DE19853429A1

DE19853429A1 - Lichtleiterverstärker

Info

Publication number: DE19853429A1
Application number: DE19853429A
Authority: DE
Inventors: Seong-Taek Hwang; Soo-Young Yoon; Jeong-Mee Kim; Sung-Jun Kim; Rae-Sung Jung; Lars Johan Albinsson Nilsson
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 1999-07-08
Also published as: JPH11233866A; BR9804714A; GB2331621A; CA2254487C; CA2254487A1; GB9825131D0; JP3249089B2; GB2331621B; FR2771221B1; KR19990043973A; US6392788B1; FR2771221A1; CN1124670C; CN1218317A; KR100258970B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiterverstärker, und insbesondere einen derartigen Lichtleiterverstärker, der Verstärkungseigenschaften mit abgeflachter Verstärkung dadurch erzielt, daß Lichtleiter, die mit unterschiedlichen Materialien dotiert sind, in Kaskadenschaltung vorgesehen werden.

Die Übertragung mit Wellenlängenübertragungsmultiplex (WDM) hat sich in der zweiten Hälfte der 90er Jahre als Vorrichtung zur Erhöhung der Übertragungskapazität und des Wirkungsgrades durch Multiplexen und Übertragen von optischen Signalen mit unterschiedlichen Wellenlängen herausgestellt. Daher ist ein Lichtleiterverstärker erforderlich, der für die WDM- Übertragung geeignet ist. Ein Verstärker mit einem Erbium dotierten Lichtleiter (EDF), der momentan häufig eingesetzt wird, zeigt jedoch unterschiedliche Verstärkungsgrade und Rauschzahlen für unterschiedliche Wellenlängen.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild einen herkömmlichen EDF- Verstärker, der einen ersten Isolator 100 aufweist, eine Pumplaserquelle 102, einen wellenselektiven Koppler (WSC) 104, einen EDF 106 und einen zweiten Isolator 108.

Als nächstes wird der Betriebsablauf dieser Teile beschrieben. Zuerst erzeugt die Pumplaserquelle 102 Pumplicht mit einer Zentrumswellenlänge von 980 nm. Der WSC 104 koppelt das Pumplicht an Signallicht mit einem Wellenlängenband von 1500 nm an, welches über seinen Eingangsanschluß hineingelangt. Der EDF 106 verstärkt das Signallicht entsprechend dem Pumplicht, welches von dem WSC 104 einfällt. Das Pumplicht regt hierbei Erbium-Ionen im Grundzustand in dem EDF an, und das Signallicht wird durch stimulierte Emission des angeregten Erbiums verstärkt. Das verstärkte optische Signal wird über den zweiten Isolator 108 ausgegeben. Der erste und zweite Isolator 100 bzw. 106 verhindern, daß das Signallicht durch derartige Elemente wie Eingangs- und Ausgangsverbinder 110 bzw. 112 reflektiert wird, und zurück in den EDF eintritt.

Ein derartiger herkömmlicher Lichtleiterverstärker weist jedoch die Schwierigkeit auf, daß Signallicht mit unterschiedlichen Wellenlängen keine abgeflachten Verstärkungen zur Verfügung stellt. Wenn nämlich Eingangssignalkanäle 1, 2, 3 und 4 mit gleicher Leistung einfallen, gibt der herkömmliche Lichtleiterverstärker Signalkanäle mit unterschiedlichen Leistungen bei unterschiedlichen Wellenlängen aus.

