DE69601835T2

DE69601835T2 - Faseroptischer Verstärker

Info

Publication number: DE69601835T2
Application number: DE69601835T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Yoneyama
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-07-06
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2016-06-29
Also published as: JP2748891B2; DE69601835D1; JPH0923033A; EP0753913B1; EP0753913A1; US5801877A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Verstärker zur Verstärkung eines Lichtsignals und insbesondere einen faseroptischen Verstärker, der in der Lage ist, Untersignale auf Originalsignalen zu überlagern.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Faseroptische Verstärker des Standes der Technik - siehe beispielsweise EP-A-0 449 475 oder EP-A-0 630 083 - sind mit mit Erbium dotierten optischen Fasern (EDF; Erbium doped Optical Fibers), mit Anregungslichtquellen zur Erzeugung des Anregungslichts und mit optischen Kopplern ausgestattet, um das Signallicht und das Anregungslicht in die mit Erbium dotierte optische Faser zu multiplexen. Zusätzlich sind sie des weiteren mit optischen Isolatoren ausgestattet, um den Einfluß von Licht zu vermeiden, das von Reflexionspunkten, etwa an Verbindungsabschnitten, zurückkehrt.
Faseroptische Verstärker des Standes der Technik werden nun unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
Bei bekannten Faseroptischen Verstärkern, die aus mit Erbium dotierten optischen Fasern bestehen, hat das Signallicht eine Wellenlänge in dem 1,55-um-Band und das Anregungslicht einen Wellenlänge im 0,98-um-Band oder im 1,48-um-Band. Um dementsprechend effektiv Anregungslicht in die mit Erbium dotierte optische Faser 1 ohne Verlust des Signallichts einzuspeisen, wird ein optischer Wellenlängenteilungs- Multiplexer als optischer Koppler verwendet.
Das Signallicht, das in die mit Erbium dotierte optische Faser 1 eingetreten ist, wird optisch über mit Erbium dotierte optische Fasern 1 durch induzierte Emission verstärkt und ausgegeben. Hier wird ein Untersignal dem Originalsignal überlagert und dann in einigen Fällen ausgegeben. Zur bekannten Überlagerung eines Untersignals auf ein Originalsignal wird ein Untersignal, das ein über eine Untersignalerzeugungsschaltung 7 erzeugtes elektrisches Signal ist, in ein amplitudenmoduliertes Stromsignal mittels einer LD-Stromsteuerschaltung 5 gewandelt und dann in einen Halbleiterlaser injiziert, der eine Anregungsquelle zur Ausgabe von pulsmoduliertem Anregungslicht mittels des Untersignals bildet.
Mit dem bekannten optischen Faserverstärker führt die Pulsmodulation des Anregungslichts durch Untersignale zu einer Änderung des Verstärkungsfaktors des optischen Faserverstärkers. Dies bietet einen Vorteil dahingehend, daß die Pulsmodulation des Untersignals dem zu verstärkenden Signallicht überlagert ist. Deshalb kann dies als Modulationsmittel verwendet werden, wenn Untersignale mit Übertragungsmitteln usw. übertragen werden. Beispielsweise wird ein über die Untersignalerzeugungsschaltung 7 erzeugtes Untersignal der LD-Stromsteuerschaltung 5 eingegeben, die den Strom der Anregungsquelle 4 steuert. Der über die Anregungsquelle 4 anliegende Strom kann amplitudenmoduliert sein, um die Amplitudenmodulation des Untersignals dem Anregungslicht zu überlagern.
Dieses bekannte einfache Verfahren zur Überlagerung von Untersignalen auf dem Anregungslicht verursacht jedoch eine Störung der verstärkten optischen Signale. Dies führte zu dem Problem einer ernsten Verminderung der Übertragungsqualität.
Wenn solche gestörten Untersignal übertragen werden, muß der Modulationsgrad der Untersignale erhöht werden, um die zuverlässige Detektion der Untersignale durchzuführen, und somit wird die Übertragungsqualität des Signallichts beachtlich vermindert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen faseroptischen Verstärker zu schaffen, der die Überlagerung von Untersignalen ermöglicht, ohne die Übertragungsqualität des Signallichts selbst zu verschlechtern.
Der erfindungsgemäße faseroptische Verstärker ist mit einem Verstärkermittel zur Verstärkung des Signallichts durch Absorption des Anregungslichts, einer Anregungsquelle zur Erzeugung das Anregungslicht für die Anregung des Verstärkungsmittels und mit einem optischen Koppler für das Einspeisen des Anregungslichts in das Verstärkungsmittel ausgestattet. Die Grundkonfiguration ist des weiteren mit einer Modulationsschaltung zur Amplitudenmodulation des von der Anregungsquelle ausgegebenen Anregungslichts, einer Untersignalerzeugungsschaltung zur Erzeugung eines Untersignals, das dem Anregungslicht zur Amplitudenmodulation überlagert wird, und mit einem Frequenzfilter ausgestattet, um die Frequenzcharakteristik des in die Modulationsschaltung eingegebenen Untersignals zu wandeln. Der erfindungsgemäße faseroptische Verstärker ist auch dadurch gekennzeichnet, daß das Untersignal durch Änderung des Verstärkungsfaktors des optischen Verstärkungsmediums für die Amplitudenmodulation des Anregungslichts überlagert wird.
Diese Erfindung ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzierschaltung als Frequenzfilter verwendet wird. Zusätzlich dient die Frequenzcharakteristik des Frequenzfilters zum Ausgleich der Frequenzcharakteristik des Verstärkungsmittels aufgrund der Änderung seines Verstärkungsfaktors für die Frequenz des Untersignals für die Amplitudenmodulation des Anregungslichts.
