö tehdä kaksisuuntaiseksi siten, että kunkin aallonpituuden suunta on vapaasti valittavissa.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten 25 mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Waveguide phased array -komponentissa voi esim. olla tyhjiä portteja tai se voi olla osa suurempaa komponenttia, jolla toteutetaan muitakin toimintoja. Vahvistinyksikkö on myös mahdollista toteuttaa siten, että 30 vain joko tulo- tai lähtöpäässä käytetään waveguide phased array -komponenttia keksinnön mukaisella tavalla ja vastakkaisessa päässä käytetään , tavanomaista tekniikkaa signaalien yhdistämiseen ja erottamiseen. Tällöin kuitenkin menetetään osa keksinnön eduista. On myös mahdollista, että osa aallonpituuskanavasignaaleista käyttää samaa vahvistinelementtiä, joten 35 elementtien lukumäärän ei välttämättä tarvitse vastata aallonpituuskanavasig-naalien lukumäärää.

12 105856

Patenttivaatimukset: 1. Menetelmä optisen signaalin vahvistamiseksi, jonka menetelmän mukaisesti - optiselle vahvistinyksikölle (OFA) tuodaan optinen tulosignaali, joka 5 käsittää useita aallonpituuskanavasignaaleja, joista kukin on omalla aallonpituudellaan, - demultipleksoidaan tulosignaali kunkin aallonpituuskanavasignaalin erottamiseksi erilleen tulosignaalista, - suoritetaan ensimmäinen multipleksointi, jossa yhdistetään kukin 10 erotettu aallonpituuskanavasignaali erillisen pumppusignaalin kanssa, - ohjataan kukin aallonpituuskanavasignaalin ja pumppusignaalin yhdistelmä omille vahvistinelimilleen (FA1 ...FA4), - erotetaan pumppusignaalit vahvistinelimiltä saatavista vahvistetuista aallonpituuskanavasignaaleista ja suoritetaan toinen multipleksointi, jossa 15 yhdistetään vahvistetut aallonpituuskanavasignaalit lähteväksi WDM-signaaliksi, tunnettu siitä, että tulosignaalin demultipleksointi sekä ensimmäinen multipleksointi suoritetaan ensimmäisen waveguide phased array -komponentin (WGA1; 20 WGA3) aallonpituusriippuvuutta hyödyntäen syöttämällä tulosignaali ja pump-pusignaali mainitun komponentin tuloportteihin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pumppusignaalien erottaminen vahvistetuista aallonpituuskanavasignaaleista sekä toinen multipleksointi suoritetaan toisen waveguide phased array - 25 komponentin (WGA2; WGA3) aallonpituusriippuvuutta hyödyntäen siten, että lähtevä WDM-signaali ja erotetut pumppusignaalit jakautuvat komponentin eri lähtöportteihin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen ja toinen waveguide phased array -komponentti ovat sama 30 komponentti (WGA3).

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pumppusignaalit tuodaan vahvistinelimille kahdesta eri suunnasta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että l 105856 13 - ensimmäinen ja toinen waveguide phased array -komponentti ovat eri komponentteja (WGA1, WGA2), ja että - pumppusignaali syötetään molemmille waveguide phased array -komponenteille.

5 6. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että samasta lähteestä (PL) saatava pumppusignaali jaetaan erillisiksi pumppusignaaleiksi, jotka syötetään ainakin yhdelle waveguide phased array -komponentille.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siilo tä, että pumppusignaalit syötetään useista eri lähteistä (PL) ainakin yhdelle waveguide phased array -komponentille.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pumppusignaalit syötetään tähtihaaroittimen (SC) kautta.

9. Menetelmä optisen signaalin vahvistamiseksi, jonka menetelmän 15 mukaisesti - optiselle vahvistinyksikölle (OFA) tuodaan optinen tulosignaali, joka käsittää useita aallonpituuskanavasignaaleja, joista kukin on omalla aallonpi- - tuudellaan, - demultipleksoidaan tulosignaali kunkin aallonpituuskanavasignaalin 20 erottamiseksi erilleen tulosignaalista, - suoritetaan ensimmäinen multipleksointi, jossa yhdistetään kukin erotettu aallonpituuskanavasignaali erillisen pumppusignaalin kanssa, - ohjataan kukin aallonpituuskanavasignaalin ja pumppusignaalin yhdistelmä omille vahvistinelimilleen (FA1...FA4), 25 - erotetaan pumppusignaalit vahvistinelimiltä saatavista vahvistetuista aallonpituuskanavasignaaleista ja suoritetaan toinen multipleksointi, jossa yhdistetään vahvistetut aallonpituuskanavasignaalit lähteväksi WDM-signaaliksi, tunnettu siitä, että 30 ainakin mainittu pumppusignaalien erottaminen ja toinen multiplek sointi suoritetaan samaa waveguide phased array -komponenttia (WGA2) käyttäen hyödyntämällä komponentin aallonpituusriippuvuutta siten, että lähtevä WDM-signaali ja erotetut pumppusignaalit jakautuvat komponentin eri lähtöportteihin.

