DE19940309B4

DE19940309B4 - Optischer Faserverstärker für das langwellige Band mit verbesserter Leistungswandlungseffizienz

Info

Publication number: DE19940309B4
Application number: DE19940309A
Authority: DE
Inventors: Uh-Chan Ryu; Nam-Kyoo Park; Ju-Han Suwon Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: JP2000077755A; GB9920040D0; DE19940309A1; CN1134703C; FR2782851A1; GB2340989B; IT1313112B1; US6222670B1; GB2340989A; ITMI991827A0; JP3571967B2; ITMI991827A1; CN1246641A

Abstract

Optischer Faserverstärker für das langwellige Band, der enthält:
a) einen ersten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF1), der mit dem Pumplicht einer Pumplichtquelle (32; 32') gepumpt wird,
b) einen zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF2), der mit dem ersten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF1) verbunden ist und der nicht mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle (32; 32') gepumpt wird, und
c) einen Wiederverwendungsschaltkreis (22, 32; 32'), der das Licht der verstärkten spontanen Emission zum Pumpen des zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteils (EDF2) nutzt,
d) einen WDM-Koppler (22) und die Pumplichtquelle (32; 32'), die mit dem WDM-Koppler (22) verbunden ist, wobei der WDM-Koppler (22) zwischen den ersten (EDF1) und den zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF2) geschaltet ist, wobei das Licht der verstärkten spontanen Emission in entgegengesetzter Richtung zu dem gepumpten Licht zu dem zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF2) hin weitergeleitet wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Faserverstärker für das langwellige Band, der eine verbesserte Leistungswandlungseffizienz durch Nutzung einer verstärkten spontanen Emission als Nebenpumplichtquelle vorsieht.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Bei einem optischen Kommunikationssystem mit Wellenlängenmultiplex (WDM) ist es ein wichtiges technologisches Anliegen, einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) mit einem ausgeglichenen Verstärkungsgang in einem breiten Band vorzusehen. Zusätzlich wurden Überlegungen angestellt für das Bereitstellen eines optischen Faserverstärkers, der im langwelligen Bandarbeitet, welches konventionelle EDFA nicht abdecken können. Eines der Verfahren zum Bereitstellen des langwelligen optischen Faserverstärkers liegt in der Verwendung neuer Materialien für die optische Faser, wie etwa eine optische Faser auf Tellurit-Basis. Der optische Faserverstärker auf Tellurit-Basis hat Eigenschaften, um die Anforderungen für den optischen Faserverstärker im langwelligen Band zu erfüllen, aber er hat ein unregelmäßiges Verstärkungsspektrum, und außerdem sind die relevanten Technologien noch nicht voll entwickelt, um sie zu praktizieren.
Neben der Verwendung solcher neuen Materialien konzentrierte sich der Aufwand auf das Erreichen einer Verstärkung in einem Band jenseits des konventionell verstärkten Bandes (1530 nm–1560 nm, im Folgenden als "C-Band" bezeichnet) unter Verwendung von Silizium-basierten EDFA verschiedener Strukturen. Zusätzlich ist eine geeignete Struktur vorgeschlagen worden, um etwa 30%-40% Populationsinversion in dem EDFA zu erregen, um die optische Verstärkung in einem langwelligen Band von 1570 nm–1610 nm (im Folgenden als "L-Band" bezeichnet) zu erreichen. Dies ist etwas kompliziert, aber dies ordnet solche C-Band- und L-Band-Verstärker parallel zueinander an, um so den Silizium-basierten EDFA mit einem weiten Verstärkungsband über 80 nm für das WDM-Übertragungssystem großer Kapazität herzustellen. Jedoch leidet dieser L-Band-Verstärker unter solchen Nachteilen, dass er eine lange EDF und eine hohe Leistungspumpe aufweisen sollte; und die Leistungswandlungseffizienz ist niedrig.

