SE509968C2 - Optisk förstärkare med variabel förstärkning - Google Patents

Description

20 25 509 968 2 att förstärkningen vid varje våglängd mättas individuellt, så kallad "Spectral Hole Bum- ing” ("Bränning av spektralhåP), se U.S. patent US-A 5,345,332. Ett med avseende på våglängd avstämbart filter med lämpliga egenskaper kan delvis kompensera ändringarna, se artikeln av R.A. Betts et al., "Split-beam Fourier filter and its application in a gain- flattened EDFA", Opt. Fiber Communications Conf., TuP4, San Diego, 1995. I på speci- ellt sätt framställda aktiva fibrer har de spektrala förändringarna visats ha ett minskat be- roende av förstärkningen, se I . Nilsson, Y.W. Lee och W.H. Choe, ”Erbium doped fibre arnpliñer with dynamic gain flatness for WDM", Electron. Lett., vol. 31, sid. 1578 - 1579, 1995 .

Dessa tidigare förfaranden synes vara kostsamma eller komplicerade eller att ha låga prestanda. i REDoGöRELsE FÖR UPPFINNNGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa en optisk förstärkare med variabel total förstärkning och konstant spektralt beroende inom ett optiskt transmissionsband.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en optisk förstärkare med kon- stant spektralt beroende för varierande effekt hos det inkommande ljuset.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa ett förfarande för att förstärka inkommande våglängdsmultiplexerade ljussignaler, så att signalerna förstärks och för- stärkta ljussignaler åstadkoms, varvid förstärkningen för de olika signalerna har ett kon- stant spektralt beroende för varierande effekt hos det totala inkommande ljuset och för en variabel total förstärkning.

Det av uppfinningen lösta problemet är sålunda, hur en optisk förstärkare skall uppbyg- gas, vilken har bra prestanda, t ex har bättre signal-till-brus-förhållande för större inkom- mande signaler än för små signaler, och vilken kan konstrueras till rimlig kostnad.

Sålunda anvisas en optisk förstärkare, som har konstant spektralt beroende inom det op- tiska transmissionsbandet i ett WDM-system, medan fórstärkarens totala förstärkning kan varieras utan att brusfaktom hos den avgivna effekten hos förstärkaren försämras. De kvarvarande skillnaderna i spektral förstärkning kan utjämnas med ett fast spektralfilter, om så önskas, t ex för ett WDM-system. Förstärkarens drift baseras på iakttagelsen, att en lutning hos förstärkningen i ett förstärkarsteg i en optisk förstärkare med två steg kan korrigeras av en motsvarande lutning av förstärkningen med omvänt tecken i ett annat förstärkarsteg. Förstärkaren kan sålunda utformas som en tvåstegsförstärkare, i vilken det första försfirkarsteget drivs som ett fórfórståïrkarsteg i mer eller mindre mättat tillstånd. 10 15 20 25 35 3 509 968 Förstärkarens andra steg drivs som ett effektförstärkarsteg i fullständigt mättat tillstånd med nästan konstant avgiven effekt. Förstärkningen i det andra steget anpassas genom att inställa den inkommande effekten till detta steg, så att en lutning av förstärkningen åstad- koms med en lika storlek som och med motsatt tecken jämfört med lutningen hos förstär- kningen hos förförstärkarsteget.

Inställningen av den inkommande effekten i det andra steget åstadkoms företrädesvis ge- nom att anordna en styrbar optisk dämpare placerad mellan de båda förstärkarstegen.

Denna dämpare kan styras antingen manuellt eller automatiskt. En automatiskt styrd däm- pare kan vara mekaniskt eller direkt elektriskt styrd med hjälp av någon av flera kända metoder. f Förstärkningen hos den fullständiga förstärkaren vid fast inkommande effekt kan vidare varieras genom att variera pumpeffekten till effektförstärkarsteget och därigenom variera den avgivna effekten, varvid dämpningen hos dämparen samtidigt då varieras på motsva- rande sätt för att bibehålla en konstant förstärkning hos förstärkarutgångssteget.

