DE3808892C2

DE3808892C2 - Amplifier for light

Info

Publication number: DE3808892C2
Application number: DE19883808892
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Rer Nat Mozer
Original assignee: Alcatel SEL AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1988-03-17
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2008-03-18
Also published as: DE3808892A1; CH677839A5

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker für Licht mit gleichen Amplituden der Ausgangsimpulse, wie er z. B. in der optischen Nachrichtenübertragung in Repeatern verwendet wird.The invention relates to an amplifier for light with the same amplitudes Output pulses such as z. B. in optical communication in Repeaters is used.

Bei der Übertragung von Daten über Lichtleitfasern werden die Lichtimpulse nicht nur infolge von Dispersion verformt, sondern es sinkt infolge von Dämpfung auch ihr Signalpegel. Bei Übertragung über große Strecken sind daher Zwischenverstärker (Repeater) vorzusehen, die die eintreffenden Impulse auf einen einheitlichen Pegel an heben und die Impulsverformung rückgängig machen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, eintreffende Lichtpulse unterschiedlicher Amplitude (Intensität) in eine Folge von Ausgangsimpulsen gleicher Amplitude (Intensität) umzuwandeln.When data is transmitted via optical fibers, the light pulses not only deformed as a result of dispersion, but it decreases as a result of Attenuation also their signal level. When transmitting over long distances therefore provide repeaters that repel the incoming pulses raise a uniform level and undo the pulse deformation do. The present invention relates to incoming Light pulses of different amplitude (intensity) in a sequence of Convert output pulses of the same amplitude (intensity).

Ein optischer Repeater für ein Nachrichtenübertragungssystem ist z. B. aus der DE-OS 22 48 372 bekannt. Der Zwischenverstärker ist ein Laserverstärker (optischer Verstärker) mit einem dotierten Halbleiterkristall als aktives Medium, in dem Lichtsignale verstärkt werden. Zum Zeitpunkt des Eintreffens von Lichtimpulsen am optischen Verstärker wird der optische Verstärker impulsförmig gepumpt. Mit einem solchen optischen Verstärker kann eine höhere Spitzenleistung erreicht werden.An optical repeater for a communication system is e.g. B. from the DE-OS 22 48 372 known. The repeater is a laser amplifier (optical amplifier) with a doped semiconductor crystal as active Medium in which light signals are amplified. At the time of The arrival of light pulses at the optical amplifier becomes the optical one Pump pumped in pulse form. With such an optical amplifier higher peak performance can be achieved.

Aus R. J. Mears et al., "Low-Noise Erbium-Doped Fibre Amplifier Operating at 1.54 µm", Eledronics Leffers, 10. Sept. 1987, Vol. 23, No. 19, Seiten 1026 bis 1028, sind drei Konzepte für optische Repeater bekannt, nämlich Halbleiterlaserverstärker, Raman Verstärker und optisch gepumpte faseroptische Verstärker. In einem experimentellen Aufbau (Fig. 1) wird einer Er³⁺-dotierten Faser Signallicht (1,54 µm) und voll einem Farbstofflaser emittiertes Pumplicht zugeführt. In der Fig. 2 ist die Verstärkung des optisch gepumpten faseroptischen Verstärkers als Funktion der Pumplichtwellen länge und der Pumplichtleistung gezeigt.From RJ Mears et al., "Low-Noise Erbium-Doped Fiber Amplifier Operating at 1.54 µm", Eledronics Leffers, Sept. 10, 1987, Vol. 23, No. 19, pages 1026 to 1028, three concepts for optical repeaters are known, namely semiconductor laser amplifiers, Raman amplifiers and optically pumped fiber optic amplifiers. In an experimental setup ( FIG. 1) signal light (1.54 μm) is fed to an Er ³⁺ -doped fiber and pump light emitted fully to a dye laser. In FIG. 2, the gain of the optically pumped optical fiber amplifier length as a function of the pumping light wave and the pumping light power shown.

