DE19829854A1 - Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiterverstärker, und insbesondere einen Lichtleiterverstärker zur Verbesserung der Verstärkung eines kleinen Signals mit niedriger Leuchtintensität, durch Anschluß eines Optokopplers in Form eines Schleifenspiegels.

Bei einem üblichen Fernsprechverstärker für Kommunikation über große Entfernungen wird eine herkömmliche optische Kommunikationsverstärker auf solche Weise durchgeführt, daß ein abgeschwächtes Lichtsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das elektrische Signal verstärkt wird, und dann dieses verstärkte elektrische Signal in ein Lichtsignal zurückverwandelt wird. Ein derartiges Verstärkungsverfahren erhöht die Abmessungen eines Fernsprechverstärkersystems in übermäßigem Maße, und hängt stark von der Übertragungsgeschwindigkeit ab. Ein Lichtleiterverstärker zur Verstärkung eines optischen Signals oder Lichtsignals ist als Fernsprechverstärker erforderlich, um die voranstehenden Schwierigkeiten zu überwinden und ein optisches oder Lichtsignal wirksam zu verstärken.

Ein Verstärker (EDFA) mit einem Erbium-dotierten Lichtleiter als derartiger Lichtleiterfernsprechverstärker findet zunehmende Beachtung als optischer Fernsprechverstärker der nächsten Generation für optische Kommunikationsvorgänge. Der EDFA verstärkt periodisch ein optisches Signal, um eine Abschwächung des optischen Signals infolge einer Übertragung über große Entfernungen zu verhindern, wenn eine erhebliche Datenmenge über große Entfernungen über einen Lichtleiter übertragen wird.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau eines normalen einzelnen Vorwärts-EDFA, der einen Erbium-dotierten Lichtleiter (EDF) 130 aufweist, der ein Verstärkungsmedium für ein optisches oder Lichtsignal darstellt, eine Pumplaserdiode (LD) 120, einen Wellenlängenunterteilungsmultiplexer (WDM) 110 und Isolatoren 100 und 140. Die Pumplaserdiode 120 arbeitet hierbei als Lichtquelle, um Erbium im Grundzustand in dem EDF 130 anzuregen. Der WDM 110 koppelt ein Signallicht und Pumplicht in einen Lichtleiter, und überträgt dies an eine einzelne Leitung. Die Isolatoren 100 und 140 verhindern, daß sich ein optisches oder Lichtsignal in Rückwärtsrichtung ausbreitet.

Der WDM 110 koppelt ein Signallicht und ein Pumplicht in einen Lichtleiter, und überträgt dies an den EDF 130. Die optischen Isolatoren 100 vor dem WDM 110 verhindern, daß das optische oder Lichtsignal wenig wirksam durch verstärkte spontane Emission (ASE) erzeugt wird, die von dem EDF 130 hervorgerufen wird, und durch ein optisches Gerät wie beispielsweise einen Signaleingangsverbinder reflektiert wird, und erneut in den EDF 130 eintritt. Entsprechend verhindert der Isolator 140 hinter dem EDF 130 eine Beeinträchtigung des Verstärkungswirkungsgrades des EDFA infolge der ASE, die durch ein optisches Gerät wie beispielsweise einen Signalausgangsverbinder reflektiert wird, und erneut auf den EDF 130 auftrifft. Die Pump-LD 120 weist eine Wellenlänge von 980 nm auf, pumpt Laserlicht in Vorwärtsrichtung (also in Signalausbreitungsrichtung), und erzeugt eine feste Leistung von 120 mW. Der EDF 130 ist ein stark mit Aluminium dotierter EDF, und die Erbiumkonzentration beträgt 290 ppm.