Stymingen av dämparen kan åstadkommas på ett av flera sätt. För en manuell dämpare inställs förlusten vid installationen, så att den optimeras för den faktiska förlusten i det ledningsavsnitt, vilket föregår förstärkaren. För en automatiskt styrbar dämpare kan för- lusten antingen beräknas ur den uppmätta inkommande effekten med användning av det väl förutsägbara uppförandet hos förstärkaren, såsom t ex presenteras i artikeln av D.

Bonnedal, "EDFA Gain, Described with a Black Box Model," in Optical Amplifiers and their Applications, 1996 Technical Digest (Optical Society of America, Washington DC, 1996), sid. 215 - 218, eller lcarialeffekten hos två eller flera kanaler kan faktiskt uppmätas vid utgången och skillnaden mellan dessa beräknas med hjälp av en styralgoritm. Mät- ningarna av kanalernas effekt kan utföras med en av flera välkända metoder, såsom att lägga på pilottoner med olika frekvenser på någon av eller alla kanalerna och uppmäta kanalemas relativa effekt genom frekvensdiskrirninering i det elektriska området, se den publicerade europeiska patentansökningen EP-A1 0 637 148. Altemativt kan en analys av hela eller en del av det optiska spektret utföras med hjälp av fasta eller svepande optiska filter, gitter eller interferometrar.

Genom att placera en dämpare mellan förstärkningsstegen försämras inte de båda stegens optimala prestanda. Minsta möjliga brus från förförstärkarsteget läggs till signalen i varje driftsfall och hela den avgivna effekten är alltid tillgänglig från effektförstärkarsteget.

Detta innebär, att om ßrlusterna mellan ett par förstärkare minskar, förbättras SNR i motsvarande grad. Hela möjligheterna hos det totala optiska överföringssystemet kan ut- nyttjas. 10 15 20 25 35 509 968 KORT RITNINGSBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas såsom ett ej begränsande utföringsexempel med hänvis- ning till de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. 1 är ett diagram, som visar en del av ett optiskt fibernät, - Fig. 2 är ett blockschema av en förstärkare med konstant spektral förstärkning.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGEN UrFöRmGsFoRM I fig. l visas en del av ett optiskt ñbemät av WDM-typ med noder 101. Varje nod är förbunden med en annan nod via en ingångsfiber 103 och en utgångsfiber 105. Ingångs- fibrerna är förbundna med förförstärkare 107 och utgångsfibrema är förbundna med lcraft- eller effektförstärkare 109. Förförstärkaren 103 och effektförstärkarna 109 är i sin tur förbundna med elektriska utgångs- och ingångsportar lll respektive 113, som innefat- tar demultiplexorer respektive multiplexorer (kopplare). Det kan erfordras att instšilla för- stärkarna 107, 109, så att de har lämpligt anpassade förstärkningar beroende på ändamå- let med förstärkningen och det kan också erfordras, att förstärkningen skall ändras under nätets drift. Förförstärkare av typen fiberoptiska förstärkare innehållande fibrer med dop- ning av den sällsynta jordartsmetallen erbium, är emellertid förstärlmingen för olika våg- längder inte lika och till och med förstärkningens beroende av våglängden ändras, när förstärkningen ändras, vilket resulterar i problem förknippade med t ex olika signa1-till- brus-förhållanden. Förstärkare med konstant spektralt beroende används med fördel i så- dana noder och också som linjeförstärkare i ett fiberoptiskt nät och de kan uppbyggas så- som nu skall beskrivas i samband med fig. 2.