14 105856 10. Optinen vahvistinyksikkö optisen WDM-signaalin vahvistamiseksi, joka signaali käsittää useita eri aallonpituuskanavasignaaleja, jotka ovat eri aallonpituuksilla ja joka vahvistinyksikkö (OFA) käsittää erilliset vahvistinelimet (FA1...FA4) kutakin 5 aallonpituuskanavasignaalia varten, - ainakin yhden pumppusignaalilähteen (PL) pumppusignaalin generoimiseksi, - tuloportin mainitun WDM-signaalin vastaanottamiseksi, - ensimmäiset demultipleksointielimet tuloporttiin syötetyn signaalin 10 demultipleksoimiseksi erillisiksi aallonpituuskanavasignaaleiksi, ensimmäiset multipleksointielimet pumppusignaalin multipleksoimiseksi kunkin aallonpituuskanavasignaalin kanssa, - toiset demultipleksointielimet pumppusignaalien erottamiseksi aallonpituuskanavasignaaleista, ja 15 - toiset multipleksointielimet vahvistettujen aallonpituuskanavasignaalien multipleksoimiseksi suoritetun vahvistuksen jälkeen lähteväksi WDM-signaaliksi, tunnettu siitä, että ensimmäiset demultipleksointielimet ja ensimmäiset 20 multipleksointielimet on toteutettu ensimmäisellä waveguide phased array -komponentilla (WGA1; WGA3), jossa on mainitun tuloportin rinnalla erilliset tuloportit pumppusignaalia varten.

.·, 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen vahvistinyksikkö, tunnettu siitä, että toiset demultipleksointielimet ja toiset multipleksointielimet on 25 toteutettu toisella waveguide phased array -komponentilla (WGA2; WGA3), jossa on erillinen lähtöportti lähtevää WDM-signaalia varten ja erilliset lähtöportit erotettuja pumppusignaaleja varten.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen vahvistinyksikkö, tunnettu siitä, että ensimmäinen ja toinen waveguide phased array -komponentti ovat 30 sama komponentti (WGA3).

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen vahvistinyksikkö, tunnettu siitä, että siinä on kutakin erillistä vahvistinelintä kohti erillinen pumppusignaalilähde (PL).

. 14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen vahvistinyksikkö, tunnettu * 105856 15 siitä, että pumppusignaalilähteet on kytketty yhteisen tähtihaaroittimen kautta waveguide phased array -komponentille.

15. Optinen vahvistinyksikkö optisen WDM-signaalin vahvistamiseksi, joka signaali käsittää useita eri aallonpituuskanavasignaaleja, jotka ovat eri 5 aallonpituuksilla ja joka vahvistinyksikkö käsittää - erilliset vahvistinelimet (FA1...FA4) kutakin aallonpituuskanavasig-naalia varten, - ainakin yhden pumppusignaalilähteen (PL) pumppusignaalin generoimiseksi, 10 - tuloportin mainitun WDM-signaalin vastaanottamiseksi, - ensimmäiset demultipleksointielimet tuloporttiin syötetyn signaalin demultipleksoimiseksi erillisiksi aallonpituuskanavasignaaleiksi, - ensimmäiset multipleksointielimet pumppusignaalin multipleksoimi-seksi kunkin aallonpituuskanavasignaalin kanssa, 15 - toiset demultipleksointielimet pumppusignaalien erottamiseksi aal- lonpituuskanavasignaaleista, ja - toiset multipleksointielimet vahvistettujen aallonpituuskanavasignaa-lien multipleksoimiseksi suoritetun vahvistuksen jälkeen lähteväksi WDM-signaaliksi, 20 tunnettu siitä, että toiset demultipleksointielimet ja toiset multipleksointielimet on toteutettu samalla waveguide phased array -komponentilla (WGA2), jossa on erillinen lähtöportti lähtevää WDM-signaalia varten ja erilliset lähtöportit erotettuja pumppusignaaleja varten.

25