Der Lichtleiterverstärker wandelt Pumplichtenergie in Signallichtenergie unter Verwendung des Laserprinzips um. Wenn die Intensität des Signallichtes ausreichend niedrig ist, kann der normale Lichtleiterverstärker nicht wirksam das Erbium, welches ausreichend durch Pumplicht mit hoher Intensität angeregt wird, in den Grundzustand umwandeln, da das Signallicht einmal durch den EDF hindurchgeht. Der Verstärkungswirkungsgrad des üblichen Lichtleiterverstärkers ist daher nicht hoch. Dies bedeutet, daß die Energie des Pumplichts nicht wirkungsvoll in die Energie des Signallichts umgewandelt werden kann. Daher gibt es eine Grenze für die Erhöhung der Verstärkung eines kleinen Signals (für die Kleinsignalverstärkung), und ist der Unterschied der Verstärkung bei verschiedenen Wellenlängen des Signallichtes relativ groß.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der voranstehenden Schwierigkeiten und in der Bereitstellung eines Verstärkers (EDFA) mit einem Erbium-dotierten Lichtleiter zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals, mit einem Optokoppler hinter einem EDF in Form eines Schleifenspiegels, um erneut ein Signallicht zu verstärken, welches über den Schleifenspiegel unter Verwendung des EDF ausgegeben wird, und schließlich das verstärkte Signallicht unter Verwendung eines optischen Zirkulators aus zugeben, um die Verstärkung eines kleinen Signals in dem gesamten Wellenlängenbereich des EDFA zu erhöhen und die unterschiedliche Verstärkung bei verschiedenen Wellenlängen des Signallichts zu verringern.

Um die voranstehend geschilderten Vorteile zu erzielen wird ein Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals zur Verfügung gestellt, der ein schwaches einfallendes Signallicht verstärkt, und aufweist: eine Pumplaserdiode (LD) zum Anlegen von Pumplicht zur Verstärkung des einfallenden Signallichts; einen Wellenlängenunterteilungsmultiplexer (WDM) zum Koppeln des einfallenden Signallichts und des Pumplichts, weiches von der Pump-LD ausgegeben wird, in einen Lichtleiter; ein Lichtleiterverstärkungsmedium zur Verstärkung des einfallenden Signallichts, welches von dem WDM ausgegeben wird, unter Verwendung des Pumplichts der Pump-LD, und auch eines Rückkopplungssignallichts, welches zurück in das Lichtleiterverstärkungsmedium von einem Koppler aus gelangt; einen Koppler, der in Form eines Schleifenspiegels angebracht ist, um das einfallende Signallicht zu reflektieren, welches bereits durch das Lichtleiterverstärkungsmedium verstärkt wurde, in Form einer Schleife, und zum Zurücksenden des reflektierten Signallichts zurück zu dem Lichtleiterverstärkungsmedium; und einen Zirkulator, der vor dem WDM angeordnet ist, zum Empfang des schwachen einfallenden Signallichts und zur Übertragung des schwachen einfallenden Signallichts an dem WDM, und zur Ausgabe des Rückkopplungssignallichts, welches von dem Lichtleiterverstärkungsmedium verstärkt wurde, und durch den WDM gelangt ist.

Vorzugsweise weist der Lichtleiterverstärker weiterhin ein Filter auf, welches in dem Koppler angebracht ist, der als Schleifenspiegel arbeitet, oder zwischen dem Lichtleiterverstärkungsmedium und dem Koppler angeordnet ist, um eine verstärkte spontane Emission (ASE) zu verhindern, und so eine höhere Verstärkung eines kleinen Signals zu erzielen.

Weiterhin weist vorzugsweise der Lichtleiterverstärker eine Verstärkungsausgleichsvorrichtung auf, die in dem Koppler angebracht ist, der als Schleifenspiegel dient, oder zwischen dem Lichtleiterverstärkungsmedium und dem Koppler, zur Angleichung der Verstärkungen des Lichtleiterverstärkers.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 als Blockschaltbild den Aufbau eines herkömmlichen einzelnen Vorwärtsverstärkers (EDFA) mit Erbium-do­ tiertem Lichtleiter;

Fig. 2 als Blockschaltbild den Aufbau eines Lichtleiterverstärkers zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 ein Diagramm mit einer Darstellung von Verstärkungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, zum Vergleich der Kleinsignalverstärkungen von zwei Arten von EDFAs.

In Fig. 2 weist ein Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Pumplaserdiode (LD) 210 auf, einen Wellenlängenunterteilungsmultiplexer (WDM) 220, einen Erbium- dotierten Lichtleiter (EDF) 230, einen Koppler 240, und einen Zirkulator 200.

Die Pump-LD 210 legt Pumplicht als Lichtquelle an, um Erbiumionen im Grundzustand in dem EDF anzuregen, der ein Verstärkungsmedium darstellt, um so Eingangssignallicht mit niedriger Intensität zu verstärken.

Der WDM 220 koppelt das Eingangssignallicht und das Pumplicht, welches von der Pump-LD 210 ausgegeben wird, in einen Lichtleiter ein, und legt das gekoppelte Eingangssignallicht an den EDF 230 an.