I blockschemat av en optisk förstärkare i fig. 2, vilken är lämplig för användning i en nod 101 i den i fig. 1 visade delen av ett nät, inkommer ljus till den optiska förstärkaren på en optisk fiber 1. Den optiska fibern är förbunden med en första fiberoptisk förstärka- re 3, som fungerar som ett förförstärkarsteg och förstärker det på fibern 1 mottagna lju- set. Förförstärkaren 3 har fast förstärkning, så att den ger en lämplig avgiven effekt för det förväntade området hos effekten hos det inkommande ljuset. Resultatet från förförstär- karsteget 3 överförs till en styrbar dämpare 5, som är förbunden med en elektrisk styren- het 7 och styrs av denna. Det av dämparen 5 dämpade ljuset inkommer sedan i ett fast våglängdsutjämnande filter 9, som har sin utgång förbunden med ett kraft- eller effektför- stärkningssteg 11, som irmefattar en optisk fiberförstärkare med variabel avgiven effekt.

Utjämningsfiluet 9 är valfritt och erfordras inte för förstärkarens grundfunktion. När den inte finns med, är utgången från det styrbam filtret 7 direkt ansluten till ingången till ef- fektförstärkningssteget 11. Det från hela förstärkaranordningen avgivna ljuset erhålls på den optiska fibern 12, som är förbunden med utgångsanslutningen från effektförstärkar- steget ll. 10 15 20 25 30 O 509 168 5 Den elektriska styrenheten 7 mottar också signaler från ljusdetektorer. Sålunda har en ljuseffektsdetektor 13 vid ingången sin ingångsansluming förbunden med en Y-kopplare 15, vilken är placerad i den till förstärkaren inkommande fibem 1. En effektdetektor 17 i mellanläge är ansluten till fiberledningen mellan det valfria utjämningsfiltret 9 och effekt- förstärkningssteget ll via en Y-kopplare 19, som är inskarvad i fibern mellan dessa an- ordningar. En effektdetektor 21 vid utgången är förbunden med utgångsanslutningen från effektfórstärkningssteget ll via en Y-kopplare 23, vilken är belägen i utgångsledningen 12. En valfri spektrumanalysanordning 25 såsom ett spekualfilter kan vara inkopplad i ingångsledningen till effektdetektorn 21 vid utgången.

Funktionen hos försfirkaren enligt fig. 2 skall nu beskrivas. Den grundar sig på att i en optisk fiberfórstärkare såsom den vilken finns med i förförstärkarsteget 3 och effektför- stärkarsteget 9, kan förstärkningen med mycket god approximation skrivas som en linjär kombination eller en linjär interpolation av två kända Spektra, förutsatt att förstärk- ningsvärdena uttrycks i en logaritinisk enhet såsom dB, se den ovan anförda artikeln av Dag Bonnedal. Förstärkningsspektret för en inkommande effekt Pln kan skrivas som GkQ) = Gl,(>\) + k(Ga(>\) - GbOQ) [dB-enheter] (1) där k är en konstant, vilken är oberoende av våglängden Ä och G,(Ä) och GbOt) är för- stärkningen för andra värden hos den inkommande effekten. Konstanten k beror på den inkommande effekten och på pumpeffekten. För två på samma sätt uppbyggda optiska fiberförstärkare nr 1 och 2 är ßrstärlmingen ska) = shot) + kl(G,(>\) - Gboq) [dB-enheter] (z) GkQ) = Gb()\) + k2(Ga()\) - Gl,()\)) (dB-enheter] (3) där kl och k2 är konstanter beroende på den inkommande effekten till och pumpeffekten hos respektive förstärkare. Om de båda förstärkama är förbundna i serie och en dämpare med jämn dämpning av A dB inkopplad mellan dem, blir den totala förstärlmingen GMO) = 2-GbO\) - A + (kl + kQ-(Ga ) - Gb()\)) [dB-enheter] (4) Anta sålunda först, att förförstärkar- och effektförstärkarstegen 3, ll och dämparen 5, som antas ha konstant förstärkning, dvs samma förstärkning för alla betraktade vågläng- der, har inställts för att ge en total förstärkningskurva enligt ekv. (4). Anta sedan, att den inkommande effekten till förförstärkarsteget 3 ändras, och då ändras fórstärkningen i denna och konstanten kl ändras till (kl + Akl). Den totala förstärkningen hos förstärka- 10 15 20 25 509 968 6 ren ändras då också enligt ekv. (4). Förstärkningen styrs automatiskt att få ett nytt värde (A + AA) genom att ända lämpliga signaler från styrenheten 7 till dämparen 5. Den inkommande effekten till effektförstârkningssteget 11 ändras då, vilket ger en ändring av konstanten kz till (kz + Ak7). Den resulterande fórstärkningen är Glolß) = 2-GbOt) - (A + AA) + + (kl + k2 + Akl + Ak2)-(Ga(}\) - GbOQ) [dB-enheter] (5) Om här AA inställs, så att villkoret Akz = -Akl uppfylls, är den resulterande förstärk- ningen GlOlQ) = 2-Gl,()\) - A - AA + (kl -IÉ k,)-(Ga()\) - Gl,()\)) [dB-enheter] (6) vilket innebär att den resulterande förstärkningen är proportionell mot den tidigare eller inställda eller begynnelsefcirstärkningen och att sålunda det spektrala beroendet hos för- stärkningen är väsentligen oförändrat.