Zur Lösung des voranstehend geschilderten Problems verwendet der Stand der Technik Filter, oder ändert die Ausbildung von EDFs. Die Verwendung von Filtern erhöht jedoch die Kosten, und vergrößert die Abmessungen des herkömmlichen Lichtleiterverstärkers. Die voranstehend geschilderten Verfahren führen zu einer Verringerung der Verstärkung, da sie die Ausgangsleistungen auf der Grundlage der Minimalleistung unter den Ausgangsleistungen der unterschiedlichen Wellenlängen einebnen. Die Verwendung von EDFs, die mit einem Material mit unterschiedlichem Grundaufbau dotiert sind, beispielsweise Fluor, vergrößert ein Verstärkungseinebnungsband oder Abflachungsband, verringert jedoch die Verstärkungen, und zeigt Eigenschaften, die in Bezug auf Umgebungseinflüsse instabil sind.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der voranstehend geschilderten Probleme und in der Bereitstellung eines Lichtleiterverstärkers, der ein flaches Verstärkungsprofil aufweist, durch Kaskadenschaltung von EDFs, denen unterschiedliche Materialien hinzugefügt sind.

Zur Erzielung der voranstehend geschilderten Vorteile wird daher ein Lichtleiterverstärker bereitgestellt, welcher aufweist: einen ersten Lichtleiter, der mit Erbium und Phosphor dotiert ist, und zur Verstärkung von Signallicht dient, welches von dem Erbium angeregt wird; einen zweiten Lichtleiter, der an ein Ende des ersten Lichtleiters angeschlossen ist, und mit Erbium und Aluminium dotiert ist, und einen Verstärkungsspektrumsverlauf entgegengesetzt jenem des ersten Lichtleiters aufweist, entsprechend der Besetzungsinversion des Erbiums, zur Verstärkung von Signallicht, welches von dem ersten Lichtleiter ausgegeben wird; eine Pumplaserquelle, die an das andere Ende des ersten Lichtleiters angeschlossen ist, und dazu dient, das Erbium des ersten und des zweiten Lichtleiters anzuregen; und einen Lichtkoppler zum Koppeln von Pumplicht von der Pumplaserquelle mit dem Signallicht, und zur Ausgabe des sich ergebenen Licht an den ersten Lichtleiter.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Lichtleiterverstärkers;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Lichtleiterverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A und 3B Verstärkungsspektren entsprechend der Besetzungsinversionsverteilungen des ersten und zweiten EDFs von Fig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen und Rauschzahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wenn Signallicht aus vier Kanälen gemultiplext und dem Lichtleiterverstärker von Fig. 2 zugeführt wird;

Fig. 5 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen und Rauschzahlen, gemessen als Signallichtleistungen für unterschiedliche Kanäle, die sich ändern, wenn Pumplichtleistungen konstant gehalten werden;

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen und Rauschzahlen, die gemessen werden, wenn sich Pumplichtleistungen ändern, während die Signallichtleistungen für vier Kanäle konstant gehalten werden;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Lichtleiterverstärkers mit einer bidirektionalen Pumplaserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen und Rauschzahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wenn Signallicht aus vier Kanälen auf den Lichtleiterverstärker von Fig. 7 auftrifft;

Fig. 9 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen und Rauschzahlen, die gemessen werden, wenn Signallichtleistungen für unterschiedliche Kanäle geändert werden, während die Pumplichtleistungen konstant gehalten werden; und

Fig. 10 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen und Rauschzahlen, die gemessen werden, wenn Pumplichtleistungen geändert werden, während die Signallichtleistungen für vier Kanäle konstant gehalten werden.

In Fig. 2 weist ein Lichtleiterverstärker einen ersten Isolator 200 auf, eine Pumplichtquelle 202, einen wellenlängenselektiven Koppler (WSC) 204, der an den ersten Isolator 200 und die Pumplichtquelle 202 angeschlossen ist, einen Puffer-EDF 206, einen ersten und zweiten EDF 208 bzw. 220, und einen zweiten Isolator 212.

Der erste EDF 208 ist ein Lichtleiter, der mit Erbium (Er) und Phosphor (P) dotiert ist, oder ein Lichtleiter, der mit Er, Aluminium (Al) und P dotiert ist.