Der EDF 230 verstärkt das Eingangssignallicht von dem WDM 220 unter Verwendung des Pumplichts der Pump-LD 210, und verstärkt darüber hinaus Rückkopplungssignallicht, welches von dem Koppler 240 aus erneut in den EDF 230 eintritt.

Der Koppler 240 als ein 50 : 50 Koppler für 1550 nm ist in Form eines Schleifenspiegels angebracht und reflektiert das einfallende Signallicht, welches bereits durch den Durchgang durch den EDF 230 verstärkt wurde, in Form einer Schleife zum EDF 230.

Der Zirkulator 200 ist vor dem WDM 220 angeordnet, empfängt das einfallende Signallicht mit niedriger Intensität, und überträgt dies an den WDM 220, und gibt schließlich das rückgekoppelte Signallicht aus, welches von dem EDF 230 verstärkt wurde und durch den WDM 220 hindurchgegangen ist.

Die Anschlüsse (Ports) 1 und 2 des Zirkulators 200 übertragen das Eingangssignallicht, und die Anschlüsse 2 und 3 übertragen das Ausgangssignallicht. Die Dämpfungsverluste betragen im erstgenannten Fall 1,2 dB und im letztgenannten Fall 1,73 dB. Die Anschlüsse 2 → 1 und die Anschlüsse 3 → 2 weisen jeweils eine Isolation von 40 dB oder mehr auf, und dienen als Isolator, der als Eingangs- und Ausgangsanschlüsse in einem herkömmlichen EDFA verwendet wird. Es ist daher nicht erforderlich, einen zusätzlichen Isolator zu verwenden.

Um das gemäß der vorliegenden Erfindung erzielte Ergebnis mit einem herkömmlichen einzelnen Vorwärts-EDFA zu vergleichen, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird darauf hingewiesen, daß die Pump-LD eine Wellenlänge von 980 nm aufweist, eine eingestellte Leistung von 120 mW hat, wie bei dem herkömmlichen EDFA, und Laserlicht in Vorwärtsrichtung pumpt, also in Signallichtausbreitungsrichtung. Der WDM 220 ist vom Verschmelzungstyp, und der verwendete EDF ist ein stark mit Aluminium dotierter EDF mit einer Länge von 5 m, der eine Erbiumkonzentration von 290 ppm aufweist.

Auf der Grundlage des voranstehenden Aufbaus wird nachstehend der Betrieb bei der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst geht einfallendes Signallicht durch die Anschlüsse 1 und 2 des Zirkulators 200 hindurch, wird mit Pumplicht durch den WDM 220 gekoppelt, und wird hauptsächlich durch den EDF 230 verstärkt. Das verstärkte Signallicht wird im Verhältnis von 50 : 50 aufgeteilt, und die getrennten Lichtanteile machen einen Durchlauf und werden miteinander in dem Koppler 250 gekoppelt. Das Signallicht, welches über einen Schleifenspiegel rückgekoppelt wird, wird erneut durch den EDF 230 verstärkt, und schließlich wird das verstärkte Signallicht über die Anschlüsse 2 und 3 des Zirkulators 200 ausgegeben.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Intensität des Eingangssignallichts, welches zur Messung der Eigenschaften des EDFA verwendet wird, auf -30 dBm eingestellt, und die Wellenlänge bzw. die Intensität des Pumplichts sind auf 980 nm bzw. 120 mW eingestellt. Ein optisches Gerät wie etwa der WDM und der EDF bei der vorliegenden Erfindung sind ebenso wie jene ausgebildet, die bei dem herkömmlichen EDFA verwendet werden, und die beiden EDFs weisen dieselbe Länge auf. Die Verstärkung wurde in Abständen von 5 nm der Wellenlängen des Eingangssignallichts zwischen 1530 nm und 1560 nm gemessen, und das Meßergebnis ist in Fig. 3 zusammen mit den gemessenen Verstärkungen des herkömmlichen EDFA gezeigt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist der das Schleifenverfahren verwendende EDFA eine Kleinsignalverstärkung auf, die bei Wellenlängen zwischen 1530 nm und 1560 nm höher ist als bei dem herkömmlichen einzelnen Vorwärts-EDFA, und ist der Unterschied der Verstärkung klein, liegt nämlich zwischen 6 dB und 13 dB. Der EDFA gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt eine Verstärkung eines kleinen Signals, die um 7 dB oder mehr höher ist, insbesondere bei der Wellenlänge von 1560 nm.

