DE69209633T2

DE69209633T2 - Rauscharmer optischer Verstärker mit einem hinter dem Verstärker angeordneten Verlustelement

Info

Publication number: DE69209633T2
Application number: DE69209633T
Authority: DE
Inventors: Isam M I Habbab; Adel Abdel Moneim Saleh
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2012-11-24
Also published as: EP0550145A1; DE69209633D1; JPH0685372A; EP0550145B1; CA2082849C; US5187610A; CA2082849A1; JP2598211B2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet von optischen Einrichtungen und spezieller von optischen Einrichtungen, die eine Lichtwellensignalverstärkung bereitstellen.

Hintergrund der Erfindung

Einige Lichtwellen-Fernnetzkommunikationssysteme verlassen sich auf eine Kette von optischen Verstärkern, um die Lichtwellensignalleistung auf einen für die Signale ausreichenden Pegel zu erhöhen, um das gesamte System zu durchqueren. Derartige Lichtwellensysteme werden, um einen ausreichenden Verstärkungsfaktor, eine entsprechende Verstärkerausgangsleistung und eine korrekte Verstärkerdynamik zu bekommen, sorgfältig spezifiziert. Die oben erwähnten Systemparameter zusammen mit allen anderen Systemparametern garantieren, daß das sich ergebende Lichtwellenkommunikationssystem, wie erwartet, üblicherweise in Übereinstimmung mit einem gewünschten Rauschabstandsverhalten arbeitet. Selbstverständlich ist es das Rauschabstandsverhalten eines Lichtwellen Kommunikationssystems, das durch solche Faktoren wie Verstärkungsfaktor, Ausgangsleistung und Dynamik beeinflußt wird.
Der Verstärkungsfaktor wird im allgemeinen auf einen entsprechenden Pegel eingestellt, um den Eigenverlust einer optischen Faser in der Spanne zwischen zwei benachbarten Verstärkern effektiv zu kompensieren. Die Verstärkerausgangsleistung ist üblicherweise zwischen einem maximalen und einem minimalen Leistungspegel eingestellt.
Der maximale Leistungspegel ist der Pegel, unter dem nicht-lineare Effekte in der optischen Faser die Lichtwellensignale nicht bedeutend verzerren; der minimale Leistungspegel ist der Pegel, der benötigt wird, um die Spanne der optischen Faser zwischen Verstärkern zu überqueren, während ein adäquater Rauschabstand beibehalten wird. Die Dynamik ist der Verstärkerparameter, der die Fähigkeit bestimmt, bis wohin der Verstärker im Sättigungsbereich arbeitet. Wenn eine Kette von Verstärkern in einem Lichtwellensystem dynamisch betrieben wird, ist das System in bezug auf geringe Signalleistungs- oder Verstärkerschwankungen selbststabilisierend. Bei heutigen Lichtwellen-Kommunikationssystemen verhindern die vorgeschriebene Verstärkerausgangsleistung, der Verstärkungsfaktor und die Dynamik den Einsatz van ausreichender Verstärkerpumpleistung, um das Verstärkermedium effektiv und einheitlich zu invertieren. Dieses wiederum verursacht ein verstärktes unwillkürliches Emissionsgeräusch in jedem Verstärker, wodurch der Rauschabstand des Systems verringert wird. Versuche, den Effekten eines verstärkten unwillkürlichen Emissionsgeräusches mit speziell konstruierten Filtern entgegenzuwirken, versagen beim Beseitigen oder auch Verbessern des Rauschproblems an dessen Quelle, das heißt im Verstärker selbst.
Ein Verstärkersystem für eine optische Faser zur Bereitstellung von Verstärkung für ein optisches Signal in einem Lichtwellenübertragungssystem zum Kompensieren von Übertragungsverlusten ist aus dem Journal of Lightwave Technology, Band 9, Nummer 2, 1991, Seiten 251-260, bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Zusätzlich zu dem Problem eines verstärkten unwillkürlichen Emissionsgeräusches wurde ein potentiell größeres Problem angetroffen, das in bezug auf eine Realisierung von optischen Verstärkern besteht, die den Konstruktionsdaten für Lichtwellensysteme gerecht werden. Es wurde jetzt herausgefunden, daß die Daten des Verstärkers, der Ausgangsleistung und der Dynamik eindeutig die Pumpleistung und die Verstärkerlänge bestimmen, die erforderlich sind, um den gewünschten optischen Verstärker zu realisieren. Darüber hinaus definieren diese Parameter eindeutig die Rauschzahl des Verstärkers, welche numerisch das Rauschverhalten des Verstärkers beschreibt. Ein Ergebnis besteht darin, daß das Rauschverhalten des Verstärkers dauerhaft festgelegt ist, weil es durch die vorgeschriebenen Entwurfsparameter des Systems bestimmt wird. Es gibt keinen verfügbaren Freiheitsgrad bei der Verstärkerkonstruktion zur Verbesserung des Rauschverhaltens (das heißt Verringerung der Rauschzahl) bei gleichzeitiger Erfüllung der Anforderungen an den Verstärker, die Verstärkerausgangsleistung und die Verstärkerdynamik.
Ein verbessertes Rauschverhalten und eine Entwurfsflexibilität werden bei einer optischen Anordnung zur Verstärkung von Lichtwellensignalen erreicht, indem ein optisches Verstärkerelement bei einer höheren als die nominelle Pumpleistung gepumpt wird und indem das Ausgangssignal von dem optischen Verstärkerelement unter Einsatz eines Verlustelementes auf einen gewünschten Pegel gedämpft wird. Der höhere Grad als der nominelle Grad des Pumpens gewährt eine gleichförmigere Inversion des Verstärkermediums, welches wiederum ein verstärktes unwillkürliches Emissionsrauschen verringert und den Rauschabstand verbessert. Weil das optische Verstärkerelement das Lichtwellensignal bis auf einen Pegel oberhalb des gewünschten Pegeis verstärkt, stellt das Verlustelement die notwendige Verringerung des Ausgangssignals auf den gewünschten Pegel am Ausgang der Anordnung bereit. Mit dieser Anordnung werden die Verstärkerlänge, die Pumpleistung und die Rauschzahl nicht länger durch die Entwurfskriterien des Verstärkers, der Ausgangsleistung und der Dynamik eindeutig definiert. Vielmehr ist es jetzt möglich verschiedene Kombinationen von optischen Verstärkerelement-Konstruktionen und Verlustelement-Konstruktionen zu verwenden, um die vorgeschriebenen Kriterien des Verstärkers, der Ausgangsleistung und der Dynamik für die Anordnung zu erfüllen.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist ein dotierter Faserverstärker optisch mit einem Verlustelement gekoppelt, um die optische Anordnung zu realisieren. Entgegengesetzt sich ausbreitende oder gemeinsam sich ausbreitende Pumpsignale oder eine Kombination von beiden Arten der Pumpsignale werden zum Pumpen des Verstärkers verwendet.

