DE69109672T2 - Faseroptischer Verstärker mit modifiziertem Verstärkungsspektrum. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Faserverstärker, die eine Einrichtung zum selektiven Abschwächen oder Entfernen unerwünschter Wellenlängen hat, um das Verstärkerverstärkungsspektrum zu modifizieren oder zu steuern.
• Dotierte optische Faserverstärker bestehen aus einer optischen Faser, deren Kern einen Dotierstoff, wie beispielsweise Seltene Erden-Ionen umfaßt. Ein derartiger Verstärker empfängt ein optisches Signal einer Wellenlänge λs und ein Pumpsignal einer Wellenlänge λp, die durch eine Einrichtung, wie beispielsweise einen oder mehrere Koppler kombiniert werden, die an einem oder beiden Enden des Verstärkers angeordnet sind. Die spektrale Verstärkung eines Faserverstärkers ist durch das gesamte Emissionsband nicht gleichmäßig.
• Die Fähigkeit, das Verstärkungsspektrum eines Faserverstärkers zu modifizieren, ist nützlich. Drei Modifikationen sind von Interesse: (1) Verstärkungseinebnung, (2) Ändern der Verstärkungssteilheit und (3) Verstärkungseinengung. Die Verstärkungseinebnung ist für derartige Anwendungen, wie das Wellenlängenteilungsmultiplexen von Interesse. Eine Änderung der Verstärkungssteilheit kann verwendet werden, um eine harmonische Verzerrung in AM-modulierten optischen Systemen zu reduzieren (s. A. Lidgard et al., "Generation and Cancellation of Second-Order Harmonic Distortion in Analog Optical Systems by Interferometric FM-AM Conversion", IEEE Phot. Tech. Lett., Band 2, 1990, Seiten 519-521). Die Verstärkungseinengung ist von Interesse, weil, obwohl der Verstärker bei Wellenlängen außerhalb der Spitzenwertverstärkung ohne Verstärkungseinengung betrieben werden kann, Nachteile aufgrund des Folgenden auftreten: Ein vergrößertes spontan-spontan Schwebungsrauschen, eine Verminderung der Verstärkung bei der Signalwellenlänge, wegen einer verstärkten spontanen Emission bei einer zweiten Wellenlänge (beispielsweise bei 1050 nm in einem Nd-Faserverstärker, der zur Verstärkung bei 1300 nm ausgelegt ist), und einer möglichen Laserwirkung bei der Spitzenwertverstärkungswellenlänge.
• Verschiedene Techniken sind zum Einebnen des Verstärkungsspektrums eingesetzt worden. Ein optisches Kerbfilter mit Lorentz-Spektrum kann am Ausgang der Erbium-dotierten Verstärkungsfaser angeordnet werden, um den schmalen Spitzenwert abzuschwächen. Ein glattes Verstärkungsspektrum kann erhalten werden, jedoch ohne Erhöhung der Verstärkung bei längeren Wellenlängen.
• Eine weitere Filteranordnung ist in der Veröffentlichung M. Tachibana et al., "Gain-Shaped Erbium-Doped Fibre Amplifier (EDFA) with Broad Spectral Bandwidth", Topical Meeting on Amplifiers and Their Applications, Optical Society of America, 1990 Technical Digest Series, Band 13, 6.-8. August, 1990, Seiten 44-47 offenbart. Ein optisches Kerbfilter ist in der Mitte des Verstärkers durch Sandwich-Anordnen einer Verstärkungsfaser kurzer Länge zwischen einem mechanischen Gitter und einer ebenen Klappe eingebaut. Dies induziert eine Resonanzkopplung bei einer bestimmten Wellenlänge zwischen dem Kernmod und Hüllenleckmoden, die daraufhin verlustig gehen. Sowohl die Zentralwellenlänge wie die Stärke des Filters können abgestimmt werden. Das Gesamtverstärkungsspektrum und die Sättigungseigenschaften werden modifiziert, um über das gesamte 1530-1560-nm-Band nahezu gleichmäßig zu sein. Durch Einbauen des optischen Filters in der Mitte des Erbium-dotierten Faserverstärkers wird der Verstärkerwirkungsgrad für längere Signalwellenlängen verbessert.
• Die internationale Patentanineldung Nr. WO 91/18434, die einen in den Zeitraum von Art. 54 (3) EPÜ fallenden Stand der Technik bildet, offenbart einen Faserverstärker, der eine optische Verstärkungsfaser umfaßt, die einen Einzelmodenkern hat, der Dotierstoffionen enthält, die eine stimulierte Lichtemission in einem vorbestimmten Wellenlängenband erzeugen kann, das eine Wellenlänge λs enthält, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge λp gepumpt werden. Eine Einrich£ung zum Einleiten eines Signals der Wellenlänge λs und von Pumplicht der Wellenlänge λp in die Verstärkungsfaser ist vorgesehen. Der Verstärker enthält eine Absorptionsionenfiltereinrichtung zum Abschwächen von Licht bei zumindest einigen der Wellenlängen in dem vorbestimmten Wellenlängenband.
• Die EP-A-426222 offenbart einen Faserverstärker, der eine Verstärkungsfaser umfaßt, die einen Einzelmodenkern umfaßt, der Erbium-Ionen enthält, die eine stimulierte Lichtemission innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs erzeugen können, der eine Wellenlänge λs umfaßt, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge λp gepumpt werden. Samarium-Ionen, die in der Verstärkungsfaser enthalten sind, versetzen sie in die Lage, eine spontane Erbium-Emission zu absorbieren, die eine Rauschquelle darstellen könnte.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad eines Faserverstärkers weiter zu verbessern und/oder den spektralen Ausgang eines Faserverstärkers maßzuschneidern.