I ett annat fall ändras effekten hos pumpljuset till effektförstärlcriingssteget ll, vilket ger upphov till ändrad avgiven effekt från hela förstärkaren och också en ändring av konstan- ten kz i ekv. (l). Förstärkningen A hos dämparen 5 kan då ändras till ett nytt värde A', så att förstärkningen fortfarande är kz i effektförstärkningssteget ll, vilket ger en total förstärkning av GlolOx) = 2-Gl,(}\) - A' + (kl + kQ-(GaOQ - Gl,()\)) [dB-enheter] (7) som också är proportionell mot den ursprungligen inställda förstärkningen.

Om det valfria förstärkningsutjämnande filtret 9 används, skall det idealt utformas att få en förstärkning (åtminstone inom något betraktat våglängdsband innehållande WDM- kanalerna) AglOQ = -(2-Gl,(}\) + (kl + kg-(GaOt) - Gl,(>\))) - Agll, [dB-enheter] (8) där Agll, är en konstant. Detta resulterar i en total förstärkning hos den fiillständiga för- stärkaren, som är oberoende av våglängden.

Förstärkaren 5 är automatiskt och elektriskt styrd av styrenheten 7 men skulle också kunna styras manuellt. Den fullständiga förstärkarens förstärkning vid fast inkommande effekt varieras genom att variera pumpeffekten till den optiska fiberförstärkaren i effekt- 10 15 20 25 30 5 Ü 9 9 6 8 7 förstärkningssteget 11 eller på andra sätt, t ex såsom beskrivs i svensk patentansökan 9603337-8, se särskilt beskrivningen av fig. 6. Då ändras samtidigt dämparens 5 dämp- ning på motsvarande sätt för att bibehålla en konstant förstärkning hos effelctfcirstärk- ningssteget 11 i enlighet med den ovan givna diskussionen (ekv. (7)) genom att använda signalerna från detektorerna 17 och 21, som avkänner den inkommande och avgivna effekten hos effekttörstärlmingssteget 11. För den automatiskt styrbara därnparen 5 kan dess förlust (dämpning) beräknas ur den inkommande effekt, som uppmäts av detektom 13 vid ingången, och den ljuseffekt, som mäts av detektom 17 i mellanläget, förutsatt att uppförandet hos och inställningen av törförstärkrtingssteget 3 är kända. I vissa fall kan ytterligare en ljusdetektor erfordras, som avkänner den inkommande effekten till den styrbara dämparen (och då också den avgivna effekten från förtörstärkarsteget 3 och den kan medverka vid styming av dennas' förstärkning).