Figurenbeschreibung

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird durch das Lesen der folgenden Beschreibung der früheren Ausführungsformen und der speziellen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erreicht. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines früheren Lichtwellen-Kommunikationssystems, das eine Kette von optischen Verstärkern verwendet;
Fig. 2 eine genauere schematische Zeichnung eines früheren optischen Verstärkers;
Fig. 3 eine Verstärkungskennlinie für den in den vorangegangenen Figuren dargestellten beispielhaften Verstärker;
Fig. 4 eine Prinzipskizze eines optischen Verstärkers, der ein der Verstärkung nachgeschaltetes gemäß den Erfindungsgedanken realisiertes Verlustelement besitzt;
Fig. 5 den Verstärker aus Figur 4 mit einem optischen Isolator;
Fig. 6 eine detaillierte Prinzipzeichnung einer alternativen Ausführungsform des optischen Verstärkerelements der Figuren 4 und 5;
Fig. 7 einen Vergleichsausdruck der Verstärkung und der Rauschzahl in Abhängigkeit der Ausgangsleistung für die Ausführungsformen aus den Figuren 2 und 4; und
Fig. 8-11 Aufzeichnungen der Verstärkerkenndaten für ein Verändern des Post-Verstärkerverlustes und der Verstärkerdynamik für die Anordnung der Figur 4.