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faserverstärker mit einer optischen Verstärkungsfaser, die einen Einzelmodenkern hat, der Dotierstoff-Ionen enthält, die eine stimulierte Lichtemission innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs erzeugen können, das eine Wellenlänge λs einschließt, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge λp gepumpt werden. Eine Einrichtung leitet ein Signal der Wellenlänge λs in das Verstärkungsfasereingabeende ein und eine Einrichtung leitet Pumplicht der Wellenlänge λp in die Verstärkungsfaser ein. Eine Absorptionsionenfiltereinrichtung schwächt Licht bei zumindest einigen der Wellenlängen innerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbands ab. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsionenfiltereinrichtung ungepumpte Verstärkungsionen umfaßt, und daß der Verstärker ferner eine Einrichtung zum Verhindern der Erregung der ungepumpten Verstärkungsionen durch Licht der Wellenlänge λp umfaßt.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasereinrichtung erste und zweite optische Verstärkungsfaserabschnitte einschließt. Der Verstärker schließt ferner erste und zweite Pumplichtabschwächungsfaserabschnitte ein, von denen jeder einen Kern hat, der einen Dotierstoff enthält, der optische Leistung in zumindest einem Wellenlängenband abschwächt, das die Wellenlänge λp enthält, während optische Leistung bei der Wellenlänge λs dadurch im wesentlichen unabgeschwächt bleibt. Das erste Ende eines jeden der Pumplichtabschwächungsfaserabschnitte ist an ein jeweiliges der zweiten Enden der Verstärkungsfaserabschnitte geklebt. Die Enden der Filterfaser sind jeweils an die zweiten Enden der Pumplichtabschwächungsfilterabschnitte angeschlossen, wobei die Filterfaser mit den Dotierstoffverstärkungsionen zum Filtern des Signallichts dotiert ist. Die Pumplichteinleitungseinrichtung leitet Pumplicht in das erste Ende jeder der Verstärkungsfaserabschnitte ein, und die Signaleinleitungseinrichtung leitet ein Signal in das erste Ende von einem der Verstärkungsfaserabschnitte ein, wobei die Verstärkungsionen der Filterfaser während des Betriebs aufgrund der Pumplichtfilterwirkung der Pumplichtabschwächungsfaser unerregt bleiben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 zeigt ein Diagramm des Verstärkungsspektrums eines Erbium-Aluminium-dotierten Germaniumoxidsilikatfaserverstärkers.
• Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Faserverstärkers gemäß der Erfindung.
• Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, bei der eine Pumplichtabschwächungseinrichtung in Reihe zu der Verstärkungsfaser liegt.
• Fig. 5 zeigt ein Diagramm der spektralen Durchlaßeigenschaft einer ungepumpten, Erbium-Aluminium-dotierten Germaniumoxidsilikatfaser, die in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet werden kann.
• Fig. 6 und 7 zeigen Diagramme des Verstärkungsspektrums und der spektralen Durchlassung für eine weitere Betriebsart von Fig. 4.
• Fig. 8 zeigt einen Faserverstärker, bei dem die Pumplichtabschwächungseinrichtung eine optische Faser ist.
• Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines umgekehrt gepumpten Faserverstärkers.
• Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer doppelendigen Vorrichtung.
• Fig. 11, 12 und 13 zeigen schematische Darstellungen von Faserverstärkerausführungsformen, bei denen die Verstärkungs- Ionen-dotierte Signalfiltereinrichtung in Reihe zur Verstärkungsfaser liegt.
• Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung einer Faserverstärkerausführungsform, bei der die Verstärkungs-Ionen-dotierte Signalfiltereinrichtung längs der Verstärkungsfaser verteilt ist.
• Fig. 15 zeigt ein Diagramm der radialen Signalverteilung und Pumpleistung in der Verstärkungsfaser von Fig. 14.
• Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung einer Faserverstärkerausführungsform, bei der die Verstärkungs-Ionen-dotierte Signalfiltereinrichtung in einer Faser enthalten ist, die längs der Verstärkungsfaser verläuft.
• Fig. 17 zeigt ein Diagramm der radialen Signalverteilung und Pumpleistung in dem Koppler 63 von Fig. 16.
• Fig. 18 und 19 zeigen schematische Darstellungen von Faserverstärkern, die nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen, bei denen die Absorptionsionen der Signalfiltereinrichtung unterschiedlich zu den Verstärkungsionen sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Faservestärker enthalten typischerweise eine Verstärkungsfaser 10 (Fig. 1), deren Kern mit Verstärkungsionen dotiert ist, die dazu in der Lage sind, eine stimulierte Lichtemission in einem vorbestimmten Wellenlängenband zu erzeugen, das eine Wellenlänge λs enthält, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge λp gepumpt werden, die außerhalb des vorbestimmten Bands liegt. Ein optischer Wellenlängenteilungsmultiplexer(WDM)Faseroptikkoppler 11 kann zum Koppeln von Pumpenergie der Wellenlänge λp von der Laserdiode 15 und des Signals der Wellenlänge λs von einer Eingabetelekommunikationsfaser 14 an die Verstärkungsfaser 10 verwendet werden. Derartige Vorrichtungen sind in den US-Patenten Nr. 4 938 556, 4 941 726, 4 555 025 und 4 959 837 offenbart. Schmelzverbindungsstellen oder -klebungen sind in den Zeichnungen durch große Punkte wiedergegeben. Die Eingabefaser 14 ist an die Kopplerfaser 13 geklebt, und die Verstärkungsfaser 10 ist an die Kopplerfaser 12 geklebt. Klebstellenverluste werden minimiert, wenn der Koppler 11 gemäß den Lehren der gleichzeitig anhängigen US- Patentanmeldung S.N. 671 075 (Hall 4-6-2-4) ausgebildet ist, die am 18. März 1991 eingereicht wurde.