För en ändring av den inkommande effekten till försärkaren avkänns denna av detektom 13 vid ingången och sedan styrs filtrets 5 förstärkning, så att ändringen kompenseras, genom att modifiera dess avgivna signal, så att också förstärkningen hos effektförstärk- ningssteget 11 ändras, jämför ekv. (5) och (6). Denna styrning kan göras genom att använda enbart det kända uppförandet hos förstärkningsstegen 3, ll, i vilket förstärk- ningen och konstanten k kan härledas från motsvarande inkommande effekt, vilken av- känns av detektorerna 13 och 17, såsom genom användning av det funktionssamband, vilket presenteras i den ovan anförda artikeln av Dag Bonnedal, se ekv. (1) i denna arti- kel: 1 G = (gf + (Plimfafï + L [linjära enheter] (9) Pin för en betraktad våglängd, där Pin är den inkommande effekten, GO är förstärkningen för en omättad förstärkare, Pfim är den maximala avgivna effekten från förstärkaren, a en exponent i området 0,5 - 1,5 och L är en konstant. Värdet k beräknas då ur i [dB-enheter] (10) k = Altemativt måste, för att man skall få en återkopplad styming av därnparen 5 och av effektförstårlcriingssteget 11 i detta fall med varierande inkommande effekt, på något sätt bestämmas den spektrala profilen hos det ljus, som avges från effektförstärkningssteget ll , och då styras att vara proportionell mot den från början inställda, se ekv. (5) och (6).

Detta kan utföras genom att uppmäta kanaleffekten hos två eller flera WDM-kanaler vid utgången genom att låta de lämpligt inställda spektrala filtren 25 välja dessa kanaler för ljusdetektorn 21 vid utgången. I ett annat utförande erfordras inte något spektralt filter 25 utan lämpligt valda, olika pilottoner har lagts på signalerna i kanalerna, så att de enskilda 10 5 0 9 9 6 8 8 lcaiialernas effekter kan uppmätas genom att ñltrera ut den elektriska signalen, vilken erhålls från ljusdetektom 21, lcring frekvenserna hos pilottonema och sedan mäta tonernas amplituder.

Ofta används olika ßngder av förstärkande fibrer i de båda stegen för att ge förför-stär- karsteget en lägre maximal förstärkning för att lägga på. mindre brus och ge effektför- stärkningssteget en större förstärkning för att erhålla en högre verkningsgrad. Detta in- nebär, att grundkurvoma Ga ) och Gb()\) i ekv. (2) och (3), som uttrycker váglängds- beroendet, inte är helt lika varandra för de båda fórstärkarstegen men att de fortfarande kan vara tillräckligt lika. Då kan en noggrann styrning enligt beskrivningen ovan inte ufiras, men fortfarande kan inom ett tillräckligt smalt váglängdsintervall, t ex mellan 1540 och 1560 nm eller för våglängder inom ett ännu smalare band kring en frekvens av 1550 nm, stymingen utföras på ett sätt, som åstadkommer ett ungefalrligen konstant spekt- ralt beroende hos förstärkarens totala förstärkning.

Claims (9)

10 15 20 25 5 Û 9 9 6 8 9 PATENTKRAV

1. Optisk förstärkande anordning innefattande en första optisk fiberförstärkare, k ä n n e t e c k n a d av en andra optisk fiberförstärkare och en dämpare inkopplad mellan den andra optiska fiberßrstärkaren och den första optiska ñberförstärlcaren, var- vid den andra optiska fiberförstärkaren är inkopplad att motta inkommande ljus med låg total ljuseffekt och att förstärka ljuset för att avge detta till den forsta optiska fiberiörstär- karen via dämparen, varvid fórstärkningen hos den andra ñberoptiska fiberförstärkaren och dämpningen hos dämparen är anordnade att avge ljus med en betydligt högre total ljuseffekt till den första optiska fiberförstärkaren.

2. Optisk förstärkande anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av en styranord- ning förbunden med dämparen för styming av dennas dämpning, varvid styranordningen är anordnad att styra därnpningen vid en förändring av den inkommande ljuseffekten till den andra ñberoptíska förstärkningen, så att den första fiberoptiska förstärkarens ñrstärk- ning ändras på sådant sätt, att det från den första förstärkaren avgivna ljuset har samma spektrala beroende som före ändringen.