Detaillierte Beschreibung

Ein Lichtwellen-Übertragungssystem mit einer verketteten Verstärkerkette ist in Figur 1 dargestellt. Das System enthält eine Kette von optischen Verstärkern 4 und zwischenverbindenden Spannen optischer Fasern 3, die als Lichtwellenübertragungsmedien dienen, um die Verstärker so miteinander zu verbinden, daß der Lichtwellensender 1 zu guter Letzt mit dem Lichtwellenempfänger 2 verbunden wird. Jede optische Faserspanne besitzt einen bestimmten Eigenverlust bei der Betriebswellenlänge für das System. Der Eigenverlust der Faser wird im allgemeinen durch die Verstärkung der vorgeschalteten optischen Verstärker kompensiert. Von einem System, wie dem bei Figur 1 dargestellt, wird erwartet, Strecken von Hunderten von Metern bei einer Gebäudeumgebung bis hin zu vielen Tausenden von Kilometern bei transkontinentalen und überseeischen Anwendungen zurückzulegen. Bei dem System aus Figur 1 sind die optischen Verstärker als Halbleiter oder als dotierte optische Faservorrichtung verwertbar. Für Fachleute wird es nach dem Lesen der folgenden Beschreibung erkennbar, daß die Erfindungsgedanken gleichermaßen auf optische Halbleiterverstärker und auf optische dotierte Faserverstärker anwendbar sind. Zur Einheitlichkeit und für ein leichtes Verständnis der folgenden Beschreibung ist die beschriebene besondere beispielhafte Ausführungsform, die des optischen dotierten Faserverstärkers in der optisch gepumpt wird. Um die folgende Beschreibung hinsichtlich eines optischen Halbleiterverstärkers zu verstehen, gilt es zu erkennen, daß das Pumpen entweder durch eine optische Einrichtung oder wie es üblicherweise der Fall ist, durch eine elektronische Einrichtung durchgeführt wird. Einzelheiten über das Betreiben und der Herstellung von optischen Halbleiterverstärkern sind für Fachleute bekannt und sind auch in einem Fachartikel bei IEEE Spectrum, Seiten 26-33, (Mai 1984) , offenbart. Die Einzelheiten über das Betreiben und die Herstellung von optischen dotierten Faserverstärkern und insbesondere optischen Erbium dotierten Faserverstärkern sind in der Technik ebenfalls bekannt und werden nachfolgend nioht beschrieben.
Die als gestrichelte Box 11 bei Figur 2 dargestellte optische Vorrichtung kann für jeden optischen Verstärker 4 der Figur 1 eingesetzt werden. Ein optischer Verstärker 13 verstärkt ein über eine Eingangsfaser 10 empfangenes Eingangssignal Ps,in. Das Ausgangssignal Ps,out von dem optischen Verstärker 13 wird der Ausgangsfaser 12 aufgelegt. Der optische Verstärker 13 wird durch ein angelegtes Pumpsignal Pp,in beim Pumpeingang 14 gepumpt. Die Leistung des Pumpsignals ist ausgelegt, um die gewünschte Verstärkung (G) und Dynamik (C) für den optischen Verstärker 13 zu erzielen. Die bei Figur 3 dargestellte Verstärkungskennlinie 21 veranschaulicht die Beziehung von der Verstärkung, der Dynamik und der Ausgangssignalleistung für den optischen Verstärker 13. Es sei erwähnt, daß hier die klassische Verstärkerbeziehung wie folgt vorliegt: Ps,in=Ps,out/G.
Bei einem optischen dotierten Faserverstärker, wie beispielsweise bei einem Erbium dotierten Faserverstärker, ermöglicht der Pumpeingang 14 das Pumpsignal in bezug auf das Verstärken des Signals entweder für ein gleichgerichtetes oder für ein entgegengesetzt gerichtetes Pumpen in den optischen Verstärker 13 einzuspeisen. Das heißt Ps,in breitet sich zusammen mit dem Eingangssignal (gleichgerichtet) oder entgegengesetzt (gegengerichtet) zu dem Eingangssignal Ps,in aus.
Es wurde jetzt entdeckt, daß sowohl die Amplitudenlänge als auch die Pumpleistung eindeutig bestimmt sind, wenn die Ausgangssignalleistung, die Verstärkung und die Dynamik für einen optischen Verstärker spezifiziert werden. Zusätzlich wurde herausgefunden, daß die Wahl der Ausgangssignalleistung, der Verstärkung und der Dynamik zu einem optischen Verstärker führen kann, der nicht realisierbar ist. Wenn der eindeutige Verstärker durch die Ausgangssignalleistung, die Verstärkung und die Dynamik vorgeschrieben ist, wird er mit einem bestimmten esten Rauschverhalten, welches die Verstärkerrauschzahl ist, realisiert. Das heißt, es gibt keine Anpassungsfähigkeit oder einstellbare Parameter innerhalb des optischen Verstärkers, um das Rauschverhalten des Verstärkers zu verbessern.
