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Die
Erfindung bezieht sich auf einen optischen Faserverstärker und
spezieller auf eine zweistufige Verstärkerstruktur mit verschiedenen
verstärkenden
Fasern. Spezieller bezieht sich die Erfindung auch auf ein Kommunikationssystem,
in dem die Erfindung des optischen Faserverstärkers verwendet wird.
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Beschreibung der zugehörigen Technik
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Ein
optischer Verstärker
ist eine Vorrichtung, welche die Amplitude eines optischen Eingangssignals
erhöht,
das ihm zugeführt
wird. Wenn das optische Signal, das an einen solchen Verstärker angelegt
wird, monochromatisch ist, wird das Ausgangssignal ebenfalls monochromatisch
mit derselben Frequenz sein. Herkömmliche Faserverstärker enthalten ein
Verstärkungs-Medium,
wie z.B. einen Glasfaser-Kern, der mit einem aktiven Material dotiert
ist und in den ein Eingangssignal eingekoppelt wird. Die Anregung
erfolgt durch Absorption von optischer Pumpenergie durch den Kern.
Die optische Pumpenergie liegt innerhalb des Absorptionsbandes des
aktiven Materials im Kern, und wenn das optische Signal den Kern
durchläuft,
bewirkt die absorbierte Pumpenergie eine Verstärkung des durch die Faser übertragenen
Signals durch stimulierte Emission. Optische Verstärker werden
typischerweise in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich, aber
nicht begrenzt auf die Verstärkung
schwacher optischer Impulse, wie zum Beispiel von Impulsen, die
in Kommunikationssystemen lange Glasfaserstrecken durchlaufen haben.
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Ein
typisches Beispiel eines Faserverstärkers wird als Erbium-Verstärker bezeichnet
und enthält
eine Quarzglas-Faser, die einen Einmoden-Kern aufweist, der mit
Erbium dotiert ist. Es ist gut bekannt, dass ein mit Erbium dotierter
optischer Faserverstärker,
der in seinem Standard-Modus mit drei Ebenen arbeitet, in der Lage
ist, optische Signale mit einer Wellenlänge von 1550 Nanometer zu verstärken, wenn
er mit einer Wellenlänge
von 980 Nanometer gepumpt wird. Da die Wellenlänge von 1550 nm die Wellenlänge mit
der geringsten Dämpfung
in herkömmlichen
Einmoden-Quarzglas-Fasern ist, eignen sich Erbium-Verstärker gut
für die
Aufnahme in Fasersysteme, die Signale mit Wellenlängen um
1550 Nanometer übertragen.
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In
bestimmten Anwendungen mit hohen Leistungen kann es wünschenswert
sein, eine optische Verstärkung
unter Verwendung einer Faser mit doppeltem Mantel bereitzustellen.
Eine typische Faser mit doppeltem Mantel hat einen inneren Kern, durch
den ein optisches Signal übertragen
wird, einen inneren Mantel, der den Kern umgibt und einen geringeren
Brechungsindex aufweist als der Kern, und einen äußeren Mantel, der den inneren
Mantel umgibt und einen geringeren Brechungsindex aufweist als der
innere Mantel und nicht absorbierend ist. Es ist bekannt, dass bei
Verwendung einer Faser mit doppeltem Mantel für die Verstärkung die optische Pumpenergie
nicht direkt in den Kern gekoppelt werden muss, wo sie zu Verstärkungszwecken
absorbiert wird, sondern sie kann in den inneren Mantel eingekoppelt
werden, wo sie sich in verschiedenen Reflexionsbahnen durch den
Mantel ausbreitet, bis sie den Kern kreuzt. Wenn sie einmal Kontakt
zum Kern hat, wird die Pumpenergie absorbiert und liefert im Kern
gespeicherte Energie für
die Verstärkung
des optischen Signals durch stimulierte Emission.
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Ein
gut bekanntes Problem bei der Verwendung von Fasern mit doppeltem
Mantel ist die Tatsache, dass unter den Übertragungs-Moden der Pumpenergie
durch den inneren Mantel sich einige befinden, die den Kern niemals
kreuzen. Da eine herkömmliche
Faser mit doppeltem Mantel einen zylindrischen Kern hat, der von
einem ringförmigen
inneren Mantel umgeben ist, ist es einer Anzahl spiralförmigen Moden
möglich,
innerhalb des inneren Mantels zu existieren und den inneren Mantel
zu durchlaufen, ohne jemals den Kern zu kreuzen. Da diese Moden den
Kern niemals kreuzen, wird die Pumpenergie nicht absorbiert und
trägt nicht
zur Verstärkung
des optischen Signals bei. Dies hat zu Versuchen geführt, die
spiralförmigen
Raummoden innerhalb des inneren Mantels einer Faser mit doppeltem
Mantel zu verringern.