Eine weitere bekannte Lösung zur Erzeugung optischer Ausgangsimpulse gleicher Amplitude ist aus EP-A2-0 226 801 bekannt. In diesem optischen Repeater sind ein optischer Transceiver mit einer Empfangsphotodiode und einer Sendediode und eine Stromversorgungseinrichtung vorhanden. Die Stromversorgungseinrichtung ist zwischen den optischen Transceiver und eine Stromleitung geschaltet, die Teil der Übertragungsstrecke ist.Another known solution for generating optical output pulses the same amplitude is known from EP-A2-0 226 801. In this optical Repeaters are an optical transceiver with a receiving photodiode and a transmitter diode and a power supply device available. The Power supply device is between the optical transceiver and switched a power line that is part of the transmission link.

Ein solcher optischer Repeater arbeitet wie folgt:
Am Eingang eines für diesen Zweck vorgesehenen Repeaters befindet sich ein Wandler, der die über eine Lichtleitfaser eintreffenden optischen Impulse in elektrische Impulse umwandelt. Diesem Wandler ist eine elektronische Verstärkungseinrichtung nachgeschaltet, die die so gewonnenen elektrischen Impulse verstärkt. Der Ausgang des elektronischen Verstärkers ist wiederum mit einem Wandler, z. B. einem Halbleiter-Laser verbunden, der die elektrischen Impulse in Lichtimpulse zurückverwandelt. Die von diesem Wandler abgegebenen Impulse werden dann auf gleiche Amplitude geregelt.Such an optical repeater works as follows:
At the input of a repeater intended for this purpose there is a converter which converts the optical pulses arriving via an optical fiber into electrical pulses. An electronic amplification device, which amplifies the electrical impulses thus obtained, is connected downstream of this converter. The output of the electronic amplifier is in turn connected to a converter, e.g. B. connected to a semiconductor laser, which converts the electrical pulses back into light pulses. The pulses emitted by this converter are then regulated to the same amplitude.

Die bekannten Lösungen haben den Nachteil, daß sie durch die Umwandlung "Lichtimpulse - elektrische Impulse - Lichtimpulse" einen großen Schaltungsaufwand erfordern. Außerdem ist die Verstärkung elektrischer Impulse im Gigabitbereich nicht einfach zu handhaben.The known solutions have the disadvantage that they are the conversion "light impulses - electrical impulses - Light pulses "require a large amount of circuitry. In addition, the amplification of electrical impulses Gigabit range not easy to use.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen schaltungstechnisch einfachen und bei hohen Übertragungsraten sicher zu handhabenden Verstärker oder Repeater anzugeben, mit dem optische Eingangspulse unterschiedlicher Amplitude in optische Ausgangspulse gleicher Amplitude umgewandelt werden.The object of the invention is therefore a technically simple and at high Transfer rates safe to handle or amplifier Specify repeaters with the optical input pulses different amplitude in optical output pulses same amplitude to be converted.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit der Merkmalskombination des Hauptanspruches. Die Unteransprüche enthalten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.This problem is solved by a device with the Combination of features of the main claim. The Subclaims contain refinements and Developments of the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sich wegen der direkten optischen Verstärkung der Schaltungsaufwand verringert. Auch sind hohe Übertragungsraten bei direkter optischer Verstärkung sicherer zu handhaben als über den Umweg der elektronischen Verstärkung. Ein weiterer Vorteil ist in der einfachen Art der Steuerung oder Regelung der Verstärkung des optischen Verstärkers zu sehen, die durch eine elektrische Parallelschaltung von optischem Verstärker und photoelektrischem Wandler erreicht wird.The device according to the invention has the advantage that because of the direct optical amplification of the Circuit effort reduced. Are also high Transfer rates with direct optical amplification easier to handle than by using the detour electronic amplification. Another advantage is in the simple way of controlling or regulating the Amplification of the optical amplifier to see that through an electrical parallel connection of optical Amplifier and photoelectric converter is achieved.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:In the following, several embodiments of the Invention described and with reference to the figures explained. Show it:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 1 shows the basic structure of a device according to the invention,

Fig. 2a bis 2c Schattungsbeispiele. FIGS. 2a to 2c Schattungsbeispiele.