Um die erforderliche Pumpleistung und Amplitudenlänge zu bestimmen, die die Anforderungen an die Ausgangssignalleistung, die Verstärkung und die Dynamik für den Verstärker erfüllen, ist es notwendig, die folgenden Gleichungen aufzulosen. Die erste Gleichung, die für die Pumpeingangsleistung auf zulosen ist, lautet:
wobei αs und αp die Wellenlängen abhängigen Absorptionskonstanten des jeweiligen Signais und der Pumpwellenlängen sind, Gss die kleine durch das Produkt GC gegebene Signalverstärkung ist, Qp,IS und Qs,IS die Wellenlängen abhängigen Eigensättigungsleistungen des Verstärkers jeweils bei der Pumpwellenlänge bzw. der Signalwellenlänge sind, Qp,in die Eingangspumpleistung ist und Qp,&sub0;,out die Ausgangspumpleistung in Abwesenheit des Signals ist. Es sei erwähnt, daß Q eher als P benutzt wird, um die in Photonen pro Sekunde gemessene optische Leistung zu bezeichnen. Wenn die Eingangspumpleistung aus der vorangegangenen Gleichung herausgelöst wurde, wird sie benutzt, um die Amplitudenlänge zu erhalten.
Die Amplitudenlänge 1 wird bestimmt, indem die Eingangspumpleistung wie folgt verwendet wird:
1NGss = -αs1 + Qp,in - Qp,0,out
Qs,IS Qs,IS
Die Amplitudenlänge für einen optischen dotierten Faserverstärker ist im wesentlichen die Länge der dotierten Faser. Die aus der vorhergehenden Gleichung bestimmten Amplitudenlänge und Eingangspumpleistung definieren den optischen Verstärker, der, wenn er realisierbar ist, die Verstärkervorschriften der Eingangssignalleistung, der Verstärkung und der Dynamik erfüllt.
Um zu bestimmen, ob der optische Verstärker auch realisierbar ist, werden die Entwurfsparameter in die folgende Gleichung:
Ps,out > G/G - 1 Ps,IS 1nC
eingesetzt, die für einen offenen Verstärker zurückführbar ist auf:
Ps,out > Ps,IS 1nC.
Wie vorhergehend beschrieben, ist das durch die Verstärkerrauschzahl gekennzeichnete Rauschverhalten des Verstärkers vorgeschrieben, ohne irgendeine Möglichkeit es zu modifizieren oder zu verbessern. Die Rauschzahl ist definiert als 10 log&sub1;&sub0;2nsp, wobei nsp der Besetzungsumkehrkoeffizient des optischen Verstärkers ist. Bei einheitlichen Inversionsbedingungen ist der Besetzungsumkehrkoeffizient oder der willkürliche Emissionsfaktor durch N&sub2;/(N&sub2;-N&sub1;) gegeben, wobei N&sub1; und N&sub2; die jeweilige Grund- bzw. angeregte Zustandsbesetzung des Verstärkermediums in dem optischen Verstärker sind.
In Übereinstimmung mit den Erfindungsgedanken gemäß den anhängigen Ansprüchen ist es jetzt möglich das Rauschverhalten eines optischen Verstärkers beim gleichzeitigen Erfüllen der Verstärkerentwurfskritierien für die Signalausgangsleistung, die Verstärkung und die Dynamik zu verbessern. Diese Vorteile werden erreicht, indem ein optisches Verstärkerelement mit einem der Verstärkung nachgeschalteten Verlustelement kombiniert und das optische Verstärkerelement gepumpt wird, um eine offene Verstärkung und daher eine größere Signalausgangsleistung zu erzeugen, die im wesentlichen durch das der Verstärkung nachgeschaltete Verlustelement kompensiert wird. Die Kompensation durch das dem Verstärker nachgeschaltete Verlustelement veranlaßt die Kombination der Elemente eine Signalausgangsleistung zu erzeugen, die die Entwurfskriterien erfüllt.
Ein gemäß den Erfindungsgedanken verwirklichtes Ausführungsbeispiel ist bei Figur 4 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die optische Vorrichtung 41 ein optisches Verstärkerelement 15 und ein dem Verstärker nachgeschaltetes Verlustelement 18. Die optische Vorrichtung 41 kann für jeden optischen Verstärker 4 der Figur 1 eingesetzt werden. Das optische Verstärkerelement 15 wird entweder mitgerichtet oder gegengerichtet oder sowohl mitals auch gegengerichtet über dem Pumpeingang 14 unter Anwendung des Pumpeingangssignals p,in gepumpt, wobei p,in größer als Pp,in ist. Für den letztgenannten