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Der
Vorteil der Verwendung einer Faser mit doppeltem Mantel ist, dass
ein sehr hoher Pegel an Pumpenergie in den inneren Mantel der Mehrmoden-Faser
eingekoppelt werden kann. Die Pumpmodule können eine Hochleistungs-Laserdiode
oder eine Laser-Anordnung oder in manchen Beispielen eine Gruppe
von Faser-Lasern enthalten. Eine bisherige Realisierung ist US-Patent
6,081,369, in dem ein Verstärker
mit einer Faser mit doppeltem Mantel offen gelegt wird, der durch
eine Gruppe von Faser-Lasern gepumpt wird.
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Ein
weiterer Versuch, den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung zu verbessern,
ist die Verwendung einer ringförmig
dotierten optischen Faser. Im US-Patent 5,970,198 wird eine Ringstruktur
einer optischen Faser offen gelegt, die dazu verwendet wird, das
Verstärkungsspektrum
eines optischen Verstärkers
zu verbessern. Die Faser hat einen zentralen Kern, der mit Germanium
und Erbium dotiert ist und eine Ring-Region, die ebenfalls mit Erbium
dotiert ist. Die Ring-Region wird um den zentralen Kern-Bereich
gebildet, so dass sie einen gegebenen radialen Abstand vom zentralen
Kern-Bereich hat. Insbesondere diese Dotierungs-Struktur kann Pumplicht
bei verschiedenen Wellenlängenbändern absorbieren
und das Verhalten der verstärkenden Faser
verbessern. Ein weiterer optischer Verstärker wird in
US 5933271 A offen gelegt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optisch
verstärkende
Einrichtung bereitzustellen, die einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung
von Pumpenergie in Signalenergie aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie in Anspruch 1 definiert, wird ein optischer Faserverstärker mit
einem optischen Signaleingang und -ausgang bereitgestellt, der ein
erstes Stück
verstärkender
Faser enthält,
die mit Lanthanoiden in einer Struktur mit doppeltem Mantel dotiert
ist, und ein zweites Stück verstärkender
Faser enthält,
die mit Lanthanoiden in einer Ringstruktur dotiert ist und Mittel
zum Pumpen der Faserstücke
mit mindestens einem Pumpmodul enthält.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Querschnitts-Ansicht
von zwei optischen Fasern, eine mit einer Struktur mit doppeltem
Mantel, die zweite mit einer Struktur mit ringförmiger Dotierung.
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2 zeigt schematisch den Moden-Felddurchmesser
von verschiedenen Wellenlängen
in einer Faser mit Ringstruktur.
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3 ist eine erste Ausführung eines
optischen Faserverstärkers.
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4 ist eine zweite Ausführung des
optischen Faserverstärkers.
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5 zeigt eine dritte Ausführung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 zeigt schematisch den Querschnitt
der Faser mit doppeltem Mantel, die eine spezielle Mantel-Geometrie
aufweist. Die Faser besteht aus einem Kern 13, der mit
einem aktiven Element dotiert sein kann, wie z. B. Erbium, Ytterbium
oder Neodym, oder mit solchen Seltenen-Erd-Materialien co-dotiert
sein kann. Der Kern funktioniert als Übertragungsmedium für optische
Signale, die sich in Längsrichtung
entlang der Faser ausbreiten. Der Kern kann aus beliebigem Material
bestehen, das typischerweise in optischen Fasern verwendet wird,
wie z.B. Quarzglas, und hat einen ersten Brechungsindex n1. Der
Kern 13 wird von einer inneren Mantel-Schicht 14 umgeben,
die einen zweiten Brechungsindex n2 hat, der typischerweise kleiner
als der des Kerns ist. Ebenso typische Materialien, aus denen der
innere Mantel 14 hergestellt sein kann, sind Quarzglas,
Fluoridglas oder ZBLAN. Die innere Mantelschicht 14 ist
von einer äußeren Mantelschicht 15 umgeben,
die einen kleineren Brechungsindex als der innere Mantel hat und
das Signallicht nicht absorbiert. Der äußere Mantel 15 kann
aus einem Polymer-Material oder aus Quarzglas bestehen, wie in der
Technik bekannt.
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Der
in
1 auf der linken Seite
gezeigte Faser-Aufbau der Faser mit doppeltem Mantel kann als Teil
eines optischen Verstärkers
benutzt werden, der ein optisches Signal verstärkt, das den Kern
13 durchläuft. Der
vom Kern getrennte innere Mantel
14 erlaubt es, die optische
Pumpenergie in die Faser zu koppeln, ohne sie in den Kern
13 der
Faser selbst einkoppeln zu müssen.