Der Puffer-EDF 206 und der zweite EDF 210 sind Lichtleiter, die mit Er und Al dotiert sind. Der Puffer-EDF 206 ist nicht notwendigerweise jener Lichtleiter, der mit Er und Al dotiert ist. Vorzugsweise ist der Puffer-EDF 206 ein Lichtleiter, der Anschluß- oder Verbindungsverluste verringern kann, welche durch die Modenfelddurchmesserdifferenz zwischen dem WSC 204 und dem ersten EDF 208 hervorgerufen werden. Der Puffer-EDF 206 ist kurz, so daß er nicht die Verstärkungseigenschaften des gesamten Verstärkers beeinflußt. Die Konzentrationen an Er und Al bei dem Puffer-EDF 206 können gleich jenen bei dem zweiten EDF 210 sein, oder sich hiervon unterscheiden. Der Puffer-EDF 206 kann auch nicht vorgesehen werden, da er die Verbindungsverluste verringert, jedoch keine Auswirkungen auf eine ebene Verstärkungskurve des Lichtleiterverstärkers hat.

Als nächstes wird der Betriebsablauf beschrieben. Zuerst fällt Signallicht aus mehreren Kanälen auf den WSC 204 über den ersten Isolator 200 ein, der eine verstärkte spontane Emission von jedem EDF daran hindert, zurückzugehen und reflektiert zu werden. Die einfallenden Signallichtströme werden an einen Pumplaser von der Pumplaserquelle 202 angekoppelt, beispielsweise einer Laserdiode, um Energie zu liefern, die eine Zentrumswellenlänge von 980 nm aufweist, und erforderlich für die Verstärkung durch den WSC 204 ist. Das Signallicht wird von dem ersten und zweiten EDF 208 bzw. 210 verstärkt.

Der erste EDF 208 verstärkt mehr Licht mit relativ kurzer Wellenlänge im Vergleich zu anderem Signallicht mit Wellenlängen zwischen 1540 nm und 1560 nm. Der zweite EDF 210 verstärkt mehr Licht mit relativ langer Wellenlänge im Vergleich zu anderem Signallicht mit Wellenlängen zwischen 1540 nm und 1560 nm. Dies liegt an den Verstärkungsspektrumseigenschaften in Abhängigkeit von den Wellenlängen bei dem ersten und zweiten EDF 208 bzw. 210.

Fig. 3A zeigt ein Verstärkungsspektrum, welches von der Besetzungsinversionsverteilung des ersten EDF 208 abhängt. Fig. 3B zeigt ein Verstärkungsspektrum, welches von der Besetzungsinversionsverteilung des zweiten EDF 210 abhängt. Jedes dieser Verstärkungsspektren ist als Verhältnis der Besetzungsinversion mit einem Anstieg in Einheiten von 0,1 zwischen 0 und 1 dargestellt. In den Fig. 3A und 3B ändern sich die Verstärkungseigenschaften der EDFs bei unterschiedlichen Wellenlängen entsprechend dem Verhältnis der Besetzungsinversion. In Fig. 3A wird daher die Verstärkung des ersten EDF 208 niedriger bei einer Erhöhung der Wellenlänge zwischen 1540 nm und 156 nm, wenn das Verhältnis der Besetzungsinversion 0,6 oder größer ist. Ist das Verhältnis der Besetzungsinversion kleiner oder gleich 0,5, so wird die Verstärkung bei einer Erhöhung der Wellenlänge größer. Bei einem Anstieg der Verstärkung mit wachsender Wellenlänge ist jedoch der erste EDF 208 als Verstärker nicht wünschenswert, da seine Verstärkung pro Längeneinheit 0,5 dB/m oder geringer ist, er also einen niedrigen Verstärkungspegel aufweist. Der erste EDF 208 ist daher geeignet, wenn das Verhältnis der Besetzungsinversion größer oder gleich 0,6 ist. In diesem Fall wird die Verstärkung des ersten EDF 208 bei kurzen Wellenlängen höher, statt bei großen Wellenlängen.