Weiterhin ist ein Filter (nicht dargestellt) in dem Koppler 140 angeordnet, der als der Schleifenspiegel dient, oder zwischen dem EDF 230 und dem Koppler 240, und kann durch Verhinderung von ASE eine höhere Verstärkung eines kleinen Signals erreichen. Ein Verstärkungsangleicher (nicht gezeigt) kann darüber hinaus in dem Koppler 240 angebracht sein, der als der Schleifenspiegel dient, oder zwischen dem Lichtleiterverstärkungsmedium und dem Koppler, um die Verstärkungen des Lichtleiterverstärkers auszugleichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine hohe Verstärkung eines kleinen Signals in dem gesamten Wellenlängenbereich zwischen 1530 nm und 1560 nm erzielt werden, durch Verwendung des 50 : 50 Kopplers für 1550 nm als Schleifenspiegel.

Der Unterschied der Verstärkung zwischen verschiedenen Wellenlängen kann wesentlich enger sein bei dem EDFA gemäß der vorliegenden Erfindung, als bei dem herkömmlichen EDFA, der eine EDF mit derselben Länge wie jener des EDF gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.

Das Schleifenspiegelverfahren, welches die Grundlage für den EDFA bildet, der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist ein Doppeldurchgangsverfahren, was eine Verringerung der Länge des EDF gestattet, verglichen mit vorhandenen Einzeldurchgangsverfahren, da das Signallicht zweimal durch den EDF hindurchgeht.

Da der Abstand zwischen Verstärkern bei einem Anstieg der Verstärkung des EDFA bei Übertragungen über große Entfernungen größer wird, können für eine vorgegebene Entfernung weniger Verstärker verwendet werden. Das Schleifenspiegelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher kostengünstig, und kann die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von in den Verstärkern hervorgerufenen Fehlern verringern.

Claims (5)

1. Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals, der ein schwaches einfallendes Signallicht verstärkt, und aufweist:
eine Pumplaserdiode (LD) zum Anlegen von Pumplicht zur Verstärkung des einfallenden Signallichts;
einen Wellenlängenunterteilungsmultiplexer (WDM) zum Koppeln des einfallenden Signallichts und des Pumplichts, welches von der Pump-LD ausgegeben wird, in einen Lichtleiter;
ein Lichtleiterverstärkungsmedium zur Verstärkung des einfallenden Lichtsignals, welches von dem WDM ausgegeben wird, unter Verwendung des Pumplichts von der Pump-LD, und ebenso von Rückkopplungssignallicht, welches von einem Koppler aus zurück in das Lichtleiterverstärkungsmedium hineingelangt;
einen Koppler, der in Form eines Schleifenspiegels angebracht ist, um das einfallende Signallicht, welches bereits durch das Lichtleiterverstärkungsmedium verstärkt wurde, in Schleifenform zu reflektieren, und das reflektierte Signallicht zurück zum Lichtleiterverstärkungsmedium zu schicken; und
einen Zirkulator, der vor dem WDM angeordnet ist, um das schwache einfallende Signallicht zu empfangen, und das schwache einfallende Signallicht zum WDM zu übertragen, und zur Ausgabe des Rückkopplungssignallichts, welches durch das Lichtleiterverstärkungsmedium verstärkt wurde, und durch den WDM hindurchgelangt ist.

2. Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Filter vorgesehen ist, das in dem Koppler angebracht ist, der als Schleifenspiegel arbeitet, oder zwischen dem Lichtleiterverstärkungsmedium und dem Koppler, um eine verstärkte spontane Emission (ASE) zu verhindern, und so eine höhere Verstärkung eines kleinen Signals zu erzielen.

3. Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Verstärkungsausgleicher vorgesehen ist, der in dem Koppler angebracht ist, der als Schleifenspiegel arbeitet, oder zwischen dem Lichtleiterverstärkungsmedium und dem Koppler, zum Ausgleich der Verstärkungen des Lichtleiterverstärkers.

4. Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleiterverstärkungsmedium ein Erbium-dotierter Lichtleiter ist.

5. Lichtleiterverstärker zur Erzielung einer hohen Verstärkung eines kleinen Signals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein 50 : 50-Koppler zur Verwendung bei 1550 nm ist.