Die optische Pumpenergie wird innerhalb des inneren Mantels reflektiert
und einige der Reflexionen führen
dazu, dass die Pumpenergie den Kern
13 kreuzt. Der Kern,
der auf eine bekannte Art und Weise mit einem aktiven Element dotiert
ist, ist bei der Wellenlänge
der Pumpenergie absorbierend. Zum Beispiel kann der Kern mit Erbium-Ionen
dotiert sein, die ihn im um ungefähr 980 Nanometer liegenden
Wellenlängenband
absorbierend machen. Wenn die Pumpenergie absorbiert wird, wird
optische Signalenergie zum optischen Signal hinzugefügt, welches
den Kern durchläuft.
Durch stimulierte Emission der im dotierten Faserkern gespeicherten
Energie wird die Zusammensetzung von Kern und innerem Mantel optimiert.
Ein Beispiel für eine
Faser mit doppeltem Mantel, die für die Absorption von Energie
optimiert ist, wird in
US 5,937,134 offen
gelegt. Die rechte Seite von
1 zeigt
die Struktur einer optischen Faser mit einer ringförmigen Dotierungs-Struktur.
Die Faser enthält
einen Kern-Bereich
10 und einen Ring-Bereich
11,
der sich radial in einem gegebenen Abstand vom zentralen Kern-Bereich
10 befindet.
Der zentrale Kern-Bereich
10 und der Ring-Bereich
11 sind
mit Erbium dotiert. Der zentrale Kern
10 ist die dotierte
Struktur und wird durch einen Mantel
12 umgeben. Die verschiedenen Glas-Materialien
für den
dotierten Bereich und den Mantel sind optimiert, und ein Beispiel
wird in US 5,970,198 offen gelegt. In dieser Faser-Struktur absorbieren
der Ring und der Kern Pumpenergie und wandeln sie in Signalenergie
um. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist der Kern der Faser
mit Ringstruktur nicht mit Erbium dotiert, um zu vermeiden, dass
das Signal im Kern absorbiert wird.
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Beide
Fasertypen werden in einer bevorzugten Ausführung aus einem Glas-Vorformling
gezogen, der nicht mit Phosphor-Ionen dotiert ist. Die Dotierung
mit Phosphor wird nach dem bisherigen Stand der Technik bei einer
gleichzeitigen Dotierung mit Ytterbium-Ionen für eine Optimierung der Energieübertragung
verwendet. Phosphor-Ionen begrenzen das Erbium-Querschnitts-Spektrum durch eine Absorptionskante
bei 1535 nm. Somit können die
Faserverstärker
nicht im C-Band benutzt werden. Eine Glaszusammensetzung ohne die
Phosphor-Dotierung erlaubt auch die Verwendung im C-Band.
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Für die Herstellung
der Faser liegt die Konzentration von P im Glas unter 1 Gewichts-%
in der Faser. Daher befindet sich immer etwas Phosphor in der Faser.
Das hinzugefügte
P dient dazu, die Herstellung der Faser einfacher zu machen, und
nicht um den Wirkungsgrad der Energieumsetzung des EDFA zu verbessern.
Ohne Phosphor-Dotierung bedeutet, dass der Anteil von P in der Faser
nicht über 1
Gewichts-% ansteigt. Eine solche Zusammensetzung wird bevorzugt.
Die Erfindung selbst ist jedoch nicht auf diese spezielle Glas-Zusammensetzung begrenzt,
sie kann mit jeder anderen Art von Faser-Zusammensetzung realisiert
werden.
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2 zeigt schematisch den Moden-Felddurchmesser
von verschiedenen Pump-Wellenlängen
in einer Faser mit Ringstruktur. Man kann sehen, dass der resultierende
Energiepegel der beiden verschiedenen Wellenlängen-Moden im Ring und in der Mitte
der Faser unterschiedlich absorbiert wird. Speziell Maden höherer Ordnung,
wie schematisch durch den Mode M2 gezeigt, werden speziell in der
kreisförmigen
Struktur absorbiert. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen hohen
Pump-Energie-Pegel zu verwenden, der auch in einem zweiten Teil
des Verstärkers
im dotierten Ring in den Mantel der Faser mit doppeltem Mantel eingekoppelt
werden kann, um den Teil der Moden zu absorbieren, die den Kern
der Faser mit doppeltem Mantel und der Faser mit dotiertem Ring
nicht kreuzen.
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3 zeigt eine erste Ausführung des
optischen Faserverstärkers
gemäß der Erfindung.
Das Signal Sin wird an einen Koppler 1 angelegt.