In Fig. 3B wird die Verstärkung des zweiten EDF 210 geringer, wenn die Wellenlänge ansteigt, im selben Wellenlängenbereich wie in Fig. 3A, wenn das Verhältnis der Besetzungsinversion größer oder gleich 0,8 ist. Ist das Verhältnis der Besetzungsinversion kleiner oder gleich 0,7, so wird die Verstärkung mit wachsender Wellenlänge größer. Um daher die Verstärkung bei großen Wellenlängen zu erhöhen, die durch den ersten EDF 208 relativ verringert wurde, beträgt vorzugsweise das Verhältnis der Besetzungsinversion bei dem zweiten EDF 210 0,7 oder weniger.

Wenn der erste und zweite EDF 208 bzw. 210 beide bei Verhältnissen der Besetzungsinversion zwischen 0,6 und 0,7 verwendet werden, wird die Pumplaserleistung höher, und wird die Signallichtleistung niedriger, in dem ersten EDF 208, was dazu führt, daß das Verhältnis der Besetzungsinversion größer wird. Andererseits wird in dem zweiten EDF 210 die Pumplichtleistung niedriger, und wird die Signallichtleistung höher, was zu einer Verringerung des Verhältnisses der Besetzungsinversion führt. Daher kann ein Lichtleiterverstärker mit vollständig ebenem Verstärkungsprofil erhalten werden.

Nach der Verstärkung wird das Signallicht über den zweiten Isolator 212 ausgegeben, um einen Rückwärtsfluß der spontanen Emission in Vorwärtsrichtung zu verhindern.

Fig. 4 ist ein Diagramm, in welchem die Verstärkung und Rauschzahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt sind, wenn Signallicht aus vier Kanälen mit Wellenlängen von 1542 nm, 1548 nm, 1554 nm bzw. 1560 nm auf den Lichtleiterverstärker von Fig. 2 auftrifft. Änderungen der Verstärkung und der Rauschzahlen werden auf innerhalb von ±0,5 dB bei Wellenlängen zwischen 1542 nm und 1560 nm eingeebnet. Mit der Bezugszahl 401 bzw. 402 ist die Rauschzahl bzw. die Verstärkung bezeichnet.

Fig. 5 ist ein Diagramm, in welchem Verstärkungen und Rauschzahlen dargestellt sind, die gemessen wurden, wenn die Leistungen der voranstehend geschilderten vier Kanäle von Signallicht von -20 dB/m auf -11 dB/m geändert werden, während die Pumplichtleistungen konstant gehalten werden. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, werden Änderungen der Verstärkung und der Rauschzahl auf innerhalb von ±0,5 dB eingeebnet. Das Bezugszeichen 501 bzw. 502 bezeichnet die Rauschzahl bzw. die Verstärkung.

Fig. 6 ist ein Diagramm, in welchem Verstärkungen und Rauschzahlen dargestellt sind, die gemessen werden, wenn Pumplichtleistungen von 70 mW auf 130 mW geändert werden, während die Signallichtleistungen der vier Kanäle konstant gehalten werden. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, werden Änderungen der Verstärkung und der Rauschzahl auf innerhalb von ± 0,5 dB eingeebnet. Das Bezugszeichen 601 bzw. 602 bezeichnet die Rauschzahl bzw. die Verstärkung.

Fig. 7 zeigt als Blockschaltbild einen Lichtleiterverstärker, der so ausgebildet ist, daß eine zweite Pumplichtlaserquelle 701 und ein zweiter WSC 702 dem Lichtleiterverstärker von Fig. 2 hinzugefügt sind, um bidirektionales Pumpen (Pumpen in beiden Richtungen) zu erzielen. Die übrigen Bauteile sind ebenso wie in Fig. 2.