• Verschiedene Faserherstellungstechniken sind zur Ausbildung von optischen Seltenen Erden-dotierten Verstärkungs- und Absorptionsfasern verwendet worden. Ein bevorzugter Prozeß, der in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung S.N. 07/715348 (R.F. Bartholomew et al. 18-1) beschrieben ist, die am 14. Juni 1991 eingereicht wurde, stellt eine Modifikation eines Prozesses zur Ausbildung von Standardtelekommunikationsfaservorformen dar. In Übereinstimmung mit den Lehren dieser Patentanrneldung wird eine poröse Kernvorform in eine Lösung eines Salzes des Dotierstoffs eingetaucht, das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist, das keine OH-Gruppen hat. Das Lösungsmittel wird entfernt und die poröse Glasvorform wird wärmebehandelt, um sie in einen nicht-porösen glasigen Körper zu verfestigen, der den Dotierstoff enthält. Der glasige Körper wird mit Umhüllungsglas versehen, um eine Ziehvorform oder einen Rohling auszubilden, der in die optische Faser gezogen wird. Der Prozeß kann so zugeschnitten sein, daß er zur Ausbildung einer Faser mit der gewünschten MFD führt. Die poröse Kernvorform kann lediglich aus Kernglas bestehen oder sie kann aus einem Kernglas bestehen, dem ein gewisses Umhüllungsglas zugesetzt worden ist. Unter Kernglas wird ein Glas mit einem relativ hohen Brechungsindex verstanden, z.B. Germaniumoxidsilikatglas, das einen Kern der resultierenden optischen Faser bildet.
• Wenn die Seltenen Erden-Ionen sich zu einem Bereich der resultierenden Faser über den Kern hinaus erstrecken sollen, muß die poröse Kernvorform, die in ein Dotierstoff-enthaltendes Lösungsmittel eingetaucht wird, einen zentralen Kernglasbereich und eine ausreichend dicke Umhüllungsglasschicht enthalten. Nachdem die resultierende dotierte, mit einer Umhüllung bedeckte Kernvorform verfestigt worden ist, wird sie mit einem zusätzlichen Umhüllungsglas versehen und in eine Faser gezogen.
• Wenn dem GeO&sub2;-dotierten Quarzglaskern zu viel Seltene Erden- Dotierstoff zugesetzt wird, kann der Kern kristallisieren. Derartige höhere Seltene Erden-Dotierstoffgehalte können ohne Kristallisieren des Kernglases erzielt werden, indem dem Kern Al&sub2;O&sub3; zugesetzt wird.
• Wie vorstehend angeführt, ist es manchmal wünschenswert, das Verstärkungsspektrum eines Faserverstärkers zu modifizieren. Da der Erbium-dotierte Faserverstärker in Kommunikationssystemen eingesetzt wird, die bei 1.550 nm betrieben werden, wird dieser Faserverstärker vorliegend beispielhaft speziell diskutiert. Die Erfindung bezieht sich auch auf Faserverstärker, die andere Verstärkungsionen als Erbium enthalten, weil das Verstärkungsspektrum derartiger anderer Faserverstärker ebenfalls vorteilhaft modifiziert werden kann. Wie durch die Kurve 23 von Fig. 2 gezeigt, hat das Verstärkungsspektrum eines Erbium-Aluminium-dotierten Germaniumoxidsilikatfaserverstärkers einen Spitzenwert im Bereich von 1.532 nm und ein breites Band verminderter Verstärkung im Bereich von 1.560 nm. Es ist manchmal wünschenswert, den Spitzenwert bei 1.532 nm zu reduzieren, um das Auftreten einer unerwünschten Arbeitsweise, wie beispielsweise einer Wellenlängen-abhängigen Verstärkung oder einer Verstärkung (zusammen mit Rauschen) bei unerwünschten Wellenlängen zu verhindern. Alternativ kann es wünschenswert sein, das Faserverstärkungsspektrum mit einer Mehrzahl von Spitzenwerten derart zu versehen, daß der Verstärker bei einer Mehrzahl diskreter Wellenlängen arbeiten kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verstärkerspektralverstärkungskurve abgewandelt, indem der Faserverstärker mit einer Filtereinrichtung 17 versehen wird, die Absorptions-Ionen einschließt, welche das Verstärkungsspektrum durch Abschwächen des verstärkten Signals bei verschiedenen Wellenlängen im Verstärkungsspektrum modifizieren. Gemäß der Erfindung handelt es sich bei den Absorptionsionen um dieselben Seltenen Erden-"Verstärkungsionen", wie bei den aktiven Verstärkungsionen in der Verstärkungsfaser 10; diese Absorptionsverstärkungsionen müssen jedoch durch Licht bei einer Wellenlänge λp ungepumpt bleiben. Derartige ungepumpte "Verstärkungsionen" können in einer Faser angeordnet sein, die in Reihe zur Verstärkungsfaser 10 liegt, oder sie können längs der gepumpten Verstärkungsfaserionen der Verstärkungsfaser 10 verteilt, jedoch unter einem Radius angeordnet sein, der ausreichend größer ist als derjenige der gepumpten Verstärkungsionen, so daß sie im wesentlichen ungepumpt sind und trotzdein die Ausbreitung von Licht der Wellenlänge λs beeinflussen. Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 2 bis 17 diskutiert.