Fall des bidirektionalen Pumpens werden zwei getrennte Stellen zum Pumpen des Verstärkerelementes benötigt. Die Quelle des Pumpsignals ist, obwohl bei Figur 4 nicht dargestellt, eine Lichtquelle wie zum Beispiel ein Laser, der eine ausreichende optische Ausgangsleistung bei der entsprechenden Wellenlänge zum Pumpen des optischen Verstärkers 15 besitzt. Bei optischen Erbium dotierten Faserverstärkern finden sich geeignete Pumpwellenlängen um 980 nm herum und in dem Wellenlängenbereich von 1460 nm bis 1480 nm zur Verstärkung von Lichtwellensignalen, die sich bei etwa 1500 nm ausbreiten. Selbstverständlich sind die vorhergehend erwähnten Wellenlängen nur beispielhaft und sind nicht für Beschränkungszwecke zu interpretieren.
Das optische Verstärkerelement 15 ist mit dem dem Verstärker nachgeschalteten Verlustelement 18 über eine Faser, einen Wellenleiter, eine Linse oder einem anderen optisch koppelnden Element auf dem optischen Pfad 17 optisch gekoppelt. Das Ausgangssignal des optischen Verstärkers 15 ist das Ausgangssignal Ps,out das eine größere Signalausgangsleistung besitzt, als das Entwurfskriterium Ps,out. Um die zusätzliche Signalausgangsleistung zu kompensieren, stellt das dem Verstärker nachgeschaltete Verlustelement 18 einen optischen Verlust L bereit, so daß die Gesamtverstärkung der optischen Vorrichtung 41 das Produkt aus dem optischen Verlust des Elements 18 und der Verstärkung des optischen Verstärkers 15 ist. Als ein Ergebnis weist die optische Vorrichtung 41 eine Gesamtverstärkung auf, die im wesentlichen identisch mit der Verstärkung des Verstärkers der Figur 2 ist, weil die Verstärkung bei jedem Ausführungsbeispiel Ps,out/Ps,in beträgt.
Das dem Verstärker nachgeschaltete Verlustelement 18 ist als irgend eines aus der Vielzahl der passiven und auch aktiven optischen Elemente realisierbar. Zum Beispiel ist ein Faserzu-Faser-Koppler, der eine beabsichtigte Fehlabstimmung zwischen den zwei Fasern besitzt, um die gewünschte Menge des Verlustes L zu bewirken, eine vorgesehene Verwirklichung des Verlustelementes 18. Eine Biegung oder Beugung einer optischen Faser oder eines dielektrischen Wellenleiters unterzieht das Lichtwellensignal einer steuerbaren Verlustmenge als eine Funktion des Radius der Kurve oder Beugung, deren Verlust ausreichend ist, um das dem Verstärker nachgeschaltete Verlustelement zu realisieren. Lichtwellendämpfungseinrichtungen, die durchlässige oder schwach leitende optische Fasern und dielektrische Wellenleiter enthalten, stellen eine andere Klasse eines Verlustelernentes bereit. Passive und aktive (elektrisch steuerbare) gerichtete optische Koppler stellen eine feste oder einstellbare Verlustmenge für das Lichtwellensignal auf dem durchgehenden Wellenleiterpfad bereit, indem ein Teil des Signals zu dem benachbarten Verbindungswellenleiterpfad gekoppelt wird. Optische Amplitudenmodulatoren sind auch einsetzbar zur Dämpfung des Ausgangssignals aus dem optischen Verstärkerelement durch die gewünschte Verlustmenge L. Alle vorangehend diskutierten Einrichtungen zur Realisierung des dem Verstärker nachgeschalteten Verlustelements wurden in der technischen Literatur offenbart und sind den Fachleuten bekannt.
Das dem Verstärker nachgeschaltete Verlustelement 18 wird vorzugsweise als ein passives Verlustelement mit keiner nicht-linearen Verzeichnung realisiert. Zusätzlich ist es für das Verlustelement 18 wünschenswert, Reflexionen zurück in Richtung des optischen Verstärkerelements 15 zu verhindern oder wirksam zu verringern. Anti- Reflexionsbeschichtungen und ähnliches sind geeignet, um derartige Reflexionen zu minimieren und im wesentlichen auszulöschen Wahlweise minimiert auch und beseitigt sogar ein optischer Isolator, der zwischen dem optischen Verstärkerelement und dem dem Verstärker nachgeschalteten Verlustelement eingefügt ist, die Reflexionen in Richtung auf das optische Verstärkerelement 15. Diese Ausführungsform ist bei Figur 5 dargestellt, bei der ein optischer Isolator 19 vor dem Verlustelement 18 eingefügt ist, um eine im wesentlichen einheitlich