Erfindungsgemäß werden Hochfrequenzkomponenten des Untersignals vorausgehend über das Frequenzfilter verstärkt, und das Anregungslicht wird seinerseits durch das Untersignal mit den vorverstärkten Hochfrequenzkomponenten pulsmoduliert. Dies führt zu einer Überlagerung eines zufriedenstellenden im Signalverlauf ungestörten Untersignals auf dem Signallicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die oben genannten und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher, in denen zeigt:
Fig. 1 eine Aufsicht, die die Konfiguration einer Ausführungsform des bekannten faseroptischen Verstärkers zeigt;
Fig. 2 eine Ansicht, die die Konfiguration einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des faseroptischen Verstärkers zeigt;
Fig. 3 eine Ansicht, die die Untersignal-Signalverläufe zeigt, die in verschiedenen Abschnitten des erfindungsgemäßen faseroptischen Verstärkers beobachtet werden; und
Fig. 4 eine Ansicht, die ein Beispiel der Frequenzcharakteristik eines mit Erbium dotierten faseropti schen Verstärkers zur Modulation von Anregungslicht zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Vor der Erläuterung des erfindungsgemäßen faseroptischen Verstärkers werden die faseroptischen Verstärker des Standes der Technik erneut beschrieben, aber nun detaillierter, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Konfiguration eines bekannten faseroptischen Verstärkers. Die für die Verstärkung in diesem Beispiel verwendete optische Faser ist eine mit Erbium dotierte optische Faser 1. Anregungslicht wird in die mit Erbium dotierte optische Faser 1 von der Rückseite eingespeist.
Bei dem bekannten faseroptischen Verstärker ist ein optischer Synthetisierer mit der mit Erbium dotierten optischen Faser 1 verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Eine Anregungslichtquelle 4 ist mit dem anderen Ende des optischen Kopplers 2 verbunden. Das von der Anregungslichtquelle 4 ausgegebene Anregungslicht wird in die mit Erbium dotierte optische Faser 1 von der Rückseite über den optischen Koppler 2 eingeführt.
Um zu vermeiden, daß das verstärkte Licht hin zur Vorderseite zurückkehrt, ist ein optischer Isolator 3 hinter dem optischen Koppler 2 angeordnet. Hier hat bei den bekannten faseroptischen Verstärkern aus mit Erbium dotierten optischen Fasern das Signallicht eine Wellenlänge in dem 1,55- um-Band, und das Anregungslicht hat eine Wellenlänge in dem 0,98-um-Band oder dem 1,48-um-Band. Um dementsprechend effektiv das Anregungslicht in eine mit Erbium dotierte optische Faser 1 ohne Verlust des Signallichts einzuspeisen, wird ein Wellenlängenteilungsmultiplexer (WDM, Wavelength Division Multiplexer) als ein optischer Koppler verwendet.
Das Signallicht, das in die mit Erbium dotierte optische Faser 1 eingetreten ist, wird über die mit Erbium dotierte optische Faser 1 durch induzierte Emission verstärkt und ausgegeben. In einigen Fällen wird hier das Untersignal dem Originalsignal überlagert und dann ausgegeben. Um das Untersignal einem Originalsignal in der bekannten Art zu überlagern, wird ein Untersignal, das ein über eine Untersignalerzeugungsschaltung 7 erzeugtes elektrisches Signal ist, über eine LD-Stromsteuerschaltung 5 in ein amplitudenmoduliertes Stromsignal gewandelt und dann in einen eine Anregungslichtquelle 4 bildenden Halbleiterlaser injiziert, um das durch das Untersignal amplitudenmodulierte Anregungslicht auszugeben.
Bei diesen faseroptischen Verstärkern führt die Amplituden- Modulation des Anregungslichts durch die Untersignale zu einer Änderung des Verstärkungsfaktors der faseroptischen Verstärker. Dies bietet einen Vorteil dahingehend, daß die Amplituden-Modulation der Untersignale dem zu verstärkenden Signallicht überlagert ist. Deshalb kann dies als Modulierungsmittel verwendet werden, wenn Untersignale mit Transmissionsvorrichtungen usw. übertragen werden. Entsprechend dem gezeigten Stand der Technik wird ein über die Untersignalerzeugungsschaltung 7 erzeugtes Untersignal der LD- Stromsteuerschaltung 5 eingegeben, die den Strom der Anregungslichtquelle 4 steuert. Dies führt zu einer Amplituden- Modulation eines über die Anregungslichtquelle 4 zugeführten Stroms und somit zu einer Überlagerung der Amplituden- Modulation des Untersignals auf dem Anregungslicht.
Dieses einfache Verfahren zur Überlagerung von Untersignalen auf dem Anregungslicht verursacht jedoch eine Störung der verstärkten optischen Signale. Dies führte somit zu dem Problem der beachtlichen Verminderung der Übertragungsqualität.
Wenn gestörte Untersignale übertragen werden, muß das Modulationsausmaß der Untersignale erhöht werden, um die Detektion der Untersignale zuverlässig zu verwirklichen. Im Ergebnis wird die Übertragungsqualität des Signallichts ernsthaft vermindert.
Der Grund für die aus der Überlagerung der Untersignale bei dem bekannten faseroptischen Verstärker resultierende verminderte Übertragungsqualität des Signallichts wird nun untersucht.
Allgemein gesagt, haben Verstärkungsmittel zur Verstärkung des Signallichts durch induzierte Emission, wie beispielsweise mit Erbium dotierte optische Fasern, die in den oben genannten Beispielen des Standes der Technik verwendet wurden, natürliche Zeitkonstanten, bis sie durch Absorption von Anregungslicht angeregt werden. Für gewöhnlich wird die natürliche Zeitkonstante als "Life Time" bezeichnet. Dementsprechend wird in Fällen, in denen das Anregungslicht mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als die Zeitkonstanten τ (Sekunden) amplituden-moduliert ist, die Puls- Modulation effektiv dem Signallicht überlagert. Wenn jedoch im Gegenzug das Anregungslicht mit einer höheren Geschwindigkeit als die Zeitkonstante moduliert wird, wird eine gestörte Puls-Modulation dem Signallicht aufgrund des Fehlers der Verstärkungsmittel überlagert, die der Geschwindigkeit nicht folgen können.