• Gemäß einem Faserverstärker, der nicht der Erfindung entspricht, unterscheiden sich die Absorptionsionen von den Seltenen Erden-Verstärkungsionen der Verstärkungsfaser 10; diese Absorptionsionen bleiben unerregt, wenn sie Licht bei der Wellenlänge λp ausgesetzt werden. Die Absoprtionsionen können wie folgt positioniert sein: (a) sie können zum Co-Dotieren der Verstärkungsfaser verwendet werden, so daß sie zusammen mit den Verstärkungsionen verteilt sind (gegebenenfalls unter demselben Radius wie die Verstärkungsionen), oder (b) sie können in den Kern einer Faser eingebaut sein, der in Reihe zur Verstärkungsfaser 10 geschaltet ist. Dieser weitere Aspekt, der nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung steht, wird in Verbindung mit den Fig. 18 und 19 näher erläutert.
• In den nachstehend diskutierten Figuren sind zu denjenigen von Fig. 1 ähnliche Elemente mit mit Hochklammern versehenen Bezugsziffern versehen.
• Fig. 3 zeigt allgemein die Erfindung, bei der es sich bei den Absorptionsionen um dieselben Seltenen Erden-"Verstärkungsionen" handelt, wie bei den aktiven Dotierstoffionen in der Verstärkungsfaser. Das Faserverstärkungssystem umfaßt eine ungepumpte Verstärkungsionenfiltereinrichtung 27 zum Umgestalten der Verstärkerspektralverstärkungskurve. Die ungepumpten Verstärkungsionen können in Reihe mit den gepumpten Verstärkungsfaserionen der Verstärkungsfaser 10' angeordnet sein, oder sie können längs der gepumpten Verstärkungsfaserionen verteilt sein, wie nachstehend in Verbindung mit den Fig. 14 und 15 diskutiert.
• Fig. 4 zeigt, daß die ungepumpte Verstärkungsionenfiltereinrichtung in Reihe mit den gepumpten Verstärkungsfaserionen der Faser 10' angeordnet werden können. In der Abwesenheit des Eingangssignals an der Faser 14' können hohe Pumplichtpegel aus der Verstärkungsfaser 10' austreten. Ferner werden einige Faserverstärker, insbesondere solche, die auf einem Drei-Niveau-Lasersystem basieren, auf einen Leistungspegel gepumpt, der ausreichend hoch ist, daß eine gewisse Menge Restpumplicht aus dem Ausgabeende der Verstärkungsfaser 10' austritt. Das Vorhandensein von Pumplicht zusammen mit dem verstärkten Signal am Ausgabeende 30 der Verstärkungsfaser 10' wird durch den Pfeil angezeigt, der mit λs + λp bezeichnet ist. Die Einrichtung 31 schwächt das Restpumplicht deutlich ab, d.h. es verbleibt lediglich allenfalls ein nicht signifikanter Pumplichtpegel. Die Einrichtung 31 läßt jedoch das Signallicht bei der Wellenlänge λs im wesentlichen unabgeschwächt, d.h., sie schwächt das Signallicht um weniger als etwa 0,5 dB ab. Der Pfeil am Ausgang der Einrichtung 31 ist deshalb mit λs bezeichnet. Eine Länge 32 der Faser, die mit Verstärkungsionen dotiert ist, ist mit dem Ausgangsende der Verstärkungseinrichtung 31 verklebt.
• Wenn die Faser 10' von Fig. 4 einen Germaniumoxidsilikatkern hat, der beispielsweise mit Erbium und Aluminium dotiert ist, kann die Faser ebenfalls mit Erbium oder einer Kombination von Dotierstoffen, einschließlich Erbium dotiert sein. Fig. 5 zeigt die spektrale Durchlaßeigenschaft einer optischen Faser, die einen Germaniumoxidsilikatkern hat, der mit Aluminium und ungepumpten Erbiumionen dotiert ist. Der reduzierte Durchlaß zwischen etwa 1.525 und 1.560 nm wird durch die Absorption von Licht bei diesen Wellenlängen durch Erbiumionen verursacht. Die Senke in der Durchlaßkurve 34 bei 1.532 nm entspricht dem Verstärkungsspitzenwert in der Kurve 23 von Fig. 2. Wenn die Faser 10' und 32 von Fig. 4 beide mit Aluminium- und Erbiumionen co-dotiert sind, besteht die Wirkung des Absorptionsfilters 32 darin, die spektrale Verstärkungskurve des resultierenden Faserverstärkers einzuebnen (siehe Kurve 24 von Fig. 2).
• Wenn die Verstärkungsionen-dotierte Faser 32 von Fig. 4 einen Germaniumoxidsilikatkern hat, der mit ungepumpten Erbiumionen dotiert ist, wird sein Absorptionsspektrum durch die Kurve 35 von Fig. 6 wiedergegeben. Wenn die Faser 10' den vorstehend beschriebenen Kern hätte, wobei ihr Verstärkungsspektrum durch die Kurve 23 von Fig. 4 wiedergegeben würde, wäre das reine Verstärkungsspektrum des resultierenden Faserverstärkers dasjenige von Fig. 7. Ein derartiger Verstärker kann bei drei diskreten Wellenlängen längs der Kurve 36 dort arbeiten, wo die Spitzenwerte a, b und c angeordnet sind.
• Das Leistungsvermögen der mit Verstärkungsionen dotierten Filterfaser kann durch Quenchen der Er-Fluoreszenz verbessert werden, um das Signal-induzierte Bleichen der Absorption zu minimieren. Die Er-Fluoreszenz kann durch Zusetzen von Dotierstoffen, wie beispielsweise B oder OH zur Faser oder durch Vergrößern der Dotierdichte von Er in der Absorptionsfaser beispielsweise auf Pegel über 500 ppm in SiO&sub2;-GeO&sub2;-Fasern gequencht werden.
• Die Abschwächungseinrichtung 31 von Fig. 4 kann aus einem Pumplichtreflektor, wie beispielsweise einem Faser-Gitterreflektor von dem in der folgenden Veröffentlichung genannten Typ bestehen: K.O. Hill et al. "Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides: Application to Reflection Filter Fabrication", Applied Physics Letters, Band 32, Seiten 647-649, (1978).