gerichtete optische Fortpflanzung aus dem optischen Verstärkerelement 15 hin zu dem Verlustelement 18 bereitzustellen. Die optischen Isolatoren dieses Typs sind kommerziell erhältlich und werden nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Verstärkerelements 15. Das dargestellte optische Verstärkerelement 15 enthält optische Koppler 61 und 63 sowie eine verstärkende Faser mit einer optischen dotierten Faser 62 und einer optischen dotierten Faser 64. Das Pumpsignal wird in das optische Verstärkerelement 15 über einen Wellenleiter oder eine Faser 16 gekoppelt; das optische Eingangssignal wird in das ootische Verstärkerelement 15 über einen Wellenleiter oder eine Faser 10 gekoppelt. Das Ausgangssignal aus dem optischen Verstärkerelement 15 wird über einen Wellenleiter oder eine Faser 17 bereitgestellt.
Der optische Koppler 61 koppelt das Pumpsignal p,in in den Wellenleiterpfad, wobei Ps,in ist, daß das Verstärkermedium in der dotierten optischen Faser 62 zur Verstärkung des Eingangssignals ausreichend invertiert ist. Der optische Koppler 63 ermöglicht dem verstärkten Eingangssignal aus dem optischen Verstärkerelement extrahiert zu werden, nachdem das Eingangssignal eine vorbestimmte Länge der verstärkenden dotierten Faser 62 passiert hat. Die vorbestimmte Länge der dotierten Vestärkerfaser ist bei Figur 6 als im wesentlichen die Länge x dargestellt. Der optische Koppler 63 kann eine Abriß- oder Kopplungseinrichtung sein, die zum Betreiben in entweder einem Breitbandmodus oder in einem Schmalbandmodus geeignet ist. Es ist vorzuziehen, einen schmalbandigen Wellenlängen selektiven Koppler als Koppler 63 zu verwenden, um eine weitere Ausbreitung des Pumpsignals zum Ausgang des optischen Verstärkerelements 15 im wesentlichen zu verhindern.
Wie bei Figur 6 gezeigt, ist das Pumpsignal mit ein mitgerichtetes Pumpen an das optische Verstärkerelement 15 angelegt. Ein gegengerichtetes Pumpen wird durchgeführt, indem ein optischer Koppler, ähnlich dem Koppler 61, an das entgegengesetzte Ende der optischen dotierten Faser 62, nahe des Kopplers 63, angeordnet wird.
Der optische Koppler 63 ist zu der dotierten optischen Faser im wesentlichen im von dem Eingangsende der dotierten Faser gemessenen Abstand x gekoppelt. Diese Anordnung ermöglicht dem optischen Verstärkerelement den gleichen Dynamikpegel C unter Ansprechung auf die höhere Pumpleistung p,in bereitzustellen, wie die aus dem Pumpen der längeren dotierten Faser einschließlich der Fasern 62 und 64 der Länge z mit der Pumpleistung p,in erhaltene Dynamik. Für die bei einer höheren Pumpleistung p,in zu pumpende längere Faser der Länge z ist die Dynamik als ein Ergebnis der höheren Pumpleistung größer als der vorgeschriebene Dynamikpegel C. Die Dynamik wird reduziert, während eine höhere Pumpleistung gehalten wird, indem das verstärkte Eingangssignal nach einer Strecke x die geringer als die Strecke z ist, aus der verstärkenden dotierten Faser herausgekoppelt wird. Es wird empfohlen den Koppler 63 als einen gleitenden Abgreifer zu betrachten, der Licht aus der verstärkenden dotierten Faser einschließlich den Fasern 62 und 64 bei einer Gesamtlänge z der Faser herauskoppelt. In der Praxis jedoch ist vorgesehen, daß der Dynamikparameter genauso gut durch physikalisches Kürzen der Gesamtlänge der verstärkenden dotierten Faser von der Länge z auf die Länge x erzielt wird. Durch Beibehalten des vorgeschriebenen Dynamikpegels ist es anschließend möglich, die Verstärkerentwurfsparameter bezüglich der Dynamik, der Verstärkung und der Ausgangsleistung zu erfüllen.