DE 199 36 422 A1 beschreibt einen langwelligen optischen Faserverstärker. Dieser langwellige optische Faserverstärker umfasst eine Erbium dotierte optische Faser (EDF) für das Verstärken eines Eingangssignallichtes, das eine Wellenlänge im Bereich von 1580 nm aufweist, unter Verwendung von Pumplicht, eine Pumpeinheit, die vor und hinter der EDFF angeordnet ist, für das Liefern des Pumplichtes an die EDF, und eine Reflexionseinheit für eine verstärkte spontane Emission (ASE), die vor der Pumpeinheit angeordnet ist, für das Koppeln der ASE, die in der EDF erzeugt wird, in Rückwärtsrichtung mit dem langwelligen Eingangssignallicht, und für das nochmalige Eingeben desselben in die EDF. Ein WDM-Koppler, an welchem eine Pumplichtquelle verbunden ist und der zwischen einen ersten und einen zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil geschaltet ist, wird nicht gezeigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Faserverstärker für das langwellige Band in Bezug auf die Leistungswandlungseffizienz zu verbessern. Dieses Ziel wird durch einen optischen Faserverstärker für das langwellige Band gemäß Anspruch 1 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen der Struktur eines konventionellen Silizium-basierten EDFA für das L-Band;

2 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen der Struktur eines anderen konventionellen Silizium-basierten EDFA für das L-Band;

3 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen der Struktur eines Silizium-basierten EDFA für das L-Band nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4 ist eine Darstellung ähnlich 3, aber nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5 veranschaulicht Diagramme, welche die Kleinsignalverstärkungen des ersten bis vierten Typs EDFA entsprechend der Variation des EDF II miteinander vergleicht;

6 veranschaulicht Diagramme, welche die Leistungswandlungseffizienzen des ersten bis vierten Typs EDFA entsprechend der Variation des EDF II miteinander vergleicht;

7 ist eine Darstellung für die Veranschaulichung der Messung des Rück-ASE-Spektrums ausreichend für die Verbesserung der Leistungswandlungseffizienz, und