• Bei der Ausführungsform von Fig. 8 handelt es sich bei der Pumplichtabschwächungseinrichtung um eine Faser 38, die zwischen die Verstärkungsfaser 10' und die mit Verstärkungsionen dotierte Faser 32' geklebt ist. Die Faser 38 muß das Licht der Wellenlänge λp ausreichend abschwächen, so daß innerhalb einer relativ kurzen Länge, beispielsweise weniger als 20 m, die Pumpleistung an ihrem Ausgangsende 39 auf einen nicht-signifikanten Pegel abgeschwächt wird, während Licht bei der Wellenlänge λs nicht übermäßig abgeschwächt wird. Die Abschwächungsfaser 38 muß auf die spezielle Verstärkungsfaser und die Pumpwellenlänge maßgeschneidert sein. Wenn es sich bei der Verstärkungsfaser 10' um eine Erbium-dotierte optische Faser handelt, die bei einer Wellenlänge von 980 nm gepumpt wird, kann die Faser 38 beispielsweise mit Ytterbium dotiert werden. Die Tabelle 1 listet Dotierstoffkandidaten zur Verwendung in Pumplicht-Absorptionsfasern auf, die in Verbindung mit Verstärkungsfasern verwendet werden sollen, die mit Er, Nd oder Pr dotiert sind. Tabelle 1 Wellenlänge Verstärkungsion signal zu pumpen Absorptionsion oder -zentrum
• Kurven des Absorptionsvermögens als Funktion der Wellenlänge wurden beim Auswählen der Seltenen Erden-Ionen und des Übergangsmetall-(Vanadium)Ions verwendet. Das CdSe sollte im Absorptionsfilter in Form von Mikrokristalliten vorhanden sein.
• Die Lichtabschwächungsfasereinrichtung dieser Erfindung ist außerdem bei Faserverstärkern nützlich, die ein abwechselndes Pumpen verwenden. Bei der Gegenpumpvorrichtung von Fig. 9, in der zu denjenigen von Fig. 8 ähnliche Elemente durch mit Hochkomma versehene Bezugsziffern versehen sind, ist die Verstärkungsfaser 10' an die Eingabefaser 14' durch die Abschwächungsfaser 38' und die Verstärkungsionen-dotierte Faser 32' angeschlossen. Pumplicht der Wellenlänge λp wird an die Verstärkungsfaser 10' durch den Koppler 41 gekoppelt, der außerdem das verstärkte Signal an die Ausgangsfaser 20' koppelt. Die Abschwächungsfaser 38' leitet Pumplicht aus, das andernfalls die Verstärkungsionen in der Faser 32' erregen würde. Da die Verstärkungsionen in der Faser 32' durch das Pumplicht unerregt bleiben, filtert die Faser 32' das eintreffende Signal.
• Bei der doppelendigen Vorrichtung von Fig. 10 koppelt der Koppler 43 das Signal von der Eingabetelekommunikationsfaser 45 und die Pumpleistung von der ersten Pumpguelle 44 an den Verstärkungsfaserabschnitt 46a, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben. Der Koppler 47 koppelt Pumpleistung von der zweiten Pumpquelle 48 an den Verstärkungsfaserabschnitt 46b. Das Ausgangssignal mit der Wellenlänge λs wird durch den Koppler 47 von dem Verstärkungsfaserabschnitt 46b an die abgehende Telekommunikationsfaser 50 gekoppelt. Pumplichtabschwächungsfasern 52a und 52b sind an die Verstärkungsfaserabschnitte 46a und 46b geklebt. Eine Länge 53 der mit Verstärkungsionen dotierten Faser ist zwischen die Abschwächungsfaserabschnitte 52a und 52b geklebt. In Abwesenheit der Abschwächungsfaserabschnitte würde Restpumplicht von den Quellen 44 und 48 von den Verstärkungsfaserabschnitten 46a und 46b jeweils an die Verstärkungsionen-dotierte Faser 53 gekoppelt, wodurch ihre Filterfähigkeit beseitigt werden würde. Da die Eigenschaften der Faser 53 ähnlich zu denjenigen der Faser 32' von Fig. 8 sind, ist der Faserverstärker mit einer modifizierten spektralen Verstärkung versehen.
• Das Signal wird zunächst in den Abschnitt 46a eingeleitet, wo seine Amplitude aufgrund der Verstärkung in diesem Abschnitt allmählich abnimmt. Die Amplitude des Signals, das in den Abschnitt 46b eingeleitet wird, ist deshalb viel größer als diejenige des Signals, das in den Abschnitt 46a eingeleitet wurde. Die Pumpleistung wird deshalb mit einer größeren Rate pro Einheitslänge in dem Abschnitt 46b absorbiert, und der Abschnitt 46b kann kürzer sein als der Abschnitt 46a.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 11 ist die Länge der Verstärkungsfaser 57 ausreichend, um das ganze Pumplicht von der Quelle 15' derart zu zerstreuen, daß im wesentlichen kein Pumplicht ihr Ende 58 erreicht. Die Verstärkungsionen-dotierte Faser 32' kann deshalb das verstärkte Signal filtern. Für eine Verstärkung bei geringstem Rauschen sollte jedoch durch das gesamte Verstärkermediuin eine adäquate Pumplichtintensität vorhanden sein. Der Verstärker von Fig. 11 erzeugt deshalb mehr Rauschen als die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
• Die Verstärkungsfaser 62 von Fig. 12 kann entweder von jedem oder beiden der Koppler 60 und 61 mit Pumpleistung beaufschlagt werden. Diese Ausführungsform betrifft vorwärtsgepumpte, umgekehrt gepumpte und doppeltgepumpte Faserverstärker. Bei der umgekehrt gepumpten Ausführungsform ist der Koppler 60 unnötig. In sämtlichen Fällen wird das Signal durch die Verstärkungsfaser 62 verstärkt und an die abgehende Telekommunikationsfaser durch den Koppler 61 gekoppelt. Im Umkehrpumpbetrieb breitet sich Pumplicht vom Koppler 61 in das Ende 65 der Verstärkungsfaser 62 hinein aus. In den Vorwärts- und Doppeltpumpsituationen wird lediglich ein kleiner Teil des Restpumplichts, das aus dem Ausgangsende 65 der Faser 62 austritt, an die Kopplerfaser 66 gekoppelt. Da die Verstärkungsionen-dotierte Faser 64 im wesentlichen ungepumpt bleibt, filtert sie das verstärkte Signallicht, das an die abgehende Telekommunikationsfaser 63 gekoppelt wird.