In Fig. 1 ist mit 10 ein steuerndes Element gekennzeichnet, bei dem es sich um einen Photoleiter, eine Photodiode, einen Phototransistor oder die Zusammenschaltung aus Photodiode oder einem Transistor handeln kann. Mit 11 ist ein optischer Verstärker bezeichnet, mit 12 ein teilreflektierender Spiegel und mit 13 ein Spiegel. 14 kennzeichnet die Stromzufuhr zum steuernden Element 10 sowie zum optischen Verstärker 11. 15 und 16 kennzeichnen Signalverläufe, auf die im folgenden noch näher eingegangen wird. Ein mit A bezeichneter Lichtstrahl gelangt auf den teilreflektierenden Spiegel 12, von dem er in die beiden Teilstrahlen B und C zerlegt wird. Der optische Weg C mit Spiegel 13 kann z. B. auch als Glasfaser oder als Wellenleiter ausgebildet sein. Der Teil C gelangt über den Spiegel 13 auf das steuernde Element C, der Teil B auf den Eingang des optischen Verstärkers 11. Der Lichtstrahl A besteht aus Lichtimpulsen unterschiedlicher Amplitude. Dasselbe gilt für die beiden Strahlen B und C. Die maximal mögliche Intensität des einfallenden Lichtstrahles A sei P_E. Aufgrund der Faserdämpfung haben nicht alle einfallenden Lichtimpulse dieselbe Intensität. Für die Intensität der einzelnen Lichtpulse bei A gilt allgemein y × P_E, wobei der Zusammenhang 0 kleiner Y kleiner 1 besteht. Wenn der teilreflektierende Spiegel die Reflektivität R hat, gelangt auf den optischen Verstärker 11 die Lichtintensität P₂ = (1-R) · y · P_E. Auf das steuernde Element 10 gelangt die Intensität P₁ = R · y · P_E. Der Zeitverlauf der Intensität des Eingangsstrahles A bzw. der Strahlen B und C ist in Fig. 1 mit 15 bezeichnet. Den Ausgang des optischen Verstärkers 11 verläßt ein mit D bezeichneter Lichtstrahl mit Impulsen gleicher Intensität P_A, in Fig. 1 mit 16 bezeichnet. Im steuernden Element 10 werden proportional zur eintreffenden Lichtintensität P₁ Ladungsträger erzeugt, wodurch sich der Widerstand dieses Elementes ändert. Die Widerstandsänderung hat eine Änderung des Stromes I₁ zur Folge. Da der Gesamtstrom I_E konstant ist, ändert sich also auch der Strom I₂. Ist der optische Verstärker 11 so ausgelegt, daß seine Verstärkung proportional zum Strom I₂ ist, der den Verstärker durchfließt, so läßt sich auf diese Weise eine sehr einfache Verstärkungsregelung in bestimmten Bereichen erreichen. Am Ausgang des optischen Verstärkers 11 steht dann ein Lichtsignal D mit Impulsen gleicher Intensität zur Verfügung. Eine auf den Verstärker folgende Rekonstruktion der Impulsform ist sinnvoll nur möglich, wenn Impulse gleicher Intensität bzw. gleicher Amplitude vorliegen. In Fig. 1, 10 is a controlling element, which can be a photoconductor, a photodiode, a phototransistor or the interconnection of a photodiode or a transistor. 11 denotes an optical amplifier, 12 a partially reflecting mirror and 13 a mirror. 14 identifies the power supply to the control element 10 and to the optical amplifier 11 . 15 and 16 indicate signal profiles, which will be discussed in more detail below. A light beam designated A reaches the partially reflecting mirror 12 , from which it is broken down into the two partial beams B and C. The optical path C with mirror 13 can, for. B. can also be designed as a glass fiber or as a waveguide. Part C reaches the control element C via the mirror 13 , part B reaches the input of the optical amplifier 11 . The light beam A consists of light pulses of different amplitudes. The same applies to the two beams B and C. The maximum possible intensity of the incident light beam A is P _E. Due to the fiber attenuation, not all incoming light pulses have the same intensity. For the intensity of the individual light pulses at A, y × P _E generally applies, the relationship 0 less than Y less than 1. If the partially reflecting mirror has the reflectivity R, the light intensity P₂ = (1-R) · y · P _E reaches the optical amplifier 11 . The intensity P₁ = R · y · P _E reaches the controlling element 10 . The time course of the intensity of the input beam A or the beams B and C is denoted by 15 in FIG. 1. _A light beam denoted by D with pulses of the same intensity P _A , denoted by 16 in FIG. 1, leaves the output of the optical amplifier 11 . In the controlling element 10 charge carriers are generated proportional to the incoming light intensity P 1, whereby the resistance of this element changes. The change in resistance results in a change in the current I 1. Since the total current I _{E is} constant, the current I₂ also changes. If the optical amplifier 11 is designed so that its gain is proportional to the current I₂ that flows through the amplifier, it can be achieved in this way a very simple gain control in certain areas. A light signal D with pulses of the same intensity is then available at the output of the optical amplifier 11 . A reconstruction of the pulse shape following the amplifier is only sensible if there are pulses of the same intensity or amplitude.