Fig. 8 ist ein Diagramm, in welchem Verstärkungen und Rauschzahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt sind, wenn Signallicht aus vier Kanälen mit Wellenlängen von 1542 nm, 1548, 1554 nm bzw. 1560 nm auf den Lichtleiterverstärker von Fig. 7 auftrifft. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, werden Änderungen der Verstärkung und der Rauschzahl auf innerhalb von ±5 dB bei Wellenlängen zwischen 1542 nm und 1560 nm eingeebnet. Das Bezugszeichen 801 bzw. 802 bezeichnet die Rauschzahlen bzw. die Verstärkungen.

Fig. 9 ist ein Diagramm, in welchem Verstärkungen und Rauschzahlen dargestellt sind, die gemessen werden, wenn die Leistungen des Signallichts der voranstehend geschilderten vier Kanäle von -20 dBm auf -11 dBm geändert werden, während die Pumplichtleistungen konstant gehalten werden. Wie in Fig. 9 gezeigt werden Änderungen der Verstärkung und der Rauschzahl auf innerhalb von ±0,5 dB eingeebnet. Das Bezugszeichen 901 bzw. 902 bezeichnet die Rauschzahl bzw. die Verstärkung.

Fig. 10 ist ein Diagramm, in welchem Verstärkungen und Rauschzahlen dargestellt sind, die gemessen werden, wenn die Pumplichtleistungen von 140 mW auf 260 mW geändert werden, während die Signallichtleistungen in den vier Kanälen konstant gehalten werden. Wie in Fig. 10 gezeigt werden Änderungen der Verstärkung und der Rauschzahl auf innerhalb von ±0,5 dB eingeebnet. Das Bezugszeichen 1001 bzw. 1002 bezeichnet die Rauschzahl bzw. die Verstärkung.

Wenn passive Bauteile wie beispielsweise Filter verwendet werden, wird die Ebenheit der Verstärkung in Abhängigkeit von der Signallichtleistung oder der Pumplichtleistung geändert. Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch zwei Arten von EDFs mit unterschiedlichen Verstärkungsspektren, so daß sich das Verstärkungsspektrum jedes der EDFs aktiv entsprechend der Eingangssignallichtleistung oder der Pumplichtleistung ändert. Daher kann eine vollständig ebene Verstärkung aufrechterhalten werden.

Claims

1. Lichtleiterverstärker, welcher aufweist:
einen ersten Lichtleiter, der mit Erbium und Phosphor dotiert ist, und zur Verstärkung von Signallicht dient, welches durch das Erbium angeregt wird;
einen zweiten Lichtleiter, der an ein Ende des ersten Lichtleiters angeschlossen ist, mit Erbium und Aluminium dotiert ist, und einen Verstärkungsspektrumsverlauf entgegengesetzt jenem des ersten Lichtleiters entsprechend der Besetzungsinversion des Erbiums aufweist, und dazu dient, von dem ersten Lichtleiter. ausgegebenes Signallicht zu verstärken;
eine Pumplichtquelle, die mit dem anderen Ende des ersten Lichtleiters verbunden ist, und dazu dient, das Erbium des ersten und des zweiten Lichtleiters anzuregen; und
einen Lichtkoppler zum Koppeln von Pumplicht von der Pumplaserquelle mit dem Signallicht und zur Ausgabe des sich ergebenden Lichts an den ersten Lichtleiter.

2. Lichtleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste oder der zweite Lichtleiter ein Besetzungsinversionsverhältnis des Erbiums zwischen 0,6 und 0,7 aufweist.

3. Lichtleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pufferlichtleiter zur Verbindung des Lichtkopplers mit dem ersten Lichtleiter vorgesehen ist, um Verbindungsverluste zwischen dem ersten Lichtleiter und dem Lichtkoppler zu verringern.

4. Lichtleiterverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferlichtleiter ein Lichtleiter ist, der mit Erbium und Aluminium dotiert ist.

5. Lichtleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Pumplaserquelle vorgesehen ist, die an den zweiten Lichtleiter angeschlossen ist, um die Leistung des Pumplichts zu erhöhen.

6. Lichtleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtleiter ein Lichtleiter ist, der zusätzlich mit Aluminium dotiert ist.