Der Koppler 1 kombiniert das Eingangssignal Sin einer Einmoden-Faser
und die Pumpleistung P des Pump-Moduls 2 einer Mehrmoden-Faser.
Das resultierende Signal wird an eine erste verstärkende Faser A1
angeschlossen, die ein Faserstück
mit doppeltem Mantel ist. Diese erste Verstärkerstufe A1 ist über ein Verbindungsmittel 3 – wobei
es sich um einen Spleiß handeln
kann – an
den Verstärker
mit Ring-Dotierung A2 angeschlossen. Das resultierende Signal Sout wird an die Leitung angeschlossen. Um
die beiden Faserteile spleißen
zu können,
müssen
die Durchmesser der Kerne und des inneren Mantels 14 im
Vergleich zur Struktur mit Ring-Dotierung 11 eine ähnliche
Größe haben,
um Verluste des Signals und der Pumpenergie zu vermeiden.
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4 zeigt eine zweite Ausführung der
Erfindung. In dieser Ausführung
wird ein zweiter Koppler 1 an den Ausgang der zweiten Verstärkerstufe
A2 angeschlossen. Es wird auch ein zweites Pump-Modul 2 an
den zweiten Koppler 1 angeschlossen. Mit einem Verstärker-Design wie diesem
kann ein Pumpverfahren mit gleichzeitiger Ausbreitung in Hin- und Rückrichtung
realisiert werden.
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5 zeigt eine andere Ausführung, bei
der das Pump-Modul 2 aus einigen Laserdioden 4 mit
unterschiedlichen Wellenlängen
und Moden-Strukturen besteht, um ein effektives Pumpen der Faser
zu erzielen.
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Ein
bevorzugtes Beispiel für
verstärkende Fasern
wird im folgenden Abschnitt beschrieben. Die Erfindung ist nicht
auf diesen speziellen Typ von Fasern beschränkt. Die Erfindung kann mit
jeder anderen verstärkenden
Faser mit den Eigenschaften des Haupt-Anspruchs realisiert werden.
Das Faserstück A1
hat eine Struktur mit doppeltem Mantel.
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Die
verstärkende
Faser A1 ist eine nur aus Quarzglas bestehende Faser mit doppeltem
Mantel und einem Außendurchmesser
von 125 μm.
Die numerische Apertur des Mehrmoden-Kerns ist 0,2 und sein Durchmesser
ist 32 μm.
Der Einmoden-Kern ist aus Alumino-Germano-Silikat-Glas, das nur mit Er dotiert
ist (ungefähr
1200 ppm) und keine zusätzliche Dotierung
mit Yb/P hat. Sein Durchmesser ist ungefähr 8 μm. Die maximale Absorption der
Mehrmoden-Pumpe ist 12 dB/m bei 978 nm. Es können auch Fasern mit doppeltem
Mantel und einem Mehrmoden-Modus zwischen 50 und 100 μm benutzt
werden. Die Form des Mehrmoden-Mantels kann kreisförmig sein
oder kann jede andere Form aufweisen, um eine bessere Kopplung von
Moden in den Kern zu erreichen. Der Kern-Durchmesser beträgt ungefähr 8 μm.
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Der
Pumplaser ist eine Mehrmoden-Laserdiode, deren Emissions-Oszillations-Wellenlänge so optimiert
wurde, dass sie mit dem Spitzenwert des Erbium-Absorptionsspektrums
bei λ =
978 nm übereinstimmt.
Es handelt sich zum Beispiel um eine 1 × 50 μm Einstreifen-Laserdiode, die
an eine 50/125 μm Mehrmoden-Faser
gekoppelt ist, deren Spitze mikro-maschinell bearbeitet wurde. Der
Kopplungs-Wirkungsgrad liegt zwischen 65 und 70%. Der Pumpen-Teil des Multiplexers
ist aus derselben Mehrmoden-Faser hergestellt. Die Pumpen-Baugruppe
ist an den Pumpen-Anschluss gespleißt. Die Pumpen-Anordnung ermöglicht eine
eingekoppelte Pumpleistung von ungefähr 1,9 W.
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Das
verstärkende
Faserstück
A2 mit der ringförmigen
Dotierungs-Zone ist direkt an die Faser mit doppeltem Mantel angeschlossen.
Ein gutes Beispiel für
diesen Fasertyp hat eine ringförmige
Dotierung mit einem Durchmesser von 7 μm bis 14 μm. Der Kern hat einen Durchmesser
von 7 μm.
Bei allen anderen ringförmig
dotierten Fasern liegt der dotierte Ring im Bereich des Durchmessers
des Mantels der Mehrmoden-Faser.