8 ist eine Darstellung für die Veranschaulichung der Rauschindizes des ersten bis vierten Typs EDFA, gemessen über der Länge der EDF II.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Der konventionelle Silizium-basierte EDFA für das L-Band kann die in 1 gezeigte Frontpumpstruktur (im Folgenden als "erster Typ EDFA" bezeichnet) oder die in 2 gezeigte Rückpumpstruktur (im Folgenden als "zweiter Typ EDFA") haben. Im ersten Typ EDFA wird das einfallende Signallicht 10, durch die erste EDFA-Region EDF I, die durch die. Frontpumpvorrichtung 30 gepumpt wird, und die zweite EDFA-Region EDF II verstärkt, und wird schließlich als das abgegebene Signallicht 40 erzeugt. Die Frontpumpvorrichtung 30 ist über den WDM-Koppler 20 angeschaltet. Ein Paar optischer Isolatoren 50 und 50' sind jeweils am Eingangs- und Ausgangsende angeordnet, um das Signallicht in einer einzigen Richtung zu führen.
Im zweiten Typ EDFA wird das einfallende Signallicht 10 durch die zweite, nicht gepumpte EDFA-Region EDF II und die erste EDFA-Region EDF I, die durch die Rückpumpvorrichtung 30' gepumpt wird, verstärkt, und wird schließlich als das abgegebene Signallicht 40 erzeugt. In gleicher Weise ist die Rückpumpvorrichtung 30' über den WDM-Koppler 20 angeschaltet. Ein Paar optischer Isolatoren 50 und 50' sind jeweils am Eingangs- und Ausgangsende angeordnet, um das Signallicht in einer einzigen Richtung zu führen.
Der erfinderische Silizium-basierte EDFA für das L-Band kann in zwei Typen ausgeführt werden, deren einer darin besteht, das eingegebene Signallicht 12 zuerst durch das nicht gepumpte zweite EDF II zu senden, und dann zum ersten EDF I, das durch die Frontpumpvorrichtung 32 gepumpt wird, wie in 3 gezeigt (im Folgenden als "dritter Typ EDFA" bezeichnet), und deren anderer darin besteht, das eingegebene Signallicht 12 zuerst durch das erste EDF I, das durch die Rückpumpvorrichtung 32' gepumpt wird, zu senden, und dann zum nicht gepumpten zweiten EDF II, wie in 4 gezeigt (im Folgenden als "vierter Typ EDFA" bezeichnet). Natürlich sind die Front- und Rückpumpvorrichtungen 32 und 32' über den WDM-Koppler 22 angeschaltet, und ein Paar optischer Isolatoren 52 und 52' sind jeweils am Eingangs- und Ausgangsende angeordnet, um das Signallicht, in einer einzigen Richtung zu führen.
Für den Vergleich des erfinderischen EDFA mit dem konventionellen EDFA wurden dieselben EDF in dem ersten bis vierten EDFA verwendet. Es ist nämlich eine kommerziell verfügbare, A1-codotierte, optische Faser mit dem maximalen Absorptionskoeffizienten von 4,5 dB/m. Zusätzlich wurde die Länge des ersten EDF I auf 135 m festgelegt, und die Länge des zweiten EDF II wurde nacheinander verändert auf 0 m, 5 m, 15 m, 20 m, 25 m und 35 m, um die Kleinsignalverstärkung in Abhängigkeit von der Länge der zweiten EDF II zu analysieren. Für den Vergleich wurde die Pumpwellenlänge von 980 nm mit der Ausgangsleistung von 90 mW gemeinsam verwendet. Die EDFA-Verstärkung wurde unter Verwendung eines Spektrometers zusammen mit einem in der Wellenlänge einstellbaren Laser ausgewertet, der auf die zentrale Wellenlänge von 1590 nm eingestellt war. Es wurden zwei Arten von Eingangssignallicht mit einer Intensität von –20 dB bzw. 0 dB verwendet, um die Kleinsignalverstärkung, den Rauschindex, die Sättigungsleistungsintensität und die Leistungswandlungseffizienz korrekt zu messen. Auch wurde der Eingangsverlust am Eingangsende der EDF korrekt gemessen und lag in allen Fällen bei weniger als 2 dB.
Mit Bezug auf 5 haben die erfinderischen dritten und vierten Typen EDFA mit nicht gepumpten EDF eine Kleinsignalverstärkung, die im Vergleich zu den konventionellen ersten und zweiten Typen EDFA stark von der Länge der EDF II abhängt. 6 veranschaulicht die Diagramme der Leistungswandlungseffizienz der ersten bis vierten Typen EDFA, die entsprechend der variierten Länge der EDF II gemessen wurde. Nach den Diagrammen wurden die höchste Kleinsignalverstärkung und Leistungswandlungseffizienz beim dritten Typ EDFA mit einer EDF II von 35 m beobachtet, deren Werte 21,83 dB bzw. 21,1 waren. Diese Werte sind 4 dB bzw. 11,5% höher als diejenigen des ersten Typ EDFA, der die schlechtesten Ergebnisse in derselben Arbeitsumgebung hat. Dies zeigt an, daß die gepumpte Leistung effektiv durch Anordnung der EDF-Region EDF II vor oder nach der Pumplaserdiode genutzt werden kann, entsprechend der Einrichtung von Frontpumpen oder Rückpumpen. Die Verbesserung der Effizienz scheint durch ASE verursacht zu werden, die in der Gegenrichtung zum gepumpten Licht fortgepflanzt wird, und die als Pumplichtquelle von 1550 nm für die nicht gepumpte EDF-Region wiedergenutzt wird, um so Photonen in einem Band von 1600 nm zu erzeugen.
Um zu beweisen, daß die Rück-ASE ausreichend existiert, um die Leistungswandlungseffizienz zu verbessern, wurde ein Zirkulator verwendet, um das Rück-ASE-Spektrum im ersten Typ EDFA ohne EDF II zu messen. 7 zeigt das Diagramm des Rück-ASE-Spektrums, das für ein Eingangssignal von 0 dB im Auflösungsband von 0,2 nm gemessen wurde. In dem Diagramm scheint die Spitze in der Nähe von 1590 nm durch Rayleigh-rückgestreute Teile des Eingangssignals verursacht zu sein. Die Wellenlängenregion, welche die optische Leistung von nicht weniger als –25 dB/0,2 nm darstellt, nämlich in dem Bereich von 1520 nm bis 1565 nm, zeigt eine starke Rück-ASE von etwa 20,59 mW. Wenn dem EDFA ein schwächeres Eingangssignal von –20 dB/0,2 nm zugeführt wurde, wurde eine stärkere Rück-ASE mit etwa 28,9 mW beobachtet, was angenähert 30% der gesamten gepumpten Leistung ist. Dieser ASE-Pegel kann ausreichend sein, um mit Blick auf die vorangegangene Forschung der L-Band-Verstärkung mit einer schwächeren Leistung und einem Signal im 1550-nm-Band das L-Band zu verstärken.
Der Rauschindex des Pumpens mit dem zweiten Pegel im 1550-nm-Band wurde für den ersten bis vierten Typ EDFA bei Variation der Länge des EDF II gemessen, wie in 8 gezeigt. Wie erwartet zeigen der erste und der dritte Typ EDFA mit der Frontpumpstruktur eine bessere Leistung als der zweite und der vierte Typ EDFA. Insbesondere hat der zweite Typ EDFA einen im Vergleich zu den anderen viel höheren Rauschindex, was auch mit der Länge der EDF II stark variiert, und deshalb ist er nicht passend für den L-Band-EDFA. Dazu liegt der Grund dafür, daß der dritte Typ EDFA hinsichtlich des Rauschindexes eine schlechtere Charakteristik als der erste Typ EDFA aufweist, in dem großen Emissionskreuzungsabschnitt in der Rück-ASE-Wellenlänge, die für das 1600-nm-Pumpen in einem nicht gepumpten EDF-Teil verwendet wird. Obgleich der vierte Typ EDFA einen nicht gepumpten EDF-Teil hat, hat der hintere Teil aller EDFA eine nicht gepumpte EDF und ist hinsichtlich des Rauschindexes unempfindlich, so daß kein Einfluß hinsichtlich des Rauschindexes beobachtet wurde.
So sieht die Erfindung einen EDFA mit verbesserter Leistungswandlungseffizienz vor, der für die Verstärkung des optischen Signals im Wellenlängenbereich von 1570 nm bis 1610 nm verwendet werden kann. Obgleich die Rück-ASE verhindert werden muß, um nach dem Stand der Technik eine ausreichende L-Band-Signalverstärkung zu erreichen, weil sie eine Sättigung des EDFA bewirkt, nutzt die Erfindung die Rück-ASE dazu, als Pumplichtquelle für den nicht gepumpten EDF-Teil zu dienen, und verbessert dadurch die Signalverstärkung und die Pumpeffizienz. Außer dem Verlust von 1 dB bei dem Rauschindex zeigt das Ergebnis des Versuchs eine Verbesserung der Leistungswandlungseffizienz um 9,6% bis 21,1% zusammen mit einer Vergrößerung der Kleinsignalverstärkung um maximal 4 dB. Zusätzlich wurde die Leistung selbst durch Pumpen von 1480 nm durch den nicht gepumpten EDF-Teil verbessert, was anzeigt, daß die erfinderische EDFA-Struktur für jede beliebige Wellenlänge verwendet werden kann. Das erfinderische Konzept der Wiederverwendung der Rück-ASE als Pumplichtquelle trägt nicht nur zur Verbesserung der Leistung des EDFA bei, sondern auch zur Entwicklung eines praktikablen L-Band-EDFA hinsichtlich der ökonomischen Ausnutzung der Pumpleistung.