• Fig. 13 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform, bei der die Filterfaser 74 einen Dotierstoff enthält, der Pumplicht absorbiert; sie enthält auch Verstärkungsionen zum Abwandeln der Verstärkerspektralverstärkungskurve. Die Konzentration der Pumplichtabschwächungsionen ist derart, daß ihre Absorption viel stärker ist als diejenige der Verstärkungsionen in der Faser 74. Die Absorption von Pumplicht könnte beispielsweise zehn Mal so groß sein wie die Absorption von Signallicht. Das Restpumplicht wird dadurch innerhalb einer kurzen Strecke des Eingabeendes 75 der Faser 74 absorbiert. Der Rest der Faser 74 filtert das verstärkte Signal von der Faser 10'.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 14 ist die Verstärkungsfaser 79 selbst derart ausgelegt, daß sie Dotierstoffionen unter einem ausreichend großen Radius enthält, daß lediglich das relativ große Modenfeld des Signallichts die Dotierstoffionen mit großen Radien erreicht. Wie in Fig. 15 gezeigt, erstreckt sich das Signalfeld mit einem größeren Radius in der Verstärkungsfaser 39 als das Pumpfeld. Wenn das Signalfeld sich bis zum Radius r&sub2; erstreckt, sollten sich beispielsweise die Erbiumionen ebenfalls bis zu einem Radius von etwa r&sub2; erstrekken. Da Er-Ionen mit Radien größer als etwa r&sub1; ungepumpt bleiben, stehen diese Er-Ionen mit großen Radien zum Filtern des Signals zur Verfügung.
• Die Ausführungsform von Fig. 16 verwendet eine Faseroptikkopplervorrichtung 83, die durch Miteinanderverschmelzen eine Verstärkungsfaser 81 und einer Verstärkungsionen-dotierten Signalabschwächungsfaser 62 ausgebildet ist. Die Vorrichtung 83 kann ähnlich zu dem Überzugskoppler des Typs sein, der im US-Patent 4 931 076 offenbart ist, oder zum Schmelzfaserkoppler des Typs, der offenbart ist in "Stable Low-Loss Single- Mode Couplers", von T. Bricheno et al., Electronics Letters, Band 20, Seiten 230-232 (1984). Pumplicht und Signallicht werden an die Verstärkungsfaser 81 von der Eingabekopplerfaser 12' gekoppelt. Die Fasern 81 und 82 des Kopplers 83 haben ausreichend unterschiedliche Ausbreitungskonstanten, daß, wegen der resultierenden Δβ, kein Koppeln auftritt. Das Signalfeld mit großem Radius von der Verstärkungsfaser 81 überlappt jedoch den Absorptionsbereich der Faser 82 in dem Bereich des Kopplers signifikant, wo die Fasern 81 und 82 miteinander verschmolzen und gestreckt sind, um den Abstand zwischen den Kernen zu vermindern. Da eine vernachlässigbare Überlappung des Pumpfelds mit kleinem Radius in den Verstärkungsionen-dotierten Bereich der Faser 82 hinein existiert (s. Fig. 17), bleiben die Verstärkungsionen unerregt und können das Signallicht filtern.
• Faserverstärker, die nicht der Erfindung entsprechen, bei denen die signalabsorbierenden Ionen unterschiedlich von den Seltenen Erden-Verstärkungsionen der Verstärkungsfaser sind, sind in den Fig. 18 und 19 gezeigt. Der Faserverstärker von Fig. 18 umfaßt eine Verstärkungsfaser 90, deren Kern mit Verstärkungsionen dotiert ist, die dazu in der Lage sind, eine stimulierte Lichteinission in einem Band von Wellenlängen zu erzeugen, die eine Wellenlänge λs umfassen, wenn sie mit Licht der Wellenlänge λp gepumpt werden. Das Signal- und Pumplicht werden an die Verstärkungsfaser 90 über die Kopplerfaser 12' gekoppelt. Die Verstärkungsfaser 90 ist mit Absorptionsionen co-dotiert, die sich von den Verstärkungsionen unterscheiden; deshalb kann die Pumplichtabschwächungseinrichtung der vor stehend angeführten Ausführungsformen weggelassen werden. Tabelle 2 listet Dotierstoffkandidaten zur Verwendung als Absorptionsionen auf, die in Verbindung mit Verstärkungsfasern verwendet werden sollen, in denen Er, Nd und Pr die Verstärkungsionen bilden. Tabelle 2 Verstärkungsion Verstärkungswellenlängenbereich Absorptionsion (unerwünschte Verstärkung bei 1050 nm)
• Kurven des Absorptionsvermögens als Funktion der Wellenlänge wurden beim Auswählen der Absorptionsionen von Tabelle 2 verwendet.
• Während der Herstellung einer Vorform zum Ziehen einer Verstärkungsfaser, die mit Absorptionsionen ebenso wie mit aktiven Verstärkungsionen co-dotiert ist, ist der zentrale Bereich der Faser mit einer ausreichenden Konzentration an aktiven Verstärkungsionen versehen, um die gewünschte Verstärkung zu erzeugen; sie ist außerdem mit einer ausreichenden Konzentration von Absorptionsionen versehen, um den ungewünschten Bereich abzuschwächen oder das Verstärkungsspektrum zu modifizieren. Eine derartige Faser kann gemäß der vorstehenden US-Patentanineldung S.N. 07/715 348 durch Eintauchen der porösen Kernvorform in eine Dotierstoff lösung ausgebildet werden, die Salze von sowohl dem aktiven Dotierstoffion wie dem Absorptionsion enthält,
• Ein Faserverstärker, der nicht der Erfindung entspricht, bei dem die Absorptionsionen in den Kern einer Faser eingebaut sind, die in Reihe mit einer Verstärkungsfaser geschaltet ist, ist in Fig. 19 gezeigt, in der ein Absorptionsfilter 93 zwischen zwei Abschnitte 92a und 92b einer Verstärkungsfaser geklebt ist. Alternativ kann die Absorptionsfaser an das Ausgabeende oder Eingabeende eines einzigen Verstärkungsfaserabschnitts geklebt sein.