Dies wird in den Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt. Fig. 3(a) zeigt das Verhalten der Untersignale bei niedrigen Frequenzen, wohingegen Fig. 3(b) das Verhalten der Untersignale bei hohen Frequenzen zeigt. Da mit Erbium dotierte optische Fasern Zeitkonstanten von einigen Millisekunden haben, wird der Signalverlauf abrupt gestört, wenn die Frequenz der überlagerten Signale einige kHz oder höher wird, wie es in Fig. 3(b) gezeigt ist.
Fig. 4(a) zeigt die Beziehung zwischen den Frequenzen der Untersignale für die Modulation des Anregungslichts für mit Erbium dotierte optische Fasern und das Ausmaß der Puls- Modulation, die dem Signallicht überlagert ist. Wie aus den Figuren gut ersichtlich ist, sinkt das Ausmaß der dem Signallicht überlagerten Puls-Modulation, wenn die Frequenz des Untersignals ansteigt. Dies zeigt einen Anstieg bei dem Störungsgrad des Untersignal-Signalverlaufs aufgrund des Fehlens der Hochfrequenzkomponenten an.
Wie vorangehend beschrieben wurde, werden bei dem bekannten faseroptischen Verstärker die Signalverläufe der dem Signallicht überlagerten Untersignale gestört, wodurch die Qualität der Untersignale in den Fällen verringert wird, in denen die Frequenzen (und Frequenzkomponenten) der Untersignale größer als das Inverse von (hz) der Anregungszeitkonstante des Verstärkungsmittels sind.
Nun wird der faseroptische Verstärker dieser Erfindung detailliert unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 2 zeigt die Konfiguration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen faseroptischen Verstärkers. In dieser Ausführungsform wird eine CR-Differenzierschaltung mit einfachster Konfiguration als Frequenzfilter verwendet. Hier werden der Kondensator C und der Widerstand R der Differenzierschaltung 6 optimal eingestellt, um zur Frequenzcharakteristik einer mit Erbium dotierten optischen Faser 1 - als Verstärkungsmittel - zu passen, um das Anregungslicht zu modulieren, das heißt zum Inversen 1/τ der Anregungszeitkonstante. Dies führt zu einer Amplituden-Modulation des Anregungslichts durch das vorangehend über die Differen zierschaltung 6 verstärkte Untersignal. Im Ergebnis ist der Signalverlauf des dem Signallicht überlagerten Untersignals, der als Ausgabe des faseroptischen Verstärkers erhalten wird, frei von Störungen. Der Signalverlauf des Untersignals nähert sich dem Signalverlauf unmittelbar nach der Ausgabe von der Untersignalerzeugungsschaltung 7.
Die in diesem Moment an verschiedenen Abschnitten beobachteten Signalverläufe sind in Fig. 3(c) gezeigt. Das über die Differenzierschaltung 6 ausgegebene Untersignal hat eine Differential-Signalform aufgrund der Amplituden- Modulation der verstärkten Hochfrequenzkomponenten. Das Einspeisen von durch das hochfrequenzkomponentenverstärkte Untersignal amplituden-modulierte Anregungslicht in die mit Erbium dotierte optische Faser 1 führt zu einer Überlagerung einer Amplituden-Modulation nahe dem ursprünglichen Untersignal-Signalverlauf über dem verstärkten Signallicht.
In dieser Ausführungsform wird, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, eine Differenzierschaltung als Frequenzfilter verwendet. Der gleiche Effekt wird mit einem Filter mit einer Frequenzcharakteristik erzielt, die als Ausgleich der Frequenzcharakteristik des Verstärkungsmittels für das pulsmodulierte Anregungslicht dient.
Fig. 4(b) zeigt ein Beispiel dieser Ausführungsform der Frequenzfiltercharakteristik. Im Gegensatz zu der Frequenzcharakteristik der mit Erbium dotierten optischen Faser aus Fig. 4(a) ist hier das Frequenzfilter ausgestaltet, um einen niedrigeren Durchgangsverlust zu haben, wenn die Frequenz ansteigt. Dies ermöglicht den Ausgleich der Frequenzcharakteristik der mit Erbium dotierten optischen Faser. Da hier das Untersignal eine niedrigere Amplitude aufgrund des durch das Frequenzfilter produzierten Verlustes hat, muß die Untersignalerzeugungsschaltung mit einer höheren Ausgabe ausgestaltet sein.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Frequenzcharakteristik eines mit Erbium dotierten faseroptischen Verstärkers für die Modulation von Anregungslicht. Fig. 4(a) zeigt die Frequenzcharakteristik des mit Erbium dotierten faseroptischen Verstärkers bei der Modulation des Anregungslichts. Fig. 4(b) zeigt die Frequenzcharakteristik des Frequenzfilters als Übertrager.
Mit der beschriebenen Konfiguration erzeugt der erfindungsgemäße faseroptische Verstärker den Effekt, daß nicht nur eine Störung der Signalverläufe der dem Signallicht überlagerten, amplituden-modulierten Untersignale vermieden wird, um die Übertragungsqualität der Untersignale zu verbessern, sondern auch der Einfluß der Untersignale auf das Signallicht minimiert wird.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, ist es zu verstehen, daß der von dieser Erfindung angesprochene Gegenstand nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil, der Gegenstand der Erfindung ist dahingehend zu verstehen, daß er alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente einschließt, die innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche enthalten sein können.