Eine Darstellung der Unterschiede zwischen einem früheren optischen Verstärker und der Anordnung der vorliegenden Erfindung wird bei Figur 7 erreicht. Die Kenndaten des optischen Verstärkers der Figur 2 sind in der Kurve 71 für die Verstärkung und in der Kurve 73 für die Rauschzahl mit den jeweiligen auf die vorgeschriebene Ausgangsleistung Ps,out bezogenen Arbeitspunkte 72 bzw. 74 wiedergegeben. Die Kenndaten des optischen Verstärkerelements der Figur 4 sind in der Kurve 75 für die Verstärkung und in der Kurve 77 für die Rauschzahl mit den jeweiligen auf die höhere Ausgangsleistung Ps,out bezogenen Arbeitspunkte 76 bzw. 78 wiedergegeben. Die Dynamik des früheren Verstärkers und des optischen Verstärkerelements der erfindungsgemäßen Anordnung ist auf dem vorgeschriebenen Parameter C festgesetzt. Durch Zufügen des der Verstärkung nachgeschalteten Verlustelements zu der optischen Verstärkeranordnung werden zu den Arbeitspunkten der Anordnung der Punkt 72, der die vorgeschriebene Verstärkung G besitzt und der Punkt 79, der eine geringere Rauschzahl als die vorgeschriebene Ausgangsleistung Ps,out besitzt. Die Translation der Arbeitspunkte bei der vorliegenden Anordnung findet statt, weil der der Verstärkung nachgeschaltete Verlust L ein Abfallen der Verstärkung um den Faktor L zusammen mit einer Verringerung von L der Ausgangsleistung bewirkt. Daher wandert der Arbeitspunkt der Verstärkung nach unten und nach links jeweils um einen Faktor L von Punkt 76 nach Punkt 72, wo hingegen die Rauschzahl nur nach links von Punkt 78 nach Punkt 79 wandert.
Die Figuren 8-11 stellen Entwurfsbetrachtungen für die Verstärkeranordnung der Figur 4 mit entweder sich fortpflanzenden oder entgegengesetzt sich fortpflanzenden Pumpsignalen und mit entweder Lang- oder Kurzwellenlängenpumpsignalen dar. Die Figur 8 zeigt die Veränderung der Rauschzahl als eine Funktion der Dynamik und dem dem Verstärker nachgeschalteten Verlust L unter Anwendung von Pumpsignalen langer Wellenlänge in dem optischen Verstärkerelement. Die Figur 9 zeigt die Veränderung der Rauschzahl als eine Funktion der Dynamik und dem dem Verstärker nachgeschalteten Verlust L unter Anwendung von Pumpsignalen kurzer Wellenlänge in dem optischen Verstärkerelement. Die Figur 10 zeigt die Veränderung der Pumpleistung als eine Funktion der Dynamik und des dem Verstärker nachgeschalteten Verlustes L. Die Figur 11 zeigt die Veränderung der Verstärkerlänge als eine Funktion der Dynamik und des dem Verstärker nachgeschalteten Verlustes L. Bei allen Figuren 8-11 sei darauf hingewiesen, daß die Verstärkeranordnung mit einer Verstärkung von 7 dB angegeben ist, bei einer Ausgangsleistung Ps,out von - 10 dBm, welches übliche Parameter bei solitonen Übertragungssystemen darstellen. Ahnliche Kennlinien sind für NRZ- Übertragungssysteme herleitbar
Ein Betreiben des optischen Verstärkerelements im Dynamikbereich verringert Schwankungen der Signalleistung in dem System. Das Einführen des dem Verstärker nachgeschalteten Verlustes verringert Schwankungen der Signalleistung nur um eine unbedeutende Menge. Ein dem Verstärker nachgeschalteter Verlust stellt einen bedeutenden Anschlag an die Systemrobustheit bei Anwesenheit von systematischen Abweichungen der Pumpleistung, der Verstärkerlänge und des Zwischen-Verstärkerverlustes für ein System dar, das, wie bei Figur 1 dargestellt, kaskadenartig aufgebaute Verstärker besitzt. Diese Abweichungen resultieren aus der Alterung des Pumplasers, aus systematischen Herstellungsstörstellen und Konstruktionsfehlern. Es wurde herausgefunden, daß der Einsatz des Verstärkers der Figur 4 bei dem System der Figur 1 dem Gesamtsystem erlaubt, enger an dem System ausgelegten Leistungspegel zu arbeiten, als es mit den früheren optischen Verstärkern der Figur 2 möglich ist.
Die früheren optischen Verstärker werden weiterhin derart entwickelt, daß der Verlust in dem Verstärker minimiert wird. Dieses Entwurfsverfahren erfordert strengere Herstellungs- und Einrichtungstoleranzen. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik zeigt die vorliegende Erfindung, daß es möglich ist, einen bedeutenden Verlust und unterschiedliche Betriebskonditionen bei einem Verstärker derart einzuführen, daß es im Gegensatz zu den früheren Lehren steht. Die vorliegende Erfindung weist aufgrund des der Verstärkung nachgeschalteten Verlustes und den verschiedenen Betriebskonditionen ein verbessertes Rauschverhalten auf, während es eine entspanntere Herstellung und freundlichere Betriebsanforderungen an die Bauelemente der Erfindung erlaubt.