Fig. 2 zeigt mehrere Schaltungsbeispiele zur Realisierung der Erfindung. In Fig. 2a ist dem optischen Verstärker 20 ein Photoleiter 21 parallelgeschaltet, in Fig. 2b eine Photodiode 22. In Fig. 2c wird der durch den optischen Verstärker 20 fließende Strom durch einen Transistor 23 gesteuert, dessen Basis mit einer Photodiode 22 verbunden ist. Auch integrierte Anordnungen, bei welchen die Photodiode und der Transistor als Phototransistor ausgebildet sind, sind denkbar. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nichtlineare Effekte, wie sie bei der einfachen Photoleiter- oder Photodiodenanordnung auftreten, direkt durch den Phototransistor kompensiert werden können. Alle drei gezeigten Ausführungsbeispiele können mit diskreten Bauelementen, aber auch monolithisch integriert auf einem Chip hergestellt werden, beispielsweise mit den Materialien InP, InGaAsP. Durch die integrierte Bauweise läßt sich die Vorrichtung bis hinauf zu sehr großen Datenübertragungsraten verwenden. Zur Regelung der Verstärkung des optischen Verstärkers 20 sind die Arbeitspunkte des Photoleiters 21 oder der Photodiode 22 oder der Kombination aus Photodiode 22 und Transistor 23 entsprechend einzustellen. Eine Ableitung der dazu erforderlichen Linearisierung der Kennlinien der einzelnen Bauelemente wird hier nicht vorgenommen, da sie nicht Gegenstand der Erfindung ist. Fig. 2 shows a plurality of circuit examples for realizing the invention. A photoconductor 21 is connected in parallel to the optical amplifier 20 in FIG. 2a, and a photodiode 22 in FIG. 2b. In Fig. 2c, the current flowing through the optical amplifier 20 is controlled by a transistor 23 , the base of which is connected to a photodiode 22 . Integrated arrangements in which the photodiode and the transistor are designed as a phototransistor are also conceivable. This arrangement has the advantage that non-linear effects, such as occur in the simple photoconductor or photodiode arrangement, can be compensated for directly by the phototransistor. All three exemplary embodiments shown can be produced with discrete components, but also monolithically integrated on a chip, for example with the materials InP, InGaAsP. Due to the integrated design, the device can be used up to very high data transmission rates. To control the amplification of the optical amplifier 20 , the operating points of the photoconductor 21 or the photodiode 22 or the combination of photodiode 22 and transistor 23 must be set accordingly. The linearization of the characteristic curves of the individual components required for this purpose is not derived here since it is not the subject of the invention.

Claims

1. Device for converting optical input pulses of variable amplitude into amplified optical output pulses of the same amplitude with a gain-controllable amplifier and a gain-controlling element, characterized in that the amplifier and the controlling element are electrically connected in parallel.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the amplifier is an optical amplifier.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the parallel circuit consisting of the amplifier and the controlling element is flowed through by a constant current I _E.

4. The device according to claim 3, characterized in that a partial current I₁ of the current I _E flows through the control element and a partial current I₂ of the current I _E flows through the amplifier.

5. The device according to claim 4, characterized in that the current flowing through the control element I₁ depends on the amplitude of the optical input pulses.

6. The device according to claim 5, characterized in that the gain of the optical amplifier by the through it flowing current I₂ is controlled.

7. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the controlling element is a photoconductor.

8. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the controlling element is a photodiode.

9. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the controlling element a combination of a transistor and one Is a photodiode or an integrated phototransistor.

10. Device according to claims 1 to 9, characterized by their use in repeaters optical communication.