Claims (9)

1. Faserverstärker mit

einer optischen Verstärkungsfaser (10, 10', 46a, 46b, 57, 62, 78, 81), die einen Einzelmodenkern hat, der Dotierstoffverstärkungsionen hat, die eine stimulierte Lichtemission innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbands erzeugen können, das eine Wellenlänge λs umfaßt, wenn sie mit Licht der Wellenlänge λp gepumpt werden, wobei die Verstärkungsfaser Eingabe- und Ausgabeenden hat,

eine Einrichtung (11, 11', 14, 14', 43, 45) zum Einleiten eines Signals der Wellenlänge λs in das Verstärkungsfasereingabeende,

eine Einrichtung (11, 11', 15, 15', 41, 43, 44, 47, 48) zum Einleiten von Pumplicht der Wellenlänge λp in die Verstärkungsfaser, und

eine Absorptionsionenfiltereinrichtung (17, 27, 32, 32', 53, 64, 74, 79, 82) zum Abschwächen von Licht bei zumindest einigen der Wellenlängen innerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbands, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsionenfiltereinrichtung ungepumpte Verstärkungsionen umfaßt, bei denen es sich um dieselben handelt, wie die Dotierstoffverstärkungsionen, und der Verstärker ferner eine Einrichtung (31, 38, 38', 52a, 52b, 57, 61, 74, 79, 83) zum Verhindern der Erregung der ungepumpten Verstärkungsionen durch Licht der Wellenlänge λp umfaßt.

2. Faserverstärker nach Anspruch 1, wobei die ungepumpten Verstärkungsionen in einer optischen Signalfilterfaser (32, 32', 53, 64, 74) angeordnet sind, die in Reihe mit der Verstärkungsfaser (10', 46a, 46b, 57, 62) geschaltet ist.