Claims

1. Faseroptischer Verstärker mit:

einem Verstärkungsmedium (1) zum Verstärken eines Signallichts durch Absorption eines Erregerlichts;

einer Erregerlichtquelle (4), die das Erregerlicht erzeugt, um das Verstärkungsmedium zu erregen;

einer Fotokoppelvorrichtung (2) zum Zuführen des Erregerlichts in das Verstärkermedium;

einer Untersignalerzeugervorrichtung (7) zum Erzeugen eines Untersignals;

einer Modulationsvorrichtung (5) zum Amplitudenmodelieren des Erregerlichts auf der Basis des Untersignals;

gekennzeichnet durch:

einen Frequenzfilter (6) zum Umsetzen der Frequenzcharakteristik des Untersignals, um dieses in die Modulationsvorrichtung einzuführen.

2. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Frequenzfilter eine Hochfrequenzkomponentenmodulationsvorrichtung aufweist zum vorab Hervorheben hochfrequenter Komponenten des Untersignals.

3. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Frequenzfilter eine Verstärkereinstellvorrichtung aufweist zum Überlagern des Untersignals durch Änderung der Verstärkung des Verstärkungsmediums für eine Amplitudenmodulation des Erregerlichts.

4. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Frequenzfilter einen Differenzierschaltkreis enthält.

5. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Frequenzfilter einen Frequenzcharakteristik hat, die die Frequenzcharacteristik des Verstärkermediums kompensiert aufgrund einer Änderung in seiner Verstärkung durch eine Erregerlichtmodulation, für die Frequenz des Untersignals.

6. Faseroptischer Verstärker nach Anspruch 3, wobei der Frequenzfilter eine Frequenzcharacteristik hat, die die Frequenzcharakteristik des Verstärkermediums kompensiert aufgrund einer Änderung in seiner Verstärkung durch eine Erregerlichtmodulation für die Frequenz des Untersignals.