3. Optisk förstärkande anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av en styranord- ning förbunden med dämparen för styrning av dennas dämpning, varvid styranordningen är anordnad att styra dämpningen vid en ändring av pumpljusets effekt till den första fiberoptiska förstärkaren, så att den första fiberoptiska förstärkarens förstärkning är oför- ändrad.

4. Optisk förstärkande anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av ett förstärk- ningsutjämnande filter inkopplat mellan de andra och första förstärkarna för att åstadkom- ma en kompensering av det spektrala beroendet, så att förstärkningen hos den optiska ßrstärkande anordningen blir väsentligen oberoende av våglängden hos den inkommande ljussignalen.

5. Optisk förstärkande anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av ljusdetektorer inkopplade att avkänna effekten hos ljus inkommande till och avgivet från den första förstärkaren och anslutna att avge signaler till styranordningen för styming av den första förstärkarens förstärkning och dämparens dämpning.

6. Optisk förstärkande anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av en ljusdetektor försedd med ett filter och ansluten att avkänna effekten hos ljus avgivet från den första förstärkaren vid minst två olika våglängder och ansluten att avge en signal till styranord- ningen för styming av den första förstärkarens förstärkning och dämparens dämpning. 10 15 20 25 509 968 10

7. Optisk förstärkande anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av en ljusdetektor ansluten att avkänna effekten hos ljus inkommande till den andra ßrstärkaren och an- sluten att avge en signal till styranordningen för styrning av den första förstärkarens förstärkning och dämparens dämpning.

8. Fiberoptiskt nät fór överföring av WDM-signaler innefattande länkar, som är förbund- na med minst en optisk förstärkande anordning, k ä n n e t e c k n a d av den förstär- kande anordningen innefattar två fiberoptiska förstärkare, en förförstärkare och en effekt- förstärkare, varvid förförstärkaren mottar ljus på en ingångsledning och effektförstärkaren avger ljus på en utgångsledning, varvid en dämpare är ansluten mellan förförstärkarens utgångsanslutning och effektförstärkarens ingångsanslutning för överföring av ljus mellan dessa, varvid förförstärkaren och effektförstärkaren åstadkommer en lutning hos förstärk- ningen hos sina avgivna signaler och en styranordning är anordnad att styra dämparens dämpning, så att - vid en ändring av effekten hos det inkommande ljuset till förförstärkaren effektförstär- karens förstärkning ändras på sådant sätt, att ljus avgivet från effektförstärkaren har samma spektrala beroende som före ändringen, och/eller - vid en ändring av effekten hos pumpljuset till effektförstärkaren, effektförstärkarens förstärkning är oförändrad.

9. Förfarande för förstärkning av ljussignaler, som fortplantas i en optisk överförings- länk, varvid ljussignalema är innefattade i ett flertal kanaler, varvid kanalemas vågläng- der är olika och ligger nära varandra, k ä n n e t e c k n a t av stegen - att förstärka ljussignalema samtidigt i ett första optiskt medium med en förstärkning, som i logaritrniska enheter väsentligen är en första linjär kombination av en första och en andra förstärkningskurva, vilka är funktioner av våglängden, - att dämpa proportionellt de förstärkta ljussignalema, - att förstärka de dämpade ljussignalema samtidigt i ett andra optiskt medium, som har en förstärkning, vilken i logaritrnislca enheter är väsentligen en andra linjär kombination av de första och andra karakteristiska kurvorna, - att styra dämpningen, så att vid en ändring av den inkommande ljuseffekten till det första mediet förstärkningen i det andra mediet ändras på sådant sätt, att det av det andra mediet avgivna ljuset har samma spektrala beroende som före ändringen, och/eller - att styra dämpningen, så att vid en ändring av det från det andra mediet avgivna ljuset det andra mediets förstärkning är oförändrad.