3. Faserverstärker nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (31, 38, 38', 52a, 52b, 61) zum Verhindern der Erregung in Reihe zwischen die Verstärkungsfaser (10', 46a, 46b, 62) und die optische Signalfilterfaser (32, 32', 53, 64) geschaltet ist und/oder einen Fasergitterreflektor (31) zum Reflektieren von Pumplicht umfaßt, und/oder eine Interferenzfiltereinrichtung (31) zum Reflektieren von Pumplicht umfaßt und/oder eine optische Faser (38, 38', 52a, 52b, 74) umfaßt, die einen Dotierstoff enthält, der das Licht bei der Wellenlänge λp deutlich abschwächt.

4. Faserverstärker nach Anspruch 3, wobei die optische Pumplichtabschwächungsfaser (38') die optische Signalfilterfaser (32') mit dem Eingabeende der Verstärkungsfaser (10') verbindet, oder wobei die Verstärkungsfaser erste und zweite Abschnitte (46a, 46b) umfaßt und die Pumplichtabschwächungsfaser erste und zweite Abschnitte (52a, 52b) umfaßt und der Faserverstärker die Reihenschaltungsanordnung des ersten Abschnitts (46a) der Verstärkungsfaser, den ersten Abschnitt (52a) der Pumplichtabschwächungsfaser, die optische ungepumpte Verstärkungsionen-dotierte Signalfilterfaser (53), den zweiten Abschnitt (52b) der Pumplichtabschwächungsfaser und den zweiten Abschnitt (46b) der Verstärkungsfaser umfaßt, wobei die Einrichtung zum Einleiten von Pumplicht eine Einrichtung (43, 44, 47, 48) zum Einleiten von Puinplicht in die ersten und zweiten Verstärkungsfaserabschnitte umfaßt.

5. Faserverstärker nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Einrichtung zum Verhindern der Erregung der Ionen durch Pumplicht eine ausreichende Länge der Faser (57) umfaßt, um das gesamte Pumplicht zu zerstreuen, das in sie eingeleitet wird, und/oder einen optischen Faserkoppler (61), der im wesentlichen kein Pumplicht aus der Verstärkungsfaser an die optische Signalfilterfaser koppelt.

6. Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Absorptionsionenfiltereinrichtung eine optische Faser (74) umfaßt, die ungepumpte Verstärkungsionen und einen Dotierstoff zum Absorbieren von Pumplicht enthält, wobei die Konzentration des Dotierstoffs viel größer ist als diejenige der ungepumpten Verstärkungsionen.

7. Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die radiale Verteilung der Verstärkungsionen in der Verstärkungsfaser (79) sich über den Modenfeldradius des Lichts der Wellenlänge λp hinaus erstreckt, wobei diejenigen Ionen mit Radien größer als der Modenfeldradius durch Pumplicht unerregt und frei von Absorptionssignallicht sind.

8. Faserverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt der Verstärkungsfaser (81) in Nebeneinanderanordnung an einen weiteren Abschnitt der optischen Faser (62) angeschmolzen ist, die mit den Verstärkungsionen dotiert ist, um einen geschmolzenen Bereich auszubilden, in den hinein sich Signallicht, jedoch kein Pumplicht aus der Verstärkungsfaser in diesen weiteren Abschnitt ausbreiten kann, wobei diese Verstärkungsionen des weiteren Abschnitts durch Pumplicht unerregt und in der Lage sind, Signallicht zu absorbieren.

9. Faserverstärker mit einer Verstärkungsfasereinrichtung, die einen Einzelmodenkern hat, der Dotierstoffverstärkungsionen enthält, die eine stimulierte Emission eines Signallichts in einem vorbestimmten Wellenlängenband erzeugen können, das eine Wellenlänge λs einschließt, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge λp in die Verstärkungsfaser hineingepumpt werden, einer Einrichtung zum Einleiten von Pumplicht der Wellenlänge λp und eines Signals der Wellenlänge λs in die Verstärkungsfasereinrichtung hinein, und einer Filterfaser zum Filtern von Signallicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasereinrichtung erste und zweite optische Verstärkungsfaserabschnitte (46a, 46b) einschließt, von denen jeder erste und zweite Enden hat,

der Verstärker erste und zweite Pumplichtabschwächungsfilterabschnitte (52a, 52b) einschließt, von denen jeder einen Kern hat, der einen Dotierstoff enthält, der optische Leistung in zumindest einem Wellenlängenband abschwächt, das die Wellenlänge λp enthält, während optische Leistung bei der Wellenlänge λs dadurch im wesentlichen unabgeschwächt bleibt, wobei jeder Pumplichtabschwächungsfaserabschnitt erste und zweite Enden hat, wobei das erste Ende jedes der Pumplichtabschwächungsfaserabschnitte an ein jeweiliges der zweiten Enden der Verstärkungsfaserabschnitte geklebt ist,

die Enden der Filterfaser (53) jeweils an die zweiten Enden der Pumplichtabschwächungsfaserabschnitte angeschlossen sind, wobei die Filterfaser mit den Dotierstoffverstärkungsionen zum Filtern von Signallicht dotiert sind,

die Pumplichteinleitungseinrichtung (43, 44, 47, 48) Pumplicht in das erste Ende jedes der Verstärkungsfaserabschnitte einleitet, und

die Signaleinleitungseinrichtung (43) ein Signal in das erste Ende von einem der Verstärkungsfaserabschnitte einleitet, wobei die Verstärkungsionen der Filterfaser während des Betriebs aufgrund der Pumplichtfilterwirkung der Pumplichtabschwächungsfaser unerregt bleiben.