Claims

Optischer Faserverstärker für das langwellige Band, der enthält: a) einen ersten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF1), der mit dem Pumplicht einer Pumplichtquelle (32; 32') gepumpt wird, b) einen zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF2), der mit dem ersten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF1) verbunden ist und der nicht mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle (32; 32') gepumpt wird, und c) einen Wiederverwendungsschaltkreis (22, 32; 32'), der das Licht der verstärkten spontanen Emission zum Pumpen des zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteils (EDF2) nutzt, d) einen WDM-Koppler (22) und die Pumplichtquelle (32; 32'), die mit dem WDM-Koppler (22) verbunden ist, wobei der WDM-Koppler (22) zwischen den ersten (EDF1) und den zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF2) geschaltet ist, wobei das Licht der verstärkten spontanen Emission in entgegengesetzter Richtung zu dem gepumpten Licht zu dem zweiten Erbium-dotierten optischen Faserteil (EDF2) hin weitergeleitet wird.
Optischer Faserverstärker für das langwellige Band nach Anspruch 1, wobei die Erbium-dotierten optischen Faserteile (EDF1, EDF2) eine Verstärkung in dem langwelligen Band erzeugen.
Optischer Faserverstärker für das langwellige Band gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin umfassend: ein Paar optischer Isolatoren (52, 52'), wobei ein erster (52) dieser Isolatoren (52, 52') am Signaleingang des ersten (EDF1) und ein zweiter (52') dieser Isolatoren (52, 52') am Signalausgang des zweiten optischen Faserteils (EDF2) vorgesehen ist, sodass das Signallicht in einer einzigen Richtung geführt wird.