Claims

1. Optische Vorrichtung zur Bereitstellung von Verstärkung für ein optisches Signal in einem Lichtwellen- Übertragungssystem zum Kompensieren von Übertragungsverlusten, umfassend:

einen optischen Verstärker (15) und eine Einrichtung zum Pumpen (14) des optischen Verstärkers,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung für das Pumpen angeordnet ist, um den optischen Verstärker (2) so zu pumpen,

daß eine höhere Verstärkung bereitgestellt wird, als durch die optische Vorrichtung benötigt wird und

daß die optische Vorrichtung eine Dämpfungseinrichtung (18) umfaßt, die an einen Ausgang des optischen Verstärkers angeschlossen ist.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend einen optischen Isolator (19), der zwischen dem optischen Verstärker und der Dämpfungseinrichtung angeordnet ist.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der optische Verstärker ausgewählt ist aus der Gruppe, die dotierte Faserverstärker und Halbleiterverstärker umfaßt.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der optische Verstärker ein Erbium-dotierter Faserverstärker ist.

5. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Einrichtung zum Pumpen eine Einrichtung zum Erzeugen eines optischen Pumpsignals bei einer vorbestimmten Pumpwellenlänge umfaßt.

6. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Dämpfungseinrichtung im wesentlichen keine nichtlineare Störung dem durch diese sich ausbreitenden Lichtwellensignal auferlegt.

7. Lichtwellenübertragungssystem umfassend eine Vielzahl von Strecken von optischen Übertragungsmedien, welche Transmissionsverluste aufweisen, und eine Vielzahl von optischen Vorrichtungen, wie sie in einem der vorstehenden Ansprüche beansprucht sind, die durch die Strecken miteinander verbunden sind und angeordnet sind zur Kompensation der durch die Strecken entstandenen Übertragungsverluste

8. Verfahren zur optischen Verstärkung eines Lichtwellensignals in einem Lichtwellenübertragungssystem zur Kompensation von Übertragungsverlusten, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Pumpen eines verstärkenden Verstärkungsmediums und Verstärken des Lichtwellensignals mittels des verstärkenden Verstärkungsmediums,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Pumpen bei einem ausreichend hohen Niveau stattfindet, um im wesentlichen gleichförmige Besetzungsinversion des Verstärkungsmediums zu verursachen, und so stattfindet, daß die durch das verstärkende Verstärkungsmedium bereitgestellte Verstärkung größer ist als es zur Kompensation der Verstärkungsverluste benötigt wird, und wobei das Verfahren das Dämpfen der verstärkten Lichtwelle umfaßt, um so die Verstärkung auf die zur Kompensation der Übertragungsverluste benötigte Verstärkung zu vermindern.